基于超融合架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺探索

底曉強(qiáng)，韓 登，楊凌翔，趙建平，楊華民，祁 暉

(1.長春理工大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022; 2.吉林省教育考試院，長春 130022)

基于超融合架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺探索

底曉強(qiáng)1，韓 登2，楊凌翔1，趙建平1，楊華民1，祁 暉1

(1.長春理工大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022; 2.吉林省教育考試院，長春 130022)

分析了網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的發(fā)展現(xiàn)狀，針對利用云計算技術(shù)和虛擬化技術(shù)建立的平臺投資效費比偏低、管理難度大和擴(kuò)展性不強(qiáng)的問題，給出了基于超融合架構(gòu)建立網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)架構(gòu)，以實現(xiàn)云計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源的統(tǒng)一管理。在開源虛擬化軟件的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于Web的網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)用，允許學(xué)生通過瀏覽器隨時隨地訪問平臺中提供的虛擬攻擊機(jī)和虛擬靶機(jī)開展實驗。采用超融合架構(gòu)搭建的實驗教學(xué)平臺不但省去了網(wǎng)絡(luò)存儲的購置成本，還可以通過增加X86服務(wù)器的數(shù)量水平擴(kuò)展平臺的服務(wù)能力，并可以有效的降低后期管理和維護(hù)的成本。

虛擬仿真； 實驗平臺； 網(wǎng)絡(luò)安全； 超融合架構(gòu)

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)安全[1]的教學(xué)內(nèi)容實踐性強(qiáng)，IT技術(shù)發(fā)展日新月異，安全知識更新速度快，如何為學(xué)生提供便利可共享的實驗環(huán)境成為企業(yè)界、學(xué)術(shù)界和教育界普遍關(guān)注的熱點。安全類實驗本身具有一定的風(fēng)險，如果在真實網(wǎng)絡(luò)中開展病毒注入和網(wǎng)絡(luò)攻擊等破壞性實驗，會嚴(yán)重威脅實驗室中的硬件安全、軟件安全和管理安全，而且在實驗環(huán)節(jié)還需要多種操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，為開展網(wǎng)絡(luò)安全實驗提供了解決方案，在虛擬機(jī)中開展網(wǎng)絡(luò)安全實驗，不但可以為學(xué)生提供多種操作系統(tǒng)環(huán)境，還不會影響物理主機(jī)的安全。隨著云技術(shù)的發(fā)展，在云計算環(huán)境下建立的網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)系統(tǒng)，支持學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，實現(xiàn)了學(xué)生隨時隨地的自主學(xué)習(xí)，并能向社會開放共享優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。

利用云計算技術(shù)建立的虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)安全實驗系統(tǒng)[2]，對網(wǎng)絡(luò)安全的教學(xué)和研究起到了良好的推動作用，但是仍然存在一些不足：

(1) 擴(kuò)展性不強(qiáng)。其主要原因是目前云計算無法做到對計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源的統(tǒng)一管理，大部分的實驗平臺只能對計算資源統(tǒng)一管理，這就導(dǎo)致實驗平臺的升級和擴(kuò)容受限于所采用的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和存儲設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)。

(2) 效費比偏低。據(jù)統(tǒng)計，在搭建虛擬仿真實驗平臺時，存儲設(shè)備投資在硬件投入中占比一般在20%～40%，甚至更高，這無形中降低了投資的效費比。

(3) 管理難度大。一般情況下一臺存儲設(shè)備會為多臺計算節(jié)點提供存儲服務(wù)，存在著單點故障隱患，一旦設(shè)備損壞，將影響整個實驗平臺的運行。

超融合架構(gòu)(Hyper-Converaged Infrastructure)的思想來源于Google和Facebook等大型互聯(lián)網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心運維的大規(guī)模基礎(chǔ)架構(gòu)實踐，云計算環(huán)境中，它支持在同一套單元設(shè)備(X86服務(wù)器)中同時提供計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源的池化管理。單元設(shè)備之間使用低延遲萬兆銅纜或光纖互聯(lián)，避免了服務(wù)器和存儲設(shè)備的重度耦合，省去了部署專用存儲設(shè)備的成本。因此，采用超融合架構(gòu)可以建立擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、易管理和低成本的網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)平臺。

1 網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)平臺現(xiàn)狀

1.1利用單機(jī)上的虛擬機(jī)開展實驗

虛擬機(jī)技術(shù)[3]是通過軟件模擬硬件設(shè)備，在大型主機(jī)上為每個用戶虛擬出一套獨立于實際硬件的虛擬硬件環(huán)境。虛擬機(jī)監(jiān)視器VMM[4](Virtual Machine Monitor)的作用是管理上層運行的虛擬機(jī)，集中控制其對硬件設(shè)備的訪問。隨著虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，虛擬化軟件允許用戶在一臺普通PC上安裝多個虛擬機(jī)開展安全實驗，如圖1所示。

對于主機(jī)而言，虛擬機(jī)系統(tǒng)就是一個操作系統(tǒng)文件，因此在實驗室中利用硬盤保護(hù)還原卡可以確保每次上課都為學(xué)生提供相同的實驗操作環(huán)境，而且不會影響到PC的安全，可以方便的開展安全類實驗。雖然虛擬機(jī)技術(shù)解決了利用PC在實驗室中為學(xué)生提供多種操作系統(tǒng)環(huán)境開展安全實驗的問題，但由于其使用還原卡，無法保存學(xué)生實驗的中間結(jié)果，這意味著如果實驗沒有完成，下次實驗只能重新開始。如果要新增虛擬機(jī)靶機(jī)和虛擬攻擊機(jī)[5]，都要通過還原卡將它們的鏡像重新分發(fā)到學(xué)生的實驗主機(jī)上，維護(hù)工作量較大，無法支持學(xué)生遠(yuǎn)程開展實驗。

圖1 在PC上開展網(wǎng)絡(luò)安全實驗示意圖

1.2利用云計算技術(shù)建立網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗平臺

采用云計算[6]和虛擬化技術(shù)建立的網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗平臺，允許學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程開展遠(yuǎn)程實驗，有利于優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享。云計算虛擬化[7]可以實現(xiàn)為相同模板的虛擬機(jī)建立統(tǒng)一的快照，創(chuàng)建各個虛擬機(jī)的還原點，能快速恢復(fù)初始狀態(tài)，方便學(xué)生保存中間結(jié)果和還原實驗現(xiàn)場，有效的提高了實驗效率，也方便了實驗教師管理和維護(hù)實驗平臺。但由于云計算中存儲資源與計算資源和網(wǎng)絡(luò)資源是硬耦合的關(guān)系，無法實現(xiàn)水平擴(kuò)展，形成三者統(tǒng)一的資源池，這為基于云計算和虛擬化技術(shù)建立的實驗平臺[8]的后續(xù)升級帶來了挑戰(zhàn)。

云計算環(huán)境[9]涉及的硬件主要包括服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備[10]，其中服務(wù)器作為計算機(jī)節(jié)點，存儲設(shè)備一般采用網(wǎng)絡(luò)附加存儲NAS(Network Attached Storage)或存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)SAN(Storage Area Network)，服務(wù)器與存儲設(shè)備關(guān)系如圖2所示。NAS是將存儲設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器上，服務(wù)器通過TCP/IP協(xié)議訪問NAS上的數(shù)據(jù)；SAN一般采用光纖交換機(jī)連接存儲陣列和服務(wù)器，服務(wù)器通過專用光纖通道交換機(jī)訪問數(shù)據(jù)。NAS多適用于文件服務(wù)器，部署靈活，成本低，但受限于以太網(wǎng)的速度；SAN主要有基于光纖通道的FC SAN和基于以太網(wǎng)的IP SAN。FC SAN通過光纖交換機(jī)連接到HBA卡，所有連接到光纖交換機(jī)的服務(wù)器都可以訪問這個存儲，它的技術(shù)成熟，性能較好，但成本高、部署復(fù)雜，橫向擴(kuò)充困難；IP SAN通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接到服務(wù)器，因此會受限于網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的性能。

圖2 服務(wù)器與存儲設(shè)備關(guān)系示意圖

為了構(gòu)建多樣性的網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗環(huán)境，實驗平臺上將運行大量的虛擬機(jī)，但不論采用SAN還是NAS，當(dāng)同時啟動的虛擬機(jī)數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模時，由于磁盤IO的急劇增長，會出現(xiàn)“啟動風(fēng)暴”，還會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，不利于大規(guī)模的共享網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真教學(xué)資源。在開展實驗之前，管理員先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全實驗的要求制作安裝了攻防軟件的虛擬機(jī)鏡像。然后維護(hù)云存儲中的虛擬靶機(jī)和虛擬攻擊機(jī)鏡像文件庫[11]。局域網(wǎng)用戶通過遠(yuǎn)程桌面可以直接連接到實驗平臺；互聯(lián)網(wǎng)用戶通過VPN訪問實驗平臺。學(xué)生根據(jù)實驗類別，選擇相應(yīng)的虛擬攻擊機(jī)鏡像文件和虛擬靶機(jī)鏡像文件，在自己所屬磁盤空間內(nèi)創(chuàng)建虛擬攻擊機(jī)實例和虛擬靶機(jī)實例開展實驗。

2 超融合架構(gòu)

傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)[12]主要應(yīng)用在大型機(jī)上，X86架構(gòu)下的虛擬化技術(shù)在INTEL和AMD推出了基于硬件的虛擬內(nèi)存管理、IO虛擬化等技術(shù)后，能有效提升X86架構(gòu)下VMM的執(zhí)行效率，推動了X86架構(gòu)下虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展。超融合架構(gòu)的思想來源于大型互聯(lián)網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心運維的實踐，Nutanix等存儲初創(chuàng)廠商將其應(yīng)用于計算和存儲相融合的虛擬化環(huán)境，為企業(yè)客戶提供基于X86硬件平臺的計算存儲融合產(chǎn)品或解決方案。超融合架構(gòu)在計算節(jié)點VMM層和物理存儲層之間添加了一個分布式存儲管理層，能將各物理節(jié)點的存儲資源抽象整合，并留出上層VMM的管理接口，實現(xiàn)了存儲資源統(tǒng)一管理，統(tǒng)一分配，形成計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲三者統(tǒng)一的資源管理模式。

超融合架構(gòu)如圖3所示，它采用分布式存儲和無共享的設(shè)計理念，多臺X86服務(wù)器節(jié)點通過高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，要提升實驗平臺的服務(wù)能力，可以水平方向接入新的服務(wù)器，實現(xiàn)線性聚合和無縫的橫向擴(kuò)展。服務(wù)器節(jié)點既是計算節(jié)點，又是存儲節(jié)點，因此采用超融合架構(gòu)搭建實驗平臺時不但可以省去價格高昂的存儲設(shè)備，而且平臺易于管理、維護(hù)和擴(kuò)展。

圖3 超融合架構(gòu)示意圖

3 基于超融合架構(gòu)的實驗平臺建設(shè)方案

3.1教學(xué)平臺硬件結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的基于超融合架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)攻防實驗教學(xué)平臺拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。其中光纖交換機(jī)或萬兆交換機(jī)與超融合架構(gòu)中的n臺X86服務(wù)器相連接。具有VPN功能的防火墻可以支持互聯(lián)網(wǎng)用戶和局域網(wǎng)用戶連接到該教學(xué)平臺，防火墻并不是不可替代的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)設(shè)備，也可以使用其他的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)設(shè)備。在超融合架構(gòu)里，這n臺服務(wù)器不僅保存了具有操作系統(tǒng)漏洞和應(yīng)用程序漏洞的操作系統(tǒng)鏡像文件，而且還存儲著已安裝攻擊工具的操作系統(tǒng)鏡像文件，利用這些鏡像文件可以創(chuàng)建出虛擬攻擊機(jī)和虛擬靶機(jī)。

圖4 超融合架構(gòu)教學(xué)平臺的硬件結(jié)構(gòu)

3.2實驗平臺系統(tǒng)架構(gòu)

超融合架構(gòu)實驗教學(xué)平臺的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示，它是利用開源虛擬化軟件KVM和云計算軟件Openstack搭建,主要包括如下部分：

(1) KVM和分布式存儲系統(tǒng)，KVM是一個Linux內(nèi)核模塊實現(xiàn)，在虛擬環(huán)境下Linux內(nèi)核集成管理程序?qū)⑵渥鳛橐粋€可加載的模塊，使用KVM來實現(xiàn)計算資源的管理，KVM通過加載kvm.ko內(nèi)核模塊將Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)換為一個VMM。通過KVM的擴(kuò)展模塊來實現(xiàn)分布式存儲，這也是實現(xiàn)超融合架構(gòu)的基礎(chǔ)。

(2) Open vSwitch是一個可以運行在KVM虛擬化平臺上的虛擬交換機(jī)，它是由Nicira Networks開發(fā)的開源軟件，主要用于虛擬攻擊機(jī)和虛擬靶機(jī)間的通信和實現(xiàn)VM與外網(wǎng)的通信。

(3) QEMU通過軟件仿真X86平臺處理器的取指、解碼和執(zhí)行，它是一種用動態(tài)翻譯技術(shù)實現(xiàn)的快速指令集層虛擬機(jī)，支持整個計算機(jī)系統(tǒng)的模擬。QEMU-KVM是用硬件虛擬化技術(shù)[13]代替了QEMU的動態(tài)翻譯技術(shù)，實現(xiàn)了虛擬機(jī)操作系統(tǒng)代碼直接由硬件處理，從而提高了VM系統(tǒng)性能。本方案中使用QEMU-KVM和Libvirt實現(xiàn)虛擬機(jī)的管理和調(diào)度，通過它為學(xué)生提供虛擬攻擊機(jī)和虛擬靶機(jī)[14]。

(4) 為了允許學(xué)生使用瀏覽器訪問虛擬機(jī)，在Openstack中啟用支持遠(yuǎn)程訪問虛擬化桌面的獨立計算環(huán)境簡單協(xié)議SPICE(Simple Protocol for Independent Computing Environment)，同時在nova中配置nova-vncproxy，實現(xiàn)虛擬機(jī)的VNC (Virtual Network Computer)代理服務(wù)器與瀏覽器雙向通信的Web Socket，以支持虛擬機(jī)訪問的Web化。

(5) 用Nova調(diào)派資源實例化虛擬機(jī)，用Glance提供虛擬機(jī)實例化時需要的鏡像。

(6) 網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真Web平臺[15]利用PHP開發(fā)，使用Mysql儲存學(xué)生和實驗題目等信息，主要包括場景管理、實驗題目管理、學(xué)生管理、靶場管理、靶場比賽、對抗比賽、成績管理、系統(tǒng)監(jiān)控、成績?yōu)g覽、靶場實戰(zhàn)、 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼⑻摂M化管理、虛擬機(jī)管理和計算節(jié)點配置等功能模塊。學(xué)生使用瀏覽器訪問Web平臺進(jìn)行實驗。圖5所示為超融合架構(gòu)實驗教學(xué)平臺的體系結(jié)構(gòu)。

圖5 超融合架構(gòu)實驗教學(xué)平臺的體系結(jié)構(gòu)

3.3實驗平臺維護(hù)和實驗過程

管理員維護(hù)學(xué)生開展實驗室需要用的虛擬機(jī)鏡像，包括安裝了攻擊工具的虛擬攻擊機(jī)鏡像和設(shè)置了安全漏洞的虛擬靶機(jī)鏡像，這些鏡像文件在存儲池中會存儲多份。在靶機(jī)鏡像文件中設(shè)置Flag文件，學(xué)生攻破靶機(jī)讀取Flag文件后，向Web平臺提交Flag文件的內(nèi)容，Web平臺根據(jù)Flag正確與否判別學(xué)生是否得分。管理員添加實驗內(nèi)容，關(guān)聯(lián)實驗所要用到的虛擬機(jī)鏡像，維護(hù)院系班級組織機(jī)構(gòu)和學(xué)生的賬號信息。查詢學(xué)生的實驗成績、排名和學(xué)生提交的答案，在實驗進(jìn)行過程中，管理員可以實時監(jiān)控學(xué)生的攻擊操作。

學(xué)生利用支持HTML5的瀏覽器訪問實驗平臺首頁，用管理員為自己分配的賬號信息登錄到平臺系統(tǒng)中。選擇實驗題目后，查看實驗要求和實驗指導(dǎo)書后，點擊虛擬機(jī)鏈接就可以直接在瀏覽器中啟動QEMU虛擬機(jī)。攻擊機(jī)中已經(jīng)內(nèi)置了各種攻擊工具，通過掃描靶機(jī)發(fā)現(xiàn)其漏洞，利用漏洞攻破靶機(jī)后，取得Flag文件，向平臺提交Flag文件內(nèi)容，平臺的評分系統(tǒng)自動判別學(xué)生是否成功完成實驗。

4 結(jié) 語

本文回顧了網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)技術(shù)從單機(jī)虛擬機(jī)到云計算技術(shù)的發(fā)展過程，分析了基于虛擬機(jī)技術(shù)和基于云計算技術(shù)建立的實驗平臺的不足[16]，提出了基于超融合架構(gòu)云計算的網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)實驗平臺的建設(shè)方案，該方案省去了傳統(tǒng)實驗平臺建設(shè)的存儲設(shè)備，顯著降低了建設(shè)成本，利用Web平臺提供實驗環(huán)境，方便實驗資源的共享，所采用的超融合架構(gòu)便于實驗平臺的維護(hù)和管理，尤其是在技術(shù)上支持線性擴(kuò)展，不但在網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)方面具有較好的應(yīng)用前景，對于虛擬仿真教學(xué)實驗平臺的建設(shè)，也具有較好的參考借鑒作用。

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ExplorationonNetworkSecurityVirtualSimulationExperimentTeachingPlatformBasedonHyper-convergedInfrastructure

DIXiaoqiang1，HANDeng2，YANGLingxiang1，ZHAOJianping1，YANGHuamin1，QIHui1

(1.School of Computer Science and Technology, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022，China; 2.Jilin Provincial Education Examination Authority，Changchun 130022，China)

This paper analyzes the current development of network security virtual simulation experiment teaching platform,and then designs hardware and system architecture of network security virtual simulation experiment teaching platform based on hyper-converged infrastructure for solving issues that investment cost-effectiveness ratio is low, management is difficult and expansibility is not strong.The platform aims at realizing unified management of cloud computing, network and storage resources.On the basis of open source software, experiment teaching platformweb application is developed.It allows students to access virtual attack machine and virtual target machine provided by the web application, to carry out experiment through browsers.Adopting thehyper-converged infrastructure not only saves procurement cost of the network storage, but also can improve the service ability of the experiment platform by increasing the number of X86 server, which can reduce the difficulty of the management and maintenance of the later stage.

virtual emulation; experiment platform; network security; hyper-converged infrastructure

TP 303

A

1006-7167(2017)10-0195-04

2016-11-17

國家級計算機(jī)信息安全與網(wǎng)絡(luò)攻防虛擬仿真實驗教學(xué)中心資助課題，吉林省科技廳(20150204081GX),吉林省高等教育教學(xué)改革課題

底曉強(qiáng)(1978-)，男，回族，河北新樂人，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，網(wǎng)絡(luò)工程系主任，主要研究方向為一體化網(wǎng)絡(luò)與信息安全。Tel.：18604465275; E-mail:dixiaoqiang@cust.edu.cn