基于SDN架构下DDoS攻击检测与防御方法的研究

基于 SDN架构下 DDoS攻击检测与防御
方法的研究
摘要：近年来，得益于网络、云计算和5G的不断发展，互联网给极大地便利了我们的生活。

与此同时，网络安全问题也变得越来越复杂和严重。

黑客攻击和计算机病毒传输，特别是DDoS（Distributed Denial of Service,分布式拒绝服务攻击）攻击，作为将大量流量传输到互联网或其周围环境的恶意企图，中断目标服务器或网络正常流量的基础设施。

SDN（Software Defined Network，软件定义网络）成为一种得到广泛应用的新型网络架构。

SDN的主要特点是数据传输和控制分离，还有网络虚拟化和开放接口的特点。

其主要目的是简化网络的配置和管理，促进网络向动态灵活的方向发展。

关键词：SDN、DDoS、攻击检测、攻击溯源
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SDN网络架构的介绍及意义
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背景
由于网络的飞速发展，如今传统的网络架构充满了危机，主要挑战是部署和管理传统网络的复杂性、分布式架构的瓶颈、执行流量控制的复杂性以及硬件的非可编程性。

网络设备间，大多使用路由交换协议等网络协议来交换信息。

大多数网络采用典型的分布式网络架构：设备和设备交换路由信息，然后根据这些信息创建拓扑信息数据库，并根据特定的路由算法计算路径。

传统的网管软件只能监控故障，无法检测整个网络的连接状态。

常规流量控制软件只能提供区域流量控制和区域流量可视化。

而正是这些问题催生了SDN。

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介绍
SDN是斯坦福大学Clean Slate研究小组提出的一种新型网络化创新架构，
其核心理念是希望应用软件能够参与网络的监控和管理，满足上层业务的需求，
通过业务的自动部署，简化网络的运维。

SDN是具有集中式软件控制和开放网络
的三层架构。

应用层忽略网络服务和网络模型的表示；控制层实现网络操作系统
的功能，集中管理网络资源；传输层实现分组交换功能。

提升全网资源利用率是SDN带来的最大价值，增强网络虚拟化能力，加速网络创新。

同时，它还具有自
动应用快速部署、按需应用交付和大规模迁移、资源灵活性和支付速度更高、利
用率更高的优势。

集中部署的控制平面可以完成资源统计、拓扑管理、开通配置、路由计算等功能，获取构建资源利用的网络，隔离不同用户之间的虚拟网络。

SDN可以提供一个集中式可编程网络，其中包括一个SDN控制器、北向和南向API。

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SDN网络架构相关技术
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SDN架构
SDN是一种数据管理分离和软件编程的新型网络架构。

它使用集中式控制平
面和分布式传输平面，这两个平面彼此分开，控制平面使用传输平面上的控制传
输接口，网络设备集中管理。

这部分控制信令流量发生在控制器和网络设备之间，网络设备在接收到控制信令后生成转发表，并据此确定数据流量的处理，SDN可
以通过编写软件灵活调整网络设备的转发性能。

它是一种包含多种接口协议的网
络架构，其中，南向接口协议用于SDN控制器与SDN控制器之间的通信，北向
API用于业务应用与SDN控制器之间的通信。

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ONF定义的SDN架构
ONF定义的架构由四个平面组成，分别是控制平面、数据平面、应用平面和
右侧的控制管理平面。

每个平面之间的通信使用不同的接口协议。

ONF网络架构
实现了传输抽象、分布式状态抽象和配置抽象。

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OpenFlow协议
开放协议方案（OpenFlow Switch Specification）是目前SDN中实现的开
源解决方案。

该类方案基于开放的网络协议，实现了控制平面和传输平面的分离，支持控制全球化，行业支持度最高。

2008年，SDN和OpenFlow在斯坦福大学一
起诞生。

SDN架构的核心组件是控制器，在OpenFlow协议运行环境中，所有与控
制器通信的网络设备都必须支持OpenFlow协议。

如今，SDN控制器已经采用了OpenFlow网络协议，并将OpenFlow网络协议视为他们的标准通信规范。

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DDoS攻击概述
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DDoS攻击介绍
随着网络技术的发展，网络安全问题变得越来越重要。

随着互联网的飞速发展，DDoS攻击越来越普遍。

DDOS攻击由于实施容易、防范跟踪困难，已成为最
棘手的网络安全问题之一，给网络社会造成了很大的危害。

同时，DDoS攻击也将
成为未来信息战的主要手段之一。

DDoS攻击需要攻击者控制计算机网络才能进
行攻击。

计算机感染了恶意软件，使每台计算机都变成了僵尸，然后攻击者可以
远程控制一组称为僵尸网络的机器人。

一旦安装了僵尸网络，攻击者就会向每个
机器人发送更新的指令以驱动远程控制。

当受害者的IP地址被用作僵尸网络的
目标时，每个僵尸程序都会通过向目标发送请求来响应，这可能会淹没目标服务
器或网络，从而导致对正常流量的拒绝服务。

由于每个机器人都是合法的互联网
设备，因此很难将攻击流量与常规流量分开。

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DDoS攻击分类
DDoS攻击主要分为三种类型：基于流量的攻击、基于连接的攻击和特殊协议缺陷。

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SYN Flood攻击
这种攻击是最经典的DDoS攻击之一,它首次出现在 1999 年左右。

SYN Flood攻击利用TCP三向握手漏洞，以相对较低的成本导致目标服务器无响应且难以跟踪。

首先，客户端发送一个包含SYN的TCP报文，该报文将指示客户端使用的端口和TCP连接的起始序列号。

然后，服务器一收到客户端的SYN报文,就会返回SYN + ACK报文，这意味着客户端的请求已被接受。

最后，客户端也向服务器发回ACK，TCP序列号也加1，经过这三步，TCP连接就建立起来了。

为了获得可靠的传输，TCP在三向握手过程中实现了异常处理机制。

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UDP Flood攻击
UDP Flood 是一种越来越常见的基于流量的DDoS攻击，常见的情况是使用大量UDP报文攻击DNS服务器、Radius认证服务器、流媒体服务器。

由于UDP是无连接协议，在UDP Flood 攻击期间，攻击者可以发送大量带有欺骗性源IP地址的小型UDP数据包。

但是，由于在UDP端口打开以提供相关服务的情况下未连接UDP，因此可能会攻击相关服务。

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ICMP Flood攻击
ICMP是TCP/IP协议族的子协议，用于在IP主机和路由器之间传输控制消息。

ICMP Flood攻击是一种常见的攻击，需要大量的带宽。

该攻击在短时间内向目标
主机发送大量ping包，消耗主机资源，当主机的资源耗尽时，它会被损坏，导
致受害者无法接受来自合法用户的请求。

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SDN构架下的DDoS攻击检测方法研究
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SDN防御DDoS攻击的优势
由于SDN架构具有强大的集中化、逻辑化管控能力，可以实现快速部署和灵
活调度，当攻击发生时，它可以监控网络并动态调度资源来分析流量，并轻松实
施防御策略以应对DDoS攻击。

可见，围绕DDoS攻击对SDN的优势可以提出一套
实用、简单、有效的全局解决方案。

此外，随着攻击越来越复杂，识别度高的检
测方法意味着更复杂的识别分析算法和更完整的分析模式，以及更完整的数据流
采样，而对数据流更为全面采样并不意味着对采样的长度不去限制,所以权衡采
样的细节和传输采样结果需要的带宽很有必要。

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基于SDN的DDoS自适应防御模型
针对当前网络安全状况，结合SDN架构和实时计算环境，提出了一种基于自
适应SDN的DDoS防御模型，以提高攻击检测和防护的速度。

该模型分为三层：
控制层、网络层和分析层。

该模型以DDoS攻击整体流量的某些特征为初始条件，对流量进行自适应采样，调用分析算法识别网络异常，并根据攻击类型自适应生
成防护策略。

参考文献：
[1]史淼. 基于SDN的DDoS攻击自适应防御技术研究[D].青岛科技大学，2017.
[2]刘鹏程. 软件定义物联网环境下的DDoS攻击检测与防御方法研究[D].安徽理工大学，2020.
[3]张越. SDN下DDoS攻击检测与防护方法研究[D].长春工业大学，2020.
[4]陈莉. 基于SDN的DDoS攻击检测与防御方法的应用研究[D].西安科技大学，2020.
作者简介：
赵佳慧，女，山东协和学院，网络工程19-01班学生。

刘莉，女，山东协和学院，副教授。

基金项目：山东协和学院2021年实验室开放项目《基于SDN的DDoS攻击检测与防御方法的实验研究》，项目编号2021SYKF41。