一种基于SDN架构的BGP路由可信验证方法与流程

本发明主要涉及到网络安全领域，特指一种基于SDN(Software Defined Network，软件定义网络)架构的BGP(Border Gateway Protocol，边界网关协议)路由可信验证方法。

背景技术：

域间路由安全对于整个互联网的安全具有重要的意义。增强域间路由安全的关键之一就是提高域间路由协议的安全性。BGP协议作为当前唯一的域间路由协议，其安全性是整个Internet路由系统安全的关键。而BGP路由是否可信又是保证BGP协议安全的基础，然而在BGP设计之初，并没有充分考虑可信路由问题，只有一些简单的认证机制保证安全。在目前复杂的网络环境下，这种简单的认证机制既不能确保路由信息的可靠性，也不能满足可信路由的需求。

BGP路由可信的核心问题就是确保信息发布的可靠性，其中最重要的就是源地址信息和路径属性，至今提出的多种BGP路由可信方法，多数都采用基于信息认证的数字签名认证方法，包括对源地址签名、路径属性签名、路由策略签名来保证信息的安全可信。这种方法存在以下不足：在数字签名认证方法中，要求每台设备都有公钥和私钥两种密钥，密钥产生、分配、维护工作繁琐，密钥系统难以部署，开销很大；而随着网络规模增大，网络设备成指数级增长，大大增加了密钥系统的部署管理难度，降低了系统的整体性价比。因此，数字签名认证方法代价太大，难于部署。

另一种常见的保证BGP路由可信的方法是采用BGP路由检测系统检测路由异常，这种方法存在以下不足：1、已有的路由安全监测系统只提供异常发现和报警服务，没有阻断异常功能，即没有形成自动的反馈控制。与此同时，在监测异常时，需要参考已有异常类型知识库确定系统是否存在异常，这种方法依赖于知识库的准确性和完整性，且只能检测异常，没有自动反馈机制。2、已有的路由安全监测系统只有在网络应用所需服务得不到保证、网络状态出现波动的情况下才能检测出异常，这种被动异常监测不具备很好的实时性和前瞻性，难以满足目前网络安全的实时性需求。3、已有的路由安全监测系统种类繁多、各成体系，系统之间互通性差，难以兼容。且系统大多只向后兼容，不具备向前兼容的特性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于SDN架构的BGP路由可信验证方法，该方法能够降低部署开销、提高异常检测性能和实时性、闭环控制阻断异常、向前兼容高可扩展、使系统整体性价比大幅提升。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于SDN架构的BGP路由可信验证方法，实施步骤如下：

1.一种基于SDN架构的BGP路由可信验证方法，其特征在于，实施步骤如下：

第一步，构建基于SDN架构的BGP路由可信验证环境，BGP路由可信验证环境包括：为每台路由器部署的一个代理，以及部署在客户端的集中控制点；代理负责与BGP协议进程交互，读写BGP邻居信息表；集中控制点是一个软件模块，负责使用网络配置协议NETCONF周期性地与代理交互，获取管辖范围内所有路由器的BGP邻居信息表，生成邻居信息数据库；

第二步、集中控制点采集BGP邻居信息，将BGP邻居信息表建模得到YANG模型；

第三步、集中控制点集中检测异常，验证BGP路由是否可信，如果BGP路由可信，则结束；否则，BGP路由不可信，进入第四步；

第四步、集中控制点生成阻断异常的安全策略，确保BGP路由可信；

第五步、集中控制点下发安全策略阻断异常路由；

第六步、集中控制点验证异常路由是否被阻断，方法是：安全路由策略下发成功后，代理再次读取BGP邻居信息表，并通过NETCONF协议发送给集中控制点，转第三步。

作为本发明的进一步改进，所述第二步集中控制点采集BGP邻居信息，将BGP邻居信息表建模得到YANG模型，具体流程为：

2.1使用YANG数据建模语言对BGP邻居信息表进行建模，得到YANG模型，包括以下步骤：

2.1.1定义邻居为一个容器节点聚集所有的邻居信息；

2.1.2定义邻居表中每一行的条目为一个列节点，并用邻居ID唯一标识；

2.1.3定义条目中的每个属性为一个叶子节点；

2.2集中控制点向代理发送配置请求，请求获取BGP邻居信息表，包括以下步骤：

2.2.1集中控制点收到请求BGP邻居信息的命令后，自动生成XML格式的配置请求；

2.2.2集中控制点通过NETCONF协议将配置请求发往代理；

2.3代理响应集中控制点的请求，将邻居信息表发送给集中控制点，包括以下步骤：

2.3.1代理收到集中控制点的配置请求后，通过对BGP协议进程进行读操作，获取BGP邻居信息表；

2.3.2代理将BGP邻居信息表用XML进行编码，然后通过NETCONF协议发往集中控制点。

所述第三步集中控制点集中检测异常，验证BGP路由是否可信，具体流程为：

3.1集中控制点从代理收到XML编码的BGP邻居信息表后，从XML中解析出邻居信息，存储于邻居信息数据库中；

3.2集中控制点管辖范围内所有运行BGP的路由器的邻居信息都采集完成后，得到邻居信息数据库；然后，对比分析邻居信息数据库，判断互为邻居的路由器是否存在对方的邻居表中，验证BGP路由是否可信：如果互为邻居的路由器存在于对方的邻居表中，则BGP路由可信，结束；否则，此BGP路由不可信，进入第四步。

所述第四步集中控制点生成阻断异常的安全策略，具体流程为：

4.1集中控制点检测到某路由器的BGP邻居表中存在多余的邻居信息，则生成安全路由策略删除该邻居信息以阻断异常路由；

4.2集中控制点根据NETCONF协议规范以及第一步的YANG模型，将安全路由策略转换成XML编码的配置文件。

所述第五步集中控制点下发安全策略阻断异常路由，具体流程为：

5.1集中控制点生成XML编码的安全路由策略之后，通过标准的NETCONF协议将其发送给代理；

5.2代理收到安全路由策略之后，与BGP协议进程交互，通过对BGP邻居信息表进行写操作，执行安全路由策略，删除多余的邻居。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明在每台路由器上部署一个代理，代理自动采集路由信息、集中检测异常并下发安全路由策略阻断异常，这种集中闭环控制结构能够形成自动的反馈控制，确保路由安全可信。

2、本发明第三步集中控制点随时请求路由信息并进行异常检测，与传统的监测系统相比，具有更高的实时性。

3、本发明第三步在采集完BGP邻居信息表之后，对BGP邻居信息表进行对比分析判断，验证BGP是否可信。与传统的数字签名认证方法相比，大大提高了可信路由的验证效率；同时本发明只需要在每台路由器上部署一个代理，与传统的安全增强协议机制相比，大大降低了部署开销。

4、本发明采用NETCONF协议，提供认证、数据完整性、机密性和应答保护等机制确保BGP邻居信息安全传输；采用YANG数据建模语言，可以更好地描述数据之间的层次性和限制关系。同时NETCONF协议和YANG数据建模语言作为下一代网络管理的既定标准，使得本发明具有更好的通用性和可扩展性。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明具体应用时的系统结构示意图；

图3是本发明具体应用时的设计实现模块示意图；

图4是本发明YANG语言对BGP邻居建模示意图；

图5是本发明具体应用时的拓扑示意图；

图6是本发明具体应用时的配置示意图；

图7是本发明具体应用时节点伪造BGP路由时的邻居表示意图；

图8是本发明具体应用时节点异常阻断后的邻居表示意图；

图9是本发明具体应用时阻断异常的安全路由策略示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施案例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种基于SDN架构的BGP路由可信验证方法，其步骤为：

第一步，构建基于SDN架构的BGP路由可信验证环境，如图2所示，BGP路由可信验证环境包括：为每台路由器部署的一个代理，以及部署在客户端的集中控制点；代理负责与BGP协议进程交互，读写BGP邻居信息表；集中控制点是一个软件模块，负责使用网络配置协议NETCONF(Network Configuration Protocol，网络配置协议)周期性地与代理交互，获取管辖范围内所有路由器的BGP邻居信息表，生成邻居信息数据库；

第二步、集中控制点与代理交互，从BGP协议进程处获取BGP邻居信息，将BGP邻居信息表建模得到YANG模型，结合图3，包含以下步骤：

2.1使用YANG数据建模语言对BGP邻居信息表进行建模，得到YANG模型。YANG是一种用于对NETCONF协议操作的配置和管理数据进行建模的语言。它可以描述数据之间层次性和限制关系。YANG定义了数据模型以及NETCONF协议操作。如图4所示，在充分分析BGP邻居结构之后，BGP邻居信息表被形式化成YANG模型。定义邻居为一个容器节点(图4中“container bgp-neighbor”)聚集所有邻居信息。由于邻居包含很多条目，我们定义每个条目为一个列节点(图4中“list neighbor”)，并用邻居ID(图4中“key neighbor”)唯一标识。考虑到每个条目又包含很多属性：邻居ID(图4中“leaf neighbor”)、版本号(图4中“leaf v”)、AS号(图4中“leaf as”)，每个属性有一个值且没有孩子节点，我们用叶子节点(leaf)定义属性。

2.2集中控制点向代理发送配置请求，请求获取BGP邻居信息表。集中控制点是一个软件模块，包含邻居验证器、邻居信息数据库和邻居监测器三个组件，邻居验证器负责验证BGP是否可信，邻居监测器负责生成对应XML格式的邻居信息请求，邻居信息数据库采用文件方式存储XML中解析的邻居信息。邻居监测器按照YANG语言对BGP邻居信息建模的结果，生成对应XML格式的邻居信息请求，然后将XML编码于<rpc>消息体中，通过标准的NETCONF协议发送给代理。

2.3代理响应集中控制点的请求，将邻居信息表发送给集中控制点。代理是一个软件模块，包含邻居采集器和邻居发送器两个组件。邻居发送器响应集中控制点的请求，将该请求发送给邻居采集器，邻居采集器和BGP协议进程通信，读取BGP邻居信息表，保留数据原格式发送给邻居发送器。邻居发送器组件按照YANG语言对BGP邻居信息建模，将收到的邻居信息表转换成对应的XML格式。最后，邻居发送器将XML编码于<rpc-reply>消息体中，通过标准的NETCONF协议发送给集中控制点。图3中的双向数据流表示了集中控制点向代理请求邻居信息，以及代理与BGP协议进程交互后，将获取到的邻居信息发送给集中控制点的过程。

第三步、集中控制点集中检测异常，验证BGP路由是否可信，如果BGP路由可信，则结束；否则，BGP路由不可信，进入第四步；具体流程如下：

3.1集中控制点从代理收到XML编码的BGP邻居信息表后，从XML中解析出邻居信息，存储于邻居信息数据库中。集中控制点的邻居监测器组件收到代理的响应消息，从XML中解析出邻居信息，存储于邻居信息数据库中。邻居信息数据库采用文件存储方式，既方便读写，也可以作为日志供以后查询。

3.2集中控制点检测异常，验证BGP是否可信。当集中控制点管辖范围内运行BGP协议的路由器的邻居信息表都采集完成后，得到邻居信息数据库，邻居验证器以邻居信息数据库作为输入，验证BGP是否可信。方法是：集中控制点在采集完所有运行BGP协议的路由器的邻居信息表后，对比分析判断互为邻居的路由器是否存在对方的邻居表中，验证BGP路由是否可信，如果BGP路由可信，结束；否则，进入第四步。因为BGP要建立邻居表首先要建立TCP会话，然后建立BGP的邻居关系，进而会把邻居关系记录到邻居表中，即两台运行BGP协议的路由器A和路由器B，路由器A在路由器B的邻居表中，如果路由器B也在路由器A的邻居表中，则两台路由器的BGP路由可信；如果路由器B不在路由器A的邻居表中，则路由器A伪造了一条到路由器B的BGP路由，即路由器A的BGP路由不可信。

第四步、集中控制点生成阻断异常的安全策略，确保BGP路由可信，流程如下：

4.1集中控制点检测到某路由器的BGP邻居表中存在多余的邻居信息，则生成安全路由策略删除该邻居信息以阻断异常路由；

4.2集中控制点根据NETCONF协议规范以及第二步的YANG模型，将安全路由策略转换成XML编码的配置文件，删除多余的邻居。

第五步、集中控制点下发安全路由策略阻断异常路由，流程如下：

5.1集中控制点生成XML编码的安全路由策略之后，通过标准的NETCONF协议将其发送给代理；

5.2代理收到安全路由策略之后，与BGP协议进程交互，通过对BGP邻居信息表进行写操作，执行安全路由策略，删除多余的邻居。

第六步、集中控制点验证是否阻断异常，方法是：安全路由策略下发成功后，代理再次读取BGP邻居信息表，并通过NETCONF协议发送给集中控制点，转第三步。

采用本发明进行可信BGP路由验证与异常阻断的一个具体实施例如下：

系统配置：(1)硬件：DELL服务器一台(2)软件：Linux操作系统Red Hat和Ubuntu，VM VirtualBox软件，Quagga软件路由器。

第一步、搭建应用环境

本应用由七台路由器构成，依次命名为Victim、A、B、C、D、E和Dest。连接关系如图5所示。名字为Fake Dest的路由器实际不存在，它是当A被攻击并且其BGP路由不可信之后，由A指向的伪造路由器。从Victim指向Dest的带箭头实线表示在所有路由器都可信的情况下，由Victim到Dest的BGP路径。从Victim指向Fake Dest的带箭头实线表示A被攻击且其BGP路由不可信之后，由Victim到Dest的BGP路径。

集中控制点部署在Red Hat上。此外，我们用三步部署代理。首先，使用Oracle VMVirtualBox创建七个节点，每个节点上运行Ubuntu。然后，我们在每个节点上运行Quagga，并启动BGPD进程。最后，我们在每个节点上部署代理与BGPD和集中控制点交互。数据流从BGPD到代理到集中控制点，再从集中控制点到代理到BGPD，这种闭环控制结构能够实时检测和阻断异常路由。

第二步、伪造BGP路由

如图5所示，正常情况下，从Victim指向Dest的带箭头实线表示由Victim到Dest的BGP路径。为了将该数据流变成从Victim指向Fake Dest的带箭头实线，我们选择路由器A进行BGP路由伪造。首先配置A的接口Serial0/2IP地址为70.1.1.2，这和Dest的接口Serial0/2在同一个网段。然后将A的该接口加入到BGP区域中。各路由器的详细配置如图6所示。例如路由器A，配置路由器ID为2.2.2.2，所在的AS为AS200，有三个接口Serial 0/0、Serial 0/1和Serial 0/2，IP地址分别为10.1.1.3、20.1.1.2和70.1.1.2。

第三步、检测异常

集中控制点周期性的采集所有路由器的BGP邻居信息表进行对比。在某一时刻，我们发现Dest在A的BGP邻居信息表中，而Dest的邻居信息表中只有路由器C一个条目。结果如图7所示，路由器A中的邻居表第一项为Dest，而路由器Dest的邻居表中只有一项，即路由器C。此时我们认为路由器A伪造了一条到Dest的BGP路由。为了验证该推断，我们使用从Victim到Dest的Traceroute命令，发现数据流确实改变成了从Victim到Fake Dest。

第四步、阻断异常

为了阻断这次异常，我们决定将Dest从A的BGP邻居信息表中删除。对应的XML配置文件如图9所示，该配置文件定义的操作为将路由器ID为7.7.7.7的邻居从BGP邻居信息表中删除。使用标准的NETCONF协议下发该安全路由策略。然后我们检查路由器的BGP邻居信息表，发现Dest已不在A的表中，如图8所示，路由器A的邻居信息表中只剩下两项，已将Dest成功删除。此时我们认为A可信且网络恢复正常，结束。从Victim到Dest的Traceroute结果也验证了我们的推断。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。