CN104994065A - 基于软件定义网络的访问控制列表运行系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于SDN的访问控制列表运行方法，基于访问控制列表运行系统实现，包含：S1、SDN控制器获取网络结构和资源，向SDN交换机下发交换机流表；S2、SDN交换机接收报文，如与交换机流表相匹配则按规则转发，如不匹配则将报文发至SDN控制器；S3、SDN控制器对报文进行ACL Profile匹配，匹配不成功丢弃报文，匹配成功则确定转发路径；S4、在转发路径经过的所有SDN交换机上设置ACL条目规则，并将报文转发；S5、将一定老化时间内未被报文匹配的ACL条目规则删除。本发明能自动计算完成访问控制列表的生成，并根据用户需求自动生成端对端的全网ACL规则，简化了网络维护工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于软件定义网络（SDN，Software Defined Network）的访问控制列表（ACL，Access Control List）运行系统和方法，能根据需求自动生成端对端的全网ACL规则，属于网络通信安全领域。
背景技术
为了保护内部网络资源不被他人侵扰，提供允许或阻止业务来往的网络通信安全机制是非常必要的。因此为了保护网络的安全，最普遍的方案就是ACL。ACL是路由器和交换机接口的指令列表，其基本用途是限制访问网络的用户，其通过使用包过滤技术，对经过路由器的数据包按照设定的规则进行过滤，可以使数据包有选择的通过路由器，以起到防火墙的作用。
ACL由一组规则组成，在规则中定义允许或拒绝通过路由器的条件。ACL的过滤是在路由器上读取第三层及第四层包头中的信息如源地址、目的地址、源端口、目的端口等，根据预先定义好的规则对数据包进行过滤，从而达到访问控制的目的。一般情况下，ACL的过滤依据主要包括源MAC（Media Access Control，媒体访问控制）地址、目的MAC地址、源IP地址、目的IP地址和四层协议字段等。
而ACL的限制内容通常包括：1、允许哪些用户访问网络，这是根据用户的IP地址进行的限制；2、允许用户访问的类型，如允许http和ftp的访问，但拒绝Telnet的访问，这是根据用户使用的上层协议进行的限制。
ACL是由多条判断指令组成的。每条指令给出一个条件和处理方式（也就是允许或拒绝）。路由器对收到的数据包按照判断指令的书写次序进行检查，当遇到相匹配的条件时，就按照指定的处理方式进行处理。ACL中各指令的书写次序非常重要，如果一个数据包和其中某一个判断指令的条件相匹配时，该数据包的匹配过程就结束了，剩下的条件指令就直接被忽略了。
传统的ACL存在其局限性，由于ACL是使用包过滤技术来实现的，过滤的依据又仅仅只是第三层和第四层包头中的部分信息，这种技术具有一些固有的局限性，具体包括以下两大缺点，一是无法识别到具体的用户，无法识别到应用内部的权限级别等；另外，ACL的配置是基于一台路由器，如果要实现端对端的权限控制目的，要求网络管理员对具体业务和网络拓扑非常了解，对于一个较大规模的网络，这项工作显然不够轻松，而且非常容易出错。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SDN的访问控制列表运行系统和方法，能自动计算完成访问控制列表的生成，并根据用户需求自动生成端对端的全网ACL规则，简化了网络维护工作。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于SDN的访问控制列表运行系统，其基于路由器设置，包含：多个SDN交换机，其中，至少一个SDN交换机与Internet用户连接，至少一个SDN交换机与网络资源连接，其余SDN交换机为中间转发接点；SDN控制器，其分别与各个所述的SDN交换机相连接。
本发明还提供一种基于SDN的访问控制列表运行方法，其基于所述的访问控制列表运行系统实现，具体包含以下步骤：
S1、SDN控制器获取网络结构和网络资源，并向所有SDN交换机下发交换机流表；
S2、SDN交换机接收用户发出的报文，并查询交换机流表进行匹配；如报文与交换机流表相匹配，则按交换机流表的规则转发报文；如报文与交换机流表不相匹配，则继续执行S3；
S3、SDN交换机将未与交换机流表匹配的报文发送至SDN控制器，并由SDN控制器对该报文与ACL Profile表进行匹配；将未与ACL Profile表中任意ACL条目相匹配的报文丢弃；
S4、对于与ACL Profile表中某一ACL条目相匹配的报文，由SDN控制器确定其转发路径，在转发路径经过的所有SDN交换机接口上设置与该报文相匹配的ACL条目规则，并将该报文按所选择的转发路径进行转发；
S5、对SDN交换机上设置的ACL条目规则设置老化机制，将一定老化时间内未被报文匹配的ACL条目规则删除。
所述的S1中，具体包含以下步骤：
S11、SDN控制器根据LLDP协议获知全网络拓扑结构；
S12、SDN控制器获取计算资源，存储资源和网络资源在网络中的分布和位置；
S13、SDN控制器向所有SDN交换机下发交换机流表，在SDN交换机上设置该交换机流表的规则。
所述的ACL Profile表中还包含位于所有ACL条目之后的Deny Any条目，其表示任何一个与之前各ACL条目都不匹配的报文将会被拒绝。
所述的ACL条目的字段结构包含：源端条件，其是源MAC地址、源IP地址、源TCP端口、源UDP端口中的一个条件，或是上述多个条件的“与”关系，或是上述多个条件的“或”关系；目的端条件，其是目的MAC地址、目的IP地址、目的TCP端口、目的UDP端口中的一个条件，或是上述多个条件的“与”关系，或是上述多个条件的“或”关系；动作，其包含允许或拒绝；方向，其包含In方向和Out方向，In方向表示在报文进入时使用ACL进行过滤，Out方向表示报文离开时使用ACL进行过滤。
所述的S3中，具体包含以下步骤：
S31、SDN交换机将未与交换机流表匹配的报文发送至SDN控制器；
S32、SDN控制器判断报文是否匹配ACL Profile表中的其中一条ACL条目中的源端条件和目的端条件；如不匹配，则丢弃报文；如匹配，则继续执行S33；
S33、对于与报文匹配的ACL条目，判断其动作是否为允许；如为拒绝，则丢弃报文；如为允许，则继续执行S4。
所述的S32中，具体包含以下步骤：
S321、读取ACL Profile表中的一条ACL条目；
S322、判断报文是否匹配该ACL条目中的源端条件；如匹配，则继续执行S323；如不匹配，则继续执行S324；
S323、判断报文是否匹配该ACL条目中的目的端条件；如匹配，则继续执行S33；如不匹配，则继续执行S324；
S324、判断当前ACL条目是否为ACL Profile表中的最后一条ACL条目，如不是，则继续读取ACL Profile表中的下一条ACL条目，并返回执行S322；如是，则将报文匹配Deny Any条目，并丢弃报文。
所述的S5中，具体包含以下步骤：
S51、SDN控制器设置老化时间；
S52、对于设置了ACL条目规则且已经与报文匹配的SDN交换机，刷新其老化时间；
S53、对于设置了ACL条目规则但尚未与报文匹配的SDN交换机，计算其设置ACL条目规则后所经过的时间，并判断是否超过老化时间；如未超过，则返回执行S53；如超过，则继续执行S54；
S54、删除SDN交换机上的ACL条目规则。
所述的ACL条目规则采用多级流表结构，其中第一级流表用于匹配入端口In方向，后续N级流表用于匹配源端条件，再接着的M级流表用于匹配目的端条件，最后一级流表用于匹配出端口Out方向。
所述的ACL条目规则中还包含用于识别报文第七层的用户字段，其能够识别某个具体用户。
综上所述，本发明所提供的基于SDN的访问控制列表运行系统和方法，其基于SDN架构，SDN控制器可以根据用户需求自动生成端对端的全网ACL规则，扩展的ACL流表采用协议无感知的设计，可以精确地识别到具体用户；并且SDN控制器能自动计算完成访问控制列表的生成，简化了网络维护工作。
附图说明
图1为本发明中基于SDN的访问控制列表运行系统的结构示意图；
图2为本发明中基于SDN的访问控制列表运行方法的流程图；
图3为本发明中SDN控制器获取网络结构、资源信息并下发ACL流表的流程图；
图4为本发明中SDN控制器对报文进行ACL Profile匹配的流程图；
图5为本发明中对ACL条目规则设置老化机制的流程图；
图6为本发明中ACL条目规则的结构示意图；
图7为本发明中基于SDN的访问控制列表运行模拟环境的示意图。
具体实施方式
以下结合图1～图7，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，为本发明提供的基于SDN的访问控制列表运行系统，其基于路由器设置，包含：多个SDN交换机，其中，至少一个SDN交换机S1与Internet用户连接，至少一个SDN交换机S4与网络资源连接，其余SDN交换机S2和S3为中间转发接点；SDN控制器，其分别与各个所述的SDN交换机相连接。
如图2所示，本发明还提供一种基于SDN的访问控制列表运行方法，具体包含以下步骤：
S1、SDN控制器获取网络结构和网络资源，并向所有SDN交换机下发交换机流表；
S2、SDN交换机接收用户发出的报文，并查询交换机流表进行匹配；如报文与交换机流表相匹配，则按交换机流表的规则转发报文；如报文与交换机流表不相匹配，则继续执行S3；
S3、SDN交换机将未与交换机流表匹配的报文发送至SDN控制器，并由SDN控制器对该报文与ACL Profile表进行匹配；将未与ACL Profile表中任意ACL条目相匹配的报文丢弃；
S4、对于与ACL Profile表中某一ACL条目相匹配的报文，由SDN控制器确定其转发路径，在转发路径经过的所有SDN交换机接口上设置与该报文相匹配的ACL条目规则（也称为下发ACL流表），并将该报文按所选择的转发路径进行转发；
S5、对SDN交换机上设置的ACL条目规则设置老化机制，将一定老化时间内未被报文匹配的ACL条目规则删除。
如图3所示，所述的S1中，具体包含以下步骤：
S11、SDN控制器根据LLDP（Link Layer Discovery Protocol，链路层发现协议）协议获知全网络拓扑结构；
S12、SDN控制器获取计算资源，存储资源和网络资源在网络中的分布和位置；
S13、SDN控制器向所有SDN交换机下发交换机流表，在SDN交换机上设置该交换机流表的规则。
所述的ACL Profile表中除了包含多个ACL条目，还包含位于整个ACL Profile表最后（即所有ACL条目之后）的拒绝所有条目（Deny Any），其表示任何一个与之前各ACL条目都不匹配的报文将会被拒绝。
如下表所示，为所述的ACL Profile表的ACL条目的字段结构，包含：源端条件，其是源MAC地址、源IP地址、源TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）端口、源UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）端口中的一个条件，或是上述多个条件的“与”关系，或是上述多个条件的“或”关系；目的端条件，其是目的MAC地址、目的IP地址、目的TCP端口、目的UDP端口中的一个条件，或是上述多个条件的“与”关系，或是上述多个条件的“或”关系；动作，其包含允许或拒绝；方向，其包含In方向和Out方向，In方向表示在报文进入时使用ACL进行过滤，Out方向表示报文离开时使用ACL进行过滤。其中，所述的源端条件和目的端条件的字段格式为{偏移，长度}。
如图4所示，所述的S3中，具体包含以下步骤：
S31、SDN交换机将未与交换机流表匹配的报文发送至SDN控制器；
S32、SDN控制器判断报文是否匹配ACL Profile表中的其中一条ACL条目中的源端条件和目的端条件；如不匹配，则丢弃报文；如匹配，则继续执行S33；
S33、对于与报文匹配的ACL条目，判断其动作是否为允许；如为拒绝，则丢弃报文；如为允许，则继续执行S4。
进一步，所述的S32中，具体包含以下步骤：
S321、读取ACL Profile表中的一条ACL条目；
S322、判断报文是否匹配该ACL条目中的源端条件；如匹配，则继续执行S323；如不匹配，则继续执行S324；
S323、判断报文是否匹配该ACL条目中的目的端条件；如匹配，则继续执行S33；如不匹配，则继续执行S324；
S324、判断当前ACL条目是否为ACL Profile表中的最后一条ACL条目，如不是，则继续读取ACL Profile表中的下一条ACL条目，并返回执行S322；如是，则将报文匹配Deny Any条目，并丢弃报文。
如图5所示，所述的S5中，具体包含以下步骤：
S51、SDN控制器设置老化时间；
S52、对于设置了ACL条目规则且已经与报文匹配的SDN交换机，刷新其老化时间；
S53、对于设置了ACL条目规则但尚未与报文匹配的SDN交换机，计算其设置ACL条目规则后所经过的时间，并判断是否超过老化时间；如未超过，则返回执行S53；如超过，则继续执行S54；
S54、删除SDN交换机上的ACL条目规则，以避免过多占用流表资源，保证流表性能。
所述的ACL条目规则采用多级流表结构，如图6所示，其中第一级流表Table0用于匹配入端口In方向，后续N级流表Table1～TableN用于匹配源端条件，再接着的M级流表TableN+1～TableN+M用于匹配目的端条件，最后一级流表TableN+M+1用于匹配出端口Out方向。其中，In方向和Out方向的匹配是互斥的。
所述的ACL条目规则中还包含用于识别报文第七层的用户字段Flow Match，其能够识别某个具体用户，从而支持协议无感知的流表设计。该用户字段Flow Match的结构如下表所示，
如图7所示，以下通过一个具体实施例，简单描述本发明在模拟测试环境中的运行程序，本实施例中，以Internet用户需要访问计算资源A。
先按照图7所示进行组网，其中SDN交换机S1接入Internet，SDN交换机S2和S3为中间转发接点，SDN交换机S4连接计算资源A、B、C。
SDN控制器首先确定最佳转发路径S1-S2-S4，并向位于该转发路径上的SDN交换机S1，S2和S4下发ACL条目规则（源端条件：Any；目的端条件：计算资源A的IP地址；动作：允许；方向：In）。
但是由于路径S1和S2之间发生断链，从而SDN控制器再次重新确定转发路径S1-S3-S4，并向位于该转发路径上的SDN交换机S1，S3和S4下发ACL条目规则（源端条件：Any；目的端条件：计算资源A的IP地址；动作：允许；方向：In），并按照该转发路径发送Internet用户的报文。
而设置在SDN交换机S2上的ACL条目规则，由于一直没有报文与之匹配，在一定老化之间之后被删除。
综上所述，本发明所提供的基于SDN的访问控制列表运行系统和方法，其基于SDN架构，SDN控制器可以根据用户需求自动生成端对端的全网ACL规则，扩展的ACL流表采用协议无感知的设计，可以精确地识别到具体用户；并且SDN控制器能自动计算完成访问控制列表的生成，简化了网络维护工作。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种基于SDN的访问控制列表运行系统，基于路由器设置，其特征在于，包含：
多个SDN交换机，其中至少一个SDN交换机与Internet用户连接，至少一个SDN交换机与网络资源连接，其余SDN交换机为中间转发接点；
SDN控制器，其分别与各个所述的SDN交换机相连接。
2.一种基于SDN的访问控制列表运行方法，基于权利要求1所述的访问控制列表运行系统实现，其特征在于，包含以下步骤：
S1、SDN控制器获取网络结构和网络资源，并向所有SDN交换机下发交换机流表；
S2、SDN交换机接收用户发出的报文，并查询交换机流表进行匹配；如报文与交换机流表相匹配，则按交换机流表的规则转发报文；如报文与交换机流表不相匹配，则继续执行S3；
S3、SDN交换机将未与交换机流表匹配的报文发送至SDN控制器，并由SDN控制器对该报文与ACL Profile表进行匹配；将未与ACL Profile表中任意ACL条目相匹配的报文丢弃；
S4、对于与ACL Profile表中某一ACL条目相匹配的报文，由SDN控制器确定其转发路径，在转发路径经过的所有SDN交换机接口上设置与该报文相匹配的ACL条目规则，并将该报文按所选择的转发路径进行转发；
S5、对SDN交换机上设置的ACL条目规则设置老化机制，将一定老化时间内未被报文匹配的ACL条目规则删除。
3.如权利要求2所述的基于SDN的访问控制列表运行方法，其特征在于，所述的S1中，具体包含以下步骤：
S11、SDN控制器根据LLDP协议获知全网络拓扑结构；
S12、SDN控制器获取计算资源，存储资源和网络资源在网络中的分布和位置；
S13、SDN控制器向所有SDN交换机下发交换机流表，在SDN交换机上设置该交换机流表的规则。
4.如权利要求2所述的基于SDN的访问控制列表运行方法，其特征在于，所述的ACL Profile表中还包含位于所有ACL条目之后的Deny Any条目，其表示任何一个与之前各ACL条目都不匹配的报文将会被拒绝。
5.如权利要求4所述的基于SDN的访问控制列表运行方法，其特征在于，所述的ACL条目的字段结构包含：
源端条件，其是源MAC地址、源IP地址、源TCP端口、源UDP端口中的一个条件，或是上述多个条件的“与”关系，或是上述多个条件的“或”关系；
目的端条件，其是目的MAC地址、目的IP地址、目的TCP端口、目的UDP端口中的一个条件，或是上述多个条件的“与”关系，或是上述多个条件的“或”关系；
动作，其包含允许或拒绝；
方向，其包含In方向和Out方向，In方向表示在报文进入时使用ACL进行过滤，Out方向表示报文离开时使用ACL进行过滤。
6.如权利要求5所述的基于SDN的访问控制列表运行方法，其特征在于，所述的S3中，具体包含以下步骤：
S31、SDN交换机将未与交换机流表匹配的报文发送至SDN控制器；
S32、SDN控制器判断报文是否匹配ACL Profile表中的其中一条ACL条目中的源端条件和目的端条件；如不匹配，则丢弃报文；如匹配，则继续执行S33；
S33、对于与报文匹配的ACL条目，判断其动作是否为允许；如为拒绝，则丢弃报文；如为允许，则继续执行S4。
7.如权利要求6所述的基于SDN的访问控制列表运行方法，其特征在于，所述的S32中，具体包含以下步骤：
S321、读取ACL Profile表中的一条ACL条目；
S322、判断报文是否匹配该ACL条目中的源端条件；如匹配，则继续执行S323；如不匹配，则继续执行S324；
S323、判断报文是否匹配该ACL条目中的目的端条件；如匹配，则继续执行S33；如不匹配，则继续执行S324；
S324、判断当前ACL条目是否为ACL Profile表中的最后一条ACL条目，如不是，则继续读取ACL Profile表中的下一条ACL条目，并返回执行S322；如是，则将报文匹配Deny Any条目，并丢弃报文。
8.如权利要求7所述的基于SDN的访问控制列表运行方法，其特征在于，所述的S5中，具体包含以下步骤：
S51、SDN控制器设置老化时间；
S52、对于设置了ACL条目规则且已经与报文匹配的SDN交换机，刷新其老化时间；
S53、对于设置了ACL条目规则但尚未与报文匹配的SDN交换机，计算其设置ACL条目规则后所经过的时间，并判断是否超过老化时间；如未超过，则返回执行S53；如超过，则继续执行S54；
S54、删除SDN交换机上的ACL条目规则。
9.如权利要求8所述的基于SDN的访问控制列表运行方法，其特征在于，所述的ACL条目规则采用多级流表结构，其中第一级流表用于匹配入端口In方向，后续N级流表用于匹配源端条件，再接着的M级流表用于匹配目的端条件，最后一级流表用于匹配出端口Out方向。
10.如权利要求9所述的基于SDN的访问控制列表运行方法，其特征在于，所述的ACL条目规则中还包含用于识别报文第七层的用户字段，其能够识别某个具体用户。
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