职业院校信息化网络安全管理

一、引言

职业院校的信息安全问题对于职业院校的重要程度不言而喻，而信息化程度越高，一旦发生安全事件，职业院校可能遭受的损失也就越大。随着职业院校信息化技术的发展，职业院校信息化的规模正变得越来越大，业务信息系统的集中度也越来越高，特别在云计算技术被应用之后，计算资源被高度的整合和集中，混合着物理设备和虚拟机的职业院校信息化系统的网络安全管理的复杂程度不断提高，这使得传统的网络安全管理方法很难理清信息系统之间的关系，难以发现并避免可能存在的安全问题，也难以寻找到有效的网络安全设备部署位置。随着大数据技术的兴起，职业院校信息化在计算资源被集中整合后，又开始了对数据信息的集中整合，这更加剧了职业院校信息化系统安全管理的重要性，提高了对网络数据传输合法、合规性的安全审核要求。软件定义网络技术是一种以软件定义的方式来管理网络中节点间通信转发技术的统称，将该技术引入职业院校信息化网络环境中，能够有效地让原本复杂且难以管控的网络通信环境变得清晰可控，从而为网络的安全管理提供有力的技术支撑。本文针对职业院校信息化在新型网络环境中的网络安全管理问题，提出了一种从网络控制层面结合职业院校业务模型的有效的网络安全管理解决方案。

二、相关工作

云计算是被认为是继微型计算机、互联网后的第三次IT革命，它不仅是互联网技术发展、优化和组合的结果，也为整个社会信息化带来了全新的服务模式。云计算的定义在业界并未达成共识，不同机构赋予云计算不同的定义和内涵。其中，美国国家标准与技术研究院对云计算的定义是被接受和引用最广泛的。NIST认为，云计算是一个模型，这个模型可以方便地按需访问一个可配置的计算资源（如网络、服务器、存储设备、应用程序以及服务）的公共集。这些资源可以在实现管理成本或服务提供商干预最小化的同时被快速提供和。云模型包括了5个基本特征、3个云服务模式、4个云部署模型。从技术的角度来看，云计算不仅仅是一种新的概念，并行计算和虚拟化也是实现云计算应用的主要技术手段。由于硬件技术的快速发展，使得一台普通的物理服务器所具有的性能远远超过普通的单一用户对硬件性能的需求。因此，在职业院校信息化系统的构建中，通过虚拟化的手段，将一台物理服务器虚拟为多台虚拟机，提供虚拟化服务成了构建职业院校私有云的技术基础。软件定义网络是一种新兴的控制与转发分离并直接可编程的网络架构。传统网络设备耦合的网络架构被分拆成应用、控制、转发三层分离的架构。控制功能被转移到服务器之上，上层应用、底层转发设施被抽象成多个逻辑实体。该研究来源于斯坦福大学的一个名为CleanSlate的项目，其目的是为了在不受现有互联网技术架构的影响下，重新设计新的网络底层实现方案。本文针对新型网络环境下职业院校信息化过程实际存在的问题，结合基于SDN的安全防护技术，提出一种结合职业院校网络业务信息流的逻辑关系的网络安全管理方案，并设计出一种基于可信业务访问关系表的网络安全管理系统，使得网络安全管理能够深度结合职业院校的真实业务逻辑，并实现高灵活、细粒度和高性能的网络安全管理。

三、新型网络环境下职业院校信息化面临的安全挑战

所谓新型网络环境，主要指使用了虚拟化技术来构建职业院校信息化系统的网络环境，这里既包括职业院校私有云的形态也包括仅适用服务器虚拟化技术的职业院校网络环境。在这样的网络环境中，通常用户的业务系统不仅仅存在于虚拟化环境中，由于信息化系统向虚拟化平台迁移并不能瞬间完成，因此在真实的应用场景中，往往会存在混合虚拟化环境和传统物理网络环境的情况。在这样复杂的网络环境下，存在以下几个方面的安全挑战：

（一）业务系统间信息流监测和梳理困难的问题

梳理清楚业务系统间的通信关系，并对业务系统间信息流提供实时的监测功能，对职业院校信息化环境实施安全防护方案有着重要作用，是让安全方案能够真正理解业务安全需求的重要步骤之一。但由于职业院校信息化不断向着计算系统的高度集中化发展，大量的业务主机集中管理在一个大型的网络环境中，如私有云的环境，使得跟踪和监测系统间的信息流变得非常困难：难以找到合适的监测点，并且由于虚拟机和物理主机的数量庞大，难以把分散在各处的监测数据整合起来。

（二）业务系统逻辑网络边界难以界定和隔离的问题

业务系统在使用虚拟机作为服务器后，传统的物理网络边界就失去了意义，虚拟机可以在虚拟化环境中进行漂移。虽然在逻辑上，一个业务系统仍然是由原先那几台服务器构成，但这几台服务器在物理拓扑位置上却并不一定在一起，甚至不固定，可能随着虚拟化环境资源的调配而发生变化，这样就使得以边界防护和隔离为管理目标的传统网络安全管理失去了存在的意义，同时也难以对一个业务系统的边界实施有效的安全隔离。

（三）安全设备监测负载过大、噪音数据过多的问题

在传统网络环境中，监控网络流量需要依靠在交换机上对数据包的捕获，再通过安全设备进行检测分析。而在虚拟化环境中，由于无法找到明确的网络边界，因此若想保证不存在安全监控的盲区，往往需要在所有物理交换机或虚拟交换机上进行抓包，以保证所有可能与被监控业务系统的通信流量都能够被捕获，这样就会在捕获到真正属于被监控业务系统的通信流量的同时，也抓取到大量的不属于被监控系统和主机的干扰数据，从而容易造成用于进行安全检测和防御的安全设备接收到过量的负载而导致处理能力和响应速度受到影响，同时大量的噪音数据也会影响安全检测的准确性，易产生大量的误报警。

四、基于软件定义网络技术的网络安全管理系统

针对上述问题，本文给出了一种基于软件定义网络技术构建的、可与新型职业院校信息化环境紧密结合的网络安全管理系统。采用集中式的管理，基于全景式的系统拓扑和业务关联的相关知识，能够有效地对复杂职业院校信息系统网络环境进行细粒度的信息流梳理和安全管理。为了获得全景式的系统拓扑，并能够提高细粒度的网络流安全管控能力，需要将软件定义网络的基础架构引入到职业院校的信息化网络环境中，即需要让整个网络环境中的软件交换机和硬件交换机都开启对Openflow协议的支持。安全管理系统通过调用SDN网络控制器的北向接口来获得整个网络的拓扑知识，并根据需求操控业务系统间的信息流的转发。在混合了虚拟化（云计算）网络环境和传统物理网络环境的企业信息化网络环境中，传统的物理交换机和虚拟交换机都需要开启Openflow协议的支持。传统物理网络仍然以物理局域网的边界为安全检测和防护的边界，并且可以支持以虚拟局域网的方式在虚拟化环境中使用虚拟机以扩展传统物理局域网的规模。为了能够提供基于业务的安全管理，我们提出采用业务流可信表的方式来关联业务模型与底层的网络流安全管控。系统通过提供管配接口，让安全管理员能够对其职业院校内部的系统进行逻辑边界的建模，形成以逻辑安全边界为管理对象的安全管理模型。业务流可信表则允许用户以软件定义的方式定义业务系统间的可信互访关系，包括业务系统内部主机间的相互访问是否可信，不同业务系统间的相互访问是否可信等规则。互访关系的定义将作为SDN控制器流表的生成规则，当互访关系为可信时，认为是无须监测的业务流，Openflow的流表项上将直接转发至目的节点，不在业务流可信表中的网络流量需要根据对安全设备的配置转发到相应的安全设备接入端口。在整个业务流的安全管理流程中，安全防护和检测的工作由专业的安全设备完成，这些安全设备被接入到职业院校的网络环境中，由安全管理系统统一管理。当用户创建业务系统模型后，即可为该业务系统指定边界安全防护和检测设备，这样就形成了一套完整的、基于业务系统逻辑边界的细粒度安全防护和检测流程。系统在启动后，通过虚拟化管控和SDN管控获得整个网络的拓扑信息，以可视化的方式将这些拓扑信息展现出来，并让用户在此基础上进行业务系统逻辑边界的建模，即指定哪些虚拟机属于一个业务系统。基于已创好的业务系统逻辑边界可在业务流可信表中指定相互间的可信互访关系以及一个业务系统内的主机间的互访是否可信。通过业务流可信关系转换模块将定义好的表项翻译为Openflow的转发规则，并通过SDN管控下发到相应的SDN交换机上。通过业务流可信表对业务逻辑和网络流管控的关联，网络安全管理系统能够对每个通过交换机的网络流进行监控与审计，对于符合业务流可信表定义的网络流直接进行转发，以减小安全设备的负载压力；对于不符合业务流可信表定义的网络流通过SDN的流表转发功能，将其转发至接入的物理安全设备上进行分析和检测，如对于数据库服务器和web服务器之间的连接关系认为是可信的，则他们之间的网络流将被直接转发，而外部主机直接对数据库服务器的访问将被认为不可信而需要被重定向至安全设备进行检测。同时系统也通过对业务流关系的跟踪分析提供基于业务流的安全审计预警能力，从而进一步加强整个系统的安全管理功能。

五、结论

本文通过分析现有软件定义网络技术的应用以及职业院校在新的网络环境下信息化系统所面临的安全管理问题，提出了一种有效可行的基于业务系统间可信互访关系表的网络安全管理模式，利用该方法实现的网络安全管理系统能够在业务系统级别实现对网络流的安全管控，并通过与业务逻辑的结合实现更加细粒度和有效的安全管理，并且能够有效降低安全设备的计算负载，是一种切实可行的网络安全管理方案。

作者：程庆梅 单位：北京信息职业技术学院