主动网络

使传送最优化的网络

主动网络有两个含义：一是被称为ANN的网络中间节点（如路由器、交换机），不仅完成存储转发等网络功能，而且可以对包含数据和代码的所谓主动包和普通包进行计算；。二是用户根据网络应用和服务的要求可以对网络进行编程以完成这些计算。

介绍

Internet虽然是先进而通用的计算机网络的典型成功范例，但依旧存在不少缺陷，其中最为突出的问题之一就是其体系结构所依赖的沙漏模型使其缺乏灵活性。瓶颈处的传输层和网络层是各种链路层技术和高层应用程序实现互操作的基础。保持它们的相对稳定性及向后兼容性是必须的，但同时却不可避免地给完善和修改它的工作增添了诸多不便。一种新的业务从原型系统的设计到大规模的应用，一般而言，往往需要大约 10年的时间。资源预留 ( RSVP)、 IPv6、移动 IP等就是因此而不能大范围地进入实际应用的最好佐证。

鉴于以上原因，在1994～1995年美国国防部高级研究计划署 ( DARPA)有关未来网络发展方向的研讨会上，经过多方酝酿，提出了主动网络这一新的网络体系结构。其主要目的是解决现有体系结构在集成新技术、扩展新应用时存在的诸多不便。主动网络继续沿用了存储 /转发的结构，一个显著的特点是网络节点上的路由器或交换机可对经过它的分组流进行定制处理，这种定制处理并非传统分组交换网络中为了将分组转发至目的地而对分组头进行的简单处理 (如路由器对分组头的修改或标记交换机对标记的修改等 )。主动网络中的分组除携带净荷数据以外，还有可能携带程序代码，网络内的节点可以在自己的运行环境内执行分组中携带的程序，从而改变网络的行为和状态这相对于“被动”的转发分组而言要“主动”许多。这也就是之所以称其为“主动网络”的原因。主动网络通过节点的计算能力抽象高层协议，省去了为新应用制定标准的过程，新协议的应用等价于网络分组中新应用程序的开发，通过此加速网络的发展是主动网络赋予网络可编程能力的主要动机。

主动网络的基本思想是将程序注入数据包，使程序和数据一起随数据包在网络上传输；网络的中间节点运行数据包中的程序，利用中间节点的计算能力，对数据包中的数据进行一定的处理；从而将传统网络中“存储——转发”的处理模式改变为“存储——计算——转发”的处理模式。

体系结构

主动节点的体系结构相关组织和机构经过几年的研究与讨论，已经基本上清晰地勾勒出了一个有关主动网络体系结构的框架。在这个框架中定义了主动网络的组成构件及接口，并对有可能阻碍主动网络发展的安全和性能问题作了特别的考虑.主动网络由节点组成，节点间通过各种低层网络技术 (如 Ethernet，ATM， SDH和 DWDM等 )连接在一起，是要求所有节点都“主动” ，统的网络节点依旧可以工作在主动网络环境中。主动节点上运行着一个节点操作系统 ( NodeO S) 、一个或多个执行环境 ( ex ecution env iro nment,，称 EE)。用户通过主动应用 ( activ e applicatio n，称 AA)获得业务。AA是通过 EE提供端到端业务的。NodeOS负责分配、调度和管理节点的资源，过 EE向 AA提供抽象应用。对于 EE而言，NodeOS屏蔽了资源管理的细节和不同EE间行为的相互影响；对于NodeOS而言，EE屏蔽了许多与用户交互的细节。每个EE由一个独立的虚拟机实现，责解释到达节点的主动分组，同的 EE定义不同的虚拟机。当 EE向 NodeOS请求业务时，须附带请求生成者的标识。它可以是 EE本身，可以是用户。NodeOS将请求信息送至安全执行引擎 ( securityenforcement engine) ，过检查节点的策略数据库校验请求的真实性，后视情况来授权请求者接受请求的业务或执行请求的操作。每个节点还有一个管理执行环境 ( manag ement executionenvironment)。借助它来控制本地节点的相应配置和策略主要的管理和控制功能包括3个方面：维护节点的安全策略数据库；载入新的 EE，新或配置已有的 EE；支持远程触发的网络管理业务的实例化等。图 1描述了组成主动网络节点的主要构件及其相互关系。

安全体系模型

主动网络中包含许多由各种可能的网络技术连接起来的网络节点，这些网络节点并不一定都是主动节点。体系结构从宏观上分为三层，由节点操作系统（Node OS）执行环境和主动应用主要构件组成，Node OS的功能是主动节点中的通信带宽处理机能Node OS力，以及存储空间等本地资源向其上层的EE提供可供调用的接口，包括输入输出信道软状态存储、安全策略数据库以及安全强制引擎Security Enforcement Engine，EE EE利用Node OS向其提供节点资源的调用接口，再向AA提供相对独立的执行环境的编程接口，一个Node OS中可以有多个EE类似于Java的接口。语言的虚拟机这些EE相对隔离构成一个个相对安全的执行环境，这样既可以限制每个EE对节点资源的使用，从而保证多个节点资源可以公平地使用节点资源又能隔离每个EE的处理防范。由于某个主动分组无意或恶意地过多使用网络节点资源而妨碍主动节点的正常运行。

（一）ANSA安全体系

ANSA是IETF安全工作小组建议的主动网络安全体系结构。在ANSA体系结构中定义了一个基本的安全角色—主体。它泛指任何网络操作行为的发起者，如：某个人某个团体或团体中的某个成员等。ANSA将主动网络中的安全问题分为两类：端到端（End-to-End）安全和逐跳（Hop-by-Hop）安全，ANSA建议所有的逐跳安全和绝大部分端到端安全在节点操作系统层实现。其优点是所有的EE操作都经过统一的安全检查；其缺点是在目前基于类UNIX通用操作系统的主动网实验平台上加载安全机制，并需要修改操作系统内核，这显然大大增加了主动网安全机制开发的难度。

（二）ABone安全体系

ABone是由DARPA资助的在Internet上供研究用的一个主动网实验平台。在功能上对等于IPv6网络的实验平台6Bone。有了ABone人们就可以在全球范围内借助Internet开展主动网的研究工作。ABone支持两种可执行环境EE：ANTS 和ASP。目前加入ABone的节点己遍布于世界各地，基于Abone的主动网安全性研究非常活跃。绝大多数Abone的节点操作系统都为类UNIX操作系统， Abone将主动网中的安全问题主要划分为以下两类：

1、非法的主动分组对主动节点上合法的AA带来的安全隐患。

2、恶意的AA对主动节点上的EE和节点操作系统的危害。Abone建议逐跳安全可以在EE中实现也可以在网络守护进程（netiod）中实现，端到端安全则在EE中实现。其优点是实施安全机制不需修改操作系统内核；缺点是需要在每个EE中分别实现安全机制。

总之，主动网络与传统网络相比，具有无法比拟的灵活性和开放性，但这些优势也使得主动网络的安全问题变得更加棘手。本文在对主动网络定义阐述的基础上，提出了主动网络安全体系结构模型，并对模型的功能进行了描述，设计了系列基于AN的网络故障管理技术的基本实现方法。

安全威胁

（一）主动节点面临的安全威胁

主动节点希望保护自己的资源，不希望未经过授权的主动分组使用自己的节点资源，确保自己所提供的服务具有可获得性，保护自己节点状态的完整性和保护自己状态反对未授权暴露。主动节点可能感觉受到的威胁来自执行环境，因为执行环境会消耗主动节点资源或更改节点状态参数等。作为主动节点必须能够安全有效地管理自己资源，以便分配给经过授权的主动代码使用，为主动应用提供服务此外主动节点必须能够识别邻居节点，这样能够确保将主动报文传送到可信任的相邻主动节点上。为了满足以上这些安全要求，主动网络应当采用下面方式来保障主动节点安全：（1）主动网络应当采用有效的安全机制保证主动节点安全；（2）主动节点执行主动代码时候必须能够对其发行者进行身份认证，并执行一种存取控制来实现其资源操作和安全控制；（3）由于主动节点中的执行环境需要安装主动代码、执行主动代码等操作，因此主动节点应当有安全审计功能来实时监视主动节点系统以及主动应用程序的运行状态，发现威胁时，能够及时终止主动代码的执行并且保留不可抵赖和不可磨灭的记录。

（二）执行环境面临的安全威胁

执行环境感觉其受到的威胁可能来自其它的执行环境、来自主动分组或者来自主动代码。因为在一个主动节点中可能存在着多个执行环境，如果其中一个执行环境过多的消耗主动节点资源，那么必然对其它执行环境的运行造成损害。同样一个恶意的主动代码在执行环境中运行的时候，该恶意主动代码可能更改执行环境参数、超额消耗执行环境所授权使用的资源、进行执行环境所未授权的存取控制操作，导致执行环境不能有效的或正确的为其它主动代码提供服务。

（三）主动分组面临的安全威胁

主动代码可能向主动节点发出存取控制操作请求，其目的是为了处理和传送；主动代码可能向主动节点发出存取请求，其目的是为了取得服务；主动代码也可能请求存取一个主动分组，其目的是为了处理或删除和更改这个分组，这些意味着主动代码应当能够识别它所想处理的主动分组。一个主动节点可能对主动代码进行存取、检索更改或终止；主动分组需要保护自己数据没有经过未授权而被窃取或更改，保护自己的服务防止未授权使用，保护自己的资源防止未授权使用。主动代码感觉受到的威胁主要来自其它主动分组、其它主动代码、来自执行环境和节点，它能保护自己防止其它主动代码对其造成的安全危害，但是它不能保护自己防止受到执行环境和主动节点的安全威胁，因为主动代码不得不在执行环境和主动节点中运行。主动代码所能做的是保护自己确保它没有被传送到不信任的节点和执行环境上。主动分组应当不相互干涉，一些分组将基于下面几个标准安装新的代码和进行存取控制：（1）授权分组创始人允许安装新的代码；（2）代码被证明非干涉；（3）代码仅允许执行通过认证的创始动作；（4）代码被证明有边际影响，但仅影响信任使用者的代码。

（四）用户面临的安全威胁

用户或源节点希望保护自己主动分组中的传输数据和代码，确保主动分组中数据和代码的完整性和机密性。因为其它非法或恶意的用户主动代码可能通过在主动节点上运行来查看其主动分组的数据、代码和运行状态等，所以主动应用用户会感觉威胁来自其它用户的主动代码或主动分组：主动应用用户还把执行环境和节点看作威胁源，因为防止未授权的主动节点查看和修改其主动分组的数据、代码和运行的状态。

保护策略

主动节点保护

（1）主动分组的认证：任何主动分组都具有一份证书，该证书由一个可信任的证书中心发布。证书用来保证对该证书签名的持有者为主动分组负责；（2）监视和控制：可以通过设定访问监视器，它可以根据策略数据库中的安全决策来决定访问是否被授权，通过安全策略来允许主动分组访问和使用主动节点资源和服务；（3）限制技术：时间限制、范围限制以及复制限制，这些限制在阻止主动分组过度占用节点资源方面是必要的。

主动分组保护

（1）在主动网络中，主动分组可能会导致一些在现有的传统网络中不易经常出现的一些问题，如毁坏节点资源、拒绝服务、窃取信息等。为了保护主动分组的安全，可以采用加密、容错、数字签名技术等安全技术；（2）加密指主动分组不含有明文代码和数据，防止在传输过程中代码和数据被破坏；（3）容错技术就是备份、持续和重定向。备份意味着在每个节点都进行复制。持续是指分组临时被存储以防节点失效，这样即使节点崩溃，分组仍然存在存储器中。由于备份和持续会消耗大量的内存和带宽，对大部分分组来说是不可接受的，所以只有非常重要的分组才这样做；（4）数字签名技术对于主动分组进行完备性检测常采用公钥签名或X.509证书形式。接收方收到主动分组后，利用CA公钥验证CA数字签名以保证证书的完整性，然后从证书中获得主动分组发送者的公钥，验证主体的身份。

研究背景

主动网络由于允许用户对网络的中间节点编程，到达主动节点的主动代码，在执行的过程中需要请求相关的服务，访问所需要的节点资源，因此其安全性面临更大的威胁。如果安全性得不到更好的解决，该网络就不存在真正的实用价值。 IETF（互联网工程任务组）的主动网络安全工作组已经提出了一个主动网络的安全规范，但该规范只提出了一个安全框架，许多细节和实现在该规范中并没有得到具体的体现。国外主动网络系统中考虑了一些安全方面的问题，方法大致有以下几种：

（一）使用强类型语言限制资源访问：如BBN公司的SmartPacket系统采用了Sprocket语言，宾夕法尼亚大学的Switchware系统采用了PLAN语言。这种方法虽然能够保证一定的安全，但与他们所采用的语言有着密切的关系，不具有通用性。

（二）直接限定最大值：直接在主动信包中限定AC的最大跳数，从而避免耗费过多的资源。由于不同AC所访问的资源量不同以及节点环境的动态性，所以在实现过程中该最大值最终难以确定。

（三）使用硬件：如Switchware在安全方面做的研究工作并取得了一定的研究成果，通过在底层使用硬件AEGIS来安全地引导主动节点操作系统。但是这种基于硬件的安全策略使其通用性方面受到了影响。

（四）使用认证和授权：如SmartPacket采用了认证技术对信包的创建者进行身份认证，采用访问控制列表来仲裁主动信包的访问权限和可访问的资源，但该方法需要修改主动网络封装协议。由此可见，国外研究的一些主动网络系统因其侧重点不同而对安全性考虑得很少。即使有所考虑，但采用了特殊技术使得其安全机制不具有通用性。

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