基于无源光网络的校园网安全分析与防护

2020-11-02李晨晖张祖琼郭小明

中国教育信息化·高教职教 2020年10期

李晨晖　张祖琼　郭小明

摘要：无源光网络多用于运营商的网络建设，在用于学校的网络建设时，因使用场景不同，还需要考虑局域网的安全和易用问题。文章从无源光网络的工作原理上分析其安全特性，并针对IP欺骗、MAC欺骗、泛洪攻击、环路检测等局域网环境常见的安全问题进行分析和防护。此外，文章还介绍了无源光网络带来的新安全问题。

关键词：无源光网络;网络安全;网络防护;校园网

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）19-0093-04

一、引言

GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network，千兆无源光网络）网络主要用于运营商的小区宽带建设，目前也有学校引入到校园网建设方案中。

大多数的网络安全威胁来自于内部，局域网的安全防护在接入层就需要高度关注处理。做好底层防护是高层协议的安全基础，以保障数据的私密性、完整性、可用性。传统局域网建设中存在MAC地址欺骗、IP地址欺骗、ARP欺骗、DHCP攻击、泛洪攻击、环路造成广播风暴等安全问题。在GPON网中应该如何防范，需要进行分析研究。

二、实验环境

本校已经建设部分宿舍区的GPON网络，此次实验分析基于如图1所示的网络结构。其中，OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）采用华为MA5800型号产品。分光器采用1∶8的分光比。ONU（Optical Network Unit，光网络单元）采用华为EG8145V5型号产品，有4个千兆以太网口。

核心交换机上接DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）服务器，为GPON网和传统局域网的所有设备分配IP地址。PC1～PC4均在VLAN 100下。入网用户采用准出的认证方式，在网络出口采用WebPortal认证。实验将分别在OLT的不同GPON口即不同的分光器下如PC1与PC4、同一分光器的不同ONU下如PC1与PC3、同一ONU不同以太网接口下如PC1与PC2之间测试各安全问题。

三、基于GPON网络工作原理进行安全分析

1.GPON传输原理[1]

OLT的GPON口通过单芯光纤连接分光器，分光器分别8根光纤连接到8个ONU设备。上下行采用不同波长的光信号来承载数据[2]。物理上属于1个GPON口、N个ONU设备的点对多点结构。

OLT将下行业务的以太网帧封装成GPON帧，从1个GPON口发出，分光器无法对数据进行ONU区分，会广播到所有连接的ONU设备上。ONU根据GPON帧头部中的ID號判断是否是发给本ONU的，不是则丢弃，是则将GPON帧中的以太网帧解析后发给ONU的以太网口。ONU前端进行过滤，避免用户收到其他用户的单播数据包。

上行业务为避免多个ONU同时发数据造成碰撞，采用时分复用的方式[3]。OLT根据动态带宽分配等策略，为每个ONU协商分配时隙，ONU将上行以太网数据帧封装为GPON帧发送给分光器。因在自己的时隙内发送，在分光器进行耦合时能避免冲突。数据耦合后传输到OLT的GPON口，解封以太网帧做进一步处理。

因此，虽然同一GPON口下是点到多点的物理结构，但正常情况下，用户不会收到不属于自己的数据包。

2.GPON逻辑业务二层隔离

ONU除了可以承载用户上网，还支持语音电话、视频监控、电视等业务。接入设备为区分不同用户和不同业务，使之互相不受影响，GPON采用业务流的虚通道方式进行分类管理。业务流是用户和OLT之间的逻辑通道，上下行的数据都是根据业务流的映射规则来进行转发处理。

传统以太网中同一个VLAN内的所有以太网端口在一个广播域内，可以二层互通，让诸多攻击有机可乘。如ARP欺骗就是攻击者向目标发送免费ARP包，向目标宣称自己是网关或其他用户。再如伪造非法DHCP服务器，就是通过回应用户上网的IP地址广播请求，从而导致用户拿到错误的IP地址不能上网，或者拿到错误的网关、域名解析服务器，为攻击者的下一步攻击提供了跳板。

但GPON网络中，即便在同一个VLAN，业务虚端口之间也相互隔离。这也是运营商广泛使用PON网络的一个原因，天然隔离不同用户，可以避免很多局域网攻击和病毒传染等安全问题。如二层隔离后，ARP欺骗者无法直接向同一网段其他用户发包，从而避免ARP欺骗攻击[4]。再如隔离了广播，用户的DHCP请求也不会发到同一网段的攻击者处。

但GPON的二层隔离仅限于GPON部分，OLT上行口的网络侧还是传统以太网，同一VLAN的广播包还是会广播到所有用户。OLT中可以设置APR代应答，则OLT代回答网络侧ARP的请求广播包，代回ARP响应单播包，以增加安全性。

3.ONU上以太网端口的二层隔离

ONU的业务流可根据物理端口、逻辑端口等方式分类。物理方式是OLT与ONU上的以太网端口之间创建的业务流。实验采用的是常用的基于GEM（GPON Encapsulation Mode，GPON封装模式）port端口的逻辑方式，ONU上的4个以太网端口都提供普通上网业务，属于同一个GEM port。经实验，默认情况下，4个以太网口之间没有进行端口隔离。可以通过业务模板为ONU下发安全配置，开启二层端口隔离。

ont-srvprofilegpon profile-id 1 profile-name "StuNet"

ont-port eth adaptive

port isolate eth 1 enable

port isolate eth 2 enable

port isolate eth 3 enable

port isolate eth 4 enable

commit

4.部分GPON局域网使用场景需打破二层隔离

二层隔离为家庭独立用户提供了安全保障，但有时为企业或学校带来不便。如办公室要共享打印机、分享文件、局域网游戏或应用等场景，需要打破用户隔离，实现局域网内互通。

打破用户隔离有两种方式：采用VLAN内的ARP代理通过三层转发实现用户互通、基于VLAN的二层互通。采用ARP代理方法如下：

OLT （config）#vlan 100 smart

OLT （config）#arp proxy enable

OLT （config）#interface vlanif 100

OLT （config）#ip address x.x.x.x 255.255.255.0

OLT （config-if-vlanif100）#arp proxy enable

采用ARP代理的方式，则同网段用户进行数据交换需要由上层设备做三层数据转发，增加了上层设备的负担。基于VLAN的二层互通可以解决该问题。开启后同一网段的用户能够在二层网络进行数据交换。方法如下：

OLT （config）#vlan service-profile profile-id 1

OLT（config-vlan-srvprof-1）#user-bridging enable

OLT （config）#vlan bind service-profile 100 profile-id 1

经测试，开通二层互通功能的同一VLAN域中的用户之间可以Ping通。后面的安全测试都在基于VLAN互通的前提下进行实验。

四、局域网常见安全威胁分析

1.防IP欺骗

IP Spoofing即IP欺骗攻击是攻击者伪造成他人的IP地址做为数据包源地址，以使用他人的权限进行网络攻击，或破坏正常用户业务的行为。局域网中也存在无意攻击，而通过手动设置IP来上网的普遍现象，容易造成跟其他人IP地址冲突而不能上网。所以要禁止手动设置IP地址，只允许从DHCP服务器获取。

传统局域网中，通过启用DHCPSnooping功能，监控用户向DHCP服务器获取IP地址的数据包的过程，并在交换机内记录用户IP、MAC地址、VLAN、交换机接口的绑定表。绑定表结合IP Source Guard功能，IP报文进入交换机后，可通过检查数据包的源IP地址和MAC地址是否在绑定表中来判断是否为合法用户，如果伪造他人IP则丢弃。绑定表结合DAI（Dynamic ARP Inspection，动态ARP 检测）功能，也可以检查ARP包中MAC地址的合法性。总之，可以防IP欺骗、MAC地址欺骗、ARP欺骗，同时禁止了手动设置IP地址的上网方式。

GPON网络与传统的绑定表类似。开启IP Spoofing功能后，会监控用户的DHCP上线与下线流程。在用户的上线过程中，系统动态获取分配给用户的IP地址，并将IP地址与业务流绑定，只允许源IP地址为已经绑定到业务流的报文通过设备。

开启防御IP Spoofing功能需要在全局、VLAN、业务流下分三级打开：

OLT（config）#security anti-ipspoofing enable

OLT（config）#vlan service-profile profile-id 1

OLT（config-vlan-srvprof-1）#security anti-ipspoofing enable

OLT（config-vlan-srvprof-1）#commit

OLT（config-vlan-srvprof-1）#quit

OLT（config）#vlan bind service-profile 100 profile-id 1

OLT（config）#security anti-ipspoofing service-port 1 enable

而網络中仍然在存在不支持DHCP功能的特殊设备，必须要手动设置IP。实现方式为可以通过关闭对应业务流的防IP地址攻击功能，或在业务虚端口上手动绑定IP，这样比关闭防御功能更安全。绑定方法如下：

OLT（config）#bind ip service-port 1 10.1.1.1

2.防Mac地址欺骗

Mac地址欺骗是仿冒用户MAC地址或网络设备MAC地址，使接入设备的MAC地址表学习到错误的地址表项，以窃取流量，或中断其他用户正常通信。

与IP Spoofing类似，在使用防MAC欺骗功能时，动态记录用户MAC、VLAN、业务流的相应信息。用户端口有数据进入时，检查报文的MAC地址是否是已绑定业务流。如果不是合法报文，则视为MAC地址欺骗，将报文丢弃。配置如下：

OLT（config）#security anti-macspoofing enable

OLT （config）#vlan service-profile profile-id 1

OLT （config-vlan-srvprof-1）#security anti-macspoofing enable

OLT （config-vlan-srvprof-1）#commit

OLT （config-vlan-srvprof-1）#quit

OLT （config）#vlan bind service-profile 100 profile-id 1

OLT （config）#security anti-macspoofing service-port 1 enable

还可以通过静态MAC地址绑定的方式，防御MAC地址欺骗：

OLT （config）#mac-address static service-port 1 xxxx-xxxx-xxxx

3.防MAC地址泛洪攻击

传统以太网中，攻击者伪造大量不同源MAC地址报文发到交换机中。交换机会自动学习数据包的源MAC地址，添加到MAC地址表中，大量的垃圾表项把系统MAC地址表资源消耗殆尽。导致交换机无法学习新的MAC地址，其他用户的正常通信报文只能作为未知单播报文，被广播或丢弃。如果广播，会消耗大量转发带宽，影响通信质量，并有可能让攻击者嗅探到其他用户报文。如果报文被丢弃，则导致部分用户无法上网。可通过限制端口学习到的MAC地址数，或者限制报文发送速率来防御。

GPON网络中，实施MAC地址泛洪攻击则会将OLT的MAC地址表空间占满。开启防MAC欺骗后，可通过security anti-macspoofing max-mac-count命令配置业务流最多可绑定的MAC地址数，从而避免MAC泛洪攻击。

4.防止协议类型泛洪攻击

泛洪攻击的特点是攻击者发送大量的报文，导致系统无法处理其他用户的请求，也即DoS（Denial of Service，拒绝服务）攻击。

除了MAC泛洪，还有ARP、ICMP、DHCP等各种协议泛洪。当实施ARP欺骗的时候，如ARP中间人攻击，需要不停地发ARP包以欺骗目标机和网关，这样才能持续嗅探两者之间的数据流以窃取信息。有时候用户电脑中毒也会导致发送大量ARP包。ICMP泛洪也称为死亡之Ping，利用简单的辅助网络故障诊断的Ping命令持续攻击，可能会导致目标消耗过多系统资源而无法响应。对DHCP服务器发起泛洪攻击，是攻击者伪造大量MAC地址，向DHCP服务器发起申请IP地址请求，造成DHCP地址池的地址用尽，正常用户无法获取到地址。

防御DoS攻击主要还是对协议报文进行限速。

使用security anti-dos enable命令开启防DoS攻击功能。识别DoS攻击后，可通过display security dos-blacklist查询发生Dos攻击的列表，从而可以进一步处理，如关闭用户端口。

发生DoS攻击时，可配置处理策略security anti-dos control-packet policy permit，按设置的速度阈值进行限速，继续处理报文。配置security anti-dos control-packet policy deny则会在发生DoS攻击时丢弃所有报文。

攻击报文速度分两级设置：各类协议报文的分项速度、所有报文的总速度。如使用security anti-dos control-packet rate60配置总协议报文的速率阈值为每秒60个包，security anti-dos control-packet dhcp rate10配置发送给DHCP服务器的速率阈值为每秒10个包。

5.环路检测

局域网还会出现环路问题。经常出现用户端网线接线太乱，而无意将一根网线的2头接到同一个交换机的2个端口造成环路，或接到不同交换机的2个口，形成更大的环。环路会造成广播风暴，数据转发会消耗大量网络设备资源和网络带宽，使用户无法正常上网。环路问题主要靠生成树算法、MAC地址表探测等方法来检测破环[5]。

GPON系统上开启环路检测功能，通过周期性发送环路检测数据报文，并通过监控收到检测报文的位置来判断是否有环路，并关闭形成环路的用户端口，保障不对其他用户造成影响。需要在OLT和ONU上均开启环路检测。OLT上使用ring check enable命令开启用户侧环网检测功能。ONU上的环路检测功能需要通過OLT下发业务模板配置来开启：

ont-srvprofilegpon profile-id 1 profile-name "StuNet"

ring check enable

ring check detect-frequency 1

commit

五、GPON网络新的安全问题

ONU的上行数据包是通过时分复用的方式，在自己的时间间隙才发包。如果在其它时间间隙也一直发送光信号，会导致同一GPON口下其它ONU下线或不稳定。这种长发光的称为流氓ONU，发生这种情况时需要对ONU逐一排查。

GPON网络下行数据采用广播的方式发送到所有的ONU，如果有非法接入的ONU，则可以接收到其它ONU的数据，存在安全隐患。可以通过指定SN号和密码注册的方式添加ONU，也可以对下行数据包进行AES加密，并自动定期更换密钥，以提高安全性。

六、结束语

GPON网络天然二层隔离，对小区家庭住户来说，其安全特性比较适用。但校园网中有局域网络的应用需求，在满足易用性之后，安全问题一定要防护到位，否则会对日后运维造成影响。GPON网络具备局域网基本的安全防护能力。

参考文献：

[1]ITU-T G.984.3 Gigabit-capable passive optical networks（G-PON）： Transmission convergence layer specification，2014.

[2]ITU-T G.984.1 Gigabit-capable passive optical networks （GPON）： General characteristics，2008.