[论文解读] Automating the Generation of Cyber Range Virtual Scenarios with VSDL

Gabriele Costa, Enrico Di Russo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2020

Software Testing and Debugging Techniques被引用 5

一句话总结

本文提出了一种使用虚拟场景描述语言（VSDL）自动生成复杂网络攻防演练虚拟场景的框架。VSDL是一种领域特定语言，用于指定高层次的基础设施需求。这些规范通过SMT求解器进行形式化验证，并自动转换为OpenStack等基础设施即服务（IaaS）平台的部署脚本，从而实现无需手动配置的快速、可重复且正确的场景创建。

ABSTRACT

A cyber range is an environment used for training security experts and testing attack and defence tools and procedures. Usually, a cyber range simulates one or more critical infrastructures that attacking (red) and defending (blue) teams must compromise and protect, respectively. The infrastructure can be physically assembled, but much more convenient is to rely on the Infrastructure as a Service (IaaS) paradigm. Although some modern technologies support the IaaS, the design and deployment of scenarios of interest is mostly a manual operation. As a consequence, it is a common practice to have a cyber range hosting few (sometimes only one), consolidated scenarios. However, reusing the same scenario may significantly reduce the effectiveness of the training and testing sessions. In this paper, we propose a framework for automating the definition and deployment of arbitrarily complex cyber range scenarios. The framework relies on the virtual scenario description language (VSDL), i.e., a domain-specific language for defining high-level features of the desired infrastructure while hiding low-level details. The semantics of VSDL is given in terms of constraints that must be satisfied by the virtual infrastructure. These constraints are then submitted to an SMT solver for checking the satisfiability of the specification. If satisfiable, the specification gives rise to a model that is automatically converted to a set of deployment scripts to be submitted to the IaaS provider.

研究动机与目标

• 解决现有基于IaaS平台的网络攻防演练场景生成缺乏自动化、可扩展性和可重复性的问题。
• 减少对静态、重复使用场景的依赖，以避免降低训练效果。
• 提供一种形式化且可验证的方法，用于指定和部署复杂、随时间演化的网络攻防演练基础设施。
• 实现针对特定训练或测试目标量身定制的多样化、功能丰富的场景的快速部署。
• 与主流IaaS提供商（如OpenStack）集成，以实现广泛的兼容性和部署可移植性。

提出的方法

• 定义一种领域特定语言VSDL，用于表达网络攻防演练场景的高层次需求，如网络拓扑、节点角色、软件配置以及时间依赖行为。
• 使用SMT求解器将场景规范建模为逻辑约束，以形式化验证其正确性和一致性。
• 将满足的VSDL模型映射为具体的部署工件（例如Terraform脚本），用于OpenStack等IaaS平台。
• 动态自定义虚拟机规格（例如'mobile.phone'），以反映IaaS工具原生不支持的硬件级特性。
• 自动生成并部署符合指定场景语义的虚拟基础设施，包括节点迁移或服务可用性等动态变化。
• 与现有IaaS架构集成，以确保兼容性，并支持真实世界的部署流水线。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何实现保证正确性和表达能力的网络攻防演练场景自动生？
• RQ2 高层次的领域特定语言（VSDL）能否有效抽象低层次IaaS配置，同时保持语义保真度？
• RQ3 SMT求解器在部署前对场景规范进行形式化验证的适用程度如何？
• RQ4 如何在虚拟场景中建模并强制执行时间依赖行为（例如延迟访问、节点迁移）？
• RQ5 哪些机制能够实现自动化场景生成与现有IaaS基础设施的集成？

主要发现

• 该框架成功利用基于SMT的验证机制，将高层次的VSDL规范转换为正确且可部署的基础设施配置。
• 该方法实现了无需手动配置IaaS即可自动生成复杂、随时间演化的场景，显著降低了部署错误和工作量。
• SMT求解器有效验证了场景约束，确保了生成基础设施的语义一致性和正确性。
• 该框架支持动态特性，如延迟的红队访问和移动设备迁移，显著提升了场景的真实性。
• 与OpenStack和Terraform的集成使得生成的场景能够实现实际、生产级别的部署。
• 该方法支持组合性，允许复用组件和模块化场景设计，并支持自动化验证。