基于灰色理論的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力評(píng)估方法研究

趙興莉

（中國(guó)人民解放軍93176部隊(duì) 遼寧 大連 116023）

隨著全球信息化步伐的不斷加快，網(wǎng)絡(luò)信息的安全性越來(lái)越受到關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)能夠檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)潛在的安全漏洞，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全狀況，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息安全的重要技術(shù)之一[1]。目前，網(wǎng)絡(luò)信息安全評(píng)估技術(shù)主要研究網(wǎng)絡(luò)攻擊前后網(wǎng)絡(luò)安全性的變化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力的下降研究不足。隨著物理風(fēng)險(xiǎn)、無(wú)意錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)、有意破壞風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)等風(fēng)險(xiǎn)引入，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的防護(hù)能力是動(dòng)態(tài)變化的[2]。網(wǎng)絡(luò)攻擊的過(guò)程是一個(gè)迭代的過(guò)程，攻擊者不斷獲取目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信息，破壞網(wǎng)絡(luò)安全的各項(xiàng)指標(biāo)，獲取對(duì)方系統(tǒng)的有用信息，取得目標(biāo)系統(tǒng)的控制權(quán)限；隨著迭代過(guò)程的進(jìn)行，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的防護(hù)能力不斷下降。

針對(duì)上述問(wèn)題，文中從信息保護(hù)、信息防御兩個(gè)方面，對(duì)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力進(jìn)行全面分析。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制構(gòu)造評(píng)估模型，并利用灰色理論進(jìn)行評(píng)估。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)上述理論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力組成

1.1 信息保護(hù)

從網(wǎng)絡(luò)攻擊過(guò)程的分析中可以看出，任何攻擊方法的成功實(shí)施都需要具備一定的條件，攻擊者掌握的信息越全面，所采取的攻擊方法的成功率越大[3]。獲取足夠信息是實(shí)施網(wǎng)絡(luò)攻擊的必要條件，攻擊者通過(guò)各種手段獲取目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息。為了有效防范網(wǎng)絡(luò)攻擊，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)須具備一定信息保護(hù)手段，防止攻擊者竊取重要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，破壞網(wǎng)絡(luò)信息安全。其中，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的信息主要包括：目標(biāo)主機(jī)的IP地址、主機(jī)名、開(kāi)放的端口、開(kāi)放的服務(wù)、各種賬戶信息、存在的漏洞等。

1.2 信息防御

信息防御指目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)抵御攻擊者主動(dòng)實(shí)施的非法攻擊操作的總和。網(wǎng)絡(luò)攻擊的過(guò)程既是目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力遭受破壞的過(guò)程，又是攻擊者攻擊能力不斷提升的過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)攻擊開(kāi)始時(shí)，攻擊者對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)不能進(jìn)行任何操作，需要利用掃描技術(shù)獲取目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)信息。然后，攻擊者通過(guò)漏洞攻擊等方式來(lái)獲取部分權(quán)限，此時(shí)攻擊者能夠?qū)δ繕?biāo)網(wǎng)絡(luò)的安全性造成破壞。之后，攻擊者采用植入木馬等方式對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)進(jìn)行完全控制，隨意進(jìn)行非法操作。

由于網(wǎng)絡(luò)攻擊技術(shù)的隱蔽性、網(wǎng)絡(luò)攻擊手段的智能化、網(wǎng)絡(luò)攻擊知識(shí)的復(fù)雜性，需要目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)采用一定的安全防御技術(shù)，主動(dòng)抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的造成的破壞。其中，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：對(duì)目標(biāo)主機(jī)的文件進(jìn)行增加、刪除、篡改及對(duì)注冊(cè)表信息的破壞，篡改各種用戶賬戶信息，篡改目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)的配置參數(shù)及其服務(wù)，對(duì)目標(biāo)主機(jī)的鍵盤(pán)信息進(jìn)行記錄，遠(yuǎn)程操作目標(biāo)主機(jī)的應(yīng)用程序等。

2 利用灰色理論對(duì)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力進(jìn)行評(píng)估

由于網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力的評(píng)估過(guò)程中存在著測(cè)量數(shù)據(jù)少、信息不完全等情況，評(píng)估計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。而灰色理論以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)“少數(shù)據(jù)、不確定性”問(wèn)題提出的。其最大的特點(diǎn)是對(duì)樣本量沒(méi)有嚴(yán)格的要求，不要求服從任何分布，且運(yùn)算簡(jiǎn)捷方便[4]。因此，本文選擇了灰色理論，作為網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力評(píng)估的數(shù)學(xué)模型。

2.1 網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力評(píng)估指標(biāo)體系

選擇合理的評(píng)估指標(biāo)體系，是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力評(píng)估的前提條件，也是整個(gè)評(píng)估過(guò)程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它將直接影響評(píng)估的全面性、合理性及有效性[5]。

評(píng)估指標(biāo)體系主要分為3部分：評(píng)估目標(biāo)、評(píng)估準(zhǔn)則、評(píng)估指標(biāo)。評(píng)估目標(biāo)指要進(jìn)行評(píng)估的對(duì)象，本文將網(wǎng)絡(luò)攻擊過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力的損害程度作為評(píng)估目標(biāo)。評(píng)估準(zhǔn)則是衡量評(píng)估目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，本文選用的評(píng)估準(zhǔn)則是信息保護(hù)、信息防御。評(píng)估指標(biāo)主要指的是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方案、方法、手段。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)從目標(biāo)到準(zhǔn)則、到措施自上而下的順序，將各類(lèi)因素之間的直接影響關(guān)系排列于不同的層次，構(gòu)成攻擊者攻擊能力的評(píng)估模型，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力評(píng)估模型Fig.1 Network protection capability evaluation model

2.2 利用灰色理論對(duì)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力進(jìn)行評(píng)估

2.2.1 評(píng)估指標(biāo)的量化

評(píng)估指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)攻擊效果的各個(gè)評(píng)估指標(biāo)要素，即層次分析結(jié)構(gòu)中的指標(biāo)層元素[5]。評(píng)估準(zhǔn)則信息保護(hù)對(duì)應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)表示的是網(wǎng)絡(luò)攻擊過(guò)程中被竊取的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息，評(píng)估準(zhǔn)則信息防御對(duì)應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)表示的是非法操作的數(shù)目。

2.2.2 評(píng)估準(zhǔn)則的計(jì)算

評(píng)估準(zhǔn)則的計(jì)算過(guò)程是一個(gè)從多維空間到一個(gè)線段中的點(diǎn)或評(píng)價(jià)論域中的等級(jí)的映射過(guò)程。具體步驟如下：

1）確定評(píng)價(jià)矩陣

假設(shè)評(píng)估準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)指標(biāo)層的指標(biāo)因素m個(gè)，它們的取值分別記為 u1，u2， …，um， 則它們構(gòu)成一個(gè)有限集合 U={u1，u2，…，um}。若根據(jù)實(shí)際需要將評(píng)估準(zhǔn)則的結(jié)果劃分為n個(gè)等級(jí)，分別記為v1，v2，…，vn，則又構(gòu)成了一個(gè)關(guān)于評(píng)語(yǔ)的有限集合V={v1，v2，…，vn}。則因素集和評(píng)語(yǔ)集之間的關(guān)系可用評(píng)價(jià)矩陣：

來(lái)表示，其中

本文根據(jù)專(zhuān)家打分的結(jié)果，將評(píng)估準(zhǔn)則的評(píng)分等級(jí)劃分了4個(gè)層次，用評(píng)語(yǔ)集V={優(yōu)、良、中、差}表示，并利用白化權(quán)函數(shù)fε（x）加以描述。其函數(shù)可分為4段，具體形式如下：

①差：

其中，a、b、c、d 分別表示優(yōu)、良、中、差 4 個(gè)等級(jí)的期望值。按照GB/T 20984-2007《信息安全技術(shù)信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合安全保護(hù)等級(jí)的分級(jí)和國(guó)際危機(jī)管理的分級(jí)慣例，假設(shè) a=1.5，b=3.5，c=5.5，d=7.5[6]。

2）計(jì)算灰色評(píng)價(jià)權(quán)矩陣

對(duì)于評(píng)估指標(biāo)i，di表示所有評(píng)語(yǔ)集下該評(píng)估指標(biāo)的灰色評(píng)估總系數(shù)，rij表示第j個(gè)評(píng)語(yǔ)集下該評(píng)估指標(biāo)的灰色評(píng)價(jià)權(quán)。則：

rij是灰色評(píng)估權(quán)矩陣的基本組成元素。對(duì)rij進(jìn)行組合得到灰色評(píng)價(jià)權(quán)矩陣R。

3）計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果并進(jìn)行分析

設(shè)該評(píng)估準(zhǔn)則的權(quán)重向量為 w，w=（w1，w2，…，wm），其評(píng)價(jià)結(jié)果記為B：

其中，評(píng)估結(jié)果B表示每個(gè)評(píng)語(yǔ)集等級(jí)所占的比重。為了定量分析準(zhǔn)則層的評(píng)估指標(biāo)，需要對(duì)評(píng)語(yǔ)集的每個(gè)等級(jí)取一個(gè)分?jǐn)?shù)，本文依據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息安全評(píng)估的一般規(guī)律，假設(shè)每個(gè)評(píng)語(yǔ)集對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù) {100，80，60，40}。由此對(duì)該評(píng)估準(zhǔn)則i進(jìn)行定量打分，記為Si：

2.2.3 評(píng)估目標(biāo)的綜合評(píng)判

設(shè)目標(biāo)層與準(zhǔn)則層之間的權(quán)重向量 c=（c1，c2， …，ck），則目標(biāo)元素的結(jié)果A：

3 實(shí)驗(yàn)分析與比較

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)施過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)上述評(píng)估方法在網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力評(píng)估過(guò)程中的應(yīng)用，并對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)攻擊過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力的損害程度進(jìn)行定量打分。

實(shí)驗(yàn)在百兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到的設(shè)備包括：路由器一臺(tái)、交換機(jī)一臺(tái)、PC機(jī)若干、攻擊模擬器一臺(tái)（負(fù)責(zé)對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施攻擊）。實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。在攻擊開(kāi)始前，依據(jù)專(zhuān)家打分的方法，計(jì)算出信息獲取所占的權(quán)重0.3，信息打擊所占的權(quán)重0.7，信息獲取對(duì)應(yīng)評(píng)估指 標(biāo) 的 權(quán) 重 （0.349，0.039，0.116，0.078，0.064，0.035，0.010，0.186，0.124）， 信息打擊對(duì)應(yīng)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重（0.362，0.099，0.066，0.121，0.110，0.035，0.054，0.030，0.020，0.015，0.030，0.058）。

圖2 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Experimental network topology

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

1）攻擊方對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行端口掃描，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中存在5臺(tái)計(jì)算機(jī)。且計(jì)算機(jī)PC1和PC3的445號(hào)端口開(kāi)放，

2）對(duì)計(jì)算機(jī)PC1和PC3進(jìn)行漏洞掃描，發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)PC1中存在MS08067漏洞。

3）利用MS08067漏洞工具對(duì)計(jì)算機(jī)PC1實(shí)施緩沖區(qū)溢出攻擊，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

在對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析中可以看出，由于網(wǎng)絡(luò)攻擊具有時(shí)序性，實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的防護(hù)能力隨著網(wǎng)絡(luò)攻擊的進(jìn)行不斷發(fā)生變化。網(wǎng)絡(luò)攻擊開(kāi)始前，攻擊方對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信息一無(wú)所知。隨著攻擊方對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行端口掃描和漏洞掃描，實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的5臺(tái)計(jì)算機(jī)被攻擊方發(fā)現(xiàn)，且有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的445端口開(kāi)放，其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)存在MS08067漏洞。在此基礎(chǔ)上，攻擊方利用MS08067漏洞工具對(duì)計(jì)算機(jī)PC1實(shí)施攻擊，獲取了一定的權(quán)限。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 信息保護(hù)的評(píng)估

根據(jù)信息獲取的評(píng)估指標(biāo)測(cè)量值，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)向量B=（0，0.262，0.116，0.273）。

上述結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的信息保護(hù)能力的評(píng)估結(jié)果并不屬于優(yōu)、良、中、差當(dāng)中的任何一個(gè)等級(jí)，它屬于良、中、差等級(jí)之間的一個(gè)灰色區(qū)間。

根據(jù)公式（8），計(jì)算評(píng)估準(zhǔn)則信息防護(hù)的分?jǐn)?shù)S=38.84。

分?jǐn)?shù)S是對(duì)被竊取目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息的定量評(píng)分，它反映了網(wǎng)絡(luò)攻擊過(guò)程中攻擊者不斷地借助各種攻擊手段獲取目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息。

3.2.2 信息防御的評(píng)估

根據(jù)信息打擊的評(píng)估指標(biāo)測(cè)量值，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)向量B=（0，0，0，0.73）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的信息防御能力的評(píng)估結(jié)果屬于一個(gè)和差等級(jí)比較接近的灰色區(qū)間，且該區(qū)間與其它等級(jí)不相交。

根據(jù)公式（8），得出評(píng)估準(zhǔn)則信息防御的分?jǐn)?shù)S=29.2。

分?jǐn)?shù)S是對(duì)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)非法操作的定量評(píng)分，它反映了攻擊者在網(wǎng)絡(luò)攻擊過(guò)程中積累的權(quán)限及對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)操作的能力。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力的綜合評(píng)估

綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力損害程度的綜合分?jǐn)?shù)A=35.948。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中探討了網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力的灰色評(píng)估方法，依據(jù)影響網(wǎng)絡(luò)信息安全的主要因素建立評(píng)估指標(biāo)體系，針對(duì)灰色評(píng)估模型給出量化計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明上述方法能夠充分利用每個(gè)評(píng)估指標(biāo)的信息，綜合評(píng)估網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力。

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