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    電信網(wǎng)信息內(nèi)容安全事件態(tài)勢感知模型研究*

    2014-02-28 06:16:10季新生
    電信科學(xué) 2014年2期
    關(guān)鍵詞:電信網(wǎng)信息內(nèi)容安全事件

    葛 琳,季新生,江 濤

    (國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 鄭州450002)

    1 引言

    電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展,打破了傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)相對封閉的格局,同時也將原本在互聯(lián)網(wǎng)中存在的一些安全問題引入電信網(wǎng)[1]。信息內(nèi)容安全事件(information content security incident,ICSI)指利用信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布傳播危害國家安全、社會穩(wěn)定和公共利益的內(nèi)容的安全事件[2]。近年來,電信網(wǎng)絡(luò)的信息內(nèi)容安全事件持續(xù)增多。以中國電信2010年公布的統(tǒng)計數(shù)字為例,全網(wǎng)發(fā)生騷擾信息投訴量51萬余次,各類安全事件均呈現(xiàn)快速增長勢頭[3]。由此可以看出,網(wǎng)絡(luò)IP化、終端智能化和應(yīng)用多樣化為各類信息內(nèi)容安全事件的發(fā)生提供了便利條件,給電信網(wǎng)絡(luò)安全帶來極大的挑戰(zhàn)。加強(qiáng)電信網(wǎng)絡(luò)安全域劃分,提高全網(wǎng)的統(tǒng)一安全管理能力,建設(shè)同步于電信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展水平的信息安全體系迫在眉睫[4]。

    網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控及防護(hù)的一個重要手段就是對網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的安全狀況進(jìn)行分析感知。態(tài)勢感知技術(shù)融合可獲取的信息,從宏觀角度實時展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的整體安全態(tài)勢,為網(wǎng)絡(luò)安全管理者的決策分析提供技術(shù)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。目前的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知技術(shù)主要應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng),針對電信網(wǎng)的研究尚處于起步階段,而且主要針對電信網(wǎng)中的攻擊類事件,即對網(wǎng)絡(luò)中的病毒、操作系統(tǒng)漏洞、防火墻、入侵檢測系統(tǒng)和安全日志等各防護(hù)設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù),進(jìn)行融合后做出決策評估[5~7]。信息內(nèi)容安全事件與攻擊類事件相比,具有不同的特征:攻擊類事件以破壞網(wǎng)絡(luò)正常通信為目的,強(qiáng)度大,維度單一,通常可歸為行為異常所引起的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢變化顯著,較易覺察;信息內(nèi)容安全事件以傳播不良信息內(nèi)容為目的,強(qiáng)度較小,多維信息,既有行為異常也有內(nèi)容異常,隱蔽性大,對其所引起的態(tài)勢較難把握。如何借鑒現(xiàn)有的態(tài)勢感知技術(shù),全方位部署電信網(wǎng)安全防護(hù)設(shè)備,并有效利用其產(chǎn)生的海量、多維安全信息做出快速、及時的融合判定,是當(dāng)前電信網(wǎng)安全領(lǐng)域的研究熱點。

    本文基于對電信網(wǎng)信息內(nèi)容安全事件主要特征的分析,提出一種分布式、層次化結(jié)構(gòu)的態(tài)勢感知模型,針對模型中數(shù)據(jù)分層融合的特點,采用基于Dempster-Shafer(D-S)證據(jù)理論的信息融合近似算法,并在仿真環(huán)境中對模型進(jìn)行了實驗驗證。

    2 電信網(wǎng)信息內(nèi)容安全事件特征

    隨著電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)融合的深入發(fā)展及多媒體業(yè)務(wù)的日益成熟,一方面,電信網(wǎng)所面臨的信息內(nèi)容安全事件形式趨于多樣;另一方面,由于互聯(lián)網(wǎng)是一個以用戶為核心的非盈利性網(wǎng)絡(luò),很多通信業(yè)務(wù)及軟件可免費使用,使得發(fā)起信息內(nèi)容安全事件的成本大大降低,因此,電信網(wǎng)終端用戶所遭受的不良信息安全事件的數(shù)量增多,同時規(guī)模變大。通過對此類事件發(fā)生時電信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化、用戶通信行為和信息內(nèi)容特點的研究,對其特征進(jìn)行歸納,具體如下。

    (1)突發(fā)性

    信息內(nèi)容安全事件的主要目的是通過散播非法信息內(nèi)容,挑起爭端、破壞社會穩(wěn)定,此類事件的發(fā)生具有突發(fā)性。

    (2)針對性

    信息內(nèi)容安全事件的目標(biāo)用戶通常為在特定時間段,發(fā)生了熱點或敏感社會問題的區(qū)域內(nèi)的用戶群體,即信息內(nèi)容安全事件具有一定的針對性。在這種情況下,網(wǎng)絡(luò)中的流量通常會有較為明顯的變化趨勢。

    (3)干擾性

    信息內(nèi)容安全事件擾亂用戶的正常通信,惡意占用網(wǎng)絡(luò)資源,對于目標(biāo)用戶而言,接收到此類信息后,選擇短時間內(nèi)切斷通信的用戶數(shù)量較正常通信情況會有所增多,由此會引起電信網(wǎng)絡(luò)中單位時間內(nèi),短時通話數(shù)量增多。

    (4)重復(fù)性

    目前,針對流量異常和短時通話數(shù)量變化等問題均已有防護(hù)技術(shù),而某些不良信息源為了規(guī)避檢測攔截,未必會在短時間內(nèi)發(fā)送大量足以引起網(wǎng)絡(luò)流量和短時通話數(shù)量變化的信息,但其所發(fā)送的信息內(nèi)容卻具有相同和重復(fù)的特性。因此,對信息內(nèi)容的重復(fù)性檢測可作為一種有效的補(bǔ)充和完善。

    (5)特定性

    信息的傳輸內(nèi)容通常為某種或某類特定的音/視頻內(nèi)容。

    上述前3個特征可看作由用戶通信行為異常引起的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化,其中,網(wǎng)絡(luò)流量和短時通話的變化可看作通信狀態(tài)異常;后兩個特征可看作通信內(nèi)容異常。表1為信息內(nèi)容安全事件的主要特征及其對電信網(wǎng)絡(luò)通信的影響。

    表1 信息內(nèi)容安全事件特征及其對電信網(wǎng)絡(luò)通信的影響

    目前業(yè)界針對信息內(nèi)容安全事件的各相關(guān)特征,已經(jīng)研究了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施,但單一的安全防護(hù)措施沒有綜合考慮各種防護(hù)措施之間的關(guān)聯(lián)性和邏輯性,無法從宏觀角度掌握網(wǎng)絡(luò)安全的需求。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)管理要求必須能夠在動態(tài)變化的復(fù)雜環(huán)境中,對各種不確定的網(wǎng)管信息進(jìn)行分析評估,以便網(wǎng)絡(luò)管理員能以量化的方式,認(rèn)知和理解網(wǎng)絡(luò)中安全事件的整體狀況和趨勢,從而迅速、準(zhǔn)確地做出決策。如何對各監(jiān)測設(shè)備的告警數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,給出網(wǎng)絡(luò)中信息內(nèi)容安全事件當(dāng)前的態(tài)勢狀況,是本文要研究的主要問題。

    3 電信網(wǎng)態(tài)勢感知模型

    3.1 態(tài)勢感知模型的部署

    網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)的目標(biāo)是,使受保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的實體和用戶不受來自外部網(wǎng)絡(luò)的攻擊騷擾。也就是說,安全防護(hù)模型應(yīng)處于受保護(hù)網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間,且假設(shè)只在它的一側(cè)存在騷擾源[8]。這里把受保護(hù)網(wǎng)絡(luò)定義為可控網(wǎng)絡(luò)(controllable network,CN),外部網(wǎng)絡(luò)定義為不可控網(wǎng)絡(luò)(uncontrollable network,UN)。如圖1所示,假設(shè)信息源(information source,IS)為{s0,s1,…,sn},從不可控網(wǎng)絡(luò)向可控網(wǎng)絡(luò)實施信息攻擊。騷擾方的目的是盡可能多地將不良信息傳遞給可控網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)用戶(target user,TU),TU={u0,u1,…,um}。在可控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)口,部署態(tài)勢感知模型(situation awareness model,SAM)。對SAM而言,其目標(biāo)是能夠?qū)崟r感知到信息內(nèi)容安全事件的發(fā)生和強(qiáng)度。

    圖1 電信網(wǎng)信息攻擊事件模型

    3.2 態(tài)勢感知模型的設(shè)計

    SAM實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前安全狀態(tài)的感知,首先,需要通過數(shù)據(jù)采集獲取網(wǎng)絡(luò)中的通信數(shù)據(jù)信息;其次,對所獲取的信息進(jìn)行融合分析;最后,根據(jù)融合結(jié)果做出決策判定。其中,數(shù)據(jù)采集由數(shù)據(jù)采集器(data collector,DC)完成,信息融合 (information fusion,IF)則由各級信息融合節(jié)點完成,如圖2所示。

    圖2 態(tài)勢感知系統(tǒng)組成

    用DC1,DC2,…,DC5分別表示電信網(wǎng)中信息內(nèi)容安全事件各特征所對應(yīng)的防護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器與各級融合節(jié)點0、1、2和3之間的邏輯關(guān)系如圖3所示。DC1和DC2分別表示針對網(wǎng)絡(luò)流量異常和短時通話特征的數(shù)據(jù)采集器,當(dāng)兩者中有一個事件發(fā)生(即兩事件為“或”的關(guān)系)時,可認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中的通信狀態(tài)產(chǎn)生異常。將其融合結(jié)果2與DC3(內(nèi)容重復(fù)性檢測)再次進(jìn)行融合,判別是否有通信行為異常事件發(fā)生。DC4和DC5分別表示傳輸內(nèi)容中具有特殊音頻和視頻特征的數(shù)據(jù)采集器,若其中一項存在異常,就可認(rèn)為用戶之間的通信內(nèi)容異常,二者即“或”的關(guān)系。

    圖3 電信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知系統(tǒng)各節(jié)點邏輯關(guān)系

    廣告類信息通常發(fā)送時間集中,發(fā)送區(qū)域有一定的特定性和內(nèi)容重復(fù)性,一般情況下也會將其歸類為通信行為異常,因此需要對具體通信內(nèi)容進(jìn)行識別后做出判定;同時,當(dāng)通信內(nèi)容異常時,如果所發(fā)送的信息數(shù)量少,則不會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)中流量、短時通話數(shù)量和內(nèi)容重復(fù)等通信行為的異常。為了使最終融合結(jié)果更具有典型性、代表性和較強(qiáng)的針對性,融合結(jié)果1與3兩事件同時發(fā)生(即“與”的關(guān)系)時,可判定當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中存在安全問題,作為最終融合結(jié)果0輸出。

    通過前文的邏輯關(guān)系分析,電信網(wǎng)態(tài)勢感知模型可采用分布式檢測,分層、多級融合結(jié)構(gòu)。模型分為數(shù)據(jù)層(data layer,DL)、信息層(information layer,IL)和知識層(knowledge layer,KL),如圖4所示。其中,數(shù)據(jù)層主要由各個數(shù)據(jù)采集器完成數(shù)據(jù)信息的采集和上報;信息層將各個數(shù)據(jù)采集器獲取的信息進(jìn)行初步的分類提煉和融合,形成對態(tài)勢感知有用的信息;知識層通過數(shù)據(jù)層和信息層的數(shù)據(jù)采集、信息分類融合,形成網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的態(tài)勢感知數(shù)據(jù)。圖4中,局部信息融合中心 (location information fusion center,LIFC)接收和處理來自多個數(shù)據(jù)采集器的信息,做出初步?jīng)Q策判定;系統(tǒng)信息融合中心(system information fusion center,SIFC)對各局部節(jié)點傳送來的局部決策進(jìn)行融合處理,做出系統(tǒng)的最終決策。

    圖4 電信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知系統(tǒng)模型

    在電信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知模型中,各個數(shù)據(jù)采集器所提供的信息一般是模糊的,包含著大量的不確定性。各級融合中心如何利用不確定性信息進(jìn)行推理,從而做出正確的決策,即模型信息層融合算法的設(shè)計是整個模型能否高效運行、實現(xiàn)設(shè)計理念的關(guān)鍵。證據(jù)理論是一種重要的不確定推理方法,可以將多個不確定信息的證據(jù)進(jìn)行合成,并采用區(qū)間的方法對不確定性信息進(jìn)行描述,在精確反映證據(jù)聚合程度方面具有很大的靈活性。本文基于D-S理論,采用層次式快速信息融合近似算法,以滿足電信網(wǎng)態(tài)勢感知模型實時性和多層信息融合的需求。

    3.3 模型信息層融合算法

    證據(jù)理論又稱D-S理論或信任函數(shù)理論,是對貝葉斯理論的一種擴(kuò)展,其核心是證據(jù)合成準(zhǔn)則。在證據(jù)理論中,一個樣本空間稱為一個辨識框架,用Θ={H1,H2,…,Hm}表示,具有可窮性和可列性,并且其中的元素均為互斥事件。

    定義1設(shè)Θ為一個識別框架,若函數(shù)m:2Θ→[0,1](2Θ為Θ的所有子集)滿足m(○/)=0、為H的基本概率分配函數(shù)或mass函數(shù)。

    定義2設(shè)m1,m2,…,mn為識別框架Θ={H1,H2,…,Hm}上n個不同的基本概率分配函數(shù),則其正交和定義為:

    定義3設(shè)Θ為識別框架,m為Θ上的基本概率分配函數(shù),定義函數(shù)Bel:2Θ→[0,1]為Θ上對應(yīng)于m的信任度函數(shù),表示對命題H的總的信任程度。

    定義4設(shè)Θ為識別框架,m為Θ上的基本概率分配函數(shù),定義函數(shù)Pl:2Θ→[0,1]為Θ上對應(yīng)于m的似真度函數(shù),表示對命題H不否定的信任程度。

    設(shè)m1,m2,…,mn為識別框架Θ={H1,H2,…,Hm}上n個不同的基本概率分配函數(shù),滿足:

    根據(jù)證據(jù)理論的組合規(guī)則,有:

    將式(6)中的各因子分別用矩陣形式表示為:

    通過運算即可求得m(Hj)、m(Θ)和各個狀態(tài)的信度區(qū)間[Bel(Hj),Pl(Hj)]。將融合結(jié)論轉(zhuǎn)化為下一步證據(jù)融合的BPA為:

    其中,Ai表示第i個信度區(qū)間在空間形成的區(qū)域,V表示離散數(shù)據(jù)源在Ai區(qū)域內(nèi)的體積,e1,e2,…,en表示連續(xù)數(shù)據(jù)源各個證據(jù)的正態(tài)分布函數(shù)[9,10]。

    3.4 模型的主要特點

    模型的主要特點介紹如下。

    ·可靠性高:采用分布式檢測方式,利用多數(shù)據(jù)采集器對同一事件進(jìn)行多層次反復(fù)融合確認(rèn),有效降低事件的不確定性,提高系統(tǒng)決策的可信度。

    ·容錯性強(qiáng):根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行數(shù)據(jù)采集器的部署,覆蓋面廣。當(dāng)某些數(shù)據(jù)采集器出現(xiàn)故障或錯誤時,系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)娜诤咸幚?,仍有可能得到正確結(jié)果。

    ·實時性好:采用分層的融合方式,大大減少了系統(tǒng)和局部信息融合中心的處理數(shù)據(jù)量,可獲得實時結(jié)果。

    ·決策時間短:模型內(nèi)部連接簡便,通信壓力小,數(shù)據(jù)傳輸及時準(zhǔn)確,提升了模型的決策速度。

    ·準(zhǔn)確度高:模型充分考慮電信網(wǎng)信息內(nèi)容安全事件的特征,綜合利用各采集器獲得的特征數(shù)據(jù),信息量充足,融合所得出的判決結(jié)果最為貼近實際網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

    ·可擴(kuò)展性強(qiáng):隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展,不良信息的傳播手段隨之增多。模型采用的分布式層次化結(jié)構(gòu)只需在原有基礎(chǔ)上,針對新的不良信息傳播手段,增設(shè)數(shù)據(jù)采集器及局部信息融合中心即可,升級方式簡單、易行。

    4 仿真實驗

    4.1 仿真實驗環(huán)境

    當(dāng)前電信網(wǎng)信息內(nèi)容安全事件手段多樣,包括音頻、視頻類多媒體信息。為了驗證模型的有效性,本文選取中國電信目前采用的、支持可視電話業(yè)務(wù)的IMS網(wǎng)絡(luò)作為測試模板。IMS網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議為SIP。試驗中的SIP終端用戶設(shè)置可利用網(wǎng)上開源的BOL SIP phone軟件實現(xiàn),而SIP網(wǎng)絡(luò)中的重定向、媒體網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器等功能則可以由單獨的設(shè)備實現(xiàn),也可以與SIP代理集成在同一設(shè)備中實現(xiàn),靈活性大,簡單易行。基于此,本文選擇建立SIP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,對電信網(wǎng)態(tài)勢感知模型進(jìn)行仿真實驗。

    如圖5所示,騷擾方從受保護(hù)網(wǎng)絡(luò)左側(cè)向SIP網(wǎng)絡(luò)中的用戶發(fā)起攻擊,特征介紹如下:

    ·在預(yù)置的特定時間段內(nèi),向受保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的某特定區(qū)域A/B/C中的用戶發(fā)起攻擊;

    ·用戶端接收到不良信息電話的掛機(jī)概率隨機(jī)確定;

    ·不良信息源向受保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中用戶發(fā)送的通信信息具有重復(fù)性;

    ·不良信息源向受保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中用戶發(fā)送某特定音頻內(nèi)容;

    ·不良信息源向受保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中用戶發(fā)送某特定視頻內(nèi)容。

    針對以上5個特征,分別進(jìn)行多次數(shù)據(jù)統(tǒng)計,作為D-S證據(jù)理論的初始概率分布。

    4.2 仿真實驗結(jié)果

    實際網(wǎng)絡(luò)安全事件強(qiáng)度曲線如圖6所示,電信網(wǎng)態(tài)勢感知模型檢測的態(tài)勢曲線如圖7所示,將兩者進(jìn)行對比分析,可以看出:隨著安全事件強(qiáng)度的增大,對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知值也隨之上升;當(dāng)安全事件強(qiáng)度變小時,網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢評估值隨之降低,但網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知值下降的斜率較安全事件強(qiáng)度下降的斜率小。這是因為,在高層信息融合中,使用信度區(qū)間對網(wǎng)絡(luò)安全狀況進(jìn)行表述,使得落在區(qū)間內(nèi)的值都將產(chǎn)生不同程度的告警。這一點在實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的應(yīng)用中具有重要意義,即當(dāng)某信息內(nèi)容安全事件在短時間內(nèi)再次發(fā)生時,網(wǎng)絡(luò)仍可保持一定的警戒度。

    圖8為態(tài)勢感知模型預(yù)測結(jié)果與實際攻擊情況曲線的對比。可以看出,預(yù)測的結(jié)果是一條較平滑的曲線,與實際安全事件情況基本相符。

    圖6 攻擊強(qiáng)度與時間的關(guān)系

    圖7 網(wǎng)絡(luò)評估與時間的關(guān)系

    圖8 網(wǎng)絡(luò)感知與實際情況的對比

    實驗結(jié)果表明,本文提出的電信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知模型能夠把握網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢的總體變化趨勢,對網(wǎng)絡(luò)安全狀況做出及時感知,判定結(jié)果與實際情況接近,具有較高的準(zhǔn)確度[11~17]。

    5 結(jié)束語

    近年來,電信網(wǎng)絡(luò)的安全問題備受關(guān)注,態(tài)勢感知技術(shù)是其中的研究熱點。目前電信網(wǎng)的態(tài)勢感知技術(shù)僅針對攻擊類事件,而針對信息內(nèi)容安全事件態(tài)勢感知的研究尚屬空白。本文通過對電信網(wǎng)和信息內(nèi)容安全事件自身特點的分析,提出了態(tài)勢感知模型的設(shè)計方案。針對此模型采用的分層結(jié)構(gòu)的特點,采用了一種基于D-S理論的層次式信息融合近似算法,并在仿真環(huán)境中對該模型進(jìn)行了實驗驗證。仿真結(jié)果表明,該模型可以有效感知信息內(nèi)容安全事件。

    該方案為維護(hù)電信網(wǎng)絡(luò)信息安全和用戶合法權(quán)益提供了技術(shù)支持。但本文目前提出的基于D-S證據(jù)理論的層次式融合算法并沒有考慮證據(jù)沖突的情況,雖然特征提取的針對性強(qiáng),可以有效避免沖突證據(jù)的發(fā)生,但為保證算法的完整性,這點需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。同時,現(xiàn)有方案在仿真實驗環(huán)境中可靠、有效,下一步將針對實際網(wǎng)絡(luò)的運行環(huán)境進(jìn)行實驗驗證。

    1 萬曉榆,樊自甫,宗曉飛.下一代網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù).北京:人民郵電出版社,2007

    2 中國標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.信息安全事件分類分級指南.GB/Z 20986-2007,2007

    3 中國電信集團(tuán)公司.中國電信網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)白皮書,2010

    4 中國電信集團(tuán)公司.中國電信網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)白皮書,2011

    5 楊肖.下一代電信網(wǎng)安全態(tài)勢評估系統(tǒng)設(shè)計.北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文,2008

    6 盧宇.下一代電信網(wǎng)風(fēng)險分析系統(tǒng)的研究與實現(xiàn).北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文,2009

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