一種改進的信息網(wǎng)絡安全防御圖模型及生成方法研究

劉 新，任天成，馬 雷，井俊雙

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

目前網(wǎng)絡安全防護技術可分為被動防御技術和主動防御技術。被動防御技術主要通過配置網(wǎng)絡安全策略達到網(wǎng)絡安全保護的目的，如防火墻技術和IDS技術等，然而被動防御技術很難適應網(wǎng)絡中層出不窮的攻擊方法和手段，不能有效保障網(wǎng)絡安全。主動防御技術通過網(wǎng)絡信息收集、態(tài)勢感知、脆弱性分析、風險評估和等級保護等技術手段可對網(wǎng)絡的安全性進行分析，模擬攻擊行為找出攻擊路徑，并依據(jù)分析結果合理設置“適度”主動防御安全體系［1-3］。

Kotenko等人模擬了多 Agent的攻擊方與防御方的攻防博弈，提出實驗環(huán)境下的防御策略［4］。 Chen等人提出一種基于貝葉斯博弈模型的混合防御框架［5］。姜偉等人基于非合作零和博弈理論提出攻防博弈模型［1］。林旺群等人基于非合作、非零和動態(tài)博弈理論提出一種完全信息動態(tài)博弈主動防御模型［2］。

本文面向網(wǎng)絡安全主動防御技術，提出了一種改進的防御圖模型。 通過模擬網(wǎng)絡中的攻擊者，分析攻擊方法和攻擊路徑，建設相應防御策略數(shù)據(jù)庫和等級保護符合性檢驗模塊，構建防御圖并給出安全策略建議等級和保護定級參考。基于貪婪假設、單一性假設和單調(diào)性假設提出主動防御模型和算法，具有更強的適用性，可根據(jù)不同的安全環(huán)境提出

具體安全策略，具有較高的可操作性。

1 主動防御技術

隨著國家對信息安全的重視程度不斷提高，特別是電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)等國家重要信息系統(tǒng)不能夠忍受攻擊事件后的補救措施，因此為了更主動、客觀地對網(wǎng)絡脆弱性進行分析、評估和預判，需要綜合目標網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲、提供的服務、脆弱性及物理鏈接等信息，模擬攻擊場景，提出可能的攻擊路徑。類似主動防御技術有攻擊樹和攻擊圖等。

攻擊樹是一種信息系統(tǒng)安全性描述方法，通過攻擊變化的系統(tǒng)化、形式化描述，對安全攻擊和威脅進行建模。

攻擊樹模型最早由Bruce Schneier在1999年提出，它使得分析者以攻擊者的角度對目標網(wǎng)絡的脆弱性進行分析。攻擊樹模型安全狀態(tài)描述由下及上，葉子節(jié)點表示攻擊者可能采取的攻擊手段，根節(jié)點表示攻擊者的最終目標，葉子節(jié)點與根節(jié)點之間的節(jié)點表示攻擊步驟或節(jié)點安全狀態(tài)，葉子節(jié)點與根節(jié)點之間的通路表示攻擊者達到攻擊目標的完整攻擊路徑，攻擊者可從多條可行路徑中選擇代價較小的路徑，攻擊樹最終狀態(tài)可能是N叉樹。 攻擊樹中存在三種節(jié)點，與節(jié)點、或節(jié)點和順序與節(jié)點。與節(jié)點表示只有攻陷所有子節(jié)點a1，a2，a3后，才能攻陷父節(jié)點b1，即或節(jié)點表示當攻陷子節(jié)點a1，a2，a3中的任意節(jié)點后，可攻陷其父節(jié)點序與節(jié)點表示只有按照一定順序攻陷子節(jié)點 a1，a2，a3后，才能攻陷其父節(jié)點 b1，即（a1→a2→a3）→b1。

攻擊圖是一種基于網(wǎng)絡配置和脆弱性的網(wǎng)絡威脅評估方法，它能夠理清系統(tǒng)內(nèi)各脆性之間的關系，發(fā)現(xiàn)所有可能的攻擊路徑，給出潛在的安全威脅。

攻擊圖可表示為一個四元組，AG=（S，T，SO，Sd），其中，S為信息系統(tǒng)中所有狀態(tài)的集合；T為狀態(tài)轉(zhuǎn)換關系集合；SO為初始狀態(tài)集合；Sd為目標狀態(tài)集合。

目前，攻擊圖的生成方法主要分為三類：基于模型檢測的攻擊圖建模；基于圖論的攻擊圖建模和基于邏輯編程的攻擊圖建模。

基于模型檢測的攻擊圖建模和基于邏輯編程的攻擊圖建模［6-9］需要獲得所有網(wǎng)絡狀態(tài)，因此可能會使模型具有較高的時間或空間復雜性，造成攻擊圖的生成過程復雜，生成規(guī)模較大；基于圖論的攻擊圖建模與其它兩種建模方法具有較小的時間及空間復雜性，但是攻擊圖生成規(guī)模沒有改善，且攻擊模板較單一，不夠靈活。

2 防御圖及算法

被動防御是指在信息系統(tǒng)遭受到攻擊者攻擊并產(chǎn)生較大損失時，才對系統(tǒng)采取安全檢查、安全加固等事后補救措施。入侵檢測系統(tǒng)、安全域及防火墻等安全技術為典型的被動防御安全技術。主動防御是指通過對信息系統(tǒng)的安全狀態(tài)進行分析，在攻擊者未對重要信息系統(tǒng)發(fā)生攻擊或未造成重大損失前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)漏洞［10］，提出積極、主動地安全防御措施。主動防御使信息系統(tǒng)的安全狀態(tài)由被動防御轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃臃烙?，是一種可使信息系統(tǒng)付出很小的代價即可達到較高安全狀態(tài)的技術，主動防御體系如圖1所示。

2.1 防御圖模型

防御圖模型由三部分組成，數(shù)據(jù)預處理模塊、防御圖生成模塊和防御圖分析模塊，見圖2。第一部分，攻擊者首先通過工具或社會工程等方法收集目標網(wǎng)絡的拓撲信息、資產(chǎn)信息、配置文件及系統(tǒng)漏洞等信息。第二部分，利用收集到的信息，攻擊者發(fā)動攻擊，找到一條或多條攻擊路徑，達到攻擊目標。根據(jù)文獻［11］和文獻［12］等標準制定等級保護符合性檢驗模塊，將已收集到的脆弱性對應到五級等級保護的管理和技術子項中，并根據(jù)危害程度給出權值，權值越高，其危害程度越高。第三部分，在第二部分的基礎上分析防御圖，并生成主動防御措施策略和安全等級保護劃分準則文檔。

圖1 主動防御體系

圖2 防御圖模型

2.2 攻擊模板

攻擊模板可描述為六元組Attack-Model=（SrcID，SrcPriv，ConnList，ConnPriv，TargList，AttkLen）。其中，SrcID為攻擊者所在主機的標識，SrcPriv為攻擊者所在主機的權限等級，ConnList為攻擊者所在主機與目標網(wǎng)絡其他主機的連接列表，ConnPriv為ConnList中對應主機的權限等級列表，TargList為攻擊者目標列表，AttkLen為攻擊者設定的最大攻擊路徑長度，從而可有效防止攻擊圖構建過程中出現(xiàn)空間爆炸等情況的發(fā)生。

2.3 攻防模板

攻防模板制定攻擊者進行攻擊和防御者進行防御的規(guī)則。攻擊者利用網(wǎng)絡的脆弱性對網(wǎng)絡中的節(jié)點組件進行攻擊，并獲得一定權限。防御者根據(jù)攻擊者實施的攻擊從數(shù)據(jù)庫中選擇相應的應對措施，提出加固建議。攻防模板體現(xiàn)出攻擊者與防守者在網(wǎng)絡節(jié)點組件的博弈過程。

攻防模板可表述為六元組AD-template=（Atks，AtkPriv，Vuls，Ports，Priv，DefDB）， 其中，Atks為攻擊者所發(fā)動的攻擊，AtkPriv表示攻擊者在攻擊節(jié)點發(fā)動此攻擊所需最低權限，Vuls表示攻擊者所利用的目標節(jié)點的脆弱性，Ports表示攻擊者所利用的端口號如21，、23等，Priv為攻擊者在當前目標節(jié)點上獲得的最低權限，DefDB為與攻擊者所利用的攻擊策略相應的防御策略數(shù)據(jù)庫。

由于攻擊者可能會導致網(wǎng)絡節(jié)點的權限狀態(tài)的變化，本文把網(wǎng)絡節(jié)點的權限狀態(tài)分為四類：無任何權限None，遠程訪問權限Remote access、本地用戶權限 User、根權限 Root。

表1 權限狀態(tài)分類

2.4 防御圖算法

防御圖生成過程同樣可能面對攻擊圖生成過程中面對的時間與空間復雜性問題，并最終導致狀態(tài)爆炸等問題。在我們設定攻擊路徑長度AttkLen的前提下，我們做了以下假設：

假設1 攻擊者是智能且貪婪的，當攻擊者獲得網(wǎng)絡中節(jié)點的漏洞后，攻擊者知道如何利用漏洞進行攻擊且不會重復；

假設2 單一性假設，攻擊者在一個節(jié)點獲得權限提升后，可多次利用此節(jié)點發(fā)動針對不同節(jié)點的攻擊；

假設3 攻擊單調(diào)性假設，我們假設攻擊者不會重復攻擊已經(jīng)被攻陷的節(jié)點（攻擊隊列保障），且攻擊方向只會向著提升節(jié)點權限的方向發(fā)展。

基于已有的攻擊圖產(chǎn)生算法，我們提出基于主機權限的，廣度優(yōu)先的攻擊圖產(chǎn)生算法。

第一步，攻擊者對目標網(wǎng)絡進行脆弱性掃描，收集網(wǎng)絡的脆弱點、拓撲結構、配置文件及被動防御設施等信息；

第二步，分析收集到的信息進行有針對性的攻擊動作；

第三步，當攻擊動作成功后，能夠獲得對當前節(jié)點組件的非授權訪問權利，即提升了攻擊者的權限等級，將此節(jié)點權限加入到攻防模板中的Priv屬性中，并將被攻陷節(jié)點有聯(lián)系的所有節(jié)點加入攻擊隊列中；

第四步，在攻擊路徑長度不超過攻擊者模板設定長度AttkLen的情況下，以當前被攻陷節(jié)點為跳板，對攻擊隊列中與當前節(jié)點有聯(lián)系且具有弱點的節(jié)點進行攻擊；

第五步，重復第二部至第四步，直到達到攻擊目標。

3 實驗

3.1 實驗環(huán)境

攻擊圖實驗環(huán)境拓撲結構如圖3所示。防火墻將內(nèi)外網(wǎng)絡分開，我們設定攻擊者主機為IP0，且攻擊者在此節(jié)點具有Root權限，攻擊目標為IP1的Root權限，攻擊者可分別訪問IP1和IP2節(jié)點且具有遠程訪問權限，IP1和IP2節(jié)點之間可互相訪問；IP1的脆弱性為Ftp.rhost Overwrite和Local Buffer Overflow，IP2的脆弱性為Ftp.rhost Overwrite和 Sshd Buffer overflow。

3.2 構造攻防模板

由攻擊模板、實驗環(huán)境和目標節(jié)點的脆弱性可得攻擊模板和攻防表（見表2）。

AD-template1=（Atk1，Root，F(xiàn)tp.rhost Overwrite，21，User，（Def1，Def2））；

AD-template2=（Atk2，User，Local Buffer Overflow，Local，Root，（Def3））；

AD-template3=（Atk3，Root，Sshd Buffer overflow，22，Root，（Def4，Def5））。

圖3 實驗網(wǎng)絡拓撲環(huán)境

表2 攻防表

3.3 生成防御圖

智能且貪婪性假設可使防御圖生成過程中減少重復性攻擊路徑，簡化防御圖；單一性假設使得攻擊者可利用被攻陷節(jié)點進行發(fā)散性攻擊，較逼真的模擬了現(xiàn)實攻擊場景；單調(diào)性假設可避免攻擊路徑環(huán)路現(xiàn)象，明確攻擊方向，有利于防御圖簡化。根據(jù)本文防御圖算法，并利用Graphviz工具［13］結合主動防御策略數(shù)據(jù)庫生成防御圖，如圖4所示。

狀態(tài)AtkerS0表示攻擊者初始狀態(tài)，S1-S5表示防御圖中攻擊路徑的中間狀態(tài)，S6、S7和S8表示攻擊者達到的攻擊目標，即獲得IP1的Root權限。Def1-Def5為防御圖針對攻擊路徑的攻擊手段，結合防御策略數(shù)據(jù)庫給出的防御策略。

圖4 防御圖

4 結語

在已有防御圖模型的基礎上，提出一種基于假設的新型防御圖模型，并給出生成方法。此模型和方法能夠有效避免安全狀態(tài)爆炸等問題，能夠刪除次要信息，較快生成防御圖；利用等級保護符合性檢驗模塊，能夠?qū)W(wǎng)絡的威脅的嚴重程度給出明確級別，有利于銀行系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等國家重要信息系統(tǒng)的后續(xù)等級保護工作；能夠準確、及時反映網(wǎng)絡安全狀態(tài)，幫助用戶發(fā)現(xiàn)潛在的脆弱性并提出改進策略。但本模型其還需進一步研究大規(guī)模網(wǎng)絡防御圖生成算法，細化和豐富等級保護符合性檢驗模塊。

［1］ 姜偉，方濱興，田志宏，等.基于攻防博弈模型的網(wǎng)絡安全測評和最優(yōu)主動防御［J］.計算機學報，2009，32（4）：817-827.

［2］ 林旺群，王慧，劉家紅，等.基于非合作動態(tài)博弈的網(wǎng)絡安全主動防御技術研究［J］.計算機研究與發(fā)展，2011，48（2），306-316.

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