認(rèn)知計算在網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知中的應(yīng)用研究

肖曉飛 賈 穎

（1.山東工商學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，山東 煙臺 264005；2.山東工商學(xué)院計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)部，山東 煙臺 264005）

1 引言

認(rèn)知計算起源于認(rèn)知科學(xué)和心理學(xué)的分支之一認(rèn)知心理學(xué)，作為認(rèn)知科學(xué)和人工智能領(lǐng)域的基礎(chǔ)，最早由Paul Horn在哈佛大學(xué)的一次演講中首次提出，Paul Horn把自律計算作為一種解決系統(tǒng)復(fù)雜管理問題的手段，認(rèn)為在單機(jī)領(lǐng)域，自律計算具有四個生物自律性質(zhì)，即自保護(hù)、自配置、自優(yōu)化和自恢復(fù)，讓分布式系統(tǒng)具備了嵌入的自適應(yīng)特性，其在單機(jī)層面的成功，無疑把自律計算推向了多機(jī)層面甚至是向網(wǎng)絡(luò)層面延伸。隨后受 Cognitive Radio研究的影響，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的研究提上日程，研究者的目的在于提高對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的認(rèn)知能力以及自動應(yīng)變環(huán)境變化的能力，并將這種認(rèn)知和應(yīng)變擴(kuò)展到有線和無線等同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，甚至延伸到異構(gòu)異質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。認(rèn)知計算也有人稱為“能知可變”，就是在感知外界環(huán)境變化的基礎(chǔ)上自主調(diào)整系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)置，讓系統(tǒng)能夠自動適應(yīng)外界環(huán)境的變化?；诖耍瑖鴥?nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)、軍事集團(tuán)、商業(yè)公司紛紛從 Cognitive Circle、Cognitive Ability、Cross-Layer Design等方面開展研究，以期待能提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。

2 國外認(rèn)知計算的研究現(xiàn)狀

國外，對認(rèn)知計算的研究主要集中在跨層設(shè)計、認(rèn)知環(huán)、自適應(yīng)性等方面。

認(rèn)知計算的跨層設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式作為目前研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，被學(xué)術(shù)界較為廣泛接受。S.Shakkottai等人認(rèn)為跨層設(shè)計可以解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次間信息交互的難題，對后續(xù)研究中基于認(rèn)知計算的系統(tǒng)模型的構(gòu)建提供了理論指導(dǎo)[1]。R.Kennedy提出的 Psiactive Networking，其跨層設(shè)計以網(wǎng)絡(luò)和結(jié)點(diǎn)為中心，利用模糊邏輯推理對多個網(wǎng)絡(luò)層次或平面的信息進(jìn)行融合，并能夠支持高度動態(tài)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)、可預(yù)知和智能化等屬性[2]。MIT的 D.Clark等人以“Knowledge”作為設(shè)計的核心理念，以跨層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將認(rèn)知特性與人工智能結(jié)合，構(gòu)建了基于Internet的具有認(rèn)知能力的結(jié)構(gòu)模型[3]。C.Fortuna等人將跨層設(shè)計分為顯式和隱式兩種類型，指出AI技術(shù)具有適用于認(rèn)知計算的潛在能力[4]。T.Dietterich等人分析了機(jī)器學(xué)習(xí)方法在 Knowledge Plane中的應(yīng)用問題，并研究了參數(shù)選擇、拓?fù)渑渲靡约敖M件選擇等優(yōu)化問題[5]。P.Balamuralidhar等人支持具有認(rèn)知特性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)該能夠感知環(huán)境的變化[6]。M. Razzaque等人針對下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了KPlane，指出僅僅通過跨層結(jié)構(gòu)獲取局部網(wǎng)絡(luò)信息很難實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)范圍內(nèi)的性能優(yōu)化，提出應(yīng)該在解決信息一致性問題的基礎(chǔ)上，從全局和局部兩方面入手解決上下文感知問題可能是不錯的方案[7]。I.Akyildiz等人認(rèn)為跨層設(shè)計是貫穿于下一代認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的主要挑戰(zhàn)之一[8]。

國外對認(rèn)知環(huán)的研究分歧較大，但對認(rèn)知環(huán)的組織結(jié)構(gòu)由觀察、規(guī)劃、決策和執(zhí)行等認(rèn)知部件組成則普遍接受。從目前的研究文獻(xiàn)看，對OODA（Observe-Orient-Decide- Act）環(huán)的設(shè)計和應(yīng)用的研究相對較多。C.Fortuna等人認(rèn)為認(rèn)知環(huán)的組織結(jié)構(gòu)應(yīng)由“覺察，規(guī)劃，決策，執(zhí)行，學(xué)習(xí)，策略”等六個認(rèn)知步驟組成，其設(shè)計目標(biāo)是提升系統(tǒng)的認(rèn)知能力并改善系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性[9]。P.Balamuralidhar等人將環(huán)境感知融入到認(rèn)知環(huán)的設(shè)計中，認(rèn)為認(rèn)知環(huán)的組織結(jié)構(gòu)由“感知、分析、決策、重配置”四個部件組成，更為看重認(rèn)知的環(huán)境適應(yīng)能力和認(rèn)知計算的自適應(yīng)性[10]。R.Thomas等人以O(shè)ODA環(huán)為基礎(chǔ)，將認(rèn)知能力嵌入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計，充分體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的認(rèn)知特性[11]。

對于自適應(yīng)性方面的研究，最近也被學(xué)者和公司所推崇。D. Koulouriotis等人利用模糊認(rèn)知圖研究動態(tài)認(rèn)知計算，構(gòu)建了一個基于網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)模糊推理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)特性[12]。R.Thomas等人以無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性和端到端性能目標(biāo)出發(fā)，提出以跨層設(shè)計為基礎(chǔ)可能更易于實(shí)現(xiàn)認(rèn)知計算的相關(guān)應(yīng)用設(shè)計問題[13]。2000年，美國加州大學(xué)開展了 BNA（Bio-Networking Architecture project）的研究，明確提出了具有擴(kuò)展性、適應(yīng)性和生存性的系統(tǒng)架構(gòu)[48]。2006年，歐盟開始部署第六框架計劃，其目的是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)一種動態(tài)自適應(yīng)能力的認(rèn)知計算框架[14]。摩托羅拉公司于2006年提出了 Foundation Observation Compare Act Learning Environment的認(rèn)知計算框架模型，在其模型中融入了環(huán)境感知特性，可以根據(jù)用戶需求自適應(yīng)的改變策略[15]。2008，歐盟對第七框架計劃(FP7)進(jìn)行部署，其核心功能是結(jié)合反饋控制環(huán)結(jié)構(gòu)，探索具有認(rèn)知、自適應(yīng)和自管理的新方法[16]。

3 國內(nèi)認(rèn)知計算的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對認(rèn)知計算的研究，由于起步較晚，所以僅僅在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)保障等方面做了少量的嘗試。在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，主要以學(xué)者的研究為主。2006年，李春江等利用網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源備份服務(wù)器系統(tǒng)的設(shè)計，基本具備了自律計算的“四自”特性[17]。馮光升等利用認(rèn)知計算的主動特性，解決用戶服務(wù)質(zhì)量水平的動態(tài)自配置問題[18]。王慧強(qiáng)等提出了一種關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)可信性模型，具備一定程度的自管理能力，并可明顯的提升系統(tǒng)的可信性[19]。臧鋮等從管理工作的復(fù)雜性入手，實(shí)現(xiàn)自配置、自恢復(fù)、自優(yōu)化和自保護(hù)等諸多屬性，其研究內(nèi)容也體現(xiàn)了認(rèn)知計算的“四自”特性[20]。羅軍舟指出具備跨層交互能力的可信接口層是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可信可控的關(guān)鍵[21]。張宏科和林闖也對下一代網(wǎng)絡(luò)從可信可控的角度進(jìn)行了研究[22][23]。

4 網(wǎng)絡(luò)安全性與認(rèn)知計算的融合

認(rèn)知計算與網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知的結(jié)合是當(dāng)前新的研究方向，很少有直接的研究論文發(fā)表，認(rèn)知計算在解決系統(tǒng)的安全性問題方面已經(jīng)初現(xiàn)端倪，并且呈現(xiàn)出較強(qiáng)的生命了，昭示了其良好的發(fā)展?jié)摿Α鴥?nèi)外對這方面的研究已經(jīng)取得部分成果。美國和歐盟紛紛開展其研究計劃，如Future Internet Network Design、Global Environment for Network Innovation、Future Internet Research and Experimentation等[24]，在設(shè)計理念方面，基本上都是在體系結(jié)構(gòu)中融合認(rèn)知特性，以安全性作為系統(tǒng)的共性需求。B.Shepard等人提出了一種基于不完全認(rèn)知環(huán)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是利用認(rèn)知特性增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性[25]。IEEE成員S.Noh采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對戰(zhàn)場攻擊行為進(jìn)行威脅建模，并利用此模型完成對軍事戰(zhàn)場空間敵方行為的實(shí)時發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對戰(zhàn)場空間的感知[26]。沈昌祥院士認(rèn)為可信為安全與可靠，提出了利用可信計算增強(qiáng)信息系統(tǒng)安全機(jī)制的問題，為運(yùn)用認(rèn)知計算解決網(wǎng)絡(luò)安全問題提供了借鑒[27]。殷建平等提出了包含數(shù)據(jù)層、信息層和知識層的攻擊分層認(rèn)知模型，實(shí)現(xiàn)了對攻擊步驟、攻擊行為和攻擊過程的認(rèn)知，并描述了攻擊分層認(rèn)知模型在安全態(tài)勢感知系統(tǒng)中的使用流程[28]。

5 基于多MACDE環(huán)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢認(rèn)知計算模型

根據(jù)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)劃分方式和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，考慮到盡可能兼容或者適用下一代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知模型時，需屏蔽異構(gòu)、異質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)資源，具有融合性、可擴(kuò)展性和低耦合性，結(jié)合認(rèn)知計算的組織結(jié)構(gòu)形式，在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中插入檢測（Monitor）、感知（Awareness）、計算（Calculate）、決策（Decide）和執(zhí)行（Execute）等組件組成MACDE認(rèn)知環(huán)，如圖1所示，形成封閉式自反饋控制的多環(huán)結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)跨層設(shè)計的原則，解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中層間信息交流障礙的問題，從而完全發(fā)揮安全態(tài)勢感知的技術(shù)優(yōu)勢。

在基于 MACDE認(rèn)知環(huán)的模型的基礎(chǔ)上，要選擇合理的形式化語言進(jìn)行描述?？梢园焉厦娴陌踩珣B(tài)勢感知認(rèn)知計算模型抽象為網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知層、服務(wù)認(rèn)知層、應(yīng)用認(rèn)知層三個層次和多層的五元組結(jié)構(gòu)。采用基于性能評估進(jìn)程代數(shù)的方式進(jìn)行形式化表征，對層間信息的傳遞與服務(wù)請求進(jìn)行抽象，完成對跨層結(jié)構(gòu)的認(rèn)知過程的抽象。然后利用連續(xù)空間狀態(tài)近似的方式對基于性能評估進(jìn)程代數(shù)的形式化表征模型進(jìn)行向量化處理，轉(zhuǎn)化為固定數(shù)量的常微分方程組，將外部全局目標(biāo)需求轉(zhuǎn)化為內(nèi)部認(rèn)知計算模型的感知、計算、決策問題，以解決傳統(tǒng)馬爾科夫鏈算法分析求解過程中遇到的狀態(tài)空間爆炸問題。

因此，由于認(rèn)知計算本身所具有的特性，將認(rèn)知計算融入網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知的研究，將認(rèn)知特性引入安全模型的設(shè)計和應(yīng)用中，與當(dāng)前異構(gòu)、異質(zhì)、有線及無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行兼容，可以解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域所面臨的問題，也為將來網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的研究提供一種新視角。

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