一種防火墻安全策略沖突檢測方法*

李 鐳，余興華，羅淑丹

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和壯大，網(wǎng)絡(luò)安全問題成為現(xiàn)代信息安全所要解決的主要問題[1]。針對不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，防火墻策略的配置不僅越來越復(fù)雜，而且多域間各策略之間的沖突時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響安全策略的執(zhí)行效率。因此，如何保證不同安全域之間的防火墻策略的一致性，以及同一安全域內(nèi)安全策略的一致性，成為防火墻安全策略配置的關(guān)鍵[2]。針對當(dāng)前大部分安全策略沖突檢測與消解算法缺少靈活性、擴(kuò)展性等缺點(diǎn)[3-4]，本文首先定義了不同防火墻策略之間的關(guān)系和沖突類型，并在此基礎(chǔ)上給出了基于策略的沖突分類描述，最后給出了防火墻沖突檢測算法。

1 相關(guān)工作

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對策略沖突檢測與消解作了大量研究：一是基于IETF策略核心信息模型的關(guān)于管理策略的沖突檢測，主要代表為美國IBM公司研究員Dinesh Verma提出的多維空間思想和意大利都靈大學(xué)提出的代數(shù)方法；二是關(guān)于安全策略的沖突檢測，主要有澳大利亞Queenland大學(xué)提出的基于邏輯描述語言的沖突檢測方法[3]和英國Imperial College的Lupu等人在面向?qū)ο蟮牟呗员硎菊Z言ponder[5]和基于策略的分布系統(tǒng)管理框架的基礎(chǔ)上提出的基于角色的訪問控制方法等。

2 防火墻策略之間的關(guān)系

通過比較防火墻安全策略之間的關(guān)系，定義兩個(gè)安全策略Rx和Ry之間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 安全策略間的關(guān)系

精確匹配：如果安全策略Rx中的所有策略項(xiàng)都與安全策略Ry中相應(yīng)策略項(xiàng)的值相等，那么Rx和Ry精確匹配。

包含匹配：如果安全策略Rx和安全策略Ry不是完全匹配，且Rx的每個(gè)策略項(xiàng)的值都是Ry對應(yīng)的策略項(xiàng)的值的子集或者相等，那么Rx和Ry是包含匹配。

完全無關(guān)：如果安全策略Rx中的所有策略項(xiàng)都與安全策略Ry中相應(yīng)策略項(xiàng)的值不相等，也不存在子集或者超集的關(guān)系，那么Rx和Ry完全無關(guān)。

部分匹配：如果安全策略Rx至少有一個(gè)策略項(xiàng)的值與安全策略Ry中相應(yīng)策略項(xiàng)的值相等，或者存在子集、超級關(guān)系，且至少有一個(gè)策略項(xiàng)的值與安全策略Ry中相應(yīng)策略項(xiàng)的值不相等，也不存在子集、超級關(guān)系，那么Rx和Ry部分匹配。

關(guān)聯(lián)關(guān)系：如果安全策略Rx存在一些策略項(xiàng)的值是安全策略Ry對應(yīng)策略項(xiàng)的子集或相等，且Rx其他策略項(xiàng)的值是Ry對應(yīng)策略項(xiàng)的值超集，那么Rx和Ry是關(guān)聯(lián)的。

3 防火墻安全策略的表示

使用一棵樹來表示安全策略集，這棵樹叫做策略樹。策略樹能夠形象表示安全策略，而且根據(jù)安全策略在樹中的分布易發(fā)現(xiàn)安全策略之間的關(guān)系。策略樹中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示安全策略中的一個(gè)策略項(xiàng)，節(jié)點(diǎn)上的每個(gè)分支表示這個(gè)策略項(xiàng)的一個(gè)值，具有相同值的安全策略共享一個(gè)分支。策略樹的一條路徑就表示一條安全策略。

將安全策略集合中的安全策略順序依次插入到樹中，最終可構(gòu)建安全策略樹。插入一條安全策略時(shí)，分別比較安全策略的各個(gè)策略項(xiàng)。通過策略項(xiàng)值的關(guān)系，決定將安全策略插入已存在的分支還是創(chuàng)建新的分支。在一個(gè)特定的策略項(xiàng)時(shí)，如果一個(gè)分支的值完全匹配安全策略的策略項(xiàng)值，那么就將安全策略插入這個(gè)分支；否則，就要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的分支，分支的值為安全策略的策略項(xiàng)值，然后將安全策略插入新的分支。此外，為了保留安全策略之間的關(guān)系，如果安全策略的策略項(xiàng)值與分支的值存在子集或者超集關(guān)系，也需要將安全策略插入到這個(gè)分支中。

4 域內(nèi)安全策略沖突分類及檢測

通過比較同一安全域內(nèi)安全策略的關(guān)系和安全策略的動(dòng)作，定義安全策略間存在以下幾種沖突。

覆蓋沖突：安全策略Rx在安全策略Ry的后面，而Rx子集包含匹配Ry或Rx精確匹配Ry，且Rx的動(dòng)作與Ry不同，那么就說Rx被Ry覆蓋。覆蓋沖突是一個(gè)嚴(yán)重錯(cuò)誤，因?yàn)楸桓采w的安全策略永遠(yuǎn)不起作用。

關(guān)聯(lián)沖突：安全策略Rx和安全策略Ry是關(guān)聯(lián)的，且動(dòng)作不同，那么Rx和Ry存在關(guān)聯(lián)沖突。關(guān)聯(lián)沖突不是一個(gè)錯(cuò)誤，但是需要提示管理員注意到安全策略之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

冗余沖突：安全策略Rx在安全策略Ry的后面，而Rx子集包含匹配Ry或Rx精確匹配Ry，且Rx的動(dòng)作和Ry相同，那么Rx就是Ry的冗余。冗余的安全策略不會(huì)起到任何作用，但是冗余安全策略的存在，會(huì)降低策略匹配效率。因此，冗余沖突是一個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤，管理員需要發(fā)現(xiàn)冗余的安全策略，并將其刪除。

泛化沖突：安全策略Rx在安全策略Ry的后面，Rx超集包含匹配Ry，且Rx和Ry的動(dòng)作不同，那么Rx就是Ry的泛化。泛化沖突不是一個(gè)錯(cuò)誤，但是不能調(diào)換具有泛化沖突的安全策略，否則會(huì)改變其語義。因此，在插入一條安全策略時(shí)，有必要將泛化沖突提示管理員，然后讓管理員確認(rèn)。

不相關(guān)異常：如果一條安全策略的條件永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生，則該安全策略具備不相關(guān)異常。

下面將說明如何進(jìn)行策略間的沖突檢測。檢測安全策略之間存在沖突的基本思想在于，判斷兩條安全策略在策略樹中的路徑是否一致。如果新插入的安全策略的路徑和先前插入的安全策略的路徑一致，那么這兩條安全策略很可能存在沖突。如果這兩條安全策略的路徑不一致，那么它們完全不相關(guān)，也不存在沖突?？墒褂脿顟B(tài)圖表示沖突檢測的過程，如圖2所示。

圖2 域內(nèi)策略沖突檢測過程

開始時(shí)，假設(shè)兩條安全策略沒有任何關(guān)系。首先比較協(xié)議策略項(xiàng)，有4種結(jié)果，分別為相等、子集、超集和不相等.所以，從初始狀態(tài)0分別進(jìn)入狀態(tài)1、2、3和10。其次，比較src策略項(xiàng)。src的比較同樣有4種結(jié)果，分別為相等、子集、超集和不相等，狀態(tài)進(jìn)入4、5、6、7和10。再次，比較dst策略項(xiàng)，狀態(tài)分別進(jìn)入7、8、9和10。最后，比較動(dòng)作策略項(xiàng)，狀態(tài)進(jìn)入終態(tài)10、11、12、13和14。

對于安全策略Rx和Ry，Rx在Ry的后面，和Ry之間的沖突類型主要基于以下的比較結(jié)果：

（1）如果Rx中的每個(gè)策略項(xiàng)都是Ry相應(yīng)的Rx策略項(xiàng)的子集或者相等（狀態(tài)8），當(dāng)它們的動(dòng)作相同時(shí)，Rx是Ry的冗余（狀態(tài)12）；當(dāng)它們的動(dòng)作不同時(shí)，Rx被Ry覆蓋（狀態(tài)11）。冗余的序列有0-1-4-8-12、0-1-5-8-12和0-2-5-8-12，覆蓋的序列有0-1-4-8-11、0-1-5-8-11和0-2-5-8-11。

（2）如果Rx中的每個(gè)策略項(xiàng)都是Ry相應(yīng)的策略項(xiàng)的超集或者相等（狀態(tài)9），當(dāng)它們的動(dòng)作相同時(shí)，Ry是Rx的冗余（狀態(tài)12）；當(dāng)它們的動(dòng)作不同時(shí)，Rx是Ry的泛化（狀態(tài)13）。冗余的序列有0-1-4-6-9-12、0-1-6-9-12和0-3-6-9-12。泛化的序列有0-1-4-6-9-13、0-l-6-9-13和0-3-6-9-13。

（3）如果Rx有些策略項(xiàng)是Ry對應(yīng)的策略項(xiàng)的子集或者相等，而其他的策略項(xiàng)是Ry對應(yīng)的策略項(xiàng)的超集（狀態(tài)7），那么Rx和Ry存在關(guān)聯(lián)（狀態(tài)17）。這樣的序列有0-1-5-7-14、0-1-6-7-14、0-2-5-7-14、0-2-6-7-14、0-3-6-7-14和0-3-7-14。

（4）如果Rx中的一些策略項(xiàng)與Ry中對應(yīng)的策略項(xiàng)既不相等也不存在子集或者超集關(guān)系，那么Rx和Ry是不相關(guān)的（狀態(tài)10）。這樣的序列有0-10、0-1-10、0-2-10、0-3-10、0-1-4-10、0-l-5-10、0-l-6-10、0-2-5-10、0-2-7-10、0-3-6-10和0-3-7-10。

5 域間安全策略沖突分類及檢測

如圖3所示，假設(shè)數(shù)據(jù)從安全域Dx流向安全域Dy，在這兩個(gè)安全域間，部署了多個(gè)訪問控制類安全設(shè)備。沿著數(shù)據(jù)流向，稱前面的安全設(shè)備為上游安全設(shè)備，后面的為下游安全設(shè)備，緊臨安全域Dx的安全設(shè)備為最上游安全設(shè)備，緊臨安全域Dy的安全設(shè)備為最下游安全設(shè)備。從圖3可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)從安全域Dx流向安全域Dy時(shí)，滿足以下條件之一時(shí)，沖突就會(huì)發(fā)生：

（1）最下游安全設(shè)備允許了被任何上游安全設(shè)備阻止的數(shù)據(jù)；

（2）最上游安全設(shè)備允許了被任何下游安全設(shè)備阻止的數(shù)據(jù)；

（3）下游安全設(shè)備拒絕了已經(jīng)被上游安全設(shè)備阻止的數(shù)據(jù)。

圖3 安全設(shè)備隔開的安全域Dx和Dy

圖3中，假設(shè)Ru為最上游安全設(shè)備Secx的策略，Rd為最下游安全設(shè)備Secy的策略，并且假設(shè)個(gè)安全設(shè)備內(nèi)部已經(jīng)不存在策略沖突和冗余。通過比較安全域間安全策略的關(guān)系以及安全策略的動(dòng)作，我們定義安全策略間存在以下幾種沖突：

覆蓋沖突：如果上游安全設(shè)備阻止了下游安全設(shè)備允許的數(shù)據(jù)，則發(fā)生了覆蓋沖突。如果滿足以下條件之一，則稱Ru被Rd覆蓋：Rd精確匹配Ru，且Ru動(dòng)作為阻止，Rd動(dòng)作為允許；Ru包含匹配Rd，且Ru動(dòng)作為阻止，Rd動(dòng)作為允許；Rd包含匹配Ru，且Ru動(dòng)作為阻止，Rd動(dòng)作為允許；

假性沖突：如果上游安全設(shè)備允許了下游安全設(shè)備阻止的數(shù)據(jù)，則發(fā)生了假性沖突。如果滿足以下條件之一，則稱Ru間Rd存在假性沖突：Rd精確匹配Ru，且Ru動(dòng)作為允許，Rd動(dòng)作為阻止；Rd包含匹配Ru，且Ru動(dòng)作為允許，Rd動(dòng)作為阻止；Ru包含匹配Rd，且Ru動(dòng)作為允許，Rd動(dòng)作為阻止；

冗余沖突：如果下游安全設(shè)備阻止了被上游安全設(shè)備阻止的數(shù)據(jù)，則發(fā)生了冗余沖突。如果滿足以下條件之一，則稱Ru間Rd存在冗余沖突：Rd精確匹配Ru，且Ru動(dòng)作為阻止，Rd動(dòng)作為阻止；Ru包含匹配Rd，且Ru動(dòng)作為阻止，Rd動(dòng)作為阻止。

關(guān)聯(lián)沖突：關(guān)聯(lián)沖突往往由上游安全設(shè)備和下游安全設(shè)備的兩條關(guān)聯(lián)規(guī)則引起。如果滿足以下條件之一，則稱Ru間Rd存在關(guān)聯(lián)沖突：Ru與Rd關(guān)聯(lián)，且Ru動(dòng)作為允許，Rd動(dòng)作為阻止；Ru與Rd關(guān)聯(lián)，且Ru動(dòng)作為阻止，Rd動(dòng)作為允許。

下面說明如何進(jìn)行策略間的沖突檢測。使用狀態(tài)圖來表示沖突檢測的過程，如圖4所示。

開始時(shí)，假設(shè)Ru和Rd安全策略沒有任何關(guān)系。按照協(xié)議、策略源、策略目的的順序依次比較Ru和Rd的各個(gè)策略項(xiàng)，經(jīng)過上述比較，可以確定兩條策略間的關(guān)系和存在的沖突類型。例如，如果Rd包含匹配Ru（狀態(tài)10），且Rd的動(dòng)作為允許，則Rd被Ru部分覆蓋（狀態(tài)11），或當(dāng)Rd的動(dòng)作為阻止時(shí)，Ru和R存在假性沖突（狀態(tài)12）。

6 結(jié) 語

防火墻安全策略沖突檢測，直接影響分布式網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率和安全管理效率。本文在研究防火墻安全策略之間關(guān)系和沖突類型的形式化定義基礎(chǔ)上，提出了一種防火墻安全策略沖突檢測的方法，能夠較好地解決防火墻安全策略的沖突檢測問題。后續(xù)的工作主要有兩方面，一是沖突檢測算法的進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)現(xiàn)及性能提升，二是研究防火墻安全策略沖突的消除方法。

圖4 域間策略沖突檢測過程

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