基于攻擊圖和模糊綜合分析的網(wǎng)絡(luò)威脅評估

羅運來 常曉林

摘? ?要：隨著新安全漏洞不斷涌現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)攻擊手段日趨自動化和智能化、攻擊場景越來越多樣化、攻擊頻率和規(guī)模不斷增大，網(wǎng)絡(luò)安全形勢日益嚴峻，基于網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知的主動防御機制，彰顯著提高網(wǎng)絡(luò)安全的能力。文章提出了一種基于攻擊圖和模糊綜合分析的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)威脅評估方法，首先結(jié)合通用漏洞評分，利用分層分析和模糊綜合分析方法，實現(xiàn)對漏洞可利用性的量化，然后利用攻擊圖技術(shù)描述漏洞間的關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)威脅評估。實驗結(jié)果表明，所提出的方法可以有效地量化漏洞可利用性和評估網(wǎng)絡(luò)威脅。

關(guān)鍵詞：威脅評估;攻擊圖;模糊綜合分析;量化分析

中圖分類號： TP309.08? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： With the continuous emergence of new vulnerabilities， the increasing automatization and intelligence of network attack tricks and the diversification of network attack scenarios， the network security situation has become increasingly serious. The proactive defense mechanism based on network security situational awareness demonstrates the capability to im-prove the network security. This paper proposed a method for network dynamic threat assessment based on attack graph and fuzzy comprehensive evaluation. First， we used analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation to quantify the vulnerabilities exploitability combined with the Common Vulnerability Scoring System （CVSS）. Then we ap-ply attack graph technology to describe the correlation between vulnerabilities and describe state transition probability. Finally， we assess the network threats. Experimental results show that the proposed method can effectively quantify the vulnerabilities exploitability and assess network threats.

Key words： threat assessment; attack graph; fuzzy comprehensive evaluation; quantitative analysis

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展極大地推動了全球信息化進程，然而其背后的網(wǎng)絡(luò)安全形勢也日益嚴峻。近年來，網(wǎng)絡(luò)安全事件層出不窮，一系列網(wǎng)絡(luò)攻擊事件在全球爆發(fā)，例如2019年出現(xiàn)了持續(xù)2個月的近Tb級攻擊;2019年10月，烏克蘭外交官、政府和軍事官員以及執(zhí)法部門人員，遭遇APT組織Gamaredon武器化文件定向打擊;2019年11月，印度獨立網(wǎng)絡(luò)核電站遭遇APT攻擊;2019年12月，中東工業(yè)和能源行業(yè)受到伊朗APT34（Oilrig）惡意軟件的“摧毀型”攻擊。攻擊者能夠成功實施攻擊，離不開對各種安全漏洞的熟練利用[1，2]。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件以及通信協(xié)議等都存在大量漏洞，且隨著每天新增的軟件數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大，每天新增的漏洞數(shù)量也不容忽視。網(wǎng)絡(luò)安全是新基建的重要內(nèi)涵，也是數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的重要基石;從互聯(lián)網(wǎng)到工業(yè)系統(tǒng)、通信、金融、醫(yī)療等各大領(lǐng)域，從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)到云計算、邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)、SDN等新架構(gòu)和新技術(shù)，安全漏洞無處不在，網(wǎng)絡(luò)安全問題日益突出，漏洞威脅評估是網(wǎng)絡(luò)安全防護的重要環(huán)節(jié)。

通用漏洞評分系統(tǒng)[3]（Common Vulnerability Scoring System ， CVSS）是一種常用的評估漏洞威脅程度的方法，它提供了對漏洞威脅多維度的評估標準，如漏洞攻擊復(fù)雜性、漏洞對系統(tǒng)的影響、漏洞利用的橙色度等，研究人員可以直接或間接利用評分對漏洞威脅進行有效的評估[4，5]。通過對漏洞CVSS評分或者漏洞掃描等工具采集的信息進行分析，可以明確網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)，但是攻擊者在對網(wǎng)絡(luò)進行攻擊時，常采用更持久、更復(fù)雜的多步攻擊，前一步的攻擊通常是下一步攻擊的基礎(chǔ)，應(yīng)對這種類型的攻擊需要了解攻擊者攻擊的動向。

攻擊圖在應(yīng)對多步攻擊上有其特有優(yōu)勢。攻擊圖能夠以圖的方式，將攻擊者攻擊的步驟以及對漏洞的利用情況展示出來，這樣一方面有利于防御方了解攻擊者的攻擊路徑，可以有效地找出關(guān)鍵節(jié)點以及脆弱節(jié)點，另一方面防御方可以推斷攻擊者后續(xù)的攻擊目標，以便提前制定相應(yīng)的防御措施，適時打斷攻擊者攻擊的進程。攻擊圖在生成和分析方面已經(jīng)日漸成熟，利用攻擊圖進行威脅評估也取得了一定的研究成果，但是在攻擊圖的基礎(chǔ)上進行更準確的威脅評估，仍然需要繼續(xù)做更深入的研究。

2? 相關(guān)工作

目前對于網(wǎng)絡(luò)威脅評估方法主要有攻擊樹、攻擊圖、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及層次分析方法等方法[6-8]。攻擊圖是一種利用圖的結(jié)構(gòu)構(gòu)建模型的方法，可以幫助防御方找到攻擊路徑，為后續(xù)進一步采取防御措施提供支持。這種方法將網(wǎng)絡(luò)中的所有可能的漏洞視為圖的節(jié)點，將攻擊者對漏洞的利用情況表示為網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，將網(wǎng)絡(luò)攻擊轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化問題。Zou等人[9]提出了一種基于攻擊圖的工業(yè)控制系統(tǒng)風(fēng)險評估方法，建立工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)攻擊圖模型，并引入原子攻擊概率計算方法。Lin等人[10]為了有效地預(yù)測攻擊行為并量化網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)，提出了一種基于大數(shù)據(jù)和貝葉斯攻擊圖的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)安全評估方法，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)融合網(wǎng)絡(luò)安全因素，然后使用漏洞預(yù)測算法實時預(yù)測未來的漏洞數(shù)量，最后將新漏洞與貝葉斯攻擊圖結(jié)合來推斷攻擊者的后續(xù)攻擊行為，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)的量化。但是，該方法較為依賴專家經(jīng)驗，且對CVSS評分的量化程度比較低。

基于模糊綜合分析的漏洞威脅評估方法，是在CVSS評分的基礎(chǔ)上，針對已知的漏洞，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)漏洞威脅的評分和威脅等級劃分。對模糊綜合分析方法的研究主要集中在對指標權(quán)重和模糊關(guān)系矩陣的求解上。Su等人[11]提出了一種基于層次分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅評估方法，采用層次分析法對資產(chǎn)價值進行賦值，并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對風(fēng)險矩陣法進行了改造。Anikin等人[12]針對電信網(wǎng)絡(luò)中的安全問題，提出了一種基于模糊邏輯的漏洞風(fēng)險評估的方法，該方法是在CVSS評分的基礎(chǔ)上，對漏洞風(fēng)險進行定量評分。但是，這種方法只是對單個漏洞的風(fēng)險進行評估，而沒有考慮到該漏洞所在的實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。Khokhlov等人[13]研究了通信網(wǎng)絡(luò)中的漏洞風(fēng)險評估技術(shù)，提出使用基于模糊邏輯和圖論的方法來對網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)險建模，這種方法可以對漏洞進行有效評估，但是，基于模糊邏輯和圖論是單獨的評估方法，沒有對模糊邏輯和圖論進行有效聯(lián)合運用。

現(xiàn)有研究成果對漏洞量化程度低以及沒有考慮到漏洞所在環(huán)境狀態(tài)，針對這類問題，本文提出將攻擊圖和模糊綜合分析方法進行有效結(jié)合，實現(xiàn)漏洞風(fēng)險的有效評估。利用攻擊圖，可以展示漏洞之間的利用情況以及對漏洞利用轉(zhuǎn)移概率進行計算;利用綜合分析方法，實現(xiàn)對漏洞威脅指標的量化。

3? 對抗攻擊

主要介紹基于攻擊圖和模糊綜合分析的網(wǎng)絡(luò)威脅評估。這種評估方法用到CVSS中攻擊向量AV、攻擊復(fù)雜度AC等七個指標，如表1所示。

3.1? 基于攻擊圖的動態(tài)評估方法

攻擊者在對網(wǎng)絡(luò)目標發(fā)起攻擊時，是逐步利用網(wǎng)絡(luò)中的漏洞實現(xiàn)的，當前對漏洞的利用可能成為下一步攻擊的基礎(chǔ)。本文用“與”“或”“平行”三種關(guān)系來描述漏洞利用之間的關(guān)聯(lián)性。如圖1所示，對漏洞來說，如果漏洞或者漏洞被攻擊者利用后，那么漏洞就可能被攻擊者利用，這是“或”關(guān)系;對漏洞來說，只有漏洞被利用且漏洞也被攻擊者利用，那么漏洞才可能被攻擊者利用，這是“與”關(guān)系?！芭c”“或”關(guān)系描述了漏洞利用的前后續(xù)節(jié)點間的關(guān)系。為了描述攻擊者在攻擊過程中切換攻擊路徑的情況，引入了“平行”關(guān)系。假設(shè)攻擊者當前在漏洞的位置，那么攻擊者也可能遷移到漏洞或者漏洞上，、、之間的利用關(guān)系就是“平行”關(guān)系。

表示漏洞的可利用性。攻擊者成功攻擊某一漏洞后，將以一定概率選擇下一個攻擊漏洞，公式（1）給出了的計算方法：

與是否存在平行節(jié)點有關(guān)，取值為0或1;與攻擊者切換攻擊路徑的可能性有關(guān)?？紤]到漏洞所在的環(huán)境，在原有的基礎(chǔ)上，重新計算漏洞的可用性：

如公式（1）和（2）所示，在攻擊圖中，當漏洞是漏洞的后續(xù)節(jié)點時，漏洞利用間的轉(zhuǎn)移概率與漏洞可利用性概率和選擇漏洞的可能性有關(guān)。表示選擇漏洞進行攻擊的概率。當漏洞和漏洞是“平行”利用的關(guān)系時，此時的轉(zhuǎn)移概率和攻擊者切換路徑的可能性以及漏洞前序節(jié)點到漏洞的轉(zhuǎn)移概率有關(guān)。

攻擊者通過利用網(wǎng)絡(luò)中的漏洞發(fā)起攻擊時，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)將會發(fā)生變化。為了描述系統(tǒng)的狀態(tài)以及變化情況，本文定義以下幾個變量。

表示系統(tǒng)的狀態(tài)，通過攻擊者對漏洞的利用情況來表示，，表示漏洞，表示該網(wǎng)絡(luò)中存在的漏洞的個數(shù)，有0和1兩種取值，0表示該漏洞還未被攻擊者利用，1表示攻擊者正在利用該漏洞。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)有三個漏洞，只有 漏洞被攻擊者利用，在攻擊者每一步最多可以成功利用一個漏洞的情況下，此時的狀態(tài)為。假設(shè)系統(tǒng)當前的狀態(tài)表示為，下一時刻系統(tǒng)的狀態(tài)。

由于攻擊者的參與，一個節(jié)點被攻擊者利用后，系統(tǒng)狀態(tài)會變化，所以對漏洞的利用情況將會更新：

和分別表示了一個漏洞被利用后，對其后序或者前序節(jié)點的影響。表示漏洞的威脅值，是隨著漏洞所在的環(huán)境以及攻擊者攻擊的進程而變化的變量，與系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率以及漏洞被攻擊者利用后對系統(tǒng)機密性、完整性和可用性的影響有關(guān)：

3.2? 基于模糊邏輯的可利用性評估

會影響后續(xù)對系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的計算，本節(jié)描述如何利用模糊綜合分析方法對進行量化。首先利用層次分析法，分析攻擊向量AV、攻擊復(fù)雜度AC、權(quán)限需求PR、用戶交互UI這四個指標的重要程度，得到判斷矩陣A：

通過對矩陣A進行計算得到權(quán)向量w=[0.3509，0.3509，0.1091，1891]，并且滿足一致性檢驗。將漏洞可利用性分為{低（Low），中（Medium），高（High）}三個級別，分別對應(yīng)的取值為L={1，2，3}，對上述四個指標進行量化。

一是利用公式（8）對攻擊向量AV、權(quán)限需求PR進行量化：

其中，[a，b，c，d]參數(shù)取值分別為[0.22，0.1，0.55，0.15]、[0.22，0.1，0.62，0.2]。攻擊向量AV的隸屬函數(shù)圖形如圖2所示。

二是利用公式（9）對攻擊向量AC、用戶交互UI進行量化。其中，[a，b，c，d]參數(shù)取值分別為[0.22，0.44，0.85，0.15]、[0.31，0.62，0.9，0.15]。攻擊向量AC的隸屬函數(shù)圖形如所圖3示。

通過公式（8）和（9）可以得到模糊關(guān)系矩陣M：

綜合評估指標B的計算公式為，根據(jù)最大隸屬度原則，漏洞單獨的可利用性表示為：

結(jié)合攻擊圖，對漏洞可利用性進行評估得到漏洞初始可利用性：

為了與CVSS評分進行對比，用來表示直接使用CVSS評分后的結(jié)果：

4? 實驗分析

實驗的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，在DMZ中有2臺服務(wù)器，局域網(wǎng)中有網(wǎng)關(guān)和本地主機。漏洞的描述信息如表2所示，攻擊圖如圖5所示。

以漏洞CVE-2010-4344為例，利用上文中的方法通過對CVSS指標中的AV、AC、PR、UI進行計算可以得到該漏洞的模糊關(guān)系矩陣M：

將M與權(quán)重進行計算可以得到基于模糊綜合分析的可利用性評分，再在攻擊圖的基礎(chǔ)上進行評估，得到基于攻擊圖的評分。當系統(tǒng)處于初始狀態(tài)時，可由上文中的公式計算出基于CVSS的可利用性以及系統(tǒng)初始狀態(tài)威脅值，如表3所示。

從圖6可以看出、以及三種評分的變化趨勢。對比可以發(fā)現(xiàn)，H1主機上的漏洞的CVSS評分較高，經(jīng)過模糊綜合和攻擊圖的分析，該漏洞可利用性評分降低。對于H3主機上的漏洞，由于H3處在關(guān)鍵節(jié)點上，可利用性評分大于。

假設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)沿著漏洞被利用的過程H1->H2->H3->H4變化，那么系統(tǒng)在每一個時刻的威脅值如表4所示。如在t=1時刻，H1主機上的CVE-2010-4344漏洞被攻擊者利用，攻擊者行動導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)變化，此時該漏洞利用的轉(zhuǎn)移概率將更新。

從圖7可以看到，隨著攻擊者攻擊的進程變化，系統(tǒng)的威脅值也在增加，其中在t=3時刻，當H3節(jié)點上的漏洞被攻擊者利用后，下一時刻攻擊者很可能轉(zhuǎn)移到H4節(jié)點上，所以t=3時刻，H4的風(fēng)險值明顯增大。

5? 結(jié)束語

本文提出了基于攻擊圖和模糊綜合的漏洞威脅評估方法。攻擊圖技術(shù)可以可視化攻擊者攻擊時漏洞利用的步驟，模糊綜合分析可以彌補通用漏洞評分系統(tǒng)評分的缺陷，從而對漏洞威脅評分進行有效量化。這種評估方法首先引入攻擊圖和CVSS評分系統(tǒng)，考慮漏洞所在的環(huán)境，通過層次分析和模糊綜合分析方法，評估攻擊復(fù)雜度、攻擊向量、權(quán)限要求和用戶交互這四個指標的權(quán)重并計算模糊關(guān)系矩陣，進而評估漏洞的可利用性。利用攻擊圖可以將攻擊者攻擊的進程轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)狀態(tài)的變化問題，漏洞的可利用性可用來計算系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，實現(xiàn)對系統(tǒng)漏洞威脅的評估。實驗表明，這種方法能夠有效評估漏洞的可利用性和威脅性，反映網(wǎng)絡(luò)漏洞對系統(tǒng)的影響，可以為后續(xù)的安全防御決策提供支持。

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作者簡介：

羅運來（1993-），女，苗族，貴州銅仁人，北京交通大學(xué)，在讀碩士;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)空間安全。

常曉林（1971-），女，漢族，福建福清人，香港科技大學(xué)，博士，北京交通大學(xué)，教授;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：可信智能軟件、網(wǎng)絡(luò)安全、云計算、區(qū)塊鏈應(yīng)用及其機理的量化分析。