美國國防高級研究計劃局未來網(wǎng)絡(luò)安全研發(fā)趨勢分析*

徐 婧 唐 川 房俊民

（1.中國科學院成都文獻情報中心，成都610041；2.中國科學院大學經(jīng)濟與管理學院圖書情報與檔案管理系，北京100864）

網(wǎng)絡(luò)空間是繼國土、航空、航天、海洋領(lǐng)域之后，又一影響國家繁榮與安全的關(guān)鍵領(lǐng)域空間?？v觀21世紀以來的十余年，網(wǎng)絡(luò)威脅層出不窮，網(wǎng)絡(luò)安全的重要性迅速凸顯，國際社會意識到這是一項戰(zhàn)略性問題。美國長期以來憑借自身在信息技術(shù)領(lǐng)域無人企及的巨大優(yōu)勢，成為了全球當之無愧的網(wǎng)絡(luò)強國。不可否認的是，DARPA在美國稱霸網(wǎng)絡(luò)空間的進程中扮演了重要的角色。事實上，DARPA是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)源地，其在1969年為滿足軍方信息通信需求而實現(xiàn)的阿帕網(wǎng)（APRANET）就是現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)的前身。因此，可以說DARPA為美國成為網(wǎng)絡(luò)強國奠定了堅實的基礎(chǔ)。與此同時，DARPA一直致力于網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的研發(fā)，將網(wǎng)絡(luò)空間防御和威懾視為其捍衛(wèi)國土這一使命的重要組成部分。

DARPA成立60多年來始終引領(lǐng)著世界前沿性、顛覆性創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展潮流。其技術(shù)研發(fā)項目一直備受關(guān)注，被認為是創(chuàng)新發(fā)展的最前沿。因此，本文試圖通過分析DARPA近年來的網(wǎng)絡(luò)安全研發(fā)動向，總結(jié)出DARPA未來網(wǎng)絡(luò)安全研發(fā)趨勢，為我國網(wǎng)絡(luò)安全研發(fā)提供參考。

1 美國2020財年網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)支出逆勢增長

2019年3月11日，美國白宮發(fā)布2020財年（即2019年10月1日至2020年9月30日）預(yù)算提案，根據(jù)美國管理和預(yù)算辦公室（Office of Management and Budget，OMB）對預(yù)算提案的詳細分析發(fā)現(xiàn)，2020財年美國政府網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)支出增加5%。據(jù)不完全統(tǒng)計（非涉密項目），整個政府層面的“網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)”支出在2020財年達到174億美元，比2019財年總支出高出7.9億美元。各聯(lián)邦機構(gòu)中，國防部的網(wǎng)絡(luò)安全獲資最高，達96億美元，較其2019財年預(yù)算增加了11億美元。其中，DARPA的預(yù)算金額為35.56億美元，網(wǎng)絡(luò)安全直接研發(fā)預(yù)算為2.59億美元，約占總預(yù)算的7.3%［1］（表 1）。

表1 DARPA近三年預(yù)算情況（單位：百萬美元）Tab.1 DARPA Budget for the Last Three Years（Dollars in Millions）

在DARPA預(yù)算書中，分別有網(wǎng)絡(luò)科學（Cyber Sciences）和網(wǎng)絡(luò)安全（Cyber Security）兩個方向［2］。網(wǎng)絡(luò)科學方向是一項基礎(chǔ)研究，通過網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的研究與實驗產(chǎn)生突破性成果，滿足國家安全的長期需求，增強國防部信息系統(tǒng)對當前和新興網(wǎng)絡(luò)威脅的抵御能力。網(wǎng)絡(luò)安全方向是一項應(yīng)用研究，開發(fā)一系列的計算、網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，以保護美國國防部、政府和民眾的信息、基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵任務(wù)信息系統(tǒng)。項目開發(fā)的技術(shù)能夠增強信息系統(tǒng)對當前和新興網(wǎng)絡(luò)威脅的抵御能力，使網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的態(tài)勢感知能力，并為準確實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)提供基礎(chǔ)。

2 DARPA近年來重要網(wǎng)絡(luò)安全項目

根據(jù)DARPA近年來的財年預(yù)算情況，本文結(jié)合經(jīng)費預(yù)算額度和項目持續(xù)時間兩個方面的綜合考察，梳理了DARPA的9個重點網(wǎng)絡(luò)安全項目。

2.1 社會工程主動防御項目

社會工程主動防御（Active Social Engineering Defense，ASED）項目的目標是研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)自動獲取惡意對手信息的關(guān)鍵技術(shù)，從而實現(xiàn)對社會工程攻擊的自動識別、干擾和調(diào)查。網(wǎng)絡(luò)釣魚和魚叉式網(wǎng)絡(luò)釣魚等社會工程攻擊通常通過模擬偽裝來獲取用戶信任，從而誘導(dǎo)用戶行為或獲取可危及信息系統(tǒng)安全的敏感信息。目前，抵御社會工程攻擊的措施完全依賴于用戶。ASED試圖通過建立反社會工程機器人來防御社會工程攻擊，這些機器人將代表用戶對通信進行協(xié)調(diào)和匯集，并自動識別攻擊者。如果項目成功，這將顯著降低社會工程攻擊的有效性［3］。

表2 DARPA近年來重要網(wǎng)絡(luò)安全項目一覽Tab.2 Overview of Important DARPA Cybersecurity Projects in Recent Years

2.2 人機探索軟件安全項目

人機探索軟件安全（Computers and Humans Exploring Software Security，CHESS）項目開發(fā)一種允許計算機和人類進行協(xié)作推理的技術(shù)。兩方通過在類似于源代碼和編譯二進制文件等軟件構(gòu)件上進行協(xié)作，從而能比人類更快、更準確地發(fā)現(xiàn)漏洞。CHESS的功能設(shè)計能夠支持不同技能水平的人使用，即使是那些無網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗或相關(guān)領(lǐng)域知識的人也可操作。CHESS利用自動化程序分析技術(shù)與高級人機協(xié)作的創(chuàng)新融合，實現(xiàn)在某些規(guī)模下、特定時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)漏洞。很明顯，CHESS代表了由人機團隊擔任高強度網(wǎng)絡(luò)運營的發(fā)展趨勢——將人類的洞察力與機器的計算分析速度和規(guī)模相結(jié)合［4］。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全保證系統(tǒng)工程項目

目前，網(wǎng)絡(luò)彈性通常是在系統(tǒng)構(gòu)建后通過滲透測試反饋系統(tǒng)修改而實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)安全保證系統(tǒng)工 程 （Cyber Assured Systems Engineering，CASE）項目旨在開發(fā)一系列的設(shè)計、分析和驗證工具，使得系統(tǒng)工程師在設(shè)計復(fù)雜的嵌入式計算系統(tǒng)時，能夠像設(shè)計其他非功能特性一樣，進行網(wǎng)絡(luò)彈性的設(shè)計和折衷方案的管理。CASE技術(shù)方法將網(wǎng)絡(luò)彈性定義為一種顯式工程性質(zhì)，與目前系統(tǒng)工程標準中的其他整體性質(zhì)類似，如安全性、耐久性和可靠性。項目一旦成功，網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)在設(shè)計階段就將能夠抵御住網(wǎng)絡(luò)攻擊者的攻擊，并可靠地完成其預(yù)期功能［5］。

2.4 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)捕獵項目

大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)捕獵（Cyber-Hunting at Scale，CHASE）項目旨在開發(fā)用于企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的、基于數(shù)據(jù)分析的實時網(wǎng)絡(luò)威脅檢測、特征描述和保護的工具。美國的計算機網(wǎng)絡(luò)不斷受到攻擊，但目前還沒有工具能夠快速地從相應(yīng)的設(shè)備中有效地提取出準確數(shù)據(jù)來分析攻擊行為。例如，對內(nèi)存漏洞的分析需要從少數(shù)設(shè)備中提取詳細數(shù)據(jù)，而對全局僵尸網(wǎng)絡(luò)攻擊的分析則需要來自大量設(shè)備的匯總數(shù)據(jù)。CHASE正在開發(fā)新的算法和分析工具，以便動態(tài)地收集整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，積極尋找避開常規(guī)安全措施的高級威脅，并自動傳播能夠支持集體網(wǎng)絡(luò)防御態(tài)勢的保護措施［6］。

2.5 增強歸因項目

增強歸因項目旨在開發(fā)一種能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)攻擊者的惡意行為與單個運營商關(guān)聯(lián)起來，并在不損害信息來源和途徑的前提下公開披露這些行為的技術(shù)。該項目側(cè)重于研究識別惡意網(wǎng)絡(luò)運營商、分析其軟件工具和行為，并利用商業(yè)和公共數(shù)據(jù)源進行信息確認的新方法。隨著歸因技術(shù)的發(fā)展及其前景的凸顯，該項目會為網(wǎng)絡(luò)管控能力提供新功能，如對攻擊者網(wǎng)絡(luò)行為的標識和預(yù)警［7］。

2.6 極端分布拒絕服務(wù)防御項目

極端分布拒絕服務(wù)防御（Extreme Distributed Denial of Service Defense，XD3）項目旨在開發(fā)一種新型的計算機聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，使其可以檢測、阻止和對抗DDoS攻擊。DDoS攻擊包括高容量的泛洪攻擊和較隱蔽的低容量攻擊，這些攻擊不僅能消耗服務(wù)器處理和內(nèi)存，還能避開傳統(tǒng)的入侵檢測系統(tǒng)［8］。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，新型聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來越多，而這些設(shè)備的部署往往都缺乏足夠的安全控制。因此，DDoS攻擊會進一步加劇，攻擊者利用那些防御能力較差的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，將這些設(shè)備同化到其僵尸網(wǎng)絡(luò)中。XD3就是要開發(fā)一種新型的計算機聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，構(gòu)建防御體系，從而增加攻擊難度，提高關(guān)鍵服務(wù)的魯棒性，最終阻止DDoS攻擊。

2.7 利用自主系統(tǒng)對抗網(wǎng)絡(luò)對手項目

利用自主系統(tǒng)對抗網(wǎng)絡(luò)對手（Harnessing Autonomy for Countering Cyberadversary Systems，HACCS）項目旨在開發(fā)安全可靠的、可以壓制僵尸網(wǎng)絡(luò)植入物和類似的大型惡意軟件的自主軟件代理。HACCS項目的主要目標包括：一是識別和描述僵尸網(wǎng)絡(luò)感染的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，精確地確定設(shè)備的類型及在其上運行的軟件服務(wù)，從而推斷是否存在已知漏洞；二是對抗大量由已知漏洞生成的黑客程序，從而破壞這些黑客程序建立僵尸網(wǎng)絡(luò)初始存在狀態(tài)；三是開發(fā)高度可靠的軟件代理，使其能夠在僵尸網(wǎng)絡(luò)中自動導(dǎo)航，識別僵尸網(wǎng)絡(luò)植入物并限制其運行能力，從而最大限度地降低其對系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施的影響［9］。

2.8 快速攻擊檢測、隔離和表征系統(tǒng)項目

快速攻擊檢測、隔離和表征系統(tǒng)（Rapid Attack Detection，Isolation and Characterization Systems，RADICS）項目旨在開發(fā)在能源部門關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊之際，可使美國電網(wǎng)恢復(fù)正常的自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠監(jiān)控異構(gòu)分布式網(wǎng)絡(luò)、檢測需要快速評估的異常情況、隔離受損的系統(tǒng)元件、建立安全的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)、描述攻擊特征，以及檢測傳感器的干擾。這樣，當能源部門遭受可能影響其復(fù)原能力的攻擊時，熟練的網(wǎng)絡(luò)和電力工程師能夠迅速恢復(fù)電力服務(wù)［10］。

2.9 利用模擬域?qū)崿F(xiàn)安全性項目

利用模擬域?qū)崿F(xiàn)安全性（Leveraging the Analog Domain for Security，LADS）項目主要針對資源少、嵌入式設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)一種新的保護范式。這種保護范式將安全監(jiān)視功能與單個的受保護系統(tǒng)分離開，利用設(shè)備在運行中產(chǎn)生的側(cè)信道信號來實現(xiàn)對系統(tǒng)的安全監(jiān)視。這些側(cè)信道信號包括電磁輻射、聲發(fā)射、功率波動、熱輸出變化等。通過LADS技術(shù)，防御者將能夠感知計算組件、設(shè)備和系統(tǒng)的模擬信號變化，從而檢測網(wǎng)絡(luò)攻擊，使攻擊者的蹤跡無處可遁［11］。

3 DARPA網(wǎng)絡(luò)安全研發(fā)趨勢

從DARPA近年來資助的重要網(wǎng)絡(luò)安全項目來看，DARPA的網(wǎng)絡(luò)安全研發(fā)呈現(xiàn)三點趨勢。

3.1 網(wǎng)絡(luò)安全研究融合人工智能技術(shù)

隨著人工智能的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)空間安全的新前沿。人工智能能夠增強網(wǎng)絡(luò)安全人員應(yīng)對威脅的能力。例如，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全工具僅能抵抗已知的惡意代碼，而基于人工智能的工具可以通過訓練，監(jiān)測更廣泛的網(wǎng)絡(luò)活動模式中的異常情況，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間更全面、動態(tài)的保障［12］。

基于人工智能的網(wǎng)絡(luò)安全防護應(yīng)用已成為網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點方向，應(yīng)用場景日益廣泛。DARPA的網(wǎng)絡(luò)安全項目研究中也反映出了這樣的趨勢。ASED項目和CHESS項目即是其中的代表。ASED項目利用機器學習技術(shù)訓練智能機器人，從而自動識別攻擊者并對其進行主動攻擊。CHESS項目則是為了突破漏洞識別問題中的人工操作效率局限，將人類專家的經(jīng)驗與計算機的高效優(yōu)勢結(jié)合起來，開發(fā)人機協(xié)同的推理軟件，從而更加高效地發(fā)現(xiàn)漏洞。

3.2 網(wǎng)絡(luò)攻擊歸因技術(shù)受重視

受限于網(wǎng)絡(luò)歸因技術(shù)限制，目前網(wǎng)絡(luò)空間中的惡意行為者對其攻擊行為有恃無恐。事實上，在某些情況下，準確歸因網(wǎng)絡(luò)攻擊甚至是不可能的，其難點在于當前互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施缺乏端到端的問責制。美國在網(wǎng)絡(luò)歸因技術(shù)方面一直走在全球前列。2018年7月，美國司法部公布的一份針對俄羅斯情報機構(gòu)“格魯烏”下屬12名情報人員干擾美國大選的起訴書即證明了這一點。事實上，美國政府經(jīng)常對重大網(wǎng)絡(luò)事件進行歸因分析，不過受限于可能暴露其非法的歸因來源和方法（如美國國家安全局的網(wǎng)絡(luò)間諜工具），通常只會發(fā)布少量證據(jù)來證明自己的論斷。DARPA自2016年就在開展的增強歸因項目，2018至2020年的項目預(yù)算均在2000萬美元以上。該項目結(jié)合和分析關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)活動的公共數(shù)據(jù)，從而更容易地將網(wǎng)絡(luò)攻擊歸因于特定的攻擊者。這樣，增強歸因的全部數(shù)據(jù)都可公開，防御未來可能發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)攻擊也變得更加有效。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)安全風險凸顯

嵌入式計算系統(tǒng)在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、車輛、智能設(shè)備和軍事系統(tǒng)中無處不在，是現(xiàn)代技術(shù)社會的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)觀點曾認為，針對嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊并不令人擔憂，因為它們很少具有網(wǎng)絡(luò)連接。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)研究表明嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為最容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)會損害消費者的隱私和安全，同時也可能受到大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)攻擊，造成重大經(jīng)濟損失。2019年1月份，安全研究人員發(fā)現(xiàn)沃爾瑪和百思買等大型零售商銷售的熱門聯(lián)網(wǎng)或智能家居設(shè)備普遍存在嚴重安全漏洞和隱私問題［13］。2018年8月，臺積電三座12寸晶圓廠生產(chǎn)線遭WannaCry的變種病毒入侵，損失逾千萬美元［14］。物聯(lián)網(wǎng)僵尸網(wǎng)絡(luò)也在瘋狂增長，臭名昭著的 Mirai物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）僵尸網(wǎng)絡(luò)在2018年一季度至2019年一季度間幾乎翻了一番。

DARPA也意識到這一問題，為了應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)飛速發(fā)展帶來的網(wǎng)絡(luò)安全風險，DARPA啟動了多個項目來進行防范，且這些項目的預(yù)算投入也相對較大。例如RADICS項目的應(yīng)用對象就是能源部門關(guān)鍵系統(tǒng)，包括了大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。XD3項目的一個重要目標就是對抗物聯(lián)網(wǎng)僵尸網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建一種新型的計算機聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。LADS項目的目標對象就是那些自身資源較少的輕量級物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，另辟蹊徑通過側(cè)信道信號來監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備與安全監(jiān)測功能的分離。

4 總結(jié)

DARPA為履行維護國家安全的使命而致力于關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)，是美國甚至全球國防科技創(chuàng)新的領(lǐng)頭羊。因此，對DARPA研發(fā)動向的分析具有重要的參考意義。近年來，雖然美國在特朗普執(zhí)政時代研發(fā)資金投入有些緊縮，但在網(wǎng)絡(luò)安全方面的預(yù)算仍然逆勢增長。在2020年2月公布的美國最新2021財年預(yù)算提案中，DARPA的預(yù)算總額達到了35.66億美元，網(wǎng)絡(luò)安全的預(yù)算為2.36億美元［15］。在基礎(chǔ)研究方面，人工智能、信息技術(shù)依然是DARPA預(yù)算增長最多幾個領(lǐng)域；在應(yīng)用研究方面，網(wǎng)絡(luò)安全、人工智能與人機共生分別占預(yù)算的17%和14%，表明網(wǎng)絡(luò)安全仍是DARPA關(guān)注的重點。DARPA還將網(wǎng)絡(luò)威懾與防御作為其捍衛(wèi)國土這一重要使命中的重點關(guān)注主題。從DARPA近年來啟動的預(yù)算高、持續(xù)時間長的網(wǎng)絡(luò)安全項目來看，DARPA在網(wǎng)絡(luò)安全研發(fā)未來發(fā)展的三點趨勢。一是，人工智能作為近年來迅猛發(fā)展的技術(shù)，有望開辟網(wǎng)絡(luò)安全的新路徑，DARPA已將人工智能技術(shù)融入了網(wǎng)絡(luò)安全研究；二是，網(wǎng)絡(luò)攻擊取證和歸因不斷受到重視，美國在此技術(shù)上一直走在前列；三是，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)風險凸顯，損害隱私和安全還可能造成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)攻擊，DARPA的多個項目著重保護物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全，相關(guān)研發(fā)投入增長迅速。

值得注意的是，在最新2021財年網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，DARPA新增了2個項目：其一是開放、可編程、安全的 5G（Open，Programmable，Secure 5G，OPS-5G）項目，2021財年預(yù)算為1210萬美元，旨在開發(fā)開源5G網(wǎng)絡(luò)軟件，確保移動無線硬件安全；其二是網(wǎng)絡(luò)行動路線分析（Cyber Course of Action Analysis，C2A2）項目，將開發(fā)能夠自動生成和分析網(wǎng)絡(luò)行動方案的技術(shù)，使美國網(wǎng)絡(luò)操作人員能夠更迅速、更成功地開展網(wǎng)絡(luò)行動。此外，從項目執(zhí)行周期上來看，網(wǎng)絡(luò)安全的多數(shù)項目都正在加緊推進演示驗證和應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

網(wǎng)絡(luò)安全正在成為影響國民經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，并且不斷向民生、政治、經(jīng)濟、文化等各個層面滲透。我國在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強國的道路上首先就是要加強網(wǎng)絡(luò)安全，這其中掌握關(guān)鍵核心技術(shù)至關(guān)重要。因此，在未來，我國一方面要合理布局新興技術(shù)，特別關(guān)注新興技術(shù)的交叉融合所帶來的新的安全威脅和機遇，例如人工智能與網(wǎng)絡(luò)安全的融合、物聯(lián)網(wǎng)安全以及5G安全問題等；另一方面，學習DARPA的軍民融合發(fā)展模式，在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域加強政產(chǎn)學研用的協(xié)調(diào)合作，打造多維生態(tài)合作，加強網(wǎng)絡(luò)安全人才培養(yǎng)體系建設(shè)，推動網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)業(yè)高端集聚發(fā)展。