基于機(jī)器學(xué)習(xí)的通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮萍，孫偉，李國梁

（1.吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春130012；2.長春大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春130022；3.長春大學(xué)研究生學(xué)院，吉林 長春130022；4.長春大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，吉林 長春130022）

0 引言

當(dāng)前的通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)信息體系，但是由于科技手段的限制，導(dǎo)致信息體系數(shù)據(jù)處理過程中常常出現(xiàn)技術(shù)不匹配現(xiàn)象，為黑客制造攻擊機(jī)會[1-2]，且大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展使通信網(wǎng)絡(luò)中的信息安全問題逐漸凸顯出來，通信網(wǎng)絡(luò)中涉及的秘密信息不斷被網(wǎng)絡(luò)黑客攻擊，信息安全事件頻發(fā)[3]。

對涉密信息的有效感知是保護(hù)私密信息安全的前提條件。目前，已有相關(guān)學(xué)者設(shè)計(jì)了涉密信息感知技術(shù)，如基于擴(kuò)展貝葉斯分類算法的網(wǎng)絡(luò)涉密信息安全感知系統(tǒng)[4]和基于改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)信息感知系統(tǒng)[5]。但是，傳統(tǒng)系統(tǒng)過度地依賴數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備，對涉密數(shù)據(jù)的處理能力較弱，導(dǎo)致系統(tǒng)的工作效率很低，不能夠大規(guī)模地普及。

為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足，本研究在機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的支持下，設(shè)計(jì)了一種新的通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)的硬件部分主要由信息存儲模塊、液晶顯示器模塊和感知系統(tǒng)串口模塊組成。

信息存儲模塊的工作任務(wù)是對網(wǎng)絡(luò)通信中的信息進(jìn)行初次存儲，將信息提供給處理器進(jìn)行信息安全的過濾。網(wǎng)絡(luò)通信存儲模塊由動態(tài)存儲空間和靜態(tài)存儲空間構(gòu)成[6-7]。動態(tài)通信信息存儲空間主要存儲音樂、語音、視頻等內(nèi)存較大的信息，靜態(tài)通信信息存儲空間用來存儲圖片、文章、內(nèi)存等較小的通信信息[8]。靜態(tài)存儲空間具有信息恢復(fù)功能，一旦發(fā)現(xiàn)信息感知系統(tǒng)的存儲模塊刪除的信息中有需要的信息時(shí)，啟動SDRAM 128芯片，靜態(tài)存儲空間就會將一段時(shí)間內(nèi)刪除的網(wǎng)絡(luò)通信信息進(jìn)行恢復(fù)。

本研究設(shè)計(jì)的存儲模塊具有初步的識別功能，在采集到網(wǎng)絡(luò)通信信息時(shí)，會對一些沒有意義的信息進(jìn)行刪除，提高存儲模塊的利用率。為了提高存儲模塊的存儲率，采用三星公司出廠的SDRAM存儲器和S5PV210存儲器各兩片，因?yàn)镾DRAM存儲器采用32 bit的數(shù)據(jù)總線，可以提高存儲器識別網(wǎng)絡(luò)通信信息的速度。S5PV210存儲器采用256 MB的內(nèi)存條，這個(gè)內(nèi)存條可以有效地提高存儲模塊的內(nèi)存，從而保證通信網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)運(yùn)行流暢。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)的存儲模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)存儲模塊結(jié)構(gòu)

本研究選取SD閃存卡作為通信網(wǎng)絡(luò)信息感知系統(tǒng)的內(nèi)存卡。SD閃存卡是一種利用半導(dǎo)體加工而成的快閃記憶存儲卡，具有體積小、每秒傳輸信息的頻率高等優(yōu)點(diǎn)。不同于傳統(tǒng)內(nèi)存卡的是，SD閃存卡具有實(shí)時(shí)溫度檢測功能，在機(jī)器學(xué)習(xí)的通信網(wǎng)絡(luò)涉密感知系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度過高，SD閃存卡會向感知系統(tǒng)的軟件中心發(fā)送信號，然后進(jìn)行降溫操作。SD閃存卡的這個(gè)特殊功能可以避免感知系統(tǒng)出現(xiàn)因?yàn)闇囟雀叨a(chǎn)生的閃退故障[9]。

SD閃存卡有8個(gè)引腳，這8個(gè)引腳的作用是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)的輸入輸出。如果在感知系統(tǒng)運(yùn)行過程中，8個(gè)引腳的鐵絲出現(xiàn)磨損情況，要及時(shí)更替，如果磨損嚴(yán)重，通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)中所有的信息就會格式化[10]。

在本研究系統(tǒng)中，SD閃存卡與感知系統(tǒng)硬件存儲模塊的接口是一個(gè)驅(qū)動器，這個(gè)驅(qū)動器由3個(gè)固定點(diǎn)固定在硬件區(qū)域的兩個(gè)處理器上。因?yàn)槿c(diǎn)之間的固定效果最好，驅(qū)動器就保證了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)的硬件之間的緊密性[11]。不同型號不同容量的SD閃存卡結(jié)構(gòu)基本相同，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)內(nèi)存卡結(jié)構(gòu)

SD閃存卡可對信息識別模塊傳出的不同信號進(jìn)行切換存儲，當(dāng)信息識別模塊發(fā)出雙向命名信號時(shí)，代表通信網(wǎng)絡(luò)的信息是安全的，這時(shí)SD閃存卡會將信息存入穩(wěn)定空間模塊；當(dāng)信息識別模塊發(fā)出回復(fù)信號時(shí)，代表此次通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒋嬖谛姑?，這時(shí)SD閃存卡會將此次通信信息存入代發(fā)空間模塊的同時(shí)，信息感知系統(tǒng)的軟件信息加密模塊輸送信號，及時(shí)對涉密信息進(jìn)行加密處理[12]。

雖然基于機(jī)器學(xué)習(xí)的通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)硬件的連接串口體積小，但是在感知系統(tǒng)硬件設(shè)備工作過程中發(fā)揮著重要的作用[13-14]。信息感知系統(tǒng)硬件區(qū)域的各個(gè)處理器之間的連接串口選取的是RS 245標(biāo)準(zhǔn)串口。RS 245標(biāo)準(zhǔn)串口的工作原理是，通過4G無線網(wǎng)和讀卡芯片共同工作進(jìn)行信息輸送，RS 245標(biāo)準(zhǔn)串口在連接信息感知系統(tǒng)硬件區(qū)域的同時(shí)，還可以將通信的信息上傳到感知系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊。與傳統(tǒng)的處理器串口相比，RS 245標(biāo)準(zhǔn)串口的插座具有五芯A型的插座，因?yàn)槎嘈镜牟遄鶎τ邳c(diǎn)對點(diǎn)之間信號傳輸?shù)姆€(wěn)定等級保證更高。具體的RS 245標(biāo)準(zhǔn)串口結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件串口引線示意圖

根據(jù)圖3可知，RS 245標(biāo)準(zhǔn)串口存在9個(gè)引腳，GND引腳是全部引腳的開關(guān)，所以只要基于機(jī)器學(xué)習(xí)的通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)正常工作，此串口引線都是閉合狀態(tài)；DRS、DCD、RTS、DTR這4個(gè)串口引線在接收網(wǎng)絡(luò)通信信息時(shí)是閉合的，反之?dāng)嚅_；RXD、TXD、RI、CTS這4個(gè)串口引線是感知系統(tǒng)監(jiān)測到信息泄露時(shí)閉合的4個(gè)串口，反之，則斷開[15]。

信息感知系統(tǒng)中的液晶顯示器模塊是為了增加感知系統(tǒng)的可視化效果，可以及時(shí)清楚地顯示通信信息安全情況。如果感知系統(tǒng)硬件部分的液晶顯示器出現(xiàn)紅屏?xí)r，就代表某階段的通信網(wǎng)絡(luò)信息存在泄密的情況。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過以上對基于機(jī)器學(xué)習(xí)的通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)硬件區(qū)域的研究，確定了感知系統(tǒng)的基本工作原理，在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行研究。

信息感知系統(tǒng)的軟件區(qū)域由信息識別模塊和信息加密模塊組成。其中，信息識別模塊主要是對系統(tǒng)硬件區(qū)域存儲模塊輸送的信息展開處理和識別。在設(shè)計(jì)信息識別模塊時(shí)，本研究設(shè)計(jì)了關(guān)鍵字查找功能，每一階段的涉密信息可能不相同，相關(guān)工作人員根據(jù)實(shí)時(shí)信息的狀態(tài)，及時(shí)變更信息的關(guān)鍵字，提高識別泄密通信網(wǎng)絡(luò)信息的效率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信信息識別為正常時(shí)，信息識別模塊將其返回到感知系統(tǒng)硬件模塊進(jìn)行存儲；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信信息識別為泄密信息時(shí)，將其控制不隨意轉(zhuǎn)發(fā)，然后將其分別返回到感知系統(tǒng)硬件區(qū)域存儲模塊進(jìn)行刪除，最后將此通信信息傳至信息感知系統(tǒng)軟件區(qū)域進(jìn)行加密處理[16]。

信息感知系統(tǒng)軟件部分的信息加密模塊，其任務(wù)是對信息識別模塊傳送的信息進(jìn)行加密處理。信息加密處理模塊由信息加密空間和信息審核空間組成。既然感知系統(tǒng)軟件區(qū)域的信息識別出泄密信息，在通信信息加密處理后就要再一次進(jìn)行檢查，檢查成功后才可以存入感知系統(tǒng)硬件區(qū)域的存儲模塊中。本研究設(shè)計(jì)的加密軟件通過更替關(guān)鍵字、更改通信格式等方式對網(wǎng)絡(luò)通信信息進(jìn)行加密處理。

綜上所述，具體的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

圖4 信息感知系統(tǒng)的工作流程圖

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信泄密信息感知系統(tǒng)感知流程，規(guī)劃系統(tǒng)工作步驟如下：

1）首先利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)平臺中的通信信息進(jìn)行采集，采集信息的同時(shí)驗(yàn)證接發(fā)信息兩方的身份，判斷其是否為偽造身份。如果是偽造身份，那么直接進(jìn)行軟件區(qū)域的信息識別處理；如果身份驗(yàn)證成功，感知系統(tǒng)對通信信息進(jìn)行采集存儲。

2）在信息存入存儲模塊后，感知系統(tǒng)的硬件區(qū)域?qū)νㄐ判畔?nèi)容進(jìn)行代碼加密，通過串口傳輸?shù)杰浖^(qū)域的信息識別模塊。

3）利用信息識別模塊對信息進(jìn)行識別。檢測通信信息是否存在泄密行為，不存在則結(jié)束此次通信信息的檢測；如果存在泄密行為，那么將網(wǎng)絡(luò)通信信息傳入信息解密模塊的同時(shí)傳遞信號，將存儲模塊中的信息刪除，網(wǎng)絡(luò)通信信息處理后，將更新后的網(wǎng)絡(luò)通信信息進(jìn)行存儲。

3 實(shí)驗(yàn)分析與研究

為驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果過于單一，將傳統(tǒng)的基于擴(kuò)展貝葉斯分類算法的網(wǎng)絡(luò)涉密信息安全感知系統(tǒng)（傳統(tǒng)系統(tǒng)1）、基于改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)信息感知系統(tǒng)（傳統(tǒng)系統(tǒng)2）作為對比，與本文系統(tǒng)共同完成性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

對通信網(wǎng)絡(luò)中涉密信息的感知需要在整個(gè)通信系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)置安全感知模塊。安全模塊中又包含涉密信息的隔離、認(rèn)證與加密功能，通信網(wǎng)絡(luò)中的涉密信息傳輸途徑具有可選擇性，處理兩用戶之間的直接涉密信息傳輸，還可以拓展多條通信信道，對涉密信息進(jìn)行傳輸，因此在本實(shí)驗(yàn)中采用多種感知方法對不同信道的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行感知與安全性能判別，實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)感知層包含涉密信息源、涉密信息采集體系、涉密安全保障體系。圖5為本實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行環(huán)境拓?fù)鋱D。

圖5 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境拓?fù)鋱D

實(shí)驗(yàn)過程中，對涉密信息的感知首先需要將涉密信息傳輸?shù)较到y(tǒng)的空間網(wǎng)絡(luò)中，涉密信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸與在處理空間中的傳輸過程是不同的，在網(wǎng)絡(luò)空間中的涉密信息傳輸是依靠安全性協(xié)議進(jìn)行傳輸，而處理空間的數(shù)據(jù)傳輸是對信息安全隔離后的保密形式安全傳輸。涉密信息先從系統(tǒng)的感知模塊中進(jìn)入相關(guān)設(shè)備的采集體系中，最終傳送到數(shù)據(jù)終端，經(jīng)過數(shù)據(jù)終端的安全處理與安全傳輸協(xié)議到達(dá)涉密信息的感知系統(tǒng)中。涉密數(shù)據(jù)經(jīng)過隔離模塊時(shí)，對涉密信息加密處理，將經(jīng)過加密的涉密信息傳輸?shù)街悄芙K端中，進(jìn)而上傳到網(wǎng)絡(luò)空間，由網(wǎng)絡(luò)空間中的專門服務(wù)器與數(shù)據(jù)處理器感知信息安全性。網(wǎng)絡(luò)空間中的終端接口工作運(yùn)行穩(wěn)定后，可以使工作人員實(shí)時(shí)觀察到系統(tǒng)中感知數(shù)據(jù)的異常狀態(tài)，異常狀態(tài)主要體現(xiàn)為涉密信息正常、涉密信息警告、涉密信息危險(xiǎn)、涉密信息斷開連接，不同狀態(tài)下的終端數(shù)據(jù)表現(xiàn)為動態(tài)變化。

實(shí)驗(yàn)中感知系統(tǒng)穩(wěn)定后可以接收涉密信息并進(jìn)行識別判斷。首先對三種不同系統(tǒng)的涉密信息處理能力進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

圖6 三種不同系統(tǒng)的涉密信息處理能力比較結(jié)果

根據(jù)圖6所示的對比結(jié)果可知，本研究系統(tǒng)對涉密信息的處理能力最強(qiáng)。這是因?yàn)楸狙芯肯到y(tǒng)中采用RS 245標(biāo)準(zhǔn)串口能夠接收較多的涉密信息且能夠?qū)ι婷苄畔⑦M(jìn)行初步處理，減緩后期的數(shù)據(jù)處理工作，引用機(jī)器學(xué)習(xí)對涉密信息待處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行感知與處理，以加密的形式保障數(shù)據(jù)的處理安全性與高效性；而兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)主要采用普通的函數(shù)運(yùn)算模式，具有一定的局限性，不能對實(shí)時(shí)的涉密信息有效處理。

在此基礎(chǔ)上，對比三種系統(tǒng)的涉密信息感知能力，結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種系統(tǒng)涉密信息感知能力對比

根據(jù)圖7的對比結(jié)果可知，本研究系統(tǒng)的涉密信息感知能力最強(qiáng)，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)對精確度達(dá)到0.5%的涉密數(shù)據(jù)進(jìn)行感知。而傳統(tǒng)系統(tǒng)1的感知能力平均僅在2%左右。這是因?yàn)楸狙芯肯到y(tǒng)采用自主設(shè)計(jì)的SD閃存卡，不僅具備數(shù)據(jù)緩存功能，還能對數(shù)據(jù)精準(zhǔn)提取與識別，增加了涉密信息識別模塊的工作強(qiáng)度，本研究系統(tǒng)中還設(shè)有獨(dú)立的識別模塊，能夠獨(dú)立地完成涉密信息的感知操作，極大地提升了涉密信息感知能力；而傳統(tǒng)系統(tǒng)主要對線上的涉密信息進(jìn)行感知，而忽視了線下的涉密信息感知，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的平均感知能力下降。

4 結(jié)語

大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展為人類的生活帶來眾多便利，同時(shí)也為人們的生活帶來許多困難。以通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，信息安全的多樣性、通信手段的多樣性以及通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)變化性，都會產(chǎn)生相應(yīng)的信息泄露等安全性問題。為了能夠保障通信網(wǎng)絡(luò)中涉密信息的安全，首先要對涉密信息進(jìn)行感知。為此，本研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了一種通信網(wǎng)絡(luò)涉密信息感知系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的有效性。