專利名稱：一種攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)安全防御技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法。
背景技術(shù)：
目前，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷增大，與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的攻擊、入侵等安全事件越來越多。為了保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性和健壯性，世界各國政府和企業(yè)投入大量資金建立網(wǎng)絡(luò)安全防御系統(tǒng)?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全防御系統(tǒng)通過部署大量的防火墻、入侵檢測和反病毒軟件，檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各節(jié)點的脆弱性和薄弱環(huán)節(jié)，最大程度的保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全。理想的防御系統(tǒng)應(yīng)該對所有的脆弱點和攻擊行為都做出防護(hù)，但是從組織資源限制等實際情況考慮，“不惜一切代價”的防御顯然是不合理的，必須考慮“適度安全”的概念，即考慮網(wǎng)絡(luò)安全的風(fēng)險和投入之間尋求一種均衡，應(yīng)當(dāng)利用有限的資源做出做合理的決策。目前網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)防御決策方法主要集中在兩方面:一是建立良好的決策模型；二是對防御代價進(jìn)行定量分析。決策模型方面，博弈論是一種基于事前的決策分析理論，近年來已被應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全防御領(lǐng)域中。Boyun Zhang 等人(Boyun Zhang, Zhigang Chen, Wensheng Tang etal..Network security situation assessment based on stochastic game model [J].Advanced Intelligent Computing.2012, 6838:517-525)提出了一種基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢評估方法，將攻擊者和防御者之間的對抗描述成二人隨機(jī)博弈問題，利用管理員對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性的評估來確定博弈參數(shù)，通過攻防博弈的納什均衡來得到網(wǎng)絡(luò)處于不同安全狀態(tài)下的概率分布，進(jìn)一步量化評估結(jié)果。Yuanzhuo Wang等人(Yuanzhuo Wang,Min Yuj Jingyuan Li，et al..Stochastic game net and applications in securityanalysis for enterprise network [J].1nternational Journal of InformationSecurity, 2012，11 (I):41-52)結(jié)合隨機(jī)Petri網(wǎng)提出了一個隨機(jī)博弈網(wǎng)模型，該模型能較好的解決復(fù)雜動態(tài)博弈問題。Guanhua Yan等人(Guanhua Yanj Ritchie Lee, AlexKent, et al..Towards a Bayesian Network Game Framework for Evaluating DDoSAttacks and Defense [C].CCS’ 12 Proceedings of the 2012 ACM conference onComputer and communications security, 2012:553-566)提出了一種非標(biāo)準(zhǔn)博弈框架，該框架利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)來推斷系統(tǒng)可能的狀態(tài)，然后對多個層級進(jìn)行建模，進(jìn)而對復(fù)雜的分布式拒絕服務(wù)攻擊攻防場景進(jìn)行評估。防御代價定量分析方面，Lee(Lee Wenke.Toward cost-sensitive modelingfor intrusion detection and response.Journal of Computer Security, 2002，10(1-2):5-22)在2002年首次提出成本敏感模型作為響應(yīng)決策的基礎(chǔ)，根據(jù)相應(yīng)成本和攻擊損失成本來決定是否響應(yīng)。Jiang Wei等人(Jiang Wei et al.A game theoreticmethod for decision and analysis of the optimal active defense strategy //Proceedings of the International Conference on Computational Intelligence andSecurity.Harbin, China, 2007:819-823)給出了就比較完整的攻防分類及其成本敏感模型，有效地應(yīng)用于最優(yōu)主動防御中。馮萍慧等人(馮萍慧，連一峰，戴英俠等.面向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的脆弱性利用成本估算模型.計算機(jī)學(xué)報，2006，29 (8):1375-1382)提出了脆弱性利用成本估算模型，通過對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行全面的脆弱性分析，并引入可靠性原理，從利用成本的角度對攻擊代價進(jìn)行估算，從而對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的脆弱性進(jìn)行量化評估，為管理員在權(quán)衡修復(fù)成本和效果是提供參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的攻防交互行為而提出的一種攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法，在考慮攻防雙方成本和收益的情況下，給出最優(yōu)的防御策略。其利用狀態(tài)攻防圖對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的攻防場景建模，然后計算原子攻擊的成本收益，進(jìn)一步計算不同網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)下攻防雙方采取不同攻防策略的效用矩陣。最后，基于非合作非零和博弈模型求解納什均衡，得出最優(yōu)防御策略。本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法，它包括以下步驟:
第一步，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲兴兄鳈C(jī)節(jié)點的連通性構(gòu)建可達(dá)矩陣；
第二步，利用脆弱點掃描工具Nessus、ISS和SARA，對網(wǎng)絡(luò)中的各主機(jī)節(jié)點進(jìn)行掃描，得到各主機(jī)節(jié)點的脆弱點集合；
第三步，根據(jù)各主機(jī)節(jié)點的脆弱點集合和各脆弱點的利用規(guī)則構(gòu)建狀態(tài)攻防圖；第四步,結(jié)合安全脆弱點評估系統(tǒng)(Common Vulnerability Scoring System, CVSS),計算狀態(tài)攻防圖中各原子攻擊的成功概率和危害指數(shù)。其中原子攻擊成功的概率計算公式為
權(quán)利要求
1.一種攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲兴兄鳈C(jī)節(jié)點的連通性構(gòu)建可達(dá)矩陣； 第二步，利用脆弱點掃描工具Nessus、ISS和SARA，對網(wǎng)絡(luò)中的各主機(jī)節(jié)點進(jìn)行掃描，得到各主機(jī)節(jié)點的脆弱點集合； 第三步，根據(jù)各主機(jī)節(jié)點的脆弱點集合和各脆弱點的利用規(guī)則構(gòu)建狀態(tài)攻防圖；第四步，結(jié)合安全脆弱點評估系統(tǒng)，計算狀態(tài)攻防圖中各原子攻擊的成功概率和危害指數(shù)； 第五步，計算狀態(tài)攻防圖中所有攻擊路徑的成功概率和危害指數(shù)； 第六步，根據(jù)狀態(tài)攻防圖，建立網(wǎng)絡(luò)安全博弈模型； 第七步，在不同的網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)下，計算攻防雙方采用不同攻防策略時的效用值，進(jìn)而得到攻防效用矩陣； 第八步，基于非合作非零和博弈模型，運用最優(yōu)攻防決策算法，求解最優(yōu)攻防策略； 第九步，根據(jù)納什均衡的解，結(jié)合脆弱點防控措施，制定最優(yōu)防御策略。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法，其特征在于:所述的第三步中，狀態(tài)攻防圖為一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)圖SdDG = (SJ^s0JSs);其中，S是圖中的狀態(tài)節(jié)點集，表示網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)；FgSxjS是圖中邊集，表示網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)的變遷關(guān)系，每條邊代表一個原子攻擊WaES是網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)，是攻擊者目標(biāo)狀態(tài)集合；所述的狀態(tài)節(jié)點用二元組表示，其中taifel是該網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)下安全要素發(fā)生變化的主機(jī)節(jié)點名稱是到達(dá)該狀態(tài)節(jié)點時攻擊者獲得主機(jī)ftostid上的權(quán)限；所述的狀態(tài)變遷用五元組表示，其中g(shù)是狀態(tài)變遷編號，M是該原子攻擊所利用的脆弱點編號，r是原子攻擊成功發(fā)生后造成的危害，p是原子攻擊成功發(fā)生的概率，J是防御原子攻擊發(fā)生的防御措施。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法，其特征在于:所述的第三步中，狀態(tài)攻防圖的構(gòu)建算法步驟如下: 步驟1，算法輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇蛇_(dá)矩陣應(yīng)、各主機(jī)節(jié)點的脆弱點集合VS、各脆弱點的利用規(guī)則IB和網(wǎng)絡(luò)初始安全狀態(tài)S0 ； 步驟2,將網(wǎng)絡(luò)初始安全狀態(tài)S。加入狀態(tài)隊列中，標(biāo)記為“未遍歷”，state_queue = {S0I ; 步驟3，如果狀態(tài)隊列還有未遍歷的狀態(tài)節(jié)點，獲取未遍歷的狀態(tài)節(jié)點，從可達(dá)矩陣RM中獲取該狀態(tài)節(jié)點對應(yīng)主機(jī)可到達(dá)的主機(jī)節(jié)點集合reachable_hostids，將該狀態(tài)節(jié)點標(biāo)記為“已遍歷”，轉(zhuǎn)步驟4 ;否則，轉(zhuǎn)步驟9 ; 步驟4,針對第三步得到的主機(jī)節(jié)點集合reachable_hostids,若reachable_hostids中有未遍歷的主機(jī)節(jié)點，轉(zhuǎn)步驟5 ;否則，轉(zhuǎn)步驟3 ； 步驟5,在reachable_hostids集合中，獲取下一個未遍歷的主機(jī)節(jié)點，得到該主機(jī)節(jié)點的脆弱點集合vuls ;如果脆弱點集合vuls中還有未遍歷的脆弱點,轉(zhuǎn)步驟6 ;否則,轉(zhuǎn)步驟4; 步驟6，在脆弱點集合vuls中，獲取下一個未被遍歷的脆弱點，若脆弱點被利用的條件滿足，且利用后的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不在狀態(tài)隊列中，轉(zhuǎn)步驟7 ;若脆弱點被利用的條件滿足但利用后的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)已存在狀態(tài)隊列中，轉(zhuǎn)步驟8 ; 步驟7，就生成一個新的狀態(tài)節(jié)點，并生成一個當(dāng)前狀態(tài)節(jié)點到新狀態(tài)節(jié)點的狀態(tài)變遷，同時將新狀態(tài)節(jié)點加入狀態(tài)隊列中，并標(biāo)記為“未遍歷”，轉(zhuǎn)步驟6 ； 步驟8，則只生成一個從當(dāng)前狀態(tài)節(jié)點到舊狀態(tài)節(jié)點的一個變遷，轉(zhuǎn)步驟6 ； 步驟9，根據(jù)狀態(tài)變遷關(guān)系構(gòu)建一個完整的狀態(tài)攻防圖，結(jié)束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法，其特征在于:所述的第四步中，所述的原子攻擊其利用一個脆弱點所發(fā)起的攻擊，結(jié)合CVSS，其成功概率采用脆弱點的信度和其被利用的難易程度來表示，即:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法，其特征在于:所述的第五步中，攻擊路徑用三元1.(src hos^dsi hast,sequence)表示，其中STC—host是發(fā)起攻擊的主機(jī)節(jié)點名稱，dst_Imst是遭受攻擊的主機(jī)節(jié)點名稱，■sepMMce是此次攻擊的攻擊序列，seqsmwe =_Ly T144…4 4 O,其中“丄”是該序列的起始標(biāo)識符,“0 ”是該序列的結(jié)束標(biāo)不符，*—O是原子攻擊，是*j+!的直接前驅(qū)，1V+1是'-的直接后繼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法，其特征在于:所述的第六步中，網(wǎng)絡(luò)安全博弈模型#51 #是一個三元組，二 (P，S，T，U),其中表示參與攻防博弈的局中人集合，Pa為攻擊者，為防御者；S =表示網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)構(gòu)成的集合;T == O5LA 表示局中人的策略集合，ri為攻擊者的在狀態(tài)s下的策略集合，即為攻擊者到達(dá)安全狀杏s下 所有攻擊路徑構(gòu)成的集合，T1為防御者在狀態(tài)^下的策略集合，即為攻擊者到達(dá)安全狀 杏I下所有攻擊路徑對應(yīng)防御措施構(gòu)成的集合；17 == OaIA--3n表示局中人的效用函數(shù)集合，U1a為攻擊者在安全狀態(tài)I下的效用函數(shù),Uir 為防御者在安全狀態(tài)'下的效用函數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法，其特征在于:所述的第七步中，攻防雙方采用不同攻防策略時的效用值描述為:攻擊者的效用等于攻擊者的收益和攻擊者的攻擊成本之差，防御者的效用等于由防御者的收益和防御者的防御成本之差。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法，其特征在于:所述的第八步中，最優(yōu)攻防決策算法的步驟如下: 步驟1，輸入權(quán)利要求1所述的第三步中生成的狀態(tài)攻防圖，根據(jù)狀態(tài)攻防圖初始化網(wǎng)絡(luò)安全博弈模型AS #= 0，S，T, U)； 步驟2，針對網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)集合&判斷網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)集合S中是否還有未遍歷的狀態(tài)st如果網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)集合S中還有未遍歷的狀態(tài)' 轉(zhuǎn)步驟3;否則，算法結(jié)束，退出； 步驟3，獲取未遍歷的狀態(tài)Si,從狀態(tài)攻防圖中，獲取到達(dá)狀態(tài)Si的所有攻擊路徑和防御路徑，分別作為攻擊策略集合TiA=Uijil, t\2,...，和防御策略集合TH t\2,...，t\n)，并將狀杏' 的遍歷標(biāo)記置為“已遍歷”； 步驟4，根據(jù)上述得到的攻擊策略集合T1a和防御策略集合fD,生成它們的笛卡爾積集合，即Ax A ; 步驟5，判斷集合中是否還有未遍歷的攻防策略對，即(t、, ) - r'AX rD,如果有，轉(zhuǎn)步驟6 ;否則，轉(zhuǎn)步驟7 ; 步驟6，在集合中，獲取下一個未遍歷的攻防策略對Waj, (、)，根據(jù)攻擊路徑的成功概率和危害指數(shù)，計算該策略對的效用值，轉(zhuǎn)步驟5 ； 步驟7，生成網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)下不同攻防策略的效用矩陣Ui ； 步驟8，調(diào)用混合策略納什均衡求解算法，計算狀態(tài)節(jié)點&下的最優(yōu)攻擊策略P1A= (P1AlP1A2, -/J 和防御策略 P1D= (P1DlP1D2, -,P1D^ ； 步驟9，將狀態(tài)下狀態(tài)節(jié)點Si的最優(yōu)攻擊策略/^和最優(yōu)防御策略/分別加入到最優(yōu)攻擊策略集&和最優(yōu)防御策略集/ 中，轉(zhuǎn)步驟2。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的攻防博弈的網(wǎng)絡(luò)安全最優(yōu)攻防決策方法，其特征在于:所述的第八步中，混合策略納什均衡的計算，采用非線性規(guī)劃求解混合策略納什均衡方法如下:在狀態(tài)下，設(shè)攻擊策略集
全文摘要
本發(fā)明涉及一種狀態(tài)攻防圖模型的網(wǎng)絡(luò)安全攻擊防御方法，屬于網(wǎng)絡(luò)安全防御技術(shù)領(lǐng)域。該方法利用狀態(tài)攻防圖對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的攻防場景建模，然后計算原子攻擊的成本收益，進(jìn)一步計算不同網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)下攻防雙方采取不同攻防策略的效用矩陣，最后基于非合作非零和博弈模型求解納什均衡，得出最優(yōu)防御策略。本發(fā)明的顯著優(yōu)點1、將攻擊場景通過狀態(tài)攻防圖建模，能很直觀、清晰地描述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處于不同網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)下的攻防策略；2、將攻防成本和收益的計算轉(zhuǎn)化為對攻擊成功概率和危害指數(shù)的計算，簡化了攻防效用的計算；3、在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的攻防交互過程中，考慮了攻防雙方的成本和收益，幫助網(wǎng)絡(luò)管理員做出理性的決策，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理收益的最大化。
文檔編號H04L29/06GK103152345SQ20131007279
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月7日
發(fā)明者李千目, 劉剛, 申明磊, 姚曉蓮, 戚湧, 侯君 申請人:南京理工大學(xué)常熟研究院有限公司