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基于免疫危險(xiǎn)理論的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)定量感知模型

文檔作者：孫飛顯1 靳曉婷2 文檔來(lái)源： 1．中原工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院 2．河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)公共管理學(xué)院，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年04月27日
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第28卷第7期
2011年7月
計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究
Application Research of Computers
V01．28 No．7
Jul．20ll
基于免疫危險(xiǎn)理論的網(wǎng)絡(luò)安全
態(tài)勢(shì)定量感知模型宰
孫飛顯1，靳曉婷2
(1．中原工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，鄭州450007；2．河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)公共管理學(xué)院，鄭州450002)
摘要：針對(duì)基于免疫的異常入侵檢測(cè)技術(shù)自體／非自體區(qū)分困難、漏報(bào)誤報(bào)率高而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知結(jié)
果不準(zhǔn)確的問(wèn)題，受免疫危險(xiǎn)理論啟發(fā)，提出了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知模型。模型采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，部
署在主機(jī)上的傳感器利用人工抗體實(shí)時(shí)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)攻擊，并依據(jù)攻擊類另1和頻度計(jì)算危險(xiǎn)信號(hào)大小；模型中的安
全態(tài)勢(shì)評(píng)估中心通過(guò)分析、融合來(lái)自主機(jī)的多數(shù)據(jù)源危險(xiǎn)信號(hào)，進(jìn)而定量感知主機(jī)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全態(tài)勢(shì)。理
論分析和仿真結(jié)果表明該模型是有效的，并解決了網(wǎng)絡(luò)安全類的人工免疫系統(tǒng)難以區(qū)分自Ⅳ非自體之不足，為
實(shí)時(shí)、定量感知網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)提供了一個(gè)新思路。
關(guān)鍵詞：免疫；危險(xiǎn)理論；網(wǎng)絡(luò)安全；態(tài)勢(shì)感知。
中圖分類號(hào)：TP393；TPl8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-3695(2011)07—2680．03
doi：10．3969／j．issn．100l-3695．2011．07．079
Immune danger theory based quantitative model for
network security situation awareness
SUN Fei．xianl，JIN Ydao．tin92
(1．&amp;amp;hod曠ComputerSeieaee，Zhongyuan UniversityofTechnology，Zhtngz出ou450007，Ch／na；2．College礦舭Administration，Heaaa
￡‰毋ofgeonomies＆伽，ZhengzIIou 450002，ch／na)
Abstract：The danger theory is changing the traditional thinking ways of self／non—self discrimination．Aiming at the ddlciencies
of the immunity based security situation awareness method．this paper proposed鋤immune danger theory based quantitative
model for network security situation awareness(DTQMSA)．The mode architecture wag distributed．The host—based located
8enso惜were in charge of the detection of network attacks and the computation of danger signal．The network security situation
was obtained through fusing and analyzing the multi danger sig蒯coming from each computer host．Theoretical analysis and
simulation results show that the proposed model is valid．Thus．it provides a good solution to network security situation awareness
quantitatively and in real time．
Key words：immunity；danger theory；network security；situation awaronel蛆
0引言
計(jì)算機(jī)的安全問(wèn)題與生物免疫系統(tǒng)(biological immune
system，BIS)所遇到的問(wèn)題具有驚人的相似性，兩者都要在不
斷變化的環(huán)境中維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性?。BIS的免疫識(shí)別、免疫
記憶、快速免疫應(yīng)答、多樣化、魯棒等優(yōu)良特性已經(jīng)吸引了不少
研究者的關(guān)注，基于BIS機(jī)理的人工免疫系統(tǒng)(artificial iramllne
system。AIS)成為當(dāng)今信息安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，并
已取得了不少成果¨“j。然而，網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域基于自體／非自
體(selfnonself。SNS)識(shí)別機(jī)理的AIS難以區(qū)分自體和非自體，
如隨著網(wǎng)絡(luò)安全策略的改變，原本的非自體可能變成自體。此
外，傳統(tǒng)的AIS不能解釋自然免疫系統(tǒng)的某些現(xiàn)象(如腸道乳
酸菌可以存活在人的胃腸道內(nèi)．而人體的免疫系統(tǒng)對(duì)于這種非
自體的病菌不會(huì)產(chǎn)生免疫反應(yīng)，但是這種病菌在MS中被當(dāng)做
非自體)。文獻(xiàn)[7]依據(jù)MS機(jī)理提出了一個(gè)名為ACrma的
網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知模型，該模型通過(guò)抗體濃度來(lái)表述網(wǎng)絡(luò)的安
全態(tài)勢(shì)，較好地效仿了生物自然免疫系統(tǒng)的優(yōu)良機(jī)理。然而，
ACmsa模型沒(méi)有刻畫(huà)自體的動(dòng)態(tài)演化方法。不能描繪網(wǎng)絡(luò)安
全策略的變化對(duì)SNS的影響；同時(shí)，ACnssa依然屬于傳統(tǒng)AIS
范疇，存在自體和非自體識(shí)別困難的不足。
為克服傳統(tǒng)人工免疫系統(tǒng)中基于SNS的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感
知模型ACnssa的不足，受免疫危險(xiǎn)理論啟發(fā)，本文提出了一個(gè)
新的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知模型(DTQMSA)。
1免疫危險(xiǎn)理論概述
免疫危險(xiǎn)理論(d捌nger theory，Dr)‘。1最早由Manin辨r提
出。它改變了傳統(tǒng)人工免疫系統(tǒng)AIS基于SNS的免疫識(shí)別方
法。其主要思想如下：
a)自適應(yīng)免疫系統(tǒng)要區(qū)分的不是自體／非自體，而是危險(xiǎn)
信號(hào)(d觚咿si夸lal)。
收蕊日期：2010-12-14；修回日期：2011．01．挖基金硬目：國(guó)家自然科學(xué)鲞金資助項(xiàng)目(60sTsz46)：河南省井技攻關(guān)計(jì)劃夤助項(xiàng)目
(0921023t003s)；河南省教育廳自煞科學(xué)研究計(jì)劃量助項(xiàng)目‘2010A5加047．2010A520048．Z009曬20023)
作者膏介：羿飛王(1970-)．男，河南寶豐人．捌教授。碩導(dǎo)。博士。主要研究方向?yàn)橥j(luò)安全：人工免疫等(torYiSm@tmmL con)；靳曉婷
(1980·)，女。河南禹州人。講蜂，碩士，主要研完方向?yàn)殡娮诱?wù)及其安全、公共事業(yè)管理等．
J
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第7期孫飛顯，等：基于免疫危險(xiǎn)理論的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)定量感知模型·2681·
b)當(dāng)免疫細(xì)胞受損或非正常死亡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，
進(jìn)而觸發(fā)免疫反應(yīng)。
c)自適應(yīng)免疫中的細(xì)胞不攻擊它們的宿主。
可以看出，免疫危險(xiǎn)理論DT的免疫反應(yīng)是個(gè)體認(rèn)為受到
危險(xiǎn)時(shí)的刺激反應(yīng)．并不是對(duì)非自體的反應(yīng)；同時(shí)。在免疫危險(xiǎn)
理論中。外來(lái)病菌(如腸道乳酸菌)與免疫細(xì)胞可以共存，這與
傳統(tǒng)AIS的實(shí)現(xiàn)思想相悖。
免疫危險(xiǎn)理論模型的工作原理如圖1所示。
圖1 免疫危險(xiǎn)理論模型的工作原理
圖1說(shuō)明免疫細(xì)胞受損或者非正常死亡時(shí)會(huì)釋放報(bào)警信
號(hào)，該信號(hào)分散覆蓋在這個(gè)細(xì)胞周圍的一小片區(qū)域內(nèi)?？乖?
呈細(xì)胞(antigen presenting cells，APCs)受到刺激后將輪流刺激
自適應(yīng)性免疫系統(tǒng)中的淋巴細(xì)胞產(chǎn)生免疫反應(yīng)。在危險(xiǎn)理論
中，外源蛋白(可通過(guò)注人方式實(shí)現(xiàn))不存在危險(xiǎn)，進(jìn)而被忽
略；同樣，由于腫瘤細(xì)胞不經(jīng)歷死亡過(guò)程，因此不會(huì)發(fā)出警告信
號(hào)，所以免疫系統(tǒng)對(duì)之不會(huì)產(chǎn)生免疫反應(yīng)。正因?yàn)槲ｋU(xiǎn)信號(hào)僅
用于激活A(yù)PC8，圖中的B細(xì)胞和T細(xì)胞依據(jù)信號(hào)signa]l和
signal2分別被激活(signall是免疫細(xì)胞到抗原模式或者抗原
片段的紐帶．它是由抗原提呈細(xì)胞發(fā)出的；si印a12也是一種由
T協(xié)同細(xì)胞發(fā)出的“求助”信號(hào)，用于激活一個(gè)B細(xì)胞，或者由
抗原提呈細(xì)胞發(fā)出的用于激活T細(xì)胞的信號(hào))。
正因?yàn)槲ｋU(xiǎn)理論DT較好地闡釋了AIS無(wú)法解釋和實(shí)現(xiàn)
的自然免疫現(xiàn)象，DT成為當(dāng)前信息安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，
并在計(jì)算機(jī)病毒檢測(cè)一J、網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)¨?、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控與評(píng)
估?·等方面已取得了一定進(jìn)展。
2模型理論
DTQMSA模型的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。模型中的傳感器
采用基于主機(jī)的方式部署，其功能主要包括兩個(gè)方面：a)通過(guò)
人工免疫抗體(檢測(cè)器)實(shí)時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊檢測(cè)；b)計(jì)算本地
主機(jī)的危險(xiǎn)信號(hào)并告知安全態(tài)勢(shì)感知中心。安全態(tài)勢(shì)感知中
心通過(guò)分析、融合來(lái)自主機(jī)的多數(shù)據(jù)源危險(xiǎn)信號(hào)，進(jìn)而定量感
知主機(jī)乃至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全態(tài)勢(shì)。
瞄
傳感器^
{‘感器m?傳感器4
圖2 DTQMSA模型的體系結(jié)構(gòu)
2．1相關(guān)術(shù)語(yǔ)定義
為形式化描述DTQMSA模型的狀態(tài)空間，筆者用S表示
狀態(tài)空間集合，并假設(shè)se[0．1]‘。在DTQMSA中．人工抗原
(昭)看做是經(jīng)過(guò)提呈的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包．其中包括源lP地址、目的
IP地址、端口號(hào)、協(xié)議類型、IP標(biāo)志、IP數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度等字段。初
始被注人的人工抗體(d6)用于匹配叼。由此可知曲和口g的
結(jié)構(gòu)相同。且滿足口6，agES。
依據(jù)上述叼和口6的定義可以知道，口g和口6各由k個(gè)片
段組成(每個(gè)片段可以看做是基因片段)。筆者假設(shè)ag=ag．+
口92+?agt，ab=abl+ab2+?+口6I，其中的“+”表示連接運(yùn)
算。設(shè)d是人工免疫淋巴細(xì)胞。n是d檢測(cè)到的抗原數(shù)目，age
是d的年齡，出代表危險(xiǎn)信號(hào)，知和舶分別表示口g和曲的
集合，檢測(cè)器集合SII曲咖定義如下：
s～={：2篡’＆da)出Id阜e屁舶) ㈩
其中：』v和尺分別是自然數(shù)和實(shí)數(shù)集合。
在I)TQMSA中，免疫淋巴細(xì)胞d用來(lái)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)攻擊，分為
記憶淋巴細(xì)胞、成熟淋巴細(xì)胞和未成熟淋巴細(xì)胞。記憶淋巴細(xì)
胞是由生命周期內(nèi)匹配了一定數(shù)量抗原的成熟淋巴細(xì)胞進(jìn)化
而來(lái)，成熟淋巴細(xì)胞由未成熟淋巴細(xì)胞激活得到，而未成熟淋
巴細(xì)胞可以隨機(jī)生成或注射獲得。設(shè)s—一、S?！蛃；。。。。分
別表示記憶、成熟和未成熟檢測(cè)器集合，其形式化定義如下：
S嘲=l JI mES咖＆1．n≥口} (2)
s5一m：P酣岫“，：n l (3) 2 i vlEhoa，affmity(“，，)<盧j si="si" sESIymI="sESIymI" h="h" _x005F_x0033_模型分析與仿真="3模型分析與仿真" rQMSA即可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)="rQMSA即可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)" QMSA="QMSA" QMSA模型部署傳感器的網(wǎng)絡(luò)主="QMSA模型部署傳感器的網(wǎng)絡(luò)主" 表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一覽表="表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一覽表" land="land" Ol="Ol" _x005F_x0030_2="02" _x005F_x0030_3="03" _x005F_x0031_0="10" ll="ll" _x005F_x0031_2="12" _x005F_x0031_3="13" _x005F_x0031_4="14" _x005F_x0031_5="15" _x005F_x0031_10="110" _x005F_x0031_23="123" _x005F_x0031_36="136" _x005F_x0031_17="117" _x005F_x0031_41="141" _x005F_x0031_49="149" _x005F_x0031_25="125" _x005F_x0031_43="143" _x005F_x0031_52="152" _x005F_x0031_57="157" _x005F_x0031_19="119" _x005F_x0031_21="121" _x005F_x0031_35="135" _x005F_x0031_38="138" _x005F_x0031_29="129" _x005F_x0031_54="154" _x005F_x0031_46="146" _x005F_x0031_60="160" _x005F_x0031_73="173" _x005F_x0031_65="165" _x005F_x0031_26="126" _x005F_x0031_30="130" _x005F_x0031_6="16" _x005F_x0031_7="17" _x005F_x0031_8="18" _x005F_x0031_9加21="19加21" _x005F_x0032_2="22" _x005F_x0032_3="23" M="M" _x005F_x0032_5="25" _x005F_x0032_9="29" _x005F_x0033_0="30" _x005F_x0031_31="131" _x005F_x0031_51="151" _x005F_x0031_45="145" _x005F_x0031_48="148" _x005F_x0031_34="134" _x005F_x0031_61="161" _x005F_x0031_59="159" _x005F_x0031_70="170" _x005F_x0031_58="158" t44="t44" _x005F_x0031_74="174" _x005F_x0031_63="163" _x005F_x0033_l="3l" _x005F_x0033_2="32" _x005F_x0033_3="33" _x005F_x0033_4="34" _x005F_x0033_5="35" _x005F_x0033_6="36" _x005F_x0033_7="37" _x005F_x0033_8="38" _x005F_x0033_9加41="39加41" _x005F_x0034_2="42" _x005F_x0034_3="43" _x005F_x0034_4="44" _x005F_x0034_5="45" _x005F_x0031_4I="14I" _x005F_x0031_32="132" l國(guó)165="l國(guó)165" IS8="IS8" _x005F_x0031_78="178" _x005F_x0031_16="116" _x005F_x0031_27="127" _x005F_x0031_18="118" _x005F_x0031_62兒8="162兒8" _x005F_x0031_28="128" _x005F_x0034_6="46" _x005F_x0034_7="47" _x005F_x0034_8="48" _x005F_x0034_9="49" _x005F_x0035_0="50" _x005F_x0035_1="51" _x005F_x0035_2="52" _x005F_x0035_3="53" _x005F_x0035_4="54" _x005F_x0035_5="55" _x005F_x0035_6="56" _x005F_x0035_7="57" _x005F_x0035_8="58" _x005F_x0031_67="167" l醪156="l醪156" _x005F_x0031_55="155" l輻132="l輻132" _x005F_x0031_42="142" _x005F_x0031_47="147" smulf="smulf" muff="muff" mIIlf="mIIlf" _x005F_x0031_80="180" g="g" 髻160="髻160" 嘉150="嘉150" 備140="備140" 善130="善130" 舅120="舅120" llO="llO" 圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果="圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果" _x005F_x0034_結(jié)束語(yǔ)="4結(jié)束語(yǔ)" 本文提出的m="QMs^模型改變了傳統(tǒng)人工免疫系統(tǒng)AIS
基于SNS的免疫識(shí)別方法。理論分析和仿真結(jié)果表明該模型
能實(shí)時(shí)、定量地感知主機(jī)乃至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全態(tài)勢(shì)，較文獻(xiàn)
[7】提出的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知模型AC嗍具有更好的適應(yīng)
性。
然而，本文提出的m" CASTRO="CASTRO" L="L" imlmme="imlmme" lyI吐鋤越-novel="lyI吐鋤越-novel" _x005F_x0038_art="8art" ROECK="ROECK" 啪Iu6咖舡y="啪Iu6咖舡y" Notes="Notes" in="in" 萬(wàn)方數(shù)據(jù)="萬(wàn)方數(shù)據(jù)" _x005F_x00B7_2686·="·2686·" 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究第28卷="計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究第28卷" _x005F_x0033_相關(guān)工作比較="3相關(guān)工作比較" 在本文之前已經(jīng)有人用代數(shù)的方法形式化地描述策略合="在本文之前已經(jīng)有人用代數(shù)的方法形式化地描述策略合" 本文在對(duì)網(wǎng)格環(huán)境下的基于屬性的跨域訪問(wèn)控制策略合="本文在對(duì)網(wǎng)格環(huán)境下的基于屬性的跨域訪問(wèn)控制策略合" CAPffANI="CAPffANI" Di="Di" VIMERCAJll="VIMERCAJll" An="An" algebm="algebm" InformaUon="InformaUon" and="and" Systom="Systom" policy="policy" Trans="Trans"></盧j>

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