引言

    目前，網絡安全事件層出不窮。但所有的網絡安全防御措施都無法保證網絡的絕對安全。因此，對網絡所面臨的安全風險進行實時感知和分析評估(如危險程度大小)就非常重要。目前，靜態的網絡風險評估模型? 可以對網絡長期所處的風險狀態進行粗略評估，但無法實時檢測網絡正在遭受的攻擊，缺少自適應性。動態網絡風險評估方面，文獻[2]提出了基于主機的實時風險評估；文獻[3]提出了使用網絡節點關聯性的分析方法；文獻[4]提出了基于隱馬爾可夫模型(Hidden Markov Model，HMM)的實時網絡安全風險量化方法；文獻[5]提出了基于人工免疫的風險檢測和評估方法；文獻[6]使用云模型對內部威脅進行感知；文獻分別使用層次分析法、信息熵、核函數、粗糙集、概率風險分析法、模糊集合分析法等智能方法對網絡風險進行評估；文獻[12]通過云控制器和規則實現了網絡風險的分析和評估。

    由于網絡入侵具有隨機性，而對網絡風險的評估一般用自然語言來描述(如危險、安全)，具有一定的模糊性，并且隨機性和模糊性之間具有一定的關聯。此外，網絡風險程度是定性概念，而引起網絡風險變化的各個參數的值是定量的。典型的網絡風險評估方法中，多是單一地從定性(定量)角度去分析，或者分別從隨機性和模糊性的角度去分析網絡風險，因此，評估的結果還不夠客觀。基于此，本文利用云模型有效集成了模糊性和隨機性的特點，提出一種基于云模型的網絡風險評估方法。用云模型從多角度將網絡入侵的定性、定量特征融合分析并進行決策，同時兼顧網絡風險的模糊性和隨機性的特點，提高了入侵風險評估的準確性和客觀性。

1 理論基礎和設計思想

    1．1 云模型的基本概念

    云模型能夠實現用語言值表示的某個定性概念與其定量(數值)表示之間的不確定轉換。它主要反映知識中概念的兩種不確定性：模糊性和隨機性以及二者之間的關聯性。云模型中云由許許多多云滴組成，云的整體形狀反映了定性概念的重要特性。云用期望值EX、熵En、超熵He三個數值特征來表示，記作C(Ex，En，He)，即云的向量特征。它們反映了定性知識的定量特性：期望EX反映了相應的定性知識的信息中心值；熵En是定性概念隨機性的度量，反映了能夠代表這個定性概念的云滴的離散程度；超熵HE是熵En的熵，反映了云的離散程度。超熵的大小間接地反映了云的厚度，即確定度的不確定性， 越小，說明隨機性越小。經統計分析，對于論域U中定性概念C有貢獻的云滴(占99．74％)主要落在區間[Ex一3En，Ex+3En]，因此這個區間以外的云滴對定性概念的貢獻可以忽略 。

    1．2設計思想

    在網絡中，當主機遭受到入侵攻擊時，其主要性能指標(如CPU占用率、內存占用率)必然會發生異常變化，同時，這些變化的幅度也決定了網絡風險大小。因此，可以根據系統主要指標的變化來確定網絡面臨的風險程度。網絡入侵的發生具有很大的隨機性，而對網絡入侵風險的評估多采用自然語言來描述，這導致風險評估結果又具有一定的模糊性；同時，在遭受到入侵時候，各參數之間的變化是相互關聯的(比如，CPU占用率的提高往往跟內存占用率有關系)。因此，必須實現定量定性之間的轉換，以及考慮模糊性和隨機性的關聯，才能更準確地評估風險。云模型把定性概念的模糊性和隨機性及二者的關聯性有效集成在一起，構成定性和定量相互間的轉換。因此，可以采用云模型描述多個系統參數及其變化之間的關聯性，從而對網絡風險進行評估決策。

    本文方法的基本任務為：根據系統當前性能指標的狀態值，依據設計的云決策發生器，輸出系統的危險級別。具體思想和實現過程如下：1)確定出能夠影響系統性能的主要指標并形式化；2)設置系統的狀態為(不正常，不太正常，基本正常，正常)，相應的風險評估結果為(高，較高，較低，低)，對相應危險級別的系統資源變量進行采樣，利用逆向正態云算法計算相應級別的標準概念云；3)定量輸入處理，根據云相似度算法，對于某一時刻的輸入，輸出系統的危險程度(高，較高，較低，低)。

2關鍵技術與實現

    定義1 風險評估模型為形=(F，V，E)，其中，F、V、E分別代表因素集、權重集、評價集。因素集F=(F1，F2，...，F。)分別代表影響網絡風險評估值的n個因素，如cPu占用率、內存占用率、進程響應時間等；權重集V=(V1，V2，...，Vn)代表各因素所占的權重，且V1+V2+?+VN=19VT>O(1≤i≤n)；風險結果評判集設為E=(高，較高，較低，低)。

    定義2 系統變量云。定義系統變量云為：Cloud=(S，T,En，Ex，He)，其中S代表需要采樣的系統資源集合(包括內存占有率、CPU占有率、進程響應時間等)，T為采樣時間間隔。

    2．1云發生器的構造

    云發生器的構造需要先驗知識。雖然網絡入侵的出現具有不確定性和難以預知性，但正常狀態(安全狀態)是確定的，同時某些已知的入侵發生時系統的狀態也是可得的。因此，可以得到正常狀態下的數字特征，從而得到標準概念云。

    1)標準概念云的生成。

    在網絡正常運行情況下，采用滑動窗口的方式對系統參數進行連續采樣，獲取正常狀態樣本點，將樣本點的各維(即各系統參數)規格化到[0，1]內(這里盡可能多地進行采樣，以便使結果更加準確)。由于網絡風險評估中，只能得到采樣到的一組數據值，而很難獲得確定度，所以，本文采用未知確定度的逆向云發生器算法，用此算法求出此云的數字特征，然后采用正向云生成算法，得到該正常概念云。

    2)其他狀態的概念云生成關鍵技術。

    對于其他概念云的生成，本文采用實際數據采集與估算相結合的方法。理想情況下，“正常”概念云與“不正常”概念云有交集，說明兩個概念可覆蓋整個狀態空間。但實際上對網絡系統而言，不適宜直接劃分為“正常”與“不正常”兩個狀態。因此，在本文中，對兩概念云之間未覆蓋的區域進一步劃分，生成四概念云(正常，基本正常，不太正常，不正常)以更好地滿足定性描述網絡風險的需要。

    將正常云的重心EXX和EXF之間的區域平分為兩部分，分別設為基本正常和不太正常概念云。根據云滴對概念的貢獻，論域中對概念有貢獻的云滴，主要落在區間[Ex一En，Ex+3En]。本文中，基于黃金分割率的云生產方法，相鄰云的熵和超熵，預設較小者是較大者的0．618倍，估算出Exx1(較正常)和EXF1(較不正常)。最后，生成四尺度的概念云(不正常，不太正常，基本正常，正常)，將其投影到一維平面上，如圖1所示。

    圖1 四概念云在內存上的投影示意圖

    3)綜合評價云的生成。

    其他各系統參數的概念云的生成類似，將其綜合可以得到綜合評估。權重的設置方法為對每個因素都分配相應的云權重(用云來描述權重)，讓云權重參與綜合評判，最終通過云計算得到基于云滴分布的綜合評價結果，改善了直接對期望值上界溢出進行修正而導致的不科學性函數。

    2．2網絡入侵風險的評估和決策過程

    本文方法的主要目的在于：根據當前系統變量值，直接感知出系統的安全風險，以正確評估風險。根據實際采集到的樣本值，計算此時的C(Ex，En，He）和云模型，然后根據下面的云相似度算法(算法1)，計算此云與已知概念云的相似度，相似度最高的即作為輸出。算法1通過產生一定數量的云滴，基于云滴之間的距離來度量云的相似度。

    從表1可以看出，兩種相似性度量方法均可以正確度量兩個云之間的相似度，進而得到正確的評估結果。與基于屬性相似度的云模型算法相比，本文方法是基于云滴之間的距離來計算的，避免了屬性權值等復雜計算，算法更加簡單。本文算法在度量云模型之間相似性方面的優點表現為：它不僅考慮了云模型中所產生云滴之間的局部相似性，還考慮了云模型整體形狀之間的全局相似性，使得該算法具有良好的泛化推廣性能。

3 系統仿真實驗

    3．1仿真過程與結果

    在windows環境下，用VC語言對算法進行了驗證，數據集為美國林肯實驗室Kddcu印數據。具體步驟簡述如下：1)用不含任何攻擊流量的訓練數據作為系統正常狀態，從t時刻開始，以周期T，分別對CPU占用率和內存占用率進行

    表2 網絡安全風險決策結果

    從表2可以看出，本方法可以給出正確的評價和決策結果。同時，從云的數字特征C(Ex，En，Ee)可以看出，風險較低、較高狀態的熵En和超熵He相對較大。熵En較大表明了此定性概念隨機性較大，比較離散，網絡處于此狀態具有較大的風險；超熵He較大，說明此時評估結果的不確定性較大。這恰好與現實生活一致：對網絡處于安全、不安全狀態的認識和評估，不同人評估結果差異較小；而對網絡處于較安全、較不安全狀態時，不同人評估結果差異性較大，也就是說，結果認定不同的可能性較大。因此，基于云模型的網絡風險評估不僅給出了正確的評估結果，而且保留了評估過程中的不確定性，結果具有更好的可理解性。

    3．2相關算法比較分析

    本文主要是利用云模型把模糊性與隨機性完美結合的優點，將其引入到網絡風險評估中。因此，主要與基于模糊思想與隨機性思想進行風險評估的相關典型算法進行比較。與基于概率的評估方法相比，雖然概率評估方法保留了評估結果的不確定性，但對評價集合的概率密度函數有嚴格要求，而且沒有考慮模糊性。與基于模糊思想(型1模糊集)的評估方法相比，模糊評估方法要求給出確定的隸屬度函數，一旦定義了隸屬度，實際上進入了精確數學，此后的推理、計算毫無模糊性可言，因此，對于相同的輸入，總會得到相同的結果，不符合人們對自然語言中概念理解的不確定性。型2模糊集糾改進了型1模糊系統在處理不確定性方面的不足，進一步給出模糊集合中隸屬度值的模糊程度，處理實際對象的不確定性。型2模糊集給出了隸屬度函數的隸屬度，使描述的集合模糊性增強，進一步刻畫了模糊現象，其評估過程與型l模糊集相似，計算較為復雜，運算量較大。云模型方法既反映了性能采樣樣本出現的隨機性，又反映了隸屬程度的不確定性，揭示了模糊性和隨機性之間的關聯性，最大限度地保留了評估過程中固有的不確定性，并且對語言值的描述采用期望、熵、超熵表示，具有相同的形態和更好的可理解性，提高了評估結果的可信度，推理結果更加合理而且貼近實際。表3給出了相關算法的比較分析。

    表3 相關網絡風險評估算法比較

4 結語

    本文提出了一種基于云模型的網絡入侵風險評估和決策方法，設計了一種改進云相似度計算方法，并驗證了其有效性。如何更合理及更準確地采樣影響系統的性能參數，以使得評價結果更科學可信，是下一步研究的方向。

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本文標題：網絡安全風險評估的云決策

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