基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析的新能源網(wǎng)絡(luò)邊界協(xié)同防護(hù)技術(shù)

1當(dāng)前新能源網(wǎng)絡(luò)邊界協(xié)同防護(hù)研究水平隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，以及受到國(guó)家能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整等因素的影響，我國(guó)新能源電力設(shè)施發(fā)展迅猛。特別是寧夏等地廣人稀的省份，修建了大量的新能源電廠。在各類新能源中，光伏、風(fēng)能等新能源憑借技術(shù)成熟、污染少、建設(shè)快、占地面積小等特點(diǎn)，得到了快速發(fā)展。1.1網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備聯(lián)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全一貫的做法是靜態(tài)防御，利用防火墻進(jìn)行訪問(wèn)控制，其他類設(shè)備進(jìn)行內(nèi)容過(guò)濾和加密。隨著技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)也由靜態(tài)防御向動(dòng)態(tài)防御進(jìn)行轉(zhuǎn)變，入侵防御、應(yīng)用防火墻、漏洞掃描等動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)手段得到廣泛應(yīng)用，是網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的不二選擇。動(dòng)態(tài)防御技術(shù)檢測(cè)能力很強(qiáng)，但受設(shè)備檢測(cè)深度和特征庫(kù)豐富程度的限制，不能有效防御攻擊。因此，需要一個(gè)動(dòng)靜結(jié)合的、具備互動(dòng)能力的綜合安全體系，不僅包括多種安全技術(shù)的有機(jī)集成和多種安全產(chǎn)品之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)，同時(shí)也是安全產(chǎn)品提供商和服務(wù)提供商之間的有機(jī)集成。1.2新能源網(wǎng)絡(luò)邊界威脅場(chǎng)景分析新能源具有間歇性波動(dòng)的特點(diǎn)，如果不能掌握實(shí)時(shí)的發(fā)電信息，其并網(wǎng)后的功率波動(dòng)會(huì)帶來(lái)電網(wǎng)頻率偏移和頻率穩(wěn)定性問(wèn)題，將對(duì)電網(wǎng)調(diào)度、負(fù)荷預(yù)測(cè)和發(fā)用電平衡產(chǎn)生重大影響，因此省地電力調(diào)度需要對(duì)新能源電廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)在于對(duì)新能源電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)接入主站所形成的接入?yún)^(qū)域的網(wǎng)絡(luò)安全進(jìn)行防護(hù)。根據(jù)電網(wǎng)安全防護(hù)要求，新能源網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)隔離、分區(qū)管理的模式。根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)入侵場(chǎng)景的特點(diǎn)，可以將網(wǎng)絡(luò)入侵的場(chǎng)景分為縱向入侵和橫向入侵兩種類型。兩種入侵場(chǎng)景的特點(diǎn)在于：縱向入侵主要在同一個(gè)分區(qū)內(nèi)實(shí)施，網(wǎng)絡(luò)連接條件較好，網(wǎng)絡(luò)流量經(jīng)過(guò)加密裝置；橫向入侵主要是從低安全要求區(qū)域往高安全防護(hù)要求區(qū)域進(jìn)行滲透，會(huì)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)流量未經(jīng)過(guò)加密裝置。2基于大數(shù)據(jù)的新能源邊界網(wǎng)絡(luò)安全探索目前，在新能源網(wǎng)絡(luò)中能采集到的各類電網(wǎng)信息主要包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、設(shè)備狀態(tài)信息、電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)信息、電網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息、電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境信息和各類設(shè)備軟硬件信息等。電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)體量巨大，數(shù)據(jù)類型繁多，大數(shù)據(jù)環(huán)境下大規(guī)模原始情報(bào)數(shù)據(jù)量與日俱增，來(lái)源多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。基于數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性和重復(fù)性，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立網(wǎng)絡(luò)安全感知模型，將海量數(shù)據(jù)進(jìn)行去重、關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)宏觀描述網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)，支撐跨域入侵追蹤。新能源網(wǎng)絡(luò)安全大數(shù)據(jù)分析包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)去重、入侵?jǐn)?shù)據(jù)路徑還原，其中，數(shù)據(jù)采集是指結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，通過(guò)設(shè)備日志、設(shè)備告警和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的嗅探來(lái)獲取原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)去重是指數(shù)據(jù)采集探測(cè)到海量日志、告警數(shù)據(jù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行去重，化繁從簡(jiǎn)。入侵?jǐn)?shù)據(jù)路徑還原是指對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)先去重，然后提取特征，再結(jié)合知識(shí)庫(kù)中的攻擊模式進(jìn)行攻擊行為的匹配，還原攻擊路徑。新能源網(wǎng)絡(luò)安全大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)絡(luò)安全入侵路徑重現(xiàn)的全過(guò)程。新能源邊界網(wǎng)絡(luò)安全入侵路徑重現(xiàn)的詳細(xì)過(guò)程如下文所述。（1）數(shù)據(jù)采集。采集新能源網(wǎng)絡(luò)中各類設(shè)備、系統(tǒng)產(chǎn)生的日志和發(fā)生異常時(shí)的日志，以及攻擊者攻擊時(shí)產(chǎn)生的日志和流量。（2）基于屬性相似性的告警去重。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)告警事件包含了一系列的屬性，利用告警事件屬性的相似性和告警發(fā)生的小間隔時(shí)間，采用哈希函數(shù)來(lái)快速發(fā)現(xiàn)屬性相似的告警事件。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件按照其發(fā)生到形成的時(shí)間序列可以描述為一個(gè)多元組，其中t代表日志記錄生成的時(shí)刻，s代表監(jiān)測(cè)事件的類型，代表事件的屬性，可以包括事件名稱、參與者、出現(xiàn)場(chǎng)景、攻擊對(duì)象、性質(zhì)、檢測(cè)依據(jù)等要素。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件的發(fā)生具有一定的持續(xù)時(shí)間，因此告警日志中會(huì)出現(xiàn)大量相似的重復(fù)記錄，若兩個(gè)日志的時(shí)間間隔在某個(gè)特定范圍內(nèi)，且日志除去t和s元素后剩下的n元組哈希值相等，便判定為同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件，并對(duì)其進(jìn)行去重。去重判定方法如下文所述。對(duì)于兩條告警日志x和y，若，且則認(rèn)為x=y并保留時(shí)間較前的一條日志。其中，是一個(gè)基于過(guò)去經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得到的時(shí)間間隔，Hash代表哈希函數(shù)。Hash函數(shù)可以使用常用的MD5，SHA-1等散列函數(shù)。時(shí)間間隔

取過(guò)去日志數(shù)據(jù)中同一事件類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊持續(xù)時(shí)間

的算術(shù)平均值，即對(duì)于事件類型

和時(shí)間間隔，最終我們可以得到全集（3）入侵?jǐn)?shù)據(jù)路徑還原。依據(jù)新能源信息網(wǎng)絡(luò)分區(qū)布防的信息（一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、各區(qū)邊界布防和三個(gè)區(qū)域傳遞的信息），結(jié)合鉆石分析模型，推斷出入侵事件中無(wú)法直接獲得的關(guān)聯(lián)性元素，具體為提取一個(gè)元素，并利用該元素與數(shù)據(jù)源相結(jié)合，以發(fā)現(xiàn)相關(guān)元素。最后從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特征、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載特征和網(wǎng)絡(luò)流量特征3個(gè)方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)入侵事件進(jìn)行路徑還原。3跨域協(xié)同追蹤技術(shù)針對(duì)多網(wǎng)絡(luò)自治域環(huán)境下跨域的安全威脅，針對(duì)基于跨域入侵追蹤技術(shù)展開(kāi)研究，通過(guò)域間節(jié)點(diǎn)的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)跨域安全威脅的實(shí)時(shí)追蹤。3.1跨域入侵追蹤技術(shù)當(dāng)前，入侵追蹤主要通過(guò)兩種途徑：一種是基于IP報(bào)文的，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的各級(jí)路由器支持，結(jié)合IP報(bào)文信息，層層溯源找到入侵源；另一種是面向連接的，通過(guò)將入侵源和被攻擊源之間的網(wǎng)絡(luò)流進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而確定兩者間的關(guān)系。入侵追蹤IP數(shù)據(jù)報(bào)文分為測(cè)試連接、記錄日志、控制消息協(xié)議（InternetControlMessageProtocol，ICMP）追蹤和報(bào)文標(biāo)記。其中，測(cè)試連接是從距離受攻擊主機(jī)最近的路由設(shè)備開(kāi)始，進(jìn)行上游數(shù)據(jù)鏈遞歸檢查，直至找到攻擊流量源頭。日志記錄是收集分析網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文日志信息，從而獲取入侵報(bào)文的傳輸途徑。ICMP追蹤是對(duì)路由器轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文時(shí)以較低的概率隨機(jī)復(fù)制若干報(bào)文，添加路由信息并封裝成ICMP報(bào)文，再發(fā)到接收端。被攻擊主機(jī)在收到這些ICMP報(bào)文后，收集報(bào)文中存在的路由信息，重構(gòu)入侵傳輸途徑。報(bào)文標(biāo)記是以一定的概率對(duì)路由器轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文添加標(biāo)記，再通過(guò)收集攜帶標(biāo)記的數(shù)據(jù)包完成對(duì)入侵路徑的重構(gòu)。3.2多層次的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同阻斷技術(shù)目前，網(wǎng)絡(luò)中常用的阻斷技術(shù)包括：在網(wǎng)絡(luò)邊界通過(guò)路由器或者防火墻阻斷網(wǎng)絡(luò)連接，在內(nèi)網(wǎng)通過(guò)劃分虛擬局域網(wǎng)（VirtualLocalAreaNetwork，VLAN）來(lái)控制內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的連通性，在內(nèi)網(wǎng)還可以通過(guò)向連接兩端的節(jié)點(diǎn)發(fā)送TCPReset包來(lái)阻斷連接。3.3協(xié)同追蹤模型的功能單元網(wǎng)絡(luò)入侵可能在多個(gè)自治域（AutonomousSystem，AS）之間跨越，這就需要建立協(xié)同入侵追蹤機(jī)制，在多個(gè)AS間追蹤入侵，從而實(shí)現(xiàn)安全高效、易擴(kuò)展的跨域入侵追蹤，同時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)流間的關(guān)聯(lián)性，提出入侵路徑的構(gòu)建算法，有效防止自治域間泄露敏感信息。基于網(wǎng)絡(luò)流水印的跨域入侵追蹤架構(gòu)如圖1所示，包含如下組件：域內(nèi)追蹤服務(wù)客戶端組件（TrackingServiceClient，TSC）負(fù)責(zé)接收本自治域內(nèi)來(lái)自預(yù)警分析平臺(tái)追蹤策略或入侵檢測(cè)組件（IntrusionDetectionSystem，IDS）的入侵報(bào)警，然后向域內(nèi)追蹤審定決策點(diǎn)組件（TrackingDecisionPoint，TDP）提出啟動(dòng)入侵追蹤的請(qǐng)求；TDP根據(jù)本自治域的入侵追蹤管理策略對(duì)來(lái)自本域中TSC發(fā)出的追蹤請(qǐng)求進(jìn)行審核；域間追蹤管理器組件（Inter-domainTrackingManager，ITM）是實(shí)現(xiàn)本自治域內(nèi)以及跨自治域追蹤的管理中心；域邊界追蹤管理器組件（BorderTrackingManager，BTM）用于確定當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)攻擊流與本自治域的關(guān)系；域內(nèi)追蹤管理器組件（DomainTrackingManager，DTM）用于定位源自本自治域的入侵源。圖1跨域協(xié)同入侵追蹤架構(gòu)3.4跨域網(wǎng)絡(luò)入侵跳板節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)算法跨域的網(wǎng)絡(luò)入侵采用跳板節(jié)點(diǎn)時(shí)，通常采用事后追蹤的方式，該方式需要分析海量的服務(wù)器日志和交換設(shè)備日志才能溯源到攻擊者。本文提出采用基于網(wǎng)絡(luò)流水印的方法來(lái)定位跳板節(jié)點(diǎn)，可以做到實(shí)時(shí)追蹤，并且避免了分析海量日志，能夠有的放矢地采集數(shù)據(jù)。3.4.1基于數(shù)據(jù)包間隔的自校驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)流水印在原來(lái)基于數(shù)據(jù)包間隔的網(wǎng)絡(luò)流水印算法的基礎(chǔ)上，對(duì)用于嵌入網(wǎng)絡(luò)流水印的數(shù)據(jù)包組引入冗余。假設(shè)需要嵌入m位的網(wǎng)絡(luò)流水印，原先需要提取m組數(shù)據(jù)包，現(xiàn)在提取2m組數(shù)據(jù)包，其中相鄰的2組數(shù)據(jù)包用于產(chǎn)生1位網(wǎng)絡(luò)流水印。相鄰2組中的前1組按照原來(lái)的方法產(chǎn)生1位網(wǎng)絡(luò)流水印，后1組按照校驗(yàn)規(guī)則產(chǎn)生當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流水印位的校驗(yàn)信息。本文采用m位的2進(jìn)制校驗(yàn)碼來(lái)決定每1位網(wǎng)絡(luò)流水印的校驗(yàn)規(guī)則，即校驗(yàn)碼和網(wǎng)絡(luò)流水印長(zhǎng)度相同，1位對(duì)應(yīng)1位。當(dāng)校驗(yàn)碼為0時(shí)，校驗(yàn)信息位和網(wǎng)絡(luò)流水印位相同；當(dāng)校驗(yàn)碼為1時(shí)，校驗(yàn)信息位和網(wǎng)絡(luò)流水印位相反。3.4.2基于時(shí)隙質(zhì)心的擴(kuò)頻流水印機(jī)制現(xiàn)有的水印機(jī)制雖然能有效追蹤單個(gè)網(wǎng)絡(luò)攻擊入侵，但在水印實(shí)際追蹤過(guò)程中，多個(gè)水印流常進(jìn)入同一個(gè)匿名信道中的混合結(jié)點(diǎn)。多個(gè)不同的水印流之間存在嚴(yán)重干擾情況，嚴(yán)重影響現(xiàn)有水印的追蹤效果。因此，采用基于時(shí)隙質(zhì)心的擴(kuò)頻流水印的新型水印技術(shù)，增強(qiáng)了現(xiàn)有的直接序列擴(kuò)頻水印和時(shí)隙質(zhì)心水印的檢測(cè)效果。使用時(shí)隙質(zhì)心網(wǎng)絡(luò)流水印嵌入方法可以解決直接擴(kuò)頻方法流速率不穩(wěn)定的問(wèn)題，但是存在多個(gè)流水印在網(wǎng)絡(luò)中形成干擾的情況。因此，可以將直接序列擴(kuò)頻和時(shí)隙質(zhì)心方法相互結(jié)合，先將原始的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包按照直接擴(kuò)頻方式進(jìn)行調(diào)制，然后按照時(shí)隙質(zhì)心的方法嵌入網(wǎng)絡(luò)流水印。3.5跨域網(wǎng)絡(luò)入侵的路徑重構(gòu)自治域網(wǎng)絡(luò)中的ITM根據(jù)確定的入侵源，沿跨域協(xié)同追蹤請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)的逆向路徑依次返回跨域追蹤結(jié)果。當(dāng)最初簽發(fā)ITM協(xié)同追蹤請(qǐng)求的ITM1組件收到所有相鄰ITM組件返回的追蹤結(jié)果時(shí)，即可利用跨域入侵路徑構(gòu)建算法以確定當(dāng)前入侵攻擊的跨域入侵路徑。4多層次的網(wǎng)絡(luò)威脅協(xié)同阻斷技術(shù)研究常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)阻斷技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，按照域內(nèi)和域間、TCP/IP分層模型、阻斷機(jī)理，結(jié)合信息網(wǎng)絡(luò)典型威脅場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)多層次網(wǎng)絡(luò)阻斷。4.1網(wǎng)絡(luò)阻斷技術(shù)及其分層方法旁路阻斷是旁路接入用以偵聽(tīng)通信數(shù)據(jù)報(bào)文、還原協(xié)議、識(shí)別攻擊行為、阻斷非法連接的方法，其優(yōu)點(diǎn)是不影響網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)速度，用戶無(wú)須設(shè)置。采用旁路的方式管理網(wǎng)絡(luò)并阻斷非法連接的方法可以分為以下3類：（1）發(fā)送包。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)TCP連接兩端發(fā)送阻斷信息，主動(dòng)切斷連接，但無(wú)法阻斷用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP）會(huì)話。（2）通過(guò)與網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品聯(lián)動(dòng)，建立臨時(shí)規(guī)則。主要向防火墻發(fā)送臨時(shí)規(guī)則，以及向路由器或交換機(jī)發(fā)送臨時(shí)訪問(wèn)控制列表（AccessControlList，ACL），阻斷當(dāng)前會(huì)話。（3）基于ARP的阻斷方式。偽造地址解析協(xié)議（AddressResolutionProtocol，ARP）應(yīng)答包，使得非法連接主機(jī)的ARP表錯(cuò)誤，無(wú)法連接到網(wǎng)關(guān)，從而阻斷連接。4.2跨域網(wǎng)絡(luò)入侵的多層次協(xié)同阻斷為實(shí)現(xiàn)多層次的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同阻斷，本課題在網(wǎng)絡(luò)攻擊圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使用防御圖進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)同阻斷研究。與攻擊圖類似，防御圖是一個(gè)有向圖，節(jié)點(diǎn)表示某種網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)，表達(dá)了網(wǎng)絡(luò)的資源屬性及用戶或攻擊者對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)能力。但防御圖的有向邊表示攻擊者利用各種原子攻擊從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)到另一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系和實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換的攻擊成本和收益。這種狀態(tài)變化可以表現(xiàn)為文件修改、系統(tǒng)配置改變、可執(zhí)行程序運(yùn)行、攻擊者的特權(quán)提升等。Sa是攻擊者從初始節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所有的攻擊路徑的集合，即攻擊策略集合。每一個(gè)攻擊路徑是一個(gè)或多個(gè)原子攻擊的序列。對(duì)于每一個(gè)原子攻擊或攻擊策略都對(duì)應(yīng)一系列防御策略，所有的防御策略組成Sd。某網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生成的防御圖如圖2所示，防御圖集合攻擊者從初始節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所有的攻擊路徑的集合S={A，B，C，D.E，F(xiàn)}，用標(biāo)有字母的圓圈表示。SO={4}，Ss={F}，用標(biāo)有原子攻擊名稱和攻擊收益的有向邊表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系，如al∶30表示原子攻擊al使得網(wǎng)絡(luò)從狀態(tài)A到狀態(tài)B，攻擊收益是30（單位是貨幣單位），Sa={1，2，3}，用標(biāo)有防御策略名稱和收益的方框表示每條攻擊路徑的防御策略。圖2

防御圖實(shí)例在此基礎(chǔ)上，為了有效地、主動(dòng)地防御網(wǎng)絡(luò)攻擊，本文擬設(shè)計(jì)一種多層次的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同阻斷方法，包括物理網(wǎng)絡(luò)阻斷和連接干擾。根據(jù)防御圖，以攻擊路徑共同點(diǎn)、攻擊收益和防御成本為優(yōu)化目標(biāo)，使用多目標(biāo)優(yōu)化方法選擇具體的防御節(jié)點(diǎn)，具體防御方法可根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情形進(jìn)行多層選擇，如使用交換機(jī)阻斷方式，通過(guò)統(tǒng)一的配置腳本修改交換機(jī)配置，使得攻擊者無(wú)法連接到常規(guī)網(wǎng)絡(luò)，也可以通過(guò)