米洪　楊習(xí)貝

摘 要： 為了防護(hù)大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點信息安全，提出基于博弈論的安全預(yù)判模型，并對基于博弈論的大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息安全預(yù)判系統(tǒng)進(jìn)行實現(xiàn)。介紹了博弈論中博弈者、博弈策略、期望函數(shù)的相互關(guān)系，取節(jié)點信息攻守雙方為博弈者，構(gòu)建四元組安全預(yù)判模型，給出與博弈策略行為有關(guān)的期望函數(shù)。當(dāng)節(jié)點信息不安全時，根據(jù)非合作博弈均衡原理得到最佳博弈策略集合；當(dāng)節(jié)點信息安全時，將期望函數(shù)作為安全預(yù)判結(jié)果輸出。經(jīng)過實驗驗證可知，所提基于博弈論的安全預(yù)判模型具有很好的節(jié)點信息傳輸性能和節(jié)點信息搜索性能。

關(guān)鍵詞： 大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)； 節(jié)點信息安全； 預(yù)判技術(shù)； 安全預(yù)判模型

中圖分類號： TN711?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0080?03

Abstract： In order to protect the node information of large embedded network， a security forecasting model based on game theory is put forward， and its security forecasting system for node information in large embedded network is realized. The interrelation of gamer， game strategy and expected function in game theory is introduced. The attacker and defender of nodes information are taken as the gamers to build the four?tuple safety forecasting model. The expected function related to the game strategy behavior is given. If the nodes information is insecure， the optimal game strategy set is get according to the principle of non?cooperative game equilibrium. If the nodes information is secure， the expected function is taken as the result output of the safety forecasting. The experimental verification results show that the security forecasting model based on game theory has high node information transmission performance and high node information search performance.

Keywords： large embedded network； node information security； forecasting technology； security forecasting model

0 引 言

大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)在安保、監(jiān)測、通信等領(lǐng)域中具有很高的應(yīng)用價值，其體積小、能耗低、存儲量大、擴(kuò)展性能好，具有超高的性價比，在各個方面都符合人們對信息獲取的要求。伴隨著信息技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，網(wǎng)民數(shù)量大幅度增長，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量漏洞，存儲容量大的大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點信息面臨著安全挑戰(zhàn)，安全預(yù)判對信息安全非常重要，預(yù)判技術(shù)、流程與實現(xiàn)均為研究重點。根據(jù)大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)動態(tài)、復(fù)雜的行為本質(zhì)，采用博弈論[1]對節(jié)點信息的不安全行為進(jìn)行安全預(yù)判，提出基于博弈論的安全預(yù)判模型并實現(xiàn)。

1 節(jié)點信息安全預(yù)判技術(shù)研究

1.1 博弈論

博弈論的概念源自經(jīng)濟(jì)學(xué)，主要研究兩個或兩個以上平等結(jié)構(gòu)間的相互作用關(guān)系，屬于一種事前決策處理方法，可以解決與博弈性質(zhì)有關(guān)的均衡問題[2]。博弈論具有三項基本要素，即博弈者、博弈策略和期望函數(shù)[3]，三要素基本關(guān)系。如圖1所示，博弈論中兩個博弈者分別采用不同的博弈策略，期望函數(shù)由博弈者與博弈策略的特質(zhì)、結(jié)構(gòu)等條件產(chǎn)生。博弈者就是參加博弈的局內(nèi)人，符號[P]表示博弈者集合，集合元素數(shù)量大于等于2。博弈者在博弈中具有自主性，可以決定自身行為，行為結(jié)構(gòu)則決定著期望函數(shù)和博弈結(jié)局。博弈策略集合表示為[Ti]，[i]是博弈者集合[P]的排列方式。[Ti]中有兩個或兩個以上完整的可行策略，記錄博弈者的博弈行為。期望函數(shù)[Ui]是指用數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)博弈者期望得到的博弈結(jié)果，是一個預(yù)判過程。

節(jié)點信息的不安全行為是由于計算機硬件與軟件、網(wǎng)絡(luò)或配置信息對安全方式選擇不符實際產(chǎn)生的信息結(jié)構(gòu)破裂，它違反安全行為特質(zhì)，是造成信息漏洞的根本因素。在大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點防守政策與外部攻擊政策具有典型的平等結(jié)構(gòu)[4]，可以被看成博弈論中的兩個對等博弈者。

博弈策略和期望函數(shù)分別對應(yīng)安全預(yù)判的進(jìn)程與結(jié)果。如果博弈者、博弈策略和期望函數(shù)均能確定下來，博弈論基本模型也隨之產(chǎn)生，大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息安全的博弈論基本模型可表示成[G=[N，{Ti}，{Ui}]]，[N]為我方（節(jié)點防守）博弈策略數(shù)量。

1.2 基于博弈論的安全預(yù)判模型

產(chǎn)生大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息安全問題的原因是節(jié)點防守不能對抗外部攻擊。在博弈論中，節(jié)點防守與攻擊兩方的博弈策略互為對立面，體現(xiàn)為競爭關(guān)系[5]，目的是破壞對方的功能、減少流量的產(chǎn)生，以得到有利于我方的最理想效益。

將大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)模型化，設(shè)計基于博弈論的安全預(yù)判模型。

1.3 節(jié)點信息安全預(yù)判流程

圖2對大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息安全預(yù)判流程進(jìn)行了描述。大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點行為集合[S]將基于博弈論的安全預(yù)判模型聯(lián)系起來，目的是令同一時間內(nèi)所有博弈者的博弈策略都能進(jìn)行最佳期望行為[8]。圖2中，初始化基于博弈論的安全預(yù)判模型后，掃描集合[S]中所有節(jié)點行為，得到我方防守期望和對方攻擊期望。當(dāng)[UiBUiA∈TiATiB]時，節(jié)點信息行為不安全。根據(jù)非合作博弈均衡原理，如[G=[N，{Ti}，{Ui}]]中我方博弈策略行為能夠與對方所有博弈策略行為一一對應(yīng)，設(shè)我方博弈策略集合為最佳解。當(dāng)[UiBUiA?TiATiB]時，節(jié)點信息安全，將[UiB]作為大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息安全預(yù)判策略結(jié)果。

1.4 大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息安全預(yù)判系統(tǒng)

圖3對基于博弈論的大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息安全預(yù)判系統(tǒng)進(jìn)行實現(xiàn)，系統(tǒng)以基于博弈論的安全預(yù)判模型為依托，以安全預(yù)判模塊為主體，全面實現(xiàn)大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點信息實時監(jiān)控與安全防護(hù)。系統(tǒng)包括五大模塊，分別是安全檢測模塊、節(jié)點信息采集端口、安全預(yù)判模塊、數(shù)據(jù)訪問端口和數(shù)據(jù)存儲模塊。其中，安全檢測模塊對節(jié)點信息采集端口中的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描與檢測，分析節(jié)點不安全行為和網(wǎng)絡(luò)惡意結(jié)構(gòu)。安全預(yù)判模塊使用博弈論進(jìn)行安全預(yù)判，經(jīng)由數(shù)據(jù)訪問端口傳遞預(yù)判結(jié)果，并保存在數(shù)據(jù)存儲模塊。

2 實 驗

在大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點上對基于博弈論、馬爾科夫時變、防火墻的三種安全預(yù)判模型進(jìn)行節(jié)點信息的傳輸與搜索測試。大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)使用Hadoop系統(tǒng)，軟件包括JDK（Java軟件開發(fā)包）和HBASE（面向列的分布式開源數(shù)據(jù)庫），硬件包括3個關(guān)鍵節(jié)點（3個模型各占1個關(guān)鍵節(jié)點）和1 000個集群運算節(jié)點，應(yīng)用四核心處理器支持節(jié)點運算，處理器主頻3.5 GHz，硬盤500 GB。

不同的安全預(yù)判模型采用不同的運算方式，運算方式的有效程度體現(xiàn)在大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)上就是節(jié)點信息的傳輸速度。節(jié)點信息總額以GB甚至TB計數(shù)[9]，安全預(yù)判模型不能一次對如此龐大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行運算，因此通常將節(jié)點信息劃分成幾小段，交由若干個節(jié)點并行運算，并將運算結(jié)果共同寫入一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點向外傳輸，這個過程會耗費一些時間。實驗設(shè)置大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息總額為750 GB，用70個集群運算節(jié)點共同進(jìn)行安全預(yù)判運算。通過描述轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的輸入、輸出速度測試節(jié)點信息傳輸性能，如圖4所示。

由圖4可知，大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸速度不是固定不變的，在正常情況下不應(yīng)該出現(xiàn)過大差距，否則傳輸可靠性不強，極易受到網(wǎng)絡(luò)帶寬影響。在高速傳輸中保持一個高的傳輸可靠性是不容易的，從實驗結(jié)果中可看出，基于博弈論的安全預(yù)判模型在不同的采集時間下能夠保持小浮動、高數(shù)值的傳輸速度，是基于馬爾科夫時變的安全預(yù)判模型以及基于防火墻的安全預(yù)判模型所不能比擬的，證明本文所提模型具有很好的節(jié)點信息傳輸性能。

當(dāng)大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)節(jié)點信息不安全行為，安全預(yù)判模型將對節(jié)點信息進(jìn)行全員搜索[10]，大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點眾多，通過增加參與安全預(yù)判運算的節(jié)點數(shù)量，可提高節(jié)點信息搜索性能，如圖5所示。計算節(jié)點數(shù)量節(jié)點信息安全預(yù)判模型的搜索速度具有近似線性的正比例關(guān)系，隨著計算節(jié)點數(shù)量的不斷增多，基于博弈論的安全預(yù)判模型最能夠發(fā)揮節(jié)點計算能力的極限值，得到很好的節(jié)點信息搜索性能。

3 結(jié) 論

在大型嵌入式網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點防守政策與外部攻擊政策具有平等結(jié)構(gòu)，故本文提出一種基于博弈論的安全預(yù)判模型，通過求取模型的非合作博弈均衡進(jìn)行安全預(yù)判，并以模型為依托對安全預(yù)判系統(tǒng)進(jìn)行實現(xiàn)。最后進(jìn)行節(jié)點信息的傳輸與搜索，取得了理想的實驗效果。

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