焦文斌

（西安汽車(chē)職業(yè)大學(xué)，陜西西安,710038）

1 車(chē)載網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化技術(shù)分析

（1）科學(xué)計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)

科學(xué)計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)是圖形科學(xué)的新領(lǐng)域，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要研究方向，其具體含義為將科學(xué)與工程計(jì)算等所生成的海量數(shù)據(jù)，以一般圖形學(xué)方法與原理，或計(jì)算機(jī)圖形學(xué)轉(zhuǎn)化成圖形圖像，通過(guò)直觀生動(dòng)的形式呈現(xiàn)出來(lái)，既能夠促使人們發(fā)現(xiàn)以往隱藏的現(xiàn)象，又能夠提供模擬與計(jì)算的視覺(jué)交互手段。

（2）信息可視化技術(shù)

在可視化領(lǐng)域中所衍生的新分支信息可視化，在日常生活中的作用越來(lái)越凸顯。信息可視化技術(shù)的根源在于數(shù)字是數(shù)字化引發(fā)的海量信息與數(shù)據(jù)庫(kù)是因?yàn)椴粩嘣鲩L(zhǎng)的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)致的。信息可視化是在研究大規(guī)模非數(shù)值型信息資源的視覺(jué)所呈現(xiàn)的跨科學(xué)領(lǐng)域，人們理解與分析數(shù)據(jù)會(huì)以軟件中的文件、程序代碼、圖形技術(shù)科學(xué)方法等為輔助。其中表格、圖形甚至文本，若是充分合理整合使用，不論靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)，都能夠促使人們理解其他形式下難以輕易發(fā)現(xiàn)的事情，可讓人們快速洞察發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并尋找關(guān)聯(lián)性與答案。創(chuàng)建以直觀方式傳達(dá)抽象信息方式始終是信息可視化技術(shù)的重中之重。

（3）數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘可視化技術(shù)即了解交互數(shù)據(jù)挖掘算法，以可視化技術(shù)為輔助的檢查。可視化模型自模擬階段變化過(guò)程具體為數(shù)據(jù)預(yù)處理、映射、繪制、圖像處理、顯示。通過(guò)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，可優(yōu)化健全數(shù)據(jù)分析性能，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方式難以發(fā)現(xiàn)的異常規(guī)律與相關(guān)信息，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可促使用戶充分了解專業(yè)數(shù)據(jù)并加以處理分析，從而提升用戶觀察力。數(shù)據(jù)可視化主流技術(shù)具體包含：基于幾何的技術(shù)（以幾何畫(huà)法或者投影方式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息）；基于像素的技術(shù)（將各數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)值對(duì)應(yīng)于帶顏色的屏幕像素內(nèi)，針對(duì)不同數(shù)據(jù)屬性以不同窗口加以呈現(xiàn)）；基于圖標(biāo)的技術(shù)（以簡(jiǎn)單圖標(biāo)多個(gè)不同部分表示N維數(shù)據(jù)不同屬性）；基于層次的技術(shù)（針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的具備層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)信息，基于劃分N維數(shù)據(jù)空間為若干子空間，以層次結(jié)構(gòu)模式加以組織，然后通過(guò)圖形呈現(xiàn)出來(lái)）。

（4）安全數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化技術(shù)通過(guò)圖形圖像方式將所采集的數(shù)據(jù)信息顯示于可視化視圖內(nèi)，以人工分析、安全評(píng)估、數(shù)據(jù)交互等等，深層挖掘網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中的安全信息，以可視化呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)信息。所謂網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化技術(shù)即將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全態(tài)勢(shì)進(jìn)行可視化顯示，以利于人們認(rèn)知并分析網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)。

2 車(chē)載網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化技術(shù)設(shè)計(jì)

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)相對(duì)繁雜，不同車(chē)型都配置了不同的網(wǎng)絡(luò)分布，其中最常見(jiàn)的車(chē)載總線網(wǎng)絡(luò)為CAN、LIN、MOST、Flex Ray。近幾年以太網(wǎng)在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)中也倍受關(guān)注。當(dāng)前CAN總線于汽車(chē)控制系統(tǒng)內(nèi)依舊占據(jù)著主導(dǎo)地位，已成熟發(fā)展為通用型車(chē)載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其信息安全問(wèn)題相對(duì)突出，所以針對(duì)CAN總線數(shù)據(jù)可視化技術(shù)設(shè)計(jì)加以分析。

基于車(chē)載終端對(duì)車(chē)輛正常運(yùn)行時(shí)的真實(shí)CAN總線報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)海量特征，以日志加以存儲(chǔ)，感知難度較大，因此就車(chē)載CAN總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)特征，由消息頻率時(shí)序變化、消息內(nèi)容變化分布層面開(kāi)展可視化分析，以期可以充分挖掘數(shù)據(jù)相似性、相關(guān)系、趨勢(shì)性等，從而為網(wǎng)絡(luò)安全檢測(cè)奠定輔助性決策基礎(chǔ)。圖形與交互功能則通過(guò)d3+Java Script研發(fā)并實(shí)現(xiàn)。

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)的根本目的在于面向網(wǎng)絡(luò)安全檢測(cè)系統(tǒng)生成的海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，并以可視化形式呈現(xiàn)此關(guān)聯(lián)結(jié)果于用戶。由邏輯框架而言，可視化設(shè)計(jì)整體框架具體如圖1所示。

圖1 車(chē)載網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)邏輯框架

原始數(shù)據(jù)層中的原始數(shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)流量檢測(cè)生成的日志，在獲取原始數(shù)據(jù)之后，需通過(guò)預(yù)處理分析，即數(shù)據(jù)識(shí)別與分析；數(shù)據(jù)庫(kù)層所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息為處理分析之后的日志信息；數(shù)據(jù)操作層負(fù)責(zé)提取并選擇數(shù)據(jù)庫(kù)層的相關(guān)數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)邏輯層作用是分析處理數(shù)據(jù)操作層所提供數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)模型，以此為表示層呈現(xiàn)數(shù)據(jù)提供模型結(jié)構(gòu)；表示層為可視化設(shè)計(jì)的重要組成部分，通過(guò)可視化形式對(duì)處理分析后的數(shù)據(jù)信息直觀呈現(xiàn)于用戶，且提供實(shí)時(shí)交互功能。

（1）消息頻率特征可視化設(shè)計(jì)

車(chē)載CAN總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中的報(bào)文類型ID具備優(yōu)先級(jí)作用，數(shù)量相對(duì)有限，除少量事件觸發(fā)報(bào)文信息之外，多數(shù)報(bào)文會(huì)定時(shí)定點(diǎn)發(fā)送，周期保持固定，所以總線消息數(shù)量在理論上來(lái)講始終處于穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。但是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)報(bào)文優(yōu)先級(jí)與網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載影響作用，在實(shí)際過(guò)程中部分報(bào)文數(shù)據(jù)頻率會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)。消息頻率變化與發(fā)送時(shí)間之間息息相關(guān)，所以應(yīng)采取時(shí)序數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式，提取CAN總線數(shù)據(jù)報(bào)文的消息ID與接收時(shí)間信息，把報(bào)文當(dāng)作事件，以結(jié)合時(shí)間軸的散點(diǎn)圖開(kāi)展可視化分析。

（2）消息內(nèi)容特征可視化設(shè)計(jì)

車(chē)載CAN總線報(bào)文數(shù)據(jù)域通常包含8個(gè)字節(jié)內(nèi)容，因?yàn)榭偩€報(bào)文協(xié)議格式為商業(yè)機(jī)密，難以就報(bào)文數(shù)據(jù)實(shí)際含義加以分析評(píng)估，所以只可針對(duì)各字節(jié)報(bào)文數(shù)據(jù)值實(shí)時(shí)變化開(kāi)展具體分析。需于同一時(shí)間軸上呈現(xiàn)8個(gè)字節(jié)報(bào)文內(nèi)容具體變化，同時(shí)采取多維時(shí)序數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，以此設(shè)計(jì)不同圖形呈現(xiàn)數(shù)據(jù)變化狀態(tài)，即根據(jù)字節(jié)數(shù)值呈現(xiàn)；按位呈現(xiàn)。

這兩種視圖可切實(shí)用來(lái)分析ID報(bào)文內(nèi)容變化規(guī)律，以助于網(wǎng)絡(luò)安全檢測(cè)策略構(gòu)建。在檢測(cè)發(fā)現(xiàn)報(bào)文內(nèi)容異常入侵的時(shí)候，可通過(guò)視圖明確入侵時(shí)刻與篡改后報(bào)文數(shù)值的變化。但是視圖呈現(xiàn)的內(nèi)容相對(duì)單一，如果可以結(jié)合數(shù)據(jù)分析，提取更加直接的變化特征，并將分析結(jié)果與視圖內(nèi)元素變化相結(jié)合，那么效果將更勝一籌。

（3）統(tǒng)計(jì)特征可視化設(shè)計(jì)

車(chē)載CAN總線網(wǎng)絡(luò)攻擊方式各式各樣，直接影響總線網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)文數(shù)量的主要是注入、重放、拒絕服務(wù)、丟棄等?？偩€網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度與性能造成阻礙，而CAN總線報(bào)文數(shù)據(jù)域主要包括關(guān)鍵控制指令與車(chē)載傳感器信息等行車(chē)狀態(tài)信息，對(duì)于報(bào)文內(nèi)容進(jìn)行篡改攻擊極易引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。所以網(wǎng)絡(luò)安全管理人員需詳細(xì)審查總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，以此車(chē)載總線網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化的重要作用不可忽視。車(chē)載CAN總線生成數(shù)量過(guò)大，總線內(nèi)部消息ID數(shù)量比較多，難以以簡(jiǎn)單視圖呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局態(tài)勢(shì)，對(duì)此可進(jìn)行細(xì)節(jié)表達(dá)，以數(shù)據(jù)精確定位，根據(jù)數(shù)據(jù)特征，以綜合視圖呈現(xiàn)車(chē)輛總線網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文就車(chē)載網(wǎng)絡(luò)CAN總線安全數(shù)據(jù)可視化，由數(shù)據(jù)頻率與數(shù)據(jù)內(nèi)容層面，進(jìn)行了安全數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)，以便于全面分析人員迅速掌握車(chē)載網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)，并實(shí)時(shí)查看可疑消息的細(xì)節(jié)部分。未來(lái)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)的主要發(fā)展趨勢(shì)為可視化技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，而怎樣實(shí)現(xiàn)二者結(jié)合，以豐富完善的視覺(jué)與交互技術(shù)呈現(xiàn)海量車(chē)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，有效表達(dá)多維數(shù)據(jù)內(nèi)容變化，輔助數(shù)據(jù)挖掘與異常檢測(cè)決策，并提供入侵驗(yàn)證與明確功能，將會(huì)是未來(lái)研究側(cè)重點(diǎn)。