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        基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換仿真

        2022-02-09 02:20:58蔡彬彬閆禹行
        計算機(jī)仿真 2022年12期
        關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)安全信息方法

        蔡彬彬,閆禹行

        (長春理工大學(xué)信息化中心,吉林 長春 130022)

        1 引言

        網(wǎng)絡(luò)信息具有多維標(biāo)量、多源異構(gòu)、冗余度高、規(guī)模大等特點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)信息通過整合處理可以獲得新的服務(wù)維度、生活維度和生產(chǎn)維度[1]。信息在網(wǎng)絡(luò)中的交換、共享,可以在現(xiàn)實(shí)世界中管理、監(jiān)控和跟蹤物體的信息,促進(jìn)智慧地球、智慧城市和智慧家居的發(fā)展,其經(jīng)濟(jì)價值和理論意義較高。由于數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)被篡改等原因,降低了網(wǎng)絡(luò)信息交換機(jī)制的有效性[2],數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中交換共享的難度較高,需要進(jìn)行相關(guān)研究。

        李凱[3]等人將社團(tuán)結(jié)構(gòu)概念引入信息包傳輸中,通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、社團(tuán)結(jié)構(gòu)相似性、初始節(jié)點(diǎn)數(shù)量研究信息交換機(jī)制,完成信息在網(wǎng)絡(luò)中的交換、共享,該方法無法消除網(wǎng)絡(luò)中存在的噪聲,導(dǎo)致方法的存儲效率低。張衛(wèi)東[4]等人基于風(fēng)險感知理論,結(jié)合社會放大理論和心理測量范式構(gòu)建影響因素模型,對網(wǎng)絡(luò)安全信息交換的影響因素進(jìn)行分析,在SPSS軟件中采用問卷調(diào)查方法對模型進(jìn)行修正和改進(jìn),完成網(wǎng)絡(luò)信息的交換,該方法的信息交換過程易受到噪聲的干擾,降低了方法的安全性,增加了合約開銷。

        為了解決上述方法中存在的問題,提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換方法。

        2 網(wǎng)絡(luò)信息去噪處理

        2.1 DCGAN方法

        在網(wǎng)絡(luò)信息去噪的過程中,用G表示網(wǎng)絡(luò)中存在的生成器,用D表示網(wǎng)絡(luò)中存在的判別器,無噪信號x和含噪信號z均為網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)生成器G不發(fā)生變化時,訓(xùn)練過程中判別器D的目標(biāo)函數(shù)ObjD(θD,θG)如下

        (1)

        式中,θD描述的是判別器中存在的需要優(yōu)化的參數(shù);θG描述的是生成器中存在的需要優(yōu)化的參數(shù);x~Pdata(x)描述的是無噪數(shù)據(jù)分布條件下的數(shù)據(jù)采樣操作;Ex~Pdata(x)(·)為x~Pdata(x)采樣操作下對期望值進(jìn)行計算;D(x)描述的是數(shù)據(jù)x中不存在噪聲的概率;Pz(z)代表的是含噪數(shù)據(jù)分布;z~Pz(z)描述的是含噪數(shù)據(jù)分布條件下的數(shù)據(jù)采樣操作;Ez~Pz(z)(·)為z~Pz(z)采樣操作下對期望值進(jìn)行計算;G(z)代表的是生成器當(dāng)GAN網(wǎng)絡(luò)的輸入為z時生成的數(shù)據(jù)。

        當(dāng)輸入判別器D中的數(shù)據(jù)為無噪數(shù)據(jù)時,輸出數(shù)據(jù)D(x)與1接近,當(dāng)輸入判別器D中的數(shù)據(jù)屬于生成數(shù)據(jù)集時,輸出數(shù)據(jù)D(x)與0接近。因此生成對抗網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中的目標(biāo)函數(shù)可通過下式表示[5,6]

        +Ez~Pz(z){log[1-D(G(z))]}

        (2)

        基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換方法采用交替優(yōu)化方法對上式目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。

        為了增強(qiáng)GAN網(wǎng)絡(luò)的效果,在GAN網(wǎng)絡(luò)中引入卷積網(wǎng)絡(luò)[7,8],獲得DCGAN網(wǎng)絡(luò):

        1)針對網(wǎng)絡(luò)中的池化層,利用判別器D中的卷積層代替,通過反卷積操作在生成器G中完成數(shù)據(jù)的上采樣操作;

        2)批量歸一化處理生成器G和判別器D中存在的數(shù)據(jù);

        3)刪除生成器G中存在的全連接層;

        4)用ReLU函數(shù)[9]作為G網(wǎng)絡(luò)中的激活函數(shù);

        5)用LeakyReLU函數(shù)作為D網(wǎng)絡(luò)中存在的激活函數(shù)。

        2.2 基于DCGAN的信息去噪

        通過下式均衡處理網(wǎng)絡(luò)中存在的信息[10,11]

        (3)

        采用DCGAN網(wǎng)絡(luò)對信息進(jìn)行去噪處理時,通過下式對均衡處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理

        (4)

        采用DCGAN結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行去噪處理的示意圖如圖1所示。

        圖1中,s代表的是卷積操作中對應(yīng)的步長;n描述的是映射處理的特征數(shù)量;k描述的是卷積核大小。

        圖1 DCGAN結(jié)構(gòu)示意圖

        3 網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換模型

        基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換方法采用區(qū)塊鏈技術(shù)[12,13]建立網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換模型,完成網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息的交換。

        網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換過程中的獎勵和因素保護(hù)可通過區(qū)塊鏈技術(shù)完成,區(qū)塊鏈具有較多優(yōu)點(diǎn),包括智能合約機(jī)制、去中心化、不可篡改性和開放性等:

        1)將散列算法引入編碼算法中,利用橢圓曲線公鑰[14]計算比特幣地址,完成區(qū)塊鏈的匿名性;

        2)設(shè)計區(qū)塊鏈的過程直接影響著其可追溯性Block(N)

        Block(N)

        =Hash(tp(N),Merkle(N),Block(N-1),nounce)

        (5)

        式中,nounce為隨機(jī)數(shù);tp(N)描述的是時間戳;Merkle(N)=Hash(Tx(N))描述的是Merkle對應(yīng)的根。

        3)可觸發(fā)交易可通過智能合約在符合合約的情況下實(shí)現(xiàn)。

        在如下定義的基礎(chǔ)上采用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換模型:

        1)用(OneCti)表示網(wǎng)絡(luò)中存在的一元類安全威脅信息,通常包括兩種,分別是威脅對象類型信息和網(wǎng)絡(luò)安全威脅指示器,如攻擊者、電子郵件、組織和IP地址等,基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換方法通過四元組表示網(wǎng)絡(luò)中存在的一元類安全威脅信息,其中,label描述的是元素標(biāo)簽;tp描述的是時間戳;value描述的是元素值;type描述的是元素類型。

        2)安全事件類型情報屬于網(wǎng)絡(luò)中存在的二元類安全威脅情報(TwoCti),通過七元組表示二元類安全威脅情報,其中,tp、typei、valuei均代表相同含義;desc描述的是該信息中存在的相關(guān)數(shù)據(jù);rel描述的是不同元素之間存在的關(guān)系。

        3)用(STrans)表示網(wǎng)絡(luò)中存在的安全信息交換交易,描述的是針對網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息,組織機(jī)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)中傳送給威脅信息中心,威脅信息中心對其進(jìn)行評估和驗(yàn)證,根據(jù)評估、驗(yàn)證結(jié)果設(shè)置獎勵(reward),并向組織機(jī)構(gòu)傳送信息交換憑證(ticket),所提方法采用六元組表示安全信息交換交易,其中,Oacc代表的是組織機(jī)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的區(qū)塊鏈賬戶地址;Cacc代表的是安全威脅信息中心在網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的區(qū)塊鏈賬戶地址;SEnc(Cpub_k,Cti)代表的是根據(jù)公鑰Cpub_k威脅信息中心對威脅信息進(jìn)行加密。

        4)設(shè)置有向圖G=,其中,V代表的是元素值對應(yīng)的單向加密密文,如果二元類網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息存在于u,v∈V之間,此時會生成一條有向邊,(u,v)∈E;R集合由節(jié)點(diǎn)之間存在的關(guān)系relation構(gòu)成;L集合由節(jié)點(diǎn)v∈V對應(yīng)的標(biāo)簽label構(gòu)成。

        5)用(ATrans)表示網(wǎng)絡(luò)中存在的安全信息分析交易,描述的是組織機(jī)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)中將威脅信息分析需求傳送給威脅信息中心,針對信息庫中存在的信息以及組織機(jī)構(gòu)傳送的威脅信息,信息中心對其進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,將威脅處置建議(result)和分析結(jié)果傳送回組織結(jié)構(gòu),產(chǎn)生信息使用費(fèi)用(uf)的過程,所提方法通過六元組表示安全信息分析結(jié)果,其中,SEnc(Opub_k,result)代表的是根據(jù)公鑰Opub_k組織機(jī)構(gòu)對信息分析結(jié)果result進(jìn)行加密處理。

        構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換模型,并采用八元素表示:

        1)Org表示組織結(jié)構(gòu),針對安全威脅信息,其主要作用是信息使用和共享;組織機(jī)構(gòu)Orgi(1≤i≤N)在網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息模型中的數(shù)量為N,區(qū)塊鏈中存在的節(jié)點(diǎn)可通過組織機(jī)構(gòu)Orgi進(jìn)行表示,區(qū)塊鏈賬戶地址Oacc均存在于區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)中,在使用和共享網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息的過程中,通過Oacc形式表示組織機(jī)構(gòu)的出現(xiàn),可以提高身份信息的安全性和保密性。

        2)安全威脅信息分析中心在網(wǎng)絡(luò)中用Center表示,在攻擊鏈的構(gòu)建過程中,分析中心Center屬于可信第三方,在模型中是不可缺少的一部分,其在模型中的主要作用是對安全威脅信息進(jìn)行分析。

        3)BlockNet由兩部分構(gòu)成,分別是Center和Org,描述的是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

        4)CtiDB描述的是安全威脅信息庫,其在模型中的主要作用是提高隱私信息的安全性,防止其泄露[15]。

        5)Cti代表的是網(wǎng)絡(luò)中存在的安全威脅信息。

        6)區(qū)塊鏈中存在的交易信息用Trans表示,通常包括信息分析交易和信息共享交易。

        7)SC描述的是智能合約,由組織結(jié)構(gòu)建立,智能合約中包括信息使用費(fèi)用uf、創(chuàng)建者對應(yīng)的賬戶地址Oacc、預(yù)警響應(yīng)措施response和觸發(fā)條件condition。

        8)Operation表示動作操作,通常包括創(chuàng)建智能合約(create)、注冊情報節(jié)點(diǎn)(registry)、提取信息(get)、威脅信息交易(sharing)、存儲信息(store)、評估(evaluate)等。

        根據(jù)上述過程構(gòu)建的模型,完成網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息的交換。

        4 實(shí)驗(yàn)與分析

        為了驗(yàn)證基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換方法的整體有效性,需要對該方法進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)的軟件參數(shù)和硬件參數(shù)如表1所示。

        表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

        采用基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行如下測試:

        1)存儲效率

        在網(wǎng)絡(luò)并發(fā)數(shù)據(jù)存儲條件下,采用基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行存儲效率測試,測試結(jié)果如圖2所示。

        圖2 不同方法的存儲效率

        對圖2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,隨著信息數(shù)的增加,所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的響應(yīng)時間也隨之增加,響應(yīng)時間越高,方法的存儲效率越低,表明三種方法的存儲效率隨著信息數(shù)的增加不斷降低,但在相同信息數(shù)條件下,所提方法的響應(yīng)時間遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的響應(yīng)時間,表明與文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法相比,所提方法的存儲效率較高,因?yàn)樗岱椒▽?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換之前,對網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行了去噪處理,避免噪聲對信息交換產(chǎn)生干擾,縮短了響應(yīng)時間,進(jìn)而提高了方法的存儲效率。

        2)安全性

        設(shè)置安全系數(shù)κ,在區(qū)間[0,1]內(nèi)取值,采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換測試,通過安全系數(shù)對比不同方法的安全性,安全系數(shù)越高,表明信息交換的安全性越高,不同方法測試結(jié)果如圖3所示。

        圖3 安全性測試結(jié)果

        分析圖3可知,在多次迭代中所提方法獲得的安全系數(shù)均在0.8以上,采用文獻(xiàn)[3]方法進(jìn)行測試時,在第4次迭代過程中,獲得的安全系數(shù)低至0.3,采用文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行測試時,在第1次迭代時獲得的安全系數(shù)低至0.2,對比上述方法的測試結(jié)果可知,所提方法可獲得較高的安全系數(shù),表明方法在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換時具有較高的安全性。

        3)合約開銷

        在網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換測試過程,對比所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的合約開銷,測試結(jié)果如圖4所示。

        圖4 不同方法的合約開銷

        根據(jù)圖4可知,采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行測試時,隨著信息量的增加三種方法的合約開銷不斷增加,對比三種方法的測試結(jié)果可知,所提方法的合約開銷控制在1000wei以內(nèi),遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法,表明所提方法具有良好的交換性能。

        5 結(jié)束語

        網(wǎng)絡(luò)攻擊類型隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展不斷增加,包括社交工程、高級可持續(xù)性威脅和漏洞利用等,在此背景下,需要對網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換方法進(jìn)行分析和研究。目前網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換方法存在存儲效率低、安全性差和合約開銷高等問題,提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換方法,利用去噪后的網(wǎng)絡(luò)信息采用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全威脅信息交換模型,通過模型在網(wǎng)絡(luò)中完成安全威脅信息的交換。解決了目前方法中存在的問題,為網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行提供了保障。

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