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基于可拓理論的網(wǎng)絡(luò)安全評估研究

文檔作者：李景智殷肖川胡圖李明迅文檔來源：空軍工程大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年04月27日
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Computer Engineering andApplications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用2012，48(21) 79
基于可拓理論的網(wǎng)絡(luò)安全評估研究
李景智，殷肖川，胡圖，李明迅
LI Jingzhi，Y1N Xiaochuan，HU Tu，LI Mingxun
空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，西安710077
Institute of Telecommunication Engineering，Air Force Engineering University,Xi’an 7 1 0077，China
LI Jingzhi，YIN Xiaochuan，HU Tu，et a1．Network secu rity evaluation algorithm based on extension theory．
Computer Engineering and Applications，2012，48(21)：79-82．
Abstract：Aiming to the shortcoming of the existing network security evaluation algorithm，the network security
evaluation algorithm is proposed based on extension analytic hierarchy process．Based on the fuzzy AHP method，
combined with extension theory,the collected index values of questionnaires are mapped into corresponding calibra—
tion interval．Through the calculation of relative membership degree，a new decision matrix is constructed．The integrated
weights of the network security index are calculated by the method of fuzzy AHRThe network security evalu—
ation value is obtained by the weighted ranking of the relative membership degree．The case example shows the al—
gorithm can take experts authority and questionnaires universality into account．The network security can be evaluat—
ed truly and effectively．
Key words：network security evaluation；extension theory；matter model；fuzzy Analytic Hierarchy Process(AHP)
摘要：針對目前網(wǎng)絡(luò)安全評估算法存在的不足，提出了一種基于可拓模糊層次分析的安全評估算法。該算
法在模糊層次分析法的基礎(chǔ)上，結(jié)合可拓理論，將調(diào)查問卷表收集到的指標(biāo)值映射到可拓區(qū)間中，通過相對隸
屬度的計(jì)算，構(gòu)建了新的判決矩陣，利用模糊層次分析法計(jì)算各指標(biāo)的綜合權(quán)重。通過對相對隸屬度的加權(quán)
排序，得到網(wǎng)絡(luò)安全評估值。通過實(shí)例分析，說明該方法能綜合考慮專家打分的權(quán)威性和調(diào)查問卷的普遍性，
提高了網(wǎng)絡(luò)安全評估的準(zhǔn)確性和有效性。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)安全評估；可拓理論；物元模型；模糊層次分析法
文章編號：1002—8331(2012)21．0079—04 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 中圖分類號：TP393
隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能的日益強(qiáng)大和廣泛應(yīng)用，
其系統(tǒng)組成和規(guī)模越來越龐大、復(fù)雜，使用的場所已
經(jīng)拓展到有關(guān)國家安全的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、國防部
門和機(jī)構(gòu)組織。但是從認(rèn)識論的高度來看，人們往
往首先關(guān)注系統(tǒng)的功能，然后才被動地從現(xiàn)象注意
到系統(tǒng)應(yīng)用的安全問題。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀就是如
此，廣泛存在著重應(yīng)用、輕安全的現(xiàn)象。運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)
上的設(shè)備、服務(wù)器、終端都可能存在著安全漏洞。為
了提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性，僅僅依靠安全技術(shù)和安
全產(chǎn)品是不能解決所有問題的，必須對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)
行安全風(fēng)險(xiǎn)評估分析，才能充分掌握系統(tǒng)的安全狀
態(tài)，并針對問題采取有效的防范措施，使安全風(fēng)險(xiǎn)處
于可控范圍內(nèi)。如何選擇合適的評估方法對網(wǎng)絡(luò)系
統(tǒng)進(jìn)行合理的安全評估，成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問
題n。01。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全評估的方法有很多種，歸結(jié)起
來主要以下三種：
(1)定性評估方法
通過對風(fēng)險(xiǎn)事件的損失和發(fā)生頻率的定性評價
基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)基金(No．SJ08一ZTl5)。
作者簡介：李景智(1987一)，男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息對抗；殷肖川(196l一)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究
領(lǐng)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)信息安全等；胡圖(1986一)，男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)資源管理；李明迅(1987一)，男，碩士研
究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)故障預(yù)測。E．mail：ljzdemail@126．com
收稿日期：201l一06—07 修回日期：201l一08．07 CNKI出版日期：2011—10—24
DoI：10．3778／j．issn．1002—8331．2012．21．017 http：／／www．cnki．net／kcms／detail／11．2127．TP．20111024．1019．126．html
萬方數(shù)據(jù)
Computer Engineering andApplications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用
?——————————————
目標(biāo)層
———————___—-—-—-●-——
i一劃星??一～
：指標(biāo)層
網(wǎng)絡(luò)安全O
i — i — l i l— r—
I機(jī)密性R。完整性R， 可用性R， 抗否性R?？煽匦訰。真實(shí)性R。
J 』上L ， 』上L 』J 上L 1 L 』，L ．L l 上
土土土土上上上主芏一上芰蔓● 土上—￡上◆ 1 王
路
防防
信物安糾擎密訪
業(yè)宙由數(shù)兀部內(nèi)竇身
幀輻
息理全錯碼問
務(wù)
計(jì)選字
時
全分
不
容鋅份
收射
加墨協(xié)編簽校控
流
跟擇簽
間可可
可
鑒鑒鑒
議碼名驗(yàn)制
控
蹤控名
戳控控控別翹別
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密
14 厶，6 11 厶厶
制
制‘3
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圖1 網(wǎng)絡(luò)安全評估指標(biāo)體系
來確定網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)等級。目前學(xué)術(shù)界和網(wǎng)絡(luò)安全
評估領(lǐng)域的定性評估方法有很多種，比較著名的方
法有Neumann的信息安全風(fēng)險(xiǎn)分析ISRA(Informa．
tion Security Risk Analysis)方法”1、Tregear J和
Consultant S的單次損失算法SLA(Single．time Loss
Algorithm)方法口1、德爾菲法Delphi Method”1等。
(2)定量評估方法
指運(yùn)用數(shù)量指標(biāo)對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。例如，美國
國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會ANSI(American National Standards
Institute)制定的《聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)》中提出的年度
損失期望ALE(Annual Loss Expectancy)H1方法、灰
色評估法、聚類分析法等。
(3)模型評估方法
指根據(jù)評估指標(biāo)建立評估模型，對系統(tǒng)進(jìn)行安
全評估，可以獲得網(wǎng)絡(luò)安全的狀態(tài)。例如：狀態(tài)轉(zhuǎn)移
圖模型STGt”、模糊層次分析法模型FAHPr64，、攻擊樹
Attack tree‘91和貝葉斯分類算法“叫等。
定性評估方法不對威脅發(fā)生頻率、安全事件影
響進(jìn)行定量的計(jì)算，評估過程簡單，但評估結(jié)果往往
具有較大的不確定性，難以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；定量評估
方法可以用直觀的數(shù)據(jù)來表述評估的結(jié)果，比較客
觀，結(jié)果更科學(xué)，但存在某些情況下有的因素量化后
被誤解、曲解，在提高評估結(jié)果準(zhǔn)確性的同時增加了
風(fēng)險(xiǎn)聚集的難度；模型評估方法能夠全面反映系統(tǒng)
中存在的安全隱患，而且能夠發(fā)現(xiàn)未知的攻擊和網(wǎng)
絡(luò)系統(tǒng)的脆弱點(diǎn)，已經(jīng)逐步成為網(wǎng)絡(luò)安全評估領(lǐng)域
的重點(diǎn)研究方向。
通過對上述網(wǎng)絡(luò)安全評估方法的分析，本文采
用基于模型的評估方法，依據(jù)可拓理論?2，和模糊層
次分析法””，在借鑒文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種
基于可拓模糊層次分析的網(wǎng)絡(luò)安全評估算法。為克
服層次分析法中人為主觀因素的影響，在構(gòu)建判決
矩陣時，舍棄了經(jīng)典的專家打分法，結(jié)合可拓區(qū)間創(chuàng)
建了一種網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)等級差的標(biāo)度區(qū)間映射表，
同時，考慮到不同指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)安全的重要程度，對網(wǎng)
絡(luò)安全指標(biāo)采用了不同的加權(quán)系數(shù)。最后采用模糊
層次分析法對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全評估。
1 網(wǎng)絡(luò)安全評估指標(biāo)體系的建立
網(wǎng)絡(luò)安全的目標(biāo)主要是指保護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，
使其所受威脅最小、危險(xiǎn)程度最弱、盡量不出事故。
從技術(shù)角度方面分析，網(wǎng)絡(luò)安全的準(zhǔn)則主要表現(xiàn)在網(wǎng)
絡(luò)系統(tǒng)的機(jī)密。1生(Confidentiality)、完整。l生(Integrity)、
可用性(Availability)、抗否認(rèn)性(Non—repudiation)、可
控性(Controllability)和真實(shí)性(Authenticity)等方面””。
通過向有關(guān)專家調(diào)查咨詢，以及文獻(xiàn)[121的綜合分
析，建立了有利于進(jìn)行層次分析的安全評估指標(biāo)體
系。如圖1所示。
2評估算法研究與設(shè)計(jì)
2．1 安全指標(biāo)映射表的建立
評估指標(biāo)的數(shù)據(jù)獲取是保證評估得以正常進(jìn)行
的基礎(chǔ)和前提。數(shù)據(jù)獲取的成功與否，直接關(guān)系到
整個安全評估工作的質(zhì)量。為了保證所獲取數(shù)據(jù)的
質(zhì)量，應(yīng)該堅(jiān)持準(zhǔn)確性、全面性和權(quán)威性的原則。
根據(jù)安全評估的目的和數(shù)據(jù)獲取的原則，目前
指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的途經(jīng)主要有問卷調(diào)查法、使用輔助
工具、從文檔資料以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理活動中獲取。，
在本文中，對于指標(biāo)主觀權(quán)重的確立采用模糊
層次分析法，通過向相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜易稍兊姆椒ù_立
判斷矩陣，體現(xiàn)了權(quán)威性和專業(yè)性。對于指標(biāo)值的
獲取采用問卷調(diào)查法，通過大量的調(diào)查分析，保證指
標(biāo)值的全面性和準(zhǔn)確性。
在專家打分的過程中，由于各個專家?guī)в凶约?
的感情色彩，通過模糊層次分析法得出的指標(biāo)權(quán)重
帶有主觀性。為了減少權(quán)重的主觀因素，根據(jù)可拓
萬方數(shù)據(jù)
李景智，殷肖川，胡圖，等：基于可拓理論的網(wǎng)絡(luò)安全評估研究
理論，建立指標(biāo)映射表，將調(diào)查問卷表中指標(biāo)值映射
到對應(yīng)的可拓區(qū)間中，通過相對隸屬度的計(jì)算，構(gòu)造
新的判斷矩陣，最終得出各指標(biāo)的綜合權(quán)重，提高了
安全評估的可靠性和全面性。
根據(jù)文獻(xiàn)[15]將網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)的等級劃分為五
級，依據(jù)不同等級差原理，將調(diào)查問卷表中指標(biāo)值1～9
劃分為對應(yīng)指標(biāo)的可拓區(qū)間，得到網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)映
射表，如表l所示。
表1 網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)映射表
級別一級二級三級四級五級
可拓區(qū)間(8，9) (6，8) (4，6) (3，4) (1，3)
隸屬度1 O．823 O．588 0．412 O．235
注：隸屬度的數(shù)值根據(jù)式(2)計(jì)算所得，具體見本文后
面的描述。
經(jīng)過大量的問卷調(diào)查，得到數(shù)量龐大的指標(biāo)值，
將不同指標(biāo)值映射到所對應(yīng)的可拓區(qū)間中，通過表1
得出指標(biāo)值的相對隸屬度。
2．2物元模型的建立
在可拓理論中，為了形象化描述事物，構(gòu)建了物
元模型的概念，通常采用一個有序的三元組M=
fD，c，y)來表示一個物元，其中D表示事物，C表示
事物的特征，礦表示事物特征的量值u21。如果一個事
物有胛個特征，則以刀個評定指標(biāo)特征c，，C，，．一，C。和
相應(yīng)的量值v．，v∥一，v。來描述經(jīng)典物元，可用式(1)
表示：
M=
，，。=．．．：．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．壘：．．，．：．．．．．．!．．：!：．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 rl，，)、l
’”max[alj,口2f，?，aj+max[b1，，b2，，?，6。，] 一7
將上面專家打分得到的主觀權(quán)重作為其加權(quán)系
數(shù)，通過f：，一，r。，計(jì)算各指標(biāo)的相對隸屬度，其中，，
為指標(biāo)Ci的加權(quán)系數(shù)。
2．3模糊層次分析法
(1)建立模糊評價矩陣
在上面建立的物元模型中，通過式(3)計(jì)算各指
標(biāo)隸屬度的標(biāo)準(zhǔn)差，其中7，為調(diào)查問卷中第，個指標(biāo)
的相對隸屬度的平均值。
屬略卻(3)
在此基礎(chǔ)上計(jì)算模糊判斷矩陣D=(Z^。。，其中
Z，=s，／s；+sj。利用式(4)計(jì)算P，當(dāng)P<0．1時，認(rèn)為
D具有滿意的一致性。
p=面i了1麗苫m，薹，薯f略一(丸+％一圭)『(4)
(2)計(jì)算綜合權(quán)重
首先，利用和積法計(jì)算得到模糊判斷矩陣的初
始迭代向量如下：
。w@札W2．?，IΣw。r。)Σ_rl玎箏擘Σ?r。1掣㈤
lΣΣ勺ΣΣ勺ΣΣ～I(xiàn)
然后，通過迭代方程W‘““：D．w‘?！M(jìn)行迭代運(yùn)
(1)
算，并求w‘川’的無窮范數(shù)|I H，‘川’憶。每次迭代后，
若11w‘“1’憶一||w(?！瘧?lt;0．01，則11w(¨1’憶即為最大特
由集合0和它的胛個特征及其將標(biāo)準(zhǔn)量值范圍加以
拓廣了的量值范圍ViCVpi=(％p bpi)組成的物元，稱
為節(jié)域物元，記為：
MD=
O
Cl
0
c2
： ：
● ●
0
C。
根據(jù)圖1，將網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)體系進(jìn)行分層討論計(jì)
算。由于篇幅的限制，以準(zhǔn)則層中機(jī)密性指標(biāo)為例，
構(gòu)建相應(yīng)的物元模型，進(jìn)行指標(biāo)性能函數(shù)值的計(jì)算。
集合0是調(diào)查問卷表，Ci是“機(jī)密性”下指標(biāo)層
參數(shù)，如防幀收、防輻射、安全協(xié)議等，(a。b。，)是C，
對應(yīng)的可拓區(qū)間。根據(jù)可拓理論，第i個物元的第，
個評價指標(biāo)的隸屬度(即第if)調(diào)查問卷表中第，個
指標(biāo)層參數(shù)的隸屬度)可用式(2)計(jì)算：
征值根，將w忙“’進(jìn)行歸一化處理，得到帚‘?！癁樾阅?
指標(biāo)的綜合權(quán)重。否則，以w∞’：w忙’川w@+1’憶作為
新的初值，再次迭代。
(3)計(jì)算各指標(biāo)參數(shù)的性能函數(shù)值
通過式(6)對機(jī)密性下所有指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)
求和，最終得到機(jī)密陛指標(biāo)的總性能函數(shù)值。
／(R，)=ΣΣ∥’勺(6)
3實(shí)例分析
以某大學(xué)校園網(wǎng)為例，對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全評估。
首先，根據(jù)表1建立的網(wǎng)絡(luò)安全評估體系，設(shè)計(jì)專家
打分表和調(diào)查問卷表。專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，
對各指標(biāo)進(jìn)行打分，通過模糊層次分析法，得出各指
標(biāo)的主觀權(quán)重值，如表2所示。
鞏如
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萬方數(shù)據(jù)
Computer Engineering andApplications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用
表2安全指標(biāo)主觀權(quán)重表
為了全面評估校園網(wǎng)的安全狀況，在研究校園
網(wǎng)使用情況的基礎(chǔ)上，對三類使用群體進(jìn)行抽樣調(diào)
查和采樣，其中包括學(xué)生樣本群體、教師樣本群體和
管理人員樣本群體。對回收的調(diào)查問卷表進(jìn)行數(shù)據(jù)
處理，將問卷表中不同指標(biāo)值映射到所對應(yīng)的可拓
區(qū)間中，通過表1得出指標(biāo)值的隸屬度，將表2得到不
同安全指標(biāo)的主觀權(quán)重值作為各指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)，計(jì)
算各指標(biāo)的相對隸屬度，由此建立相應(yīng)的物元模型。
在此基礎(chǔ)上，通過式(3)，得到網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的
標(biāo)準(zhǔn)差(值得注意的是，在標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算中將三類樣
本群體統(tǒng)一進(jìn)行處理)，構(gòu)造相應(yīng)的判決矩陣，并依
據(jù)式(4)來驗(yàn)證矩陣的一致陛條件是否滿足。
最后，將式(5)計(jì)算得到的判決矩陣初始迭代向
量進(jìn)行循環(huán)迭代，得到各網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)的綜合權(quán)重，
如表3。
在表3的基礎(chǔ)上，通過式(6)對所有指標(biāo)參數(shù)分
表3指標(biāo)層指標(biāo)綜合權(quán)重表
別進(jìn)行加權(quán)求和，得到網(wǎng)絡(luò)安全準(zhǔn)則層指標(biāo)的性能
函數(shù)值，其中對指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和的時候，將三
類樣本群體對各指標(biāo)參數(shù)的隸屬度分別計(jì)算，得到
不同使用群體對準(zhǔn)則層指標(biāo)的性能函數(shù)值。
最后，采用同樣的方法，計(jì)算出準(zhǔn)則層各指標(biāo)的
綜合權(quán)重，結(jié)合指標(biāo)的性能函數(shù)值，進(jìn)行加權(quán)求和得
到最終的網(wǎng)絡(luò)安全評估值，如表4所示。
整理表4中的結(jié)果，得出三類群體對某校園網(wǎng)安
全評估的總得分和安全評估值排序：學(xué)生群體的對
校園網(wǎng)安全評估值0．216 7，排名第1，教師群體的評估
值為0．220 9，排名第2，管理人員的評估值為0．251 5，
排名第3。
4結(jié)論
在分析目前網(wǎng)絡(luò)安全評估方法不足的基礎(chǔ)上，
提出了一種基于可拓模糊層次分析的網(wǎng)絡(luò)安全評估
表4網(wǎng)絡(luò)安全最終評估值
(下轉(zhuǎn)88頁)
萬方數(shù)據(jù)
88 2012，48(21) ComputerEngineeringandApplications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用
相空問重構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。
(2)針對網(wǎng)絡(luò)流量非線性、非平穩(wěn)的特點(diǎn)，通過
引入混沌理論，對網(wǎng)絡(luò)流量時問序列進(jìn)行相空間重
構(gòu)，將其轉(zhuǎn)變成為一個多維狀態(tài)空間向量序列，最大
可能地提取和恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)流量的演化信息，展示網(wǎng)絡(luò)
流量的動力學(xué)特征。
(3)采用遺傳算法對非線性BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)
進(jìn)行優(yōu)化，較好解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷入局部最小值、
收斂速度l曼等缺陷，預(yù)測模型泛化能力更優(yōu)。
(4)將小波消噪、混沌理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，
進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，大幅提高了網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測精度，同時
可以將該方法應(yīng)用于其他非線性預(yù)測領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)：
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算法。該算法綜合考慮調(diào)查問卷中指標(biāo)值的客觀信
息和專家打分給出的主觀權(quán)重，所得的綜合權(quán)重更
加客觀真實(shí)。通過實(shí)例分析，該算法得出的結(jié)論與
實(shí)際情況基本符合，說明提出的網(wǎng)絡(luò)安全評估算法
是準(zhǔn)確和有效的。
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