基于动态异构冗余机制的路由器拟态防御体系结构

路由器作为网络空间的基础核心要素,其安全性能对网络安全具有决定性意义。但由于它的封闭性、专用性和复杂性,导致其存在的漏洞更多,后门隐藏更深。目前对路由器的安全防御手段均为被动式“补漏洞、堵后门”的“亡羊补牢”式的防御,不仅防御滞后更无法应对未知的安全威胁。本文基于拟态防御技术,在路由器体系架构上引入异构冗余功能执行体,通过动态调度机制,随机选择多个异构执行体工作,在相同外部激励的情况下,通过比对多个异构功能执行体的输出结果,对功能执行体进行异常检测,实现路由系统的主动防御。实验结果表明,该架构可以明显提升攻击链中每一步攻击的实施难度,增加攻击成本,并能抵御基于未知漏洞与后门的攻击。     

拟态路由器TCP代理设计实现与形式化验证研究CSCD

拟态路由器基于拟态防御的动态异构冗余架构进行设计,对于未知漏洞后门具有良好的防御能力。协议代理在拟态路由器中处于内外联络的枢纽位置,协议代理的安全性和功能正确性对于拟态路由器有着重要意义。本文设计实现了拟态路由器的TCP协议代理,并采用形式化方法,对其安全性和功能正确性进行了验证。TCP协议代理嗅探邻居和主执行体之间的TCP报文,模拟邻居和从执行体建立TCP连接,并向上层应用层协议代理提供程序接口。基于分离逻辑与组合思想,采用Verifast定理证明器,对TCP协议代理的低级属性,包括指针安全使用、无内存泄露、无死代码等,进行了验证;同时,还对TCP协议代理的各主要功能模块的部分高级属性进行了形式化验证。搭建了包含3个执行体的拟态路由器实验环境,对实现结果进行了实际测试,结果表明所实现的TCP代理实现了预期功能。TCP协议代理实现总计1611行C代码,其中形式化验证所需人工引导定理检查器书写的证明共计588行。实际开发过程中,书写代码实现与书写人工证明所需的时间约为1︰1。本文对TCP协议代理的实现与形式化验证工作证明了将形式化验证引入拟态路由器的关键组件开发中是确实可行的,且证明代价可以接受。     

拟态路由器TCP代理设计实现与形式化验证研究

拟态路由器基于拟态防御的动态异构冗余架构进行设计,对于未知漏洞后门具有良好的防御能力。协议代理在拟态路由器中处于内外联络的枢纽位置,协议代理的安全性和功能正确性对于拟态路由器有着重要意义。本文设计实现了拟态路由器的TCP协议代理,并采用形式化方法,对其安全性和功能正确性进行了验证。TCP协议代理嗅探邻居和主执行体之间的TCP报文,模拟邻居和从执行体建立TCP连接,并向上层应用层协议代理提供程序接口。基于分离逻辑与组合思想,采用Verifast定理证明器,对TCP协议代理的低级属性,包括指针安全使用、无内存泄露、无死代码等,进行了验证;同时,还对TCP协议代理的各主要功能模块的部分高级属性进行了形式化验证。搭建了包含3个执行体的拟态路由器实验环境,对实现结果进行了实际测试,结果表明所实现的TCP代理实现了预期功能。TCP协议代理实现总计1611行C代码,其中形式化验证所需人工引导定理检查器书写的证明共计588行。实际开发过程中,书写代码实现与书写人工证明所需的时间约为1:1。本文对TCP协议代理的实现与形式化验证工作证明了将形式化验证引入拟态路由器的关键组件开发中是确实可行的,且证明代价可以接受。     

一种基于执行体异构度的拟态裁决优化方法

网络空间拟态防御技术通过构建动态异构冗余的系统架构来提高系统的安全性能,而裁决器的表决机制是防御链中的关键步骤,直接影响拟态系统的安全性和效率。针对拟态表决环节的任务特性,对一致表决算法进行改进,设计基于执行体异构度的拟态裁决优化方法。结合拟态防御系统的异构特性,在选择执行体表决输出时引入执行体间的异构度作为决策因素,同时综合考虑执行体数目和历史记录信息,使表决算法更适用于拟态架构面临的威胁场景。实验结果表明,与一致表决算法相比,该算法能够显著提高拟态系统的安全性能,有效规避共模逃逸的风险。     

软件定义网络下的拟态防御实现架构

针对传统防御技术难以应对未知漏洞和后门的问题,拟态安全防御（MSD,mimic security defense）通过构造动态异构冗余模型,提高系统的不确定性,增加攻击者的攻击难度和成本,提升网络安全性能。基于软件定义网络,提出了一种拟态防御的实现架构,首先,按照非相似余度准则构建异构冗余执行体,而后借助软件定义网络的集中管理控制实现动态选调和多模判决等功能。实验验证了架构的入侵容忍能力和可用性。     

基于演化博弈的拟态防御策略优化

网络空间拟态防御是近些年出现的一种主动防御理论,以异构冗余和动态反馈机制不断调整执行环境来抵抗攻击。然而,面对黑客的多样化攻击手段,仅凭借拟态防御抵抗攻击是不安全的。为了增强系统的安全防御能力,本文在目前已有的防御系统基础上提出更为合理的防御选取方法。将有限理性的演化博弈引入到拟态防御中,构建了由攻击者、防御者和合法用户组成的三方演化博弈模型,并提出了最优防御策略求解方法。该博弈模型利用复制动态方程得到了演化稳定策略。仿真实验结果表明,系统通过执行推理的演化稳定策略可以降低损失,遏制攻击方的攻击行为,对拟态防御系统中防御策略选取和安全性增强具有一定的借鉴意义。     

RIP和OSPF路由协议在Click软件路由器中的实现

Click是一种模块化的软件路由器体系结构,基于该体系结构用户可以根据自己的需求搭建不同功能的路由器.针对Click软件路由器支持静态路由协议的局限性,引入模块化路由器软件协议栈XORP(eXtensible Open Router Platform),实现了动态路由协议在Click软件路由器上的扩展.通过搭建实验网络拓扑环境,验证了基于Click转发平台的两种不同的动态路由协议RIP和OSPF,并进行了相关测试和性能分析.实验结果表明,Click软件路由器的转发性能与Linux内核基本一致,但相比较而言,Click软件路由器具有灵活、可扩展、模块化等不可比拟的优势.     

拟态构造的Web服务器异构性量化方法

拟态构造的Web服务器是一种基于拟态防御原理的新型Web安全防御系统,其利用异构性、动态性、冗余性等特性阻断或扰乱网络攻击,以实现系统安全风险可控.在分析拟态防御技术原理的基础上,论证异构性如何提高拟态构造的Web服务器的安全性,并指出对异构性进行量化的重要性.在借鉴生物多样性的量化方法基础上,将拟态构造的Web服务器的异构性定义为其执行体集的复杂性与差异性,提出了一种适用于量化异构性的量化方法,通过该方法分析了影响拟态构造的Web服务器异构性的因素.在理论上为拟态防御量化评估提供了一种新方法,工程实践上为选择冗余度、构件和执行体提供了指导.实验结果表明,该方法比香浓维纳指数和辛普森指数更适合于量化拟态构造的Web服务器的异构性.     

拟态防御DHR模型若干问题探讨和性能评估

针对传统防御技术难以应对未知特征和未知缺陷的攻击,近年来,工业界和学术界尝试发展能够“改变游戏规则”的创新性防御技术。网络空间拟态防御（CMD：Cyberspace Mimic Defense）以动态异构冗余（DHR：Dynamical Heterogeneous Redundant）作为核心架构技术。针对信息系统保护的元功能,采用非相似余度设计方法构造多个功能等价的异构执行体;在系统运行期间,动态调度元功能的不同异构执行体在线运行,以阻断攻击者的攻击过程;同时,利用多模判决机制对多个异构执行体的输出结果进行判决,以检测是否发生攻击。本文针对DHR模型的若干问题进行了探讨,给出了一种理论分析方法,并进行了实验仿真,理论分析和仿真结果表明,DHR能够大幅提升攻击者攻击难度,增强信息系统的安全性。     

基于可信计算技术的OSPF路由协议研究

为了解决目前路由安全方案中只对路由器身份进行认证,而未对路由器平台的完整性进行验证的问题,在基于LSU数字签名的OSPF协议基础上,借鉴可信计算的完整性度量思想,提出了一种新的可信路由协议TC-OSPF(OSPF based on tru-sted computing)。分析了LSU数字签名过程,指出了在LSU签名过程中加入路由平台完整性度量的可行性,在此基础上设计了具有完整性度量功能的LSU报文结构。安全性分析表明,TC-OSPF协议不仅可以对路由器身份进行认证,同时也能对路由平台的完整性进行验证。仿真实验结果表明,TC-OSPF在保证了OSPF协议安全性的同时也兼顾了路由性能。     

拟态通用运行环境的框架设计

为实现信息系统安全防御的目的,针对动态异构冗余(DHR)架构设计拟态通用运行环境(MCOE)框架。以拟态化改造后功能等价的异构冗余信息系统应用程序,以及异构化的信息系统运行环境设施为对象,为N异构执行体构建面向服务请求的资源调度、分发、执行、表决、安全威胁清洗恢复以及管理的自动化运行支撑环境,提供拟态产品的分发、表决统一集成接口规范。在该框架中,服务请求主键驱动的N个异构执行体和MCOE分发、内部表决、外部表决、协同执行、管理5个服务器交互运行。仿真结果表明,该设计可有效抵御软硬件后门和漏洞引发的网络攻击。     

网络空间拟态防御发展综述：从拟态概念到“拟态+”生态

网络空间拟态防御（CMD,cyberspace mimic defense）基于动态异构冗余架构实现多体执行、多模裁决和多维重构,以不确定性系统应对网络空间泛在化的不确定性威胁。从纵向、横向、当前、发展和未来5个视角对其8年来的演进进行系统综述：纵向观,概述了CMD从概念提出,到理论、实践层面形成发展的历程;横向观,阐述了CMD的DHR（dynamical heterogeneous redundancy）核心架构、以CMD三定理为支柱的原理、安全增益、性能开销,将其与入侵容忍、移动目标防御、零信任架构、可信计算和计算机免疫学 5 类其他主动防御技术进行了综合对比辨析;当前观,综述了拟态路由器、拟态处理机、拟态 DNS服务器、拟态云平台等 11 类现有主要拟态产品的实现要素、性能表现、系统架构、异构策略、调度策略、表决策略等共性技术模式与特性技术特点;发展观,结合人工智能、物联网、云计算、大数据和软件定义网络5类新型技术探讨了“拟态+”AICDS（拟态+AI/ IoT/Cloud/Data/SDN）共生生态,提出了相应技术结合点和交叉研究价值;未来观,展望了未来拟态基线 2.0 产品生态、“拟态+5G/6G”“拟态+边缘计算”“拟态+云”和“拟态+区块链”5 类“拟态+”应用场景,分析归纳了拟态防御技术面临的存在多模决策攻击逃逸空间、异构与同步互制约、安全与功能难平衡和现有内生安全组件变换空间有限4点挑战。     

web服务器拟态防御原理验证系统测试与分析

web服务器拟态防御原理验证系统是基于拟态防御原理的新型web安全防御系统,利用异构性、冗余性、动态性等特性阻断或扰乱网络攻击,以达成系统安全风险可控的要求。针对传统的测试方法实施于web服务器拟态防御原理验证系统中存在不足、不适应复杂安全功能测试以及难以实现准确度量等问题,本文提出了适用于拟态防御架构的web服务器测试方法,基于让步规则改进了灰盒测试,还丰富了漏洞和后门利用复杂度的含义。并以此为基础设计适于该系统的测试方案、测试原则和测试方法,在性能、兼容性、功能实现、HTTP协议一致性,安全性这些方面进行了全面的测试和分析。     

基于安全策略的负载感知动态调度机制

针对软件定义网络（SDN）网络控制器流规则篡改攻击等单点脆弱性威胁,传统安全解决方案如备份、容错机制等存在被动防御缺陷,无法从根本上解决控制层安全问题。结合目前移动目标防御、网络空间拟态防御等主动防御技术研究现状,提出一种基于异构冗余结构的动态安全调度机制。建立控制器执行体与调度体调度模型,根据系统攻击异常、异构度等指标,以安全性为原则设计动态调度策略;同时考虑系统负载因素,通过设计调度算法LA-SSA将调度问题转化为动态双目标优化问题,以实现优化的调度方案。仿真结果表明,对比静态结构,动态调度机制在累积异常值、输出安全率等指标上有明显优势,说明安全调度机制中的动态性与多样性能够显著提高系统抵御攻击能力,LA-SSA机制负载方差较安全优先调度更平稳,在实现安全调度的同时避免了负载失衡问题,验证了安全调度机制的有效性。     

拟态通用运行环境的资源管理与调度技术

为达到拟态通用运行环境(MCOE)对已/未知后门和漏洞主动防御、安全威胁攻击及时阻断和数据完整性有效保障等拟态防御目标,提出拟态资源调度准则,基于该准则从拟态资源管理与MCOE框架的交互设计、拟态资源管理与调度等方面论述拟态资源管理服务与调度算法的设计与实现,构造拟态运行节点软硬件资源异构特征分类器及基于三级异构度分类的节点N元组和N异构执行体元组,实现N异构执行体、服务器运行节点资源及其资源对象的随机性、动态性和异构性最大化与资源调度负载均衡,并通过拟态管理服务实例验证了云容器集群上拟态资源管理调度算法的正确性与有效性。     

OSPF协议扩展属性NSSA的研究与应用

分析了动态路由协议OSPF的优点和局限性，针对OSPF中Stub区域无法导入区域外部非OSPF路由的缺陷引入了NSSA，介绍了NSSA通过LSA-Type7引入区域外部非OSPF路由来弥补这个缺陷的过程。同时通过一个实例介绍了NSSA在Cisco路由器上的实际应用，说明了NSSA的重要性。     

面向拟态云的异构执行体安全调度算法

随着云服务的应用范围越来越广,基于未知漏洞或后门的攻击成为制约云技术发展的主要安全威胁之一。基于拟态防御建立的拟态云服务通过降低漏洞的持续性暴露概率来保障安全性,当前已有研究提出的拟态调度算法缺乏对执行体自身安全性的考虑,并且无法兼顾动态性和异构性。针对此问题文章通过引入执行池的异构度和安全度定义,提出一种基于异构度和安全度的优先级调度算法,并引入结合时间片的动态调度策略。实验结果表明,文章所提算法具有较好的动态性,能够获得较优的调度效果,实现了动态性、异构性和安全性之间的平衡,并且时间复杂度较低。     

动态异构冗余架构下Web实践及安全性分析

当前网络环境下安全事件频发,攻防双方处于极度失衡状态,对其进行解决刻不容缓.针对目前安全领域内缺乏有效的防御手段的现状,对拟态安全防御技术进行分析、探索、实践.在对现有防御技术探讨的基础上,通过对拟态安全防御中核心思想、架构设计的引入与分析,构建一种动态异构冗余架构下的典型Web服务系统,并在实验中证实该系统的安全稳定性.进一步地,从攻击行为模型和安全防护概率角度出发,对系统的安全性进行分析.仿真结果表明,系统在动态异构冗余架构下能够增强防护能力,这对现网环境下网络安全改造方案具有指导意义,为下一步构造安全稳固的系统提供了理论支撑.     

Windows Server 2003中OSPF路由实现的研究

传统意义上具有路由功能的设备是路由器,路由器同样是由硬件和软件两部分组成的。随着操作系统的发展,如今的操作系统也同样具有路由器所具有的部分功能。如今利用路由器我们可以完成OSPF路由的实验,同样利用操作系统也能完成OSPF路由的实验。现利用Windows Server 2003路由和远程访问实现OSPF动态路由实验。     

基于GSPN的拟态DNS构造策略研究

网络空间拟态防御系统（Cyberspace Mimic Defense System,CMDS）采用动态异构冗余架构以及多模表决机制将不确定威胁转化为概率可控的事件,从而实现了自主可控、安全可信。为进一步研究拟态构造策略在不同干扰场景下的稳态可用性和感知安全性,本文采用广义随机Petri网（Generalized Stochastic Petri Net,GSPN）建模,分析了不同干扰场景下采用不同拟态构造策略对系统性能和构造成本的影响,实验结果表明拟态防御系统可以根据反馈控制信息对不同干扰场景进行策略替换,从而实现系统的稳定可用性和感知安全性。同时通过反馈控制能有效控制不同服务器解析时延差值,对实际拟态DNS系统部署有重要指导意义。