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基于可拓理论的网络安全评估研究

文档作者：李景智殷肖川胡图李明迅文档来源：空军工程大学		点击数：	更新时间： 2022年04月27日
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Computer Engineering andApplications计算机工程与应用2012，48(21) 79
基于可拓理论的网络安全评估研究
李景智，殷肖川，胡图，李明迅
LI Jingzhi，Y1N Xiaochuan，HU Tu，LI Mingxun
空军工程大学电讯工程学院，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：针对目前网络安全评估算法存在的不足，提出了一种基于可拓模糊层次分析的安全评估算法。该算
法在模糊层次分析法的基础上，结合可拓理论，将调查问卷表收集到的指标值映射到可拓区间中，通过相对隶
属度的计算，构建了新的判决矩阵，利用模糊层次分析法计算各指标的综合权重。通过对相对隶属度的加权
排序，得到网络安全评估值。通过实例分析，说明该方法能综合考虑专家打分的权威性和调查问卷的普遍性，
提高了网络安全评估的准确性和有效性。
关键词：网络安全评估；可拓理论；物元模型；模糊层次分析法
文章编号：1002—8331(2012)21．0079—04 文献标识码：A 中图分类号：TP393
随着计算机系统功能的日益强大和广泛应用，
其系统组成和规模越来越庞大、复杂，使用的场所已
经拓展到有关国家安全的政治、经济、军事、国防部
门和机构组织。但是从认识论的高度来看，人们往
往首先关注系统的功能，然后才被动地从现象注意
到系统应用的安全问题。计算机系统的现状就是如
此，广泛存在着重应用、轻安全的现象。运行在网络
上的设备、服务器、终端都可能存在着安全漏洞。为
了提高网络系统的安全性，仅仅依靠安全技术和安
全产品是不能解决所有问题的，必须对网络系统进
行安全风险评估分析，才能充分掌握系统的安全状
态，并针对问题采取有效的防范措施，使安全风险处
于可控范围内。如何选择合适的评估方法对网络系
统进行合理的安全评估，成为学者们研究的热点问
题n。01。当前网络安全评估的方法有很多种，归结起
来主要以下三种：
(1)定性评估方法
通过对风险事件的损失和发生频率的定性评价
基金项目：陕西省自然科学基金(No．SJ08一ZTl5)。
作者简介：李景智(1987一)，男，硕士研究生，主要研究领域为网络与信息对抗；殷肖川(196l一)，男，教授，硕士生导师，主要研究
领域为网络信息安全等；胡图(1986一)，男，硕士研究生，主要研究领域为网络资源管理；李明迅(1987一)，男，硕士研
究生，主要研究领域为网络故障预测。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
万方数据
Computer Engineering andApplications计算机工程与应用
⋯——————————————
目标层
———————___—-—-—-●-——
i一划星⋯⋯一～
：指标层
网络安全O
i — i — l i l— r—
I机密性R。完整性R， 可用性R， 抗否性R。可控性R。真实性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
信物安纠擎密访
业宙由数兀部内窦身
帧辐
息理全错码问
务
计选字
时
全分
不
容锌份
收射
加墨协编签校控
流
跟择签
间可可
可
鉴鉴鉴
议码名验制
控
踪控名
戳控控控别翘别
』l 厶
密
14 厶，6 11 厶厶
制
制‘3
‘。‘，
厶
‘。‘1 ‘， ‘6 ‘。‘。‘o
，12 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯——————⋯⋯——⋯⋯⋯——⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一++j
图1 网络安全评估指标体系
来确定网络安全风险等级。目前学术界和网络安全
评估领域的定性评估方法有很多种，比较著名的方
法有Neumann的信息安全风险分析ISRA(Informa．
tion Security Risk Analysis)方法”1、Tregear J和
Consultant S的单次损失算法SLA(Single．time Loss
Algorithm)方法口1、德尔菲法Delphi Method”1等。
(2)定量评估方法
指运用数量指标对风险进行评估。例如，美国
国家标准协会ANSI(American National Standards
Institute)制定的《联邦信息处理标准》中提出的年度
损失期望ALE(Annual Loss Expectancy)H1方法、灰
色评估法、聚类分析法等。
(3)模型评估方法
指根据评估指标建立评估模型，对系统进行安
全评估，可以获得网络安全的状态。例如：状态转移
图模型STGt”、模糊层次分析法模型FAHPr64，、攻击树
Attack tree‘91和贝叶斯分类算法“叫等。
定性评估方法不对威胁发生频率、安全事件影
响进行定量的计算，评估过程简单，但评估结果往往
具有较大的不确定性，难以进行统计分析；定量评估
方法可以用直观的数据来表述评估的结果，比较客
观，结果更科学，但存在某些情况下有的因素量化后
被误解、曲解，在提高评估结果准确性的同时增加了
风险聚集的难度；模型评估方法能够全面反映系统
中存在的安全隐患，而且能够发现未知的攻击和网
络系统的脆弱点，已经逐步成为网络安全评估领域
的重点研究方向。
通过对上述网络安全评估方法的分析，本文采
用基于模型的评估方法，依据可拓理论⋯2，和模糊层
次分析法””，在借鉴文献[14]的基础上，设计了一种
基于可拓模糊层次分析的网络安全评估算法。为克
服层次分析法中人为主观因素的影响，在构建判决
矩阵时，舍弃了经典的专家打分法，结合可拓区间创
建了一种网络安全指标等级差的标度区间映射表，
同时，考虑到不同指标对网络安全的重要程度，对网
络安全指标采用了不同的加权系数。最后采用模糊
层次分析法对网络进行安全评估。
1 网络安全评估指标体系的建立
网络安全的目标主要是指保护网络信息系统，
使其所受威胁最小、危险程度最弱、尽量不出事故。
从技术角度方面分析，网络安全的准则主要表现在网
络系统的机密。1生(Confidentiality)、完整。l生(Integrity)、
可用性(Availability)、抗否认性(Non—repudiation)、可
控性(Controllability)和真实性(Authenticity)等方面””。
通过向有关专家调查咨询，以及文献[121的综合分
析，建立了有利于进行层次分析的安全评估指标体
系。如图1所示。
2评估算法研究与设计
2．1 安全指标映射表的建立
评估指标的数据获取是保证评估得以正常进行
的基础和前提。数据获取的成功与否，直接关系到
整个安全评估工作的质量。为了保证所获取数据的
质量，应该坚持准确性、全面性和权威性的原则。
根据安全评估的目的和数据获取的原则，目前
指标数据获取的途经主要有问卷调查法、使用辅助
工具、从文档资料以及网络运行管理活动中获取。，
在本文中，对于指标主观权重的确立采用模糊
层次分析法，通过向相关领域专家咨询的方法确立
判断矩阵，体现了权威性和专业性。对于指标值的
获取采用问卷调查法，通过大量的调查分析，保证指
标值的全面性和准确性。
在专家打分的过程中，由于各个专家带有自己
的感情色彩，通过模糊层次分析法得出的指标权重
带有主观性。为了减少权重的主观因素，根据可拓
万方数据
李景智，殷肖川，胡图，等：基于可拓理论的网络安全评估研究
理论，建立指标映射表，将调查问卷表中指标值映射
到对应的可拓区间中，通过相对隶属度的计算，构造
新的判断矩阵，最终得出各指标的综合权重，提高了
安全评估的可靠性和全面性。
根据文献[15]将网络安全指标的等级划分为五
级，依据不同等级差原理，将调查问卷表中指标值1～9
划分为对应指标的可拓区间，得到网络安全指标映
射表，如表l所示。
表1 网络安全指标映射表
级别一级二级三级四级五级
可拓区间(8，9) (6，8) (4，6) (3，4) (1，3)
隶属度1 O．823 O．588 0．412 O．235
注：隶属度的数值根据式(2)计算所得，具体见本文后
面的描述。
经过大量的问卷调查，得到数量庞大的指标值，
将不同指标值映射到所对应的可拓区间中，通过表1
得出指标值的相对隶属度。
2．2物元模型的建立
在可拓理论中，为了形象化描述事物，构建了物
元模型的概念，通常采用一个有序的三元组M=
fD，c，y)来表示一个物元，其中D表示事物，C表示
事物的特征，矿表示事物特征的量值u21。如果一个事
物有胛个特征，则以刀个评定指标特征c，，C，，．一，C。和
相应的量值v．，v∥一，v。来描述经典物元，可用式(1)
表示：
M=
，，。=．．．：．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．垒：．．，．：．．．．．．!．．：!：．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 rl，，)、l
’”max[alj,口2f，⋯，aj+max[b1，，b2，，⋯，6。，] 一7
将上面专家打分得到的主观权重作为其加权系
数，通过f：，一，r。，计算各指标的相对隶属度，其中，，
为指标Ci的加权系数。
2．3模糊层次分析法
(1)建立模糊评价矩阵
在上面建立的物元模型中，通过式(3)计算各指
标隶属度的标准差，其中7，为调查问卷中第，个指标
的相对隶属度的平均值。
属略却(3)
在此基础上计算模糊判断矩阵D=(Z^。。，其中
Z，=s，／s；+sj。利用式(4)计算P，当P<0．1时，认为
D具有满意的一致性。
p=面i了1丽苫m，薹，薯f略一(丸+％一圭)『(4)
(2)计算综合权重
首先，利用和积法计算得到模糊判断矩阵的初
始迭代向量如下：
。w@札W2．⋯，IΣw。r。)Σ_rl玎筝擘Σ⋯r。1掣㈤
lΣΣ勺ΣΣ勺ΣΣ～I
然后，通过迭代方程W‘““：D．w‘。’进行迭代运
(1)
算，并求w‘川’的无穷范数|I H，‘川’忆。每次迭代后，
若11w‘“1’忆一||w(。’忆<0．01，则11w(¨1’忆即为最大特
由集合0和它的胛个特征及其将标准量值范围加以
拓广了的量值范围ViCVpi=(％p bpi)组成的物元，称
为节域物元，记为：
MD=
O
Cl
0
c2
： ：
● ●
0
C。
根据图1，将网络安全指标体系进行分层讨论计
算。由于篇幅的限制，以准则层中机密性指标为例，
构建相应的物元模型，进行指标性能函数值的计算。
集合0是调查问卷表，Ci是“机密性”下指标层
参数，如防帧收、防辐射、安全协议等，(a。b。，)是C，
对应的可拓区间。根据可拓理论，第i个物元的第，
个评价指标的隶属度(即第if)调查问卷表中第，个
指标层参数的隶属度)可用式(2)计算：
征值根，将w忙“’进行归一化处理，得到帚‘。’为性能
指标的综合权重。否则，以w∞’：w忙’川w@+1’忆作为
新的初值，再次迭代。
(3)计算各指标参数的性能函数值
通过式(6)对机密性下所有指标参数进行加权
求和，最终得到机密陛指标的总性能函数值。
／(R，)=ΣΣ∥’勺(6)
3实例分析
以某大学校园网为例，对其进行网络安全评估。
首先，根据表1建立的网络安全评估体系，设计专家
打分表和调查问卷表。专家根据经验和主观判断，
对各指标进行打分，通过模糊层次分析法，得出各指
标的主观权重值，如表2所示。
巩如
玑
㈣忱
q巳；％ ∽
陶
一白吃．．．岛 门—刊叫吲
订
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巩以
％
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％
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0
0；0
=
‰％；‰
万方数据
Computer Engineering andApplications计算机工程与应用
表2安全指标主观权重表
为了全面评估校园网的安全状况，在研究校园
网使用情况的基础上，对三类使用群体进行抽样调
查和采样，其中包括学生样本群体、教师样本群体和
管理人员样本群体。对回收的调查问卷表进行数据
处理，将问卷表中不同指标值映射到所对应的可拓
区间中，通过表1得出指标值的隶属度，将表2得到不
同安全指标的主观权重值作为各指标的加权系数，计
算各指标的相对隶属度，由此建立相应的物元模型。
在此基础上，通过式(3)，得到网络性能指标的
标准差(值得注意的是，在标准差的计算中将三类样
本群体统一进行处理)，构造相应的判决矩阵，并依
据式(4)来验证矩阵的一致陛条件是否满足。
最后，将式(5)计算得到的判决矩阵初始迭代向
量进行循环迭代，得到各网络安全指标的综合权重，
如表3。
在表3的基础上，通过式(6)对所有指标参数分
表3指标层指标综合权重表
别进行加权求和，得到网络安全准则层指标的性能
函数值，其中对指标参数进行加权求和的时候，将三
类样本群体对各指标参数的隶属度分别计算，得到
不同使用群体对准则层指标的性能函数值。
最后，采用同样的方法，计算出准则层各指标的
综合权重，结合指标的性能函数值，进行加权求和得
到最终的网络安全评估值，如表4所示。
整理表4中的结果，得出三类群体对某校园网安
全评估的总得分和安全评估值排序：学生群体的对
校园网安全评估值0．216 7，排名第1，教师群体的评估
值为0．220 9，排名第2，管理人员的评估值为0．251 5，
排名第3。
4结论
在分析目前网络安全评估方法不足的基础上，
提出了一种基于可拓模糊层次分析的网络安全评估
表4网络安全最终评估值
(下转88页)
万方数据
88 2012，48(21) ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用
相空问重构奠定了基础。
(2)针对网络流量非线性、非平稳的特点，通过
引入混沌理论，对网络流量时问序列进行相空间重
构，将其转变成为一个多维状态空间向量序列，最大
可能地提取和恢复网络流量的演化信息，展示网络
流量的动力学特征。
(3)采用遗传算法对非线性BP神经网络的参数
进行优化，较好解决了神经网络易陷入局部最小值、
收敛速度l曼等缺陷，预测模型泛化能力更优。
(4)将小波消噪、混沌理论和神经网络相结合，
进行优势互补，大幅提高了网络流量预测精度，同时
可以将该方法应用于其他非线性预测领域。
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(上接82页)
算法。该算法综合考虑调查问卷中指标值的客观信
息和专家打分给出的主观权重，所得的综合权重更
加客观真实。通过实例分析，该算法得出的结论与
实际情况基本符合，说明提出的网络安全评估算法
是准确和有效的。
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