非合作动态博弈下的网络安全主动防御技术探究
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摘 要：网络技术的快速发展使得相应的网络安全方面的威胁也越来越严重，目前为保证网络的安全，主要的防御技术是静态的方式，但是静态的防御技术的缺陷是无法对攻击者的攻击意图和攻击策略的变化进行相应的防御措施的变化。通过对该现状的分析，研究主要的分析了非合作的、动态非零和的博弈理论，并且在将这一理论应用于网络的安全防御进行了研究。现将主要的研究过程和成果表述如下。
中图分类号：TP393.08
现有的网络防御和入侵检测系统主要的是依靠安全配置的方式对处于联网状态下的网络进行安全防护，这些防御技术具有本身一些缺点，无法对瞬时的攻击以及未知的攻击进行保护，因此在对网络的安全进行保护的时候要做到适当的防护，即有一定的可行性和合理性，又要保证能够做到比较好的防御。博弈理论下的防御技术具有很多的变形，并且具有独特的优点，而非合作动态的博弈理论的应用又进一步的强化了这些特征。
1 博弈论
所谓博弈论，指的是一门研究其他的参加者关于utility（效用）的情况，理性参加者间互相产生作用的科学，其要素包括博弈的参加者中利益或者目标间互相的冲突和均为理性的参加者特点等两个方面。随着理论的发展和时代的进步，现代的博弈论也逐渐发展成为一项涵盖心理学、运筹学、哲学、数学、计算机科学、军事战略、政治、生物、经济等学科领域内容的交叉性学科。通常而言，现代的博弈论所公认的起源是由名为Morgenstern的经济学者与名为Von Neumann的数学家所共同撰写的《博弈的理论与经济的行为》。尽管此处当时所提出理论性博弈论的框架仅仅能够对部分有限的例子进行使用，例如只对非合作与零的博弈问题等进行了讨论，但是该著作是将博弈的问题通过数学的语言作出解决与描述的第一人。在此之后，在众多学者不断的研究与努力下，尤其是在非合作的博弈理论内Nash创造性的将策略的均衡概念进行了引入，博弈论逐步演变成分析中极为有用且重要的工具[1]。
2 多阶段的非合作动态博弈
网络攻防图的表示方式是G（V’，E’，U’），其为一个带环的具有方向的图，其中的V’叫状态节点，表示的是所有有关的物理节点的所有状态的集合。E’={Ea Ed}集合代表的是网络的攻防图中的有向边方面的集合，集合内的每一条边代表的是来自攻击方或者是防御方的攻防策略，U’集合表示的是网络的攻击和防御的策略相对应的策略收益方面的集合。网络的攻击图之上再加上相应的防御策略就变成了网络的攻防策略图。
2.1 攻防博弈树的形成
攻防博弈树被应用与完全信息的网络攻防动态博弈中，可以对其进行有效的描述。攻防博弈树可以对攻击方和防御方的动态策略选择进行描述和了解。为有效的发挥相应的集合的概念需要将网络的攻防图转变成攻防的博弈树T。要对攻防图中的两种子图进行转化，包括入度为n（n>1）的节点子图，以及包含环图的子图。
处于非合作动态博弈理论下的网络安全通过攻防博弈树来进行描述和分析。由于攻防博弈树可以对攻击方或者是防御方的动态策略选择进行秒描述，可以知道参与者会在什么时候采取什么活动进行行动，并且企图通过这个活动产生什么效益和信息。其图形如下图1所示。
要对网络的攻防图和网络的攻防博弈树上的结构差异进行消除，需要将虚拟节点的技术引入才能够实现。网路的攻防图通过引入虚拟节点技术可以将攻防的博弈树的节点结构进行进一步的规范。在此阶段需要采取的算法包括完全信息的多阶段博弈理论的逆向归纳算法，以及非完全信息的多阶段动态博弈的逆向归纳的方法[2]。
2.2 应用实例
为验证该技术的有效性和可行性，下面以该实验场景进行模拟实验，实验的场景如图2所示：
通过漏洞和木马的扫描工具统计出目标系统的相关漏洞信息，将攻击的图生成为子系统的攻击图，再在图中增加各个攻击阶段相对应的防御措施，人后利用以上的攻防博弈图的理论将其转变成相应的攻防博弈树，博弈树中的实线代表的是有方向的一边集合攻击方采用的攻击策略，虚线代表的是有方向的边代表的是防御方所采用的防御策略的集合，并且在有方向的实线的一段引出的节点表示的攻击的节点，有方向的虚线一端引出的就是防御方的节点，而同时具有实线和虚线的节点代表的是混合的节点。所代表的意思为该点既可以在防御的一方采取防御的措施，有可以被攻击的一方作为攻击的节点。通过运算的方式1得出逆向归纳的路径的集合，并且找到最佳的攻防路径，根据运行的结果来计算出攻击方最有可能采取的策略集以及对路由器进行拒绝攻击的服务。防御方要据此来进行最佳的补丁的安装。
攻击博弈树的形状和结构图如下图3：
假设理性的人被违背，那么攻击者采取的措施就会突破防火墙，并且对实验的服务帐号进行尝试破解的工作，这时防御的一方就要采取最佳的防御措施以修复系统的补丁或者是对文件的数据进行恢复。算法2提出的是动态的博弈模型，该模式可能在进行实际的攻击策略时会与预期的攻击策略出现一定的差错或者是不对应的情况，导致在又一个新的节点上采取新的动态博弈的措施，所以算法2可以在攻击的意图发生变化的时候仍旧计算出最佳的攻击集合，并且除此之外，算法2提出的方法能够对整个的状态空间进行全面的博弈局势的掌握，由此便可以推测出最优化的防御措施。这样就可以在全局的大范围内对防御的措施进行最优化的选择[3]。通过实验可以看出基于非合作动态的博弈环境下的网络安全防御技术具有比较好的高效性，并且具有一些很明显的优势，能够对网络的安全起到很强的积极作用。
3 结语
基于目前的静态、被动的网络安全防御的技术缺点，研究主要的分析了新兴的基于非合作动态博弈理论的主动网络防御技术，该技术的特点是引入了虚拟接点的技术，以此实现了网络攻防图和攻防博弈树的转化。该技术还提出了求解最佳的攻防策略的博弈理论算法，经过理论和时间的检验，该技术在对网络进行防御方面具体很强的可操作性。值得在以后的工作和实践中进行推广和使用。
参考文献：
[1]林旺群，王慧，刘家红，邓镭，李爱平，吴泉源，贾焰.基于非动态博弈的网络安全主动防御技术研究[J].计算机研究与发展，2011，02（45）：12-13.
[2]姜伟，方滨兴，田志宏.基于攻防博弈模型的网络安全测评和最优主动防御[J].计算机学报，2009，32（04）：817-827.
[3]周璟.基于非动态博弈的网络安全主动防御技术分析[J].消费电子，2012，05（08）：41-42.
作者单位：杭州职业技术学院，杭州 310018