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软件多样化技术安全性评估与优化组合方法研究

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软件多样化技术安全性评估与优化组合方法研究

作者：谢根琳战略支援部队信息工程大学

学位级别：硕士

随着网络及软件市场规模的快速增长,“软件单一文化”问题所带来的安全威胁也愈发严重,而软件多样化技术可通过内存布局随机化等途径生成功能等价的软件变体,使攻击者对不同软件变体的攻击经验难复用、攻击效果难复现,有效缓解“软件单... 详细信息

随着网络及软件市场规模的快速增长,“软件单一文化”问题所带来的安全威胁也愈发严重,而软件多样化技术可通过内存布局随机化等途径生成功能等价的软件变体,使攻击者对不同软件变体的攻击经验难复用、攻击效果难复现,有效缓解“软件单一文化”问题所带来的安全威胁,降低大规模攻击风险,提升网络及软件系统的弹性和安全性,尽管其现有研究在防御机制优化和完善层面取得了一定的进展,但围绕软件多样化技术的安全性评估与优化组合方法研究仍存在一些不足之处,进而导致软件多样化技术在优化安全增益和性能开销、增强其可用性和适用范围等方面缺乏指导性。针对上述问题,本课题首先面向软件变体安全增益进行软件多样化技术的安全性评估方法研究,给出了可用于度量软件变体安全增益的评估指标,基于此,提出了综合考量软件变体安全增益和性能开销的软件多样化技术组合方法,最后聚焦于各多样化技术及其组合部署所生成的变体在分发至网络内各节点后所带来的安全性影响,设计了相应的变体分发及评估方法。主要研究内容及工作如下:1、针对目前面向软件变体安全增益的评估方法难以准确全面地反映软件多样化技术所带来的软件变体安全增益的问题,提出一种基于gadget特征分析的软件多样化技术安全性评估方法。首先,分析代码重用型攻击受软件多样化技术影响的攻击步骤,提取其gadget特征,并提出相应的gadget质量、实用性和分布三个指标,从而度量软件多样化技术对代码重用型攻击各攻击步骤的影响程度。然后,构建基于所提gadget指标的安全性评估算法,综合评估软件多样化技术所带来的软件变体安全增益。最后,通过对不同粒度的软件多样化技术进行评估实验,验证了所提评估方法的有效性,分析所得评估结果可知,细粒度的软件多样化技术能够更有效地增加攻击软件变体的成本,得出软件多样化技术可有效缓解代码重用型攻击的威胁,并在一定程度上提升软件安全性的结论。2、针对现有软件多样化技术的组合方法中搜索算法效率低、搜索空间小,安全性评估指标不全面,难以有效生成兼顾安全性和性能开销的组合方案的问题,提出一种基于多目标优化算法NSGA-II的软件多样化技术组合方法。首先,分析软件多样化技术组合问题,以及各不同粒度软件多样化技术的差异,构建综合考量TLSH相似度、gadget质量和CPU时钟周期数指标的多目标优化模型。然后,提出基于NSGA-II的软件多样化技术组合问题求解算法,其中包括染色体编码和初始种群生成算法、自适应交叉和变异算子,以及针对所生成组合方案的有效性验证算法等。最后,通过实例分析验证了所提组合方法的有效性,并将所提组合方法分别与基于随机策略、贪心策略和向后逐步回归法构建的组合方法进行对比实验,结果表明,所提组合方法生成的组合方案可在带来更高安全增益的同时,保持较低的性能开销。3、针对现阶段网络场景下的变体分发及评估方法中仅分析由不同商用软件引入的自然软件多样性对网络安全性的影响,且评估时所用的攻击策略较为单一的问题,提出一种面向网络场景的变体分发及评估方法。首先,构建综合冗余缓冲区插入、缓冲区维度增加等4种不同多样化技术,以及二叉攻击、步进式攻击等4种不同攻击策略的网络攻防模型,并提出一种基于节点可达路径内漏洞信息的多样性指标,以及一组网络安全性度量指标。然后,依据所提多样性指标,将网络场景下的变体分发问题构建为整数规划问题,并提出基于模拟退火算法的变体分发方法对该问题进行求解。最后,通过仿真实验验证了所提评估方法的有效性,并对比分析所提变体分发方法与随机着色等方法在均分发各多样化技术组合部署所生成的变体时对网络安全性的影响,结果表明,所提变体分发方法可更有效地延缓攻击在网络内的扩散,从而验证了所提变体分发方法的有效性。

关键词：软件多样化安全增益量化评估优化组合变体分发

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基于多帧聚合的物理层安全技术优化设计

通信技术 2022年第1期55卷 21-29页

作者：赵梓琪郑寒雨周钠衣龙腾郑重中国空间技术研究院北京100094

针对卫星通信中严重的窃听和恶意干扰等安全问题,提出了一种基于噪声聚合理论的多帧聚合优化方法。该方法在传统噪声聚合方案的基础上,增强了相邻数据帧之间的聚合深度与耦合关系,将安全编码转化为多帧聚合,通过调整不同的聚合方式,使... 详细信息

针对卫星通信中严重的窃听和恶意干扰等安全问题,提出了一种基于噪声聚合理论的多帧聚合优化方法。该方法在传统噪声聚合方案的基础上,增强了相邻数据帧之间的聚合深度与耦合关系,将安全编码转化为多帧聚合,通过调整不同的聚合方式,使系统安全性得到最大化提升。仿真结果表明,与传统的噪声聚合方案相比,最优耦合方式可提升系统安全增益约1.3 dB,有效地增强了系统安全性保障能力。

关键词：多帧聚合反馈重传耦合方式安全增益

基于gadget特征分析的软件多样性评估方法

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网络与信息安全学报 2023年第3期9卷 161-173页

作者：谢根琳程国振王亚文王庆丰信息工程大学河南郑州450001

软件多样性能够有效提升系统弹性和安全性,广泛应用于软件分发、操作系统等场景,但现有软件多样性评估方法普遍基于常规代码特征进行度量且较为单一,难以准确反映软件多样性带来的安全增益。针对此问题,以ROP(return-oriented programmi... 详细信息

软件多样性能够有效提升系统弹性和安全性,广泛应用于软件分发、操作系统等场景,但现有软件多样性评估方法普遍基于常规代码特征进行度量且较为单一,难以准确反映软件多样性带来的安全增益。针对此问题,以ROP(return-oriented programming)攻击视角出发,通过分析软件多样性对代码重用攻击过程中各阶段的影响,提出了一种综合gadget质量、实用性和分布指标的软件多样性评估方法,通过度量软件多样性对构建gadget攻击链的难度、攻击者潜在可获得的计算能力和攻击者在不同变体中搜索gadget成本的影响程度对其进行安全性评估。利用不同粒度的多样化技术进行实验,结果表明,所提方法能够准确全面地反映软件多样性带来的安全增益,细粒度的多样化技术能使软件中大量的gadget重定位/修改/移除,增加攻击软件变体的成本,但部分多样化技术会导致不同程度的软件膨胀等问题。最后,依据不同度量指标下得到的结果对现有软件多样化技术的优势与不足进行分析和讨论。

关键词：软件多样性代码重用攻击 gadget特征安全增益

拟态SDON传输系统中冗余异构多核架构的实现

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光通信技术 2022年第1期46卷 81-85页

作者：李子凡张永壮陈芳陈方正田元田照宇钱升起赵星宇李欣张会彬国家电网有限公司信息通信分公司北京100053 北京邮电大学电子工程学院北京100876

现有增强光传输网络安全性的方法多是基于网络层面的,无法保障光传输设备的安全性。提出在光传输设备的管理控制系统中引入拟态防御技术,设计了设备的冗余异构多核架构。基于系统相似度构建攻击概率模型,并进行仿真验证。结果表明:所提... 详细信息

现有增强光传输网络安全性的方法多是基于网络层面的,无法保障光传输设备的安全性。提出在光传输设备的管理控制系统中引入拟态防御技术,设计了设备的冗余异构多核架构。基于系统相似度构建攻击概率模型,并进行仿真验证。结果表明:所提方法明显降低了系统被攻击成功的概率,大大提高了拟态软件定义光网络传输系统的安全性能。

关键词：多核冗余异构软件定义光网络光传输设备安全增益

基于拟态防御架构的多余度裁决建模与风险分析

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信息安全学报 2018年第5期3卷 64-74页

作者：李卫超张铮王立群邬江兴数学工程与先进计算国家重点实验室郑州中国450001 国家数字交换系统工程技术研究中心郑州中国450002

网络空间拟态防御技术以动态异构冗余的内生安全特性作为架构核心,通过多余度裁决方保证服务质量并阻断攻击威胁。然而,目前对于多余度裁决的方法,并没有对其防御的代价和风险进行有效分析和评估。本文根据拟态防御与多余度裁决模型之... 详细信息

网络空间拟态防御技术以动态异构冗余的内生安全特性作为架构核心,通过多余度裁决方保证服务质量并阻断攻击威胁。然而,目前对于多余度裁决的方法,并没有对其防御的代价和风险进行有效分析和评估。本文根据拟态防御与多余度裁决模型之间的关系,针对多余度裁决方法的防御能力、运行效率和系统恢复三方面进行建模和分析。根据模型分析方法挖掘出模型的三项指标之间的潜在关系和部分同构的部署策略下裁决模型的风险隐患问题,并通过实验验证了该方法的有效性。最后,根据模型的评估结果给出了实际部署意见并总结了模型的不足和改进方向。

关键词：拟态防御多余度裁决安全增益系统开销恢复能力风险分析

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攻击表面的数学运算方法

信息工程大学学报 2016年第3期17卷 313-316页

作者：潘盈祝凯捷李伟王凯王东霞数学工程与先进计算国家重点实验室河南郑州450001

攻击表面作为一种主要的系统安全衡量手段,如何通过攻击表面的运算来判断攻击表面移动后系统的安全增益是一个需要研究的问题。文章在攻击表面模型的基础上,结合集合运算的思想,引入两种攻击表面的运算规则,在此基础上,定义攻击表面增益... 详细信息

攻击表面作为一种主要的系统安全衡量手段,如何通过攻击表面的运算来判断攻击表面移动后系统的安全增益是一个需要研究的问题。文章在攻击表面模型的基础上,结合集合运算的思想,引入两种攻击表面的运算规则,在此基础上,定义攻击表面增益,并利用一个简单的程序实例,说明攻击表面增益的量化评估方法。

关键词：攻击表面安全评估移动目标防御安全增益