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铁路时间同步网挑战应答身份认证安全性分析

中国安全科学学报 2022年第11期32卷 1-8页

作者：兰丽王潇霖兰州交通大学电子与信息工程学院甘肃兰州730070

为保障铁路系统可靠稳定运行,提高铁路时间同步网安全防护能力,利用着色Petri网(CPN)分析铁路时间同步网身份认证的安全性。首先,基于Autokey模型的时间同步协议认证过程,建立基于公共参数的挑战应答身份认证过程的CPN模型,同时,利用该... 详细信息

为保障铁路系统可靠稳定运行,提高铁路时间同步网安全防护能力,利用着色Petri网(CPN)分析铁路时间同步网身份认证的安全性。首先,基于Autokey模型的时间同步协议认证过程,建立基于公共参数的挑战应答身份认证过程的CPN模型,同时,利用该模型分析基于公共参数的挑战应答运行机制可能存在的漏洞。然后,建立中间人攻击下的挑战应答过程的CPN模型,并利用逆向状态分析法建立模型的状态方程,分析身份认证协议不安全状态的可达性。最后,利用CPN Tools软件仿真验证安全性分析结果。结果表明:CPN模型分析出铁路时间同步网挑战应答身份认证的过程存在安全漏洞,客户端对挑战应答报文源信息验证的缺乏,会导致中间人伪造的挑战应答报文可以通过客户端身份认证,实现操纵时间节点的目的。通过该模型演绎中间人的攻击序列,可为铁路时间同步网在制定安全防护策略时提供重要参考。

关键词：铁路时间同步网挑战应答身份认证安全性分析着色Petri网(CPN) 中间人攻击

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铁路时间同步网溯源及同步性能研究

中国铁路 2023年第8期 43-51页

作者：梁坤余沺杨志强程华何之煜王子鉴王剑程进北京交通大学电子信息工程学院北京100044 中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所北京100029 北京铁路通信技术中心北京100038 中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所北京100081 北京全路通信信号研究设计院集团有限公司集成中心北京100070

铁路时间同步网是为铁路各通信子系统提供精确时间的重要支撑系统,其运行性能非常重要。针对铁路时间同步网及其3层固定结构以及移动列车时间同步节点,分析铁路时间同步网4种不同的溯源参考,并基于经过校准的全球导航卫星系统(GNSS)时... 详细信息

铁路时间同步网是为铁路各通信子系统提供精确时间的重要支撑系统,其运行性能非常重要。针对铁路时间同步网及其3层固定结构以及移动列车时间同步节点,分析铁路时间同步网4种不同的溯源参考,并基于经过校准的全球导航卫星系统(GNSS)时间频率传递装置,设计了铁路时间同步网溯源监测方法,评估了铁路时间同步网中不同溯源源头可能造成的时间同步性能差异。针对铁路时间同步网现状,测量分析其现有性能能否对未来5G-R提供有效支撑具有重要意义。

关键词：铁路时间同步网授时同步性能溯源 GNSS 5G-R

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铁路时间同步网异常流量检测方案的研究

铁路时间同步网异常流量检测方案的研究

作者：李响兰州交通大学

学位级别：硕士

随着《交通强国建设纲要》的推进,高速铁路步入大发展时代。为保证铁路行车安全和运输效率,国家铁路总公司对铁路各子系统之间的时间同步水平提出了新的要求。铁路时间同步网作为铁路通信网的重要子网之一,负责协调统一铁路各环节时间,... 详细信息

随着《交通强国建设纲要》的推进,高速铁路步入大发展时代。为保证铁路行车安全和运输效率,国家铁路总公司对铁路各子系统之间的时间同步水平提出了新的要求。铁路时间同步网作为铁路通信网的重要子网之一,负责协调统一铁路各环节时间,使各环节能够按标准统一的时间信息进行任务的记录和执行。铁路时间同步网通过NTP（Network Time Protocol,网络时间协议）实现时间同步功能,而该协议存在天然的脆弱性,更易受到攻击。当铁路时间同步网受到外部恶意攻击时,传输带宽资源被占用,会严重影响铁路时间同步网的时间同步水平,从而降低运营效率,危害行车安全。目前,对铁路时间同步网的安全性研究较少,网络攻击的检测领域研究还存在空白。如何在传输数据量极大的前提下对铁路时间同步网的攻击进行准确实时地检测是提升铁路系统安全性的重要课题。因此,本研究提出了一种Spark框架下铁路时间同步网异常流量检测方案,通过该方案实现对异常流量的识别。首先,研究通过Python语言在Spark框架下结合皮尔逊相关系数和距离相关系数,从线性相关和非线性相关两个方面对已标记的时间同步网流量数据特征间的描述能力是否存在差异进行考察,验证最优特征的存在。之后,研究通过Python语言在Spark框架下结合卡方检验、皮尔逊相关系数及最大互信息系数三种方法分别对数据特征进行降维,确定三组特征子集。之后通过设置对照组进行对比分析,计算各组特征子集的准确率,确定一组最优特征子集。该子集具有网络流量数据的最显著特征,可以很好地表现一条流量数据是否异常。在此基础上,研究对最优特征进行分析,并根据最优特征,结合铁路时间同步网的拓扑结构,初步提出部分针对DDoS（Distributed Denial of Service,分布式拒绝服务）攻击的铁路时间同步网防御建议。其次,研究提出一种Spark框架下基于分类器联合的铁路时间同步网异常流量检测方案。分类器联合算法将引入Mini Batch的K-Means优化聚类算法与随机森林分类算法进行并联,并对二者所得结果通过最近邻原则进行综合判定。首先,研究结合所提取的最优特征子集,通过处理并训练数据搭建Mini Batch K-Means聚类模型和随机森林分类模型,并通过一致原则将两个模型并联起来。之后,为验证分类器联合算法的检测效果,研究同时将测试数据集输入分类器联合算法模型、单独Mini Batch K-Means聚类模型和单独随机森林模型中,计算其准确率并进行对比,验证了分类器联合算法在检测准确率和稳定性上的优越性。最后,在上述研究基础上,研究初步提出一种基于关联规则数据挖掘算法的攻击告警机制的设想,以对检测出的铁路时间同步网异常流量进行高效实时告警。该设想为后续提升铁路时间同步网安全性的研究提供方向。

关键词：铁路时间同步网特征子集异常流量 Spark 分类器联合

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铁路时间同步网协议安全性研究

铁路时间同步网协议安全性研究

作者：张昊磊兰州交通大学

学位级别：硕士

铁路时间同步网是铁路承载网的重要支撑子网,为铁路内部各系统提供统一标准时间信息。铁路时间同步网使用了NTP（Network Time Protocol,网络时间协议）,并按照其“服务器/客户端”的工作模式为铁路各个业务系统提供时间同步服务。NTP... 详细信息

铁路时间同步网是铁路承载网的重要支撑子网,为铁路内部各系统提供统一标准时间信息。铁路时间同步网使用了NTP（Network Time Protocol,网络时间协议）,并按照其“服务器/客户端”的工作模式为铁路各个业务系统提供时间同步服务。NTP协议属于无连接性协议,自身的安全性较差,因此,研究NTP协议的安全性对保证铁路时间同步网的安全高效运行具有重要意义。本文以铁路时间同步网为研究对象,首先使用有色Petri网对NTP协议漏洞进行分析验证,然后对铁路时间同步网上发生的DDoS（Distributed Denial of Service,分布式拒绝服务）攻击提出了预防响应措施。NTP协议进行时间同步服务时,首先对服务器身份进行验证,该验证过程通过私有证书或可信证书实现。NTP协议通过证书进行服务器身份验证时,其过程中存在可能被入侵者利用的漏洞。因此,本文首先基于有色Petri网的逆向状态分析法,对NTP协议在证书验证过程中存在的不安全状态进行了可达性分析;然后,采用有色Petri网建模软件CPN Tools对分析结果进行了仿真验证。结果表明:NTP协议在两种证书验证的过程中存在的不安全状态均是可达的,且仿真验证结果与理论分析相吻合,证明NTP协议存在安全漏洞。为了预防在铁路时间同步网上发生的DDoS攻击,本文提出了Egress过滤法结合改进型包标记策略的综合防御方法。首先,对来源于外部僵尸主机产生的恶意数据包,使用Egress过滤方法,对地址信息不符合规定的数据包进行过滤;其次,对来源于时间同步网系统内客户端主机产生的恶意数据包,采取改进型包标记策略对攻击路径进行重构;最后,分别对两种防御方法进行了仿真分析。结果表明:Egress过滤的方法可以有效的将来自于僵尸主机产生的恶意数据包进行过滤,且改进型包标记策略可以迅速完成攻击路径重构,定位问题主机。两种方法结合使用可以有效地预防DDoS攻击,保障铁路时间同步网的安全运行。

关键词：铁路时间同步网网络时间协议分布式拒绝服务有色Petri网

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铁路时间同步网延迟不对称补偿方案

激光与光电子学进展 2021年第7期58卷 139-148页

作者：张友鹏曹建荣兰丽兰州交通大学自动化与电气工程学院甘肃兰州730070 兰州交通大学电子信息工程学院甘肃兰州730070 兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室甘肃兰州730070

针对铁路时间同步网中上下行链路延迟不一致的问题,提出一种基于改进实时计算数据包排队延迟(ERTCQD)算法的补偿方案。该方案以传输链路时延为依据,得到铁路时间同步网时钟模型;考虑实时计算数据包排队延迟算法中时钟频差计算参数难以... 详细信息

针对铁路时间同步网中上下行链路延迟不一致的问题,提出一种基于改进实时计算数据包排队延迟(ERTCQD)算法的补偿方案。该方案以传输链路时延为依据,得到铁路时间同步网时钟模型;考虑实时计算数据包排队延迟算法中时钟频差计算参数难以获得且时钟频差会导致延迟随时间线性偏移,通过计算线性时钟频差改进该计算方法,并通过求解排队延迟最小数据包估算出排队延迟,最后将该排队延迟引入时钟模型,得到一种新的时钟偏差估计方式,并以此改善延迟不对称导致的对时精度下降问题。研究结果表明:ERTCQD算法的精度更高,平均误差为0.22 ms,基于该方案的补偿效果良好,相比于补偿前,该方案将时钟偏差误差降低了73.2%,链路延迟不对称则降低94.2%。该方案明显提升对时精度,为解决铁路时间同步网延迟不对称提供参考。

关键词：光通信铁路时间同步网改进实时计算数据包排队延迟算法延迟不对称补偿排队延迟

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铁路时间同步网可靠性分析

铁路时间同步网可靠性分析

作者：王锋兰州交通大学

学位级别：硕士

铁路时间同步网是铁路承载网的重要支撑子网,为铁路内部各系统提供统一标准时间信息,以保障列车安全运行和故障定位分析的准确,研究其设备可靠性和功能可靠性对于完善网络设计、制定维修策略和编订使用规范具有重要作用。本文将以铁路... 详细信息

铁路时间同步网是铁路承载网的重要支撑子网,为铁路内部各系统提供统一标准时间信息,以保障列车安全运行和故障定位分析的准确,研究其设备可靠性和功能可靠性对于完善网络设计、制定维修策略和编订使用规范具有重要作用。本文将以铁路时间同步网为研究对象,通过模糊贝叶斯法和随机Petri网法分别对其设备可靠性和功能可靠性进行评估。铁路时间同步网具有历史故障数据少,组网结构复杂等特点。由于可靠性评估需要大量历史故障数据,而铁路时间同步网是在建网络,故障数据较少,因此需要通过专家经验对其底层设备的可靠性进行评估,并综合三角梯形模糊法对专家打分结果进行模糊处理,以使得设备可靠性评估结果客观、合理。综上所述,本文采用模糊贝叶斯方法评估铁路时间同步网设备可靠性。首先,通过FMEA(Failure Mode and Effect Analysis,失效模式、影响分析)总结铁路时间同步网所有关键设备的故障模式,结合专家意见和现场情况对关键设备故障率进行打分及共因失效分析;其次,建立铁路时间同步网故障树模型,并按照故障树与贝叶斯的转化方式建立铁路时间同步网贝叶斯模型;最后,通过贝叶斯的因果推理算法、诊断推理算法对铁路时间同步网的设备可靠性进行评估及薄弱环节分析。分析结果表明:铁路时间同步网具有较高的设备可靠性,FMEA方法可以高效归纳系统关键设备的故障模式,三角梯形模糊法有效提高了评估结果的客观性,模糊贝叶斯方法适合对在建网络进行可靠性评估。在对铁路时间同步网进行功能可靠性评估时,为了能全面描述时间同步的动态流程,本文采用随机Petri网法对其进行建模分析。首先,在设备可靠性的分析基础上结合光纤延时、光纤故障、电磁干扰、信息校验四种因素建立了铁路时间同步网通信模型;其次,在通信模型基础上结合时间同步方案建立了铁路时间同步网同步模型;最后通过随机Petri网动态分析算法对铁路时间同步网进行功能可靠性评估。评估结果表明:铁路时间同步网具有较高的同步成功率,随机Petri网法适合于对网络性能进行动态分析。

关键词：铁路时间同步网可靠性分析贝叶斯网络 Petri网

基于TCPN的铁路时间同步网延迟攻击应对策略研究

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铁道标准设计 2022年第8期66卷 168-174页

作者：赵庭达武晓春兰州交通大学自动化与电气工程学院兰州730070

铁路时间同步网采用的时间同步协议NTP自身具备一定的安全缺陷,容易受到网络攻击影响。对网络时间协议(NTP)进行分析,使用时间有色Petri网(TCPN)建立NTP对时阶段时间同步过程模型,并对模型进行仿真测试,仿真结果验证了模型的正确性。针... 详细信息

铁路时间同步网采用的时间同步协议NTP自身具备一定的安全缺陷,容易受到网络攻击影响。对网络时间协议(NTP)进行分析,使用时间有色Petri网(TCPN)建立NTP对时阶段时间同步过程模型,并对模型进行仿真测试,仿真结果验证了模型的正确性。针对NTP协议延迟攻击,确定攻击产生的时间偏差和引入延迟的关系,分析延迟攻击对铁路时间同步网造成的影响并提出检测思路。根据攻击者引入的延迟与客户端计算偏移量的关系,提出NTP协议延迟攻击的缓解方法,将NTP时间同步过程模型进行扩展,在原模型的基础上加入攻击节点和缓解方法模块,对延迟攻击及其缓解方法进行模拟。经过多组仿真验证,缓解后的主从时间偏移量均小于2ms,提出的缓解模型可有效缓解NTP延迟攻击造成的影响。

关键词：铁路时间同步网时间有色Petri网网络时间协议延迟攻击时间同步时间偏差

基于半马尔可夫过程的铁路时间同步网协议安全量化分析

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铁道学报 2018年第8期40卷 73-82页

作者：兰丽张友鹏兰州交通大学电子与信息工程学院甘肃兰州730070 兰州交通大学自动化与电气工程学院甘肃兰州730070 兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室甘肃兰州730070

针对基于Autokey模型的铁路时间同步网协议安全性问题,考虑时间同步协议在攻击行为下的状态驻留时间为非指数分布,提出基于半马尔可夫过程的铁路时间同步协议的安全性量化分析方法。剖析基于Autokey模型的铁路时间同步协议序列执行流程... 详细信息

针对基于Autokey模型的铁路时间同步网协议安全性问题,考虑时间同步协议在攻击行为下的状态驻留时间为非指数分布,提出基于半马尔可夫过程的铁路时间同步协议的安全性量化分析方法。剖析基于Autokey模型的铁路时间同步协议序列执行流程,建立带有网络攻击行为的铁路时间同步协议完整性验证过程的状态变迁模型。分析协议的不安全状态与协议相关安全性指标之间的关系,得到协议各安全性相关指标与协议不安全状态的变迁概率和状态驻留时间之间的关系曲线,分析影响铁路时间同步网协议安全性的关键因素。研究结果可为铁路时间同步网信息安全维护提供借鉴。

关键词：铁路时间同步网网络时间协议随机模型安全性

基于随机Petri网的铁路时间同步网协议脆弱性分析

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铁道学报 2017年第8期39卷 85-92页

作者：兰丽张友鹏兰州交通大学电子与信息工程学院甘肃兰州730070 兰州交通大学自动化与电气工程学院甘肃兰州730070

针对铁路时间同步网的时间同步协议脆弱性问题,提出将随机Petri网(SPN)和马尔科夫链相结合进行协议脆弱性分析。剖析铁路时间同步网的结构、协议执行流程,建立铁路时间同步网中时间同步协议在中间人攻击作用下的SPN模型;分析影响协议脆... 详细信息

针对铁路时间同步网的时间同步协议脆弱性问题,提出将随机Petri网(SPN)和马尔科夫链相结合进行协议脆弱性分析。剖析铁路时间同步网的结构、协议执行流程,建立铁路时间同步网中时间同步协议在中间人攻击作用下的SPN模型;分析影响协议脆弱性的相关状态,得到协议脆弱性相关状态的实施速率与协议正常结束状态和异常结束状态稳态概率之间的关系曲线;确定影响铁路时间同步网中时间同步协议脆弱性的具体因素。研究结果可为维护铁路时间同步网及制定相应性能指标提供借鉴。

关键词：铁路时间同步网网络时间协议随机Petri网脆弱性分析