數(shù)據(jù)網(wǎng)滲透攻擊中的拓展的迷宮路徑算法

賴 群

(廣東電網(wǎng)公司云浮供電局，廣東 云浮52730)

網(wǎng)絡(luò)滲透攻擊簡稱為滲透攻擊(Network Penetration)，是攻擊者常用的一種攻擊手段，也是一種綜合的高級攻擊技術(shù)，指通過一步步滲透，進(jìn)入某個大型網(wǎng)絡(luò)主機(jī)服務(wù)器群組所在的整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實施網(wǎng)絡(luò)攻擊的技術(shù)。由于滲透攻擊具有極大的隱蔽性（其在遍歷整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之前并不發(fā)生危害作用），但是一旦其掌握整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，發(fā)動的網(wǎng)絡(luò)攻擊往往是致命性的，在該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的任何主機(jī)都無法幸免[1]。滲透攻擊目前常用的方法是基于攻擊圖的滲透測試模型攻擊圖方法 PTGM（Penetration Testing Graph Modal）。

滲透攻擊圖的自動生成方法有很多，參考文獻(xiàn)[2]通過定義攻擊模式和prolog規(guī)則來自動生成子攻擊和攻擊圖；參考文獻(xiàn)[3]建立了網(wǎng)絡(luò)攻擊過程中的貪心策略，并給出該策略的約束攻擊圖生成過程；而參考文獻(xiàn)[4]則利用被測試目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)脆弱點間的邏輯關(guān)系，結(jié)合原子攻擊知識庫，給出一種滲透攻擊圖自動生成方法。此外，基于生成的滲透攻擊圖，一些學(xué)者還研究了滲透攻擊圖的優(yōu)化問題，如參考文獻(xiàn)[5]將蟻群算法應(yīng)用于攻擊模型的安全分析中，獲取最小關(guān)鍵攻擊集的優(yōu)化解；參考文獻(xiàn)[6，7]通過將攻擊圖與通用安全脆弱點評估系統(tǒng)相結(jié)合，刪除攻擊圖中的不可達(dá)路徑，簡化了攻擊圖。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)滲透攻擊研究對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的攻擊研究不足，同時研究重心過多地側(cè)重于被動防護(hù)研究，而對主動防御研究不足，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)安全研究一直處于被動挨打、疲于應(yīng)對的局面。通過在網(wǎng)絡(luò)滲透攻擊研究中引入拓展的迷宮路徑算法，為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)安全研究提供了主動應(yīng)對策略與方法。通過引入拓展的迷宮路徑算法，對任意復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵路徑、關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全策略分析與防護(hù)，解決整個網(wǎng)絡(luò)安全問題提供了切實可行的解決方案。

為了提高對網(wǎng)絡(luò)滲透攻擊的研究，以便對網(wǎng)絡(luò)滲透攻擊進(jìn)行預(yù)防和處理，以計算機(jī)算法設(shè)計與分析中的迷宮路徑算法為藍(lán)本，通過對其進(jìn)行擴(kuò)展，嘗試對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行遍歷，在此基礎(chǔ)上利用網(wǎng)絡(luò)攻擊方法，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)滲透攻擊。

迷宮路徑算法(Algorithm of Maze’s Path)是一種在已知迷宮存在一條從入口到出口的通路的前提下，尋找到該條迷宮具體路徑的算法。迷宮路徑算法對于未知圖的遍歷具有極大的優(yōu)越性，它可以通過簡單有效的算法，在較短時間內(nèi)尋找到可行路徑。該算法在具體實現(xiàn)時，用二維向量對迷宮進(jìn)行表示。迷宮的入口處一般用向量（0，0）表示，迷宮的出口用二維向量（m，n）表示。 探索者從（0，0）出發(fā)，每次只能向前（有 4個可選方向，分別是：正北、正南、正東、正西）行進(jìn)一步，前進(jìn)完成后，探索者所在位置由行進(jìn)前的(i，j)變更為行進(jìn)后的(i，j+1)、(i，j-1)、(i+1，j)、(i-1，j)（上 述 4 個 位 置依 次對 應(yīng)向 正北、向正南、向正東、向正西前進(jìn)）。在行進(jìn)前同時記錄（將信息記錄到歷史行進(jìn)記錄中）行進(jìn)前所在位置和行進(jìn)的具體方向，當(dāng)行動后的位置可達(dá)后，記錄行動后的位置。依此順序前進(jìn)，當(dāng)隨機(jī)選取的行進(jìn)方向無法抵達(dá)時，查找歷史行進(jìn)記錄，回退到上一步所在的位置，并按照行進(jìn)歷史記錄記載，去探索當(dāng)前位置未探索的方向。按照這種思路，對整個位置迷宮進(jìn)行遍歷，直到找到出口位置。由于事先已經(jīng)確定該迷宮存在至少一條明確的由入口到出口的通路，所以迷宮路徑算法必然能夠?qū)ふ业缴鲜雎窂街械囊粭l。

1 基于拓展迷宮路徑算法的網(wǎng)絡(luò)滲透實現(xiàn)

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)滲透時，網(wǎng)絡(luò)滲透的最初切入點就可以看做迷宮路徑算法中的迷宮入口（Entrance），而迷宮出口（Exit）則是此次切入點所能直接到達(dá)的目的地址，此處所說的直接到達(dá)是指通過切入點路由表顯示的目的地址。用符號A1表示初始切入點，從切入點A1的路由表中可以獲取該主機(jī)所能達(dá)到的多個目標(biāo)地址，假定分別為B1、B2、…、Bm?？梢噪S機(jī)選取上述目標(biāo)地址中的任意一個作為前進(jìn)的方向（為了便于說明，在此選取B1作為前進(jìn)目標(biāo)），將前進(jìn)信息和當(dāng)前位置信息計入行動歷史記錄中，由此歷史行動記錄已經(jīng)構(gòu)成，記為H1。此時，H1=(A1，B1)。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同于標(biāo)準(zhǔn)迷宮，在任何一個節(jié)點，理論上均有多個可選方向（大于4個方向）作為下一步前進(jìn)方向，因此需要構(gòu)造一個行動方向可選記錄集，記為 D1。此時，D1=(B2，B3，…，Bm)，在此未記錄 B1是因為該節(jié)點已經(jīng)被選擇進(jìn)行了滲透測試，所以不需要進(jìn)行標(biāo)記。當(dāng)B1方向可達(dá)后，用網(wǎng)絡(luò)偵聽工具和網(wǎng)絡(luò)攻擊工具破解B1主機(jī)，以此獲得該主機(jī)的最高權(quán)限。當(dāng)上述目標(biāo)均實現(xiàn)后，獲取B1主機(jī)的路由信息表，假定路由信息表中顯示的目標(biāo)地址為 C1、C2、…、Cl。按照上述方法，隨機(jī)選取上述目標(biāo)地址中的任意一個作為前進(jìn)的方向（為了便于說明，在此選取C1作為前進(jìn)目標(biāo)），將前進(jìn)信息和當(dāng)前位置信息計入行動歷史記錄中，此時歷史行動記錄 H1已經(jīng)由 H1=(A1，B1)變更為 H1=(A1，B1，C1)。 與 此同時，行動方向可選記錄集為(D1，D2)。

在此時，D2=(C2，C3， …，Cl)。 如果 C1點依然方向可達(dá)，且用網(wǎng)絡(luò)偵聽工具和網(wǎng)絡(luò)攻擊工具破解C1主機(jī)成功，以此獲得該主機(jī)的最高權(quán)限后，依上述步驟繼續(xù)進(jìn)行滲透。如果在限定的時間內(nèi)，C1無法完成上述操作，則利用類似迷宮路徑算法的回退機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)滲透回退，通過結(jié)合歷史行動記錄集H1和行動方向可選記錄集(D1，D2)，確定回退后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)滲透的下一目標(biāo)主機(jī)地址。由于網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)的安全性能、漏洞狀態(tài)并不一致，且主機(jī)的口令、密鑰強(qiáng)度存在明顯的差別，所以只要同一網(wǎng)段中的一臺主機(jī)存在安全隱患，均能完成對此網(wǎng)段上一級網(wǎng)絡(luò)連接的滲透工作。利用此拓展的迷宮路徑算法就完成了從初始切入點A1開始的最遠(yuǎn)目標(biāo)地址滲透工作。由于整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同于迷宮結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中并不是任意兩臺主機(jī)之間都是彼此可達(dá)的。選擇已經(jīng)滲透成功的任意一臺非A1主機(jī)作為初始切入點，重復(fù)利用上述網(wǎng)絡(luò)滲透技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)滲透，即可完成基于變更后的主機(jī)地址的網(wǎng)絡(luò)滲透工作。利用這種拓展的迷宮路徑算法，基本完成了整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臐B透遍歷。

但是該算法存在一個明顯的問題就是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的重復(fù)、無效信息過多，不利于后期進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊。以網(wǎng)絡(luò)中任意一對網(wǎng)絡(luò)主機(jī)為例，假定該成對網(wǎng)絡(luò)主機(jī)分別為 A1、P1， 那么從 A1出發(fā)到達(dá) P1的通路與從 P1出發(fā)到達(dá)A1的通路可能大相徑庭。需要確定以哪一條通路作為行動路線。另外，在A1出發(fā)到達(dá)P1的通路或從P1出發(fā)到達(dá)A1的通路上，是否存在冗余路徑也需要確定。只有將冗余路徑刪除并保留最短路徑，在后期進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊時才能在最短時間內(nèi)真正有效地達(dá)到所需的目的點?；谏鲜鋈毕荩脠D論中的相關(guān)理論與方法對拓展算法進(jìn)行完善。通過這種方式將現(xiàn)實中的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)意義上的整合處理。

2 基于圖論算法的網(wǎng)絡(luò)滲透完全圖的生成

在圖論理論中，有一個非常重要的思想就是極大連通子圖的概念。用圖論語言描述就是：設(shè)圖G=(V，E)，其中變量V代表頂點集合，變量E代表邊集合，變量G代表圖。如果存在另外一個圖 G1=(V1，E1)，其中變量 V1代表頂點集合，且 V1?V；變量 E1代表邊集合，且 E1?E；變量G1代表圖。若圖G1中的任意兩點之間是連通的，且圖G1不存在回路，此時向圖G1中添加任何一個頂點或邊，圖G1將出現(xiàn)回路或者變?yōu)榉沁B通，那么圖 G1就稱為圖G的極大連通子圖。

按照上述理論，需要在此構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)滲透圖的極大連通子圖，通過將若干個極大連通子圖合并，來實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)滲透圖的最小覆蓋訴求。基于上述想法，首先對拓展算法進(jìn)行改進(jìn)。在每一步，完成對下一步主機(jī)的完全滲透工作后，記錄從滲透成功節(jié)點到上一步節(jié)點的物理到達(dá)時間，以此時間作為該條通路的路徑長度。假如當(dāng)前地址是A1，而目標(biāo)地址是B1，當(dāng)成功獲取B1的超級操作權(quán)限后，在B1主機(jī)上測試到達(dá) A1主機(jī)的時長，以此作為通路A1B1的路徑長度。用此方法，對成功獲取權(quán)限后的主機(jī)進(jìn)行路徑長度測量，并將此信息記錄在路徑信息歷史集合DI中。隨著整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錆B透的完成，得以獲取所有可達(dá)路徑的路徑長度信息。利用獲取的所有節(jié)點信息以及與之對應(yīng)的節(jié)點間路徑長度信息，重新構(gòu)造一個圖鄰接矩陣，其具體表述如下：

矩陣Al代表整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的鄰接矩陣，該矩陣中元素的排列順序采用事先約定順序（矩陣第一行從左至右依次代表節(jié)點x1，x2，…，xw；矩陣第一列從上至下依次代表節(jié)點，，…，）。 其中變量代表節(jié)點和x2直接可達(dá)的距離（此處所說的直接可達(dá)是指節(jié)點x2是節(jié)點x1直接子節(jié)點）。如果式(1)中的兩節(jié)點之間直接不可達(dá)，則將其距離標(biāo)記為∞。

式(1)對應(yīng)的圖為G=(V，E)。按照圖論的算法，首先構(gòu)造一個集合S={V0}，其中V0代表出發(fā)頂點。再構(gòu)造一個集合T={除V0以外的頂點}。從式(1)中的矩陣中尋找與出發(fā)頂點V0最直接相鄰的頂點，且其直接可達(dá)距離是直接相鄰頂點中最小的，將此頂點標(biāo)記為V1，并將其加入到集合S中。同時，修正式(1)中的距離值，如果加進(jìn) V1作為中間頂點，從 V0到其他頂點（不包括 V1）的距離小于現(xiàn)有距離，則修改式(1)中的距離值，否則不修改。重復(fù)上述步驟，直到集合S與集合T相等。

由此，對無效信息進(jìn)行了過濾，找到了網(wǎng)絡(luò)滲透的最短路徑。

3 網(wǎng)絡(luò)攻擊分析研究與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)研究

上述內(nèi)容對未知的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行了探索，明確了整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上完成了對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹攸c分析，找到了整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖疃搪窂?，為下一步有針對性地進(jìn)行防護(hù)網(wǎng)絡(luò)攻擊打下了堅實的基礎(chǔ)。

針對上述分析中確定的整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的最短路徑，將最短路徑中的每一個節(jié)點確定為關(guān)鍵節(jié)點。在具體的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，這些關(guān)鍵節(jié)點就是未來網(wǎng)絡(luò)滲透和網(wǎng)絡(luò)攻擊的主要目標(biāo)，對上述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點主機(jī)，需要建立一臺雙備份服務(wù)器，該主機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控上述關(guān)鍵節(jié)點主機(jī)的動態(tài)信息。具體說來，就是在此服務(wù)器上，存儲上述關(guān)鍵節(jié)點主機(jī)的IP地址及其對應(yīng)的MAC地址，且形成一一對應(yīng)的穩(wěn)定關(guān)系。同時對整個網(wǎng)絡(luò)中涉及上述關(guān)鍵節(jié)點主機(jī)的ARP請求進(jìn)行實時監(jiān)控，對于涉及關(guān)鍵節(jié)點主機(jī)發(fā)送的ARP請求，必須與服務(wù)器上的對應(yīng)信息進(jìn)行自動核對。一旦發(fā)現(xiàn)有與原地址不匹配的ARP請求發(fā)生，立即進(jìn)行系統(tǒng)報警，同時定向跟蹤此ARP請求發(fā)生的地址及時間。并將正確的ARP請求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)廣播傳送，以防止黑客行為的發(fā)生。所有關(guān)鍵節(jié)點主機(jī)要求變更地址的TCP/IP請求，必須提前通過手工報送的方式實現(xiàn)，不能采取自行更換主機(jī)網(wǎng)卡、主機(jī)IP地址的方式實現(xiàn)。同理，RARP請求的處理方式與上類似。

通過上述分析研究，對攻擊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從任意出發(fā)點開始，設(shè)定下一步網(wǎng)絡(luò)攻擊的傳播方向。設(shè)定的規(guī)則是根據(jù)當(dāng)前節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)上任意可達(dá)節(jié)點之間的最短路徑為其傳播的具體路徑。對網(wǎng)絡(luò)中任意可達(dá)節(jié)點采取同樣方法進(jìn)行設(shè)定，并確定網(wǎng)絡(luò)攻擊的強(qiáng)度與時間，由此即可在制定的時間達(dá)到預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)攻擊效果。

基于上述整體方法，任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)滲透攻擊均可確定。利用拓展的迷宮路徑算法完成了對網(wǎng)絡(luò)滲透的初步改善；在此基礎(chǔ)上，利用圖論相關(guān)理論與方法，最終完成了網(wǎng)絡(luò)滲透攻擊的全過程優(yōu)化升級。通過確定的最短路徑及關(guān)鍵節(jié)點，為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中確立網(wǎng)絡(luò)防御保護(hù)措施的實施范圍、實施方式確定了明確的思路。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)滲透攻擊研究在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的攻擊研究不足，同時研究重心過多地側(cè)重于被動防護(hù)研究，而對主動防御研究不足。從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)安全研究一直處于被動挨打、疲于應(yīng)對的局面。通過在網(wǎng)絡(luò)滲透攻擊研究中引入拓展的迷宮路徑算法，為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)安全研究提供了主動應(yīng)對策略與方法。本文通過引入拓展的迷宮路徑算法，對任意復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵路徑、關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全策略分析、防護(hù)，從而為解決整個網(wǎng)絡(luò)安全問題提供了切實可行的解決方案。

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