基于智能安全技術的計算機虛擬信息過濾系統(tǒng)設計

陳 良 英

(四川信息職業(yè)技術學院 四川 廣元 628017)

0 引 言

在互聯(lián)網和通信技術的推動下，人類目前已經進入了信息時代，網絡作為信息傳輸的載體和媒介，在社會經濟生活中發(fā)揮著越來越關鍵的主導作用。近年來，中文互聯(lián)網信息資源呈現(xiàn)出了幾何數字的增長[1-2]，在這些網絡信息資源中包含著大量的虛擬信息及不良的網絡信息[3-4]，干擾著網絡用戶正常的信息檢索和信息查詢[5]，同時也給網絡安全帶來了一定程度的隱患。網絡的虛擬化大都指專用的虛擬網絡[6]，即在虛擬的環(huán)境下允許網絡用戶以用戶名和密碼登錄的方式遠程訪問VPN網絡[7-8]。網絡虛擬化的最終目的是要節(jié)省網絡資源、共享網絡信息，并逐漸提高互聯(lián)網的聯(lián)通性，但在網絡虛擬化的過程中產生了大量的虛擬網絡信息，這些虛擬化的信息中包含有積極的、進步的信息，同時也包含著大量惡意的、有威脅的不良信息。

對于惡意的計算機網絡虛擬信息而言應及時地予以濾除，消除網絡威脅并釋放網絡硬件被占用資源空間，能夠讓網絡用戶快速、安全地訪問網絡和查詢信息。當前虛擬網絡信息的大量存在已經給中文網絡資源帶來了嚴重的不利影響，而現(xiàn)有針對于海量虛擬信息而設計的網絡信息過濾系統(tǒng)，都無法滿足虛擬信息處理的相關要求。例如，基于BP神經網絡的虛擬信息過濾系統(tǒng)設計[9]，在海量虛擬冗余信息處理效率上具有一定優(yōu)勢，但在信息識別的準確性方面有待提高，有時會濾除一些關鍵的有用信息；而基于SVM分類算法的虛擬信息過濾系統(tǒng)[10]，則無法有效地應對海量性的計算機網絡虛擬信息，在虛擬信息過濾綜合能力上較差。為此本文從網絡虛擬信息處理的智能化和安全性角度出發(fā)，提出一種基于動態(tài)密鑰對稱算法的網絡虛擬信息過濾系統(tǒng)研究，旨在降低互聯(lián)網虛擬信息對網絡安全和用戶上網體驗造成的不利影響。

1 總體設計

根據計算機虛擬網絡信息過濾系統(tǒng)總體功能性的要求，設計和確立了系統(tǒng)的硬件模塊結構與軟件工作流程。系統(tǒng)總體架構的設計需要具有一定的總體性和前瞻性，因為包括虛擬信息資源在內的網絡信息資源總量在不斷地增長，過濾系統(tǒng)在信息過濾能力上要預留一定的成長空間。過濾系統(tǒng)內部功能模塊的設計方面，要考慮到接口的兼容性和模塊間配合協(xié)調性，保證過濾系統(tǒng)內部各業(yè)務功能模塊以及軟件程序銜接得更為緊密。此外，計算機虛擬信息過濾系統(tǒng)在人機交互界面設計、關鍵數據信息存儲、提取的便捷性設計等方面，也要滿足終端用戶和網絡使用者的基本要求。為降低網絡虛擬信息過濾系統(tǒng)總體的運行成本，方便硬件模塊及子程序的調用，在過濾系統(tǒng)總體架構設計方面采用了自定義組件設計的方式，這種結構設計模式提高了模塊組件和系統(tǒng)子程序的利用率和共享率。組件設計模式在操作的便捷性、易用性方面也有一定的優(yōu)勢，因為自定義模式下功能模塊組合與程序的組合在網絡虛擬信息過濾中，具有更好的容錯能力和糾錯能力，可以保證信息分類的準確性及有用關鍵信息的完整性。基于智能安全技術的計算機虛擬信息過濾系統(tǒng)，從虛擬信息處理的安全性及邏輯程序的智能操作視角出發(fā)，設計了一種C/S型的運行架構，無論是在虛擬的網絡服務器端，還是在用戶的終端都可以進行信息的過濾處理，以提高信息過濾的效果。虛擬網絡服務器與云端網絡連接，在云端強大的并行計算能力下，能夠濾除絕大多數的冗余虛擬信息；虛擬網絡服務器向下與網絡虛擬信息監(jiān)測端連接，可以對網絡信息進行二次過濾，以最終保證終端用戶調取和使用信息的安全性與準確性。

如圖1所示，從系統(tǒng)總體的邏輯層次分析可以將總體的架構分為云端數據處理層、中間控制層和用戶層。云端網絡主要負責大量虛擬數據的計算、分類，中間控制層負責存儲數據和讀取數據，并為用戶提供過濾處理后的關鍵信息。各個總體層次架構之間依靠無線通信網絡連接，獨立的數據傳輸接口，可以為終端用戶提供更為便捷、透明和安全的網絡服務。

圖1 計算機信息虛擬過濾系統(tǒng)運行的總體架構

2 硬件單元設計

虛擬信息過濾系統(tǒng)的重要硬件單元由網絡處理器芯片、網絡通道控制器、靜態(tài)隨機存儲器、尋址存儲器、SPI接口及PCI總線等部分構成。虛擬信息過濾系統(tǒng)關鍵硬件單元設計如圖2所示。

圖2 過濾系統(tǒng)的關鍵硬件單元設計

網絡處理器中內置了兩片IXP2400芯片，該類型芯片具有強大的可編程邏輯運算能力和遠程空間并行計算能力，且在成本和功耗方面也更有優(yōu)勢。采用了主從雙芯片的設計，將控系統(tǒng)通道控制器與靜態(tài)隨機存儲器的連接分開，主芯片負責邏輯程序的控制和冗余網絡虛擬信息的濾除，而從芯片則負責對關鍵信息的靜態(tài)存儲，保證網絡虛擬信息處理中不會誤刪除關鍵的網絡信息。IXP2400芯片設計基于Intel X86結構，內部具有32位的多線程內核計算引擎，每一個IXP2400芯片可以在1秒內，同時分析和處理12 GB大小的虛擬網絡數據。在虛擬信息的分類與處理過程中，系統(tǒng)緩存發(fā)揮著重要的作用，在系統(tǒng)緩存控制方面本文選擇了4個SRAM型通道控制器，每一個通道控制器的內存為8 GB，具有獨立訪問的功能。同時通道控制器也可以與IXP2400芯片、PCI總線等并發(fā)操作，為過濾系統(tǒng)提供了密度更高、帶寬更大的運行存儲。SRAM型通道控制器自帶時鐘功能和復位功能，每秒的數據轉換次數超過了50萬次。

網絡信息過濾系統(tǒng)配備了4個靜態(tài)隨機存儲器，關鍵信息存儲中多存儲器并行工作的結構提高了數據過濾與存儲的效率，當字節(jié)的寫入和讀取時內置于微處理器芯片中的QDR協(xié)調器，能夠保證各數據運行通道的暢通性。系統(tǒng)主控芯片與控制器、靜態(tài)隨機存儲器、尋址存儲器和電源管理模塊之間通過PCI總線連接，并且通過SPI接口和無線傳統(tǒng)模塊與云端網絡及終端用戶連接保證數據傳輸的實時性和完整性。SPI接口在物理層和通信鏈路層都保證了對虛擬網絡信息的有效濾除，接口轉換器為虛擬網絡服務器和檢測端之間提供了可配置的連接，減少了系統(tǒng)模塊之間邏輯聯(lián)系的復雜度。虛擬信息過濾系統(tǒng)的硬件結構需要軟件的支持和串聯(lián)，在完成硬件單元設計后，本文采用了一種嵌入式操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對網絡冗余虛擬信息的濾除。

3 軟件設計

從系統(tǒng)軟件層面上考慮，網絡虛擬信息過濾系統(tǒng)的邏輯層次主要包括用戶層、虛擬信息業(yè)務過濾層和信息數據處理層。本文從智能安全技術的視角出發(fā)設計了總體軟件流程的具體功能，每一個系統(tǒng)軟件層次所包含的具體功能如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件層次的邏輯結構

基于智能安全技術的網絡虛擬信息過濾系統(tǒng)軟件程序，由系統(tǒng)管理員授權開啟和調試。具體的過程包括系統(tǒng)的啟動、各模塊運行參數的設定和調整，動態(tài)密鑰對稱冗余信息過濾算法流程的設計和調整等。完整的信息過濾系統(tǒng)程序由管理員控制或由管理員指定具體的負責人員，系統(tǒng)管理員還負責信息過濾中的程序運行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)故障或異常情況系統(tǒng)會自行報警并停止運行。虛擬信息過濾系統(tǒng)配備了4個靜態(tài)隨機存儲器，而對于實時的虛擬數據過濾監(jiān)控結果而言，先存儲于系統(tǒng)自帶的RAM中，待主程序執(zhí)行完畢后再將過濾結果全部導入數據庫中，供其他用戶分享和調用。由于虛擬信息過濾系統(tǒng)配備了2個IXP2400芯片，因此可以同時執(zhí)行多套軟件子程序，也能夠輕松地應對較為復雜的網絡信息過濾場景。基于互聯(lián)網智能安全技術開發(fā)的網絡虛擬信息過濾系統(tǒng)通用流程如圖4所示。

圖4 基于智能安全技術的信息過濾系統(tǒng)工作流程

在執(zhí)行監(jiān)控程序及對虛擬網絡信息的進行綜合分析的過程中，要應用智能安全技術保證過濾系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。本文在執(zhí)行系統(tǒng)過濾程序時采用了一種動態(tài)密鑰對稱算法，在保證過濾程序穩(wěn)定運行的前提條件下，還對有用關鍵用戶信息進行加密處理，也能夠保證在過濾虛擬信息的同時關鍵信息的不被破壞和濾除。在過濾冗余虛擬信息中動態(tài)密鑰對稱算法的效率較高，加密密鑰能夠被多個子程序調用和共享，能夠更好地利用系統(tǒng)資源，獲取有效的空間序列集合。在基于動態(tài)密鑰虛擬信息過濾算法下，對用戶有用的關鍵信息做好了密鑰標記，防止在過濾冗余虛擬時誤刪除關鍵的網絡信息。動態(tài)密鑰對稱算法下有效空間數據序列的生成不依靠數據鏈路通信協(xié)議來確定，而是過濾系統(tǒng)主控芯片接收到用戶的請求時，才及時地更新序列。在虛擬網絡不穩(wěn)定的條件下，傳統(tǒng)過濾算法控制下系統(tǒng)的隨機變化情況較差，而在動態(tài)密鑰對稱算法下憑借密鑰來判讀冗余虛擬信息和關鍵信息，增強了虛擬信息過濾系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。用An來描述動態(tài)密鑰的安全性，若動態(tài)密鑰的位數為m，當滿足An=m時證明初始狀態(tài)下，過濾網絡虛擬信息是安全的；當An=0時表明惡意程序已經獲取了密鑰，此時再運行虛擬信息過濾系統(tǒng)程序，被刪除的虛擬信息中可能包含著大量用戶需求的信息。動態(tài)密鑰對稱算法網絡虛擬信息過濾安全性的變化情況如圖5所示。

圖5 虛擬信息過濾安全性的變化示意圖

(1)

式中：T為對稱密鑰的變化周期；ζ為系統(tǒng)可變參數。ζ的值可以表示為：

(2)

4 系統(tǒng)測試及評價

4.1 測試環(huán)境設置

測試系統(tǒng)平臺的軟硬件配置會影響到最終的測試結果，基于智能安全技術的計算機虛擬信息過濾系統(tǒng)的基本測試環(huán)境和關鍵數據結構分別如表1和表2所示。

表1 系統(tǒng)測試環(huán)境

表2 lib mod bus開源庫的數據結構

4.2 虛擬數據過濾成功率對比

在測試網站上選取了6個含有計算機虛擬信息的網頁，網頁的大小分別為5 KB、30 KB、100 KB、500 KB、1 MB和5 MB，利用lib mod bus開源庫中的下載工具請求下載網頁的信息，并查看完成下載的文件數，以此來驗證系統(tǒng)的虛擬信息過濾性能。為了使測試的結果更為直觀，引入了傳統(tǒng)基于BP神經網絡的虛擬信息過濾系統(tǒng)進行對比，測試結果如表3所示。

表3 網絡虛擬數據過濾成功率對比

從統(tǒng)計數據的分析結果可知，隨著請求下載文件規(guī)模的不斷增加，信息過濾系統(tǒng)的成功率也在不斷提高。但在相同的文件規(guī)模和相同的請求次數條件下，文中提出的基于智能安全技術的過濾系統(tǒng)的過濾成功率，都要好于傳統(tǒng)基于BP神經網絡過濾算法的成功率，這表明提出過濾系統(tǒng)具有更強的計算機網絡虛擬信息處理性能。

4.3 虛擬信息過濾效果綜合評價

虛擬網絡信息過濾的最終目的，是讓網絡用戶排除干擾得到最需要的有用網絡信息。本文采用多指標評價的方式來綜合衡量網絡虛擬信息的過濾效果，具體的指標包括查全率、查準率和F值。如果設測試網絡系統(tǒng)中的信息總量為ntotal、檢測出的相關有用信息總量為nas，那么查全率指標γ1和查準率指標γ2，可以表示為：

(3)

(4)

在網絡訓練文本總數量為4 000的條件下，分別測試傳統(tǒng)過濾系統(tǒng)與文中過濾系統(tǒng)的查準率和查全率水平，統(tǒng)計分析結果如表4所示。

表4 網絡信息的查準率和查全率對比

文本數量的增加會降低對計算機網絡信息的查準率和查全率，但文中設計過濾系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定，指標下降的趨勢相對平穩(wěn)，在最高文本數量為4 000的條件下，查全率和查準率還能夠保持在90%和85%以上，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)SVM信息過濾系統(tǒng)。過濾信息的查全率和查準率指標之間存在一定的制約關系。如果要提高γ2指標，就需要更加明確用戶的需求，這就不可避免地導致一些關鍵信息的遺漏；如果要提高查全率指標就需要擴大對虛擬信息的檢索范圍。F值也是評價過濾系統(tǒng)性能的主要指標之一，在不同的訓練文本數量條件下分析兩種過濾系統(tǒng)的F值變化情況，如圖6所示。

圖6 兩種虛擬信息過濾系統(tǒng)下的F檢驗值對比

在全部的4 000個網絡文件樣本訓練過程中，基于智能安全技術的過濾系統(tǒng)的F值變化平穩(wěn)，證明該過濾系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定，不會對用戶的有用信息造成誤刪除；而傳統(tǒng)的基于SVM的過濾系統(tǒng)控制下，隨著樣本數量的增加，F(xiàn)檢驗值也在增加，表明系統(tǒng)的誤刪除率在不斷提高，在虛擬信息的檢索和濾除過程中付出過高的代價。

5 結 語

海量網絡虛擬信息的存在會給用戶正常的信息檢索帶來干擾，同時也會增加信息查詢系統(tǒng)的網絡負載和成本。本文從智能安全技術的視角出發(fā)，設計了一種虛擬信息過濾系統(tǒng)，能夠在提高虛擬信息過濾成功率的基礎上，最大限度的保全網絡用戶有用的網絡信息。