基于虛擬化航電平臺的網(wǎng)絡(luò)域間安全通信技術(shù)

張雙, 孔德岐, 王元勛, 萬欣宇, 姚紅靜, 郭陽明

(1.西北工業(yè)大學(xué), 陜西 西安 710072; 2.西安航空計算技術(shù)研究所, 陜西 西安 710068)

ARINC811規(guī)范中飛機機載網(wǎng)絡(luò)劃分為飛機控制域(aircraft control domain,ACD)、航空公司信息服務(wù)域(airline information services domain,AISD)、乘客信息與娛樂服務(wù)域(passenger information and entertainment services domain,PIESD)。ACD域包括飛行控制、航電、燃油、環(huán)控等高安全(safety)等級(A～C級)飛機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)飛機的安全飛行，對于數(shù)據(jù)通信有著極高的安全性要求，在A380/A350/B787和C919中均使用ARINC664P7網(wǎng)絡(luò)。航空公司信息服務(wù)域包括機載信息服務(wù)器、視頻監(jiān)視、電子飛行包、機載空地?zé)o線等低安全等級(D～E級)航電系統(tǒng)，為航空公司提供飛機的信息化運營與維護(hù)服務(wù)，使用符合ARINC664P3規(guī)范的航空以太網(wǎng)。為了實現(xiàn)飛機的信息化服務(wù)，ACD域與AISD域之間需要實時交換大量的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致ACD域面臨來自AISD域的信息安全(security)威脅，進(jìn)而可能影響ACD域系統(tǒng)的功能安全與飛機的適航性。在A380/A350與C919等新型飛機上已實現(xiàn)從ACD域到AISD域的ARINC664P7單向安全通信。隨著新一代寬體飛機對機載系統(tǒng)的數(shù)字化和信息化需求提升，ACD域與AISD域之間的ARINC664P7雙向安全通信成為打通信息互通的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[1]提出了一種航電核心域網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間安全的數(shù)據(jù)通信方法，但未實現(xiàn)安全功能模塊的運行空間隔離。文獻(xiàn)[2-4]針對微內(nèi)核的虛擬化架構(gòu)，提出了虛擬機間的通信加速方法與I/O機制。文獻(xiàn)[5-7]針對嵌入式系統(tǒng)，從架構(gòu)與硬件角度提出了相應(yīng)信息安全設(shè)計方法。文獻(xiàn)[8-11]針對物聯(lián)網(wǎng)的輕量級虛擬化場景，提出基于Unikernel技術(shù)的解決方案以及相關(guān)信息安全保護(hù)方法。

虛擬化技術(shù)通過將不同功能的子系統(tǒng)部署在同一硬件平臺的虛擬機上，為計算資源的管理和隔離提供了一種更加靈活高效的解決方法。為此，本文試圖基于引入虛擬化技術(shù)后的航電信息交換場景，建立飛機網(wǎng)絡(luò)域之間的信息雙向安全通信架構(gòu)，設(shè)計基于屬性的信息訪問控制模型，以及安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)保護(hù)與安全關(guān)鍵組件健康監(jiān)控方法，實現(xiàn)飛機控制域與航空公司信息服務(wù)域之間實時、高速與安全的信息交換。

1 虛擬化航電平臺雙向安全通信架構(gòu)

ACD域與AISD域的互聯(lián)拓?fù)淙鐖D1所示，為了實現(xiàn)2個域之間的雙向安全通信與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，從飛機級設(shè)計部署航電安全網(wǎng)關(guān)，應(yīng)滿足以下主要技術(shù)指標(biāo)約束：

1) 具有ARINC664P7和航空以太網(wǎng)的連通性，支持與ACD域和AISD域的網(wǎng)絡(luò)連接；

2) 隔離ACD域和AISD域之間的數(shù)據(jù)交換；

3) 控制AISD域流向ACD域的消息通信；

4) 在實現(xiàn)功能步驟2)的前提下，應(yīng)能在50 ms內(nèi)完成數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)發(fā)；

5) ACD域消息交換性能不低于70 Mb/s。

圖1 飛機控制域與航空公司信息服務(wù)域網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

由此可見，航電安全網(wǎng)關(guān)的技術(shù)指標(biāo)既要求網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)域數(shù)據(jù)交換與隔離，還需滿足實時性要求，而現(xiàn)有的實現(xiàn)方案無法滿足以上要求。虛擬化技術(shù)能提供空間隔離特性，保證在虛擬機內(nèi)部運行的應(yīng)用僅能使用所駐留虛擬機的計算資源、網(wǎng)絡(luò)接口以及固定存儲空間等，而不能訪問到其他虛擬機的資源。為此，采用多核處理器實現(xiàn)高性能計算需求，通過空間隔離實現(xiàn)虛擬機間安全通信需求，設(shè)計基于虛擬化的航電雙向安全通信架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基于虛擬化的航電雙向安全通信架構(gòu)

基于虛擬化的航電雙向安全通信架構(gòu)由硬件設(shè)施層、虛擬機管理軟件和虛擬機組件構(gòu)成。硬件設(shè)施層實現(xiàn)通用計算、ARINC664P7網(wǎng)絡(luò)通信和航空以太網(wǎng)通信等功能，包括多核計算、ARINC664P7端節(jié)點、航空以太網(wǎng)端節(jié)點等硬件組件。多核計算硬件采用支持非對稱多處理AMP和Hypervisor指令的PowerPC多核處理器，能夠支持虛擬機與處理器核的一對一綁定。

虛擬機管理軟件工作在處理器特權(quán)層，用于完成虛擬機資源配置、虛擬機創(chuàng)建、虛擬機間單向安全通信等功能。虛擬機管理軟件根據(jù)預(yù)先配置的物理資源定義創(chuàng)建虛擬機，在運行時根據(jù)通信訪問策略，實現(xiàn)虛擬機之間的單向安全通信。

虛擬機運行在處理器應(yīng)用層，根據(jù)業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)域隔離需求，設(shè)計部署3個虛擬機，分別是航電網(wǎng)絡(luò)訪問控制虛擬機(ACDAC-VM)、信息網(wǎng)絡(luò)訪問控制虛擬機(AISDAC-VM)與健康監(jiān)控與日志記錄虛擬機(HMLOG-VM)。每個虛擬機分配單獨的處理器核、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)接口等硬件資源。

航電網(wǎng)絡(luò)訪問控制虛擬機負(fù)責(zé)ACD網(wǎng)絡(luò)域的通信與訪問控制功能，包括4個組件：

1) 航電網(wǎng)絡(luò)通信訪問控制組件：負(fù)責(zé)從虛擬機安全通信管理組件接收消息，根據(jù)訪問策略對消息進(jìn)行策略判定，將合規(guī)的消息通過接口發(fā)給航電網(wǎng)絡(luò)發(fā)送組件。

2) 航電網(wǎng)絡(luò)發(fā)送組件：根據(jù)ARINC664P7網(wǎng)絡(luò)配置，將合規(guī)的消息打包成ARINC664P7通信幀，通過航電網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點驅(qū)動組件的接口發(fā)送。

3) 航電網(wǎng)絡(luò)接收組件：根據(jù)ARINC664P7網(wǎng)絡(luò)配置，接收ACD域發(fā)來的ARINC664P7通信幀，解析通信幀，調(diào)用虛擬機安全通信管理組件接口發(fā)給信息網(wǎng)絡(luò)通信代理組件。

4) 航電網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點驅(qū)動組件：采用硬件虛擬化實現(xiàn)虛擬機層對ARINC664P7端節(jié)點硬件的PCIE驅(qū)動與DMA高速訪問。

信息網(wǎng)絡(luò)訪問控制虛擬機負(fù)責(zé)AISD網(wǎng)絡(luò)域通信代理和訪問控制功能，包括2個組件：

1) 信息網(wǎng)絡(luò)通信代理組件：作為AISD域的訪問控制執(zhí)行者，對出入航電安全網(wǎng)關(guān)的AISD域消息實施策略控制。

2) 信息網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點驅(qū)動子卡：采用硬件虛擬化實現(xiàn)對航空以太網(wǎng)端節(jié)點#1硬件的訪問。

為了提高方案的安全性和可靠性，特別設(shè)計了健康監(jiān)控與日志記錄虛擬機，負(fù)責(zé)實時監(jiān)控航電網(wǎng)絡(luò)訪問控制虛擬機與信息網(wǎng)絡(luò)訪問控制虛擬機的健康狀態(tài)，并記錄日志，包括2個組件：

1) 健康監(jiān)控組件：實時監(jiān)控并記錄航電網(wǎng)絡(luò)訪問控制虛擬機與信息網(wǎng)絡(luò)訪問控制虛擬機內(nèi)部的組件健康狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)失效組件時立刻告警。

2) 日志記錄組件：實時接收并記錄虛擬機內(nèi)部功能組件發(fā)送的運行日志，用于審計和架構(gòu)優(yōu)化。

2 信息流安全訪問控制

2.1 基于屬性的多航電域訪問控制模型設(shè)計

基于虛擬化的航電雙向安全通信架構(gòu)通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)了功能組件的空間隔離特性，為了實現(xiàn)系統(tǒng)對ACD域和AISD域之間的數(shù)據(jù)交換與消息流控制需求，設(shè)計基于屬性的多航電域訪問控制模型(attribute-based access control for multiple avionics domain,MAD-ABAC)，如圖3所示。

MAD-ABAC模型包括以下元素：

1) AISD PEP：航司信息服務(wù)域策略執(zhí)行點，處理AISD域內(nèi)客戶端的訪問請求。

2) AISD PDP Contract：航司信息服務(wù)域策略判定點合約，為AISD PEP提供策略查詢服務(wù)。

3) AISD PDP屬性：定義AISD PDP策略屬性和屬性關(guān)系。

4) VMM PEP：虛擬機管理層策略執(zhí)行點，處理VM中的訪問請求。

5) VMM PDP Contract：虛擬機管理層策略判定點合約，為VMM PEP提供策略查詢服務(wù)。

6) VMM PDP屬性：定義VMM PDP策略屬性和屬性關(guān)系。

7) ACD PEP：飛機控制域策略執(zhí)行點，處理來自AISD域和ACD域的訪問請求。

8) ACD PDP Contract：飛機控制域策略判定點合約，為ACD PEP提供策略查詢服務(wù)。

9) ACD PDP屬性：定義ACD PDP策略屬性和屬性關(guān)系。

10) ACD RA PEP：飛機控制域網(wǎng)絡(luò)資源屬性策略執(zhí)行點，處理對ACD域網(wǎng)絡(luò)資源訪問請求。

11) ACD RA Contract：飛機控制域網(wǎng)絡(luò)資源屬性策略判定點合約，為ACD RA PEP提供策略判定服務(wù)。

12) ACD RA屬性：定義飛機控制域網(wǎng)絡(luò)資源策略的屬性與屬性關(guān)系。

MAD-ABAC模型內(nèi)部元素采用分布式部署。其中，AISD PEP、AISD PDP Contract與AISD PDP屬性部署在AISDAC-VM中；VMM PEP、VMM PDP Contract與VMM PDP屬性部署在VMM中；ACD PEP、ACD PDP Contract、ACD RA PEP、ACD RA Contract、ACD PDP屬性與ACD RA屬性部署在ACDAC-VM中。

MAD-ABAC模型的執(zhí)行在初始化階段，系統(tǒng)將AISD PDP屬性、VMM PDP屬性、ACD PDP屬性和ACD RA屬性從固儲中讀取，并結(jié)構(gòu)化成訪問控制策略，供相應(yīng)的Contract使用。在運行時階段，相應(yīng)的PEP與PDP Contract按訪問控制策略執(zhí)行信息流控制判定。信息流多級訪問控制的執(zhí)行策略判定規(guī)則如下：

1) 從AISD域到ACD域：由低安全等級到高安全等級，信息流順序經(jīng)過AISD PEP、VMM PEP、ACD PEP、ACD RA PEP等4級策略判定。

2) 從ACD域到AISD域：由高安全等級到低安全等級，為提高消息轉(zhuǎn)發(fā)性能，信息流順序經(jīng)過ACD RA PEP、VMM PEP、AISD PEP等3級策略判定。

MAD-ABAC模型基于屬性執(zhí)行控制決策，決策抽象為U,R,A1,…,An→perm，其中U表示用戶，R表示資源，Ai表示屬性，perm表示決策結(jié)果，合約策略屬性集設(shè)計見表1。

表1 合約策略屬性集

2.2 合約安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)保護(hù)模型

根據(jù)數(shù)據(jù)對核心功能執(zhí)行的必要性和泄露后對功能的影響程度，認(rèn)定AISD PDP Contract、VMM PDP Contract、ACD PDP Contract、ACD RA Contract為架構(gòu)的安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不能被非法訪問。為此，設(shè)計了合約安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)保護(hù)模型，實時監(jiān)控其完整性是否被破壞。以ACD PDP Contract為例，保護(hù)模型如圖4所示。

圖4 合約安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)保護(hù)模型

圖4中，保護(hù)流程在初始化階段，航電網(wǎng)絡(luò)訪問控制配置加載組件讀取ACD PDP屬性文件，計算每條規(guī)則的校驗值，建立ACD PDP Contract，然后使用數(shù)字簽名算法計算其簽名值，并保存在預(yù)定的內(nèi)存區(qū)。運行時階段，當(dāng)需要對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行策略判定時，航電網(wǎng)絡(luò)訪問控制規(guī)則匹配組件實時讀取ACD PDP Contract中的策略，計算其校驗值，與保存在運行時規(guī)則庫中的校驗值比較。比較結(jié)果如果相同，則該策略有效并允許使用；如果不同，則表明該策略已被篡改，航電網(wǎng)絡(luò)訪問控制規(guī)則匹配組件發(fā)出告警。同時，在規(guī)定的時間周期，航電網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)控組件使用數(shù)字簽名算法計算ACD PDP Contract的簽名值，并與合約簽名值比較。比較結(jié)果如果相同，則ACD PDP Contract有效，如果不相同，則表明其已被篡改，航電網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)控組件立刻發(fā)出告警。

由此可見，合約安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)保護(hù)模型從2個層次對安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)的完整性提供了保障，使用校驗值實現(xiàn)對規(guī)則數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)；使用簽名值實現(xiàn)對運行時規(guī)則庫的完整性保護(hù)。同時，通過周期性檢查，能夠及時發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否被篡改。

2.3 安全關(guān)鍵組件有效性實時監(jiān)控設(shè)計

航電雙向安全通信架構(gòu)部署在飛機控制域與航空公司信息服務(wù)域的邊界，具有高可靠與高可用要求。根據(jù)功能組件對系統(tǒng)實現(xiàn)核心功能的重要性和失效后對系統(tǒng)的影響程度，認(rèn)定航電網(wǎng)絡(luò)通信訪問控制組件、航電網(wǎng)絡(luò)發(fā)送組件、航電網(wǎng)絡(luò)接收組件和信息網(wǎng)絡(luò)通信代理組件為安全關(guān)鍵組件。因此，應(yīng)實時監(jiān)控架構(gòu)中的安全關(guān)鍵功能組件功能的有效性，如果發(fā)現(xiàn)功能失效，立刻記錄日志并報告。為此，設(shè)計了安全關(guān)鍵組件有效性實時監(jiān)控模型，模型如圖5所示，執(zhí)行過程如圖6所示。

圖5 安全關(guān)鍵組件有效性實時監(jiān)控模型

安全關(guān)鍵組件有效性實時監(jiān)控模型中的各安全關(guān)鍵功能組件在運行時，周期的生成組件健康狀態(tài)數(shù)據(jù)、更新時間戳、計算校驗值，然后寫入狀態(tài)存儲區(qū)中。健康監(jiān)控組件每周期從狀態(tài)存儲區(qū)中讀取各安全關(guān)鍵功能組件的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過檢查時間戳和校驗值以判斷對應(yīng)的組件是否有效，并將各組件的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)綜合成航電安全網(wǎng)關(guān)的健康狀態(tài)消息并上報機載綜合維護(hù)管理系統(tǒng)。如果健康狀態(tài)組件發(fā)現(xiàn)某個安全關(guān)鍵組件為失效狀態(tài)，則生成告警消息，發(fā)送至日志記錄組件。

圖6 安全關(guān)鍵組件有效性實時監(jiān)控執(zhí)行過程

3 實驗驗證分析

3.1 實驗驗證環(huán)境

基于虛擬化的航電雙向安全通信架構(gòu)與信息流安全訪問控制模型，研制虛擬化航電安全網(wǎng)關(guān)(virtualization avionics secure gateway，VASG)。VASG硬件基于QorIQ T2080多核處理器設(shè)計，板載4 GB內(nèi)存，1個ARINC664P7端節(jié)點連接ACD網(wǎng)絡(luò)，2個千兆航空以太網(wǎng)端節(jié)點連接AISD網(wǎng)絡(luò)。本方法需在支持虛擬化的嵌入式實時操作系統(tǒng)上驗證，VASG使用國內(nèi)自主研發(fā)的天脈嵌入式實時操作系統(tǒng)，其虛擬機管理器采用微內(nèi)核設(shè)計。微內(nèi)核虛擬機管理器運行在處理器的特權(quán)級，確保其對系統(tǒng)物理資源的管理和控制，虛擬機及其內(nèi)部的應(yīng)用運行環(huán)境、中間件、設(shè)備驅(qū)動、應(yīng)用等全部運行在非特權(quán)層，防止單個虛擬機的異常行為對整個系統(tǒng)的運行造成影響。微內(nèi)核虛擬機管理器構(gòu)建的虛擬機具有空間隔離特性，可在不同虛擬機間提供安全保護(hù)。

VASG采用硬件虛擬化技術(shù)，將航電網(wǎng)絡(luò)訪問控制虛擬機與ARINC664P7端節(jié)點子卡硬件綁定，將信息網(wǎng)絡(luò)訪問控制虛擬機與航空以太網(wǎng)端節(jié)點1綁定，將健康監(jiān)控與日志記錄虛擬機與航空以太網(wǎng)端節(jié)點2綁定。

結(jié)合實驗驗證需求，構(gòu)建如圖7所示的基于VASG的雙向安全通信驗證環(huán)境，開展雙向安全通信的功能測試、性能測試等工作。ACD域驗證設(shè)備用于驗證VASG的ACD網(wǎng)絡(luò)通信功能與性能；AISD域驗證設(shè)備用于驗證VASG的AISD網(wǎng)絡(luò)通信功能與性能；機載網(wǎng)絡(luò)攻擊仿真設(shè)備能向AISD網(wǎng)絡(luò)注入包括DDoS攻擊、后門攻擊、蠕蟲攻擊等類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊，用于驗證VASG的安全隔離功能。

圖7 虛擬化航電安全網(wǎng)關(guān)的雙向安全通信驗證環(huán)境

3.2 實驗過程與結(jié)果分析

分別在無網(wǎng)絡(luò)攻擊和注入網(wǎng)絡(luò)攻擊2種不同安全條件下開展VASG的雙向安全通信功能、性能測試。

表2 虛擬化航電安全網(wǎng)關(guān)功能測試項

VASG功能測試項目見表2，采用自動化測試方法開展測試。首先根據(jù)功能測試需求使用Python語言開發(fā)測試用例程序，然后在驗證環(huán)境中執(zhí)行測試程序，并將測試輸出與預(yù)計結(jié)果對比。性能測試采用隨機生成64,128,256,384,512,1 024,2 048,4 096,8 192字節(jié)大小的消息，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時間和消息交換速率的性能測試，選擇100次實驗結(jié)果進(jìn)行性能均值分析。

實驗過程步驟設(shè)計如下：

1) 在無網(wǎng)絡(luò)攻擊條件下，開展VASG的功能測試與性能測試。

2) 向AISD網(wǎng)絡(luò)注入網(wǎng)絡(luò)攻擊報文，構(gòu)建一個混合流量的網(wǎng)絡(luò)條件，開展VASG的功能與性能測試。

圖8 性能測試結(jié)果

在無網(wǎng)絡(luò)攻擊和注入網(wǎng)絡(luò)攻擊2種條件下，VASG功能測試的各項結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致。性能測試結(jié)果如圖8所示。無網(wǎng)絡(luò)攻擊網(wǎng)絡(luò)條件下，ACD網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送的最大轉(zhuǎn)發(fā)時間為45.3 ms，ACD網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收的最大轉(zhuǎn)發(fā)時間為41.3 ms，；ACD網(wǎng)絡(luò)的消息發(fā)送速率的最小值為73.1 Mb/s，均值為75.3 Mb/s，消息接收速率最小值為92.5 Mb/s，均值為93.2 Mb/s。注入網(wǎng)絡(luò)攻擊條件下，ACD網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送的最大轉(zhuǎn)發(fā)時間為49.8 ms，ACD網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收的最大轉(zhuǎn)發(fā)時間為46.5 ms；ACD網(wǎng)絡(luò)消息發(fā)送速率的最小值為69.9 Mb/s，均值為70.4 Mb/s，消息接收速率最小值為84.1 Mb/s，均值為86.2 Mb/s。由測試結(jié)果看，在網(wǎng)絡(luò)攻擊條件下，AISDAC-VM因處理攻擊流量，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能有所下降，最大轉(zhuǎn)發(fā)時間均小于50 ms，消息收發(fā)速率均值大于70 Mb/s，滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)。

4 結(jié) 論

新一代寬體飛機的信息互聯(lián)應(yīng)用場景中，飛機網(wǎng)絡(luò)域間安全通信是實現(xiàn)飛機控制域內(nèi)系統(tǒng)與航空公司信息服務(wù)域內(nèi)系統(tǒng)之間高速數(shù)據(jù)交換的核心技術(shù)。基于虛擬化的航電雙向安全通信需求，提出基于屬性的多航電域多級訪問控制模型，設(shè)計了合約安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)保護(hù)、安全關(guān)鍵組件有效性實時監(jiān)控等方法。基于虛擬化航電安全網(wǎng)關(guān)物理樣機，開展了功能、性能與網(wǎng)絡(luò)安全實驗驗證，實驗結(jié)果表明本方法滿足技術(shù)指標(biāo)要求。本方法不僅可用于寬體飛機，也可用于有網(wǎng)絡(luò)域雙向通信場景需求的其他類型航空器。