移动自组织网络安全性测试研究
2021-11-01朱龙梅
朱龙梅
(陕西财经职业技术学院 信息管理系， 陕西 咸阳 712000)
0 引言
移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Network)，以下简称MANET，由无线网络节点构成，通信方式为无线传输。不同于传统无线网络，MANET无需进行基础设施建设，拥有高覆盖性、动态性的优点。但是MANET是动态网络，所以其拓扑结构也时常会发生变化，并且没有安全控制中心，因此容易受到恶意攻击，运行风险较大。为了提升MANET的安全性，需要对其安全性进行精准的测试，本文提出了一种新的MANET安全性的测试方法，其工作原理是将MANET的拓扑关系进行重新划分，分为构件、访问路径两步骤。以构件间的组合、关联关系为依据，划分成不同的安全关系类型，并进一步分析其影响范围，通过子系统的安全性逐步托算出整个网络的安全性。
1 相关概念及定义
定义1 构件(Component)是指在移动自组织网络中，具有特殊功能，可以用于访问接口的软件系统或是硬件设备。且构件之间可以相互组合和拆分，形成更大或者更小的结构[1]。
定义2 构件尺度(Component Scale)是用来衡量构件影响范畴的，直接反应了各构件的细化程度。举例来讲，假设将笔记本电脑当做构件，并用Ck来表示，并对电脑系统进行再次划分，其中k代表组成电脑系统的子构件元素，细化构件尺度，并用Cki(i=1,2，…)来表示，其中Ck1代表I/O系统；Ck2代表存储系统；Ck3代表数据库系统等。
定义3 访问路径(Path)是用户在访问系统时，会发出相应的访问请求，系统会针对访问请求作出具体回应，这一过程需要所有的组件参与进来，并形成有序的访问序列。将这些序列组合在一起就是访问路径[2]。运用本文提到的概念，将其转变为拓扑结构，具体结构如图1所示。
图1 MANET的构件化拓扑结构
集合C代表系统内的全部构件集合，用C={C1，C2，…，Cn}表示，n为构件数量。集合P则是节点之间的访问路径的全集，即用户访问与系统响应抽象出来的一系列有序路径的集合，记为P=
2 构件之间的关系
2.1 构件间的关联类型
研究构件间的关联类型，可以显示出安全耦合程度，从而推算出当一个或多个构件安全性发生变化时，剩余构件的安全性是否会受其影响也发生变化，判断构件之间是否具备相互协作的能力[3]。为了便于研究，将关联性分为3种，分别为独立、协同和特殊关联。
(1) 独立关联。构件Ci与Cj没有访问路径Pi，且Pi∈P。所以，这两个构件可以独立运行，不需要相互参与和协同，具有独立关联性。因此，无论处于何种访问路径之中，当构件安全性发生变化时，并不会影响到其他构件，其表达式为式(1)。
∀Pi∈P，f(CiΘCj)=∅
(1)
(2) 协同关联。构件Ci与Cj拥有一条及以上的访问路径Pi，且Pi∈P。所以，当Ci和Cj位于Pi时，二者具有协同的关联关系。这也代表着Ci和Cj是相互合作的关系，当其中一个的安全性发生变化时，另外一个也会受到影响，其表达式为式(2)。
∃Pi∈P，f(CiΘCj)≠∅
(2)
(3) 特殊关联。构件Ci与Cj拥有一条及以上的访问路径Pi，且Pi∈P。但是Ci和Cj可以独立工作，互不影响。因此在大部分情况下，当一个构件安全性发生变化时，另外一个不会受到影响。但是在特殊情况下，危害行为会利用Pi向构件进行攻击，此时同处于Pi上的构件会相互影响，这就是特殊关联，其表达式为式(3)。
∃Pi∈P，f(CiΘCj)=X
(3)
2.2 构件间的组合类型
研究MANET中构件间的组合类型，可以更好地掌握拓扑结构关系，以下介绍的组合类型分别为并联、串联、星形和三角形[4]。
(1) 并联组合。由多个构件相互并联构成，每个构件都会影响到MANET的整体安全性，逻辑表达式为式(4)。
T=C1&C2&…&Cn
(4)
(2) 串联组合。由多个构件相互串联构成，在所有构件中，安全性最差的构件代表着MANET的安全性，逻辑表达式为式(5)。
T=C1|C2|…|Cn
(5)
(3) 星形组合。由多个构件对等连接构成，在所有构件中，安全性最差的构件代表着MANET子系统的安全性，逻辑表达式为式(6)。
T=C1YC2Y…YCn
(6)
(4) 三角形组合。构件以三角形的形状连接起来，每个构件都会影响到MANET的整体安全性，逻辑表达式为式(7)。
T=C1ΔC2Δ…ΔCn
(7)
3 MANET安全性测试
因构件具有脆弱性，且容易受到外部因素的影响，因此其安全率为φi(φi∈[0,1])，用S(φi)代表构件安全值[5]。若想更加全面地测试MANET的安全性，需要将各种实际情况组合起来进行分析。设构件数量为n，则各种情况的排列组合如下。
(1)n个构件间组合类型为并联/三角形类型，逻辑关系式为式(4)、式(7)。
当构件间是独立关联时，则MANET的整体安全值为式(8)。
(8)
当构件间是协同关联时，MANET的整体安全值为式(9)。
S=min(S(φ1),S(φ2),…，S(φn))
(9)
当构件间是特殊关联时，MANET的整体安全值为式(10)。
S=ε·min(S(φ1),S(φ2),…，S(φn))，ε∈(0,1)
(10)
(2)n个构件间组合类型为串联/星形，逻辑关系式为式(5)、式(6)。
当构件间是独立关联时，MANET的整体安全值为式(11)。
(11)
当构件间是协同关联时，MANET的整体安全值为式(12)。
S=max(S(φ1)，S(φ2)，…，S(φn))
(12)
当构件间是特殊关联时，MANET的整体安全值为式(13)。
S=ε·max(S(φ1)，S(φ2)，…，S(φn))，ε∈(0,1)
(13)
式中，ε代表权重系数，其数值受连通路径脆弱性、攻击行为的频率、危害性等外部因素的影响。
4 动态再评估模型
MANET的拓扑关系具有动态性的特点，针对这种情况，本文提出了构建动态再评估模型的想法，对发生变化的单个或多个构件进行再评估，通过分析局部安全性的变化，推算出整体安全风险[6]。
当某一构件安全性有所变化，但是访问路径、拓扑结构并未受到影响。比如，MANET中某一网络节点出现安全漏洞，网络整体的安全性受到影响。此时就可以应用动态再评估模型，对多种情况下的安全性进行测试。设S′代表新的安全值，φk代表影响Ck的外部因素，包括攻击威胁可能性、不安全因素等。则并联/三角形组合、串联/星形组合各类独立关联、协同关联、特殊关联的模型分别如下。
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
此种安全性测试方法只能在MANET中少数网络节点的安全性发生变化时使用，若在系统崩溃、大部分网络节点无法正常运行等极端情况下，需要对MANET的安全性进行全面评估。
5 实际测验
5.1 测试对象分析
以图1的MANET系统的拓扑结构为例，假设在运行过程中，C1退出了系统，MANET的拓扑结构发生了局部变化，如图2所示。
图2 变化后的拓扑结构图
运用本文提到的方法，对新、旧两种系统进行安全性测试。
5.2 对变化前的MANET进行安全性测试
应用基于概率的评估方法，对系统的两方面进行安全性测试:(1) 构件面对的威胁，鉴于构件类型不同，其受到的威胁程度也不一样，因此用λ(0<λ<1)代表构件受到威胁的概率；(2) 构件自身存在脆弱点，当遭受外部因素威胁时，脆弱点会产生损失，这种脆弱性用不安全率ω(0<ω<1)表示，ω为0到1之间的常数，记作ω(0<ω<1)。此外，随着运行时间t的变化，安全值S也会相应的发生变化，因此，构件Ci的安全值为式(20)。
Si(t)=1-(1-e-wit)λi
(20)
各构件安全参数,如表1所示。
表1 各构件安全系数
根据式(20)，可以计算出各构件安全值，如式(21)—式(23)。
S1(t)=1-(1-e-t/4)×30%
(21)
S2(t)=1-(1-e-t/4)×40%
(22)
S3(t)=1-(1-e-t/2)×50%
(23)
用T=(C1YC2YC3)|{(C4ΔC5ΔC8)&
[(C6ΔC9ΔC10)ΔC7ΔC11]|C12}
通过观察拓扑结构可以得知C1，C2，C3和其余构件为相互串联关系，根据式(11)可知整体安全值,如式(24)。
S=S(1)-(S(1)-S1,2,3)·(S(1)-S4,5,6,7,8,9,10,11,12),
当ε=0.8且t→+∞时，S=0.82
(24)
5.2 变化后系统的安全性再评估
C1退出系统后，因C2、C3与之串联，因此只有它们受到影响，则新的组合关系表达式为式(25)。
(25)
系统整体安全值为式(26)。
当t→+∞时，S′=0.76。
(26)
从测试结果可以得知，应用本文提到的方法后，当MANET局部结构发生变化时，其安全性不会受到太大的影响，若是系统内部拓扑结构发生大规模变化，则需要对其安全性进行重新测试[7]。
6 总结
为了减少移动自主网络安全性测试的工作量，提升工作效率，本文提出了应用动态评估模型对其安全性进行测试的想法。并且通过相应的实验测试，证明了其具备可行性，但是该方法也存在一定的弊端，只能用于MANET系统小范围发生变化时。因此，在今后的研究中，还要对该模型进行进一步的改进和优化，使其能够用于大规模的复杂移动自组织网络。
