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基于匹配策略的安全協(xié)議重構(gòu)分析

文檔作者：朱雨雯，張紅旗，包義保，杜學(xué)繪文檔來源：解放軍信息工程大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年04月11日
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第32卷第4期計算機應(yīng)用研究V01．32 No．4
2015年4月Application Research of Computers Apr．2015
基于匹配策略的安全協(xié)議重構(gòu)分析
朱雨雯，張紅旗，包義保，杜學(xué)繪
(解放軍信息工程大學(xué)河南省信息安全重點實驗室，鄭州450004)
摘要：可重構(gòu)安全協(xié)議對提高安全系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)能力具有重要意義，它可根據(jù)具體上下文環(huán)境進行配
置、移植，極大增強了系統(tǒng)的安全性，目前基于軟件構(gòu)件的協(xié)議重構(gòu)方法無法滿足安全協(xié)議對安全性和計算性的
特殊要求。針對安全協(xié)議的安全性和高密度計算特性，提出了一種針對現(xiàn)有資源選擇重構(gòu)元的解決方法，給出
協(xié)議可重構(gòu)元匹配和基于QoS的重構(gòu)元質(zhì)量滿意度的協(xié)議重構(gòu)選擇算法，使系統(tǒng)可以盡快按照重構(gòu)協(xié)議需求選
擇滿意的可重構(gòu)元。通過實例說明該方法的執(zhí)行過程，應(yīng)用結(jié)果表明該方法能夠有效提高重構(gòu)效率和重構(gòu)準(zhǔn)
確度。
關(guān)鍵詞：可重構(gòu)安全協(xié)議；協(xié)議可重構(gòu)元；匹配策略
中圖分類號：TP393．08 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-3695(2015)04·1154—03
doi：10．3969／j．issn．1001·3695．2015．04．046
Establishment of reconfigurable security
protocols based on matching policies
ZHU Yu-wen，ZHANG Hong—qi，BAO Yi-bao，DU Xue—hui
(Henan Provincial Key Laboratory ofInformation Security，PLA Information Engineering Umvers毋，Zhengzhou 450004，Ch／na)
Abstract：Capable of being configured and ported according to spec訪c contexts，the reconfigurable security protocols Call
greatly enhance system security，and therefore are of great si耐cance to the flexibility and adaptability of security system．
However．up till now，all reconfigurable protocols have been based on software components，thus fail to meet the special requirements
of securi竹protocols on security and computability．In consideration of the characteristics of secufity and hish-density，
this paper put forward a new solution to find quickly the reconfigurable protocol units according tO the existing resources，
which could offer the QoS．．based algorithm of the suitable reconfigurable protocols and allowed the system to choose the desira．．
ble reconfigurable components in accordance to its needs．Throngh tlIe illustration of the executive process of this new method．
the result shows tllat this algorithm Can effectively improve the reconfiguration efficiency and accuracy．
Key words：reconfigurable security protocols；protocol reconfigurable unit；matching policy
安全協(xié)議是安全系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)
安全的關(guān)鍵要素。安全協(xié)議種類繁多，數(shù)量巨大，傳統(tǒng)的安全
協(xié)議又面臨如復(fù)雜度高、難配置、易出錯等無法克服的問題。
將可重構(gòu)思想引入安全協(xié)議設(shè)計，可有效提高安全協(xié)議靈活
性、適應(yīng)性和安全服務(wù)能力，有效提高計算效率，抵御不同類型
的攻擊，對提高安全系統(tǒng)的可配置性和安全性具有重要意義。
雖然安全協(xié)議可重構(gòu)在可重構(gòu)系統(tǒng)研究中占有重要地位，
但是可重構(gòu)計算在安全協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)研究領(lǐng)域文獻較少，與
其相關(guān)的研究主要有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和協(xié)議棧重構(gòu)等。文獻[1]提
出了一種應(yīng)用于移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的通用協(xié)議重構(gòu)體系架構(gòu)，給
出了相應(yīng)的軟件層面的協(xié)議重構(gòu)和綜合機制；文獻[2]提出了
一個基于組件的協(xié)議重構(gòu)框架，支持兩個不同通信協(xié)議棧中對
等協(xié)議組件的同步重構(gòu)；3c獻[3]提出一種高級建模語言SDL
形式化地描述協(xié)議棧規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)協(xié)議重構(gòu)、性能
評估與優(yōu)化，最終生成協(xié)議重構(gòu)配置文件。
國內(nèi)在安全協(xié)議重構(gòu)方面的研究也相對較少，主要集中于
基于軟件構(gòu)件的協(xié)議重構(gòu)方法研究H。“。雖然為可重構(gòu)安全協(xié)
議研究提供了參考，但無法滿足安全協(xié)議對安全性能和計算性
能的特殊要求，因而無法直接適用于安全協(xié)議可重構(gòu)研究領(lǐng)域。
因此，針對安全協(xié)議在安全性和高密度計算方面的特性，研究相
應(yīng)的可重構(gòu)理論和技術(shù)，為安全協(xié)議重構(gòu)技術(shù)提供支撐。
1 協(xié)議可重構(gòu)元與可重構(gòu)元匹配
自20世紀(jì)60年代美國加利福尼亞大學(xué)計算機專家Estrin
等人哺。提出可重構(gòu)計算的初步設(shè)想以來，可重構(gòu)技術(shù)得到了學(xué)
術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，目前在信息安全領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在面
對新的應(yīng)用環(huán)境、安全威脅與安全需求能夠靈活適應(yīng)環(huán)境需求
并提供柔性的安全服務(wù)。協(xié)議可重構(gòu)元(protocol reconfigurable
uIlit)是在可重構(gòu)計算的基礎(chǔ)上提出的，它由不同的提供者發(fā)
布和創(chuàng)建，用戶可以通過一定的機制來調(diào)用執(zhí)行。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)
境的時時動態(tài)性，原本協(xié)議中的某個功能模塊可能不再適合目
前使用或是為了提高系統(tǒng)的健壯性和靈活性，需要用其他可重
構(gòu)元替換，使系統(tǒng)繼續(xù)安全運行，因此引出基于功能匹配和
收稿日期：2014—04—09；修回日期：2014·06·01 基金項目：國家“973”計劃資助項目(2011CB311801)；國家“863”計劃資助項目
(2012AA012704)；河南省科技創(chuàng)新人才計劃資助項目(114200510001)
作者簡介：朱雨雯(1991一)，女，河南鄭州人，碩士研究生，主要研究方向為可重構(gòu)安全協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)和信息安全等(zhuyuwen0609@163．com)；
張紅旗(1962·)，男，河北唐山人，教授，博導(dǎo)，博士，主要研究方向為信息安全；包義保(1976·)，男，$1>博士，主要研究方向為可重構(gòu)安全計算、
信息安全；杜學(xué)繪(1968·)，女，教授，博導(dǎo)，主要研究方向為多級安全、網(wǎng)絡(luò)和信息安全．
萬方數(shù)據(jù)
第4期朱雨雯，等：基于匹配策略的安全協(xié)議重構(gòu)分析·1155·
QoS評估的協(xié)議可重構(gòu)策略生成方法研究。本文所采用的匹
配是基于應(yīng)用的輸入、輸出參數(shù)的名稱和數(shù)據(jù)類型，以及可重
構(gòu)元的類型和角色，這些都是描述一個可重構(gòu)元最基本的信
息。為了提高相應(yīng)功能查找的效率，在每個可重構(gòu)元發(fā)布時就
將這些信息保存在系統(tǒng)中。
定義1協(xié)議可重構(gòu)元(protocol reconfigurable unit)，用五
元組PR=(ID，Type，Role，Detal，Status)來表示，下面簡稱可
重構(gòu)元(圖1)。其中：ID用于區(qū)別不同可重構(gòu)元；Type∈D指
每個可重構(gòu)元的類型，其中D是可重構(gòu)元類型的集合；Role E
R指每個可重構(gòu)元的角色，其中R是可重構(gòu)元角色的集合；
Detal是每個可重構(gòu)元中m個輸入?yún)?shù)、It個輸出參數(shù)所包含具
體參數(shù)的數(shù)據(jù)類型和數(shù)值；Status是當(dāng)前可重構(gòu)元的狀態(tài)。
Ready表明已接收到任務(wù)，等待處理；Processed表明已經(jīng)觸發(fā)
相應(yīng)的應(yīng)用需求，即已經(jīng)處理完畢。
定義2匹配關(guān)系。如果可重構(gòu)元A滿足可重構(gòu)元B的
所有功能要求，則稱A匹配于B，記為A ocB，其中0C稱為匹配
關(guān)系，其滿足非對稱性、自反性、傳遞性。
本文認為兩個可重構(gòu)元之間的匹配應(yīng)當(dāng)滿足三個層次上
的要求：可重構(gòu)元類型等同、角色的匹配和參數(shù)的匹配。分別
用r、R、P表示每個可重構(gòu)元類型、角色、參數(shù)的集合。
第一個層次是可重構(gòu)元類型匹配。
定義3如果可重構(gòu)元A與可重構(gòu)元曰的類型相同，則稱
A匹配于B，記為A*曰，其滿足非對稱性、自反性、傳遞性。
第二個層次是角色的匹配。
定義4角色。可重構(gòu)元的某一類功能行為稱為一個角
色，它可以表示每個可重構(gòu)元的功能和安全屬性。
角色是一個層次結(jié)構(gòu)，子角色具有父角色的所有功能并對
其進行相應(yīng)的擴充，因此角色是向上兼容的。對于角色^∈
R，r2∈R，如果r2是r。的本身或子角色，則稱r2匹配于r。，記為
r2“7l o
第三個層次是參數(shù)的匹配。參數(shù)的匹配包括可重構(gòu)元參
數(shù)數(shù)目匹配、參數(shù)名稱的匹配和參數(shù)數(shù)據(jù)類型的匹配三個方
面，分別用Ⅳ、M表示每個可重構(gòu)元名稱集合和數(shù)據(jù)類型集合。
對于ItI∈N，，12∈N，如果n2 in synonymy(rtl)，其中synonymy
(It，)表示It，的同義詞集合，則稱心匹配于Itl，記為心0Cit。。
同角色的可重構(gòu)元數(shù)據(jù)類型相似，層次也是向上兼容的，
對于m．∈M，m：∈M，如果m：是m。的本身或子類型，則稱％
匹配于ml，記為m2 oc
ritl。
對于P1∈P，P2∈P，如果np2 ocnpl Amp2 ocrapl，則稱P2匹配
于p。，記為p2 ocp。，其中npi、mpi表示參數(shù)P。的名稱、數(shù)據(jù)類型。
用ls標(biāo)志可重構(gòu)元的集合，對于參數(shù)集sp。CP，sp：CP，
如果Vpi了pi(乃ocp。Api Espl Api∈印2)，則稱Sp2匹配于印1，
記為sp2。cspl。
對于sl ES，52∈S，如果tl 0Ct2 A1“r2 Aspijl 0CSp‘』2 A
Sp。j2 oCsp。jl則稱s2匹配于s1，表示為s2 oCsl，其中島、‘2、^、
r2、?。籣sl、卻；一s2、Sp。一sl、卻。-s：分別表示可重構(gòu)元sl、s2的類
型、層次、輸入和輸出參數(shù)的集合。
對于一個可重構(gòu)元s；E s，按照上述方法可能存在許多與
它匹配的其他可重構(gòu)元，因此需要進行相應(yīng)的評估來決定哪個
重構(gòu)元是最適合此次系統(tǒng)運行的。
2 基于QoS的可重構(gòu)元評價與選擇
2．1 可重構(gòu)元評價參數(shù)選擇
第1章對于可重構(gòu)元參數(shù)匹配的研究，只對參數(shù)名稱、參
數(shù)數(shù)據(jù)類型和參數(shù)數(shù)目進行了相應(yīng)的匹配，而對參數(shù)的數(shù)量值
沒有考慮。根據(jù)可重構(gòu)元在安全協(xié)議中一般的應(yīng)用需求，下面
定義幾個基本的可重構(gòu)元評價參數(shù)及其量化要求：
a)可重構(gòu)元響應(yīng)時間Q，。它是指從系統(tǒng)發(fā)出調(diào)用該可重
構(gòu)元與開始應(yīng)用的時間。
b)可重構(gòu)元的資源需求Q。。它反映了被選中匹配的可重
構(gòu)元對系統(tǒng)各類型資源的需求，Q。本身也構(gòu)成集合，Q。=
{R。，R。，?}每個元素代表相應(yīng)的資源類型。
協(xié)議中的可重構(gòu)元參數(shù)數(shù)量眾多，系統(tǒng)評價對各參數(shù)的權(quán)
值也不同，以上只是本文中提出的一些通用的可重構(gòu)元性能衡
量標(biāo)準(zhǔn)，針對不同的安全協(xié)議功能，可重構(gòu)元參數(shù)也可以發(fā)生
不同的約束變化，在此不一一列舉。但是由以上對可重構(gòu)元參
數(shù)舉例分析可見，在對可重構(gòu)元匹配的過程中，可重構(gòu)元參數(shù)
本身度量單位不一致，其取值和權(quán)重可能是模糊表示，使得匹
配過后擇優(yōu)選取較為復(fù)雜，這大大影響了系統(tǒng)對可重構(gòu)元的快
速提取，難以達到全局化的匹配，所以要對可重構(gòu)元參數(shù)進行
歸一計算、比較。為便于形式化描述問題，本文假定相關(guān)參數(shù)
值都是經(jīng)過模糊處理后所得到的相對量化值。
2．2基于OoS的可重構(gòu)元評價模型
定義5重構(gòu)元評價參數(shù)(船)。描述一個可重構(gòu)元在系
統(tǒng)中應(yīng)用的參數(shù)稱為重構(gòu)元評價參數(shù)，可用一個三元組S=
{ID，OS，OV)來表示，ID表示可重構(gòu)元標(biāo)志號，SⅣ表示參數(shù)名
稱集，sQ表示重構(gòu)質(zhì)量參數(shù)值集合。SN={rt。，It：，n，，?，n。}，
SQ={q。，q：，q，，?，‰}，其中i=1，2，?，m，m為參數(shù)個數(shù)。可
重構(gòu)元評價參數(shù)可表示為
船=㈠引㈩
定義6協(xié)議評價參數(shù)(耶)。描述協(xié)議在系統(tǒng)中對可重
構(gòu)元各項參數(shù)指標(biāo)的期望值和偏好程度信息稱為系統(tǒng)評價參
數(shù)，可表示為
f職nl∞l e1 1
ES=l ； i ；I
【，lm ∞m em J
(2)
其中：ei表示協(xié)議對可重構(gòu)元相應(yīng)參數(shù)R的希望值，吡表示第
i個參數(shù)在所屬可重構(gòu)元中相對權(quán)重，PR表示協(xié)議P和可重
構(gòu)元R。
定義7可重構(gòu)元接受域(sD)。描述當(dāng)前協(xié)議對可重構(gòu)
元各項參數(shù)指標(biāo)可接受范圍的模型稱為可重構(gòu)元接受域，其表
示形式如式(3)所示。區(qū)間[fJ，ri]表示協(xié)議對可重構(gòu)元參數(shù)^
取值的接受范圍。用戶元和可重構(gòu)元一環(huán)境域組成用戶策略。
f PR nl [11 r1]1
SD=l ：；!I (3)
【n。[2。k]J
對于確定協(xié)議，每個候選可重構(gòu)元s相應(yīng)的參數(shù)J的肯定
萬方數(shù)據(jù)
·1156· 計算機應(yīng)用研究第32卷
性滿意度可表示為
Ri(訕-1+翳(4)
同理，對于確定協(xié)議，每個候選可重構(gòu)元．s相應(yīng)的參數(shù)J
的否定性滿意度可表示為
剮址=1+翳(5)
在本文中采用相對參數(shù)：
Ri(t|，)：1‘1翳I (6)
其中：i=1，2，?，n；j=1，2，?，m；n為候選可重構(gòu)元個數(shù)，m為
可重構(gòu)元評價參數(shù)個數(shù)。
協(xié)議對不同的參數(shù)指標(biāo)有不同的需求，可重構(gòu)元i的所有
11．個不同評價參數(shù)對于協(xié)議的綜合滿意度足可以表示為
Ri=Σ=(ojRq i=1，2，?，n (7)
計算完R之后，對其進行比較，選擇綜合滿意度R最大的
值確定為最佳候選可重構(gòu)元。
3 實例分析
本章對于SSL協(xié)議在不同的安全需求和應(yīng)用場景中采用
不同的加密算法對數(shù)據(jù)包進行加密為例進行匹配分析。
由表1中類型信息，DES、3DES、AES-128、AES一192、AES·
256為文件加／解密算法，RSA、hash為簽名算法，由角色信息
DES(10．01)、3DES(10．01．01)可以看出它們有繼承關(guān)系。
表1可重構(gòu)元注冊信息表
堡查耋型魚魚魚整塑△壟鍪笪坐壘鏊
0l E 10．01 DES input，key，blocldength output
02 E 10．01．0l 3DES input，key，bloddeagth output
03 E 10．02．Ol AES一128 input，key，blocklength output
04 E 10．02．02 AES一192 input，key，bloddength output
05 E 10．02．03 AES-256 input，key，blocklength output
06 A 20．Ol RSA input．key output
!! 皇!!：!!墊生!!型：!翌竺塵竺
在匹配過程中首先對協(xié)議需求信息進行解析，按照類型、
角色、參數(shù)分別進行匹配，得到三個輸人參數(shù)為(input，key，
blocklength)，輸出參數(shù)為(output)的重構(gòu)元s。、s2、S，，它們的
角色分別為10．02．叭，10．02．02，10．02．03。
本文選擇文獻[9]中提出的可重構(gòu)硬件電路分別實現(xiàn)
AES-128、AES．192、AES-256，對SSL數(shù)據(jù)包進行加密。由于參
數(shù)種類繁多，符號各不相同，在此將具體參數(shù)(吞吐率、資源需
求、安全性)的最大值作為基數(shù)進行歸一化處理后結(jié)果如表2
所示。
表2文獻[9]表3中AES參數(shù)歸一化處理表
表3是在本應(yīng)用實例中根據(jù)環(huán)境需求，自定義的對重構(gòu)后
協(xié)議各規(guī)約參數(shù)的希望接受值。
表3可重構(gòu)元參數(shù)接受域
根據(jù)表2、3中參數(shù)信息，采用上文中提出的基于QoS的可
重構(gòu)元選擇算法，運用式(6)對其結(jié)果進行歸一化處理，得到
可重構(gòu)元i的參數(shù)J相對于其他可重構(gòu)元的滿意度，結(jié)果如表
4中前三列數(shù)據(jù)所示。采用式(7)對相對吞吐率、資源需求、安
全性三個約束量加權(quán)處理后，最終得到AES一128、AES一192、
AES-256基于本實例的綜合評價參數(shù)。
表4候選可重構(gòu)元的相對評價參數(shù)和綜合評價參數(shù)
從表4中可以看出，AES．192的綜合評價參數(shù)最高為
0．8333，說明本次對于SSL協(xié)議數(shù)據(jù)包加密算法匹配重構(gòu)過程
中，基于所選實例中的參數(shù)數(shù)據(jù)，運用上文提出的QoS的可重
構(gòu)元選擇算法，AES．192最符合當(dāng)前協(xié)議環(huán)境需求。由于目前
在可重構(gòu)協(xié)議研究方面，對于可重構(gòu)元的匹配選擇算法較少，
大多使用人工選擇的方法，從表3中可以看出吞吐率、資源需
求、安全性三個參數(shù)權(quán)重分別為0．2500、0．2500和0．5000，而
AES．192在這三種密鑰長度不同的AES算法中吞吐率、資源需
求和安全性剛好適中，根據(jù)約束條件應(yīng)該人工選擇AES一192，
從而證明了本算法的正確性和實用性。
4結(jié)束語
本文在可重構(gòu)安全計算背景下，提出了一種針對現(xiàn)有資源
選擇協(xié)議重構(gòu)元的解決方法，給出協(xié)議可重構(gòu)元匹配和基于
QoS的重構(gòu)元質(zhì)量滿意度的協(xié)議重構(gòu)算法。通過實例說明該
方法的執(zhí)行過程，應(yīng)用結(jié)果表明該方法有效提高了重構(gòu)效率和
重構(gòu)準(zhǔn)確度。下一步的工作是在可重構(gòu)元匹配過程中引入智
能優(yōu)化的方法，簡化重構(gòu)過程。
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