基于模糊评估的等级保护风险评估模型.pdf
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1、 2 0 1 3年 2月 第 3 4卷第 2期 计算机工程与设计 COMPUTE R ENGI NE ERI NG AND DES I GN Fe b 2 0 1 3 V0 I 3 4 No 2 基于模糊评估的等级保护风险评估模型 刘一丹，董碧丹，崔中杰 ，李永立(1 中国航 天工程咨询 中心，北京 1 0 0 0 3 7；2 哈 尔滨工业大学 管理学院，黑龙江 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1)摘要：针对信息系统风险评估中模糊性、不确定性的问题，提 出了一种基于模糊评估的等级保护风险评估模型。依据等 级保护标准，建立起层次化评估体系，规范风险因素的选取。同时，考虑到评估值可能出现模糊值、残缺
2、值等情况，重新 定义了模糊评语集合，使模型能够应对更复杂的风险评估问题。在此基础上，引入基于证据理论的模糊评估方法对各风险 因素进行合成，减小不确定性并量化评估结果。通过实例表明该模型的有效性和广泛的应用价值。关键词：风险评估模型；模糊评估；等级保护；层次化评估体系；证据理论 中图法分类号：T P 3 0 9 文献标识号：A 文章编号：1 0 0 0 7 0 2 4(2 0 1 3)0 2 0 4 5 2 0 6 Ri s k a s s e s s me n t mo d e l o f c l a s s i f i e d p r o t e c t i o n b a s e d o
3、n f u z z y e v a l u a t i o n L I U Yi d a n ，D ONG B i d a n ，C UI Z h o n g-j i e ，L I Yo n g-l i (1 C h i n a Ae r o s p a c e E n g i n e e r i n g C o n s u l t a t i o n C e n t e r，B e r i n g 1 0 0 0 3 7，C h i n a；2 S c h o o l o f M a n a g e me n t，Ha r b i n I n s t i t u t e o f Te c h
4、 n o l o g y，Ha r b i n 1 5 0 0 0 1，C hi n a)Ab s t r a c t：A r i s k a s s e s s me n t mo d e l o f c l a s s i f i e d p r o t e c t io n b a s e d o n f u z z y e v a l u a t i o n i s p u t f o r w a r d t O o b j e c t i v e l y r e p r e s e n t f u z z i n e s s a n d u n c e r t a i n t y i
5、n t h e i n f o r ma t i o n s y s t e m r i s k ass e s s me n t F i r s t l y，a c c o r d i n g t o c l a s s i f i e d p r o t e c t i o n，t h e h i e r a r c h i c a l e v a l u a t i o n s y s t e m i s p r o p o s e d t o n o r ma l i z e t h e s e l e c t i o n o f r i s k f a c t o r s S e c
6、 o n d l y，c o n s i d e r in g t h a t t h e c o mme n t f r o m e x p e r t s mi g h t b e u n c e r t a i n o r i n c o mp l e t e t h e f u z z y c o mme n t s e t i S d e f i n e d S O t h a t t h e a s s e s s me n t mo d e l c a n d e a l wi t h mo r e c o mp l e x s i t u a t i o n Mo r e o
7、v e r，t h e f u z z y e v a l u a t i o n me t h o d b a s e d o n e v i d e n c e t h e o r y i s i n t r o d u c e d t O r e d u c e t h e u n c e r t a i n t y a n d q u a n t i f y t h e r e s u l t o f t h e a s s e s s me n t F i n a l l y，a c a s e s t u d y i s g iv e n a n d t h e r e s u l
8、 t s h o ws t h a t t h e mo d e l i s e f f e c t i v e a n d i s wi d e l y u s e d Ke y wo r d s：r i s k a s s e s s s me n t mo d e l；f u z z y e v a l u a t i o n；c l a s s i f i e d p r o t e c t i o n；h i e r a r c h i c a l e v a l u a t i o n s y s t e m；e v i d e n c e t h e o r y 0引 言 信息系
9、统风险评估是信息系统安全工程的重要组成部 分，是建立信息系统安全体系的基础和前提_ 1 。信息安全 风险评估规范_ 2 中明确了信息系统风险评估的基本工作形 式是自评估与检查评估。根据国家有关管理规定，基础性、重要的信息系统采用等级保护标准进行防护和测评。信息 系统使用单位应结合 自身情况，依照 国家标准，开展风险 评估工作。目前，信息系统的复杂性和动态性给风险评估带来了 很大困难，评估工作多是 由专家根据定性的评价指标进行 评估。因此，最终的评估结果易受主观因素的影响，具有 模糊性和不确定性。学术界已有一些针对网络风险评估中 不确定性问题的研究：F u等运用层次分析法(AHP)和模 糊综合评
10、 价 法(F C E)，建立 风 险评 估 的量 化模 式_ 3；Hu a n g等以灰色评估模型为基础，在权重的选择过程中引 入模糊层次分析法，弱化了评价的主观性 4；G a o等人应 用灰色关联决策算法，给出了评估值缺失的先验估计，能 够有效地处理参数评估值的不确定性问题 5 ；Hu a n g等人 利用不确定推理技术推导由脆弱性可能引发的系统安全事 件并计算损失大小和风险值_ 6 。证据理论作为对贝叶斯概率方法的推广，是一种重要 的不确定性推理方法，能够较好地解决 目标问题中的模糊 性和不确定性_ 7 。已有的相关工作存在以下问题：一方 面，没有规范的评估体系和恰当的评价准则；另一方面，
11、缺少对评估中模糊值的处理。本文建立 了基于等级保护标 准的层次化评估体系，将等级保护和风险评估有机地结合 在一起；提出了以证据理论为基础的模糊风险评估模型，收稿 日期：2 0 1 2 0 6 1 2；修订 日期：2 0 1 2 0 8 1 4 基金项目：国家自然科学基金项 目(6 0 9 7 9 0 1 6)作者简介：刘一丹(1 9 8 8 一)，男，江苏南京人，硕士研究生，研究方向为网络安全；董碧丹(1 8 5 7 一)，女，北京人，研究员，研究方向为 信息管理、计算机应用；崔中杰(1 9 7 8 一)，男，北京人，博士，高级工程师，研究方向为信息安全、计算机应用；李永立(1 9 8 5 一
12、)，男，辽宁沈阳人，博士研究生，研究方向为系统工程及建模优化。E-ma i l：l i u i n t e r m i l a n 1 2 6 c o rn 第 3 4 卷第 2 期 刘一丹，董碧丹，崔中杰，等：基于模糊评估的等级保护风险评估模型 4 5 3 增加了对模糊值的处理，使其能够更广泛地应用于信息系 统风险评估中。1 基于等级保护的层次化评估体 系 信息系统风险评估是对系统中存在的安全风险进行识 别、分析和评价。鉴于信息系统的复杂性，需要将风险因 素按照规律和特点进行分类识别。本文依据我国 信息系 统安全等级保护基本要求 _ 1 3 提取出其中主要的风险因素 并分为目标层、准则层和指
13、标层三层。各层的内容如下：(1)目 标层为风险评估的目标，即保障信息系统安全；(2)准则层为信息的三个安全属性，即保密性、完整 性和可用性 副；(3)指标层分为两级，第一级是等级保护要求中定义 的系统安全的十个类别，由五个技术要求，五个管理要求 构成；第二层是各类别包含的主要风险因素。风险评估层次化结构体系如图 1 所示，限于篇幅原因，指标层中只列出了技术部分的风险因素。2 基于证据理论的模糊评估方法 图 1 基于等级保护的层次化评估体系 2 1 证 据理 论口 D-S证据理论是 由D e mp s t e r 和 S h a r e r 提出的一种处理 不确定性的理论，能满足 比概率更弱的公
14、理系统。该理论 通过证据的积累不断缩小假设集，能够处理 由随机和模糊 导致的不确定性。本文对证据理论的相关函数定义如下：定义 1 一 m(A)(V A )(1)忍 (A)一 1 一z(-7 A)一：m(A)(2)则称函数 Be l 为 上的信度函数，函数 P l s 为 上的 似然函数。B e l(A)表示对 A 为真的信任程度，P l s(A)表示对A为非假的信任程度。由此可得，区间 B e l(A)，Pl s(A)表示 A的不确定区间，l Pl s(A)一 B e l(A)l 表示对A的不确定程度。定义 3 D-S合成法则：设 巩 mi 1 i 为同 一识 别 框 架 上 的 个 基 本
15、可信 度 分 配，若 K 一 m (A)1，则 可 按 照 下 述 规 则 合 成 这 个 信 度 I I Ai 1 r 0 A 一 6 m(A)一 j m (A )(3)l 堕 一A f I，K 1 l 1一K、2 2 权重系数与合成法则修正 由于各风险因素对系统安全有不 同的影响，因此风险 因素的重要程度 由相应的权重系数体现，定义权重向量 W一(，)，且 满 足：W i：1，W i o，1 。4 5 4 计算机工程与设计 2 0 1 3 芷 通过关联权重 向量，得到修正的 D-S合成法则。设 一 m a x(w 1，)，令 1 一：，则称 为 的“折扣率”。利用“折扣率”，可按下述方法调
16、整识别 框架内所有命题的基本可信度：T r t i(Ak)一(1)矾(A)(4)()一(1一 口 )*m()+(5)将调整后 的基本可信度值 m (As)，m()代入式(3)，形成修正后的 D-S合成法则 。2 3 模糊 评语 集合 评语集合是对信息系统中各种风险因素可能作出的评 价集合，在证据理论 中被视为识别框架。本文依据信息安 全风险评估规范 2 把度量等级分为 5个等级，设 S为评语 集合，s 一 S-(很低风险)，S z(低风险)，S。(中等风险)，S (高风险)，S s(很高风险)。在实际风险评估 中，由于评估者对问题认识的模糊性 和局限性，给出的评估信息会有不精确、不完整的情况，
17、可能会出现以下 3 种情况：(1)V S ：评估值为精确值，表示评估者确定评估值 对应于某一风险等级；(2)V一*：评估值为缺失值，表示评估者无法确定 评估值，利用证据理论计算时，可将缺失值视为对各风险 等级具有相同的信任度，即信任整个识别框架 s；(3)V一 s ，s j ，：评估值为模糊值，表示评估者 无法精确确定评估值，认为其值介于等级 和 的区间 中，鉴于评估区间一般不会跨越多个等级，令 +1。本文将模糊性引入评语集合 S，保持原有 s 定义不变，定义 S 如下 S 一 S l，S 2 ，S 2，s 2，S 3 ，S 3，s 3，s 4 ，S 4，s 5 ，S 5，*(6)2 4 基于
18、模糊评估的等级保护风 险评估模型 以证据理论为模糊评估方法，建立基于模糊评估 的等 级保护风险评估模型R一 X，W，W，S ，M。X一 Xi f 1 i ，X 对应于图 1中指标层里十个 系统风险类别，本文选取技术部分的五类安全事件进行评 估，即 n=5。X i=1 )，为 X 包含的风 险因素，f Y 为,76 的个数，图 1 中列出了本文使用的所有风 险因素。风险类别权重向量 W=(，7 t 1n)，为X 的 权重；风险因素权重矩阵 W 一 j 1 i n，1 f Y，为 的权重。S 为模糊评语集合，引用 2 3 节式(6)中定义。M 为评估矩阵：，(s k)表示风险因素 处于风险等级 S
19、 的基本可信度，由评估者赋值；m o (s k)为调整后 处于 风险等级S 的基本可信度，由m()通过折扣率计算得 出；巩(s )表示风险类别 五处于风险等级 S 的基本可信度，由 ，(s k)经 D-S合成法则合成得到；(s k)为调整后五处 于风险等级 的基本可信度，由仇(s k)通过折扣率计算得 出；最终，可求得信息系统处于风险等级 S k 的基本可信度 m(s k)，通过计算信度函数和似然函数，得到评估结果。3实证研 究 本文给出一个信息系统风险评估的实例，运用证据理 论量化评估并对等级保护标 准框架下的系统安全状况进 行判断。步骤 1 分别确定风险类别 x 和风险因素，由层次 分析法
20、得到权重w 和w。建立评估矩阵M，由专家评判 基本可信度 I T t (s k)。步骤 2 对于每一类风险类别，确定关键 因素 ，得到折扣率，代入式(4)和式(5)计算调整后的基本可 信度 优I(s k)。表 1 为经步骤 1和步骤 2 计算得到完整的评估矩阵M。不难发现，专家的评判结果既有精确值(表中 S 列所示)，也有缺失值(表中，列所示)和模糊值(表中s 列 所示)，具有很大的不确定性；而经步骤 2后，表中 S 列 增大说明，利用式(4)和式(5)可以使证据间的冲突归 于识别框架内的不确定性m。步骤 3 利用式(3)对各 X 内的m(s k)进行证据合 成，得到 巩(s k)，重复步骤
21、2，计算调整后的基本可信度 Y Y t i(s k)，如表 2所示。同理，继续利用式(3)对 y l i (s k)进行证据合成，得到信息系统处于风险等级 的基本可信 度7 1(s k)，表 3 为合成结果。步骤 4 由表 3中的结果，根据式(1)、式(2)计算 信息系统处于不同风险等级的信任度和似然度，得到评估 结果，如表 4 所示。由表 2、表 3可以看出，权重较高、可信度较高、专家 普遍支持的评语等级(风险等级)经合成后可信度变得更 高，而权重较低、可信度较低、专家意见分歧较大 的评语 等级经合成后可信度更低；评估中存在的模糊性和不确定 性亦随着合成进行，逐渐降低至可接受范围内。由表 4
22、 可 得，该信息系统处于风险等级 S。(中等风险)的信任度为 0 7 6 2，远远高于其它等级，不确定度为 o 0 0 1，因此可以 判定该信息系统处于中等风险。第3 4 卷 第2 期 刘一丹，董碧丹，崔中杰，等：基于模糊评估的等级保护风险评估模型 4 5 5 表 1 评估矩 阵 M 风险类别 XI 风险因素 z 基本可信度(权重 W )(权重 )S 1 s 1，s z：S 2 s 2，s 3 S 3 s 3，s 4 S 4 s 4，s 5 S 5 S (*)中心机房防护 1 7 1 O O O 0 1 0 5 0 2 0 1 O 1 O 0 物理安全(O 5 4 5)m O 0 0 0 1
23、O 5 0 2 0 1 O 1 O O (0 0 8 7)电磁防护 m O O 1 O 6 O 0 2 O O O O 0 1 (O 4 5 5)O 0 0 8 3 0 5 0 1 O O 1 6 7 O O O O 02 4 9 网络结构安全 m O 0 O 1 O 2 O 6 O O 1 0 O 0 (O 2 2 3)O O 0 0 9 6 0 1 9 1 0 5 7 4 O 0 0 9 6 O O 0 04 3 网络访 问控制 m O 0 O 0 2 O 2 O 1 O 3 O 1 O 0 1 (O 23 3)m O O O O 2 0 2 O 1 O 3 O 1 O 01 网络安全 审
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