張陽，胡紹謙，湯震宇
（南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）
摘要：為了應(yīng)對電力系統(tǒng)中日趨嚴(yán)重的安全問題，闡述了僵尸網(wǎng)絡(luò)在電力二次系統(tǒng)中部署和傳播的可能性，分析了僵尸網(wǎng)絡(luò)在活動時產(chǎn)生的報文特征和流量的行為特性，并針對電力二次系統(tǒng)僵尸網(wǎng)絡(luò)的特點，提出了兩種可部署于網(wǎng)絡(luò)分析儀的僵尸網(wǎng)絡(luò)檢測方法，分別是基于深度包檢測技術(shù)的異常協(xié)議識別方法和基于循環(huán)自相關(guān)和Xmeans聚類的流序列特征分析方法。實驗證明，這兩種方法均具有良好的檢測效果，其中，異常協(xié)議識別方法在特定場景下將失效，而流序列特征分析方法具有更好的通用性。
關(guān)鍵詞：僵尸網(wǎng)絡(luò)；電力系統(tǒng)；深度包檢測；流量行為；循環(huán)自相關(guān)；聚類分析；網(wǎng)絡(luò)分析儀
0引言
2015年末，烏克蘭電網(wǎng)遭到黑客攻擊，這是首次由黑客攻擊行為導(dǎo)致的大規(guī)模停電事件，電力二次系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題日益嚴(yán)峻。僵尸網(wǎng)絡(luò)是指通過各種手段在多臺設(shè)備中植入惡意程序，使僵尸控制者能相對方便和集中地控制這些設(shè)備，向這些受控制的設(shè)備發(fā)布各種指令以進行相應(yīng)惡意活動的攻擊網(wǎng)絡(luò)。隨著全球電力系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，特別是能源互聯(lián)網(wǎng)的興起［1］，電力二次系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性越來越高，智能化設(shè)備和以太網(wǎng)通信的普及在帶來更加豐富功能的同時，也帶來了各種安全問題，如Web應(yīng)用中數(shù)據(jù)庫信息的SQL注入攻擊［2］、Web客戶端腳本注入攻擊［3］、僵尸網(wǎng)絡(luò)等。
本文研究了僵尸網(wǎng)絡(luò)在電力二次系統(tǒng)中的部署方法和傳播機制，分析了僵尸程序產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量的行為特性，并以此提出了兩種基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的僵尸網(wǎng)絡(luò)的檢測方法，最后按照電力二次系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建環(huán)境進行實驗。
1電力二次系統(tǒng)中僵尸網(wǎng)絡(luò)部署及傳播
1.1僵尸網(wǎng)絡(luò)部署方法
國內(nèi)電力二次系統(tǒng)是一個相對封閉的局域網(wǎng)系統(tǒng)，一般不與公網(wǎng)直接相連，所以直接從公網(wǎng)感染僵尸程序的可能性不大。部署僵尸程序有以下幾種方法：
（1）事先在智能設(shè)備中部署僵尸程序，當(dāng)該設(shè)備在站內(nèi)安裝接入二次網(wǎng)絡(luò)時即可發(fā)作。
（2）直接連接二次網(wǎng)絡(luò)中的交換機，將僵尸程序植入網(wǎng)絡(luò)。
（3）將小型的無線網(wǎng)卡接入二次網(wǎng)絡(luò)，將站內(nèi)局域網(wǎng)與公網(wǎng)連接。
1.2僵尸網(wǎng)絡(luò)傳播機制
僵尸程序一般具有自我復(fù)制和自動傳播的能力，在電力二次系統(tǒng)中，各設(shè)備供應(yīng)商為方便現(xiàn)場調(diào)試，一般會開放設(shè)備的telnet、ftp、ssh服務(wù)，并且用戶名密碼相對固定，僵尸程序通過這些服務(wù)很容易進行傳播，步驟如下：
（1）周期掃描網(wǎng)絡(luò)中所有的IP地址，記錄所有在線設(shè)備的IP，記為G1。
（2）測試G1中所有設(shè)備的telnet服務(wù)、ftp服務(wù)、ssh服務(wù)是否打開，至少打開其中一個服務(wù)的設(shè)備IP記為G2。
（3）電力二次系統(tǒng)中大部分設(shè)備采用VxWorks、Linux、Windows等操作系統(tǒng)，配合ARM、x86、PowerPc、MIPS、Sparc等CPU架構(gòu)，組合是有限的，僵尸程序通過telnet、ftp、ssh可以判斷G2中設(shè)備的操作系統(tǒng)和CPU架構(gòu)，選擇適配的二進制文件，通過telnet或ssh復(fù)制至目標(biāo)系統(tǒng)，并加入啟動腳本。
2電力二次系統(tǒng)中僵尸網(wǎng)絡(luò)流量特性
僵尸網(wǎng)絡(luò)的目的是控制被感染的設(shè)備執(zhí)行特定的指令，如重啟、發(fā)送惡意報文、控制一次設(shè)備等。所以僵尸網(wǎng)絡(luò)一般會有一個C&C服務(wù)器（命令與控制服務(wù)器），C&C服務(wù)器可以是網(wǎng)絡(luò)中固定的節(jié)點，也可由僵尸程序選舉產(chǎn)生，所有僵尸程序周期訪問C&C服務(wù)器獲取指令，或者由C&C服務(wù)器周期廣播指令至所有僵尸程序。在這個過程中，僵尸程序會產(chǎn)生帶有特定特征的網(wǎng)絡(luò)流量。
2.1僵尸程序會產(chǎn)生非常規(guī)協(xié)議的流量
常規(guī)的僵尸網(wǎng)絡(luò)可分為以下3種類型［4］：
(1)IRC僵尸網(wǎng)絡(luò)：控制和通信方式采用IRC協(xié)議（互聯(lián)網(wǎng)中繼聊天協(xié)議）的僵尸網(wǎng)絡(luò)［5］。
（2）HTTP僵尸網(wǎng)絡(luò)：控制和通信方式采用HTTP協(xié)議（同時伴隨DNS）的僵尸網(wǎng)絡(luò)。
（3）P2P僵尸網(wǎng)絡(luò)：控制和通信方式采用P2P協(xié)議或類似結(jié)構(gòu)的僵尸網(wǎng)絡(luò)［6 7］。
這三種類型的僵尸網(wǎng)絡(luò)同樣可以在電力二次系統(tǒng)中部署和傳播，常規(guī)電力二次系統(tǒng)中極少產(chǎn)生IRC、HTTP、DNS、P2P的流量。
2.2僵尸程序產(chǎn)生的流量具有周期性
對于單個僵尸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，需要周期性地從C&C服務(wù)器獲取指令，在與C&C服務(wù)器通信時，通信行為會產(chǎn)生較為明顯的周期性［8］，如周期的IRC報文、周期的DNS請求、周期的HTTP流量等。周期性可分為以下兩種類型：
（1）單報文的周期性：研究對象為單個報文組成的序列，如一段時間內(nèi)，僵尸節(jié)點向C&C服務(wù)器周期發(fā)送的DNS請求報文的周期性。
（2）流的周期性：僵尸節(jié)點與C&C服務(wù)器一次通信時產(chǎn)生的完整問答過程可以稱為一個流，一段時間內(nèi)產(chǎn)生的流組成流序列，流序列同樣具有周期性。
2.3僵尸程序產(chǎn)生的流量具有群體性
對于同一個僵尸網(wǎng)絡(luò)中的多個僵尸節(jié)點，由于感染相同的僵尸程序，在與C&C服務(wù)器通信行為上會產(chǎn)生較為明顯的群體相似性［9］。以著名的HTTP僵尸程序BlackEnergy為例，僵尸網(wǎng)絡(luò)中的N個節(jié)點，在足夠長的時間間隔T內(nèi)，會產(chǎn)生幾乎相同次數(shù)的DNS請求，并且請求的目標(biāo)域名一致（C&C服務(wù)器的域名）。
3電力二次系統(tǒng)中僵尸網(wǎng)絡(luò)的檢測方法
電力二次系統(tǒng)中僵尸網(wǎng)絡(luò)的檢測需要分析全站的報文，網(wǎng)絡(luò)分析儀從核心交換機的鏡像口獲取報文，可得到全站所有報文的鏡像，僵尸網(wǎng)絡(luò)檢測程序完全可部署于網(wǎng)絡(luò)分析儀上。
3.1DPI（深度包檢測）方法
電力二次系統(tǒng)中使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相對較為固定，以站控層網(wǎng)絡(luò)為例，通常是103、61850、DNP，少數(shù)情況下會有101（網(wǎng)絡(luò)形式）和104。除此之外的所有協(xié)議報文都可以認(rèn)為是非常規(guī)協(xié)議，都可能由僵尸程序產(chǎn)生，所以可以用協(xié)議識別的方法檢測僵尸網(wǎng)絡(luò)。
以DNS協(xié)議為例，根據(jù)RFC1034［10］的說明，DNS報文的總體格式如圖1所示。
常規(guī)的協(xié)議識別一般采用端口號識別協(xié)議，但僵尸程序往往利用這一點采用特殊的端口號躲避檢測。DPI方法深度分析報文的內(nèi)部特征，對協(xié)議進行模糊識別。
與DNS協(xié)議類似，IRC協(xié)議可根據(jù)RFC1459［11］解析，103可根據(jù)IEC608705103［12］協(xié)議規(guī)范解析等。在電力二次系統(tǒng)中，事先規(guī)定協(xié)議的“白名單”，只允許運行特定的協(xié)議，是檢測僵尸網(wǎng)絡(luò)的有效手段。
3.2流量行為分析方法
為了描述僵尸節(jié)點與C&C服務(wù)器通信時的流量特性，本文使用源IP、目的IP、目標(biāo)端口、協(xié)議四元組組流，這里忽略源端口，因為源端口一般由操作系統(tǒng)隨機指定，每一次交互時都不一樣，不具有代表性。在給定的超時時間內(nèi)，四元組相同的所有報文形成一個流，多個四元組相同的流按時間排序可形成流序列。流序列的特性描述了僵尸節(jié)點與C&C服務(wù)器通信時的流量特性。
描述流序列的周期性時，需要對流序列進行01序列化，序列化過程如圖2所示，即用較小的時間間隔t切割整個流序列，若某間隔內(nèi)有流開始，則為1，否則為0，本文取t=Intervalavg/4，即平均流時間間隔的1/4。
本文使用循環(huán)自相關(guān)的方法［13］量化01序列f的周期性，公式(1)是循環(huán)自相關(guān)函數(shù)，通過公式(2)找到使ω最大的序號k，再通過公式(3)即可得到描述周期性的循環(huán)自相關(guān)頻率freq。
式中：f為流序列的01序列；M為01序列長度
以HTTP僵尸程序BlackEnergy為例，使用多個BlackEnergy僵尸樣本產(chǎn)生數(shù)十個流序列，提取平均流時間間隔、平均流持續(xù)時間、平均流長度、循環(huán)自相關(guān)頻率作為BlackEnergy僵尸程序產(chǎn)生的流序列的“指紋”，對于每一項流特征，本文采用Xmeans聚類算法［14］進行聚類，用以區(qū)分BlackEnergy僵尸程序在不同狀態(tài)下對于同一個特征的不同特性，如表1所示，表中Q為Xmeans的聚類質(zhì)量，由公式(4)計算，質(zhì)量越大說明類別中各項越相似。
式中：β取2.5；sd為標(biāo)準(zhǔn)差，c為均值
表1中每一個聚類類別描述了BlackEnergy僵尸程序產(chǎn)生不同流序列的特性，如流長度有3個聚類類別，說明BlackEnergy會產(chǎn)生3種長度的流。
通過分析電力二次系統(tǒng)中全站流量，可以獲得全站103、61850、DNP的流序列的“指紋”，可以采用白名單方式：正常情況下，網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測到的流序列的指紋應(yīng)該與正常流量指紋相似，出現(xiàn)異常即可認(rèn)為是僵尸流量指紋。或者采用黑名單方式：事先分析已知的大量僵尸程序的流序列“指紋”，當(dāng)站內(nèi)有流序列匹配僵尸指紋時，即可認(rèn)為是僵尸流量。匹配方法使用加權(quán)得分的方法，未知流序列的某項屬性滿足公式(5)時，會按照公式(6)計算得分，當(dāng)所有屬性的得分之和大于一個閾值時，即判定匹配該僵尸指紋。
式中：QTi是待匹配流序列在自身第i個屬性的質(zhì)量，計算方法與公式(4)一致，T［i］為待匹配流序列的第i個屬性，c為已知僵尸流序列第i個屬性的均值，sd為標(biāo)準(zhǔn)差。
4實驗分析
本文采用電力二次系統(tǒng)中常規(guī)設(shè)備和系統(tǒng)搭建實驗環(huán)境，包括后臺監(jiān)控系統(tǒng)、交換機、規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置、網(wǎng)絡(luò)分析儀、其他智能設(shè)備（測控裝置、保護裝置），主要通信規(guī)約采用103，一部分智能設(shè)備使用其他規(guī)約，需要規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成103，總體架構(gòu)如圖3所示。正常運行時，可以通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視所有設(shè)備的運行情況以及采集各個相關(guān)測點的值。
本文在后臺監(jiān)控系統(tǒng)及一部分智能設(shè)備中運行僵尸程序BlackEnergy，在核心交換機中配置鏡像口，將全站流量全部鏡像發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)分析儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀中運行僵尸網(wǎng)絡(luò)檢測程序。在DPI檢測方面，由于全站只有BlackEnergy在使用HTTP和DNS協(xié)議，在這種情況下，檢測率為100%，誤報率為0，但只要有正常流量也使用HTTP和DNS協(xié)議，或者僵尸程序采用103或61850交互，DPI方法將變得極不可靠；在流量行為分析方法方面，實驗采用匹配已知僵尸流量特征的黑名單方式，得分閾值取1.3，可使BlackEnergy的檢測率大于90%而誤報率低于0.02%，類似的方法可以推廣到檢測電力二次系統(tǒng)中任何類型的僵尸網(wǎng)絡(luò)。
5結(jié)論
本文闡述了僵尸網(wǎng)絡(luò)在電力二次系統(tǒng)中的部署方法和傳播機制，分析了僵尸網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)中活動時產(chǎn)生的報文特征和流量行為，并提出了兩種僵尸網(wǎng)絡(luò)檢測方法，分別是識別異常協(xié)議的DPI（深度包檢測）方法、提取流序列特征的流量行為分析法。僵尸檢測程序需要網(wǎng)絡(luò)分析儀的支持。實驗表明這兩種方法都有較好的檢測效果。
其中，當(dāng)僵尸程序使用103、61850等規(guī)約進行傳播和活動時，DPI方法將失效，所以流量行為分析方法具有更廣泛的應(yīng)用范圍，但流量行為分析方法涉及大量的計算，需要消耗相當(dāng)大的CPU和內(nèi)存資源，將DPI方法、流量行為分析法等多種方法相結(jié)合，可以獲得更好的檢測效果，并降低計算資源的消耗。
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