嵌入式系統(tǒng)中入侵檢測的設計及實現(xiàn)

隨著通信技術和電子技術的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用，電力嵌入式系統(tǒng)連接Internet將成為一大發(fā)展趨勢。但是Internet是一個不確定的網(wǎng)絡，存在著許多安全隱患，這是一個突出的、急待解決的問題。因此要求嵌入式操作系統(tǒng)設計時，除了考慮實時性，還必須考慮其安全性設計。

目前，比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)有QNX、VxWorks、Widow CE、μC/OS-II等。其中，μC/OS-II內核以穩(wěn)定、簡短、源代碼公開等特性得到了人們的青睞。但μC/OS-II只是一個微內核，并沒有安全方面的設計。為了更加適合應用在電力系統(tǒng)中，這部分功能必須增強。

本文將針對電力系統(tǒng)的需求，基于一個改寫的μC/OS-II說明該嵌入式操作系統(tǒng)中入侵檢測模塊的設計與實現(xiàn)。

1、針對電力系統(tǒng)的安全威脅分析

嵌入式系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中主要應用于數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控，所以它面臨的最大威脅是數(shù)據(jù)(指令也認為是一種數(shù)據(jù))的保密性和完整性問題。通過現(xiàn)有的保密技術和網(wǎng)絡安全措施可以基本上保證數(shù)據(jù)的安全，但并不能絕對保證。入侵檢測模塊可以認為是整個系統(tǒng)的最后一道防線，在系統(tǒng)遭受威脅或被攻擊后，可以分析攻擊行為，有效保護系統(tǒng)免受同樣的攻擊。針對電力系統(tǒng)，可以歸納出三個主要的安全威脅，這些威脅不能通過常規(guī)的數(shù)據(jù)保密技術和網(wǎng)絡安全措施得到絕對有效的解決。

(1) 內部人員的違規(guī)行為。通常，數(shù)據(jù)保密技術和賬戶安全管理手段，只能防止外來人員的攻擊，而對于內部人員則束手無策。若內部人員濫用權限也會使系統(tǒng)面臨很大的威脅。小則造成設備損壞，大則危害公共安全和經(jīng)濟生產(chǎn)。

(2) 非授權用戶登錄操作。一個電力監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以遠程采集電力終端設備的數(shù)據(jù)，同時也可以進行設備故障診斷、實時控制等操作。非授權用戶通過盜取密碼等非法手段登錄嵌入式系統(tǒng)并進行非法的設備控制是監(jiān)控系統(tǒng)面臨的最大安全威脅。

(3) 對系統(tǒng)資源的非法訪問。這里所謂的系統(tǒng)資源主要包括存儲器中的數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的運行參數(shù)以及用于控制電力設備的硬件。當攻擊者繞過正常的操作順序獲取數(shù)據(jù)或是硬件的控制權時，系統(tǒng)的所有安全措施形同虛設。

通過上述分析可知，為了進一步加強系統(tǒng)的安全性，必須使系統(tǒng)具有個人行為監(jiān)控、事件重建、抵御網(wǎng)絡攻擊和故障分析能力。這些都將在入侵檢測模塊中實現(xiàn)。

2、基于主機的入侵檢測模塊設計

2.1 檢測技術

考慮到嵌入式系統(tǒng)資源的有限性，入侵檢測模塊將采用濫用檢測技術。所謂濫用檢測是直接對入侵行為進行特征化描述，建立某種或某類入侵的特征行為模式庫。如果發(fā)現(xiàn)當前行為與某個入侵模式一致，則表示發(fā)生了這種入侵。采用這種技術將降低判斷入侵檢測程序的復雜度，并且大大減少審計開銷，系統(tǒng)只記錄一些必要的日志信息，節(jié)省了有限的存儲器空間。

2.2 框架設計

入侵檢測模塊一般分為四部分：

(1) 事件產(chǎn)生器。從環(huán)境中抽取感興趣的信息，并把信息轉化為標準格式供系統(tǒng)其他部件使用。
(2) 事件數(shù)據(jù)庫。事件數(shù)據(jù)庫保存事件日志。
(3) 事件分析器。分析輸入的格式化后的事件，進行真正意義上的入侵檢測，并產(chǎn)生新的警告。
(4) 響應單元。響應單元按照警告進行相應的保護，反擊入侵行為。

根據(jù)電力應用的特性和嵌入式系統(tǒng)的特點，對上述入侵檢測框架進行修改如下：

(1)事件發(fā)生器產(chǎn)生原始日志數(shù)據(jù)，為了避免對進程實時性造成太大的影響，先不做格式化處理。
(2)事件數(shù)據(jù)庫將接收的原始日志數(shù)據(jù)進行格式化處理，并進行相應的分類保存。
(3)事件分析器與響應單元合并，以減少對系統(tǒng)進程的占用。

整個入侵檢測框架如圖1所示。

圖1 入侵檢測框架圖

3 基于主機的入侵檢測模塊的實現(xiàn)

3.1 入侵檢測模塊的實現(xiàn)流程

該操作系統(tǒng)是一個實時操作系統(tǒng)，為了不影響系統(tǒng)的實時性，入侵檢測并不是實時處理，數(shù)據(jù)流在整個處理過程中可能并不是很流暢，所以在設計時采用消息隊列形式傳遞原始記錄。即每個事件產(chǎn)生器發(fā)送的消息都送到一個消息隊列中，事件數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)空閑時取出消息做統(tǒng)一的格式化處理，并保存到數(shù)據(jù)庫中。當日志記錄累積到一定程度時，由事件數(shù)據(jù)庫觸發(fā)事件分析器做分析檢測，經(jīng)過檢測的日志記錄可以適當刪除，以保持事件數(shù)據(jù)庫接收新日志的能力。事件分析器作為整個入侵檢測模塊的核心，其程序流程如圖2所示。