隨著通信技術(shù)和電子技術(shù)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(luò)，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(shè)計時，除了考慮實時性，還必須考慮其安全性設(shè)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(nèi)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(nèi)核，并沒有安全方面的設(shè)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(shè)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(shù)和網(wǎng)絡(luò)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(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全措施得到絕對有效的解決。

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

    (2) 非授權(quán)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(shè)備的數(shù)據(jù)，同時也可以進行設(shè)備故障診斷、實時控制等操作。非授權(quán)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(shè)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(shè)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(quán)時，系統(tǒng)的所有安全措施形同虛設(shè)。

    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(luò)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(shè)計

    2.1 檢測技術(shù)

    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(shù)。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(shù)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)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。[!--empirenews.page--]

圖2 事件分析器程序流程圖

    從圖2可以看出，系統(tǒng)目前只檢測三種安全威脅，這是針對電力系統(tǒng)的威脅而確定。檢測的結(jié)果保存到威脅日志中并生成相應錯誤號，輔助響應單元完成后續(xù)操作?？梢愿鶕?jù)需求，通過修改檢測策略庫增加檢測的攻擊類型，但是為了不影響嵌入式系統(tǒng)的實時性，原則上只檢測必要的攻擊行為。

    3.2 主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法

　　大型入侵檢測系統(tǒng)采用標準的日志數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以方便系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交流。但作為一個嵌入式的應用，目前并沒有做分布式架構(gòu)的設(shè)計。若采用標準數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，則會使日志記錄的數(shù)據(jù)量大大增加，占用大量有限的存儲器空間。因此系統(tǒng)自定義了一個日志記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而事件數(shù)據(jù)庫以一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組形式存在，并通過一個結(jié)構(gòu)體控制數(shù)組使其成為一個循環(huán)區(qū)域。日志記錄和控制循環(huán)區(qū)域的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)格式如下：

    struct log {
    unsigned char tp；  //說明日志文件類型
    unsigned char action；  //說明操作類型
    unsigned long time；  //說明操作時間
    unsigned long ip；  //說明操作地點
    long backup；  //供擴展用
    }

    日志記錄是整個模塊中最占用存儲器的部分，為了盡量減少占用存儲區(qū)域，各個字段都做了優(yōu)化處理。在時間上并不采用傳統(tǒng)標準的年/月/日/時/分/秒表示，而是以一個無符號的長整型表示時間差來計算時間。這樣不僅節(jié)省了存儲空間，還簡化了檢測過程中時間差計算的復雜度。具體操作類型通過char tp與char action確定，用每一個bit位表示一個操作，這樣可以表示64個具體操作類型。

    struct logchain {
    struct log*  start；  //緩存區(qū)開始的地址
    struct log*  end；  //緩存區(qū)結(jié)束的地址
    unsigned short lpoint//上次入侵檢測提取的最后一條記錄
    unsigned short  ttsize//整個緩存區(qū)的大小
    unsigned short  entries//目前被占用的記錄數(shù)目
    unsigned short  curpoint//指向當前可以寫入的緩存區(qū)點
    }

    上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將控制整個事件數(shù)據(jù)庫日志的存儲管理。事件數(shù)據(jù)庫以一個循環(huán)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組表示，可以避免數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的溢出。

    整個入侵檢測模塊主要有以下幾個功能函數(shù)。為了保證通用性，所有函數(shù)都是以標準C語言編寫。

    (1)入侵檢測模塊的啟動：unsigned char audit_init(void)。該功能函數(shù)將完成事件數(shù)據(jù)庫存儲區(qū)域的初始化、消息隊列的初始化和常駐任務的建立。

    (2)常駐任務：void audittrail_thread(void*arg)。當系統(tǒng)啟動入侵檢測服務后，該任務將作為常駐任務運行在系統(tǒng)中。常駐任務是接收事件產(chǎn)生器發(fā)送的消息，經(jīng)格式化處理保存在事件數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)事件數(shù)據(jù)庫的情況觸發(fā)事件分析器。

    (3)檢測函數(shù)

    密碼猜測攻擊：void check_countguess(void)
    異常操作行為：void check_abnormalaction(void)
    資源訪問情況：void check_resoucestatus(void)
    這三個功能函數(shù)用來分析用戶登錄日志記錄，檢測是否存在惡意攻擊。

    (4)響應單元主函數(shù)：void response_main(unsigned char alarm)。該函數(shù)根據(jù)分析器得出的警告，調(diào)用響應策略庫中的相關(guān)策略，實施保護或者反擊措施。

    本文提出的基于改進的μC/OS-II入侵檢測模塊的設(shè)計已基本實現(xiàn)。并且，作者修改了本實驗室已實現(xiàn)的智能脫扣器項目的軟件，并把它加載到修改后的嵌入式操作系統(tǒng)上進行初步測試。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)的實時性和安全性均能滿足要求。在本論文的基礎(chǔ)上，作者將對入侵檢測的策略進行進一步改進和擴充，增強其穩(wěn)定性和實時性，以使其能更適應實際的電力應用領(lǐng)域。