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(lái)越廣泛的應(yīng)用，電力嵌入式系統(tǒng)連接Internet將成為一大發(fā)展趨勢(shì)。但是Internet是一個(gè)不確定的網(wǎng)絡(luò)，存在著許多安全隱患，這是一個(gè)突出的、急待解決的問(wèn)題。因此要求嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮實(shí)時(shí)性，還必須考慮其安全性設(shè)計(jì)。

    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(jiǎn)短、源代碼公開(kāi)等特性得到了人們的青睞。但μC/OS-II只是一個(gè)微內(nèi)核，并沒(méi)有安全方面的設(shè)計(jì)。為了更加適合應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，這部分功能必須增強(qiáng)。

    本文將針對(duì)電力系統(tǒng)的需求，基于一個(gè)改寫(xiě)的μC/OS-II說(shuō)明該嵌入式操作系統(tǒng)中入侵檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1、針對(duì)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(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控，所以它面臨的最大威脅是數(shù)據(jù)(指令也認(rèn)為是一種數(shù)據(jù))的保密性和完整性問(wèn)題。通過(guò)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(duì)保證。入侵檢測(cè)模塊可以認(rèn)為是整個(gè)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(hù)系統(tǒng)免受同樣的攻擊。針對(duì)電力系統(tǒng)，可以歸納出三個(gè)主要的安全威脅，這些威脅不能通過(guò)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(duì)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(lái)人員的攻擊，而對(duì)于內(nèi)部人員則束手無(wú)策。若內(nèi)部人員濫用權(quán)限也會(huì)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(jì)生產(chǎn)。

    (2) 非授權(quán)用戶登錄操作。一個(gè)電力監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以遠(yuǎn)程采集電力終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以進(jìn)行設(shè)備故障診斷、實(shí)時(shí)控制等操作。非授權(quán)用戶通過(guò)盜取密碼等非法手段登錄嵌入式系統(tǒng)并進(jìn)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(duì)系統(tǒng)資源的非法訪問(wèn)。這里所謂的系統(tǒng)資源主要包括存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)以及用于控制電力設(shè)備的硬件。當(dāng)攻擊者繞過(guò)正常的操作順序獲取數(shù)據(jù)或是硬件的控制權(quán)時(shí)，系統(tǒng)的所有安全措施形同虛設(shè)。

    通過(guò)上述分析可知，為了進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，必須使系統(tǒng)具有個(gè)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(cè)模塊中實(shí)現(xiàn)。

2、基于主機(jī)的入侵檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

    2.1 檢測(cè)技術(shù)

    考慮到嵌入式系統(tǒng)資源的有限性，入侵檢測(cè)模塊將采用濫用檢測(cè)技術(shù)。所謂濫用檢測(cè)是直接對(duì)入侵行為進(jìn)行特征化描述，建立某種或某類入侵的特征行為模式庫(kù)。如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前行為與某個(gè)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(cè)程序的復(fù)雜度，并且大大減少審計(jì)開(kāi)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(chǔ)器空間。

    2.2 框架設(shè)計(jì)

    入侵檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)格式供系統(tǒng)其他部件使用。
    (2) 事件數(shù)據(jù)庫(kù)。事件數(shù)據(jù)庫(kù)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(jìn)行真正意義上的入侵檢測(cè)，并產(chǎn)生新的警告。
    (4) 響應(yīng)單元。響應(yīng)單元按照警告進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，反擊入侵行為。

    根據(jù)電力應(yīng)用的特性和嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)上述入侵檢測(cè)框架進(jìn)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(duì)進(jìn)程實(shí)時(shí)性造成太大的影響，先不做格式化處理。
    (2)事件數(shù)據(jù)庫(kù)將接收的原始日志數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化處理，并進(jìn)行相應(yīng)的分類保存。
    (3)事件分析器與響應(yīng)單元合并，以減少對(duì)系統(tǒng)進(jìn)程的占用。

    整個(gè)入侵檢測(cè)框架如圖1所示。

圖1 入侵檢測(cè)框架圖

3 基于主機(jī)的入侵檢測(cè)模塊的實(shí)現(xiàn)

    3.1 入侵檢測(cè)模塊的實(shí)現(xiàn)流程

    該操作系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，為了不影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，入侵檢測(cè)并不是實(shí)時(shí)處理，數(shù)據(jù)流在整個(gè)處理過(guò)程中可能并不是很流暢，所以在設(shè)計(jì)時(shí)采用消息隊(duì)列形式傳遞原始記錄。即每個(gè)事件產(chǎn)生器發(fā)送的消息都送到一個(gè)消息隊(duì)列中，事件數(shù)據(jù)庫(kù)在系統(tǒng)空閑時(shí)取出消息做統(tǒng)一的格式化處理，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)日志記錄累積到一定程度時(shí)，由事件數(shù)據(jù)庫(kù)觸發(fā)事件分析器做分析檢測(cè)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)的日志記錄可以適當(dāng)刪除，以保持事件數(shù)據(jù)庫(kù)接收新日志的能力。事件分析器作為整個(gè)入侵檢測(cè)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(cè)三種安全威脅，這是針對(duì)電力系統(tǒng)的威脅而確定。檢測(cè)的結(jié)果保存到威脅日志中并生成相應(yīng)錯(cuò)誤號(hào)，輔助響應(yīng)單元完成后續(xù)操作?？梢愿鶕?jù)需求，通過(guò)修改檢測(cè)策略庫(kù)增加檢測(cè)的攻擊類型，但是為了不影響嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，原則上只檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)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(gè)嵌入式的應(yīng)用，目前并沒(méi)有做分布式架構(gòu)的設(shè)計(jì)。若采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，則會(huì)使日志記錄的數(shù)據(jù)量大大增加，占用大量有限的存儲(chǔ)器空間。因此系統(tǒng)自定義了一個(gè)日志記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而事件數(shù)據(jù)庫(kù)以一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組形式存在，并通過(guò)一個(gè)結(jié)構(gòu)體控制數(shù)組使其成為一個(gè)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(shuō)明日志文件類型
    unsigned char action；  //說(shuō)明操作類型
    unsigned long time；  //說(shuō)明操作時(shí)間
    unsigned long ip；  //說(shuō)明操作地點(diǎn)
    long backup；  //供擴(kuò)展用
    }

    日志記錄是整個(gè)模塊中最占用存儲(chǔ)器的部分，為了盡量減少占用存儲(chǔ)區(qū)域，各個(gè)字段都做了優(yōu)化處理。在時(shí)間上并不采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的年/月/日/時(shí)/分/秒表示，而是以一個(gè)無(wú)符號(hào)的長(zhǎng)整型表示時(shí)間差來(lái)計(jì)算時(shí)間。這樣不僅節(jié)省了存儲(chǔ)空間，還簡(jiǎn)化了檢測(cè)過(guò)程中時(shí)間差計(jì)算的復(fù)雜度。具體操作類型通過(guò)char tp與char action確定，用每一個(gè)bit位表示一個(gè)操作，這樣可以表示64個(gè)具體操作類型。

    struct logchain {
    struct log*  start；  //緩存區(qū)開(kāi)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(cè)提取的最后一條記錄
    unsigned short  ttsize//整個(gè)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(dāng)前可以寫(xiě)入的緩存區(qū)點(diǎn)
    }

    上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將控制整個(gè)事件數(shù)據(jù)庫(kù)日志的存儲(chǔ)管理。事件數(shù)據(jù)庫(kù)以一個(gè)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(gè)入侵檢測(cè)模塊主要有以下幾個(gè)功能函數(shù)。為了保證通用性，所有函數(shù)都是以標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫(xiě)。

    (1)入侵檢測(cè)模塊的啟動(dòng)：unsigned char audit_init(void)。該功能函數(shù)將完成事件數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)域的初始化、消息隊(duì)列的初始化和常駐任務(wù)的建立。

    (2)常駐任務(wù)：void audittrail_thread(void*arg)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)入侵檢測(cè)服務(wù)后，該任務(wù)將作為常駐任務(wù)運(yùn)行在系統(tǒng)中。常駐任務(wù)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(kù)中，并根據(jù)事件數(shù)據(jù)庫(kù)的情況觸發(fā)事件分析器。

    (3)檢測(cè)函數(shù)

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

    (4)響應(yīng)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(yīng)策略庫(kù)中的相關(guān)策略，實(shí)施保護(hù)或者反擊措施。

    本文提出的基于改進(jìn)的μC/OS-II入侵檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)已基本實(shí)現(xiàn)。并且，作者修改了本實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)的智能脫扣器項(xiàng)目的軟件，并把它加載到修改后的嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行初步測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和安全性均能滿足要求。在本論文的基礎(chǔ)上，作者將對(duì)入侵檢測(cè)的策略進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和擴(kuò)充，增強(qiáng)其穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，以使其能更適應(yīng)實(shí)際的電力應(yīng)用領(lǐng)域。