基于互联网的物理对象感知与分析技术

摘要

1991年物联网概念的提出掀起了互联网的一场革命，伴随而来的智能家居将人们日常生活息息相关的设备接入互联网；智能交通、智能电网、工业4.0等新技术，更是将国家关键基础设施和工业生产设备接入到互联网。越来越多的物理对象接入到互联网中，在给生产生活带来巨大变革的同时，也产生了诸多安全威胁。以APT攻击为例的诸多新型网络攻击，以社会生活中的人为突破点，将信息网络作为跳板，最终直达工业控制网络对物理对象进行破坏。
　　在此背景下，网络安全的研究范畴也突破了传统信息域，形成了信息域(Cyber)、物理域(Physical)和社会域(Social)多域融合模型下的安全研究。搜索并发现互联网中存在的物理对象，有助于了解其分布和部署情况。从“信息-物理-社会”多域融合的角度去表示物理对象，有助于全面刻画物理对象，分析可能存在的跨域攻击威胁。本文提出了互联网中物理对象感知和分析技术，主要关键技术如下：
　　1．利用常见的应用层协议和WEB页面，发现互联网中可能存在的物理对象，并对物理对象进行特征分析和内容提取。通过向公网IP中常见应用层协议的工作端口发送对应协议的握手报文，并对获取的报文中的关键字段进行提取，从而分析互联中可能存在的物理对象信息。对提供了Web页面作为访问控制接口的物理对象，通过大量的实验统计分析，提取了登录页面的结构特征。利用实验定量统计分析了各类协议返回的物理对象信息。分析了某些需要认证访问的物理对象的脆弱性，并通过实验进行了验证。
　　2．物理对象信息的多域扩展方法。在感知到物理对象存在的基础上，通过IP地址信息库、产品信息库、组织机构知识库，进一步扩展物理对象的信息；同时将获取的信息进行关键字提取，进一步利用传统搜索引擎获取更多的相关信息；最后将这些信息从信息域，扩展到物理域和社会域。
　　3．物理对象的多域融合表示模型和融合分析。将基于上述方法获取的所有关于物理对象的信息，分为信息域信息、物理域信息、社会域信息三大类，对同一物理对象从不同角度进行全面的刻画，表示了物理对象在信息网络、物理网络和社会网络中的存在形式。在此基础上，定性分析了多域融合表示模型下物理对象之间的相关关系。
　　最后利用本文的方法，开发了物理对象感知和分析系统 NetThing。将所有获取的信息结构化处理存储后提供对外的查询接口。通过实验，验证了本文方法的可行性和有效性，发现了互联网中存在的大量可感知物理对象，并进行了包括安全威胁在内的多域融合分析。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 物理对象感知技术

1.3 多域融合分析模型

1.4 课题研究内容

1.5 论文结构

第二章 基于网络协议和页面特征的物理对象发现

2.1 常用的应用层协议基础知识

2.2 基于应用层协议的端口审计算法

2.3 设备登录Web页面特征分析

2.4 实验及结果

2.5 本章总结

第三章 物理对象的多域信息扩展与融合分析

3.1 通过知识库扩展

3.2 基于传统搜索引擎的多域信息挖掘

3.3 CPS多域融合分析模型

3.4 本章总结

第四章 原型系统设计与实现

4.1 系统结构

4.2 数据库设计

4.3 系统关键问题

4.4 本章总结

第五章 结 束 语

5.1 工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果