基于攻击图的信息物理融合系统渗透测试方法
第４５卷 第１１期２０１８年１１月
计算机科学COM PU T ER SCIENCE
Vol ．４５No ．１１Nov ．２０１８
到稿日期：２０１７-０９-２０ 返修日期：２０１７-１２-２３ 本文受南京林业大学高层次人才科研启动基金（GXL ０１６），南京林业大学校青年创新基金（CX ２０１６０２６），国家自然科学基金青年科学基金项目（６１７０２２８２），江苏省高等学校自然科学研究项目（１７KJB ５２００２３），南京邮电大学引进人才科研启动基金（N Y ２１７１４３）资助。
徐丙凤（１９８６－），女，博士，讲师，CCF 会员，主要研究方向为CPS 安全、软件安全；何高峰（１９８４－），男，博士，讲师，主要研究方向为CPS 安全、匿名通信，E -mail ：hegaofeng ＠njupt ．edu ．cn （通信作者）。基于攻击图的信息物理融合系统渗透测试方法
徐丙凤１
何高峰
２
（南京林业大学信息科学技术学院 南京２１００３７）１ （南京邮电大学物联网学院 南京２１０００３）
２
摘 要 信息物理融合系统（Cyber -Physical System ，CPS ）多为安全攸关系统，是网络攻击的高价值目标，需要对其进行有效的安全评估。为此，提出一种基于攻击图的信息物理融合系统渗透测试方法。首先，对传统攻击图进行改进，考虑物理攻击、攻击持续时间以及物理系统的连续变量值，提出适用于CPS 的攻击图建模技术AGC （Attack Graph for CPS ），并在图中增加攻击可行性参数以表示单步攻击的成功率；其次，基于AGC 提出最优攻击路径选择策略，包
括最小攻击代价、最短攻击时间等，并设计面向CPS 的智能渗透测试算法；最后，通过应用实例对方法的有效性进行验证。分析结果表明，该方法能够根据渗透测试目标选择最优攻击路径，并能根据实际反馈结果自动调整后续攻击步骤，有效实现CPS 的安全评估。
关键词 信息物理融合系统，安全评估，攻击图，最优攻击路径
中图法分类号 T P ３９３ 文献标识码 A ＤＯＩ １０．１１８９６／j ．issn ．１００２-１３７X ．２０１８．１１．０２１
ＰｅｎｅｔｒａｔｉｏｎＴｅｓｔｉｎｇＭｅｔｈｏｄｆｏｒＣｙｂｅｒ-ＰｈｙｓｉｃａｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＡｔｔａｃｋＧｒａｐｈ
XU Bing -feng １ HE Gao -feng ２
（College of Information Science and T echnology ，Nanjing Forestry U niversity ，Nanjing ２１００３７，China ）１（School of Internet of T hings ，Nanjing U niversity of Posts and T elecommunications ，Nanjing ２１０００３，China ）２
Ａｂｓｔｒａｃｔ As a typical example of security -related system ，cyber -p hysical system （CPS ）is the high -value target of net -work attack ．Therefore ，its security protection needs to be effectively assessed ．To this end ，a penetration testing method
for CPS based on attack graph is proposed ．Firstly ，the traditional attack graph is improved and a new attack graph for CPS （AGC ）is proposed ．Specifically ，the physical attack ，the duration of the attack and the continuous variable value of p hysical system are considered in AGC ．
Additionally ，the attack feasibility parameter is added to represent the success rate of single -step attack ．Secondly ，based on AGC ，the optimal attack path selection strategies are represented ，including the minimum attack cost ，the shortest attack time and so on ．Furthermore ，the intelligent penetration testing algorithm is designed to accomplish automated penetration ．Finally ，the effectiveness of the proposed method is verified by case study ．
The results show that the method can select the optimal attack path to the target ，intelligently adjust the subsequent at -
tack steps according to the feedback ，and assess the security of CPS effectively ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Cyber -p hysical system ，Security assessment ，Attack graph ，Optimal attack path
1 引言
信息物理融合系统是一种深度融合计算、通信与控制技术的复杂系统，被广泛应用于电力、石油石化、核能、通信、交通运输、水处理等关键基础领域。CPS 与关键基础设施相关联，多为安全攸关的系统，因此一旦被攻击成功，物理系统的运行也会被破坏，后果将不堪设想［１-２］。例如，２０１５年乌克兰电力网络遭受鱼叉式网络钓鱼（Spear Phishing ）攻击，黑客以含有恶意宏的Microsoft Office 文件为攻击载体，清空SCA -DA 系统数据，致使乌克兰西部地区约７０万居民用户停电数
小时［３］。因此，CPS 安全防护已成为国家战略安全的重要组成部分［４］，对其开展安全验证与评估研究具有重要意义。
为验证和评估CPS 的安全性，一种可行的方法是构建网络空间靶场（Cyber Range ）［５］，通过在靶场中开展真实的网络攻击和渗透测试，来发现CPS 的安全防护弱点并评估攻击所产生的后果。与基于数值计算或定性分析的CPS 安全风险评估［６-７］不同，基于网络空间靶场和渗透测试的评估方法能直观反映出攻击步骤和攻击后果，并直接暴露出CPS 的安全防护弱点，因而具备更好的实际可操作性。为此，世界各国纷纷开展相关研究。如美国从２００８年开始执行“曼哈顿计划”，建
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