基于嵌入式系统的μC/OS-II入侵检测模块的设计

随着通信技术和电子技术的不断发展，嵌入式系统在电力系统中得到越来越广泛的应用，电力嵌入式系统连接Internet将成为一大发展趋势。但是Internet是一个不确定的网络，存在着许多安全隐患，这是一个突出的、急待解决的问题。嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。

目前，比较流行的嵌入式操作系统有QNX、VxWorks、Widow CE、μC/OS-II等。其中，μC/OS-II内核以稳定、简短、源代码公开等特性得到了人们的青睐。但μC/OS-II只是一个微内核，并没有安全方面的设计。为了更加适合应用在电力系统中，这部分功能必须增强。μC /OS-II是一个完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式实时多任务内核。μC/OS-II绝大部分的代码是用ANSI的C语言编写的，包含一小部分汇编代码，使之可供不同架构的微处理器使用。至今，从8位到64位，μC/OS-II已在超过40种不同架构上的微处理器上运行。μC/OS-II已经在世界范围内得到广泛应用，包括很多领域， 如手机、路由器、集线器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控制上。实际上，μC/OS-II已经通过了非常严格的测试，并且得到了美国航空管 理局（Federal Aviation Administration）的认证，可以用在飞行器上。这说明μC/OS-II是稳定可靠的，可用于与人性命攸关的安全紧要（safety critical）系统。除此以外，μC/OS-II 的鲜明特点就是源码公开，便于移植和维护。

本文将针对电力系统的需求，基于一个改写的μC/OS-II说明该嵌入式操作系统中入侵检测模块的设计与实现。

1、针对电力系统的安全威胁分析

嵌入式系统在电力系统中主要应用于数据采集和远程监控，所以它面临的最大威胁是数据的保密性和完整性问题。通过现有的保密技术和网络安全措施可以基本上保证数据的安全，但并不能绝对保证。入侵检测模块可以认为是整个系统的最后一道防线，在系统遭受威胁或被攻击后，可以分析攻击行为，有效保护系统免受同样的攻击。入侵检测（Intrusion Detection）是对入侵行为的检测。它通过收集和分析网络行为、安全日志、审计数据、其它网络上可以获得的信息以及计算机系统中若干关键点的信息，检查网络或系统中是否存在违反安全策略的行为和被攻击的迹象。入侵检测作为一种积极主动地安全防护技术，提供了对内部攻击、外部攻击和误操作的实时保护，在网络系统受到危害之前拦截和响应入侵。

（1） 内部人员的违规行为。通常，数据保密技术和账户安全管理手段，只能防止外来人员的攻击，而对于内部人员则束手无策。若内部人员滥用权限也会使系统面临很大的威胁。小则造成设备损坏，大则危害公共安全和经济生产。

（2） 非授权用户登录操作。一个电力监控系统不仅可以远程采集电力终端设备的数据，同时也可以进行设备故障诊断、实时控制等操作。

（3） 对系统资源的非法访问。这里所谓的系统资源主要包括存储器中的数据、系统的运行参数以及用于控制电力设备的硬件。当攻击者绕过正常的操作顺序获取数据或是硬件的控制权时，系统的所有安全措施形同虚设。

通过上述分析可知，为了进一步加强系统的安全性，必须使系统具有个人行为监控、事件重建、抵御网络攻击和故障分析能力。

2、基于主机的入侵检测模块设计

2.1 检测技术

检测技术与自动化装置是将自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多种学科、多种技术融合为一体并综合运用的符合技术，广泛应用于交通、电力、冶金、化工、建材等各领域自动化装备及生产自动化过程。检测技术与自动化装置的研究与应用，不仅具有重要的理论意义，符合当前及今后相当长时期内我国科技发展的战略，而且紧密结合国民经济的实际情况，对促进企业技术进步、传统工业技术改造和铁路技术装备的现代化有着重要的意义。

考虑到嵌入式系统资源的有限性，入侵检测模块将采用滥用检测技术。所谓滥用检测是直接对入侵行为进行特征化描述，建立某种或某类入侵的特征行为模式库。如果发现当前行为与某个入侵模式一致，则表示发生了这种入侵。

2.2 框架设计

入侵检测模块一般分为四部分：

（1） 事件产生器。从环境中抽取感兴趣的信息，并把信息转化为标准格式供系统其他部件使用。

（2） 事件数据库。事件数据库保存事件日志。

（3） 事件分析器。分析输入的格式化后的事件，进行真正意义上的入侵检测，并产生新的警告。

（4） 响应单元。响应单元按照警告进行相应的保护，反击入侵行为。

根据电力应用的特性和嵌入式系统的特点，对上述入侵检测框架进行修改如下：

（1）事件发生器产生原始日志数据，为了避免对进程实时性造成太大的影响，先不做格式化处理。

（2）事件数据库将接收的原始日志数据进行格式化处理，并进行相应的分类保存。

（3）事件分析器与响应单元合并，以减少对系统进程的占用。

整个入侵检测框架如图1所示。

3 基于主机的入侵检测模块的实现

3.1 入侵检测模块的实现流程

该操作系统是一个实时操作系统，为了不影响系统的实时性，入侵检测并不是实时处理，数据流在整个处理过程中可能并不是很流畅，所以在设计时采用消息队列形式传递原始记录。即每个事件产生器发送的消息都送到一个消息队列中，事件数据库在系统空闲时取出消息做统一的格式化处理，并保存到数据库中。当日志记录累积到一定程度时，由事件数据库触发事件分析器做分析检测，经过检测的日志记录可以适当删除，以保持事件数据库接收新日志的能力。事件分析器作为整个入侵检测模块的核心，其程序流程如图2所示。

从图2可以看出，系统目前只检测三种安全威胁，这是针对电力系统的威胁而确定。检测的结果保存到威胁日志中并生成相应错误号，辅助响应单元完成后续操作。可以根据需求，通过修改检测策略库增加检测的攻击类型，但是为了不影响嵌入式系统的实时性，原则上只检测必要的攻击行为。

3.2 主要数据结构和方法

大型入侵检测系统采用标准的日志数据结构，以方便系统之间的数据交流。但作为一个嵌入式的应用，目前并没有做分布式架构的设计。若采用标准数据结构，则会使日志记录的数据量大大增加，占用大量有限的存储器空间。因此系统自定义了一个日志记录的数据结构，而事件数据库以一个结构体数组形式存在，并通过一个结构体控制数组使其成为一个循环区域。日志记录和控制循环区域的结构体数据格式如下：

struct log {

unsigned char tp;  //说明日志文件类型

unsigned char action;  //说明操作类型

unsigned long time;  //说明操作时间

unsigned long ip;  //说明操作地点

long backup;  //供扩展用

}

日志记录是整个模块中最占用存储器的部分，为了尽量减少占用存储区域，各个字段都做了优化处理。在时间上并不采用传统标准的年/月/日/时/分/秒表示，而是以一个无符号的长整型表示时间差来计算时间。

struct logchain {

struct log*  start;  //缓存区开始的地址

struct log*  end;  //缓存区结束的地址

unsigned short lpoint//上次入侵检测提取的最后一条记录

unsigned short  ttsize//整个缓存区的大小

unsigned short  entries//目前被占用的记录数目

unsigned short  curpoint//指向当前可以写入的缓存区点

}

上述数据结构将控制整个事件数据库日志的存储管理。事件数据库以一个循环的结构体数组表示，可以避免数据缓冲区的溢出。

整个入侵检测模块主要有以下几个功能函数。为了保证通用性，所有函数都是以标准C语言编写。

（1）入侵检测模块的启动：unsigned char audit_init（void）。该功能函数将完成事件数据库存储区域的初始化、消息队列的初始化和常驻任务的建立。

（2）常驻任务：void audittrail_thread（void*arg）。当系统启动入侵检测服务后，该任务将作为常驻任务运行在系统中。常驻任务是接收事件产生器发送的消息，经格式化处理保存在事件数据库中，并根据事件数据库的情况触发事件分析器。

（3）检测函数

密码猜测攻击：void check_countguess（void）

异常操作行为：void check_abnormalaction（void）

资源访问情况：void check_resoucestatus（void）

这三个功能函数用来分析用户登录日志记录，检测是否存在恶意攻击。

（4）响应单元主函数：void response_main（unsigned char alarm）。该函数根据分析器得出的警告，调用响应策略库中的相关策略，实施保护或者反击措施。

本文提出的基于改进的μC/OS-II入侵检测模块的设计已基本实现。μC/OS-II 是一种基于优先级的抢占式多任务实时操作系统，包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步（信号量，邮箱，消息 队列）和内存管理等功能。它可以使各个任务独立工作，互不干涉，很容易实现准时而且无误执行，使实时应用程序的设计和扩展变得容易，使应用程序的设计过程大为减化。并且，作者修改了本实验室已实现的智能脱扣器项目的软件，并把它加载到修改后的嵌入式操作系统上进行初步测试。测试结果表明：系统的实时性和安全性均能满足要求。在本论文的基础上，作者将对入侵检测的策略进行进一步改进和扩充，增强其稳定性和实时性，以使其能更适应实际的电力应用领域。