基于聚类分析的可信网络管理模型

谢洪安　李栋　苏旸　杨凯

摘要：

针对可信网络中动态信任模型对终端用户行为信任评估有效性问题，提出一种新的基于聚类分析的可信网络管理模型。该模型在传统信任模型的基础上引入聚类分析方法，从行为预期的角度研究用户的行为信任。通过对用户的历史行为数据进行聚类分析以构建行为预期，并利用行为预期评估用户行为，最后以信任评估结果为依据实现对网络中的用户的管理。实验表明该模型可以对长期接入的正常用户产生稳定的信任评估结果，同时迅速发现并隔离恶意用户，对可信用户与不可信用户有较高的区分度，与传统的信任模型相比具有更高的准确度及效率，达到了提高网络可信性的目的。

关键词：

可信网络；聚类分析；信任评估；网络管理；信任模型

中图分类号：

TP309

文献标志码：A

Abstract：

To improve the availability of dynamic trust model in trusted network， a trusted network management model that based on clustering analysis was built. Behavior expectations were used to describe the user's trusts and built through clustering analysis on the history of user's behavior data， which used to evaluate users behaviors. Finally the trust evaluation results were utilized to realize the network user management. According to the experimental results， this model can generate trust evaluation results firmly， detect the malicious users rapidly and isolate it， it was more accurate and available than tradition model， basically achieved the purpose of improving network reliability.

To improve the availability of dynamic trust model in trusted network， a trusted network management model based on clustering analysis was built. Behavior expectations were used to describe the trust of user behavior by introducing clustering analysis to the traditional trust model. Clustering analysis of the users historical data was used to build behavior expection model， which was used to evaluate users behaviors. Finally the trust evaluation results were utilized to realize the network user management. The experimental results show that the proposed model can generate trust evaluation results firmly， detect and isolate the malicious users rapidly， it has better accuracy and efficiency than traditional model， basically improving the network reliability.

英文關键词Key words：

trusted network； clustering analysis； trust evaluation； network management； trust model

0引言

随着用户对网络安全需求的提升，提高网络环境的可信性成为一种迫切需求。因为信任具有不确定性、不对称性、部分传递性、异步性、上下文独立性等一系列复杂的动态属性[1]，又由于网络结构本身的复杂性，导致构建可信网络的困难性 [2]， 所以可信计算组织（Trusted Computing Group， TCG） 提出了可信网络连接框架（Trusted Network Connection TNC）建立可信网络连接[3]。TNC通过建立一系列的标准接口（IFPEP、IFT等）定义了一个公开标准，对将要接入可信网络的终端用户进行身份认证及完整性度量，验证其安全策略，以确定终端是否可以被允许访问网络，确保任何访问网络的终端具有符合安全策略的安全配置[4]。TNC仅解决了终端用户的可信接入问题，但对接入后的终端管理存在不足，部分学者提出建立信任模型来解决这个问题，建立描述网络和用户行为的可信模型，对系统整体的可信性进行评估，有效改善了TNC的局限性。

建立动态的信任模型是可信网络的一个重要问题。动态模型主要考虑用户的行为信任。动态的信任模型就是动态地收集相关的主观因素和客观证据的变化，以一种即时的方式实现对网络信任的度量、管理和决策[5]。目前许多学者针对不同网络环境下的信任模型展开研究，比较典型的有：基于模糊理论中贝叶斯理论[6] 的信任模型，主要利用贝叶斯公式计算条件概率来对信任进行描述；基于DS（Dempster/Shafer）证据理论的信任模型[7-8]，主要考虑信任的主观特性以评估目标实体的可信性、不可信性及不确定性的方法描述信任；基于行为状态关联的方法[9]；基于稳定组的方法[10]等。但以上模型适用领域有限，且仍具有一定局限性。如基于行为状态关联的模型[9]从时间以及上下文等角度评估用户信任，注重实体交互时的信任评价以及信任评估的不确定性与随机性。但传统的基于模糊逻辑建模的方法对终端用户信任描述仍不够合理全面，信任评估的可用性与准确性不足。

为解决上述问题，真实地反映用户信任，本文提出了一种新的基于聚类分析（Clustering Analysis， CA）的可信网络管理模型。模型在传统行为状态的信任模型基础上引入聚类分析方法评估用户信任，通过对终端用户的历史行为分析，发现用户的“性格特点”[5]，即行为预期，通过判断用户行为是否符合预期来决定用户的信任度，最后依据信任度管理网络中的用户。本模型强调行为信任的预期性，将用户行为的各项属性加入算法，并综合考虑正常与异常行为间的差异、当前行为与历史行为的差异作为计算信任的依据，能更有效地反映实体信任。实验表明，模型能够准确评估用户信任，快速鉴别恶意用户，对恶意行为响应迅速，能够有效依据安全策略管理网络，提高网络可信性。

1基于聚类分析的网络管理模型

1.1模型设计

传统的信任模型注重在网络中各实体相互间的信任评价，并以之作为可信评估的依据，但对终端用户行为自身的信任评估却存在不足。为研究信任对信任进行定义，当前不同组织对可信的定义各有不同，本文借鉴TCG[2]组织对可信的定义。

定义1一个实体是可信的，则这个实体行为总是符合预期的行为方式。

模型的设计思路是在状态行为关联的可信模型基础上，基于以上信任的定义设计的。模型的设计思路是：1）利用行为状态关联模型对用户行为进行描述，使模型能够正确描述用户行为特点；2）选取合适的聚类方法从用户的行为特点以及上下文中提取出用户的行为预期；3）对当前用户的行为进行评价，即用户的信任度应是其行为与对应实体的预期的行为相符的程度；4）考虑到信任随时间变化而衰减的特性，引入时间窗口机制实现信任的更新。为方便说明，将网络管理模型抽象成如图1所示。

模型主要流程包括预期构建、信任评估、信任更新以及决策判定。下面将对模型进行详细描述。

1.2预期构建

本文讨论的行为预期指的是通过分析用户已有的历史行为证据而对用户的未来行为的预测，因此本文使用知识发现（Knowledge Discovery in Database， KDD）中聚类分析的方法构建行为预期。知识发现即从已有的数据中找出特定知识的数据挖掘技术研究用户行为[11]。数据挖掘是一个高级的数据处理过程，可以从大量的、不完全的、模糊的数据集中提取出可被理解的知识。其中基于密度的算法可以根据数据集中元素的密度差异对数据集进行聚类分析，能够快速分离高密度行为集合，提取行为预期，作为用户行为信任的评价指标以及网络管理的依据。

为了构建行为预期，采用了聚类分析方法对用户行为集合B，进行计算，并提取相关知识。聚类分析（CA）又称群分析[12]，是根据“物以类聚”的方法对样品或指标进行分类的一种多元统计分析方法。经过聚类得到的簇，簇中的元素会具有很大的相似性，因此選取聚类分析方法构建用户行为预期。DBSCAN（DensityBased Spatial Clustering of Applications with Noise）是一种基于密度的聚类算法，此算法非常适合大量数据情况下的聚类分析，并且已经被广泛运用于各个领域。基于密度的聚类可以根据密度的差异分离样本中的数据，能够较好地构建用户行为预期。

本文对DBSCAN算法进行改进，使其既能够快速分离出高密度的簇类，又能够分离用户行为中具有较大偏离的“异类”。将这种“异类”作为用户行为不可信的参考，能提高用户信任评估的可靠性和稳定性。

在预期构建之前需要对用户行为进行定义，借鉴文献[9]在行为状态关联模型中对用户行为的定义，本文为了完备描述用户行为将用户行为定义如下：

定义2用户行为。

B={bi（O，S，A，R，F，）|b1，b2，…，bn}

其中：

1）实体集合 OT={o1，o2，…，on}；

2）实体状态集ST={s1，s2，…，sn}；

3）实体动作集 AT={a1，a2，…，an}；

4）实体行为状态信任熵Rij=H（si，aj）；

5）函数集F，其中：状态转移函数 Fa（sj×ai）→sk表示实体状态sj在动作ai作用下转移到新的状态sk，动作序列函数 Fs（si×A）→sj表示实体在运行一个动作序列后的状态变迁。

定义3算法参数ε，MinPts，MinDs。其中：ε表示聚类半径，MinPts表示密度阈值，MinDs表示最小偏移距离。

聚类半径：ε

密度阈值：MinPts

最小偏移距离：MinDs

算法1对抽象的用户行为进行处理，在行为状态理论[9]基础上先计算出单个行为的信任熵R，之后通过信任熵大小，及其他参数定义用户行为距离，并将用户行为证据输入算法，实现行为预期的提取。在算法中使用到的各个参数：B为分析的数据对象即行为证据集合；半径ε以及密度阈值MinPts是簇的分类标准，通过这两个参数对簇类进行选取；N、K为算法中所使用到的临时变量。算法的输出结果为聚类得到的簇C，以及离群点集合P。算法1使用聚类的方法对用户行为数据集合进行分析，具体过程就是从集合中任意一点开始，使用函数找寻其全部ε邻近点，如果某个点的ε邻近点的个数大于事先设定的密度阈值，则认为这个点包括其ε邻近点都属于一个簇。

算法2对得到的簇进行拓展，从已得到的簇中的任意一点开始拓展这个簇，对任意一点p，寻找其ε邻近点，如果发现直到没有办法找到簇中任意一点的新的邻近点时结束算法。不断重复算法2，直到整个算法遍历完B中全部的元素时算法完全结束后结束。

可以看出，算法对于簇的定义基于两个参数：ε和MinPts。对于任意的一点 ，所有与其距离为ε的点均是ε邻近点。如果ε邻近点的数量不少于MinPts，那么这些点（包括点 ）都是数据集的一部分，属于同一个簇，算法可以对集合中的高密度部分进行提取。因此使用上述算法对用户行为证据集合进行聚类，筛选出高密度行为簇，以此构建行为预期。算法根据密度的区别筛选出可信的行为，此外算法可以根据行为的偏差分离出离群点。离群点是“与数据集中其他数据有很大不同的数据”。分离离群点可以有效分离同用户常见行为差距过大的行为，而这些行为可以作为降低用户可信度的依据。因此参数选取合适时，使用基于密度的聚类可以快速提取出用户行为中高相似、高密度、高可信的行为数据，同时也分离了不可信、离群、可疑的行为。

通过算法1、2得到了用户行为预期集合C以及用户可疑行为集合P，将（C，P）作为用户行为预期，提交给信任评估者，评估用户行为信任。

1.3信任评估

信任评估就是验证用户实际行为集与行为预期接近程度的过程，用户在网络中的行为与预期越接近，则用户可信程度越高；反之，其可信度则越低。在实际应用中为有效管理用户信任，需要对用户的信任度进行量化，根据量化的结果对用户的信任分层分级管理，对不同级别信任度的用户分配不同级别的权限，并依据相应的安全策略进行管理。

定义4信任等级。

为实现基于信任的网络管理，对实体信任进行量化并进行分级管理。信任值Ti越高则信任等级越高，实体也越可信。信任等级如表1。

信任值使用Jaccard相似度[13]进行计算，Jaccard相似度是指在两个集合中集合A与集合B交集元素在A、B两个集合并集中所占的比例，称为两个集合的Jaccard相似系数，使用J（A，B）表示，这里只要考虑用户行为记录窗口N中，符合预期的行为数在行为窗口N中所占的比例用来表示行为的可信程度记为Jθ（A，B），基于预期（C，P）和行为窗口N的用户信任值可以写成：

Ti=Jθ（N，C）-Jθ（N，P）（1）

用户行为越接近预期，其行为的相似度越高。而行为越异常，行为与预期相似度也越低，因此其信任度就越低。这样通过比对用户行为预期与用户一段时间内的行为记录集合可以评估用户的信任度。但式（1）的缺陷在于用户近期所采取的超出预期的行为对信任的负面影响会被历史信任淡化。因此必须采取信任评估的惩罚机制，模型构造了一个近期行为的小窗口m，并以此评估用户近期行为可信度。近期的不可信行为会快速影响整体信任。因此对式（1）进行改进后得到式（2）：

Ti=Jθ（N，C）-Jθ（N，P）+Jθ（m，C）-1（2）

近期的不可信行为会迅速降低用户的信任，同时，信任的提高只能依靠长期的信任交往，实现了慢升与快降[8]的结合，对信任的评价更为合理。模型依据计算出的信任值Ti对用户进行管理，通过查询表1对Ti进行量化并依靠事先定义的安全策略进行网络管理。

1.4决策判定与信任更新

决策判定是根据信任评估对于用户行为的评估结果对用户进行决策管理的过程。信任更新是为了实现用户行为信任评估的时效性，及时更新用户行为信任值，更新信任预期，实现对于网络用户动态管理的模块。用户行为可信的基本准则[5]要求信任评估必须考虑用户行为的时间特性，即是近期用户行为的重要性与远期行为的衰减性。因此，本文引入嵌套的滑动窗口以实现信任更新与预期重构。设窗口大小为m，窗口中仅保留m条用户行为记录，作为用户的当前信任的评估样本。当出现新的行为记录，将最旧的记录删除以此实现信任的更新。当记录指针N滑过窗口将指针重置并对用户的历史行为记录库进行一次完整更新，并重构用户的行为预期，保持信任值的时效性。更新机制如图3所示。

决策判定实现了对可信用户与不可信用户的区分。根据评估得到的信任度决定是否将用户进行安全隔离，同时根据可信程度分配用户服务权限，当用户行为记录指针mp滑过事先约定的窗口m时，重新评估信任以进行信任更新。当指针Np滑过窗口N时对用户行为预期进行重构，以实现对于用户信任的动态管理。模型根据评估的信任对用户进行管理，当用户信任过低时，对用户进行隔离，保证网络的整体信任度。决策判定的过程如图4。

2.2功能测试实验

功能测试主要验证模型功能，即从正常用户中区分出恶意用户的能力，以及对正常用户实施恶意行为时迅速响应的能力。在实验参数条件下，采集各实验终端的数据进行分析，对实验终端分组进行对比实验，在终端2、4中运行木马代码，采集各终端行为数据。采集并抽象其行為数据输入模型，连续进行50次实验。

最终结果如图5所示。

图5中：横坐标为实验次数，纵坐标为用户信任评估值T。由图5的区分实验可以看出模型对用户的信任评估存在较好的区分度。善意与恶意的终端用户的信任值计算结果有明显差别，说明模型在网络环境中能够识别、区分恶意、不可信用户并将之安全隔离。分组实验本节功能测试表明对于不同系统用户都能达到良好的效果。由于感染了恶意代码的用户终端的网络行为会迥异于正常的用户，模型能够通过信任评估放大这种差别达到识别恶意用户，并将恶意终端隔离的目的。

2.3时间特性测试

本实验分为两部分：第一部分对可信用户长期接入评估系统，考察时间对信任评估的影响；第二部分考察在善意用户接入时，突发恶意行为对模型信任评估的影响。

为验证模型对用户长期接入时的信任评估情况，定时查看模型对正常接入的用户信任评估情况，实验终端的接入时长与信任度的分布如图6所示。

图6、7中：横坐标为用户接入网络中的时长，单位为h（hour）；纵坐标是对应时间点的用户信任度值，反映了数据分布趋势。实验显示：当可信用户长期接入时，用户的信任度缓慢提升，经过80h的接入后系统对信任的评估趋于稳定。同时恶意行为响应实验显示：模型对用户突然出现的恶意行为可以快速反应，当用户出现恶意行为时，模型对用户的信任评估会迅速下降，用户被迅速隔离出网络。

综合实验一、二2.2和2.3节的实验结果得出结论，模型可以通过信任评估从而区分正常用户与恶意用户，同时对正常的用户可以快速达到稳定的信任度，并对恶意行为反应迅速，能实现可以达到网络管理，提高网络安全可信的目的。

2.4性能测试实验

为了测试模型性能，实验选取传统信任模型中较有代表

性的基于DS 证据的GTET 信任模型[8]以及基于模糊理论的GIFT模型[14]计算信任值。DS证据理论与模糊理论是比较有代表性的传统信任理论，而GTET和GIFT都是较新的较有代表性的信任模型，均能够定量地描述终端信任，实现对信任的评估，因此通过对三个信任模型进行比较实验来评估终端信任，分析本模型的性能。

实验使用三种模型同时对实验终端进行信任评估，主要对信任评估的准确性进行分析，通过对大量行为样本的信任评估，计算信任评估值的标准差进行实验分析。标准差的值越小则信任评估的准确度越高。每次实验取10次信任评估结果，计算结果之间的标准差，10次实验结果的拆线如图8所示。

实验结果表明：三种模型对相同实体的信任评估准确度接近，其信任评估的准确度大约都在0.1左右，说明三种模型对于合法实体的信任评估都具有一定的准确度。其中：GIFT通过直觉模糊理论刻画实体信任的模糊特性以确定实体的信任度，采用推荐信任的方法进行信任评估，但由于推荐信任链的不确定性，一旦出现恶意用户时偏差会被放大，对恶意策略的信誉评价容易出现较大的偏差，稳定性较差；GTET的信任模型则是在证据理论的基础上通过图论的方法进行推理，对实体信任进行量化评估，借助实体信任证据消除模糊信任中的不确定性，准确性相对提高；而本文使用行为证据的方法，将用户的行为与状态关联起来，用行为预期的方式评估用户信任，虽然在少量样本及短期接入时与模糊理论的信任评估稳定性相比没有优势（如图8中实验1），但是对长期及样本足够的用户准确度明显提升，并且其准确性随样本容量增加而增加，与基于模糊方法的模型相比具有一定的优势，适合作为长期的网络用户接入管理模型。

综上，可以得出结论，本文提出的模型完成了预期功能，对善意与恶意实体间有较高的区分度，并对行为的突变有较高的敏感度，能有效评估实体信任。对比实验结果表明，本文证明模型在信任评估的准确性上较传统模型有一定的提升。

3结语

本文从行为预期的角度研究用户的信任，提出了一个新的基于聚类分析的网络管理模型。模型通过对用户历史行为证据的聚类分析从而发现其中的知识，找出用户固有的“性格特征”，作为行为预期来计算用户实际行为的可信程度并作为其信任度，通过对用户信任度进行量化分级，实现对用户信任分级的安全策略，同时将不符合信任要求的恶意用户进行安全隔离以提高网络可信度与安全性。实验结果表明，本模型可以正确评估用户的可信度，并对用户的恶意行为进行快速响应，达到了设计目的。同时与动态信任评估模型相比，对信任评估的准确度有一定的提升，能更好地实现对可信网络中用戶的实时管理。

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