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安全通論（7）——黑客篇之“戰術研究”

2016年微型機與應用第21期

楊義先，鈕心忻

北京郵電大學信息安全中心，北京 100876

摘要： 黑客的攻擊肯定是有代價的，這種代價可能是經濟代價、政治代價或時間代價。同樣，黑客想要達到的目標也可能是經濟目標、政治目標或時間目標。因此，至少可以粗略地將黑客分為經濟黑客、政治黑客和時間黑客。

關鍵詞： 黑客經濟利益

Abstract：

Key words :

　　楊義先，鈕心忻

　　（北京郵電大學信息安全中心，北京 100876）

0引言

　　如果說安全的核心是對抗，那么，在對抗的兩個主角（攻方與守方）中，攻方（黑客）又是第一主角，因為，紅客（守方）是因黑客（攻方）而誕生的。所以，很有必要對黑客，特別是他的攻擊策略，進行更深入的研究。

　　廣義地說，系統（或組織）的破壞者，都統稱為“黑客”。他（它）們以擾亂既有秩序為目的。因此，癌細胞、病菌、敵對勢力、災難、間諜等都是黑客。但是，為了聚焦，本文以常言的“網絡黑客”為主要研究對象，雖然這里的結果和研究方法其實適用于所有黑客。

　　黑客的攻擊肯定是有代價的，這種代價可能是經濟代價、政治代價或時間代價。同樣，黑客想要達到的目標也可能是經濟目標、政治目標或時間目標。因此，至少可以粗略地將黑客分為經濟黑客、政治黑客和時間黑客。

　　經濟黑客：只關注自己能否獲利，并不在乎是否傷及對方。有時，自己可以承受適當的經濟代價，但是，整體上要贏利。賠本的買賣是不做的，他們肯定不是“活雷鋒”。因此，經濟黑客的目標就是：以最小的開銷來攻擊系統，并獲得最大的收益。只要準備就緒，經濟黑客隨時可發動進攻。

　　政治黑客：不計代價，一定要傷及對方要害，甚至有時還有更明確的攻擊目標，不達目的不罷休。他們隨時精確瞄準目標，但是只在關鍵時刻才“扣動板機”。最終成敗取決于若干偶然因素，比如，目標突然移動（紅客突然出新招）、準備不充分（對紅客的防御情況了解不夠）或突然刮來一陣風（系統無意中的變化）等。

　　時間黑客：希望在最短的時間內攻破紅客的防線，而且，使被攻擊系統的恢復時間盡可能地長。

　　從純理論角度來看，其實沒必要去區分上述三種黑客。下面為了形象計，也為了量化計，我們重點考慮經濟黑客，即，黑客想以最小的經濟開銷來獲取最大的經濟利益。

1黑客的靜態描述

　　先講一個故事：我是一個“臭手”，面向墻壁射擊。雖然，我命中墻上任一特定點的概率都為零，但是，只要板機一響，我一定會命中墻上某點，而這本來是一個“概率為零”的事件。因此，“我總會命中墻上某一點”這個概率為1的事件，就可以由許多“概率為零的事件（命中墻上某一指定點）”的集合構成。

　　再將上述故事改編成“有限和”情況：我先在墻上畫滿（有限個）馬賽克格子，那么，“我總會命中某一格子”這個概率為1的事件，便可以由有限個“我命中任何指定格子”這些“概率很小，幾乎為零的事件”的集合構成。或者，更準確地說，假設墻上共有n個馬賽克格子，那么，我的槍法就可以用隨機變量X來完整地描述：如果我擊中第i(1≤i≤n)個格子的事件（記為X=i）的概率為pi，那么，p1+p2+…+pn=1。

　　現在，讓黑客代替“我”，讓（有限）系統代替那面墻。

　　安全界有一句老話，也許是重復率最高的話，“安全是相對的，不安全才是絕對的”。可是，過去大家僅將這句話當成“口頭禪”，而沒有意識到它其實是一個很重要的公理。

　　安全公理：對任何（有限）系統來說，安全都是相對的，不安全才是絕對的，即，“系統不安全，總可被黑客攻破”這個事件的概率為1。

　　根據該安全公理可知，雖然黑客命中“某一點”（攻破系統的指定部分）的概率幾乎為零，但是，黑客“擊中墻”（最終攻破系統）是肯定的，概率為1。

　　黑客可以有至少兩種方法在“墻上”畫馬賽克格子：

　　畫馬賽克格子的第一種辦法：鎖定目標，黑客從自己的安全角度出發，畫出系統的安全經絡圖［1］，然后，以每個“元誘因”（或“穴位”）為一個“馬賽克格子”。假如，系統的安全經絡圖中共有n個“元誘因”，那么，黑客的（靜態）攻擊能力就可以用隨機變量X來完整地描述：如果黑客摧毀第i(1≤i≤n)個“元誘因”，記為X=i，其概率為pi，那么，p1+p2+…+pn=1。

　　這種“元誘因馬賽克畫法”的根據是：系統出現不安全問題的充分必要條件是某個（或某些）“元誘因”不安全［1］。

　　“元誘因馬賽克”的缺點是參數體系較復雜，但是，它的優點很多，比如，可以同時適用于多目標攻擊，安全經絡可以長期積累、永遠傳承等。根據安全經絡圖可知，“安全”同時具有“波”和“粒子”的雙重性質，或者說，具有“確定性”和“概率性”兩種性質。更具體地說，任何不安全事件的“元誘因”的“確定性”更濃，而“素誘因”和“素事件”的“概率性”更濃。充分認識安全的波粒二象性，將有助于深刻理解安全的實質，有助于理解《安全通論》的研究方法和思路。

　　畫馬賽克格子的第二種辦法：經過長期準備和反復測試，黑客共掌握了全部n種可能攻破系統的方法，于是，黑客的攻擊能力可以用隨機變量X完整地描述為：當黑客用第i種方法攻破系統，記為X=i(1≤i≤n)，其概率為pi，這里，p1+p2+…+pn=1，0<pi<1(1≤i≤n)。

　　說明：能夠畫出這“第二種馬賽克格子”的黑客肯定是存在的，比如，長期以“安全檢測人員”這種紅客身份掩護著的臥底，就是這類黑客的代表。雖然，必須承認，要想建立完整的武器庫，即，掌握攻破系統的全部攻擊方法，或完整地描述上述隨機變量X，確實是非常困難的，但是，從理論上看是可行的。

　　當然，也許還有其他方法來畫“馬賽克格子”，不過它們的實質都是一樣的，即，黑客可以靜態地用一個離散隨機變量X來描述，這里X可能取值為{1，2，…，n}，概率Pr(X=i)= pi，并且p1+p2+…+pn=1。

2黑客的動態描述

　　黑客的動態行為千變萬化，首先必須清理場景，否則，根本無法下手。

　　為使相關解釋更形象，本節采用上述第一種“馬賽克格子畫法”，即，黑客是一個離散隨機變量，他攻破第i個“元誘因”（記為X=i，1≤i≤n)的概率為pi，這里，p1+p2+…+pn=1，0<pi<1，1≤i≤n。特別強調，其實下面的內容適用于包括第二種方法在內的所有“馬賽克格子畫法”。

　　任何攻擊都是有代價的，并且，如果黑客的技術已經足夠好，那么，整體上來說是“投入越多，收益越多”。

　　設黑客攻破第i個“元誘因”的“投入產出比”為di(1≤i≤n)，即，若為攻擊第i個“元誘因”黑客投入了1元錢，那么，一旦攻擊成功（其概率為pi）后，黑客將獲得di元的收入；當然，如果攻擊失敗，那么，黑客的這1塊錢就全賠了。

　　根據文獻［1］可知，任何一個“元誘因”被攻破后，系統也就被攻破了，不再安全了。因此，為了盡量避免被紅客發現，盡量少留“作案痕跡”，我們假定：在攻擊過程中，黑客只要發現有一個“元誘因”被攻破了，那么，他就立即停止本次攻擊，哪怕繼續攻破其他“元誘因”還可以獲得額外的收入，哪怕對其他“元誘因”的“攻擊投資”被浪費。

　　設黑客共有M元用于攻擊的“種子資金”，如果他把這些資金全部投入到攻擊他認為最有可能成功的某個“元誘因”（比如最大的那個pi），那么，假如黑客最終成功地攻破了第i個“元誘因”（其概率為pi），則此時黑客的資金總數就變成Mdi，但是，假如黑客攻擊失敗（其概率為1-pi），則他的資金總數就瞬間變成了零。可見，從經濟上來說，黑客的這種“孤注一擲”戰術的風險太大，不宜采用。

　　為增加抗風險能力，黑客改變戰術，將他的全部資金分成n部分，b1、b2、…、bn，其中bi是用于攻擊第i個“元誘因”的資金在總資金中所占的比例數，于是，∑ni=1bi=1，這里0≤bi≤1。如果在本次攻擊中，第i個“元誘因”首先被攻破（其概率為pi），那么，本次攻擊馬上停止，此時，黑客的總資產變為Mbidi，同時，投入到攻擊其他“元誘因”的資金都白費了。由于∑ni=1pi=1，即，肯定有某個“元誘因”會被首先攻破，所以，只要每個bi>0，那么，本次攻擊結束后，黑客的總資產肯定不會變成零，因此，其抗風險能力確實增強了。

　　我們還假定：為了躲開紅客的對抗，黑客選擇紅客不在場時才發起攻擊，比如，黑客每天晚上對目標系統進行（一次）攻擊。當然，這里還有一個暗含的假設，即，黑客每天晚上都能夠成功地把系統攻破一次，其實，這個假設也是合理的，因為，如果要經過K個晚上的艱苦攻擊才能攻破系統，那么，把這K天壓縮成“一晚”就行了。

　　單看某一天的情況，很難對黑客的攻擊戰術提出任何建議。不過，如果假定黑客連續m天晚上對目標系統進行“每日一次”的攻擊，那么，確實存在某種攻擊戰術，能使得黑客的盈利情況在某種意義上達到最佳。

　　為簡化下足標，本文對bi和b(i)交替使用，不加區別。

　　如果黑客每天晚上都對他的全部資金按相同的分配比例b=(b1,b2,…,bn)來對系統的各“元誘因”進行攻擊。那么，m個晚上之后，黑客的資產就變為：

　　 QQ圖片20161207104228.png

　　這里S(X)=b(X)d(X)，Xi是1~n之間的某個正整數，它表示在第i天晚上，被（首先）攻破的那個“元誘因”的編號，所以，X1、X2、…、Xm是獨立同分布的隨機變量，設該分布是p(x)，于是有如下定理：

　　定理1若每天晚上黑客都將其全部資金按比例b=(b1,b2,…,bn)分配，來對系統的各“元誘因”進行攻擊，那么，m天之后，黑客的資產就變為：

　　 QQ圖片20161207104231.png

　　這里 QQ圖片20161207104235.png 稱為“雙倍率”。

　　證明：由于獨立隨機變量的函數也是獨立的，所以， QQ圖片20161207104339.png 也是獨立同分布的，由弱大數定律，可得：

　　 QQ圖片20161207104342.png

　　于是， QQ圖片20161207104345.png 證畢。

　　由于黑客的資產按照2mw(b,p)的方式增長（這也是把W(b,p)稱為“雙倍率”的根據），因此，只需要尋找某種資金分配戰術b=(b1,b2,…,bn)，使得雙倍率W(b,p)最大即可。

　　定義1如果某種戰術分配b，使得雙倍率W(b,p)達到最大值W*(p)，那么，就稱該值為最優雙倍率，即：

　　 QQ圖片20161207104605.png

　　這里的最大值max是針對所有可能的滿足 QQ圖片20161207104608.png QQ圖片20161207104613.png 而取的。

　　雙倍率W(b,p)作為b的函數，在約束條件∑ni=1bi=1下，求其最大值。可以寫出如下拉格朗日乘子函數并且改變對數的基底（這不影響最大化b），則有：

　　 QQ圖片20161207104755.png

　　關于bi求導得到：

　　 QQ圖片20161207104758.png

　　為了求得最大值，令偏導數為0，從而得出：

　　 QQ圖片20161207104802.png

　　將它們帶入約束條件 QQ圖片20161207104805.png 可得到λ=-1和bi=pi。從而可知，b=p為函數J(b)的駐點。

　　定理2最優化雙倍率 QQ圖片20161207104944.png QQ圖片20161207104949.png 并且，按比例 QQ圖片20161207104952.png 分配攻擊資金的戰術進行攻擊，便可以達到該最大值。這里H(p)是描述靜態黑客的那個隨機變量的熵，即， QQ圖片20161207104955.png QQ圖片20161207104959.png

　　證明：將雙倍率W(b,p)重新改寫，使得容易看出何時取最大值：

　　 QQ圖片20161207105149.png

　　這里D(p|b)是隨機變量p和b的相對熵［7］。而當b=p時，可直接驗證上述等式成立。證畢。

　　從定理2可知：對于一個可用離散隨機變量X（Pr(X=i)= pi，并且，p1+p2+…+pn=1）來靜態描述的黑客，他的動態最佳攻擊戰術也是（p1,p2,…,pn），即，將攻擊資金按比例（p1,p2,…,pn）分配后，可得到最多的“黑產收入”。

　　下面再對定理2進行一些更細致的討論，有：

　　定理3如果攻破每個“元誘因”的投入產出比是相同的，即，各個di彼此相等，都等于a，那么此時的最優化雙倍率W*(p)=loga-H(p)，即，最佳雙倍率與熵之和為常數，并且，若按比例b*=p分配攻擊資金，那么，此種戰術的攻擊業績便可達到最大值。此時，第m天之后，黑客的財富變成 QQ圖片20161207105348.png 而且，黑客的熵若減少1比特，那么，他的財富就會翻一倍！

　　如果并不知道每個di的具體值，而只知道∑1/di=1，此時，記ri=1/di,于是，雙倍率可以重新寫為：

　　 QQ圖片20161207105358.png

　　由此可見雙倍率與相對熵之間存在著非常密切的關系。

　　由于黑客每天晚上都要攻擊系統，他一定會總結一些經驗來提高攻擊效果。更準確地說，可以假設黑客知道了攻破系統的某種邊信息Y，它也是一個隨機變量。

　　設X∈{1,2,…,n}為第X個“元誘因”，攻破它的概率為p(x)，而攻擊它的投入產出比為d(x)。設（X，Y）的聯合概率密度函數為p(x,y)。用b(x|y)≥0，∑xb(x|y)=1記為已知邊信息Y的條件下，黑客對攻擊資金的分配比例。此處b(x|y)理解為：當得知信息y的條件下，用來攻擊第x個“元誘因”的資金比例。對照前面的記號，將b(x)≥0， QQ圖片20161207105152.png QQ圖片20161207105155.png 表示為無條件下，黑客對攻擊資金的分配比例。