一种边缘安全计算节点的知识库信息同步系统和方法

技术领域

[0001] 本发明属于网络隔离领域,是一种边缘安全计算节点的知识库信息同步系统方法,用于在不打破现有隔离网(如:工控生产网、军用网络等)保护条件下,对该隔离核心网络中(如:工控生产网中的制造总线网络)的安全防御设施知识库、病毒库等信息进行同步的方法。

背景技术

随着边缘计算的发展及应用,对边缘计算节点的数据安全及网络安全有了更高的要求。在隔离网的背景下,边缘计算节点自身数据库同步,尤其是安全防御知识库、病毒库等信息的同步也成为研究热点。为解决在边缘计算网络中,在隔离核心网络中内部节点知识库不能直接同步外网数据的问题,基于网络隔离技术,发明了一种稳定可靠的针对边缘安全计算节点的知识库信息同步的方法。

网络隔离技术是面对新型网络攻击手段的出现和高安全度网络对安全的特殊需求而产生的全新安全防护防范理念的网络安全技术。网络隔离技术的目标是确保把有害的攻击隔离,在可信网络之外和保证可信网络内部信息不外泄的前提下,完成网络间数据的安全交换。网络隔离的核心是物理隔离。物理隔离的一个特征,就是内网与外网永不连接,内网和外网在同一时间最多只有一个同隔离设备建立非TCP/IP协议的数据连接。相对于物理隔离这种“强隔离”技术,还存在一种“弱隔离”技术,以防火墙为代表,通过访问控制技术,及数据包过滤技术,管理数据包的转发、接收、丢弃,在保障内、外网之间通信的同时,也保护了内网的安全。

随着网络隔离技术发展至今,国内外企业、团体和个人都取得了较大的成果。鲸鱼(Whale)公司的e-GAP包括隔离服务器、数据缓存区、隔离开关等三个组件,采用了实时交换技术,功能性较强。Spearhead公司的NETGAP的隔离功能设计基于总线技术,虽然直接连接两个网络,但是具有双开关结构,可以控制网络之间链路层的连接。国内,中兴公司的X-GAP、天行网安公司TopWalkGAP、联想网域的SIS-3002等等,都是比较成熟的网络隔离产品。

此外,文献《移动应用中基于物理隔离的数据同步方法》《网络隔离环境下数据库同步技术研究及应用》探讨了在网络隔离环境下实现数据库的同步的方法:前者采用了代理服务器和代理数据库作为隔离区,首先实现代理数据库与源数据库的同步,再实现目标数据库与代理数据库的同步;后者则提出了等价SQL语句法实现隔离条件下的同步。而文献《多协议的工业网络安全隔离设备的设计与实现》针对单向隔离状态研究Oracle数据库的同步以及Modbus协议的同步的方法并验证了两者的同步逻辑。

发明内容

针对现有的边缘安全计算节点系统数据库更新同步问题,结合当前的技术以及实际情况,提出了一种边缘安全计算节点的知识库信息同步系统和方法。由于在不同场景下,各个节点的网络安全要求不同,内外网之间存在的隔离条件也不完全相同。因此本方法应该同时考虑“强隔离”与“弱隔离”条件下,保证边缘计算节点内安全防御知识库及病毒库等安全相关的数据库的同步。在强隔离条件下,主要通过数据摆渡技术实现数据的安全传输;在弱隔离条件下,主要通过防火墙技术监控内外网之间的数据传输并对数据包进行筛选和过滤,保障内网的安全。

为了达到上述目标,主要采用如下的技术方案:一种边缘安全计算节点的知识库信息同步系统,包括外网节点、内网节点和设置在外网节点和内网节点之间的数据摆渡区,所述内网节点用于同步所述外网节点中的变化数据,所述数据摆渡区包括:

外部处理单元,用于监听网络服务端口,通过TCP/IP协议接收数据包,根据安全策略模块中的过滤规则检查所有接收的数据包,并分类处理各类数据包,再重构数据包,所述数据包内封装有外网知识库发送到内网数据库的同步更新数据;

数据隔离转发模块,用于隔离中转来自所述外网节点数据包;

外部处理单元,用于重构来自所述数据隔离转发模块的数据包并转发至内网节点;

安全策略模块,预存有数据过滤规则和访问控制策略;

知识库更新策略库,用于存储同步过程的数据和同步日志。

所述内网节点包括:

数据处理模块,用于从所述知识库更新策略库中获取需要更新的知识库信息;

内网知识库,用于根据所述知识库更新策略库和接收的知识库更新信息对内部进行更新。

所述外网节点包括:

外网知识库,用于提供知识库同步信息;

变化监测模块,用于定时监测内网知识库数据与外网知识库数据是否一致,如果一致,则继续监测,如果不一致,则启动同步调度模块;

同步调度模块,用于调动同步程序,读取知识库同步配置信息,过滤数据,使用TCP/IP协议将待同步数据表格打包,加密并签名信息并发送给所述外部处理单元。

所述外部处理单元包括:

数据接收端口,用于监听网络服务端口,通过TCP/IP协议接收数据包;

包过滤模块,用于根据所述安全策略模块中的过滤规则检查所有接收的数据包,并根据所述数据过滤规则将所述数据包分为三个类型,一类是强隔离环境数据包,转发至数据包分析模块;一类是弱隔离数据包,对该数据包进行身份认证,通过访问控制,转发至所述外部处理单元的数据转发端口,第三类两者都不是,直接丢弃;

数据包分析模块,用于将所述包过滤模块处理后的数据包的TCP/IP协议消息头剥离、检查数据字段的安全性、生成新的消息认证印戳,然后根据安全专用协议重构数据包。

所述数据隔离转发模块包括:

隔离区存储介质,作为中转站接收数据包或者接收专用协议格式的数据包;

隔离区开关控制模块,根据转发请求的具体内容,控制所述隔离区存储介质与所述内网节点或者所述外网节点的连接,实现接收数据和转发数据的分离。

所述内部处理单元包括:

数据包重封装模块,用于分解专用协议数据包,验证数据字段完整性,然后重构来自所述数据隔离转发模块的数据包;

数据转发端口,用于将所述数据包重封装模块重构后的数据包转发至内网节点。

所述同步过程的数据包括内网、外网、时间戳数据,用于处理冲突;所述同步日志用于记录每次数据同步的情况,包括同步时间及同步的数据概况。

所述内网节点还用于读写所述安全策略模块和知识库更新策略库,所述外网节点、外部处理单元、数据隔离转发模块和内部处理单元用于只读所述安全策略模块和知识库更新策略库。

本发明还提供一种边缘安全计算节点的知识库信息同步系统的同步方法,包括以下步骤:

S1:外网节点的变化监测模块定时感知内网知识库信息与外网知识库数据是否一致,如果一致,则继续监测,如果不一致,则启动同步调度模块;

S2:同步调度模块根据启动调度程序,读取外网节点的知识库数据配置信息;

S3:根据所述知识库数据配置信息及数据过滤规则,对外网知识库进行过滤,然后将过滤后需要进行同步的数据打包并加密签名,通过TCP/IP协议发送到外部处理单元的数据接收端口;

S4:数据接收端口持续监听网络服务端口,不断检查是否有TCP/IP连接请求,每当接收到请求时,与外网节点建立TCP/IP连接,然后接收所述外网节点发送的数据包,再将数据转发至包过滤模块;

S5:包过滤模块检查数据包的IP地址及端口、协议信息,根据数据过滤规则将所述数据包分为三个类型,一类是强隔离环境数据包,转发至数据包分析模块;一类是弱隔离数据包,对该数据包进行身份认证,通过访问控制,转发至数据转发端口,第三类两者都不是,直接丢弃;

S6:数据包分析模块接收数据包之后,首先校验数据包是否完整无误,然后检查端口号是否正确,若检验失败,则丢弃数据包,若检验成功,则分别提取TCP/IP协议的消息头部分信息及携带的数据字段;然后通过内容检查检测数据字段的安全性,查杀病毒及控制文件类型,丢弃存在安全隐患的数据;再使用MD5算法计算得到数据字段的消息摘要,然后对消息摘要进行加密得到密文;根据TCP/IP消息头获得的关键信息以及消息认证模块得到的摘要密文重新封装,遵循专用传输协议规则封装得到专用协议数据包,将所述专用协议数据包发送至隔离区存储介质;所述关键信息包括源IP地址、目标IP地址、源端口号、目标端口号、消息类型、数据字段长度和数据字段;

S7:隔离区存储介质接收到专用协议数据包后,通过隔离区开关控制断开与外网的连接,与内网建立连接,再将专用协议数据包转发至数据包重封装模块;

S8:重封装模块首先分解专用协议数据包,提取数据包头的关键信息及传输的数据字段;然后解密从专用协议分解模块获得的摘要密文,并使用MD5算法计算数据字段的消息摘要,比较验证消息是否正确无误;验证签名信息,比对信息校验和;对于验证成功的数据,根据从专用协议数据包消息头获得的关键信息,重构TCP/IP协议数据包;

S9:数据转发端口将接收的TCP/IP数据包转发至内网节点的数据处理模块;

S10:数据处理模块处理TCP/IP数据包,得到需要更新的知识库信息;

S11:根据知识库更新策略库以及接收的知识库更新表对内网知识库进行同步操作,然后将同步过程以日志的形式更新至知识库更新策略库中。

所述知识库数据配置信息包括是否可同步、同步操作、同步方法。

本发明同现有技术相比,其有益效果表现在:

一、针对强隔离和弱隔离网络条件,通过一个数据摆渡区装置,能够同时解决内网知识库的信息同步问题;

二、知识库变化监测内网更新日志信息,不需要且不必要检测内网知识库,监测过程更加简化方便,且为了监测更方便,策略库的位置在数据摆渡区,隔离区内部节点可以直接修改次策略库内容,外部节点只有查看的权限。

附图说明

1为本发明实施例的同步系统的架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细介绍。

如图1所示,本发明的系统主要包括以下部件:

外网知识库:作为知识库同步信息的提供者;

变化监测模块:监测内外网知识库数据是否一致,是否需要进行知识库同步;

同步调度模块:调动同步程序,读取外网知识库同步配置信息,过滤数据,使用TCP/IP协议将待同步数据表格打包,加密数据包并签名,签名信息包括更新信息及同步审批人员信息等,并发送数据包;

数据接收端口:监听网络服务端口,通过TCP/IP协议接收数据包;

安全策略模块:包括包过滤规则、访问控制等;

包过滤模块:根据安全策略中的过滤规则检查所有接收的数据包,并根据规则分类处理各类数据包;

数据包分析模块:包括TCP/IP协议分解模块、内容检查模块、数据认证信息生成模块以及安全专用协议封装模块,主要功能是将数据包的TCP/IP协议消息头剥离、检查数据字段的安全性、生成新的消息认证印戳,然后根据安全专用协议重构数据包;

数据隔离转发模块:包括隔离区存储介质和隔离区开关控制,前者作为中转站接收或者接收专用协议格式的数据包;后者根据转发请求的具体内容,控制存储介质与内网或者外网的连接,实现接收和转发数据两个过程的分离;

数据包重封装模块:分为安全专用协议分解模块、数据认证消息验证模块和TCP/IP协议模块,可以实现分解专用协议数据包,验证数据字段完整性,验证签名正确性,然后重构TCP/IP数据包的功能;

数据转发端口:将接收的TCP/IP数据包转发至内网;

数据处理模块:处理TCP/IP数据包,得到需要更新的知识库信息;

知识库更新策略库:包含了同步过程的数据,包括内网、外网、时间戳等数据,主要用于处理冲突;同步日志记录每次数据同步的详细情况,包括同步时间及同步的数据概况;

内网知识库:根据知识库更新策略库和接收的知识库更新信息对知识库进行更新。

外网知识库、变化监测模块以及同步调度模块是外网节点的重要部件;数据摆渡区分为外部处理单元、隔离转发区以及内部处理单元构成,外部处理单元中包含数据接收端口、安全策略、知识库更新策略库、包过滤模块以及数据包分析模块,而内部处理单元则包括数据包重新封装模块,数据转发端口。内网节点则包括了数据处理模块和内网知识库两个部分。安全策略和知识库更新策略库都会事先设置,并且随着转发的进行而更新。

在本发明中,安全专用协议根据转发需求设计,只在隔离传输过程中使用。在保证隔离区硬件转发过程安全可靠的情况下,除了传输的数据字段外,至少需要包括源IP、目的IP、源端口、目的端口、数据长度和数据段认证信息。

基于上述边缘安全计算节点知识库信息同步方法,实现内、外网数据同步的关键点在于运用网络隔离技术实现数据的安全传输,实现的步骤主要有:

S1:外网节点的变化监测模块定时感知内网知识库信息与外网知识库数据是否一致,如果一致,则继续监测,如果不一致,则启动同步调度模块;

S2:同步调度模块根据启动调度程序,读取外网节点的知识库数据配置信息;

S3:根据所述知识库数据配置信息及数据过滤规则,对外网知识库进行过滤,然后将过滤后需要进行同步的数据打包,并加密签名,通过TCP/IP协议发送到外部处理单元的数据接收端口;

S4:数据接收端口持续监听网络服务端口,不断检查是否有TCP/IP连接请求,每当接收到请求时,与外网节点建立TCP/IP连接,然后接收所述外网节点发送的数据包,再将数据转发至包过滤模块;

S5:包过滤模块检查数据包的IP地址及端口、协议信息,根据数据过滤规则将所述数据包分为三个类型,一类是强隔离环境数据包,转发至数据包分析模块;一类是弱隔离数据包,对该数据包进行身份认证,通过访问控制,转发至数据转发端口,第三类两者都不是,直接丢弃;

S6:数据包分析模块接收数据包之后,首先校验数据包是否完整无误,然后检查端口号是否正确,若检验失败,则丢弃数据包,若检验成功,则分别提取TCP/IP协议的消息头部分信息及携带的数据字段;然后通过内容检查检测数据字段的安全性,查杀病毒及控制文件类型,丢弃存在安全隐患的数据;再使用MD5算法计算得到数据字段的消息摘要,然后对消息摘要进行加密得到密文;验证签名信息是否正确,若不正确则记录异常,若正确则进行下述步骤。根据TCP/IP消息头获得的关键信息以及消息认证模块得到的摘要密文重新封装,遵循专用传输协议规则封装得到专用协议数据包,将所述专用协议数据包发送至隔离区存储介质;所述关键信息包括源IP地址、目标IP地址、源端口号、目标端口号、消息类型、数据字段长度和数据字段;

S7:隔离区存储介质接收到专用协议数据包后,通过隔离区开关控制断开与外网的连接,与内网建立连接,再将专用协议数据包转发至数据包重封装模块;

S8:重封装模块首先分解专用协议数据包,提取数据包头的关键信息及传输的数据字段;然后解密从专用协议分解模块获得的摘要密文,并使用MD5算法计算数据字段的消息摘要,比较验证消息是否正确无误;验证签名信息是否符合;对于验证成功的数据,根据从专用协议数据包消息头获得的关键信息,重构TCP/IP协议数据包;

S9:数据转发端口将接收的TCP/IP数据包转发至内网节点的数据处理模块;

S10:数据处理模块处理TCP/IP数据包,得到需要更新的知识库信息;

S11:根据知识库更新策略库以及接收的知识库更新表对内网知识库进行同步操作,然后将同步过程以日志的形式更新至知识库更新策略库中。

下面介绍本方法的具体实施方式:

一、系统部署:在进行知识库同步之前,首先需要搭建各个部分必须的各部分模块;此外,在外网中知识库中包括漏洞库、补丁库等,同时也配备了知识库变化监测、同步调度程序,需要事先规定更新方法及策略。数据摆渡区中,事先将过滤规则及访问控制策略输入安全策略模块,设计合适的安全专用协议用于隔离硬件传输,数据接收模块内的网络监听端口保持监听状态。内网节点中知识库更新策略库也需要事先设定。初始化步骤如下所示:

1、启动知识库变化检测程序,定时启动程序,检查内网知识库日志的更新情况;

2、隔离区外部处理单元监听端口,时刻检测是否有TCP/IP连接请求;

3、内网节点数据处理模块监听端口,不断检测是否有TCP/IP连接请求;

然后等到变化检测程序检测到数据变化,启动整个同步阶段。

二、知识库同步:

1、知识库同步阶段:在进行同步时,根据接收的同步表格,添加、修改、删除等相应的处理动作,如果遇到数据冲突,根据策略库中记录的历史同步过程数据,选择修改或者保持原数据;

2、知识库更新策略库的更新:知识库同步之后,将更新过程知识库更新策略库;除初始化以外,每次同步完成后同步过程的数据(包括内网、外网、时间戳等数据),以及同步日志记录每次数据同步的详细情况(包括同步时间及同步的数据概况)都将添加到更新策略库中。

3、知识库变化检测:定时发送验证消息,查询知识库更新日志,且与本地知识库更新日志比对,根据比较结果判断是否启动知识库同步调度;

三、安全策略库:

安全策略库的过滤规则和访问控制策略只有内网节点能够添加、更改和删除。过滤规则的形式设置为<IP,源端口,目标IP,目标端口,协议类型,处理方式>,处理方式包括两种:一种对应强隔离方法,需要转发至数据包分析模块;另一种对应弱隔离方法,将数据转发至数据处理模块。如果找不到相应的处理方式,则丢弃数据包。

四、数据摆渡区工作阶段:

1、外部处理单元监听端口接收到连接请求,建立TCP/IP连接,将后续的TCP/IP协议数据包转发至下一模块;

2、数据分析模块在接收到TCP/IP协议数据包之后,首先校验数据包,然后启动协议头剥离及关键数据提取程序,然后对数据字段进行安全测试、生成消息认证印戳,校验签名信息,最后启动专用协议封装程序重新封装数据字段;

3、数据摆渡区接收到数据分析模块的传输信好,首先控制隔离硬件与外部处理单元连接,得到所有数据包之后,再断开与外部处理单元的连接,建立与内部处理单元的连接,转发数据包;

4、接收到安全专用协议数据的数据包重封装模块,分解数据包,验证数据字段的正确性与完整性,将验证无误的数据字段重新封装成TCP/IP协议数据包,转发至内网。