隨著通信技術和電子技術的不斷發展，嵌入式系統在電力系統中得到越來越廣泛的應用，電力嵌入式系統連接Internet將成為一大發展趨勢。但是Internet是一個不確定的網絡，存在著許多安全隱患，這是一個突出的、急待解決的問題。嵌入式芯片的發展將使機器人在微型化，高智能方面優勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業領域和服務領域獲得更廣泛的應用。這些應用中，可以著重于在控制方面的應用。就遠程家電控制而言，除了開發出支持TCP/IP的嵌入式系統之外，家電產品控制協議也需要制訂和統一，這需要家電生產廠家來做。同樣的道理，所有基于網絡的遠程控制器件都需要與嵌入式系統之間實現接口，然后再由嵌入式系統來控制并通過網絡實現控制。所以，開發和探討嵌入式系統有著十分重要的意義。

目前，比較流行的嵌入式操作系統有QNX、VxWorks、Widow CE、μC/OS-II等。其中，μC/OS-II內核以穩定、簡短、源代碼公開等特性得到了人們的青睞。但μC/OS-II只是一個微內核，并沒有安全方面的設計。為了更加適合應用在電力系統中，這部分功能必須增強。μC /OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過40種不同架構上的微處理器上運行。μC/OS-II已經在世界范圍內得到廣泛應用，包括很多領域， 如手機、路由器、集線器、不間斷電源、飛行器、醫療設備及工業控制上。實際上，μC/OS-II已經通過了非常嚴格的測試，并且得到了美國航空管 理局（Federal AviatiON AdminiSTration）的認證，可以用在飛行器上。這說明μC/OS-II是穩定可靠的，可用于與人性命攸關的安全緊要（safety critical）系統。除此以外，μC/OS-II 的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護。

本文將針對電力系統的需求，基于一個改寫的μC/OS-II說明該嵌入式操作系統中入侵檢測模塊的設計與實現。

1、針對電力系統的安全威脅分析

嵌入式系統在電力系統中主要應用于數據采集和遠程監控，所以它面臨的最大威脅是數據的保密性和完整性問題。通過現有的保密技術和網絡安全措施可以基本上保證數據的安全，但并不能絕對保證。入侵檢測模塊可以認為是整個系統的最后一道防線，在系統遭受威脅或被攻擊后，可以分析攻擊行為，有效保護系統免受同樣的攻擊。入侵檢測（Intrusion Detection）是對入侵行為的檢測。它通過收集和分析網絡行為、安全日志、審計數據、其它網絡上可以獲得的信息以及計算機系統中若干關鍵點的信息，檢查網絡或系統中是否存在違反安全策略的行為和被攻擊的跡象。入侵檢測作為一種積極主動地安全防護技術，提供了對內部攻擊、外部攻擊和誤操作的實時保護，在網絡系統受到危害之前攔截和響應入侵。

　　（1） 內部人員的違規行為。通常，數據保密技術和賬戶安全管理手段，只能防止外來人員的攻擊，而對于內部人員則束手無策。若內部人員濫用權限也會使系統面臨很大的威脅。小則造成設備損壞，大則危害公共安全和經濟生產。

　　（2） 非授權用戶登錄操作。一個電力監控系統不僅可以遠程采集電力終端設備的數據，同時也可以進行設備故障診斷、實時控制等操作。

　　（3） 對系統資源的非法訪問。這里所謂的系統資源主要包括存儲器中的數據、系統的運行參數以及用于控制電力設備的硬件。當攻擊者繞過正常的操作順序獲取數據或是硬件的控制權時，系統的所有安全措施形同虛設。

通過上述分析可知，為了進一步加強系統的安全性，必須使系統具有個人行為監控、事件重建、抵御網絡攻擊和故障分析能力。

2、基于主機的入侵檢測模塊設計

2.1 檢測技術

檢測技術與自動化裝置是將自動化、電子、計算機、控制工程、信息處理、機械等多種學科、多種技術融合為一體并綜合運用的符合技術，廣泛應用于交通、電力、冶金、化工、建材等各領域自動化裝備及生產自動化過程。檢測技術與自動化裝置的研究與應用，不僅具有重要的理論意義，符合當前及今后相當長時期內我國科技發展的戰略，而且緊密結合國民經濟的實際情況，對促進企業技術進步、傳統工業技術改造和鐵路技術裝備的現代化有著重要的意義。

考慮到嵌入式系統資源的有限性，入侵檢測模塊將采用濫用檢測技術。所謂濫用檢測是直接對入侵行為進行特征化描述，建立某種或某類入侵的特征行為模式庫。如果發現當前行為與某個入侵模式一致，則表示發生了這種入侵。

2.2 框架設計

入侵檢測模塊一般分為四部分：

　　（1） 事件產生器。從環境中抽取感興趣的信息，并把信息轉化為標準格式供系統其他部件使用。

　　（2） 事件數據庫。事件數據庫保存事件日志。

　　（3） 事件分析器。分析輸入的格式化后的事件，進行真正意義上的入侵檢測，并產生新的警告。

　　（4） 響應單元。響應單元按照警告進行相應的保護，反擊入侵行為。

根據電力應用的特性和嵌入式系統的特點，對上述入侵檢測框架進行修改如下：

　　（1）事件發生器產生原始日志數據，為了避免對進程實時性造成太大的影響，先不做格式化處理。

　　（2）事件數據庫將接收的原始日志數據進行格式化處理，并進行相應的分類保存。

　　（3）事件分析器與響應單元合并，以減少對系統進程的占用。

整個入侵檢測框架如圖1所示。

圖1 入侵檢測框架圖

3 基于主機的入侵檢測模塊的實現

3.1 入侵檢測模塊的實現流程

該操作系統是一個實時操作系統，為了不影響系統的實時性，入侵檢測并不是實時處理，數據流在整個處理過程中可能并不是很流暢，所以在設計時采用消息隊列形式傳遞原始記錄。即每個事件產生器發送的消息都送到一個消息隊列中，事件數據庫在系統空閑時取出消息做統一的格式化處理，并保存到數據庫中。當日志記錄累積到一定程度時，由事件數據庫觸發事件分析器做分析檢測，經過檢測的日志記錄可以適當刪除，以保持事件數據庫接收新日志的能力。事件分析器作為整個入侵檢測模塊的核心，其程序流程如圖2所示。

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　圖2 事件分析器程序流程圖

從圖2可以看出，系統目前只檢測三種安全威脅，這是針對電力系統的威脅而確定。檢測的結果保存到威脅日志中并生成相應錯誤號，輔助響應單元完成后續操作。可以根據需求，通過修改檢測策略庫增加檢測的攻擊類型，但是為了不影響嵌入式系統的實時性，原則上只檢測必要的攻擊行為。

3.2 主要數據結構和方法

大型入侵檢測系統采用標準的日志數據結構，以方便系統之間的數據交流。但作為一個嵌入式的應用，目前并沒有做分布式架構的設計。若采用標準數據結構，則會使日志記錄的數據量大大增加，占用大量有限的存儲器空間。因此系統自定義了一個日志記錄的數據結構，而事件數據庫以一個結構體數組形式存在，并通過一個結構體控制數組使其成為一個循環區域。日志記錄和控制循環區域的結構體數據格式如下：

　　struct log {

　　unsigned char tp; //說明日志文件類型

　　unsigned char action; //說明操作類型

　　unsigned long time; //說明操作時間

　　unsigned long ip; //說明操作地點

　　long backup; //供擴展用

　　}

日志記錄是整個模塊中最占用存儲器的部分，為了盡量減少占用存儲區域，各個字段都做了優化處理。在時間上并不采用傳統標準的年/月/日/時/分/秒表示，而是以一個無符號的長整型表示時間差來計算時間。

　　struct logchain {

　　struct log* start; //緩存區開始的地址

　　struct log* end; //緩存區結束的地址

　　unsigned short lpoint//上次入侵檢測提取的最后一條記錄

　　unsigned short ttsize//整個緩存區的大小

　　unsigned short entries//目前被占用的記錄數目

　　unsigned short curpoint//指向當前可以寫入的緩存區點

　　}

上述數據結構將控制整個事件數據庫日志的存儲管理。事件數據庫以一個循環的結構體數組表示，可以避免數據緩沖區的溢出。

整個入侵檢測模塊主要有以下幾個功能函數。為了保證通用性，所有函數都是以標準C語言編寫。

（1）入侵檢測模塊的啟動：unsigned char audit_init（void）。該功能函數將完成事件數據庫存儲區域的初始化、消息隊列的初始化和常駐任務的建立。

（2）常駐任務：void audittrail_thread（void*arg）。當系統啟動入侵檢測服務后，該任務將作為常駐任務運行在系統中。常駐任務是接收事件產生器發送的消息，經格式化處理保存在事件數據庫中，并根據事件數據庫的情況觸發事件分析器。

（3）檢測函數

密碼猜測攻擊：void check_countguess（void）

異常操作行為：void check_abnormalaction（void）

資源訪問情況：void check_resoucestatus（void）

這三個功能函數用來分析用戶登錄日志記錄，檢測是否存在惡意攻擊。

（4）響應單元主函數：void response_main（unsigned char alarm）。該函數根據分析器得出的警告，調用響應策略庫中的相關策略，實施保護或者反擊措施。

本文提出的基于改進的μC/OS-II入侵檢測模塊的設計已基本實現。μC/OS-II 是一種基于優先級的搶占式多任務實時操作系統，包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步（信號量，郵箱，消息 隊列）和內存管理等功能。它可以使各個任務獨立工作，互不干涉，很容易實現準時而且無誤執行，使實時應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過程大為減化。并且，作者修改了本實驗室已實現的智能脫扣器項目的軟件，并把它加載到修改后的嵌入式操作系統上進行初步測試。測試結果表明：系統的實時性和安全性均能滿足要求。在本論文的基礎上，作者將對入侵檢測的策略進行進一步改進和擴充，增強其穩定性和實時性，以使其能更適應實際的電力應用領域。