車載網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化技術(shù)探討

焦文斌

（西安汽車職業(yè)大學(xué)，陜西西安,710038）

1 車載網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化技術(shù)分析

（1）科學(xué)計算機可視化技術(shù)

科學(xué)計算機可視化技術(shù)是圖形科學(xué)的新領(lǐng)域，是計算機圖形學(xué)的重要研究方向，其具體含義為將科學(xué)與工程計算等所生成的海量數(shù)據(jù)，以一般圖形學(xué)方法與原理，或計算機圖形學(xué)轉(zhuǎn)化成圖形圖像，通過直觀生動的形式呈現(xiàn)出來，既能夠促使人們發(fā)現(xiàn)以往隱藏的現(xiàn)象，又能夠提供模擬與計算的視覺交互手段。

（2）信息可視化技術(shù)

在可視化領(lǐng)域中所衍生的新分支信息可視化，在日常生活中的作用越來越凸顯。信息可視化技術(shù)的根源在于數(shù)字是數(shù)字化引發(fā)的海量信息與數(shù)據(jù)庫是因為不斷增長的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)致的。信息可視化是在研究大規(guī)模非數(shù)值型信息資源的視覺所呈現(xiàn)的跨科學(xué)領(lǐng)域，人們理解與分析數(shù)據(jù)會以軟件中的文件、程序代碼、圖形技術(shù)科學(xué)方法等為輔助。其中表格、圖形甚至文本，若是充分合理整合使用，不論靜態(tài)還是動態(tài)，都能夠促使人們理解其他形式下難以輕易發(fā)現(xiàn)的事情，可讓人們快速洞察發(fā)現(xiàn)問題，并尋找關(guān)聯(lián)性與答案。創(chuàng)建以直觀方式傳達(dá)抽象信息方式始終是信息可視化技術(shù)的重中之重。

（3）數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘可視化技術(shù)即了解交互數(shù)據(jù)挖掘算法，以可視化技術(shù)為輔助的檢查。可視化模型自模擬階段變化過程具體為數(shù)據(jù)預(yù)處理、映射、繪制、圖像處理、顯示。通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，可優(yōu)化健全數(shù)據(jù)分析性能，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方式難以發(fā)現(xiàn)的異常規(guī)律與相關(guān)信息，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可促使用戶充分了解專業(yè)數(shù)據(jù)并加以處理分析，從而提升用戶觀察力。數(shù)據(jù)可視化主流技術(shù)具體包含：基于幾何的技術(shù)（以幾何畫法或者投影方式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中所存儲的數(shù)據(jù)信息）；基于像素的技術(shù)（將各數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)值對應(yīng)于帶顏色的屏幕像素內(nèi)，針對不同數(shù)據(jù)屬性以不同窗口加以呈現(xiàn)）；基于圖標(biāo)的技術(shù)（以簡單圖標(biāo)多個不同部分表示N維數(shù)據(jù)不同屬性）；基于層次的技術(shù)（針對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的具備層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)信息，基于劃分N維數(shù)據(jù)空間為若干子空間，以層次結(jié)構(gòu)模式加以組織，然后通過圖形呈現(xiàn)出來）。

（4）安全數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化技術(shù)通過圖形圖像方式將所采集的數(shù)據(jù)信息顯示于可視化視圖內(nèi)，以人工分析、安全評估、數(shù)據(jù)交互等等，深層挖掘網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中的安全信息，以可視化呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)信息。所謂網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化技術(shù)即將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全態(tài)勢進行可視化顯示，以利于人們認(rèn)知并分析網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢。

2 車載網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化技術(shù)設(shè)計

車載網(wǎng)絡(luò)相對繁雜，不同車型都配置了不同的網(wǎng)絡(luò)分布，其中最常見的車載總線網(wǎng)絡(luò)為CAN、LIN、MOST、Flex Ray。近幾年以太網(wǎng)在汽車網(wǎng)絡(luò)中也倍受關(guān)注。當(dāng)前CAN總線于汽車控制系統(tǒng)內(nèi)依舊占據(jù)著主導(dǎo)地位，已成熟發(fā)展為通用型車載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其信息安全問題相對突出，所以針對CAN總線數(shù)據(jù)可視化技術(shù)設(shè)計加以分析。

基于車載終端對車輛正常運行時的真實CAN總線報文數(shù)據(jù)進行采集分析，由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)海量特征，以日志加以存儲，感知難度較大，因此就車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)特征，由消息頻率時序變化、消息內(nèi)容變化分布層面開展可視化分析，以期可以充分挖掘數(shù)據(jù)相似性、相關(guān)系、趨勢性等，從而為網(wǎng)絡(luò)安全檢測奠定輔助性決策基礎(chǔ)。圖形與交互功能則通過d3+Java Script研發(fā)并實現(xiàn)。

車載網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化設(shè)計的根本目的在于面向網(wǎng)絡(luò)安全檢測系統(tǒng)生成的海量數(shù)據(jù)信息進行關(guān)聯(lián)處理，并以可視化形式呈現(xiàn)此關(guān)聯(lián)結(jié)果于用戶。由邏輯框架而言，可視化設(shè)計整體框架具體如圖1所示。

圖1 車載網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化設(shè)計邏輯框架

原始數(shù)據(jù)層中的原始數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)流量檢測生成的日志，在獲取原始數(shù)據(jù)之后，需通過預(yù)處理分析，即數(shù)據(jù)識別與分析；數(shù)據(jù)庫層所存儲數(shù)據(jù)信息為處理分析之后的日志信息；數(shù)據(jù)操作層負(fù)責(zé)提取并選擇數(shù)據(jù)庫層的相關(guān)數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)邏輯層作用是分析處理數(shù)據(jù)操作層所提供數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)模型，以此為表示層呈現(xiàn)數(shù)據(jù)提供模型結(jié)構(gòu)；表示層為可視化設(shè)計的重要組成部分，通過可視化形式對處理分析后的數(shù)據(jù)信息直觀呈現(xiàn)于用戶，且提供實時交互功能。

（1）消息頻率特征可視化設(shè)計

車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中的報文類型ID具備優(yōu)先級作用，數(shù)量相對有限，除少量事件觸發(fā)報文信息之外，多數(shù)報文會定時定點發(fā)送，周期保持固定，所以總線消息數(shù)量在理論上來講始終處于穩(wěn)定態(tài)勢。但是因為網(wǎng)絡(luò)報文優(yōu)先級與網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載影響作用，在實際過程中部分報文數(shù)據(jù)頻率會出現(xiàn)一定程度的波動。消息頻率變化與發(fā)送時間之間息息相關(guān)，所以應(yīng)采取時序數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式，提取CAN總線數(shù)據(jù)報文的消息ID與接收時間信息，把報文當(dāng)作事件，以結(jié)合時間軸的散點圖開展可視化分析。

（2）消息內(nèi)容特征可視化設(shè)計

車載CAN總線報文數(shù)據(jù)域通常包含8個字節(jié)內(nèi)容，因為總線報文協(xié)議格式為商業(yè)機密，難以就報文數(shù)據(jù)實際含義加以分析評估，所以只可針對各字節(jié)報文數(shù)據(jù)值實時變化開展具體分析。需于同一時間軸上呈現(xiàn)8個字節(jié)報文內(nèi)容具體變化，同時采取多維時序數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，以此設(shè)計不同圖形呈現(xiàn)數(shù)據(jù)變化狀態(tài)，即根據(jù)字節(jié)數(shù)值呈現(xiàn)；按位呈現(xiàn)。

這兩種視圖可切實用來分析ID報文內(nèi)容變化規(guī)律，以助于網(wǎng)絡(luò)安全檢測策略構(gòu)建。在檢測發(fā)現(xiàn)報文內(nèi)容異常入侵的時候，可通過視圖明確入侵時刻與篡改后報文數(shù)值的變化。但是視圖呈現(xiàn)的內(nèi)容相對單一，如果可以結(jié)合數(shù)據(jù)分析，提取更加直接的變化特征，并將分析結(jié)果與視圖內(nèi)元素變化相結(jié)合，那么效果將更勝一籌。

（3）統(tǒng)計特征可視化設(shè)計

車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)攻擊方式各式各樣，直接影響總線網(wǎng)絡(luò)傳輸報文數(shù)量的主要是注入、重放、拒絕服務(wù)、丟棄等。總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化會對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度與性能造成阻礙，而CAN總線報文數(shù)據(jù)域主要包括關(guān)鍵控制指令與車載傳感器信息等行車狀態(tài)信息，對于報文內(nèi)容進行篡改攻擊極易引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。所以網(wǎng)絡(luò)安全管理人員需詳細(xì)審查總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，以此車載總線網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)可視化的重要作用不可忽視。車載CAN總線生成數(shù)量過大，總線內(nèi)部消息ID數(shù)量比較多，難以以簡單視圖呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局態(tài)勢，對此可進行細(xì)節(jié)表達(dá)，以數(shù)據(jù)精確定位，根據(jù)數(shù)據(jù)特征，以綜合視圖呈現(xiàn)車輛總線網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。

3 結(jié)語

本文就車載網(wǎng)絡(luò)CAN總線安全數(shù)據(jù)可視化，由數(shù)據(jù)頻率與數(shù)據(jù)內(nèi)容層面，進行了安全數(shù)據(jù)可視化設(shè)計，以便于全面分析人員迅速掌握車載網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢，并實時查看可疑消息的細(xì)節(jié)部分。未來車載網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測的主要發(fā)展趨勢為可視化技術(shù)與機器學(xué)習(xí)算法，而怎樣實現(xiàn)二者結(jié)合，以豐富完善的視覺與交互技術(shù)呈現(xiàn)海量車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，有效表達(dá)多維數(shù)據(jù)內(nèi)容變化，輔助數(shù)據(jù)挖掘與異常檢測決策，并提供入侵驗證與明確功能，將會是未來研究側(cè)重點。