网络空间安全科学基础的研究前沿及发展趋势

／２０１５年第ｏ３期　■ｄｏｉ：１０　３９６９／ｊ　ｉｓｓｎ　１６７１—１１２２　２０１５　０３　００１　

●　网络空问安全科学基础的研究前沿及　

发展趋势　陈华山，皮兰，刘峰，林东岱　（中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室，北京１０００９３）　

摘要：随着信息技术的飞速发展，互联网的用途不断扩大，网络空间的安全与有效运行　已经和国家利益紧密相关，关乎着国家安全和社会稳定。然而，以往的网络安全研究往往强调　寻求应对特定威胁的解决方案，是一门典型的工程学科，网络空间中很多规律性、基础性的问　题还没有认识清楚，网络空间安全研发缺乏科学方法和理论支撑。不同于以往的工程化方法，　近两年信息安全研究界出现了发展网络空间安全科学的势头。文章介绍了网络空间安全科学基　础的研究背景，解释了网络空间安全科学的内涵，阐述了网络空间安全科学需要解决的５个关　键性困难问题，并展望了网络空间安全科学的发展趋势。　关键词：网络空间安全；科学基础；困难问题　中图分类号：ＴＰ３０９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—１１２２（２０１５）０３—０００１—０５　

中文引用格式：陈华山，皮兰，刘峰，等．网络空间安全科学基础的研究前沿及发展趋势【Ｊ】．信息网络　安全，２０１５，（３）：１－５．　英文引用格式：ＣＨＥＮ　Ｈ　Ｓ，ＰＩ　Ｌ，ＬＩＵ　ｅｔ　ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｆｒｏｎｔｉｅｒ　ａｎｄ　Ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙ［Ｊ］．　２０１５，（３）：１－５．　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｆｒｏｎｔｉｅｒ　ａｎｄ　Ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙ　ＣＨＥＮ　Ｈｕａ—ｓｈａｎ，ＰＩ　Ｌａｎ，ＬＩＵ　Ｆｅｎｇ，ＬＩＮ　Ｄｏｎｇ—ｄａｉ　（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，　Ｂｅｏｉｎｇ　１０００９３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｉｓ　ｐｌａｙｉｎｇ　ａｎ　

ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ａｃｒｏｓｓ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ．Ａ　ｔｒｕｓｔｗｏｒｔｈｙ　ｃｙｂｅｒｓｐａｃｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｃｌｏｓｅｌｙ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ａ　ｆｏｃｕｓ　ｏｆ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｏｃｉａｌ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，　ｔｈｅ　ｐａｓｔ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆｔｅｎ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｔｈｒｅａｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ｓｏｍｅｔｉｍｅｓ　ｗａｓ　ｔｅｒｍｅｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｂｕｔ　ｗｅ　ｄｏｎ’ｔ　ｈａｖｅ　ａ　ｃｌｅａｒ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　ｏｆ　ｍａｎｙ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　ｌａＷＳ　ｏｆ　ｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙ．ｔｈａｔ　ｉＳ．ｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　１ａｃｋｓ　ａ　ｆｉｒｍ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ．Ｉｎ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐａｓｔ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｒｏａｃｈ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｎｔ　ｔｗｏ　ｙｅａｒｓ，　ｗｅ　ｈａｖｅ　ｓｅｅｎ　ａ　ｇｒｏｗｉｎｇ　ｐｕｓｈ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ　ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｔｏ　ｐｒｏｍｏｔｅ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｓ　ａ　ｓｃｉｅｎｃｅ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ａ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙ，ｄｅｐｉｃｔｓ　ｔｈｅ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｃｏｎｎｏｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｆｉｖｅ　ｈａｒｄ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙ；ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｈａｒｄ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　

收稿日期：２０１５—０２—２６　基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（Ａ类）『ＸＤＡ０６０／０７０１］　作者简介：陈华山（１９９０一），男，江苏，硕士研究生，主要研究方向：网络安全；皮兰（１９８８一），女，湖南，研究实习员，硕士，主要研究　方向：安全协议；刘峰（１９８０一），男，山东，研究员，博士，主要研究方向：密码学与安全体系；林东岱（１９６４一），男，山东，研究员，博士，　

主要研究方向：密码学。　通讯作者：刘峰ｌｉｕｆｅｎ￣：＠ｉｉｅ．ａｃ　ｃｎ　２０１５年第Ｏ３期＼　１网络空间安全科学基础的研究背景　随着信息技术的高速发展，互联网已经成为商业、生　活服务、新闻媒体、社交活动等领域运行的重要手段，也　是现代生活不可或缺的组成部分。网络空间安全关系到国　家能源、银行、交通运输、国防工业及国家重要基础设施　等方面的正常运转。美国国防部管理运行着全球几十个国　家的１５０００多个网络和７百万台计算装置，其部队、情报、　人员物资的调动管理系统和指挥控制系统都高度依赖网络　空间和信息系统。确保网络空间安全对美国国家安全、社　会稳定及保持网络世界主导优势都至关重要。为此，２０１１　年美国政府颁布了《可信网络空间：联邦网络安全研发计　划战略规划》（以下简称《规划》）［１１。该规划是统筹网络空　间安全发展的纲领性文件，为美国网络空间安全的发展明　确了方向，试图引导美国网络空间安全系统的设计理念和　对抗攻击方式发生根本性的变化。　网络空间是继陆、海、空、天以外的第五作战空间和　“军事高地”，是人类活动的新领域，已经成为与经济、社　会、政治、文化相联系的纽带。但目前网络空间领域还有　很多规律性和基础性的问题缺乏足够重视和清醒认识，网　络空间安全的研发缺乏科学方法和理论支撑。因此美国政　府在《规划》中把强化网络空间安全基础研究作为重大举　措，着力构建网络空间安全的系统化知识体系，以指导网　络空间安全技术的研发与实践。加强网络空间安全科学的　基础研究将有利于把不同知识域统一成广域知识体，从而　为网络空间安全开展量化研究提供严谨的科学方法，如利　用系统化的方法表达假设、设计并实现可重复的实验等。　由于基础研究存在投资风险大、回报周期长、企业　投入意愿不强等固有问题，因此，《规划》强调基础研究　主要由政府投入。美国国家安全局（ＮＳＡ）作为美国经费　开支最大、规模最大的情报机构，过去几十年里一直引领　着整个密码学理论的发展，在信息安全领域拥有着雄厚　的科研实力和显著的优势，因而成为领导网络空间安全基　础研究的官方机构。２０１１年，ＮＳＡ颁布实施ＳｏＳ　Ｌａｂｌｅｔｓ　计划，资助卡内基梅隆大学、北卡州立大学、伊利诺伊　大学香槟分校、马里兰大学等４所高校的安全实验室从　事网络空间安全领域的相关研究，希望超越特定的解决　方案，建立一套具有较强理论和实证基础的系统化知识　体系，把网络空间安全的研究提升为一门科学（Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｖ）【２】ｎ　然而，网络空间安全到底能否成为一门科学；其科学　基础又是什么；传统科学理论和方法，如复杂性理论、动　力系统理论、形式化方法等，能否对网络空间安全科学有　所贡献；为形成网络空间安全科学领域，需要哪些步骤来　发展其中的科学探究，又面临着哪些必须解决的关键性困　难问题。本文将从以上几个方面对网络空间安全科学的基　础研究给予阐述，希望能够对我国网络空间安全的研究　与发展提供参考。　

２网络空间安全的科学概述　科学是指建立在可验证假设的基础上，对客观事物　的形式、组织等进行预测的有序的知识系统。在自然科学　中，定理、定律等被用来反映现实世界各种现象的本质规　律，如Ｅ＝ｍｃ　，ＰＶ＝ｎＲＴ。然而，科学规律的本质并不是这　些量化的数学表述本身，而是其背后所揭示的可验证的预　见性。因此，对网络空问安全科学基础的研究【３　也旨在　去寻求设计安全计算系统的基础科学规律，从而使得信　息系统不仅可以抵抗已知攻击，还能抵御未预料到的攻击。　这一科学规律应是包含攻击方式、防御手段、对应策略３　个要素的“规范”　】，通过对每个要素科学、系统地分类，　使得信息系统面临安全威胁时，系统能迅速分析和识别　出攻击方式所属类别，及时选取针对性的策略，实施对　应的有效防御。网络空间安全科学将上述“规范”作为其　理论基础，具体来说，当从更宽的视角考虑系统时，应该　将用户和破坏者都视为开放系统的必要组成部分。即，系　统的安全性并不在它的周边，而在于它本身。一个开放系　统对应于一个社会，安全性就是这个社会系统的规范，所　谓安全出了问题，就是违反了某些规范。当把规范建立在　可审计的基础上时，一旦规范被违反，系统管理员就能知　道是谁所为。　要想科学地量化上述规范，需要开发一种通用语言和　理论框架，准确地定义网络空间安全中“安全”的含义，　通过精确的公式给出问题的严谨论述，形成特定的度量标　准。精确定义的概念是科学的基本要素，虽然往往发展比　较缓慢，但实验和观测都是建立在相应概念的基础之上。