21、安全需求引出的安全本体论探索

安全需求引出的安全本体论探索

在当今数字化时代，信息安全至关重要。安全需求引出（SRE）是确保系统安全的关键步骤，而安全本体论在其中扮演着重要角色。本文将深入探讨一种用于安全需求引出的安全本体论，包括其概念完整性、有效性、可用性等方面，并介绍相关的研究工作和未来展望。

1. 安全本体论的概念完整性

大多数用于SRE的安全本体论都包含“资产”这一概念。考虑到安全问题会影响组织的所有基础设施，还引入了其他概念及其相应的子类，如位置、组织和人员。然而，许多安全本体论虽然考虑了“威胁”概念，但大多忽略了威胁产生的“风险”及其“严重性”。只有Dritsas等人提出的本体论使用了“攻击者”概念，只有Daramola等人使用的本体论包含了“攻击方法”概念。

我们提出的安全本体论涵盖了Dritsas等人使用的“目标”概念。“安全标准”这一概念在一些本体论中缺失，但在其他一些研究中被使用。需要注意的是，不同研究对“安全需求”和“安全标准”的定义可能有所不同。总体而言，我们提出的安全本体论整合了其他安全本体论的所有概念，在完整性方面表现出色。

2. 安全本体论的有效性评估

根据Uschold和Gruninger的观点，非正式和正式问题是评估本体论的一种方式。本体论应能够使用其术语为这些问题提供可靠的答案。该本体论已应用于海事领域，目前针对特定领域的应用是通过手动将核心本体论的概念与领域概念实例化来完成的，相关的自动化工作正在进行中。

在安全需求引出过程中，需求工程师可能会遇到以下几类问题：
- 有价值资产识别 ：
- 项目范围内有哪些组织？
- 海事组织X中需要保护的资产有哪些，它们位于何处？
- 风险分析 ：
- 威胁“船舶”资产的威胁有哪些？
- 谁应对“船舶劫持”威胁负责？
- 劫持者吸引船舶的方法是什么？
- 这种威胁对船舶有哪些影响？
- 安全需求引出 ：
- 为减轻风险应考虑哪些安全需求？
- 实施这些安全需求需要哪些控制措施？
- 这些需求满足哪些安全标准？

以下是部分问题的示例及答案：
| 查询 | 部分结果 |
| — | — |
| 项目范围内有哪些组织？
Organization(?o)  sqwrl:select(?o) | 海事组织X，海事组织Y |
| 海事组织X中需要保护的资产有哪些，它们位于何处？
Has_Asset(Maritime_organizationX,?a) • Has_Location(?a,?l)  sqwrl:select(?a,?l) | 船舶、导航地图，位于驾驶台 |
| 威胁“船舶”资产的威胁有哪些？
threatens(?T,Ship)  sqwrl:select(?T) | 船舶劫持 |
| 谁应对“船舶劫持”威胁负责？
LedBy(Ship_hijacking,?A)sqwrl:select(?A) | 劫持者 |
| 劫持者吸引船舶的方法是什么？
Threat(Ship_hijacking)•Uses(Hijacker,?M)  sqwrl:select (?M) | 虚假求救信号 |
| 这种威胁对船舶有哪些影响？
Implies(Ship_hijacking,?I) sqwrl:select(?I) | 物资盗窃、人质劫持 |
| 为减轻风险应考虑哪些安全需求？
Exploits (Ship hijacking, V?) • mitigated_by(?V,?R) sqwrl:select(?r) | Req1. 每艘船舶应配备地理定位产品。
Req2. 每艘船舶应配备船上监听系统。 |

这些查询为需求工程师在安全需求引出过程中提供了指导，帮助他们更好地识别资产、分析风险和引出安全需求。

3. 安全本体论的可用性评估

为了评估核心安全本体论的可用性，进行了一项针对最终用户的受控实验。实验协议借鉴了实验设计和分析方法，通过邮件和电话联系了安全和需求工程社区的人员，排除了与该领域无关的人员。实验当天有10名参与者，平均年龄为30岁，其中3人具有ISO27000认证，3人有EBIOS风险评估方法的工业经验，4人是相关领域的博士生。

实验包括安全本体论的介绍、交互式环境的演示以及参与者的操作环节。实验结束后，参与者被要求填写问卷。问卷结果显示：
- 满意度较高 ：通过三个主要问题对本体论的可用性进行评分（1 - 5分，5分表示强烈同意，1分表示强烈不同意），结果表明大多数参与者认为安全本体论包含了安全需求引出的主要概念，有助于发现新元素，并且访问本体论的界面易于使用。
- 问题（i）：安全本体论是否包含安全需求引出的主要概念？平均得分4.3分。
- 问题（ii）：安全本体论是否有助于发现新元素（威胁、漏洞、安全需求等）？平均得分4.2分。
- 问题（iii）：访问安全本体论的界面是否易于使用？平均得分4.5分。
- 积极反馈 ：许多参与者给出了积极的定性反馈，例如有人表示在本体论中找到了风险分析方法（如EBIOS）中使用的所有概念，还有人提到本体论似乎具有主要概念和个体，但建议不断更新以应对新出现的威胁。
- 后续研究问题 ：
- 问题（iv）：核心安全本体论是否有助于构建安全模型（以Secure Tropos模型为例）？大多数参与者认为从核心安全本体论的概念过渡到Secure Tropos的概念有困难，需要更多的指导或映射规则。
- 问题（v）：安全本体论是否有助于为其他特定领域（健康、军事、银行）引出安全需求？大多数参与者不同意安全本体论本身足以满足不同特定领域的安全需求引出，认为需要与领域专家合作并参考相关文档。

4. 相关研究工作

在安全领域，已经有大量的研究致力于知识本体的构建。以下是一些相关的研究工作：
- Schumacher的“核心本体论” ：提出了一个安全本体论，但忽略了组织相关概念以及一些关键概念，如攻击方法、攻击工具、安全标准和控制措施。
- Undercoffer等人的本体论 ：用于描述计算机攻击和入侵领域，涵盖了主机、系统组件攻击、输入和后果等概念。
- Geneiatakis和Lambrinoudakis的本体论 ：针对SIP - VoIP基于服务的安全问题。
- Denker等人的本体论 ：使用DAML和后来的OWL为代理和Web服务的安全注释开发了多个本体论。
- Karyda等人的本体论 ：用于电子政务应用的安全。
- Tsoumas等人的本体论 ：使用OWL定义安全本体论，并提出了信息系统的安全框架。
- Herzog等人的本体论 ：基于资产、威胁、漏洞和对策等顶级概念构建。
- Fenz和Ekelhart的本体论 ：目标类似但试图覆盖更广泛的范围，对信息安全领域进行建模，包括组织的基础设施等非核心概念。

之前的一项调查将现有的安全本体论分为八个主要类别：理论基础、安全分类学、通用、特定、基于风险、面向Web、与需求相关和建模。这些本体论在涵盖安全方面的方式差异很大，与Blanco等人的系统评价结果一致。

综上所述，我们提出的安全本体论在概念完整性、有效性和可用性方面都有一定的优势，但构建一个真正完整的安全本体论仍然是一个具有挑战性的目标。未来的工作需要更多团队的协作，结合更多的安全专业知识来源，并不断更新和改进本体论。同时，还计划将本体论及其推理功能与现有的安全需求分析方法集成，使其更具领域特异性，并保持与最新技术版本的同步。

接下来，我们将进一步探讨如何将该安全本体论更好地应用于不同领域，以及如何解决在实际应用中遇到的问题。同时，也会深入研究如何通过自动化手段提高本体论的使用效率，为安全需求引出提供更强大的支持。

5. 安全本体论应用流程

为了更清晰地展示安全本体论在实际应用中的流程，我们可以用mermaid流程图表示：

graph LR
    A[项目启动] --> B[资产识别]
    B --> C[风险分析]
    C --> D[安全需求引出]
    D --> E[需求实施与控制]
    E --> F[效果评估]
    F --> G{是否满足安全目标}
    G -- 是 --> H[项目结束]
    G -- 否 --> B

这个流程图展示了安全本体论在项目中的应用流程，从项目启动开始，依次进行资产识别、风险分析、安全需求引出、需求实施与控制，然后进行效果评估。如果评估结果满足安全目标，则项目结束；否则，需要重新进行资产识别等步骤，形成一个闭环的安全保障过程。

6. 不同领域应用的挑战与解决方案

虽然安全本体论具有一定的通用性，但在应用于不同特定领域（如健康、军事、银行）时，仍面临一些挑战。以下是一些常见挑战及相应的解决方案：
| 挑战 | 解决方案 |
| — | — |
| 领域知识差异大 | 与领域专家合作，获取专业知识，将领域概念与本体论概念进行映射。 |
| 安全需求多样性 | 针对不同领域的特点，定制安全需求引出的规则和方法。 |
| 数据隐私和合规性 | 遵循各领域的数据隐私法规和合规要求，对本体论中的数据进行保护和处理。 |
| 实时性要求高 | 开发实时监测和更新机制，确保本体论能够及时反映领域内的安全变化。 |

通过以上解决方案，可以在一定程度上克服安全本体论在不同领域应用时的挑战，使其更好地服务于各领域的安全需求引出。

7. 未来研究方向展望

尽管目前的安全本体论已经取得了一定的成果，但仍有许多值得进一步研究的方向：
- 自动化集成 ：进一步推进本体论与现有安全需求分析方法（如Secure Tropos、KAOS等）的自动化集成，减少人工干预，提高效率。
- 领域特异性增强 ：通过与更多领域本体论的结合，使安全本体论更加适应不同领域的特点，提供更精准的安全需求引出支持。
- 实时更新机制 ：建立实时更新机制，能够自动获取新的威胁信息和安全知识，及时更新本体论中的个体和规则。
- 多团队协作 ：加强不同团队之间的协作，整合更多的安全专业知识和资源，共同构建更完善的安全本体论。
- 用户体验优化 ：持续改进本体论的交互式环境，提高用户体验，使需求工程师能够更轻松地使用本体论进行安全需求引出。

总之，安全本体论在安全需求引出中具有重要的应用价值，但仍需要不断地研究和改进，以适应不断变化的安全环境和多样化的领域需求。通过未来的研究和实践，有望构建出更加完善、高效的安全本体论，为信息系统的安全保障提供有力支持。

安全需求引出的安全本体论探索

8. 安全本体论在不同领域的具体应用案例

为了更直观地了解安全本体论在不同领域的应用效果，下面列举几个具体案例。

8.1 海事领域

在海事领域，如前文所述，安全本体论可用于识别有价值的资产（如船舶、导航地图等），分析相关风险（如船舶劫持威胁），并引出相应的安全需求（如船舶配备地理定位产品和监听系统）。通过这种方式，能够提高海事运输的安全性，降低潜在风险。

例如，某海事组织利用该安全本体论进行风险分析时，发现船舶在某些特定海域面临较高的劫持风险。基于此，该组织根据本体论引出的安全需求，为船舶配备了先进的地理定位产品和监听系统。在后续的运营中，这些措施有效地避免了多起潜在的劫持事件，保障了船舶和船员的安全。

8.2 电子政务领域

Karyda等人提出的用于电子政务应用的安全本体论，可帮助政府机构识别电子政务系统中的资产（如公民信息数据库、政务办公系统等），分析可能面临的威胁（如数据泄露、网络攻击等），并制定相应的安全需求和控制措施。

以某地方政府的电子政务系统为例，通过应用安全本体论，该系统识别出公民信息数据库是关键资产，面临着数据泄露的重大威胁。于是，系统引出了加强数据加密、访问控制等安全需求，并实施了相应的控制措施。经过一段时间的运行，系统的安全性得到了显著提升，公民信息得到了更好的保护。

8.3 信息系统领域

Tsoumas等人使用OWL定义的安全本体论，并提出的信息系统安全框架，可应用于各类信息系统的安全需求引出和管理。

例如，某企业的信息系统在引入该安全本体论后，能够更全面地识别系统中的资产和潜在威胁。通过对系统的风险分析，引出了一系列安全需求，如定期进行漏洞扫描、加强员工安全培训等。这些安全需求的实施有效地提高了企业信息系统的安全性，减少了因安全漏洞导致的损失。

9. 安全本体论与现有安全需求分析方法的集成

将安全本体论与现有安全需求分析方法（如Secure Tropos、KAOS等）集成，能够充分发挥各自的优势，提高安全需求引出的准确性和效率。以下是集成的具体步骤：

1. 需求分析方法评估 ：对现有的安全需求分析方法进行评估，了解其特点、优势和局限性。例如，Secure Tropos方法侧重于从系统的目标和参与者角度进行安全分析，而KAOS方法则更注重需求的形式化表达和验证。
2. 本体论与方法的映射 ：将安全本体论中的概念和关系与现有安全需求分析方法中的元素进行映射。例如，将本体论中的“资产”概念映射到Secure Tropos方法中的“资源”元素，将“威胁”概念映射到“风险”元素。
3. 集成框架设计 ：设计一个集成框架，将安全本体论和现有安全需求分析方法有机结合。该框架应包括数据交互接口、推理规则和可视化界面等部分，以实现两者之间的信息共享和协同工作。
4. 系统实现与测试 ：根据集成框架实现集成系统，并进行测试和验证。通过实际案例的应用，检查集成系统的功能和性能，确保其能够满足安全需求引出的要求。

通过以上步骤，可以实现安全本体论与现有安全需求分析方法的有效集成，为安全需求引出提供更强大的支持。

10. 安全本体论的更新与维护机制

为了使安全本体论能够及时反映最新的安全知识和威胁信息，需要建立有效的更新与维护机制。以下是具体的措施：

1. 数据收集与分析 ：定期收集安全领域的最新信息，包括新的威胁类型、攻击方法、安全标准等。对收集到的数据进行分析，提取有价值的信息，为本体论的更新提供依据。
2. 本体论更新规则制定 ：制定本体论更新规则，明确在什么情况下需要对本体论进行更新，以及如何更新。例如，当出现新的威胁类型时，需要在本体论中添加相应的概念和关系。
3. 自动化更新工具开发 ：开发自动化更新工具，实现本体论的自动更新。该工具可以根据预设的规则，从数据源中获取最新信息，并自动更新本体论中的相关内容。
4. 人工审核与验证 ：在自动化更新后，需要进行人工审核和验证，确保更新后的本体论的准确性和一致性。人工审核可以发现自动化更新过程中可能出现的错误，并进行修正。
5. 版本管理 ：建立本体论的版本管理系统，记录本体论的更新历史和版本信息。通过版本管理，可以方便地回溯和比较不同版本的本体论，了解其发展历程和变化情况。

通过以上更新与维护机制，可以保证安全本体论的时效性和准确性，使其更好地服务于安全需求引出。

11. 安全本体论应用效果评估指标

为了评估安全本体论在实际应用中的效果，需要建立一套科学合理的评估指标体系。以下是一些常见的评估指标：

评估指标	描述
概念完整性	评估本体论中包含的安全相关概念是否全面，是否覆盖了安全需求引出所需的主要概念。
推理准确性	检查本体论的推理功能是否准确，能否根据已知信息正确推导出新的安全知识和结论。
需求引出效率	衡量使用本体论进行安全需求引出的效率，包括所需的时间和人力成本。
安全需求满足度	评估通过本体论引出的安全需求是否能够满足实际的安全要求，是否有效地降低了系统的安全风险。
用户满意度	了解需求工程师和其他用户对本体论的满意度，包括界面易用性、功能实用性等方面。

通过对这些评估指标的监测和分析，可以及时发现安全本体论在应用过程中存在的问题，并采取相应的改进措施，提高其应用效果。

12. 安全本体论发展趋势

随着信息技术的不断发展和安全环境的日益复杂，安全本体论也将呈现出以下发展趋势：

1. 多领域融合 ：安全本体论将与更多领域的知识和技术进行融合，如人工智能、大数据、物联网等。通过这种融合，能够更好地应对复杂多变的安全威胁，提供更全面的安全保障。
2. 自动化程度提高 ：未来的安全本体论将更加注重自动化技术的应用，实现安全需求引出、风险分析和安全措施制定的自动化。这将大大提高安全工作的效率和准确性。
3. 可视化展示 ：为了使需求工程师和其他用户能够更直观地理解和使用安全本体论，可视化展示技术将得到更广泛的应用。通过可视化界面，用户可以更清晰地查看本体论的结构和内容，进行交互操作。
4. 国际标准化 ：随着全球信息化的发展，安全本体论的国际标准化将成为一个重要趋势。通过制定统一的标准和规范，能够促进安全本体论的交流和共享，提高全球信息系统的安全性。

总之，安全本体论在安全需求引出中具有广阔的应用前景和发展潜力。通过不断地研究和改进，有望构建出更加完善、高效的安全本体论，为信息系统的安全保障提供有力支持。