信息时代,网络空间安全已经成为国家安全的核心组成部分,然而由于技术限制、外部压力以及互联网自身缺陷等因素,我国面临的网络安全形势不容乐观。在风谲云诡的网络环境中,传统的静态防御手段很难应对层出不穷的恶意攻击,因此出现了移动目标防御(Moving Target Defense,MTD)、拟态安全防御等主动防御思想,使用异构、动态、引入不确定性的方式来进行系统防御和增加网络攻击复杂度,旨在改变攻防双方不对等的“游戏”地位。但是目前主动防御技术仍然处于发展阶段,在理论研究和系统实现方面都存在些许不足。为抵御网络攻击,保护网络信息安全,本文以阻断攻击链第一步的网络识别阶段为目的,提出了网络协议指纹动态防御的技术概念,在综合考虑防护能力和系统性能的基础上,研究了TCP/IP协议族网络层与传输层协议指纹的动态跳变与欺骗策略,并基于x86多核软件加速平台完成了系统的设计与实现,并给出了相应的动态评估模型。论文的主要研究内容如下:1.理论研究了网络层协议指纹IP地址的最优跳变机制和传输层协议指纹的动态欺骗博弈策略。首先利用哈希链算法构建了共享的虚拟IP地址池,然后通过最优化停止问题建模确定了IP地址的最佳跳变时间,通过信号博弈模型,在充分考虑攻防双方行动的条件下选择最合适的指纹欺骗策略。2.工程实践了动态协议指纹系统的实现与部署。借助基于x86多核的高速数据处理软件矢量数据包处理(Vector Packet Processing,VPP)和6Wind的灵活性和可扩展性,在数据平面处理逻辑中引入自定义的功能节点,完成了对协议报文的监听、分类和指纹字段重写,并通过设计快慢转发、共享内存等机制对系统进行优化,有效的减少了动态化带来的开销。3.建模刻画了动态协议指纹技术的效能评估模型。使用有向图视图的方法对系统中各节点攻击表面的动态过程进行描述,并分析了过程中的动态防御成本和指纹信息收益,使用连续时间马尔可夫链(Continuous Time Markov Chain,CTMC)模型描述了整个内部网络的状态变化,量化了系统的安全指标。弥补了主动防御评估技术的不足,为防御方的策略选择提供了参考。