縱觀21世紀數十年，網絡空間問題日益凸顯，網絡威脅層出不窮，網絡空間已成為繼陸、海、空、天外的第五主權空間，成為國家主權延伸的新疆域。美國長期以來憑借自身在信息技術領域的巨大優勢，成為了當之無愧的網絡強國。在美國稱霸網絡空間的背后，美國國防高級研究計劃局（DARPA）扮演了舉足輕重的角色。DARPA成立60多年來始終引領著前沿性、顛覆性創新技術的發展潮流，其技術研發一直備受關注。本文試圖通過DARPA近三年的預算概況，跟蹤網絡安全相關項目研發動態，分析美國網絡安全技術研發趨勢，為我國網絡安全研發提供參考。
一、預算整體概況及分析
DARPA年度“研究、開發、試驗與鑒定”（RTD&E）預算申請報告，主要對下一財年經費支出情況進行系統規劃，對項目的研究內容、預算金額、工作進展、重點規劃等情況加以闡述。項目領域涵蓋信息技術、生物技術、材料技術及航天技術等。
保持穩定的技術基礎投資，是美國《國防科技戰略》明確提出的要求。DARPA資金一直保持相對穩定狀態，2014—2017年度經費基本維持在28—30億美元。特朗普上臺后，一改奧巴馬政府軍事收縮政策，連續大幅上調軍費預算，國防科研經費隨之同步增長。2018年，DARPA經費首次超過30億美元，此后呈大幅上漲趨勢。
（一）近三年預算概況
DARPA預算經費從2017年開始大幅上調，近三年（2019—2021財年）的預算經費已趨于穩定，基本維持在35億美元左右（見表1）。
2019年，DARPA預算申請同比增長8.5%。該年新增項目31個，預算申請約4.78億美元，占總預算比例約13.9%。在“電子復興計劃”的推動下，DARPA大幅提升電子領域投入，新增項目中包含11項電子領域項目，預算金額占新增項目總額的50.84%。
2020年，三個階段的預算均有不同程度增長。該年新增項目28個，預算申請約3.52億美元，占總預算比例約10%。新增項目中有21個項目啟動經費超過1000萬美元，主要分布在人工智能、生物技術及指揮控制和通信等領域。
2021年，預算申請與上一財年基本持平，項目體系安排及重點關注領域基本保持穩定。該年新增項目31個，預算申請約3.46億美元，占總預算比例約10%，規模較上一年度略減。與上一年度類似，新增項目仍分布在人工智能、指揮控制和通信等領域，重點項目研發進度加快推進。
（二）比較分析
1、從研究階段看，優化前沿技術體系布局
基礎研究是DARPA科研創新的動力源泉，一般占總預算比例為13.6%。2021年基礎研究預算占當年總預算的15%，預算增長源于新項目部署和現有項目預算增長，主要集中在人工智能、信息技術、生物技術等領域。
應用研究主要圍繞未來概念構想開展技術攻關，一般占總預算比例為41%。2021年應用研究預算較2020年略有下降，占當年總預算的38.6%，預算下降源于較多應用研究項目的完成，但該階段的網絡安全、人工智能與人機共生、生物材料與設備等項目單元預算仍較多。
先期技術開發是銜接待驗證的先進技術和軍事應用間的重要橋梁，一般占總預算比例為42%。2021年先期技術開發預算占當年總預算的44%，預算增加源于部分現有項目預算的大幅增長，涵蓋先進空天系統、太空項目和技術、混合技術等領域。
2、從項目單元看，持續拓展海陸空網領域
DARPA預算在不同研究階段下共列14個項目單元。基礎研究包括國防研究科學和基礎作戰醫學2個項目單元；應用研究包括信息與通信技術、戰術技術、電子技術、材料與生物技術、生物醫學技術和生物戰防御6個項目單元；先期技術開發包括網絡中心戰技術、先進空天系統、指揮控制和通信系統、太空項目和技術、傳感器技術和先進電子技術6個項目單元。以下對近三年不同項目單元預算進行列舉（見圖1）。
圖1 DARPA近三年項目單元預算圖
從圖1可以看出，近三年多數項目單元預算申請呈上漲或維持穩定狀態，少數項目單元預算下降。基礎研究階段，國防研究科學項目單元預算增長較快，2021年該項目單元預算同比增長10%，而基礎作戰醫學項目單元基本持平；應用研究階段，2021年受“班組X”（Squad X）、“機動部隊防護”（MFP）等項目結束影響，戰術技術項目單元預算大幅下降，信息與通信技術項目單元出現增長，其余項目單元預算基本持平。先期技術開發階段，2021年受國防部推進“全域作戰”概念影響，網絡中心戰技術項目單元漲幅接近30%，先進空天系統、太空項目和技術項目預算減少。此外，DARPA機密項目分布于指揮控制和通信系統、網絡中心戰技術及傳感器項目單元，增長幅度明顯。
3、從研究項目看，網絡安全領域逐漸受到重視
DARPA網絡安全項目主要集中于應用研究中的“信息與通信技術”項目單元。2020年預算申請將“信息與通信技術”的子項目“信息保障和可維護性”更名為“網絡安全”，2021年預算延用更名后的項目名稱。
從表2看出，近三年網絡安全項目數量呈上升趨勢，項目預算經費整體也隨之上漲。但2021年經費較上一年度同比下降，源于該年5個項目的計劃完成，包括頻譜協作挑戰賽（SC2）、布蘭代斯（Brandeis）、利用模擬域實現安全性（LADS）等。其余網絡安全的多數項目已完成初期技術研究與開發，正加速推進演示驗證和應用轉化。項目的數量及預算增長都說明DARPA高度關注網絡安全領域。
二、重點網絡安全項目分析
（一）預算內重點網絡安全項目
根據DARPA近三年的預算概況，結合項目經費預算額度及項目持續時間，本文梳理了部分網絡安全相關重點項目。（見下表）
1、大規模網絡狩獵（CHASE）
該項目將開發一種數據驅動的網絡捕獵工具，通過使用計算機自動化、高級算法跟蹤大量數據，發現隱藏在數據中的高級網絡攻擊，實現實時探測、表征和抵御網絡威脅，以解決國防部網絡和網絡存儲系統上流動數據量過大、分析能力不足的問題。
該項目啟動于2018年，預計持續四年，共分為三個階段。當前處于第一階段，側重于開發、演示和評估單個技術組件。DARPA與BAE系統公司簽訂合同，結合先進的機器學習和網絡攻擊模型，旨在通過自動檢測并消除當前無法檢測到的網絡威脅。
2、快速攻擊偵測，隔離和特征識別系統（RADICS）
該項目旨在開發在能源部門關鍵基礎設施遭受網絡攻擊時，可使美國電網恢復正常的自動化系統，恢復電力服務。該系統能夠監控異構分布式網絡、檢測需要快速評估的異常情況、隔離受損的系統元件、建立安全的應急通信網絡、描述攻擊特征以及檢測傳感器的干擾。
該項目啟動于2016年，預計持續四年，共分為三個階段。當前處于第三階段，專注于具備可擴展、高效和可部署功能的工具開發。DARPA與BAE系統公司合作構建可替代性安全應急網絡，BAE公司的技術可快速將企業IT和電力基礎設施網絡與惡意攻擊渠道隔離，在可信任的組織間建立安全應急網絡，從而恢復復雜電網的電力服務。
3、利用自主系統對抗網絡對手（HACCS）
該項目將開發安全、可靠、自主的軟件代理，測量識別被僵尸網絡感染的準確性、識別停留在網絡中設備類型的準確性以及潛在訪問向量的穩定性，并采用壓制或其他方式限制惡意軟件的操作能力，盡量減少對中立系統和基礎設施的不良影響。
該項目啟動于2017年，預計持續四年，共分為三個階段。當前處于第三階段，側重于特征化IP地址空間、制定操作準則。DARPA與Packet Forensics簽訂合同，將依據僵尸網絡感染的網絡指紋確定植入物的存在，識別網絡上存在的設備數量及類型；同時，針對已知漏洞生成非破壞性利用軟件，此類軟件可以在每個僵尸網絡上建立初始狀態，而不影響合法系統功能。
4、網絡保證系統工程（CASE）
該項目旨在開發一系列設計、分析和驗證工具，研究網絡安全技術如何以廣泛、可拓展的方式進行應用，確保網絡彈性在嵌入式計算系統的每個階段都發揮關鍵作用。網絡彈性也將成為每個防御平臺的核心屬性，并與其他非功能性屬性結合。
該項目啟動于2017年，預計持續四年，共分為三個階段。當前處于第二階段，側重于技術增強和對新型工具的測試。通用電氣公司技術研發部門（GE Research）研發網絡安全工具Verdict，融合多種現有安全工程和網絡安全指標，可對網絡安全威脅進行全面評估、提出漏洞處置建議、預測未來網絡攻擊發生的可能性，為美國關鍵軍事及工業系統網絡提供安全防護保障。
5、增強歸因（EA）
該項目旨在開發一種能夠將網絡攻擊者的惡意行為與單個運營商關聯起來，并在不損害信息來源和途徑的前提下公開披露這些行為的技術。該項目側重于研究識別惡意網絡運營商、分析其軟件工具和行為，并利用商業和公共數據源進行信息確認。
該項目啟動于2016年，預計持續54個月，共分為三個階段。該項目整體推進較為緩慢，當前處于第一階段，側重于開發網絡行為、活動跟蹤與總結的技術。2020年4月，DARPA授予CYNNOVATIVE公司項目合同，旨在開發基于人工智能技術的網絡歸因工具。
6、人機探索軟件安全（CHESS）
該項目將開發以可擴展、及時和一致的方式發現和解決所有類型漏洞的能力，通過利用自動化程序分析技術和高級人機協作融合的方式，實現在某些規模下、特定時間內發現系統漏洞。該項目代表了由人機團隊擔任高強度網絡運營的發展趨勢——將人類的洞察力與機器的計算分析速度和規模相結合。
該項目啟動于2018年，預計持續42個月，共分為三個階段。當前處于第一階段，側重于小型軟件庫的開發設計。DARPA與Galois公司簽訂合同，開發一種使用混合人機方法檢測網絡安全漏洞的工具，而該漏洞是使用傳統方法無法檢測到的。
7、主動社會工程防御（ASED）
該項目旨在尋求對社會工程攻擊（即試圖操縱用戶執行其希望的操作或泄露敏感信息的攻擊）的自動防御。該項目試圖通過建立反社會工程機器人防御社會工程攻擊，這些機器人將代表用戶對通信進行協調和匯集，并自動識別攻擊者。
該項目啟動于2017年，預計持續四年，共分為兩個階段。當前處于第一階段，側重于開發、演示和評估技術組件。DARPA授予湯森路透（THOMSON REUTERS）公司600萬美元合同，旨在開發自動檢測社會工程攻擊技術。
8、配置安全（ConSec）
該項目旨在研發能夠自動生成、部署和強化用于軍事平臺的器件和子系統的配置技術，提升商用現貨（COTS）電子元器件的可信計算能力，減少網絡攻擊的薄弱環節。
該項目啟動于2017年，預計持續42個月，共分為三個階段。當前處于第一階段，側重于系統初步開發與建模。DARPA與Perspecta公司簽訂合同，負責“攻擊面最小化”（OCCAM）系統的開發與交付，該系統將能自動生成匹配且安全的配置，同時生成可由人類識讀的相關證據，以便于把整個平臺升級到最新配置。
（二）2020年新開展網絡安全項目
根據年度預算，DARPA一般會選擇單個項目下開展專項項目研究。本文梳理了部分DARPA最新開展的網絡安全項目。
1、穩健物聯網中超大規模架構的加密技術（CHARIOT）
2020年8月，DARPA發布“穩健物聯網中超大規模架構的加密技術”項目，旨在為物聯網設備開發快速、高效、低成本、抗量子的革命性加密技術，以保護美國軍方目前使用的大量物聯網設備。這些設備不都具備加密安全性，其安全風險隨著量子計算和5G無線網絡的運用變得愈發突出。另外，由于一些物聯網設備預計將使用十年以上，軍方需要低功耗的加密解決方案。
2、大型舊版軟件的安全性驗證和性能增強（V-SPELLS）
2020年7月，DARPA發布“大型舊版軟件的安全性驗證和性能增強”項目，將為開發人員創建一種工具，旨在保證兼容的情況下通過更安全、性能更高的代碼，逐個升級美軍關鍵任務軟件，進而將先進技術引入不能重新設計或整體替換的系統。該項目有四個技術領域：自動化、迭代交互式程序理解；組合式（特定領域語言）編程、組件規范推理；驗證層扁平化和分發；演示和評估。
3、發現漏洞阻止篡改（FETT）
2020年6月，DARPA發布首個漏洞報告獎勵項目——發現漏洞阻止篡改（FETT），為“通過硬件和固件進行系統安全集成”（SSITH）項目發現可能削弱其硬件防護能力的潛在漏洞或缺陷。該項目將通過眾包安全公司Synack經審查的研究人員、人工智能和機器學習使能技術，以及其已建立的漏洞披露流程實施眾包安全活動。
（三）特點分析
近年來，DARPA開展的網絡安全項目具有如下特點：
1、主旨明確，助力網絡防御能力提升
美軍網絡長期以來依托以“愛因斯坦計劃”為代表的網絡安全解決方案，通過采用動態防御、變形網絡等先進防御技術裝備，以達到發現僵尸網絡、了解服務器的指揮控制狀態、關聯敵人對企業級網絡探測行為、警示企業級網絡面臨風險等目的，提升網絡空間防御安全威脅能力。如“大規模網絡狩獵”（CHASE）項目旨在研發開發自動化工具，檢測識別新型攻擊方法，幫助安全分析人員發現隱藏在海量數據中的高級攻擊。
2、應用廣泛，致力保障重點領域網絡安全
美國為踐行“向前防御”理念，通過一系列政策文件從法律層面引導、促進網絡安全政策的制定與發展，特別關注重點領域的網絡安全問題，包括物聯網安全、關鍵基礎設施安全、供應鏈安全等。DARPA開展一系列針對重點領域的網絡安全項目，如開展旨在為物聯網設備開發快速、高效、低成本、抗量子的加密技術的“穩健物聯網中超大規模架構的加密技術”（CHARIOT）項目；保障電力網絡安全的“快速攻擊偵測、隔離劑表征系統”（RADICS）項目；確保計算機硬件安全的“通過硬件和固件集成系統安全”（SSITH）項目等。
3、創新活躍，提升新興技術對抗能力
量子信息、5G、人工智能等新興技術不斷取得突破發展，同時也帶來了新的網絡安全威脅。一方面網絡攻擊者利用新興技術突破傳統網絡安防體系，另一方面新興技術領域安全成熟度不高也帶來新的安全隱患。為應對新興技術產生的網絡安全威脅，美國不斷加強網絡安全新興技術的研發和創新，懾止對手利用新興技術開展網絡攻擊滲透活動。
2020年，DARPA開展“開放、可編程、安全5G”（OSP-5G）項目，旨在利用可移植、開源、符合標準的5G移動網絡棧，化解5G網絡被用來開展網絡間諜和網絡戰的風險。同年，DARPA啟動“高噪聲中等規模量子優化器件”（ONISQ）項目，擬在通用容錯量子計算機取得突破之前開發出量子信息處理技術，旨在通過在解決優化挑戰中超越經典系統的性能來展示量子信息處理的定量優勢。
三、美國網絡安全領域技術發展趨勢
從DARPA近年來啟動的重要網絡安全項目來看，美國網絡安全領域技術發展呈現以下趨勢。
（一）實時響應網絡威脅，提升智能自動處理能力
網絡空間攻擊行動以接近光速傳播和實施，且能夠對特定目標造成整體性影響，這種瞬間和整體攻擊能力也成為網絡空間行為的特質。人工智能和自動化技術的發展為美國網絡空間安全帶來了新的發展機遇，成為美軍提升網絡安全能力的倍增器。基于人工智能的安全威脅檢測，可大幅縮短網絡攻擊檢測時間，根據威脅等級、種類、行為自動制定處置方案，同時實現自主學習，不斷提高防御能力。
2019年，DARPA在“人機探索網絡安全”（CHESS）項目下設立“防止漏洞利用的合并分析”（MATE）項目，開發可拓展的人機混合網絡漏洞評估工具，尋求創建自動化的程序分析技術，使非專家能夠致力于漏洞評估工作，對特定應用程序的關鍵漏洞進行檢測。2017年，DARPA開展“快速攻擊偵測，隔離和特征識別系統”（RADICS）項目，與國土安全部、能源部、國民警衛隊和電力公司開展合作，利用人工智能解決電網網絡安全問題，在電網發生網絡攻擊時實時“黑啟動”恢復。
（二）打造可信驗證體系，提升身份驗證授權管理能力
零信任建立了以數據為中心的安全模型，消除了受信任或不受信任的網絡、設備、角色或進程的概念，轉變為基于多屬性的信任級別，使身份驗證和授權策略在最低特權訪問概念下得以實現。美國基于零信任原則開展身份與訪問管理，以此降低網絡匿名性，降低網絡滲透和橫向移動的機動能力。美國防部已將零信任實施列為最高優先事項。
DARPA開展“加密驗證和評估信息安全保障”（SIEVE）項目，旨在通過研發零知識證明技術實現復雜軍事應用中的加密技術，進而增強軍方信息安全和可信計算能力。該項目有三個技術領域：構建零知識語句、構建零知識證明生成編譯器、后量子零知識研究。
（三）高度重視歸因能力，全面支撐網絡空間威懾戰略
美國政府高度重視網絡空間威脅歸因能力建設。特朗普任內首份《國家安全戰略》報告中強調“投入資源以支持并提升實現網絡歸因的能力，確保有能力做出快速反應”。2020年3月，美國網絡空間日光浴委員會提出的“分層網絡威懾”戰略中，實現戰略的六大支柱之一便強調“提高歸因溯源能力，重振網絡信心”。2018年以來，美國主要政策文件紛紛強調溯源歸因能力建設的重要性，成為美軍實施網絡威懾的重要依據。
2016年，DARPA開展“增強歸因”項目，旨在開發利用商業和公共數據源進行信息確認的新方法，通過分析網絡攻擊行為及其使用的軟件識別惡意網絡運營商。隨著歸因技術的發展，該項目會為網絡管控能力提供新功能，如為攻擊者的網絡行為提供標識和預警。
四、結束語
DARPA作為美國創新技術發展的引領者，其近期研究項目代表了技術發展熱點，持續關注經費投入及項目布局情況可達到對技術發展動向的實時洞察，并在此基礎上進一步分析其技術路線和方案，為我國發展提供參考和借鑒。
網絡安全正在成為影響國民經濟發展的重要因素，并且不斷向民生、政治、經濟、文化等各個層面滲透。我國在建設網絡強國的道路上首先就是要加強網絡安全，掌握關鍵核心技術至關重要。因此，我國一方面要合理布局新興技術，特別關注新興技術的交叉融合所帶來的新的安全威脅和機遇，例如人工智能與網絡安全的融合、物聯網安全以及5G安全問題等；另一方面，學習DARPA的軍民融合發展模式，在網絡安全領域加強政產學研用的協調合作，打造多維生態合作，加強網絡安全人才培養體系建設，推動網絡安全產業高端集聚發展。
