郎振紅

(天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300132)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(CNNIC)于2008年7月發(fā)布的《第22次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，截至2008年6月底，僅我國(guó)網(wǎng)民數(shù)量就高達(dá) 2.53億。而且，截至2004年12月底，我國(guó)上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)總數(shù)達(dá)到4160萬(wàn)臺(tái)，從1997年到2004年，僅在七年之內(nèi)，計(jì)算機(jī)上網(wǎng)總數(shù)增長(zhǎng)了139倍。并且網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域已由最早的信息瀏覽發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)銀行、電子商務(wù)、電話會(huì)議等應(yīng)用服務(wù)。因此，隨著日益龐大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及多樣化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制受到新的挑戰(zhàn)。由于網(wǎng)絡(luò)中惡意或無(wú)意的攻擊手段變得越來(lái)越隱蔽，對(duì)系統(tǒng)的破壞威力越來(lái)越大，就目前網(wǎng)絡(luò)用戶經(jīng)常使用的防火墻、防病毒軟件、加密技術(shù)以及數(shù)字簽名技術(shù)等安全防護(hù)措施在應(yīng)用中表現(xiàn)出各自的弊端。為了彌補(bǔ)以往安全防護(hù)措施的不足，誕生了一種嶄新的安全保護(hù)機(jī)制——即網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)技術(shù)。將網(wǎng)絡(luò)安全的防護(hù)手段由消極被動(dòng)的防御變?yōu)榉e極主動(dòng)的檢測(cè)與預(yù)防，在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，可以實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)免受來(lái)自于內(nèi)部的攻擊或外部的攻擊。

1 入侵檢測(cè)系統(tǒng)模型的分析

所謂入侵檢測(cè)(Intrusion Detection)是指對(duì)入侵行為的發(fā)覺(jué)，它通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵點(diǎn)收集信息并對(duì)其加以分析，從中發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)中是否有違反安全策略的行為和被攻擊的跡象[1]。為了更好地對(duì)網(wǎng)絡(luò)入侵行為進(jìn)行有效地檢測(cè)與分析，自從1984年喬治敦大學(xué)的Dorothy Denning和SR/ICSL(SRI公司計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室)的PeterNeumann研究出一個(gè)實(shí)時(shí)入侵檢測(cè)系統(tǒng)模型，命名為IDES(入侵檢測(cè)專家系統(tǒng))以來(lái)，相繼開(kāi)發(fā)出大量的入侵檢測(cè)系統(tǒng)(Intrusion Detection System，IDS)，將入侵檢測(cè)的相關(guān)軟件與硬件設(shè)備進(jìn)行有效的結(jié)合，即防火墻之后的第二道安全屏障，是防火墻系統(tǒng)的有利補(bǔ)充。

通常根據(jù)IDS檢測(cè)對(duì)象及檢測(cè)方法的不同，可以細(xì)分為：基于主機(jī)的IDS、基于網(wǎng)絡(luò)的IDS、混合方式的IDS、基于誤用檢測(cè)的IDS和基于異常檢測(cè)的 IDS等。目前使用最廣泛的是由 Sourcefire公司MartinRoesch等人開(kāi)發(fā)的Snort入侵檢測(cè)系統(tǒng)，它是一個(gè)免費(fèi)開(kāi)放源代碼的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)系統(tǒng)(NIDS)。Snort以其發(fā)展速度、檢測(cè)功能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效的代碼、多樣化的插件機(jī)制等優(yōu)勢(shì)受到業(yè)界人士及眾多學(xué)者的親昧。而且許多公司為了滿足不同網(wǎng)絡(luò)的安全需求，已經(jīng)在Snort系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，本文就是一個(gè)基于Snort系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用實(shí)例。

Snort系統(tǒng)主要有6個(gè)組件構(gòu)成，分別是：包嗅探器、解碼器、預(yù)處理器、檢測(cè)引擎、輸出插件和規(guī)則庫(kù)等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Snort系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Snort system structure

Snort系統(tǒng)的基本工作過(guò)程是，利用包嗅探器捕獲網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包將其送到解碼器，把特殊的協(xié)議元素轉(zhuǎn)換成特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；經(jīng)過(guò)預(yù)處理器調(diào)用預(yù)處理函數(shù)完成數(shù)據(jù)包的預(yù)處理操作，改進(jìn)的Snort系統(tǒng)可以嵌入某些外部的預(yù)處理程序，提高系統(tǒng)的檢測(cè)功能；隨后將數(shù)據(jù)包傳遞到檢測(cè)引擎組件，與事先設(shè)置好的規(guī)則庫(kù)進(jìn)行模式配合，如果匹配成功，則說(shuō)明發(fā)生了入侵行為；及時(shí)將報(bào)警信息及審計(jì)日志提交輸出插件，利用輸出函數(shù)輸出相關(guān)信息。由此可見(jiàn)，Snort是一個(gè)基于誤用檢測(cè)的NIDS，系統(tǒng)運(yùn)行成功與否的關(guān)鍵點(diǎn)就是規(guī)則庫(kù)的信息實(shí)時(shí)更新與擴(kuò)展機(jī)制問(wèn)題，這也是本文所要探討的問(wèn)題。

2 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining，DM)的定義有廣義與狹義之分[2]，從廣義的觀點(diǎn)上講，數(shù)據(jù)挖掘是從大型數(shù)據(jù)庫(kù)(可能是不完全的、有噪聲的、不確定性的、各種存儲(chǔ)形式的)中，挖掘隱含在其中的人們事先不知道的對(duì)決策有用的知識(shí)的過(guò)程。從狹義的觀點(diǎn)上講，可以定義數(shù)據(jù)挖掘是從特定形式的數(shù)據(jù)集中提煉知識(shí)的過(guò)程。因此，數(shù)據(jù)挖掘的功能是從大量的數(shù)據(jù)信息中進(jìn)行高度智能化的分析與推測(cè)，挖掘出潛在的知識(shí)與數(shù)據(jù)模型，預(yù)測(cè)未來(lái)對(duì)象的行為模式。

WenkeLee在1999年首次將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)引入到了網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)系統(tǒng)中，可以在入侵檢測(cè)過(guò)程中實(shí)施智能化的信息分析以及動(dòng)態(tài)更新規(guī)則庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于未知入侵行為的有效檢測(cè)。在數(shù)據(jù)挖掘算法中應(yīng)用廣泛的算法有：關(guān)聯(lián)分析算法，可以用于挖掘關(guān)聯(lián)模式，描述入侵行為并進(jìn)行異常檢測(cè)[3]；序列分析算法，通過(guò)描述發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的先后關(guān)系，挖掘出序列模式[4]；分類(lèi)分析算法，該算法可以用于構(gòu)造分類(lèi)器[5]，分類(lèi)器經(jīng)過(guò)大量的入侵?jǐn)?shù)據(jù)集訓(xùn)練之后可以用于入侵檢測(cè)；聚類(lèi)分析算法，可以用于構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)正常行為模式或入侵行為模式[6]，進(jìn)行異常檢測(cè)。本文著重介紹如何利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)捕獲信息進(jìn)行二次檢驗(yàn)，以便減少系統(tǒng)漏報(bào)率，提升對(duì)新入侵行為的檢測(cè)效率。

3 基于數(shù)據(jù)挖掘的 Snort系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)

通過(guò)上述分析可以得出如下的結(jié)論，Snort系統(tǒng)存在的最大問(wèn)題是，無(wú)法檢測(cè)到未知類(lèi)型的入侵行為，系統(tǒng)的檢測(cè)能力受到規(guī)則庫(kù)信息量大小的限制，因而造成系統(tǒng)出現(xiàn)極大的漏報(bào)率與誤報(bào)率，影響系統(tǒng)的整體性能。

針對(duì)已存在的Snort系統(tǒng)進(jìn)行多方面的改進(jìn)，所提出的基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的Snort檢測(cè)系統(tǒng)模型如圖2所示，該系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)思想如下：

(1)利用嗅探器捕獲正在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，并且嗅探IP網(wǎng)絡(luò)的流量，該系統(tǒng)利用libpcap捕包程序庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集，該庫(kù)函數(shù)的最大功能之一就是將網(wǎng)卡設(shè)置為混雜模式后，就可以直接從數(shù)據(jù)鏈路層捕獲數(shù)據(jù)包，或直接從網(wǎng)卡獲取數(shù)據(jù)包，為下一步的解碼操作提供了數(shù)據(jù)信息。

(2)將利用嗅探器獲取的數(shù)據(jù)包送入解碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，在解碼器中根據(jù) TCP/IP的層次，有針對(duì)性地對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析、解碼等操作，將進(jìn)行解析后的數(shù)據(jù)包信息傳入到預(yù)處理器。

圖2 基于數(shù)據(jù)挖掘的Snort系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Based on data mining Snort system model

(3)在預(yù)處理器中，將采用不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行預(yù)處理，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議的某些附加操作以及數(shù)據(jù)包再次被分析等功能，以便提高檢測(cè)引擎的處理速度。預(yù)處理器通常是由功能各異的多個(gè)模塊組成，在實(shí)際的應(yīng)用中，可以將其以插件的方式友好地集成到Snort系統(tǒng)中。本文所討論基于數(shù)據(jù)挖掘的Snort檢測(cè)系統(tǒng)，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)包信息在送入異常檢測(cè)的同時(shí)，存儲(chǔ)到信息待處理數(shù)據(jù)庫(kù)，主要目的是為了與正常數(shù)據(jù)信息庫(kù)中的內(nèi)容配合進(jìn)行異常數(shù)據(jù)挖掘操作。

(4)異常檢測(cè)引擎

異常檢測(cè)的依據(jù)主要來(lái)源于正常行為模式規(guī)則庫(kù)，該模式庫(kù)的信息是在正常數(shù)據(jù)庫(kù)的信息基礎(chǔ)上利用關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)挖掘算法、序列數(shù)據(jù)挖掘算法和聚類(lèi)數(shù)據(jù)挖掘算法進(jìn)行正常行為模式的數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)時(shí)更新正常行為模式規(guī)則庫(kù)。因此，Snort檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)施檢查之前，已知檢測(cè)規(guī)則全部設(shè)定好，可以用于檢測(cè)用戶所有的正常行為，但是對(duì)于正常行為模式規(guī)則庫(kù)中沒(méi)有的規(guī)則項(xiàng)，在此無(wú)法檢測(cè)出來(lái)，為了避免系統(tǒng)的漏報(bào)率，將未知入侵的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸`用檢測(cè)引擎模塊。

(5)誤用檢測(cè)引擎

誤用檢測(cè)引擎又稱Snort檢測(cè)引擎，它是該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心，在進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，將Snort檢測(cè)規(guī)則組織成鏈表形式，其中將每一個(gè)鏈表項(xiàng)細(xì)分為規(guī)則頭和規(guī)則選項(xiàng)。在進(jìn)行規(guī)則模式匹配時(shí)，誤用檢測(cè)與Snort規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容進(jìn)行模式匹配，起初只檢測(cè)Snort規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)定好的規(guī)則項(xiàng)，如果檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)規(guī)則匹配，則將其檢測(cè)結(jié)果輸入已知入侵?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，入侵信息被記錄后，直接送入報(bào)警系統(tǒng)，提示用戶；否則，沒(méi)有檢測(cè)到匹配的模式，系統(tǒng)并沒(méi)有將入侵信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的丟棄，而是從信息待處理數(shù)據(jù)庫(kù)與正常數(shù)據(jù)信息庫(kù)中提取數(shù)據(jù)，進(jìn)行異常數(shù)據(jù)信息挖掘，將數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果直接輸入到異常數(shù)據(jù)信息庫(kù)，根據(jù)信息庫(kù)中的頻繁項(xiàng)集再次進(jìn)行數(shù)據(jù)信息挖掘，生成新的入侵規(guī)則，更新Snort規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)，然后再進(jìn)行誤用檢測(cè)，與此同時(shí)，將入侵檢測(cè)的新規(guī)則送入正常數(shù)據(jù)信息庫(kù)，與該信息庫(kù)中的頻繁項(xiàng)集再次進(jìn)行正常行為的數(shù)據(jù)挖掘，從而更新正常行為規(guī)則模式庫(kù)，為下次檢測(cè)做準(zhǔn)備，此時(shí)就實(shí)現(xiàn)了入侵信息的二次檢測(cè)，可以大大減少漏報(bào)率與誤報(bào)率。

4 基于數(shù)據(jù)挖掘的 Snort系統(tǒng)模型的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要是在 Snort系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)的，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)下載了一個(gè)最新版的 Snort入侵檢測(cè)系統(tǒng)Snort2.8.1，部署到Windows2003操作系統(tǒng)的平臺(tái)上，進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與檢測(cè)運(yùn)行。在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中用到的組件有：(1)WinPcap：網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的捕獲工具，其主要功能為Win32應(yīng)用程序提供訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)底層的能力，隨時(shí)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，以更高的效率捕獲數(shù)據(jù)包。(2)MySQL：本系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，連接技術(shù)采用ADODB技術(shù)，從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性上講，該數(shù)據(jù)庫(kù)都可以有效地支持快速、穩(wěn)定的分布式檢測(cè)操作。(3)Visual C++：該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)語(yǔ)言與數(shù)據(jù)挖掘規(guī)則算法語(yǔ)言采用的是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言 VC++，通過(guò)編輯信息更新函數(shù)、連接用戶函數(shù)、檢測(cè)入侵信息函數(shù)等實(shí)現(xiàn)Snort的二次入侵檢測(cè)操作。(4)ACID：主要是用來(lái)分析入侵?jǐn)?shù)據(jù)是已知規(guī)則還是未知規(guī)則，從而將正常數(shù)據(jù)與可疑數(shù)據(jù)分離，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的挖掘和生成新的規(guī)則信息，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中主要利用php語(yǔ)言所編輯的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)形式反映給用戶，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。(5)Apriori：該算法是數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法，本系統(tǒng)是在Apriori算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了必要的改進(jìn)，使之實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)、正常數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)等信息的規(guī)則挖掘。(6)Apache：該系統(tǒng)服務(wù)器軟件采用的是基于Web的Apache，它以其簡(jiǎn)單、快速、兼容、穩(wěn)定、安全等特點(diǎn)而著稱。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)是在構(gòu)建了一個(gè)C/S模式的局域網(wǎng)中進(jìn)行結(jié)果檢測(cè)，為了能夠更好的說(shuō)明系統(tǒng)的檢測(cè)效果，采取了對(duì)比的方式進(jìn)行測(cè)試。先用普通的Snort系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，并記錄相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果，然后安裝并配置基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的Snort檢測(cè)系統(tǒng)，同樣記錄檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)數(shù)據(jù)的逐一對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)檢測(cè)的總耗時(shí)有所減少，檢測(cè)的正確率卻大幅度地提高，并且系統(tǒng)的漏報(bào)率也有明顯地下降。在實(shí)驗(yàn)中還有一個(gè)更有意義的發(fā)現(xiàn)，隨著檢測(cè)數(shù)據(jù)量的增大，上述的檢測(cè)結(jié)果更為明顯。

本文是在已有檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，增加了新功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)更新規(guī)則信息和對(duì)未知數(shù)據(jù)的二次檢測(cè)，從而降低了系統(tǒng)的漏報(bào)率與誤報(bào)率。但是，在檢測(cè)效率及進(jìn)一步減少漏報(bào)率與誤報(bào)率的數(shù)據(jù)挖掘算法上還有待于改進(jìn)。

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