基于對(duì)手思維建模分布式入侵檢測(cè)模型

1、基于對(duì)手思維建模分布式入侵檢測(cè)模型摘要：研究網(wǎng)絡(luò)入侵和入侵檢測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，將對(duì)手思維建模和意圖識(shí)別技術(shù)引入入侵檢測(cè)系統(tǒng)，提出了一個(gè)基于對(duì)手思維建模的入侵檢測(cè)模型（IRAIDS），為解決大規(guī)模、分布式、智能化入侵提供了解決方法。 關(guān)鍵詞：思維建模;入侵檢測(cè)；網(wǎng)絡(luò)入侵 0引言 伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)成為一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，也是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。為了達(dá)到當(dāng)場(chǎng)檢測(cè)出惡意的網(wǎng)絡(luò)入侵行為并馬上采取防范反擊措施的目的，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黑客入侵行為并以程序自動(dòng)產(chǎn)生響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)系統(tǒng)（Intrusion Detection System, IDS）產(chǎn)生了。入侵檢測(cè)被認(rèn)為是防火墻之后

2、的第二道安全閘門，可以在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的情況下能對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，從而提供對(duì)內(nèi)部攻擊、外部攻擊和誤操作的實(shí)時(shí)保護(hù)，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性1。 自從1980年4月James P. Anderson第一次詳細(xì)闡述了入侵檢測(cè)的概念以來(lái)，入侵檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)歷了從集中式系統(tǒng)向分布式、智能化系統(tǒng)的發(fā)展歷程。與此同時(shí)，高級(jí)入侵活動(dòng)也變得越來(lái)越呈現(xiàn)出分布性和協(xié)調(diào)性的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在： (1)一次入侵可能分布在網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)機(jī)器上2。 (2)一次攻擊可能只是一個(gè)更大規(guī)模入侵的一個(gè)部分，它只是使用當(dāng)前被攻陷的網(wǎng)絡(luò)作為跳板，最終的目標(biāo)可能是攻擊別的系統(tǒng)或非法得到其他資源3。 (3) 多次簡(jiǎn)單攻擊可以組合成為一次更復(fù)雜的長(zhǎng)時(shí)

3、間協(xié)同入侵4。 這使得傳統(tǒng)的基于分布式數(shù)據(jù)采集和集中分析的分布式入侵檢測(cè)系統(tǒng)很難檢測(cè)出大規(guī)模的分布式智能協(xié)作攻擊，并且不能對(duì)這些攻擊作出實(shí)時(shí)反應(yīng)。然而，Agent技術(shù)的發(fā)展為解決這些問(wèn)題提供了契機(jī)。一些學(xué)者提出，由于Agent本身具有協(xié)同工作、智能化、自治性和移動(dòng)性等特點(diǎn)，將其引入入侵檢測(cè)系統(tǒng)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)分布式入侵檢測(cè)的不足，也為入侵檢測(cè)技術(shù)提供了很多新的思路。文獻(xiàn)5提出利用免疫學(xué)的思想設(shè)計(jì)出一個(gè)基于Agent的入侵檢測(cè)模型。這個(gè)模型是層狀結(jié)構(gòu)，能動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)、檢測(cè)出已知和未知的入侵、檢測(cè)出不同層次的入侵。文獻(xiàn)6提出了一種采取無(wú)控制中心的多Agent 結(jié)構(gòu), 每個(gè)檢測(cè)部件都是獨(dú)立的檢測(cè)單元, 盡量

4、降低各檢測(cè)部件間的相關(guān)性。文獻(xiàn)7提出了一種層次結(jié)構(gòu)的基于自治Agent的入侵檢測(cè)框架AAFID。其中監(jiān)視器是系統(tǒng)的單一失效點(diǎn)。盡管如此，入侵者出于自身利益的考慮會(huì)對(duì)檢測(cè)Agent有意回避甚至對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)Agent主動(dòng)攻擊，而且協(xié)作入侵通常會(huì)故意采取一些行動(dòng)以隱藏其意圖或掩蓋其行動(dòng)軌跡，如： (1)能夠檢測(cè)到的入侵行動(dòng)可能只是一部分，甚至檢測(cè)到的入侵行動(dòng)可能是誤導(dǎo)的。 (2)入侵者可能采用靈活的計(jì)劃以同時(shí)完成多個(gè)目的。 (3)入侵者也許多次重復(fù)一些步驟。 這些都極大地增大了入侵檢測(cè)的難度，僅僅對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)自身采用Agent技術(shù)的分布式入侵系統(tǒng)很難達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)復(fù)雜入侵的目標(biāo)。在更高的層次上，筆者將入侵

5、者和入侵檢測(cè)方抽象為是以“局部運(yùn)作、全局共享”為核心的多Agent系統(tǒng)，對(duì)抗雙方都是一組自治的Agent通過(guò)協(xié)調(diào)它們的知識(shí)完成入侵和入侵檢測(cè)。在求解的過(guò)程中，各Agent之間達(dá)成了協(xié)作、協(xié)調(diào)、協(xié)商、理性、對(duì)抗、交互等各種關(guān)系?；谶@種抽象以及入侵檢測(cè)的本質(zhì)（根據(jù)入侵者的行動(dòng)及時(shí)推斷出入侵者的意圖），本文提出了以對(duì)手思維建模和對(duì)手意圖識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)的多Agent分布式入侵檢測(cè)系統(tǒng)模型IRAIDS，為解決大規(guī)模、分布式、智能化入侵提供了解決方法。 1IRAIDS模型 11對(duì)手思維建模 對(duì)手思維模型的核心在于意圖的識(shí)別，因?yàn)橐鈭D對(duì)應(yīng)于實(shí)際的行為規(guī)劃，這也正是入侵檢測(cè)的目標(biāo)。本文提到的意圖識(shí)別包含兩個(gè)

6、層次的含義： (1)單個(gè)對(duì)手意圖的識(shí)別 在該模型中使用TA（Tracer Agent）針對(duì)單個(gè)對(duì)手的思維狀態(tài)建模，目標(biāo)是通過(guò)分析單個(gè)對(duì)手的行動(dòng)序列推測(cè)其可能的入侵行為。具體請(qǐng)見(jiàn)TA部分。 (2)對(duì)手群體意圖的識(shí)別 單個(gè)對(duì)手的思維建模只能檢測(cè)出簡(jiǎn)單的個(gè)體入侵意圖，對(duì)于大規(guī)模的分布式網(wǎng)絡(luò)入侵就無(wú)能為力了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者在模型中提出通過(guò)檢測(cè)Agent之間的協(xié)作方式，分析群體對(duì)手的意圖以找出其入侵計(jì)劃。這些工作主要是通過(guò)BA（Basic Agent）內(nèi)部TA之間的合作以及BA之間的協(xié)作完成的。 12IRAIDS模型描述 IRAIDS模型由TA、BA、SA（Supervise Agent）和MA

7、（Manage Agent）組成，如圖1所示。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中BA、SA、MA通過(guò)相互協(xié)作監(jiān)督組成了一個(gè)嚴(yán)密安全的入侵檢測(cè)系統(tǒng)。 其中TA是BA內(nèi)根據(jù)檢測(cè)到的對(duì)手主機(jī)的訪問(wèn)情況對(duì)對(duì)手思維建模的Agent，主要用來(lái)識(shí)別單個(gè)對(duì)手的入侵及其意圖。BA是執(zhí)行某些檢測(cè)任務(wù)的Agent，它可以分布在主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)上，將多個(gè)可疑對(duì)手歸結(jié)為一個(gè)對(duì)手群，對(duì)對(duì)手群體入侵目的進(jìn)行意圖識(shí)別。SA是某一邏輯網(wǎng)段的監(jiān)督Agent，它監(jiān)督網(wǎng)段內(nèi)的BA的運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)網(wǎng)段內(nèi)的流量和訪問(wèn)等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。MA是整個(gè)系統(tǒng)的管理者，處于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與Internet接口處（通常是網(wǎng)關(guān)），對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的流量、網(wǎng)段內(nèi)的SA的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督管理。 2模型結(jié)

8、構(gòu)分析 21TA的結(jié)構(gòu) 由于網(wǎng)絡(luò)中需要檢測(cè)的對(duì)方主機(jī)的數(shù)量可能會(huì)很多，實(shí)現(xiàn)對(duì)手Agent要求所占資源必須足夠小，在模型上就需要足夠精簡(jiǎn)。本文對(duì)對(duì)手建立一個(gè)簡(jiǎn)潔的輕型Agent模型，如圖2所示。對(duì)手思維模型由三層組成，分別是：(1)交互層。當(dāng)某個(gè)BA判斷網(wǎng)絡(luò)中某臺(tái)主機(jī)的行為超過(guò)了可能入侵的閾值時(shí)，就根據(jù)下面的模型對(duì)對(duì)手建立一個(gè)輕型Agent，以后獲取的這個(gè)對(duì)手的行為就交由該Agent處理，由TA對(duì)對(duì)手的操作進(jìn)行匹配、識(shí)別其入侵意圖。交互層主要與產(chǎn)生它的BA進(jìn)行交流，由BA將它所“關(guān)心”的對(duì)手情況傳送給它，處理后由交互層反饋給BA。 (2）處理層。利用所歸屬的BA檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)交互層傳來(lái)的信息進(jìn)行入

9、侵規(guī)則匹配與意圖識(shí)別，在單個(gè)對(duì)手的層次上檢測(cè)可能的入侵。 (3）存儲(chǔ)層用來(lái)存放處理層的中間過(guò)程和結(jié)果。 22BA的主要功能和結(jié)構(gòu) BA是運(yùn)用對(duì)手群意圖識(shí)別技術(shù)，通過(guò)相互協(xié)商方式進(jìn)行入侵檢測(cè)的Agent。每個(gè)BA負(fù)責(zé)一定的檢測(cè)任務(wù)，檢測(cè)入侵的某個(gè)方面。BA由下面幾個(gè)部分組成：DB（數(shù)據(jù)庫(kù)）、通信單元、加/解密單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)預(yù)處理單元、分析引擎、狀態(tài)分析引擎、入侵處理單元、用戶接口和對(duì)對(duì)手思維建模的Agent（TA），如圖3所示。 下面按照分類詳細(xì)介紹各部分的功能： （1）通信單元。提供BA與邏輯網(wǎng)段內(nèi)其他BA以及上層SA進(jìn)行加密通信的能力，也是BA的數(shù)據(jù)來(lái)源之一。 （2）加/解密單元。

10、為了保障Agent之間通信的安全化而設(shè)立的一個(gè)對(duì)消息進(jìn)行加密和解密的單元，是維護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要單元之一。 （3）數(shù)據(jù)采集單元。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的另一來(lái)源，從系統(tǒng)日志、審計(jì)文件以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中獲取檢測(cè)需要的數(shù)據(jù)。 （4）數(shù)據(jù)預(yù)處理單元。對(duì)從采集單元獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、抽象化和標(biāo)準(zhǔn)化操作，便于分析引擎對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 （5）分析引擎。BA的核心單元，利用內(nèi)部TA反饋的可疑入侵信息，對(duì)可疑入侵群體進(jìn)行意圖識(shí)別，同時(shí)與邏輯網(wǎng)段內(nèi)其他BA協(xié)作檢測(cè)并向上層SA報(bào)告。 本文原文（6）狀態(tài)分析引擎。它是系統(tǒng)進(jìn)行自我狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督以及對(duì)上層SA觀察的單元，一旦發(fā)現(xiàn)SA存在問(wèn)題將及時(shí)發(fā)動(dòng)一次選舉，保證系統(tǒng)運(yùn)行的完整性。

11、 （7）入侵處理單元。發(fā)現(xiàn)入侵時(shí)的處理模塊，通常的做法是向用戶報(bào)警并根據(jù)其危害性采取限制登錄范圍、鎖定用戶賬號(hào)甚至切斷網(wǎng)絡(luò)連接等措施。 （8）用戶接口。它是用戶與BA交互的單元，用戶可以向BA中添加新的檢測(cè)模型、規(guī)則等信息，也可以對(duì)可疑入侵進(jìn)行判斷分析并給出結(jié)論。 （9）DB。數(shù)據(jù)庫(kù)是BA存儲(chǔ)系統(tǒng)信息、檢測(cè)模型、經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù)的單元。數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容主要有下面三部分： 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，包括?dāng)前BA所處網(wǎng)絡(luò)的其他BA的地址、上層SA的地址、MA地址等描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信息。 知識(shí)庫(kù)，主要包括入侵檢測(cè)方法、單個(gè)對(duì)手意圖識(shí)別算法、對(duì)手群體意圖識(shí)別算法。其中檢測(cè)方法數(shù)據(jù)庫(kù)包括正常模式庫(kù)和異常

12、模式庫(kù)（分別用于異常檢測(cè)和誤用檢測(cè)方法）。這兩種數(shù)據(jù)庫(kù)可以根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源分為不同類別子數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣，異常數(shù)據(jù)可以根據(jù)其來(lái)源在相應(yīng)的子數(shù)據(jù)庫(kù)中得到迅速的匹配。 經(jīng)預(yù)處理的數(shù)據(jù)。所有經(jīng)過(guò)預(yù)處理得到的標(biāo)準(zhǔn)化和格式化的數(shù)據(jù)都保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，用來(lái)保存對(duì)手的入侵證據(jù)。 23SA的主要功能和結(jié)構(gòu) SA的主要作用是對(duì)所在邏輯網(wǎng)段內(nèi)其他BA的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督管理、接收BA發(fā)送的可疑報(bào)告、同其他SA協(xié)商以及向上層MA提交入侵和可疑入侵情況。由于SA是從一個(gè)邏輯網(wǎng)段的所有BA中選舉出來(lái)的，與BA的結(jié)構(gòu)基本相同。不同的是，SA數(shù)據(jù)庫(kù)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)除了包括本邏輯網(wǎng)段內(nèi)的其他主機(jī)的地/址信息外，還保存其他網(wǎng)段的SA和部分BA

13、（便于發(fā)現(xiàn)某個(gè)SA失效時(shí)可以通知其網(wǎng)段內(nèi)的BA）的地址信息。 24MA的主要功能和結(jié)構(gòu) MA是處于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與Internet接口處，是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控和檢測(cè)入侵的核心單元，常常處于與Internet接口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，對(duì)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)跟蹤。MA可以通過(guò)大量的學(xué)習(xí)，統(tǒng)計(jì)正常和異常情況下網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量、各個(gè)局域網(wǎng)段的流量以及正常和異常的訪問(wèn)信息等知識(shí)。通過(guò)MA在高層監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)流向某個(gè)網(wǎng)段或者整個(gè)系統(tǒng)的流量發(fā)生劇烈變化，可以通過(guò)學(xué)習(xí)的結(jié)果判斷是否出現(xiàn)入侵，并及時(shí)向可能發(fā)生的入侵網(wǎng)段的SA發(fā)出警告。 MA的結(jié)構(gòu)與BA、SA十分相似，但是它只需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，在數(shù)據(jù)采集單元中只接收通信單元和網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包的信息。其他部分類似，需要詳細(xì)解釋的是MA的數(shù)據(jù)庫(kù)。MA的數(shù)據(jù)庫(kù)中存放著下面三種數(shù)據(jù)： (1)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)和Agent位置的實(shí)時(shí)信息，尤其是網(wǎng)絡(luò)中SA的實(shí)時(shí)位置信息。這個(gè)目標(biāo)主要通過(guò)定期檢測(cè)和接收更新的方式達(dá)到。 (2)知識(shí)庫(kù)，其中包括了MA、SA、BA檢測(cè)需要使用的所有知識(shí)。也就是說(shuō)，MA的數(shù)據(jù)庫(kù)中存放了整個(gè)系統(tǒng)需要的知識(shí)的總和。 （3) MA從網(wǎng)絡(luò)中獲取的數(shù)據(jù)流量和統(tǒng)計(jì)信息，以及入侵檢測(cè)的中間信息都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)