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關鍵詞：入侵檢測; 高速網(wǎng)絡; 協(xié)議分析; 多機處理

1 引言

　　隨著Internet 網(wǎng)絡安全問題的不斷暴露和當前黑客攻擊技術日益進步，人們逐漸認識到使用防火墻、數(shù)字簽名和加密技術這些被動式、靜態(tài)的防御技術越來越難于保證網(wǎng)絡的安全。于是，人們開始了主動式、動態(tài)地保護網(wǎng)絡安全的入侵檢測系統(tǒng)的研究。第一代和第二代網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)即傳統(tǒng)的網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)是基于特征模式匹配技術，采用單機采集網(wǎng)絡數(shù)據(jù)源并加以處理的檢測系統(tǒng)。在過去只有幾兆、幾十兆的網(wǎng)絡流量的網(wǎng)絡環(huán)境下，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)起了非常大的作用。

　　隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，幾百、上千兆的高速網(wǎng)絡環(huán)境已經(jīng)大量出現(xiàn)。在這種高速網(wǎng)絡環(huán)境下，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)顯得力不從心，其應用瓶頸問題非常突出：漏抓網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包、誤報率高、檢測慢和檢測時有丟包現(xiàn)象發(fā)生。那么如何解決傳統(tǒng)的網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)的應用瓶頸問題?文章提出的一種網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)是基于協(xié)議分析技術，并結合特征模式匹配方法，采用高速采集器采集數(shù)據(jù)源并分發(fā)給多處理機進行數(shù)據(jù)處理的新型系統(tǒng)，它有效的解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)的應用瓶頸問題。

2 數(shù)據(jù)源采集及處理

　　數(shù)據(jù)源的采集及處理是網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)的核心部分。CIDF通用模型將一個網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)分為以下部分:事件產(chǎn)生器（Event generator）、事件分析器（Event analyzer）、響應單元（Response units）和事件數(shù)據(jù)庫（Event database）。數(shù)據(jù)源的采集及處理就對應于通用模型的事件產(chǎn)生器和事件分析器。

　　傳統(tǒng)的網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)一般采用一臺普通PC機作為采集器，進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流的采集，并同時在該機對數(shù)據(jù)流進行分析處理。在低速網(wǎng)絡環(huán)境下，利用PC機的網(wǎng)卡采集數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，并且單處理機的資源也能滿足對小流量數(shù)據(jù)的處理。但是，在高速網(wǎng)絡環(huán)境下，一臺普通PC機難以滿足大流量數(shù)據(jù)的采集和處理，會出現(xiàn)丟包和數(shù)據(jù)包漏檢現(xiàn)象。為此，新型網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)采用高速數(shù)據(jù)采集器，并將采集到的數(shù)據(jù)流分發(fā)給多臺高檔PC進行分布式數(shù)據(jù)檢測，這樣可以有效地解決丟包及漏檢問題。

　　高速數(shù)據(jù)采集器負責抓取完整的高速網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流，這通過專門的的高性能硬件方案來實現(xiàn)，主要包括實時嵌入式操作系統(tǒng)技術和具有高層交換功能的專用ASIC芯片技術。高速數(shù)據(jù)采集器采集到數(shù)據(jù)流后，通過負載均衡的原則將數(shù)據(jù)流分發(fā)給多臺高檔PC機進行處理。由于系統(tǒng)采用相同配置的PC作為數(shù)據(jù)處理機，同時為了提高采集器的工作效率，簡化數(shù)據(jù)包分發(fā)算法，系統(tǒng)采用最簡單的負載均衡算法，即分時傳送——采取循環(huán)的方法，每隔一定時間按序向每臺數(shù)據(jù)處理機傳送數(shù)據(jù)流。這樣就保證了每臺數(shù)據(jù)處理機在某一時刻可以分布式處理大體相同的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量，提高了數(shù)據(jù)流檢測的工作效率，解決了單臺普通PC處理數(shù)據(jù)流量的效率低下、數(shù)據(jù)漏檢的問題 。

3 協(xié)議分析技術

　　3.1模式匹配的不足

　　傳統(tǒng)入侵檢測系統(tǒng)使用模式匹配技術作為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包分析技術。它是將采集的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流與已知的網(wǎng)絡入侵特征規(guī)則庫中的規(guī)則逐條進行比較，以發(fā)現(xiàn)入侵行為。其工作步驟如下：

　　1）從捕獲的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包的第一個字節(jié)開始與入侵特征規(guī)則庫的第一個特征規(guī)則字符串比較。

　　2）如果比較結果相同，則說明檢測到一個可能的攻擊。

　　3）如果比較結果不同，則將數(shù)據(jù)包下移一個字節(jié)再進行比較。

　　4）直到把特征規(guī)則字符串的每一個字節(jié)都匹配完。

　　5）對于每一個入侵特征規(guī)則字符串，重復第二步。

　　6）直到每一個入侵特征規(guī)則都匹配完。

　　下面用模式匹配的一個例子來說明。

　　00E0 FC04 68AC 0011 5BD8 1FF2 0800 4500 0040 08AC 4000 2006 B06C AC53 6352 BD25 CD12 050D 0050 221A 0112 415B 063A 7010

　　以上為采集的數(shù)據(jù)包，對于入侵特征規(guī)則字符串“/technote/print.cgi ”，根據(jù)上述步驟，首先從數(shù)據(jù)包頭部開始比較：

　　/technote/print.cgi

　　00E0 FC04 68AC 0011 5BD8 1FF2 0800 4500 0040 08AC 4000 2006 B06C AC53 6352 BD25 CD12 050D 0050 221A 0112 415B 063A 7010

　　比較不成功，下移一個字節(jié)重新比較。

　　——/technote/print.cgi

　　00E0 FC04 68AC 0011 5BD8 1FF2 0800 4500 0040 08AC 4000 2006 B06C AC53 6352 BD25 CD12 050D 0050 221A 0112 415B 063A 7010

　　比較仍不成功，則又下移一個字節(jié)比較。如此重復，最終沒有一次匹配成功。接著與入侵特征規(guī)則庫中的下一個規(guī)則進行比較。

　　從該例可以看出，模式匹配有以下缺點：

　　1）缺乏智能化，系統(tǒng)資源耗費大

　　模式匹配技術不對數(shù)據(jù)包進行智能分析，僅僅單純將特征字符串同數(shù)據(jù)包按字節(jié)依次匹配，這就導致計算工作量大，消耗系統(tǒng)資源。

　　對于一個特定網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流來說，采用數(shù)據(jù)匹配方法每秒需比較的最大次數(shù)估算為：

　　網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)×每秒數(shù)據(jù)包數(shù)量×入侵特征串字節(jié)數(shù)×入侵特征數(shù)量

　　如果網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包平均長度為60字節(jié)，每秒40000數(shù)據(jù)包，入侵特征庫中有3000條特征，每條特征字符串平均長度為10字節(jié)，那么每秒比較的次數(shù)大約為：

　　60×40000×10×3000=72000000000

　　2）檢測效率低

　　模式匹配只能檢測特定類型的入侵。對入侵特征微小的變形都將使檢測失敗。如對于Web服務器, 入侵特征“/technote/print.cgi”的變形”/technote//print.cgi”、 “/technote%c0%afprint.cgi”用模式匹配方法不能檢測出來。

　　3.2協(xié)議分析技術的優(yōu)點

　　3.2.1減小匹配計算量

　　網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流是按通信協(xié)議的要求構成的，而通信協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)報文具有高度的格式，報文的每部分都有明確的含義和取值。傳統(tǒng)的模式匹配把網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包看成是無序、無一定格式、隨意的字節(jié)流。它對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的內(nèi)部結構完全不了解，并且對于網(wǎng)絡中傳輸?shù)膱D象或音頻同樣進行匹配。這樣勢必造成檢測效率低下、不精確的后果。而協(xié)議分析技術有效的利用了網(wǎng)絡協(xié)議的層次性和相關協(xié)議的知識快速的判斷入侵特征是否存在。它的高效使得匹配的計算量大幅度減小。即使在100Mb/s以上的網(wǎng)絡中，也可以充分地檢測每一個數(shù)據(jù)包。

　　仍以上述數(shù)據(jù)包為例，討論一下基于協(xié)議分析技術的網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)是如何處理的。網(wǎng)絡協(xié)議規(guī)定以太網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包中第13字節(jié)處包含了兩個字節(jié)的網(wǎng)絡層協(xié)議字段，如圖1所示。基于協(xié)議分析的入侵檢測系統(tǒng)利用這個知識開始第一步檢測：跳過數(shù)據(jù)包前面12個字節(jié)，讀取第13字節(jié)處的2字節(jié)協(xié)議字段為0x0800。根據(jù)協(xié)議規(guī)定可以判斷這個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包是IP包。

圖1利用協(xié)議分析技術進行數(shù)據(jù)包分析

　　根據(jù)IP協(xié)議規(guī)定，數(shù)據(jù)包的第24字節(jié)處有一個1字節(jié)的傳輸層協(xié)議標識。系統(tǒng)直接從第15字節(jié)跳到第24字節(jié)讀取傳輸層協(xié)議字段為0x06，這個數(shù)據(jù)包是TCP協(xié)議包。

　　再根據(jù)TCP協(xié)議規(guī)定，在數(shù)據(jù)包第37字節(jié)處有一個2字節(jié)的應用層協(xié)議字段，即端口號。于是系統(tǒng)從第25字節(jié)直接跳到第37字節(jié)讀取端口號為0x0050，即80。從該端口號可知數(shù)據(jù)包是一個HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)包。

　　再根據(jù)HTTP協(xié)議規(guī)定，在數(shù)據(jù)包第55字節(jié)是URL開始處，要檢測入侵特征“/technote/print.cgi”，只需要仔細檢測這個URL就可以了。

　　從上述數(shù)據(jù)包的檢測過程可以看出，利用協(xié)議分析可以大大減小模式匹配的計算量，提高匹配的精確度，減少誤報率。

　　3.2.2有效地針對欺騙性攻擊

　　單純采用模式匹配對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包進行特征查找的方法，必須是針對某些特定的已知攻擊。但是很多攻擊者越來越狡猾，他們往往使用一些攻擊程序的變體進行攻擊，以求逃過檢測系統(tǒng)的檢測。而模式匹配對這種變體欺騙卻無能為力，但是協(xié)議分析可以有效地針對欺騙性攻擊。

　　舉例來說，假設需要對含有/way-board/way-board.cgi的URL發(fā)出警報。入侵者可以使用反斜杠\代替斜杠/。大多數(shù)Web服務器對于使用反斜杠\還是斜杠/來劃分目錄不敏感，所以Web服務器認為含有/way-board/way-board.cgi和含有\(zhòng)way-board\way-board.cgi的URL是一回事。而基于模式匹配的入侵檢測系統(tǒng)只是進行簡單的字符匹配工作，所以對出現(xiàn)\way-board\way-board.cgi不加理睬。但協(xié)議分析方法可以識別這種變體入侵。當一個HTTP通信開始被監(jiān)控時，IDS傳感器從URL中讀出路徑，然后對其進行分析。它適當?shù)胤治龇葱备埽筓RL標準化，然后找出可疑的目錄內(nèi)容，如/way-board/way-board.cgi。又例如在unicode攻擊中，與ASCII字符相關的HEX編碼一直到%7f,Unicode編碼的值要高于它。以包含/store%c0%afagora.cgi的URL路徑為例，%c0%af在Unicode中相當于斜杠/，這樣就是/store/agora.cgi。這也是攻擊特征。使用包含Unicode編碼解析的協(xié)議分析，就可以識別這種欺騙。

　　下面說明協(xié)議分析如何識別包含/store%c0%afagora.cgi的URL，流程如圖2所示。

　　1）對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的IP包頭進行解析，確定IP有效負載所包含的協(xié)議。本例IP協(xié)議字段為6即TCP協(xié)議。

　　2）對TCP頭進行解析，確定TCP目的端口。本例TCP目的端口是Web服務器端口80，說明數(shù)據(jù)部分采用HTTP協(xié)議。

　　3）對HTTP協(xié)議進行解析，識別URL路徑。

　　4）對URL進行解析，識別路徑欺騙、HEX編碼和Unicode編碼。

　　5）最后判斷路徑中是否包含 /store/agora.cgi,若有則報警。

圖2 識別URL的流程圖

4 結束語

　　實驗驗證，在高速大流量網(wǎng)絡環(huán)境下，采用高速采集器采集數(shù)據(jù)源并分發(fā)給多處理機進行數(shù)據(jù)處理，同時使用協(xié)議分析技術，并結合模式匹配方法的新一代網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)與采用普通采集器，單純使用模式匹配方法的網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)相比，在檢測效率、性能等方面都有很大提高。在后續(xù)的工作中，檢測系統(tǒng)在檢測方法上還須結合異常（anomaly）統(tǒng)計的檢測技術, 以便能夠檢測更廣泛及更多未知的攻擊。

參考文獻

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