針對無線網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 全文

隨著筆記本電腦、個(gè)人數(shù)字代理（PDA） 以及3G 通信等技術(shù)的發(fā)展， 人們使用信息技術(shù)進(jìn)行通信聯(lián)系和交流的空間、靈活性得到不斷拓展。無線網(wǎng)絡(luò)尤其是3G 網(wǎng)絡(luò)成為技術(shù)發(fā)展和社會(huì)應(yīng)用的新寵。各種類型的移動(dòng)數(shù)據(jù)終端以及多媒體終端得到廣泛應(yīng)用， 促使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由有線向無線、由固定向移動(dòng)、由單一業(yè)務(wù)向多媒體的發(fā)展。然而， 這種擴(kuò)展給用戶帶來了更大的自由度的同時(shí)，也帶來了安全上的挑戰(zhàn)。由于無線信道的開放性和移動(dòng)設(shè)備在存儲(chǔ)能力、計(jì)算能力和供電方面的局限性， 無線網(wǎng)絡(luò)面臨著更復(fù)雜的安全威脅和隱患。如何構(gòu)造一個(gè)安全可靠的無線局域網(wǎng)已經(jīng)成為一個(gè)迫切需要解決的問題。

　　1 IDS 基本原理

　　入侵檢測系統(tǒng)（IDS） 是一種主動(dòng)保護(hù)自己免受攻擊的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)。入侵檢測系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測， 可以記錄和阻止某些網(wǎng)絡(luò)行為， 被認(rèn)為是防火墻之后的第二道安全閘門， 可與防火墻配合工作。

　　IDS 掃描當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)， 監(jiān)視和記錄網(wǎng)絡(luò)的流量， 根據(jù)定義好的規(guī)則來過濾經(jīng)主機(jī)網(wǎng)卡的流量， 并提供實(shí)時(shí)報(bào)警。入侵檢測系統(tǒng)至少應(yīng)包括3 個(gè)功能模塊：

　　提供事件記錄流的信息源、發(fā)現(xiàn)入侵跡象的分析引擎和基于分析引擎的響應(yīng)部件。公共入侵檢測框架CIDF 闡述了一個(gè)入侵檢測系統(tǒng)的通用模型， 即入侵檢測系統(tǒng)的四個(gè)組件： 事件產(chǎn)生器、事件分析器、響應(yīng)單元和事件數(shù)據(jù)庫， 共通用模型如圖1 所示。CIDF 將需要分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為事件。

　　2 無線網(wǎng)絡(luò)入侵檢測系統(tǒng)架構(gòu)

　　2.1 入侵檢測體系結(jié)構(gòu)

　　目前比較成熟的入侵檢測方法是異常檢測和誤用檢測兩種類型。異常檢測是根據(jù)使用者的行為或資源使用狀況的正常程度來判斷是否入侵。異常檢測與系統(tǒng)相對無關(guān)， 通用性較強(qiáng)， 其主要缺陷是誤檢率較高。誤用檢測有時(shí)也稱為特征分析或基于知識(shí)的檢測， 根據(jù)已定義的入侵模式， 判斷在實(shí)際的安全審計(jì)數(shù)據(jù)中是否出現(xiàn)這些入侵模式， 這種檢測準(zhǔn)確度較高， 檢測結(jié)果有明確的參照性， 便于決策響應(yīng)， 缺陷是無法檢測未知的攻擊類型。無線網(wǎng)絡(luò)的IDS 系統(tǒng)， 必須考慮兩者的互補(bǔ)性結(jié)合使用， 如圖2 所示。

　　信息獲取和預(yù)處理層主要由主機(jī)探頭（HSeNSor） 和網(wǎng)絡(luò)探頭（NSensor） 組成。綜合分析決策層包含分析器（AnalysisSvr） 和數(shù)據(jù)庫（DB） ， 在獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，進(jìn)一步詳細(xì)分析和最后的決策融合， 從而制訂響應(yīng)策略和方式?？刂乒芾韺觿t是進(jìn)行人機(jī)交互、控制管理、報(bào)警融合以及態(tài)勢分析。

　　2.2 入侵單元檢測模型

　　為滿足無線網(wǎng)絡(luò)的需要， 入侵檢測與響應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)采用分布式結(jié)構(gòu)， 且協(xié)同工作。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都參與入侵檢測與響應(yīng)， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測本地入侵， 鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作檢測。在系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有獨(dú)立的入侵檢測單元， 每個(gè)單元能夠獨(dú)立運(yùn)行， 監(jiān)測本地行為（ 包括用戶和系統(tǒng)的行為、節(jié)點(diǎn)間的通信行為）， 檢測來自本地的入侵， 并發(fā)起響應(yīng)。這些入侵檢測單元共同組成無線網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測系統(tǒng)， 如圖3 所示。

　　數(shù)據(jù)采集模塊采集實(shí)時(shí)審計(jì)數(shù)據(jù)， 這些數(shù)據(jù)包含系統(tǒng)和用戶在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的操作行為、通過該節(jié)點(diǎn)的通信行為以及在通信范圍內(nèi)、通過該節(jié)點(diǎn)可觀察到的其他通信行為。協(xié)作檢測模塊的作用是傳送鄰近節(jié)點(diǎn)之間的入侵檢測狀態(tài)信息， 利用最近接收到的其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息， 計(jì)算出本節(jié)點(diǎn)的入侵檢測狀態(tài)。協(xié)作檢測的步驟如圖4 所示。

　　2.3 分析器概念模型與系統(tǒng)部署

　　分析器概念模型如圖5 所示。首先獲取來自主機(jī)探頭和網(wǎng)絡(luò)探頭的數(shù)據(jù)信息， 然后采用特征檢測、異常檢測、統(tǒng)計(jì)分析、拒絕服務(wù)檢測等多種方法進(jìn)行并行分析，把分析的結(jié)果采用特定的融合算法進(jìn)行融合， 從而得出分析結(jié)果。分析結(jié)果一方面通知控制管理層， 另一方面通知響應(yīng)決策部分， 驅(qū)動(dòng)響應(yīng)決策， 并進(jìn)行物理定位。

　　IDS 系統(tǒng)部署時(shí)， 主機(jī)探頭安裝在客戶端操作系統(tǒng)上， 而網(wǎng)絡(luò)探頭則根據(jù)其地理環(huán)境情況適當(dāng)布置， 分析機(jī)盡可能地放在用戶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)， 降低分析機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)， 系統(tǒng)應(yīng)該部署在電磁波干擾小的地方， 避免由于輻射信號(hào)不穩(wěn)定而帶來的影響。

　　3 無線網(wǎng)絡(luò)入侵檢測系統(tǒng)核心模塊實(shí)現(xiàn)

　　分布式入侵檢測系統(tǒng)分為3 個(gè)部件，（1） 探測器。對應(yīng)信息采集和預(yù)警層， 下設(shè)探頭和數(shù)據(jù)采集模塊；（2） 分析器對應(yīng)綜合分析決策層， 下設(shè)協(xié)議解碼模塊、預(yù)處理模塊和檢測分析模塊； （ 3 ） 控制管理器。對應(yīng)控制管理層， 下設(shè)規(guī)則解析模塊、日志模塊和響應(yīng)報(bào)警模塊。本文將重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)檢測與分析和規(guī)則解析三個(gè)模塊。

　　3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

　　預(yù)處理模塊對得到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行預(yù)處理， 一方面可發(fā)現(xiàn)入侵信息， 另一方面為檢測分析模塊做最后的準(zhǔn)備。預(yù)處理模塊采用了插件技術(shù)， 可以很方便地增加功能， 使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。與預(yù)處理相關(guān)的函數(shù)以鏈表的形式存在于動(dòng)態(tài)鏈接庫中， 如圖6 所示。

　　圖6 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊處理過程

　　預(yù)處理函數(shù)是由控制管理器來配置的?？刂?a target="_blank">中心將配置規(guī)則和預(yù)處理函數(shù)一起傳送到各檢測引擎， 檢測引擎在進(jìn)行規(guī)則解析時(shí)， 自行識(shí)別預(yù)處理指令， 并作相應(yīng)的處理。在IP 報(bào)文的首部包含了分片和重組的信息， 如圖7 所示。

　　圖7 IP 包（32 位） 格式

　　（1）IdenTIficATIon ： 唯一標(biāo)識(shí)發(fā)送端的一個(gè)IP 報(bào)文， 如果需要分片， 則所有分片具有相同的標(biāo)識(shí)， 這樣目標(biāo)主機(jī)便能夠根據(jù)源主機(jī)的IP 地址以及該標(biāo)識(shí)來組合報(bào)文；（2）R： 保留未用；（3）D： “ 不分片” 位， 置為1， 則IP 層不將數(shù)據(jù)報(bào)分片， 只有為0 時(shí)才允許分片；（4）F： “ 更多分片” 位， 為1 表示后面還有數(shù)據(jù)報(bào)的更多分片， 為0 則表示這是數(shù)據(jù)報(bào)的最后一個(gè)分片；（5）Fragment Offset ： 分片偏移， 指出該分片數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)報(bào)文（ 未分片前） 相對于起點(diǎn)的位置， 實(shí)際位置為偏移值乘以8， 如為0 則表示這是分片后的第一個(gè)信息包， 放在組合后分組的最前面。

　　IP 重組的函數(shù)中定義了每一個(gè)分片的結(jié)構(gòu)為：

　　STruct IpFrag

　　{

　　dint offset ； //IP 分片的偏移值

　　int end ： // 分片的最后字節(jié)

　　int len ； // 分片的長度

　　u char mff ； // 更多的分片標(biāo)志

　　unsigned char *ptr ； // 指向分片包中的數(shù)據(jù)

　　struct IpFrag *ipf next ；//鏈接的下一個(gè)分片

　　}；

　　些分片形成一個(gè)單向鏈表， 表示一個(gè)尚未組裝完的分片隊(duì)列， 它屬于一個(gè)IP 報(bào)文， 而分片鏈表的頭指針放在IpHeader 結(jié)構(gòu)中：

　　struct IpHeader

　　{

　　struct IpFrag ； // 第一個(gè)IP 分片

　　int len ； // 報(bào)文長度

　　struct timer list timer ； // 定時(shí)器

　　u_char Proto ； // 協(xié)議類型

　　u_short Ip_ttl ； // 生存時(shí)間

　　u_short id ； //IP 標(biāo)識(shí)

　　struct in addr Ip-Src ，Ip_Dst ； //IP 報(bào)文的源， 目的

　　IP 地址

　　struct IpHeader *next ； // 下一個(gè)IP 報(bào)文

　　} ；

　　IpHeader 描述還未收到全部分片報(bào)文結(jié)構(gòu)， 多個(gè)Ip-Header 構(gòu)成的鏈表形成一個(gè)重裝鏈表， 等待其他分片到達(dá)后重裝。

　　3.2 數(shù)據(jù)檢測分析模塊

　　檢測分析模塊對預(yù)處理模塊提交的數(shù)據(jù)， 運(yùn)用匹配算法和規(guī)則庫中的規(guī)則進(jìn)行比較分析， 從而判斷是否有入侵行為。檢測分析模塊是檢測引擎的核心， 它將從數(shù)據(jù)采集模塊傳來的數(shù)據(jù)順著規(guī)則鏈表與入侵規(guī)則進(jìn)行比較， 如果匹配成功， 則說明檢測到了入侵， 同時(shí)產(chǎn)生報(bào)警。其流程如圖8 所示。

　　圖8 數(shù)據(jù)檢測分析模塊流程圖

　　3.3 規(guī)則解析模塊

　　規(guī)則解析模塊將從控制中心傳送過來的規(guī)則按照一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在規(guī)則庫中， 作為對入侵行為進(jìn)行判斷分析的知識(shí)庫。在該模塊的設(shè)計(jì)中， 本文采用動(dòng)態(tài)生成鏈表的方式構(gòu)建規(guī)則的語法樹， 把所選擇的規(guī)則存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)檢測器所在的主機(jī)內(nèi)存中， 規(guī)則鏈表的結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

　　第一層是具有相同處理動(dòng)作（Alert （ 警告），Log （ 記錄），Pass（ 忽略）） 的節(jié)點(diǎn)， 以RuleListNode 結(jié)構(gòu)表示。其次，是在具有相同處理動(dòng)作的基礎(chǔ)上， 按照不同的協(xié)議類型（IP， TCP， ICMP 和UDP） 再分成幾條鏈表。而在每條鏈表中， 具有相同源IP 地址、目的IP 地址、源端口和目的端口的規(guī)則頭節(jié)點(diǎn)RuleTreeNode 構(gòu)成了結(jié)構(gòu)圖的第二層。以下的幾層由具有相同源IP 地址、目的IP 地址、源端口和目的端口所對應(yīng)的規(guī)則選項(xiàng)節(jié)點(diǎn)即tTreeNode 組成。例如在一組規(guī)則中有45 條檢測CGI-BIN 探測活動(dòng)的規(guī)則， 而它們都具有相同的源/目的IP 地址及端口號(hào)， 則它們在鏈表中可以將這些共同屬性壓縮到一個(gè)單獨(dú)的RuleTreeNode 節(jié)點(diǎn)中， 而每個(gè)不同的屬性（ 規(guī)則選項(xiàng)） 保存在與RuleTreeNode 節(jié)點(diǎn)相連的OptTreeNode 節(jié)點(diǎn)中。這樣的結(jié)構(gòu)方式， 將大大有助于提高檢測速度。

　　建立規(guī)則鏈表的流程如下： 首先讀取規(guī)則文件， 檢查規(guī)則文件是否存在并可讀， 然后依次讀取每一條規(guī)則， 同時(shí)進(jìn)行多行規(guī)則的整理； 對規(guī)則進(jìn)行解析， 按類型進(jìn)行分支處理， 并用相應(yīng)的規(guī)則語法表示， 建立規(guī)則語法樹； 最后進(jìn)行一些完善操作， 如連接所有的動(dòng)態(tài)規(guī)則，進(jìn)行規(guī)則樹的完整性檢查。其中解釋規(guī)則并將其添加到規(guī)則鏈表的流程如圖10 所示。

　　圖10 規(guī)則解析模塊流程

　　作為個(gè)人通信的一個(gè)重要的組成部分， 無線局域網(wǎng)在現(xiàn)實(shí)及未來的社會(huì)生活中將得到廣泛的應(yīng)用。無線入侵檢測技術(shù)也將必然隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展， 隨著無線網(wǎng)絡(luò)的普及和移動(dòng)設(shè)備的性能的提高而得到進(jìn)一步的發(fā)展。下一步將在本文研究的基礎(chǔ)上， 重點(diǎn)解決入侵檢測系統(tǒng)的應(yīng)用瓶頸問題， 以大幅度提升檢測準(zhǔn)確性以及大量應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的系統(tǒng)性能。
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