(洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003)
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的迅速普及,人們越來越依賴網(wǎng)絡(luò),同時針對計算機和網(wǎng)絡(luò)的攻擊也變得越來越普遍,網(wǎng)絡(luò)安全面臨新的挑戰(zhàn)[1]。目前網(wǎng)絡(luò)正朝著大規(guī)模、高度分布式的方向發(fā)展,入侵攻擊行為也正朝著規(guī)?;?、分布式、復(fù)雜化、多樣化、智能化等方向發(fā)展和演化[2]。日益嚴(yán)峻的安全威脅迫使各職能部門不得不加強對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全防護,不斷追求多層次、立體化的安全防御體系,逐步建立了以網(wǎng)絡(luò)入侵檢測、網(wǎng)絡(luò)防火墻、防病毒系統(tǒng)、終端監(jiān)控系統(tǒng)等大量異構(gòu)安全防御技術(shù)為基礎(chǔ)的縱深防御體系[3]。然而,如果安全防御體系仍然以孤立的單點防御為主,相互間缺乏有效協(xié)作,必將形成一個個的安全“孤島”,無法體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全局安全態(tài)勢。因此,網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知系統(tǒng)的發(fā)展趨勢就是要采集并融合處理多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)數(shù)據(jù),從而做到對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的全面監(jiān)控,及時掌握網(wǎng)絡(luò)安全狀況。
網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)采集的目的是為網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐,防御體系中各類安全傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式存在差異,數(shù)據(jù)之間相互支持或互補,也可能相互矛盾,必然給數(shù)據(jù)采集和利用帶來一定困難。因此,有必要設(shè)計一種網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)采集模型,實時采集各類安全傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示和管理,消除語義理解差異,融合處理各類安全數(shù)據(jù),同時鑒于網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的快速發(fā)展和設(shè)備的不斷更新,設(shè)計的數(shù)據(jù)采集模型必須具備可擴展性。
Agent是一種在分布式系統(tǒng)或協(xié)作系統(tǒng)中能持續(xù)自主地發(fā)揮作用的計算實體,常簡稱為智能體或主體。由于Agent具有自治性、社會能力、反應(yīng)性、能動性、開放性和魯棒性等特點,將其應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中能夠在全網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)進行統(tǒng)一部署,具有良好的跨平臺性和可伸縮性。Agent在配置和更新過程中對網(wǎng)絡(luò)和主機資源的低開銷,使得系統(tǒng)瓶頸出現(xiàn)的可能得到了減少。
語義網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得一系列計算機可理解和處理的表達語義信息的語言和技術(shù)得以誕生,以支持對網(wǎng)絡(luò)中多源異構(gòu)和分布的信息提供智能訪問,使得萬維網(wǎng)上的信息具有計算機可以理解的語義。語義網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1[4]所示。通過語義網(wǎng)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對信息資源的統(tǒng)一描述,建立信息資源之間的語義聯(lián)系,使得各計算機程序能夠進行語義上的相互交流。
圖1 語義網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)圖
語義Agent技術(shù)是語義網(wǎng)技術(shù)與Agent技術(shù)兩者的結(jié)合。語義網(wǎng)技術(shù)為傳統(tǒng)Agent技術(shù)的研究注入了新鮮的血液和活力,將語義網(wǎng)技術(shù)引入Agent,使得Agent能夠更加有效地實現(xiàn)知識的表示、獲取、共享和更新,進行語義層次上的分析和推理,使得Agent 之間的交互和協(xié)作更加方便快捷[5]。
基于Agent的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集已經(jīng)有過很多研究[6~7],基于相關(guān)語義技術(shù)如XML 的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集也有過相關(guān)研究[8],但是目前還沒有人將數(shù)據(jù)的語義表示與基于Agent的數(shù)據(jù)采集結(jié)合使用,而對數(shù)據(jù)的語義表示存在易于使用、便于集成等諸多優(yōu)點,如果在采集后再對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一語義表示,由于數(shù)據(jù)存儲時間長等原因,可能造成對數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)表示意義等的模糊混亂問題。為此,本文考慮在存儲數(shù)據(jù)之前完成數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)的語義表示這兩個動作,建立基于語義Agent的網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)采集模型。
為全面采集網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù),需要對網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)源進行分析,確定數(shù)據(jù)采集對象,并對采集數(shù)據(jù)類型進行劃分,從而為采集方法的制定和采集工具的設(shè)計實現(xiàn)提供支撐。分別對入侵檢測系統(tǒng)、防火墻、終端監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)防病毒系統(tǒng)和漏洞掃描系統(tǒng)這幾類常見的安全數(shù)據(jù)源[9]及其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型進行分析。
1)入侵檢測系統(tǒng)
作為網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的重要組成部分和其他安全系統(tǒng)的重要補充,入侵檢測系統(tǒng)發(fā)揮著越來越重要的作用。入侵檢測系統(tǒng)分為基于主機的和基于網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測系統(tǒng)兩種。入侵檢測系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)是其產(chǎn)生的虛假錯誤警報以及漏報,其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)形式是報警日志,由于其可能產(chǎn)生虛假錯誤警報,使得有必要通過其他安全系統(tǒng)來彌補這一缺陷,并通過其他系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)安全進行補充,在后期數(shù)據(jù)處理中要著重解決虛假信息的問題。
2)防火墻
防火墻是建立在內(nèi)外網(wǎng)邊界上的過濾封鎖機制,其認(rèn)為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)是安全和可信賴的,而外部網(wǎng)絡(luò)是不安全和不可靠的。防火墻具有訪問控制、內(nèi)容控制、流量控制等功能,從而可以防止不希望的、未經(jīng)授權(quán)的通信進出被保護的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。防火墻產(chǎn)生的安全數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)訪問日志,記錄網(wǎng)絡(luò)訪問情況,包括內(nèi)外網(wǎng)進出的訪問,并記錄在什么時間進行了什么操作。
3)終端監(jiān)控系統(tǒng)
終端監(jiān)控系統(tǒng)主要通過相關(guān)手段對終端的文件操作、配置修改、網(wǎng)絡(luò)連接、系統(tǒng)服務(wù)、內(nèi)存使用等進行監(jiān)控。常用的終端監(jiān)控方式包括進程監(jiān)控、服務(wù)監(jiān)控、注冊表監(jiān)控、操作系統(tǒng)性能監(jiān)控等。相關(guān)性能數(shù)據(jù)包括CPU 利用率、內(nèi)存利用率、磁盤I/O、數(shù)據(jù)庫并發(fā)用戶數(shù)、注冊表信息修改、系統(tǒng)文件修改等。
4)網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測
網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測的主要目的是發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置,并進一步發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的危險,更加有效地進行網(wǎng)絡(luò)性能管理,提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的驗證和控制,對服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)進行量化、比較和驗證。衡量網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)主要包括網(wǎng)絡(luò)連通性、帶寬利用率、網(wǎng)絡(luò)延遲等。
5)網(wǎng)絡(luò)防病毒系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)防病毒系統(tǒng)通過在網(wǎng)絡(luò)層、郵件網(wǎng)關(guān)、Web網(wǎng)關(guān)、群件、應(yīng)用服務(wù)器、客戶端等節(jié)點進行病毒攔截,實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的全方位、多層次防毒。網(wǎng)絡(luò)防病毒系統(tǒng)產(chǎn)生的安全數(shù)據(jù)是病毒攔截日志。
6)漏洞掃描系統(tǒng)
漏洞掃描系統(tǒng)的主要功能是識別網(wǎng)絡(luò)中終端的工作狀態(tài)(開機/關(guān)機)、識別端口狀態(tài)(監(jiān)聽/關(guān)閉)、識別系統(tǒng)及服務(wù)類型和版本、掃描并分析系統(tǒng)漏洞和泄露,生成掃描結(jié)果和各式報告。
計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜龐大,運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有多源、海量、異構(gòu)等特點,由于種種原因很難全面、及時、準(zhǔn)確地獲取這些數(shù)據(jù)。因此,只能退而求其次,選取具有代表性、信息量相對豐富、采集容易、可靠度較高以及冗余度較低的數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集對象。同時考慮各數(shù)據(jù)源之間存在數(shù)據(jù)交叉和數(shù)據(jù)互補,應(yīng)盡量擴大數(shù)據(jù)采集覆蓋面。由于數(shù)據(jù)實時采集會對系統(tǒng)帶來一定的開銷,嚴(yán)重時會影響系統(tǒng)性能,為此,通過對數(shù)據(jù)進行分析,將數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)[10]。
靜態(tài)數(shù)據(jù)是指來自終端監(jiān)控系統(tǒng)、漏洞掃描系統(tǒng)和防火墻等系統(tǒng)中靜態(tài)配置的安全信息,這些目標(biāo)系統(tǒng)配置信息是相對穩(wěn)定的信息,基本不隨網(wǎng)絡(luò)攻擊發(fā)生變化,不需要實時采集,只需存放在數(shù)據(jù)庫中定時更新。
動態(tài)數(shù)據(jù)是指受網(wǎng)絡(luò)攻擊影響實時產(chǎn)生的數(shù)據(jù),包括日志數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、SNMP 數(shù)據(jù)和Net-Flow 數(shù)據(jù)。
日志數(shù)據(jù)包括文件日志、協(xié)議日志和API日志等,主要從主機、路由器、交換機以及其他安全系統(tǒng)產(chǎn)生的日志,如入侵檢測系統(tǒng)生成的報警日志等。
服務(wù)數(shù)據(jù)包括服務(wù)配置文件信息、關(guān)鍵進程狀態(tài)信息、服務(wù)漏洞數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)等。
SNMP數(shù)據(jù)是指根據(jù)SNMP協(xié)議實時采集的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備和終端設(shè)備等設(shè)備管理信息庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)。
NetFlow 數(shù)據(jù)是指網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備產(chǎn)生的Net-Flow 數(shù)據(jù)。
依據(jù)網(wǎng)絡(luò)縱深防御體系,設(shè)計如圖2所示的基于語義Agent的網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)采集模型,該模型采用三層架構(gòu)形式,包括數(shù)據(jù)采集層、管理層和融合存儲層。
圖2 基于語義Agent的網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)采集模型
根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型,各層次的功能為:
1)數(shù)據(jù)采集層
數(shù)據(jù)采集層由各數(shù)據(jù)采集Agent組成,采用分布式數(shù)據(jù)采集框架,將各數(shù)據(jù)采集Agent獨立部署在網(wǎng)絡(luò)中,各數(shù)據(jù)采集Agent與入侵檢測系統(tǒng)、防火墻等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備或系統(tǒng)直接相連,根據(jù)數(shù)據(jù)采集對象的不同部署配置具有相應(yīng)采集功能的數(shù)據(jù)采集Agent,通過Agent讀取捕獲各設(shè)備信息或系統(tǒng)輸出信息文件,并對數(shù)據(jù)進行分析處理。
2)管理層
管理層由各管理Agent構(gòu)成,各管理Agent實現(xiàn)對各個采集Agent的啟停管理、狀態(tài)監(jiān)控,以及采集規(guī)則或策略的動態(tài)調(diào)整等,并對數(shù)據(jù)采集Agent上傳的安全數(shù)據(jù)進行語義封裝,將封裝后的數(shù)據(jù)匯聚到語義融合Agent。
3)融合存儲層
融合存儲層由安全信息數(shù)據(jù)庫和語義融合Agent構(gòu)成,安全信息數(shù)據(jù)庫用于對采集的數(shù)據(jù)進行存儲管理,語義融合Agent用于對匯聚的安全數(shù)據(jù)進行融合處理,并將融合后數(shù)據(jù)統(tǒng)一定向到安全信息數(shù)據(jù)庫中。
為了適應(yīng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)特性,本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)采集模型具有系統(tǒng)可擴展、分布式采集、集中式管理、統(tǒng)一語義封裝、數(shù)據(jù)融合等特點。
1)系統(tǒng)可擴展
新的網(wǎng)絡(luò)安全問題會不斷出現(xiàn),如果系統(tǒng)具備可擴展能力,可以使系統(tǒng)能夠不斷發(fā)展和擴充,從而能夠及時適應(yīng)新型安全設(shè)備數(shù)據(jù)采集需求。由系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)模型可知,每個數(shù)據(jù)采集Agent對應(yīng)一個管理Agent,每對“管理-采集”Agent之間采用內(nèi)部通信協(xié)議進行交互。這種結(jié)構(gòu)使得管理與采集分開,通過管理Agent作為數(shù)據(jù)庫和采集工具的溝通媒介,使得管理接口編寫可以獨立于具體的采集工具,系統(tǒng)更為通用;采集工具不再受制于管理方式的變化,使得系統(tǒng)進一步兼容了采集工具的差異性。
2)分布式采集
對于大規(guī)模計算機網(wǎng)絡(luò),安全數(shù)據(jù)采集點多,采集模型依據(jù)Agent是一種分布式系統(tǒng)中的智能體的特點,將Agent思想融入數(shù)據(jù)采集工具中,將各個安全數(shù)據(jù)采集Agent獨立部署在計算機網(wǎng)絡(luò)中,并通過一個語義融合Agent對各采集Agent的數(shù)據(jù)進行融合處理。
3)集中式管理
管理Agent與采集Agent之間通過內(nèi)部協(xié)議進行交互,各管理Agent對外接口一致,使得系統(tǒng)可以通過統(tǒng)一的接口對采集Agent集中控制管理,而具體的控制操作則由管理Agent進行解釋執(zhí)行,這樣就使得不同的Agent在采集數(shù)據(jù)的同時能夠接受統(tǒng)一管理。
4)統(tǒng)一語義封裝
為了避免數(shù)據(jù)歧義,解決多源數(shù)據(jù)引起的數(shù)據(jù)異構(gòu)問題,模型采用語義表示方法,將各采集Agent采集的數(shù)據(jù)進行語義封裝,實現(xiàn)了安全數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表示,避免了數(shù)據(jù)歧義和數(shù)據(jù)異構(gòu)帶來的數(shù)據(jù)共享難題。
5)數(shù)據(jù)融合
在由不同類型安全設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)防御體系中,同一個攻擊往往會在各個安全設(shè)備上留下痕跡,這些異構(gòu)的安全設(shè)備從不同側(cè)面反映攻擊的影響。因而,對各安全設(shè)備的數(shù)據(jù)采集結(jié)果,必然存在一定的冗余,模型對匯聚后的數(shù)據(jù)進行語義融合,利用來自多個安全數(shù)據(jù)源信息的互補性,可降低安全數(shù)據(jù)信息的冗余度,并為后續(xù)應(yīng)用提供更加全面、可靠、準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)。
圖3為本文設(shè)計的安全數(shù)據(jù)采集框架的數(shù)據(jù)采集流程。用戶在采集數(shù)據(jù)前對數(shù)據(jù)采集策略進行設(shè)置,由管理層各管理Agent對采集策略進行解釋,傳達給采集層對應(yīng)數(shù)據(jù)采集Agent,數(shù)據(jù)采集Agent在接收到管理信息后,啟動采集進程,采集所需安全數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行分析處理和格式化。各數(shù)據(jù)采集Agent通過內(nèi)部協(xié)議將格式化數(shù)據(jù)傳輸給相應(yīng)管理Agent,由管理Agent完成語義封裝,通過統(tǒng)一外部協(xié)議將語義數(shù)據(jù)匯聚到語義融合Agent,完成安全數(shù)據(jù)融合,將數(shù)據(jù)存入安全信息數(shù)據(jù)庫。
圖3 安全數(shù)據(jù)采集流程
結(jié)合Agent在主動性和智能性等方面的優(yōu)勢和語義網(wǎng)技術(shù)在異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一描述方面的優(yōu)勢,設(shè)計數(shù)據(jù)采集Agent、管理Agent和語義融合Agent。
1)數(shù)據(jù)采集Agent
對于不同種類的安全數(shù)據(jù)類型,需要開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集Agent,比如日志類、服務(wù)類數(shù)據(jù)采集Agent等。各類數(shù)據(jù)采集Agent采集內(nèi)容與方式不同,但功能框架基本一致,主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)格式化等模塊,如圖4所示。
數(shù)據(jù)采集模塊從各個安全數(shù)據(jù)源采集相關(guān)信息,采集內(nèi)容不同,采用的方法和相關(guān)協(xié)議也不同。如網(wǎng)元信息采集采用SNMP 協(xié)議,流量信息采集采用NetFlow 協(xié)議等。
數(shù)據(jù)分析處理模塊接收數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù),負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理,包括統(tǒng)計分析、關(guān)聯(lián)分析、指標(biāo)計算等。
數(shù)據(jù)格式化模塊通過對數(shù)據(jù)過濾、約簡和合并等,按照制定的格式進行數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。
圖4 數(shù)據(jù)采集Agent功能框架
2)管理Agent
管理Agent負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集Agent的接入和管理,主要包括數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)格式化處理和數(shù)據(jù)集成封裝等模塊,如圖5所示。
圖5 管理Agent功能框架
數(shù)據(jù)接入模塊負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集Agent采集的數(shù)據(jù),能適應(yīng)采集的不同格式要求,完成對各類數(shù)據(jù)采集Agent的接入。
數(shù)據(jù)格式化處理模塊對接收的各類數(shù)據(jù)進行格式統(tǒng)一,完成數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換,從而屏蔽各采集Agent細節(jié),為數(shù)據(jù)集成封裝模塊提供統(tǒng)一格式數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)集成封裝模塊采用XML、本體等語義網(wǎng)技術(shù)對格式化后的數(shù)據(jù)進行語義封裝。
3)語義融合Agent
語義融合Agent負(fù)責(zé)匯聚和融合處理各管理Agent上傳的語義數(shù)據(jù),主要包括數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)持久化等模塊,如圖6所示。
圖6 語義融合Agent功能框架
數(shù)據(jù)匯聚模塊負(fù)責(zé)將各個管理Agent封裝的語義數(shù)據(jù)進行匯聚,根據(jù)數(shù)據(jù)時間戳、對象等屬性,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模塊。
數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模塊通過對匯聚的語義數(shù)據(jù)進行分析,依據(jù)數(shù)據(jù)采集對象等屬性,將從多個數(shù)據(jù)源獲取的語義數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián),為數(shù)據(jù)融合奠定基礎(chǔ)。
數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)果,將關(guān)聯(lián)后的數(shù)據(jù)通過冗余化處理、數(shù)據(jù)清洗、合并等過程進行融合,充分利用數(shù)據(jù)源的多源異構(gòu)特性,實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)的相互補充。
數(shù)據(jù)持久化模塊將融合后的語義數(shù)據(jù),存入數(shù)據(jù)庫中,為網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢顯示系統(tǒng)或其他系統(tǒng)提供可用數(shù)據(jù)源。
本文首先對網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)特性進行分析,并對Agent技術(shù)和語義網(wǎng)技術(shù)進行了介紹,在此基礎(chǔ)上,將語義網(wǎng)技術(shù)和Agent技術(shù)相結(jié)合,給出基于語義Agent的網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)采集模型,對該模型的功能、特點、數(shù)據(jù)采集流程進行了詳細說明,并對模型中的各類Agent進行了具體設(shè)計說明。本文提出一種新的、將Agent和語義網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集方法,并設(shè)計出數(shù)據(jù)采集框架,對多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)采集具有一定的指導(dǎo)意義。
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