一種可靠檢測(cè)低速率DDoS攻擊的異常檢測(cè)系統(tǒng)

引 言

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(如互聯(lián)網(wǎng))的依賴(lài)性愈來(lái)愈強(qiáng)，從而，網(wǎng)絡(luò)安全的重要性不言而喻。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，檢測(cè)分布式拒絕服務(wù)攻擊(Distributed Denialof Service，DDoS)一直是重要研究?jī)?nèi)容。在入侵檢測(cè)方面有兩類(lèi)系統(tǒng)：基于主機(jī)的入侵檢測(cè)系統(tǒng)(IDS)和基于網(wǎng)絡(luò)的IDS。基于網(wǎng)絡(luò)的IDS以網(wǎng)絡(luò)流量為檢測(cè)對(duì)象，它又可分為兩類(lèi)：誤用檢測(cè)和異常檢測(cè)。誤用檢測(cè)基于以往攻擊事件的特征庫(kù)，故誤用檢測(cè)的IDS能準(zhǔn)確檢測(cè)舊式攻擊。誤用檢測(cè)對(duì)新變種的DDoS攻擊顯得無(wú)力，因?yàn)樾伦兎N的DDoS攻擊的新特征尚不在特征庫(kù)內(nèi)，故可以百分之百地逃避誤用檢測(cè)。本文工作屬異常檢測(cè)。

異常檢測(cè)適合新變種的DDoS攻擊。但是，若把異常流量判別為正常則出現(xiàn)漏報(bào)。對(duì)于一次報(bào)警，把異常流量識(shí)別為異常的概率有多大?漏報(bào)概率有多大?這些是異常檢測(cè)的可靠報(bào)警問(wèn)題，也是異常檢測(cè)的棘手問(wèn)題。所謂可靠報(bào)警，是指所采用的異常檢測(cè)器在原理上就具備那樣的特性，用戶(hù)可預(yù)先設(shè)定報(bào)警概率和漏報(bào)概率?？煽繄?bào)警是該文研究的IDS的主要特點(diǎn)。

傳統(tǒng)DDoS攻擊的基本特點(diǎn)是數(shù)據(jù)速率特別高。故IDS常按高速率檢測(cè)，包括以前的工作。近年來(lái)，出現(xiàn)了一種低速率DDoS攻擊，其目的是逃避常規(guī)IDS。因此，如何可靠地檢測(cè)低速率DDoS攻擊成了有意義的研究。本文提出一種可靠檢測(cè)低速率DDoS攻擊的IDS。它由三部分組成：網(wǎng)絡(luò)流量的實(shí)時(shí)采集模塊；檢測(cè)決策模塊；報(bào)警模塊。整個(gè)系統(tǒng)，其輸入是網(wǎng)絡(luò)流量，輸出是就異常流量發(fā)出的報(bào)警信號(hào)。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能按用戶(hù)指定的檢測(cè)概率做出決策和報(bào)警。

1低速率DDoS攻擊的特點(diǎn)

這里討論的低速率攻擊，是攻擊者以TCP協(xié)議為目標(biāo)，通過(guò)RTO計(jì)時(shí)器，在鏈接中制造運(yùn)行中斷，從而導(dǎo)致TCP控制機(jī)構(gòu)擁塞。進(jìn)行攻擊的數(shù)據(jù)流是具有一定周期的方波。攻擊流量的速率低，卻有高的攻擊效率。

TCP協(xié)議中，RTO是個(gè)重要的值。采用RTO是為了保證網(wǎng)絡(luò)有足夠的時(shí)間從擁塞中恢復(fù)過(guò)來(lái)。如果RTO過(guò)大，出現(xiàn)報(bào)文丟失，TCP需要等待過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間才能重傳報(bào)文，增加了TCP報(bào)文傳輸時(shí)間。如果RTO過(guò)小，會(huì)引起不必要的重傳，同時(shí)會(huì)錯(cuò)誤地觸發(fā)TCP的超時(shí)重傳算法，降低了TCP的發(fā)送速率，從而降低了TCP的性能。下面介紹攻擊的原理。

設(shè)TCP的RTO值為1 s，攻擊者在0時(shí)刻制造了一個(gè)運(yùn)行中斷。TCP發(fā)送者要等待1 s重傳并且將RTO加倍。如果攻擊者在1 s和RTT間又制造了一個(gè)運(yùn)行中斷，將迫使TCP再等2 s，攻擊者可以利用KAM算法，在3 s，7 s，15 s，…時(shí)通過(guò)制造相似的運(yùn)行中斷。如此，就能用很低的平均速率進(jìn)行攻擊，使服務(wù)器對(duì)TCP流拒絕服務(wù)?？梢?jiàn)，若DDoS周期和RTO相近，則TCP會(huì)一直發(fā)生丟包事件。于是，結(jié)束超時(shí)重傳的狀態(tài)就一直不變，最終導(dǎo)致吞吐量幾乎為0。因此，低速率攻擊的關(guān)鍵就是攻擊者能否對(duì)RTO進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。另外，脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短也很重要。文獻(xiàn)[5]指出，當(dāng)l=maxi{RTTi}且T=RTO時(shí)，攻擊效率很高。

簡(jiǎn)言之，和高速率攻擊相比，低速率DDoS攻擊的一個(gè)最大特點(diǎn)就是集中在某一小時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)送惡意數(shù)據(jù)，從而使得攻擊數(shù)據(jù)流的平均速率比較小，以逃避常規(guī)IDS的檢測(cè)。

2 IDS結(jié)構(gòu)及功能

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

本文討論的IDS主要由三個(gè)模塊組成，各模塊的名稱(chēng)及功能如下：

數(shù)據(jù)采集與萃取模塊 此模塊是基于LIBPCAP函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的。封裝為C++類(lèi)，可方便嵌入入侵檢測(cè)系統(tǒng)，作為前端流量采集與信息萃取模塊?？紤]到IDS是一類(lèi)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，該模塊的設(shè)計(jì)原則是所測(cè)流量足夠后面的異常檢測(cè)用即可。就本文講述的系統(tǒng)，信息萃取是從測(cè)得的數(shù)據(jù)包中提取包長(zhǎng)度信息。

攻擊識(shí)別與決策模塊 由用戶(hù)按設(shè)定的識(shí)別概率和漏報(bào)概率做異常流量檢測(cè)。

報(bào)警模塊 根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的識(shí)別概率和漏報(bào)概率對(duì)發(fā)生的攻擊采取多種方式進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面分別描述各模塊的結(jié)構(gòu)。

2.2數(shù)據(jù)采集與萃取模塊

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包捕獲

利用LIBPCAP函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的捕獲，該庫(kù)所提供的主要功能函數(shù)有(見(jiàn)LIBPCAP手冊(cè))：

pcap_open_live()：獲取捕獲數(shù)據(jù)包的描述符，用于查看網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳輸；

pcap_lookupdev()：返回供pcap_open_live()使用的設(shè)備指針；

pcap_open_offline()：打開(kāi)數(shù)據(jù)包文件以供離線(xiàn)分析；

pcap_dump_open()：打開(kāi)文件以供寫(xiě)入數(shù)據(jù)包；

pcap_setfilter()：設(shè)置數(shù)據(jù)包過(guò)濾器程序；

pcap_loop()：?jiǎn)?dòng)數(shù)據(jù)包捕獲。

數(shù)據(jù)包捕獲過(guò)程如圖2所示。