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網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議分析方法研究

文檔作者：李宏姚君文檔來源：中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年04月11日
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網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議分析方法研究
李宏姚君
中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所河北05008l
摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)速率增加以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益復(fù)雜多樣，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下每天都可能有海量數(shù)據(jù)，如何從這些數(shù)據(jù)中提取隱
藏的重要信息，以便從中發(fā)現(xiàn)異常，人們將目光投向數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，通過關(guān)聯(lián)分析、序列模式分析等算法，發(fā)掘數(shù)據(jù)間潛在
的模式，找出某些容易被忽略的信息，以便于理解和觀察的方式返回給用戶作為決策依據(jù)。本文通過對安全協(xié)議分析各個方
向研究現(xiàn)狀的闡述和分析，為安全協(xié)議分析領(lǐng)域相關(guān)研究提供參考和借鑒。
關(guān)鍵詞：安令協(xié)議；協(xié)議分析
0 l畝
隨著網(wǎng)絡(luò)速率增加以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益復(fù)雜多樣，網(wǎng)絡(luò)
環(huán)境下每天都可能有海量數(shù)據(jù)，如何從這些數(shù)據(jù)中提取隱藏
的重要信息，以便從中發(fā)現(xiàn)異常，人們將目光投向數(shù)據(jù)挖掘
技術(shù)，通過關(guān)聯(lián)分析、序列模式分析等算法，發(fā)掘數(shù)據(jù)問潛在
的模式，找出某些容易被忽略的信息，以便于理解和觀察的方
式返回給用戶作為決策依據(jù)。Lee首次將數(shù)據(jù)挖掘算法應(yīng)用于
異常檢測研究領(lǐng)域；支持向量機(jī)是數(shù)據(jù)挖掘中的一項(xiàng)新技術(shù)，
借助最優(yōu)化方法解決機(jī)器學(xué)習(xí)問題的新工具，也被廣泛用于檢
測過程中。另一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的問題求
解方法的遺傳算法，在檢測過程中用于不同目的，使用遺傳算
法取得分類規(guī)則，而將遺傳算法用于取得合適的分類規(guī)則。數(shù)
據(jù)挖掘方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)驅(qū)動形式， 不需要依靠先前觀測的
網(wǎng)絡(luò)行為模式，并且適于處理大量數(shù)據(jù)的情況，然而該方法
中各種挖掘算法太過分散，針對的數(shù)據(jù)對象差異較大。
協(xié)議自動分析技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以顯著減少人工分析的工
作量，提高對私有協(xié)議的分析效率，并使對網(wǎng)絡(luò)安全事件的
快速自動響應(yīng)成為可能。在未知協(xié)議分析領(lǐng)域，國內(nèi)外已進(jìn)
行了較為深入的研究。根據(jù)分析對象的不同，現(xiàn)有的協(xié)議分
析技術(shù)大致分為兩類：報文序~1](network trace)分析和指令執(zhí)
行序~1](execution trace)分析。
報文序列分析技術(shù)以嗅探得到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流x 為分
析對象，其可行性在于以下兩點(diǎn)：(1)單個報文樣本的數(shù)據(jù)
流為報文格式的一個實(shí)例，同一報文格式對應(yīng)的多個報文
樣本具有相似性；(2)會話是協(xié)議實(shí)體之間的完整交互過
圖
程，協(xié)議實(shí)體在一次會話中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換序列是協(xié)議狀態(tài)機(jī)
的一個子集。同一會話內(nèi)報文的時序關(guān)系包含了部分協(xié)議
狀態(tài)轉(zhuǎn)換的信息。
指令執(zhí)行序列分析技術(shù)是指以數(shù)據(jù)解析過程中的指令
執(zhí)行序列為分析對象的一類技術(shù)，其理論依據(jù)在于：(1)協(xié)議
實(shí)體接受報文的過程即報文解析的過程，通過對程序處理域
邊界及域的使用方式可以獲得協(xié)議格式的表達(dá)式和屬性
(2)完整會話的指令序列可劃分為單個報文指令序列的排列，
子序列之間的順序關(guān)系包含了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息。
雖然未知協(xié)議分析技術(shù)的可行性已得到充分驗(yàn)證，但是
由于方法本身的局限性和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，分析得到的協(xié)議描
述與理想流程的目標(biāo)還有較大的差距。目前對未知網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
分析還有以下問題尚待解決：(1)對未知網(wǎng)絡(luò)協(xié)議語義屬性提
取的研究，獲取的協(xié)議逆向描述有待進(jìn)一步完善。(2)現(xiàn)有方
案都依賴于樣本集的完備程度，如果對應(yīng)于某種格式的報文
不在樣本集中出現(xiàn)，則無法分析得到該格式的描述。(3)當(dāng)前
方案多數(shù)都沒有考慮加密協(xié)議的分析，少數(shù)指令執(zhí)行序列方
案也僅依據(jù)算術(shù)指令占全部指令的比重識別解密過程，其準(zhǔn)
確度無法保證。(4)當(dāng)前研究僅針對較為理想的單通道雙端協(xié)
議模型，沒有考慮多通道、多交互方協(xié)議等應(yīng)用場景。
目前關(guān)于安全協(xié)議分析多從以下幾個方面進(jìn)行。
1 安全協(xié)議形式化分析與信息獲取
下圖描述了安全協(xié)議信息獲取及協(xié)議數(shù)據(jù)挖掘的主要
步驟及流程。具體分為兩部分：安全協(xié)議信息獲取與安全協(xié)
議數(shù)據(jù)挖掘，如圖l所示。
2012．5 13
萬方數(shù)據(jù)
圖1 協(xié)議形式化建模流程圖
分析安全協(xié)議的目標(biāo)、缺陷及運(yùn)行環(huán)境，采用基于推理、
攻擊與證明的結(jié)構(gòu)化方法對協(xié)議進(jìn)行形式化分析，涵蓋安全
協(xié)議保密性、完整性、可證實(shí)性、不可抵賴性等特點(diǎn)進(jìn)行分
析歸納t捕獲數(shù)據(jù)報文并對報文進(jìn)行逐層分析，在捕獲和分
析過程中將數(shù)據(jù)分組以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀和IP數(shù)據(jù)報文混合的
形式表示，然后再按照TCP／IP協(xié)議棧分層統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)流量的
組成，以樹形結(jié)構(gòu)顯示分析的結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)流量獲取方法按照
實(shí)現(xiàn)機(jī)制分為兩類：一類是基于硬件特性的網(wǎng)絡(luò)流量捕獲，
一類是基于組合機(jī)的網(wǎng)絡(luò)流量捕獲。將捕獲到的數(shù)據(jù)分組按
照TCP／IP進(jìn)行分析，能獲得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組的構(gòu)成情況，尤
其是針對IP分片、TCP的連接建立、連接拆除以及TCP有
限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)變化十分有效。并且可以基于TCP連接進(jìn)行
分析，通過分析TCP的會話，從整體或更大的粒度了解網(wǎng)絡(luò)
流量特征及行為特征。并且利用該功能自主構(gòu)造IP、TCP、
ICMP、UDP等數(shù)據(jù)報文，通過構(gòu)造特殊的數(shù)據(jù)分組并控制
數(shù)據(jù)的數(shù)量和特征，模擬一些攻擊行為如IP碎片攻擊、ICMP
重定向攻擊等，并且可以在已有協(xié)議的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層、
傳輸層新協(xié)議的開發(fā)和測試。
2 安全協(xié)議數(shù)據(jù)挖掘與網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢研究
目前研究集中于分類分析、聚類分析、關(guān)聯(lián)分析、序列
模式分析等數(shù)據(jù)挖掘方法，通過網(wǎng)絡(luò)流量信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全
態(tài)勢感知，研究基于Apriori的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法、基于矩陣
的態(tài)勢規(guī)則挖掘算法，根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則對網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢進(jìn)行劃
分并進(jìn)行安全預(yù)警，為網(wǎng)絡(luò)安全攻擊與防范奠定基礎(chǔ)，通過
可視化界面，在多業(yè)務(wù)、多流量環(huán)境下基于協(xié)議分析、信息
獲取、數(shù)據(jù)挖掘等多種方法，為管理人員提供良好的可視化
平臺，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知及級別劃分，完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、
網(wǎng)管信息、鏈路信息等網(wǎng)絡(luò)信息實(shí)時監(jiān)控工具，完成對網(wǎng)絡(luò)安
全狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)安全狀態(tài)、鏈路安全狀態(tài)實(shí)時更新與監(jiān)控。基于
Apriori的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法安全態(tài)勢感知模型如圖2所示。
14 同鱉安寶技7It與匝用2012．5
■● ： ．．．■一． ■I ． _
圖2 數(shù)據(jù)挖掘算法安全態(tài)勢感知模型
(1)序列符號化：采用時間序列分段方法形成便于數(shù)據(jù)
挖掘工具處理的符號序列。
(2)數(shù)據(jù)挖掘：使用經(jīng)典的Apriori算法，可以得到滿足
最小支持度和最小置信情況下的關(guān)聯(lián)規(guī)則。
(3)對規(guī)則聚類：根據(jù)已知網(wǎng)絡(luò)攻擊對熵值序列的影響，
把關(guān)聯(lián)規(guī)則分為正?？臻g和異?？臻g，根據(jù)這些關(guān)聯(lián)規(guī)則把
網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢分成安全的，中等的，風(fēng)險等級。
3 未知安全協(xié)議分析方法研究
研究未知安全協(xié)議分析方法，首先要從現(xiàn)有未知安全協(xié)
議分析方法人手，熱悉未知安全協(xié)議分析方法?？偨Y(jié)未知安
全協(xié)議分析一般方法。建立未知安全協(xié)議分析一般模型，為
未知安全協(xié)議分析工具提供理論支持。
由于直觀實(shí)用，大多數(shù)安全協(xié)議都基于有限狀態(tài)機(jī)模型
設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，例如著名的TCP協(xié)議、RSVP協(xié)議等等。有限
狀態(tài)機(jī)(今后簡稱狀態(tài)機(jī))有很多形式模型，不同的模型適合
于不同的應(yīng)用。狀態(tài)機(jī)模型的本質(zhì)在于反映出當(dāng)程序在特定
狀態(tài)上接收到消息(事件)時，如何轉(zhuǎn)移到另一個特定的狀態(tài)。
未知安全協(xié)議分析就是從截獲的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流分析找出協(xié)議
的有限狀態(tài)機(jī)的過程。目前的未知安全協(xié)議分析有一個較為
固定的流程，圖3描述了未知協(xié)議分析主要流程。
圖3 未知協(xié)議分析一般流程圖
未知網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一般會封裝在一些已知的網(wǎng)絡(luò)層或傳輸
層數(shù)據(jù)報里，可以通過獲得已知協(xié)議報文的數(shù)據(jù)字段獲得未
知網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的會話字節(jié)流。這些字節(jié)流通常根據(jù)時間序列來
判斷其交互關(guān)系，并分別進(jìn)行分析。同一報文的不同字段之
間通常會在多次取樣中有不同的行為表現(xiàn)，可以通過大量樣
本的序列比對來對報文中各字段進(jìn)行分割。目前，對于字段
的結(jié)構(gòu)識別多采用經(jīng)驗(yàn)上的做法，獲得協(xié)議字段的語法信
萬方數(shù)據(jù)
息，再結(jié)合協(xié)議應(yīng)用場景人工推斷協(xié)議的語義信息。在獲得
多個報文的語義信息后，可根據(jù)報文的先后順序得到未知協(xié)
議中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息，并可形成狀態(tài)前綴樹(狀態(tài)機(jī)的一部
分)。之后，可以通過自動的方法將狀態(tài)轉(zhuǎn)移樹合并，獲得協(xié)
議的最小確定狀態(tài)機(jī)，即通過目前的報文所分析出的協(xié)議的
狀態(tài)機(jī)的一部分。
在以上流程為針對一般未知協(xié)議分析的通用流程，其研
究背景也局限于較為理想的單通道雙端非加密協(xié)議，且其中
很多階段的研究并不成熟。為了使未知協(xié)議的分析方法可以應(yīng)
用于未知安全協(xié)議分析，下面兩個問題將是未來研究的重點(diǎn)：
安全協(xié)議語義屬性提取方法，安全協(xié)議加密字段分析方法。
未知安全協(xié)議根據(jù)其應(yīng)用的場景和目的，其內(nèi)部包含的
語義屬性也會有所區(qū)別?？梢岳梦粗踩珔f(xié)議的應(yīng)用場景
對其內(nèi)部字段的語義屬性推斷提供新的依據(jù)，提高語義推斷
的速度和質(zhì)量。根據(jù)項(xiàng)目背景需求選擇兩種以上場景的三到
五種已知私有安全協(xié)議，分析其字段的語義信息，總結(jié)在這
些場景下協(xié)議常見語義內(nèi)容。利用之前人工分析的結(jié)論，編
寫針對特定語義內(nèi)容的協(xié)議分析引擎，針對這幾種場景下未
知的私有安全協(xié)議進(jìn)行協(xié)議分析， 比較其自動化程度與分析
準(zhǔn)確度。
在協(xié)議格式提取階段多采用同一報文格式的多個報文
之間進(jìn)行比對，獲得報文的特征并由此識別報文字段。在加
密協(xié)議中，經(jīng)過加密的報文特征經(jīng)過處理很難通過直接比對
獲得，需要采用新的方法進(jìn)行協(xié)議格式提取。即使在加密協(xié)
議中，也會存在非加密字段，通過對非加密字段的解析有助
于推斷加密字段的語義信息。同時，不同的加密方法會在數(shù)
據(jù)流中留下相應(yīng)特征，通過對這些特征的解析可以推斷加密
協(xié)議所可能采用的加密方法。
以上兩個問題是制約目前未知安全協(xié)議分析依賴人工，
自動化程度不高和適用范圍窄的關(guān)鍵問題。通過對這幾個問
題的解決有助于安全協(xié)議分析工具對未知安全協(xié)議分析部分的
實(shí)現(xiàn)，可以提高未知安全協(xié)議分析的自動化和精細(xì)化程度。
4 結(jié)論
本文通過對安全協(xié)議分析各個方向研究現(xiàn)狀的闡述和
分析，為安全協(xié)議分析領(lǐng)域相關(guān)研究提供參考和借鑒。
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