Full Text

В последнее время значительно обострилась проблема компьютерных атак на информационные системы различного назначения и топологий. Под компьютерной атакой (КА) понимается целенаправленное воздействие на информационные системы и информационно-телекоммуникационные сети программно-техническими средствами, осуществляемое в целях нарушения безопасности информации в этих системах и сетях. Традиционно обеспечение безопасности информационных систем (ИС) осуществлялось посредствам защиты от типовых массовых информационных атак, таких как компьютерные вирусы, мошенничество, сетевые атаки, внутренние утечки и т.д. Типовые системы защиты информации стали иметь шаблонный вид и содержать в себе набор определенных, однотипных функциональных средств, таких как межсетевые экраны, антивирусные средства и т.п., которые позволяют противостоять традиционным КА. При этом, как показала практика, при осуществлении воздействия на ИС более сложных по сценарию реализации и используемым технологиям атак, традиционные средства не обеспечивают заданный уровень безопасности информации. Кроме того, тенденцией последних лет стало появление узконаправленных компьютерных атак (целевых, таргетированных), целью которых являются конкретные коммерческие или государственные организации и их вычислительные сети. Большинство аналитических прогнозов, проводимых в данной области, свидетельствует о том, что в ближайшее время количество подобных атак будет активно возрастать [1, 2, 3]. Это обусловливает необходимость исследования проблемы и поиска эффективных с точки зрения защищенности информационной составляющей, решений. Значительную роль в повышении эффективности ИС сыграло внедрение современных комплексных подходов к безопасности (DLP, SIEM, IDS). В то же время не все из комплексных и дорогостоящих решений в области информационной безопасности позволяли решить проблему компьютерных атак. Разнообразие вариантов негативного информационного воздействия, которые могли бы служить объектами исследований, требует разработки их адекватного модельного представления с учетом сохранения адекватности модели действительному образу атаки. Понятие адекватности моделей следует рассматривать в двух аспектах: адекватность прототипу (корректность описания соответствующей атаки) и адекватность главной цели - применение адекватных мер противодействия со стороны системы защиты информации [4]. Одной из наиболее важных с точки зрения обнаружения и локализации КА на ИС является система обнаружения вторжений [5]. Разработка систем обнаружения вторжений (intruder detection system, IDS), как правило, выполняется с использованием списка правил (сигнатур) [6, 7]. Решение задачи обнаружения атаки на уровне правил, составленных администратором безопасности, имеет следующий вид (например, правила для IDS с открытым исходным кодом Suricata): alert tcp $EXTERNAL_NET any -> $NET $SSH_PORT (msg:"Possible SSH brute forcing!"; threshold: type both, track by_src, count 5, seconds 30; sid:1;) При этом существуют проблемы классического подхода формирования правил: 1. Сложность составления правил и рассмотрения всех возможных случаев атак. 2. Постоянная угроза возможности появления новых способов проникновения в сеть, для которых ещё не обновлены правила в IDS. В данной статье предлагается иной подход к решению задачи обнаружения вторжений, на основе машинного обучения, к преимуществам которого можно отнести [6]: 1. Возможность работы в изменяющихся условиях без переконфигурирования системы. 2. Возможность обнаружения новых, ранее не исследованных угроз сетевой безопасности. 3. Отсутствие высоких требований к уровню технических знаний и квалификации администраторов безопасности. При этом к недостаткам предлагаемого подхода, обусловленным стохастической природой алгоритмов ML, можно отнести следующие проблемы [5]: 1) неполное обнаружение угроз; 2) ложные срабатывания системы обнаружения вторжений; 3) невозможность определить основание принятия определенного решения предлагаемым алгоритмом. Невозможность исключения вышеназванных недостатков требует выполнения следующих требований: 1) выбора такой последовательности и параметров алгоритмов машинного обучения, которые могут быть легко интерпретируемы; 2) выбора такого алгоритма, решения которого могут быть похожи на ход мыслей человека (администратора безопасности сети); 3) выбора наиболее быстрого алгоритма выполнения задачи, способного оперативно обрабатывать трафик в режиме реального времени. Для разработки модели обнаружения компьютерных атак использована база данных UNSW-NB 15, разработанная сотрудниками Cyber Range Lab of the Australian Centre for Cyber Security [8, 9]. На рис. 1 представлена схема сети лабораторной установки, использованной для записи анализируемого трафика, с последующим выявлением признаков КА. В настоящее время разработано множество подходов для извлечения информации о сетевых соединениях для последующего интеллектуального анализа [10, 11, 12], в том числе решения, спроектированные с целью получения максимальной производительности для обработки больших объёмов данных в режиме реального времени [13, 14]. Для машинного обучения были использованы параметры данных, часть из которых представлена на рис. 2. IXIA Traffic Cenerator I1 I2 10.40.184.30 10.40.85.30 Server 1 Server 3 Server 2 (Malware) 149.171.126.0 59.166.0.0 Clients Clients Pcap Files Router 2 Firewall Router 1 Tcpdump I1: 10.40.85.1 I2: 0.40.182.1 I1: 10.40.184.1 I2: 10.40.183.1 I1: 10.40.182.3 I2: 10.40.183.3 59.166.0.0 175.45.176.0 149.171.126.0 Рис. 1. Схема сети лабораторной установки, использованной для записи трафика Рис. 2. Список части параметров используемых данных В качестве модели машинного обучения предложен случайный лес (бэггинг на деревьях принятия решений). При этом выделены преимущества выбранной модели [15]: 1) скорость работы алгоритма: параллельная работа каждого из деревьев, а также логарифмическая асимптотика спуска по дереву: на рис. 3 представлены оценки сложности классического и предлагаемого подходов систем классификации сетевого трафика; 2) возможность интерпретации: деревья решений предоставляют возможность получить данные о том, насколько часто каждый из критериев задействован для задач классификации. Число правил 2 10 15 20 25 25 20 15 10 5 0 O(n) O(log2n) Рис. 3. Асимптотическая сложность подходов к классификации трафика: O(n) - классический подход; O(log2n) - подход с использованием решающих деревьев Получаем предикат разбиения по индексу Джини: (1) Таким образом, получаем вершины дерева вида, представленного на рис. 4. С каждой вершиной ассоциируется предикат разбиения выборки по некоторому параметру, а также оценивается качество разбиения, в данном случае, используя индекс Джини. Рис. 4. Пример вершины дерева решений, используемого в ансамбле Разбиваясь на две группы, наблюдения снова разбиваются и так далее, получая дерево решений, пример которого представлен на рис. 5. Разбиение заканчивается, когда будет выполнено одно из условий остановки построения дерева решений. Как правило, это ограничение на количество разбиений, высоту дерева, количество наблюдений, ассоциированных с листовой вершиной и пр. Рис. 5. Пример трёх первых уровней дерева решений В качестве метрики качества полученной модели была выбрана F-мера - гармоническое среднее между точностью (precision) и полнотой (recall) [16]: (2) где (3) (4) где TP - верно распознанные вредоносные соединения; FP - false positive, ошибки первого рода; FN - false negative, ошибки второго рода. Оценка работы модели осуществлялась посредством кросс-валидации на пяти выборках. Подход позволяет оценить обобщающую способность алгоритма на различных подмножествах данных [17]: (5) Анализ метрик (рис. 6) позволяет сделать вывод о том, что полученная модель имеет достаточную точность определения КА, близкую к 100 %. Однако для задачи классификации с очень несбалансированной выборкой классов (обычных соединений всегда существенно больше, чем вредоносных) наиболее показательными являются метрики precision и recall [18]. Совокупность значений задействованных метрик показывает, что модель достигает приемлемого качества для использования в реальных системах даже при небольшом количестве деревьев принятия решений в ансамбле. Accuracy Precision F1 Recall Число деревьев в ансамбле 2 4 6 8 10 12 14 99,0 98,5 98,0 97,5 97,0 96,5 96,0 95,5 Рис. 6. Метрики полученной модели В ходе одного из экспериментов над разработанной моделью, была построена матрица ошибок, представленная на рис. 7. Видно, что подавляющая доля тестовых примеров была распознана корректно. Примечательно, что в ходе эксперимента не было ни одного примера вредоносного соединения, которое было распознано как безопасное. Однако нельзя быть уверенными в том, что это преимущество разработанной модели и подобное свойство будут проявляться на любых других данных. Ранжированный список параметров, которые модель посчитала важными для принятия решения, следующий: sttl, sport, djit, sintpkt, dtcpb, sbytes, dintpkt, stcpb, dbytes, smeansz, proto_icmp,dsport, dloss, spkts, dpkts, dmeansz, sloss, dttl, proto_tcp, остальные параметры имеют нулевой вклад в решение модели. Вредоносные Обычные Обычные Вредоносные Предсказанные значения 10 08 0,6 0,4 0,2 0,0 0,03 0,97 0,00 1,00 Рис. 7. Нормализованная матрица ошибок модели При этом выбор признаков получился достаточно логичным: 1. Модель считает важным порт, используемый соединением (sport, dsport), который ассоциируется с конкретным приложением. 2. Модель считает, что UDP-соединения подозрительнее TCP-соединений. 3. Модель считает, что аномальное количество потерянных пакетов в соединении является подозрительным (sloss, dloss). 4. Аналогично этому модель считает подозрительным аномальное число переданных пакетов за соединение (spkts, dpkts), а также переданных байтов (sbytes, dbytes). 5. Модель считает подозрительными соединения, в которых аномальное количество пакетов с небольшим содержимым (smeansz, dmeansz). Дальнейшая работа по совершенствованию и оценке разработанной модели предполагает ответы на следующие вопросы: 1. На каком основании модель оценивает соединения по ttl (sttl, dttl)? 2. На каком основании модель считает важным признак джиттера (разброс максимального/минимального времени прохождения пакета) для получателя, но не источника? 3. На каком основании модель считает важным начальный sequence number tcp-соединения (stcpb, dtcpb)? Кроме этого, требуется проведение фильтрации части независимых переменных модели по результатам корреляционного анализа [19]. Вместо фильтрации лишних переменных рекомендуется использовать методы уменьшения размерности, например, метод главных компонентов (principal component analysis, PCA) для замены нескольких коррелирующих переменных одной составной [20]. Таким образом, рост количества компьютерных атак на информационные системы, необходимость защиты объектов КИИ требуют поиска наиболее эффективных способов обнаружения атак. Разработанная модель, позволяет представить работу системы обнаружения вторжений, а также оценить эффективность ее функционирования.

About the authors

A. S Shaburov

Perm National Research Polytechnic University

A. S Nikitin

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 39

PDF (Russian) - 93

Refbacks

• There are currently no refbacks.