網(wǎng)絡(luò)攻擊過程的形式化描述方法研究

0引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)顯得越來越重要。入侵檢測(cè)是繼防火墻技術(shù)之后用來解決網(wǎng)絡(luò)安全問題的一門重要技術(shù)。該技術(shù)用來確定是否存在試圖破壞系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源的完整性、保密性和可用性的行為。這些行為被稱之為入侵。隨著入侵行為的不斷演變，入侵正朝著大規(guī)模、協(xié)同化方向發(fā)展。面對(duì)這些日趨復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)入侵行為，采用什么方法對(duì)入侵過程進(jìn)行描述以便更為直觀地研究入侵過程所體現(xiàn)出的行為特征已成為入侵檢測(cè)技術(shù)所要研究的重要內(nèi)容。顯然，可以采用自然語(yǔ)言來描述入侵過程。該方法雖然直觀，但存在語(yǔ)義不確切、不便于計(jì)算機(jī)處理等缺點(diǎn)。Tidwell提出利用攻擊樹來對(duì)大規(guī)模入侵建模，但攻擊樹及其描述語(yǔ)言均以攻擊事件為主體元素，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變化描述能力有限[1，2]。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)狀態(tài)；不同的系統(tǒng)狀態(tài)代表不同的含義，這些狀態(tài)可能為正常狀態(tài)，也可能為異常狀態(tài)。但某一時(shí)刻，均存在某種確定的狀態(tài)與系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)。而系統(tǒng)無論如何運(yùn)行最終均將處于一種終止?fàn)顟B(tài)（正常結(jié)束或出現(xiàn)故障等），即系統(tǒng)的狀態(tài)是有限的。系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程可以用確定的有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)（Deterministic Finite Automation，DFA）進(jìn)行描述。這種自動(dòng)機(jī)的圖形描述（即狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖）使得入侵過程更為直觀，能更為方便地研究入侵過程所體現(xiàn)出的行為特征。下面就采用自動(dòng)機(jī)理論來研究入侵過程的形式化描述方法。

1有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)理論

有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)M是一種自動(dòng)識(shí)別裝置，它可以表示為一個(gè)五元組：

2入侵過程的形式化描述

入侵過程異常復(fù)雜導(dǎo)致入侵種類的多種多樣，入侵過程所體現(xiàn)出的特征各不相同，采用統(tǒng)一的形式化模型進(jìn)行描述顯然存在一定的困難。下面采用有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)對(duì)一些典型的入侵過程進(jìn)行描述，嘗試找出它們的特征，以尋求對(duì)各種入侵過程進(jìn)行形式化描述的方法。

下面采用有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)理論對(duì)SYN－Flooding攻擊等一些典型的入侵過程進(jìn)行形式化描述。

2．1SYN－Flooding攻擊

Internet中TCP協(xié)議是一個(gè)面向連接的協(xié)議。當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，它們首先需要通過三次握手信號(hào)建立連接。設(shè)主機(jī)A欲訪問服務(wù)器B的資源，則主機(jī)A首先要與服務(wù)器B建立連接，具體過程如圖1所示。首先主機(jī)A先向服務(wù)器B發(fā)送帶有SYN標(biāo)志的連接請(qǐng)求。該數(shù)據(jù)包內(nèi)含有主機(jī)A的初始序列號(hào)x；服務(wù)器B收到SYN包后，狀態(tài)變?yōu)镾YN.RCVD，并為該連接分配所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。然后服務(wù)器B向主機(jī)A發(fā)送帶有SYN/ACK標(biāo)志的確認(rèn)包。其中含有服務(wù)器B的連接初始序列號(hào)y，顯然確認(rèn)序列號(hào)ACK為x+1，此時(shí)即處于所謂的半連接狀態(tài)。主機(jī)A接收到SYN/ACK數(shù)據(jù)包后再向服務(wù)器B發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包，此時(shí)ACK確認(rèn)號(hào)為y+1；服務(wù)器B接收到該確認(rèn)數(shù)據(jù)包后狀態(tài)轉(zhuǎn)為Established，至此，連接建立完畢。這樣主機(jī)A建立了與服務(wù)器B的連接，然后它們就可以通過該條鏈路進(jìn)行通信[4]。

上面為TCP協(xié)議正常建立連接的情況。但是，如果服務(wù)器B向主機(jī)A發(fā)送SYN/ACK數(shù)據(jù)包后長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)得不到主機(jī)A的響應(yīng)，則服務(wù)器B就要等待相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間；如果這樣的半連接過多，則很可能消耗完服務(wù)器B用于建立連接的資源（如緩沖區(qū)）。一旦系統(tǒng)資源消耗盡，對(duì)服務(wù)器B的正常連接請(qǐng)求也將得不到響應(yīng)，即發(fā)生了所謂的拒絕服務(wù)攻擊（Denial of Service，DoS）。這就是SYN－Flooding攻擊的基本原理。

SYN－Flooding攻擊的具體過程如下：攻擊者Intruder偽造一個(gè)或多個(gè)不存在的主機(jī)C，然后向服務(wù)器B發(fā)送大量的連接請(qǐng)求。由于偽造的主機(jī)并不存在，對(duì)于每個(gè)連接請(qǐng)求服務(wù)器B因接收不到連接的確認(rèn)信息而要等待一段時(shí)間，這樣短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了大量處于半連接狀態(tài)的連接請(qǐng)求，很快就耗盡了服務(wù)器B的相關(guān)系統(tǒng)資源，使得正常的連接請(qǐng)求得不到響應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)生拒絕服務(wù)攻擊。下面采用有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)描述SYN－Floo－ding攻擊過程。

2．2IP－Spoofing入侵過程

攻擊者想要隱藏自己的真實(shí)身份或者試圖利用信任主機(jī)的特權(quán)以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他主機(jī)的攻擊，此時(shí)攻擊者往往要偽裝成其他主機(jī)的IP地址。假設(shè)主機(jī)A為服務(wù)器B的信任主機(jī)，攻擊者Intruder若想冒充主機(jī)A與服務(wù)器B進(jìn)行通信，它需要盜用A的IP地址。具體過程[5]如下：

（1）攻擊者通過DoS等攻擊形式使主機(jī)A癱瘓，以免對(duì)攻擊造成干擾。

（2）攻擊者將源地址偽裝成主機(jī)A，發(fā)送SYN請(qǐng)求包給服務(wù)器B要求建立連接。

（3）服務(wù)器B發(fā)送SYN－ACK數(shù)據(jù)包給主機(jī)A，此時(shí)主機(jī)A因處于癱瘓狀態(tài)已不能接收服務(wù)器B的SYN－ACK數(shù)據(jù)包。

（4）攻擊者根據(jù)服務(wù)器B的回應(yīng)消息包對(duì)后續(xù)的TCP包序列號(hào)y進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（5）攻擊者再次偽裝成主機(jī)A用猜測(cè)的序列號(hào)向服務(wù)器B發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包，以完成三次握手信號(hào)并建立連接。

分別表示Land攻擊、SYN－Flooding攻擊和DDoS攻擊。通信函數(shù)表示為Communication(Res－h(huán)ost, Des－h(huán)ost, Syn－no, Ack－no)。其中Res－h(huán)ost、Des－h(huán)ost分別為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)地址，Syn－no、Ack－no分別為同步和應(yīng)答序列號(hào)。通信及其他函數(shù)集具體定義如下：

2．3IP分片攻擊

數(shù)據(jù)包在不同的網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)，由于各種網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的協(xié)議可能有所差異，不同物理網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸單元MTU（即最大包長(zhǎng)度）可能不同；這樣當(dāng)數(shù)據(jù)包從一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)物理網(wǎng)絡(luò)時(shí)，如果該網(wǎng)絡(luò)的MTU不足以容納完整的數(shù)據(jù)包，那么就需要利用數(shù)據(jù)包分解的方法來解決。這樣大的數(shù)據(jù)包往往分解成許多小的數(shù)據(jù)包分別進(jìn)行傳輸。攻擊者常常利用這一技術(shù)將其攻擊數(shù)據(jù)分散在各個(gè)數(shù)據(jù)包中，從而達(dá)到隱蔽其探測(cè)或攻擊行為的目的[6]。

對(duì)于Teardrop等典型的IP分片攻擊，其特征是IP包中的ip_off域?yàn)镮P_MF，而且IP包經(jīng)過計(jì)算，其長(zhǎng)度域ip_len聲明的長(zhǎng)度與收到包的實(shí)際長(zhǎng)度不同。這樣被攻擊者在組裝IP包時(shí)，可能把幾個(gè)分片的部分重疊起來，某些有害的參數(shù)可能被加了進(jìn)去，從而引起系統(tǒng)狀態(tài)的異常。

3結(jié)束語(yǔ)

攻擊過程的形式化描述對(duì)于直觀地理解各種復(fù)雜的攻擊過程是相當(dāng)重要的。實(shí)際上無論對(duì)于哪一種類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊行為，入侵檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)的過程也就是啟動(dòng)相應(yīng)的自動(dòng)機(jī)模型對(duì)其攻擊特征進(jìn)行識(shí)別的過程。鑒于攻擊行為的復(fù)雜性，很難采用統(tǒng)一的自動(dòng)機(jī)模型識(shí)別各種網(wǎng)絡(luò)入侵行為，目前只能對(duì)各個(gè)入侵過程構(gòu)造相應(yīng)的自動(dòng)機(jī)模型。但各個(gè)模型間并不是孤立的，它們之間存在一定的聯(lián)系，某個(gè)模型可能對(duì)應(yīng)另一個(gè)模型的某一個(gè)狀態(tài)，或者對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，那么，通過構(gòu)造各種入侵過程的自動(dòng)機(jī)檢測(cè)模型并靈活地組合它們，就可以檢測(cè)各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)攻擊行為。由此可見，自動(dòng)機(jī)理論為網(wǎng)絡(luò)入侵過程提供了一種有效、直觀的形式化描述手段。