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分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

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分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

摘要:隨著近年來互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高速發(fā)展,信息安全已經(jīng)成為電子商務(wù)、金融系統(tǒng)、或企業(yè)內(nèi)部不可或缺的一部分。網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)作為保障內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)信息安全的重要工具,對網(wǎng)絡(luò)違規(guī)行為、網(wǎng)絡(luò)擁堵、信息泄露、數(shù)據(jù)竊取和篡改、不良信息傳播等問題進行嚴密審計和監(jiān)控,記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)并發(fā)出警告。但近幾年來,SSL(安全套接層)協(xié)議等安全傳輸和加密技術(shù)逐漸普及,原有的審計監(jiān)控系統(tǒng)無法審計加密后的信息。并且隨著海量存儲和高帶寬傳輸技術(shù)的快速發(fā)展,以及規(guī)模分布式網(wǎng)絡(luò)的興起和廣泛應(yīng)用,傳統(tǒng)的集中式網(wǎng)絡(luò)安全審計方式由于其結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)安全性差、擴展性有限等原因,導(dǎo)致審計時大幅增加CPU和I/O負擔(dān),無法承擔(dān)數(shù)據(jù)量越來越大的審計任務(wù)。為此,研發(fā)分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)安全審計;審計和監(jiān)控;分布式

1引言

該文的研究目標主要是針對分布式網(wǎng)絡(luò)的實際需求,設(shè)計實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng),能夠發(fā)現(xiàn)入侵行為、監(jiān)控內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)使用人員的網(wǎng)絡(luò)行為等,對潛在非法入侵者起到威懾和警示、能夠測試系統(tǒng)的控制情況,及時調(diào)整相關(guān)政策、能夠協(xié)助管理員發(fā)現(xiàn)非法入侵和潛在的安全漏洞,進而保障網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全。基于此,分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)要求在不改變網(wǎng)絡(luò)配置、不影響網(wǎng)絡(luò)運行效率的前提下,對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)使用人員的網(wǎng)絡(luò)行為和訪問用戶進行合理有效的審計[1]。

1.1系統(tǒng)需求分析

分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)要求在使用中不改變網(wǎng)絡(luò)配置,不嚴重影響網(wǎng)絡(luò)運行效率。資源消耗:不能影響正常用戶的日常操作,對CPU的占用率小于1%;對內(nèi)存占用小于50M;對磁盤占用小于100M。時間效率要求:響應(yīng)時間小于5秒,數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳送時間小于2秒。靈活性的要求:運行環(huán)境適應(yīng)主流Linux操作系統(tǒng),包括Ubuntu、Fedora、CentOS、RedHat等。后續(xù)改進:系統(tǒng)的自我保護功能能夠進一步完善,并且提高程序魯棒性,能夠?qū)Χ喾N異常操作進行響應(yīng),改進程序BUG,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.2系統(tǒng)可行性分析

分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)屬于商業(yè)系統(tǒng),為了使軟件能夠正常運行并且具有較高的可靠性、易用性、高安全性等特性,主要特性如下所示:(1)界面簡潔,配置簡單,不改變網(wǎng)絡(luò)配置和運行效率。(2)能夠適應(yīng)當前的主流Linux操作系統(tǒng),包括Ubuntu、Fedora、CentOS、RedHat等。(3)軟件經(jīng)過多次調(diào)試,可靠性大大提高。(4)經(jīng)過RSA和AES混合加密,保證了通信的安全性、可靠性和不可改變性。分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)在設(shè)計、實現(xiàn)以及測試過程中,只需要有效的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、開發(fā)機器、學(xué)校機房測試環(huán)境等,不需要其他昂貴的軟件和硬件設(shè)備,能夠順利實現(xiàn)并進行有效的測試。

2系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究

分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)采用C/S架構(gòu),包括控制中心和Agent主機,采用集中式監(jiān)管,分布式控制的框架??刂浦行呢撠?zé)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓撲、審計查詢、異常監(jiān)控、系統(tǒng)設(shè)置等功能。Agent主機負責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)審計等功能。審計策略庫由控制中心分發(fā),由Agent主機執(zhí)行,Agent主機對于各種違規(guī)行為進行記錄,控制中心從主機處獲取審計信息,根據(jù)審計信息進行審計以及策略的調(diào)整。首先,Agent主機向控制中心發(fā)送初始化信息,包括主機的IP和子網(wǎng)掩碼??刂浦行氖盏皆撔畔⒑?,采用啟發(fā)式拓撲算法生成網(wǎng)絡(luò)拓撲。并且不斷重復(fù)這個過程,監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓撲圖的實時動態(tài)變化。當控制中心完成網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)建之后,就可以對整個系統(tǒng)進行管理和控制,并且啟動分布式網(wǎng)絡(luò)審計功能。審計開始時,Agent主機初始化任務(wù)列表,任務(wù)列表描述了Agent主機的數(shù)據(jù)采集任務(wù)和數(shù)據(jù)審計任務(wù)。初始化完成后,Agent主機之間使用分布式協(xié)作算法,快速均衡采集和審計處理任務(wù),實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的均衡負載。數(shù)據(jù)采集和處理模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包抓取、協(xié)議分析和數(shù)據(jù)還原功能。數(shù)據(jù)審計模塊實現(xiàn)了關(guān)鍵詞匹配等算法對網(wǎng)頁內(nèi)容進行審計。當數(shù)據(jù)審計模塊匹配到不良信息和非法內(nèi)容時,數(shù)據(jù)審計模塊發(fā)出警報,控制中心迅速阻斷Agent主機與遠程服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。另外,本系統(tǒng)還能通過SSLProxy對SSL加密的數(shù)據(jù)進行審計和攔截。

3分布式網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)基于Linux平臺,采用QT集成開發(fā)環(huán)境予以實現(xiàn)。開發(fā)的詳細環(huán)境如表2所示。

3.2系統(tǒng)總體實現(xiàn)流程

分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)包括控制中心和Agent主機,控制中心負責(zé)監(jiān)控局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),開啟服務(wù)等流程,Agent主機負責(zé)內(nèi)容審計、流量監(jiān)控、SSL加密會話信息審計等工作,控制中心和Agent主機采用Socket方式進行網(wǎng)絡(luò)通信??刂浦行倪\行程序后,開始監(jiān)聽,對從Agent主機收到的信息進行處理,形成網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。并實時準備接收其他信息,如算法信息,審計得到的結(jié)果等。Agent主機運行程序后,自動開始流量統(tǒng)計功能,并設(shè)置SSL以審計加密信息。輸入控制中心目的IP后建立連接,并開始審計工作。分布式算法首先進行任務(wù)分配,本機讀取分配信息后,對分配的任務(wù)進行審計工作,并將審計的結(jié)果傳到控制中心,不斷循環(huán)。同時,算法規(guī)定每隔10秒進行一次任務(wù)分配量的更新。系統(tǒng)流程如圖1所示。

4系統(tǒng)測試

4.1測試環(huán)境搭建

測試環(huán)境如表1所示。在每臺客戶機上配置客戶端,另外利用主機當作服務(wù)器端和管理員機器,IP分別為192.168.1.1和192.168.1.2。測試的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2測試方案

本系統(tǒng)的測試方案主要包括:功能測試,壓力測試,安全測試[3]。

4.2.1功能測試(1)動態(tài)拓撲生成使用多臺不同網(wǎng)段客戶端在不同時間接入網(wǎng)絡(luò),并在不同時間離開網(wǎng)絡(luò),測試服務(wù)器拓撲生成的響應(yīng)時間及準確性。與服務(wù)器距離不同的網(wǎng)段的機器接入或離開網(wǎng)絡(luò)時,拓撲的響應(yīng)時間不同。距離服務(wù)器遠的機器接入或離開網(wǎng)絡(luò),拓撲的響應(yīng)時間長;距離近的機器,拓撲的響應(yīng)時間短。當某臺機器接入網(wǎng)絡(luò)后,拓撲能否正確獲得其沿途經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)信息。當某臺機器離開網(wǎng)絡(luò)后,可能會產(chǎn)生一些網(wǎng)段沒有機器連入網(wǎng)絡(luò),是否能正確識別這些網(wǎng)絡(luò),并且在拓撲中刪除。當網(wǎng)絡(luò)主機頻繁接入或離開時,拓撲是否依然能夠正常顯示,是否會出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰狀態(tài)。(2)采集策略分發(fā)在客戶端運行之后,服務(wù)器向客戶端發(fā)送不同的審計策略,測試客戶端接收策略的響應(yīng)時間及準確性。當客戶端運行先前的審計策略的時候,是否能及時接收并響應(yīng)新得到的審計策略。當服務(wù)器端頻繁發(fā)送審計策略的時候,客戶端是否能及時響應(yīng)并接收最新的審計策略,是否能判斷哪個是最新的審計策略。(3)網(wǎng)頁恢復(fù)不同客戶端在不同或相同時間瀏覽不同網(wǎng)頁時,測試能否恢復(fù)出客戶端瀏覽的所有網(wǎng)頁,測試恢復(fù)網(wǎng)頁的效率及準確性。當客戶端瀏覽網(wǎng)頁時,能否正確恢復(fù)網(wǎng)頁的文本信息、JS腳本信息、圖片及壓縮后的相關(guān)信息。當客戶端同時瀏覽多個網(wǎng)頁時,能否區(qū)分這些同時到達的網(wǎng)頁信息,能否正確的將這些網(wǎng)頁數(shù)據(jù)包重組,并分開保存。當多臺機器同時瀏覽相同網(wǎng)頁時,能否判斷出相同連接,并只恢復(fù)一次,不會出現(xiàn)冗余信息。當多臺機器同時瀏覽不同網(wǎng)頁時,能否正確重組數(shù)據(jù)包,將網(wǎng)頁各種信息正確恢復(fù),能否區(qū)分開客戶端對應(yīng)的網(wǎng)頁信息。(4)SSL審計與網(wǎng)頁恢復(fù)類似,客戶端在不同時間瀏覽https網(wǎng)頁,測試客戶端效率及準確性。當客戶端瀏覽一個SSL網(wǎng)站時,SSLProxy是否能動態(tài)裝配正確的證書。當客戶端同時瀏覽多個SSL網(wǎng)站時,SSLProxy是否能正確同時裝配所有網(wǎng)站的證書。當證書裝配完成之后,SSLProxy能否恢復(fù)網(wǎng)頁的全部內(nèi)容,包括:文字信息,圖片信息,腳本信息等。同時瀏覽多個SSL網(wǎng)站時,能否同時恢復(fù)多個網(wǎng)頁信息。(5)知識庫同步管理員在不同時間添加或刪除知識庫內(nèi)容,查看客戶端知識庫的更新效率及準確性。當管理員添加、刪除一條、刪除多條知識庫的時候,距離服務(wù)器不同的客戶端更新知識庫的響應(yīng)時間和準確性。當管理員頻繁更新知識庫時,客戶端響應(yīng)知識庫更新的響應(yīng)時間,及是否所有的客戶端能夠及時準確的更新。(6)內(nèi)容審計不同客戶端同時瀏覽網(wǎng)頁,并且將每臺客戶端的流量大小做出區(qū)分,在不同時間內(nèi),改變每個客戶端流量大小,測試分布式協(xié)作算法的效率、內(nèi)容審計效率及內(nèi)容審計準確性。改變不同客戶端的CPU利用率和內(nèi)存利用率,查看分布式協(xié)作算法的效率,能否及時重新分配審計負載??蛻舳藶g覽不同網(wǎng)頁,測試客戶端能否利用知識庫正確識別出非法信息??蛻舳藶g覽大量網(wǎng)頁,測試客戶端是否能夠利用知識庫正確識別出非法信息,并測試系統(tǒng)分析時間及運行穩(wěn)定性。[4]

4.2.2壓力測試(1)流量測試流量測試將對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、協(xié)議分析的效率進行測試。在不同等級的流量情況下,統(tǒng)計丟包率。(2)分布式規(guī)模測試本系統(tǒng)由多臺Agent主機構(gòu)成了分布式結(jié)構(gòu),主機在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)審計模塊實現(xiàn)分布式協(xié)作。為了測試系統(tǒng)對于不同主機數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,在執(zhí)行分布式計算任務(wù)時,有何種性能變化,以及穩(wěn)定性會發(fā)生什么樣的改變。測試將依次使用個數(shù)遞增的主機數(shù)目,加入到分布式網(wǎng)絡(luò)中,再測試系統(tǒng)性能和穩(wěn)定的變化。不僅要考慮主機個數(shù)的影響,對于每臺主機,當開始執(zhí)行協(xié)同工作時,就需要利用分布式協(xié)作算法,算法的性能也能影響到整個系統(tǒng)的性能。因此,在主機數(shù)目相同的情況下,隨機改變每臺主機的初始化審計任務(wù)。執(zhí)行測試,觀察審計系統(tǒng)的處理性能(3)控制中心壓力測試使用多臺主機連接,測試控制中心Web服務(wù)的負載情況,QT界面響應(yīng)時間。

4.2.3安全測試(1)數(shù)據(jù)庫口令安全:口令安全包括口令長度及口令多樣性??诹铋L度必須多于8位,口令必須包含字母、數(shù)字及符號。(2)知識庫操作安全:管理員添加知識庫時必須按照提示添加,測試添加操作是否成功。(3)系統(tǒng)操作安全:系統(tǒng)中有些可以手動輸入的文本框,測試如果用戶在文本框里輸入不合法的內(nèi)容,是否提示錯誤,防止SQL注入等攻擊.

4.3結(jié)果分析

對于功能測試,大部分功能比較滿意,只是在網(wǎng)頁恢復(fù)時丟失率過高,這部分需要進一步改進。對于壓力測試,數(shù)據(jù)采集時由于流量過大,產(chǎn)生了一些正常的丟包行為,但丟包率較低,可以接受。在規(guī)模測試方面,隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加,分布式的優(yōu)點越來越明顯,在龐大的網(wǎng)絡(luò)流量和審計任務(wù)面前,每個單獨系統(tǒng)能夠平衡網(wǎng)絡(luò)負載及審計任務(wù),此時系統(tǒng)占用資源反倒略有降低。安全測試方面,主要參考了一些國家安全標準,在功能上強制要求用戶做到一些標準化的操作。因此,對于通常的SQL注入,重放攻擊等,均無法對系統(tǒng)造成破壞。

5總結(jié)與展望

5.1主要工作總結(jié)

本文針對用戶的實際需求,在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全審計技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,提出并設(shè)計了分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)。它為用戶提供了位于防火墻、入侵檢測系統(tǒng)后的第三層保護屏障。本文圍繞分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)展開了以下研究工作:(1)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)進行研究,分析現(xiàn)有模型的不足。以此為基礎(chǔ),提出了分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng),該系統(tǒng)將分布式結(jié)構(gòu)、SSL加密信息審計等技術(shù)予以結(jié)合。(2)在網(wǎng)絡(luò)安全審計的關(guān)鍵技術(shù)研究基礎(chǔ)上,對該系統(tǒng)進行需求分析和技術(shù)可行性分析。以此為基礎(chǔ),提出了系統(tǒng)總體設(shè)計方案,完成各子系統(tǒng)和關(guān)鍵模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。(3)介紹了分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境,展示了關(guān)鍵模塊的實現(xiàn)代碼和用戶界面,從功能、壓力、安全等方面對系統(tǒng)進行了全面的測試,提供了相關(guān)測試數(shù)據(jù)和分析。

5.2展望

本文實現(xiàn)的分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計系統(tǒng)還存在一些不足,后續(xù)的研究方向主要有以下幾個方面:(1)本文針對應(yīng)用層協(xié)議的還原,只實現(xiàn)了HTTP協(xié)議,對SMTP、FTP等協(xié)議的還原工作并未完成,對應(yīng)用層協(xié)議的還原的完善工作是下一步研究的重點內(nèi)容之一。(2)網(wǎng)頁還原時,雖然能夠還原文本內(nèi)容,但是對于圖像的還原還在調(diào)研階段,完成圖像還原功能也是后續(xù)重點研究內(nèi)容之一。(3)本文在測試網(wǎng)頁還原功能時,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失率過高,后續(xù)工作應(yīng)該找到丟失率高的原因。改進算法,將數(shù)據(jù)包丟失率降低到合理范圍。(4)隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)的普及,針對IPv6網(wǎng)絡(luò)的安全審計工作越來越重要,本文設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)是基于IPv4網(wǎng)絡(luò),對IPv6網(wǎng)絡(luò)的安全審計工作是后續(xù)的重點研究內(nèi)容之一。

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作者:李超軍 單位:中國人民大學(xué)信息學(xué)院