分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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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(jì)系統(tǒng)作為保障內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)信息安全的重要工具，對(duì)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(jìn)行嚴(yán)密審計(jì)和監(jiān)控，記錄現(xiàn)場(chǎng)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(jì)監(jiān)控系統(tǒng)無法審計(jì)加密后的信息。并且隨著海量存儲(chǔ)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(jì)方式由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)安全性差、擴(kuò)展性有限等原因，導(dǎo)致審計(jì)時(shí)大幅增加CPU和I/O負(fù)擔(dān)，無法承擔(dān)數(shù)據(jù)量越來越大的審計(jì)任務(wù)。為此，研發(fā)分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)系統(tǒng)具有非常重要的意義。

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

1引言

該文的研究目標(biāo)主要是針對(duì)分布式網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)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(duì)潛在非法入侵者起到威懾和警示、能夠測(cè)試系統(tǒng)的控制情況，及時(shí)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(jìn)而保障網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全?；诖?，分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)系統(tǒng)要求在不改變網(wǎng)絡(luò)配置、不影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率的前提下，對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)使用人員的網(wǎng)絡(luò)行為和訪問用戶進(jìn)行合理有效的審計(jì)[1]。

1.1系統(tǒng)需求分析

分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)系統(tǒng)要求在使用中不改變網(wǎng)絡(luò)配置，不嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。資源消耗：不能影響正常用戶的日常操作，對(duì)CPU的占用率小于1%；對(duì)內(nèi)存占用小于50M；對(duì)磁盤占用小于100M。時(shí)間效率要求：響應(yīng)時(shí)間小于5秒，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳送時(shí)間小于2秒。靈活性的要求：運(yùn)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(jìn)：系統(tǒng)的自我保護(hù)功能能夠進(jìn)一步完善，并且提高程序魯棒性，能夠?qū)Χ喾N異常操作進(jìn)行響應(yīng)，改進(jìn)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(jì)系統(tǒng)屬于商業(yè)系統(tǒng)，為了使軟件能夠正常運(yùn)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(jiǎn)潔，配置簡(jiǎn)單，不改變網(wǎng)絡(luò)配置和運(yùn)行效率。（2）能夠適應(yīng)當(dāng)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(jì)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)以及測(cè)試過程中，只需要有效的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、開發(fā)機(jī)器、學(xué)校機(jī)房測(cè)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(shí)現(xiàn)并進(jìn)行有效的測(cè)試。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，包括控制中心和Agent主機(jī)，采用集中式監(jiān)管，分布式控制的框架?？刂浦行呢?fù)責(zé)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、審?jì)查詢、異常監(jiān)控、系統(tǒng)設(shè)置等功能。Agent主機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)審計(jì)等功能。審計(jì)策略庫由控制中心分發(fā)，由Agent主機(jī)執(zhí)行，Agent主機(jī)對(duì)于各種違規(guī)行為進(jìn)行記錄，控制中心從主機(jī)處獲取審計(jì)信息，根據(jù)審計(jì)信息進(jìn)行審計(jì)以及策略的調(diào)整。首先，Agent主機(jī)向控制中心發(fā)送初始化信息，包括主機(jī)的IP和子網(wǎng)掩碼?？刂浦行氖盏皆撔畔⒑?，采用啟發(fā)式拓?fù)渌惴ㄉ删W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹２⑶也粩嘀貜?fù)這個(gè)過程，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)控制中心完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建之后，就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制，并且啟動(dòng)分布式網(wǎng)絡(luò)審計(jì)功能。審計(jì)開始時(shí)，Agent主機(jī)初始化任務(wù)列表，任務(wù)列表描述了Agent主機(jī)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)和數(shù)據(jù)審計(jì)任務(wù)。初始化完成后，Agent主機(jī)之間使用分布式協(xié)作算法，快速均衡采集和審計(jì)處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的均衡負(fù)載。數(shù)據(jù)采集和處理模塊實(shí)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(jì)模塊實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵詞匹配等算法對(duì)網(wǎng)頁內(nèi)容進(jìn)行審計(jì)。當(dāng)數(shù)據(jù)審計(jì)模塊匹配到不良信息和非法內(nèi)容時(shí)，數(shù)據(jù)審計(jì)模塊發(fā)出警報(bào)，控制中心迅速阻斷Agent主機(jī)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。另外，本系統(tǒng)還能通過SSLProxy對(duì)SSL加密的數(shù)據(jù)進(jìn)行審計(jì)和攔截。

3分布式網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

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

3.2系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)流程

分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)系統(tǒng)包括控制中心和Agent主機(jī)，控制中心負(fù)責(zé)監(jiān)控局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，開啟服務(wù)等流程，Agent主機(jī)負(fù)責(zé)內(nèi)容審計(jì)、流量監(jiān)控、SSL加密會(huì)話信息審計(jì)等工作，控制中心和Agent主機(jī)采用Socket方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信?？刂浦行倪\(yùn)行程序后，開始監(jiān)聽，對(duì)從Agent主機(jī)收到的信息進(jìn)行處理，形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。并實(shí)時(shí)準(zhǔn)備接收其他信息，如算法信息，審計(jì)得到的結(jié)果等。Agent主機(jī)運(yùn)行程序后，自動(dòng)開始流量統(tǒng)計(jì)功能，并設(shè)置SSL以審計(jì)加密信息。輸入控制中心目的IP后建立連接，并開始審計(jì)工作。分布式算法首先進(jìn)行任務(wù)分配，本機(jī)讀取分配信息后，對(duì)分配的任務(wù)進(jìn)行審計(jì)工作，并將審計(jì)的結(jié)果傳到控制中心，不斷循環(huán)。同時(shí)，算法規(guī)定每隔10秒進(jìn)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(cè)試

4.1測(cè)試環(huán)境搭建

測(cè)試環(huán)境如表1所示。在每臺(tái)客戶機(jī)上配置客戶端，另外利用主機(jī)當(dāng)作服務(wù)器端和管理員機(jī)器，IP分別為192.168.1.1和192.168.1.2。測(cè)試的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2測(cè)試方案

本系統(tǒng)的測(cè)試方案主要包括：功能測(cè)試，壓力測(cè)試，安全測(cè)試[3]。

4.2.1功能測(cè)試（1）動(dòng)態(tài)拓?fù)渖墒褂枚嗯_(tái)不同網(wǎng)段客戶端在不同時(shí)間接入網(wǎng)絡(luò)，并在不同時(shí)間離開網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試服務(wù)器拓?fù)渖傻捻憫?yīng)時(shí)間及準(zhǔn)確性。與服務(wù)器距離不同的網(wǎng)段的機(jī)器接入或離開網(wǎng)絡(luò)時(shí)，拓?fù)涞捻憫?yīng)時(shí)間不同。距離服務(wù)器遠(yuǎn)的機(jī)器接入或離開網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)涞捻憫?yīng)時(shí)間長；距離近的機(jī)器，拓?fù)涞捻憫?yīng)時(shí)間短。當(dāng)某臺(tái)機(jī)器接入網(wǎng)絡(luò)后，拓?fù)淠芊裾_獲得其沿途經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)信息。當(dāng)某臺(tái)機(jī)器離開網(wǎng)絡(luò)后，可能會(huì)產(chǎn)生一些網(wǎng)段沒有機(jī)器連入網(wǎng)絡(luò)，是否能正確識(shí)別這些網(wǎng)絡(luò)，并且在拓?fù)渲袆h除。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)頻繁接入或離開時(shí)，拓?fù)涫欠褚廊荒軌蛘ｏ@示，是否會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰狀態(tài)。（2）采集策略分發(fā)在客戶端運(yùn)行之后，服務(wù)器向客戶端發(fā)送不同的審計(jì)策略，測(cè)試客戶端接收策略的響應(yīng)時(shí)間及準(zhǔn)確性。當(dāng)客戶端運(yùn)行先前的審計(jì)策略的時(shí)候，是否能及時(shí)接收并響應(yīng)新得到的審計(jì)策略。當(dāng)服務(wù)器端頻繁發(fā)送審計(jì)策略的時(shí)候，客戶端是否能及時(shí)響應(yīng)并接收最新的審計(jì)策略，是否能判斷哪個(gè)是最新的審計(jì)策略。（3）網(wǎng)頁恢復(fù)不同客戶端在不同或相同時(shí)間瀏覽不同網(wǎng)頁時(shí)，測(cè)試能否恢復(fù)出客戶端瀏覽的所有網(wǎng)頁，測(cè)試恢復(fù)網(wǎng)頁的效率及準(zhǔn)確性。當(dāng)客戶端瀏覽網(wǎng)頁時(shí)，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(dāng)客戶端同時(shí)瀏覽多個(gè)網(wǎng)頁時(shí)，能否區(qū)分這些同時(shí)到達(dá)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(dāng)多臺(tái)機(jī)器同時(shí)瀏覽相同網(wǎng)頁時(shí)，能否判斷出相同連接，并只恢復(fù)一次，不會(huì)出現(xiàn)冗余信息。當(dāng)多臺(tái)機(jī)器同時(shí)瀏覽不同網(wǎng)頁時(shí)，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(duì)應(yīng)的網(wǎng)頁信息。（4）SSL審計(jì)與網(wǎng)頁恢復(fù)類似，客戶端在不同時(shí)間瀏覽https網(wǎng)頁，測(cè)試客戶端效率及準(zhǔn)確性。當(dāng)客戶端瀏覽一個(gè)SSL網(wǎng)站時(shí)，SSLProxy是否能動(dòng)態(tài)裝配正確的證書。當(dāng)客戶端同時(shí)瀏覽多個(gè)SSL網(wǎng)站時(shí)，SSLProxy是否能正確同時(shí)裝配所有網(wǎng)站的證書。當(dāng)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(shí)瀏覽多個(gè)SSL網(wǎng)站時(shí)，能否同時(shí)恢復(fù)多個(gè)網(wǎng)頁信息。（5）知識(shí)庫同步管理員在不同時(shí)間添加或刪除知識(shí)庫內(nèi)容，查看客戶端知識(shí)庫的更新效率及準(zhǔn)確性。當(dāng)管理員添加、刪除一條、刪除多條知識(shí)庫的時(shí)候，距離服務(wù)器不同的客戶端更新知識(shí)庫的響應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確性。當(dāng)管理員頻繁更新知識(shí)庫時(shí)，客戶端響應(yīng)知識(shí)庫更新的響應(yīng)時(shí)間，及是否所有的客戶端能夠及時(shí)準(zhǔn)確的更新。（6）內(nèi)容審計(jì)不同客戶端同時(shí)瀏覽網(wǎng)頁，并且將每臺(tái)客戶端的流量大小做出區(qū)分，在不同時(shí)間內(nèi)，改變每個(gè)客戶端流量大小，測(cè)試分布式協(xié)作算法的效率、內(nèi)容審計(jì)效率及內(nèi)容審計(jì)準(zhǔn)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(shí)重新分配審計(jì)負(fù)載?？蛻舳藶g覽不同網(wǎng)頁，測(cè)試客戶端能否利用知識(shí)庫正確識(shí)別出非法信息?？蛻舳藶g覽大量網(wǎng)頁，測(cè)試客戶端是否能夠利用知識(shí)庫正確識(shí)別出非法信息，并測(cè)試系統(tǒng)分析時(shí)間及運(yùn)行穩(wěn)定性。[4]

4.2.2壓力測(cè)試（1）流量測(cè)試流量測(cè)試將對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、協(xié)議分析的效率進(jìn)行測(cè)試。在不同等級(jí)的流量情況下，統(tǒng)計(jì)丟包率。（2）分布式規(guī)模測(cè)試本系統(tǒng)由多臺(tái)Agent主機(jī)構(gòu)成了分布式結(jié)構(gòu)，主機(jī)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)審計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)作。為了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于不同主機(jī)數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在執(zhí)行分布式計(jì)算任務(wù)時(shí)，有何種性能變化，以及穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生什么樣的改變。測(cè)試將依次使用個(gè)數(shù)遞增的主機(jī)數(shù)目，加入到分布式網(wǎng)絡(luò)中，再測(cè)試系統(tǒng)性能和穩(wěn)定的變化。不僅要考慮主機(jī)個(gè)數(shù)的影響，對(duì)于每臺(tái)主機(jī)，當(dāng)開始執(zhí)行協(xié)同工作時(shí)，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(gè)系統(tǒng)的性能。因此，在主機(jī)數(shù)目相同的情況下，隨機(jī)改變每臺(tái)主機(jī)的初始化審計(jì)任務(wù)。執(zhí)行測(cè)試，觀察審計(jì)系統(tǒng)的處理性能（3）控制中心壓力測(cè)試使用多臺(tái)主機(jī)連接，測(cè)試控制中心Web服務(wù)的負(fù)載情況，QT界面響應(yīng)時(shí)間。

4.2.3安全測(cè)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(hào)。（2）知識(shí)庫操作安全：管理員添加知識(shí)庫時(shí)必須按照提示添加，測(cè)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(dòng)輸入的文本框，測(cè)試如果用戶在文本框里輸入不合法的內(nèi)容，是否提示錯(cuò)誤，防止SQL注入等攻擊.

4.3結(jié)果分析

對(duì)于功能測(cè)試，大部分功能比較滿意，只是在網(wǎng)頁恢復(fù)時(shí)丟失率過高，這部分需要進(jìn)一步改進(jìn)。對(duì)于壓力測(cè)試，數(shù)據(jù)采集時(shí)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(cè)試方面，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，分布式的優(yōu)點(diǎn)越來越明顯，在龐大的網(wǎng)絡(luò)流量和審計(jì)任務(wù)面前，每個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)能夠平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及審計(jì)任務(wù)，此時(shí)系統(tǒng)占用資源反倒略有降低。安全測(cè)試方面，主要參考了一些國家安全標(biāo)準(zhǔn)，在功能上強(qiáng)制要求用戶做到一些標(biāo)準(zhǔn)化的操作。因此，對(duì)于通常的SQL注入，重放攻擊等，均無法對(duì)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(duì)用戶的實(shí)際需求，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)系統(tǒng)。它為用戶提供了位于防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)后的第三層保護(hù)屏障。本文圍繞分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)系統(tǒng)展開了以下研究工作：（1）對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)系統(tǒng)進(jìn)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(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將分布式結(jié)構(gòu)、SSL加密信息審計(jì)等技術(shù)予以結(jié)合。（2）在網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究基礎(chǔ)上，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)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(jì)方案，完成各子系統(tǒng)和關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。（3）介紹了分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，展示了關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)代碼和用戶界面，從功能、壓力、安全等方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測(cè)試，提供了相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)和分析。

5.2展望

本文實(shí)現(xiàn)的分布式網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)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(gè)方面：（1）本文針對(duì)應(yīng)用層協(xié)議的還原，只實(shí)現(xiàn)了HTTP協(xié)議，對(duì)SMTP、FTP等協(xié)議的還原工作并未完成，對(duì)應(yīng)用層協(xié)議的還原的完善工作是下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。（2）網(wǎng)頁還原時(shí)，雖然能夠還原文本內(nèi)容，但是對(duì)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(diǎn)研究內(nèi)容之一。（3）本文在測(cè)試網(wǎng)頁還原功能時(shí)，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(jìn)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(duì)IPv6網(wǎng)絡(luò)的安全審計(jì)工作越來越重要，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)是基于IPv4網(wǎng)絡(luò)，對(duì)IPv6網(wǎng)絡(luò)的安全審計(jì)工作是后續(xù)的重點(diǎn)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