Tài liệu đánh giá hiệu quả một số thuật toán trong phát hiện xâm nhập mạng.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------- TRẦN THỊ HƢƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ MỘT SỐ THUẬT TOÁN TRONG PHÁT HIỆN XÂM NHẬP MẠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------- TRẦN THỊ HƢƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ MỘT SỐ THUẬT TOÁN TRONG PHÁT HIỆN XÂM NHẬP MẠNG Chuyên ngành: Cơ sở Toán học cho Tin học Mã số: 60460110 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Lê Trọng Vĩnh Hà Nội – 2016 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................v LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... vi LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1 Chƣơng 1: Tổng quan về phát hiện xâm nhập mạng ..................................................3 1.1. Giới thiệu .........................................................................................................3 1.2. Xâm nhập .........................................................................................................4 1.2.1. Khái niệm...................................................................................................4 1.2.2. Một số kiểu xâm nhập phổ biến.................................................................4 1.2.3. Một số giải pháp ngăn chặn xâm nhập truyền thống .................................6 1.3. Hệ thống phát hiện xâm nhập mạng .................................................................7 1.3.1. Định nghĩa .................................................................................................7 1.3.2. Phân loại hệ thống phát hiện xâm nhập mạng ...........................................8 1.4. Một số cách tiếp cận cho bài toán phát hiện xâm nhập..................................11 1.4.1. Cách tiếp cận dựa vào luật .......................................................................11 1.4.2. Cách tiếp cận dựa vào thống kê ...............................................................12 1.4.3. Cách tiếp cận dựa vào học máy ...............................................................13 1.4.4. Hƣớng tiếp cận của luận văn ...................................................................16 Chƣơng 2: Phát hiện xâm nhập mạng dựa vào học máy...........................................17 2.1. Hồi quy logistic ..............................................................................................18 2.2. Máy véc-tơ hỗ trợ ...........................................................................................21 2.2.1. SVM tuyến tính........................................................................................22 2.2.2. SVM phi tuyến tính .................................................................................26 2.3. Mạng nơ-ron nhân tạo ....................................................................................27 2.3.1. Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo ...............................................................28 2.3.2. Phát hiện xâm nhập dựa vào mạng nơ-ron ..............................................33 2.4. Rút gọn đặc trƣng ...........................................................................................36 i Chƣơng 3: Đánh giá hiệu quả của một số thuật toán học máy .................................41 trong việc phát hiện xâm nhập mạng ........................................................................41 3.1. Bộ dữ liệu KDD CUP 99................................................................................41 3.2. Tiền xử lý dữ liệu ...........................................................................................45 3.2.1. Chuyển các giá trị phi số sang số ............................................................46 3.2.2. Chuẩn hóa giá trị đầu vào ........................................................................50 3.3. Kết quả thực nghiệm ..................................................................................52 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................58 CÁC CÔNG BỐ LIÊN QUAN .................................................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................61 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống phát hiện xâm nhập NIDS ............................................................9 Hình 1.2 Hệ thống phát hiện xâm nhập HIDS ..........................................................10 Hình 2.1 Quá trình phát hiện xâm nhập dựa vào học máy........................................18 Hình 2.2 Hình dạng hàm sigmoid .............................................................................19 Hình 2.3. Một siêu phẳng phân chia dữ liệu học thành hai lớp ................................22 Hình 2.4. Dữ liệu không phân tách tuyến tính ..........................................................25 Hình 2.5. Hàm ánh xạ từ không gian hai chiều sang không gian ba chiều ...........27 Hình 2.6. Mô phỏng một perceptron .........................................................................28 Hình 2.7. Mô phỏng mạng nơ-ron ba lớp .................................................................30 Hình 2.8. Các bƣớc huấn luyện mạng nơ-ron ...........................................................33 Hình 2.9. Các bƣớc kiểm tra dữ liệu với mô hình mạng nơ-ron sau khi huấn luyện 34 Hình 2.10. Sơ đồ huấn luyện mạng nơ-ron trong hệ thống phát hiện xâm nhập ......35 Hình 2.11. Phát hiện gói tin bất thƣờng sử dụng mạng nơ-ron.................................36 Hình 3.1. Độ đo Information Gain của 41 thuộc tính ...............................................55 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Mô tả các đặc trƣng của bộ dữ liệu KDD cup 99 .....................................41 Bảng 3.2. Bảng phân bố số lƣợng các kiểu trạng thái kết nối trong .........................45 Bảng 3.3. Bảng chuyển đổi đối với các loại giao thức .............................................46 Bảng 3.4. Bảng chuyển đổi các trạng thái cờ kết nối ................................................46 Bảng 3.5. Bảng chuyển đổi đối với các loại dịch vụ................................................47 Bảng 3.6. Bảng phân bố và chuyển đổi nhãn của các trạng thái mạng .....................48 Bảng 3.7. Các kiểu tấn công mới trong bộ dữ liệu ...................................................50 Bảng 3.8. Giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của các cột trong tập “Whole KDD 99” ......51 Bảng 3.9. Kết quả chạy chƣơng trình trên các thuật toán học máy ..........................54 Bảng 3.10. Kết quả thực nghiệm khi sử dụng 31 đặc trƣng......................................56 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt IDS NIDS HIDS LR SVM ANN DOS R2L U2R IG Ý nghĩa Intrusion Detection System Network- Based Intrusion Detection System Host- Based Intrusion Detection System Logistic Regression Support Vector Machine Artificial Neural Network Denial of Service Remote to Local User to root Information Gain v LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành nhất của mình tới PGS.TS Lê Trọng Vĩnh, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã dành nhiều công sức hƣớng dẫn em thực hiện luận văn này cũng nhƣ trong suốt quá trình học tập và làm việc tại trƣờng. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Tin học, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, phƣơng pháp nghiên cứu và cả sự say mê khoa học tới nhiều lứa học viên cao học trong đó có em. Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, anh chị em những ngƣời đã luôn sát cánh bên em, giúp đỡ quan tâm, động viên trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ trong thời gian thực hiện đề tài này. Với sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô, em đã rất cố gắng để hoàn thành luận văn này. Tuy nhiên, do em còn nhiều điểm hạn chế nên luận văn còn tồn tại nhiều thiếu sót. Em kính mong tiếp tục nhận đƣợc những ý kiến góp ý của các thầy, các cô cũng nhƣ các bạn học viên để em có thể phát triển đề tài này hơn nữa. Một lần nữa em xin gửi tới tất cả mọi ngƣời lời cảm ơn chân thành nhất. Học viên Trần Thị Hƣơng vi LỜI MỞ ĐẦU Thế kỷ XXI, chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của Internet và những ảnh hƣởng sâu rộng tới mọi lĩnh vực đời sống của con ngƣời. Song song với những lợi ích mà mạng máy tính đem lại thì nó cũng trở thành mục tiêu lợi dụng của những kẻ tấn công, xâm nhập trái phép nhằm thực hiện những mƣu đồ xấu, đe dọa tới tính an toàn về bảo mật thông tin của các tổ chức hay những ngƣời dùng kết nối mạng. Mặc dù, mỗi hệ thống máy tính đều có những cơ chế tự bảo vệ riêng nhƣng có thể chƣa đủ để phát hiện hay ngăn chặn những cuộc tấn công ngày một tinh vi hơn. Vấn đề đặt ra là làm sao xây dựng đƣợc một hệ thống có thể phát hiện sớm và có hiệu quả các cuộc tấn công hay xâm nhập trái phép từ đó đƣa ra những cảnh báo và biện pháp xử lý kịp thời. Một số các hệ thống phát hiện xâm nhập mạng truyền thống đƣợc áp dụng khá phổ biến và rộng rãi trên thế giới nhƣ hệ thống phát hiện xâm nhập dựa trên tập luật, phân tích thống kê,…Các hệ thống trên đã phát hiện tốt những cuộc tấn công đã biết với tỷ lệ cảnh báo sai thấp. Tuy nhiên, chúng tại tỏ ra kém hiệu quả đối với những cuộc tấn công mới, đồng thời phải luôn cập nhật luật mới. Một vài nghiên cứu gần đây [1][5] đƣa ra một hƣớng tiếp cận mới dựa vào học máy cho bài toán phát hiện xâm nhập mạng. Từ những nghiên cứu và thực nghiệm trên những bộ dữ liệu chuẩn, các tác giả chỉ ra rằng các thuật toán dựa vào học máy có khả năng học và tiếp thu những tri thức mới từ những tri thức đã biết từ đó giúp phân loại những mẫu đã đƣợc học, dự đoán tốt những mẫu mới (các kiểu tấn công mới). Điều này hứa hẹn sẽ đem lại một cách tiếp cận hiệu quả cho bài toán phát hiện xâm nhập.Vì vậy, luận văn sẽ tập trung đi theo hƣớng tiếp cận này và lựa chọn ba thuật toán điển hình đang nhận đƣợc sự quan tâm nghiên cứu gần đây là hồi quy logistic, máy véc-tơ hỗ trợ, mạng nơ-ron nhân tạo. Đồng thời tiến hành xây dựng các hệ thống phát hiện xâm nhập dựa vào các thuật toán học máy từ đó phân tích và đánh giá hiệu quả của từng thuật toán trong việc phát hiện xâm nhập. 1 Luận văn “Đánh giá hiệu quả một số thuật toán trong phát hiện xâm nhập mạng” đƣợc chia làm ba chƣơng với nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan: Hệ thống hóa các vấn đề liên quan tới phát hiện xâm nhập mạng và hệ thống phát hiện xâm nhập mạng. Ngoài ra, chƣơng một cũng trình bày một số cách tiếp cận chính để giải quyết vấn đề phát hiện xâm nhập mạng. Chƣơng 2: Phát hiện xâm nhập mạng dựa vào học máy: Trình bày một số thuật toán học máy có giám sát điển hình nhƣ hồi quy logistic, máy véc-tơ hỗ trợ, mạng nơ-ron nhân tạo cho bài toán phát hiện xâm nhập, cũng nhƣ việc áp dụng các thuật toán giải quyết bài toán này. Bên cạnh đó, trong chƣơng này cũng trình bày vấn đề rút gọn các đặc trƣng sử dụng độ đo information gain để giảm thiểu chi phí tính toán và thời gian phát hiện. Chƣơng 3: Đánh giá hiệu quả của một số thuật toán trong việc phát hiện xâm nhập mạng: Tiến hành thực nghiệm các thuật toán học máy đã nêu trong chƣơng hai trên nhiều bộ dữ liệu chuẩn (KDD CUP 99), từ đó có những đánh giá, nhận xét và so sánh về tỷ lệ phát hiện xâm nhập cùng thời gian phát hiện của mỗi mô hình. 2 Chƣơng 1: Tổng quan về phát hiện xâm nhập mạng 1.1. Giới thiệu Trong những năm gần đây, sự phát triển nhƣ vũ bão của mạng Internet đem lại những lợi ích không nhỏ cho con ngƣời bao gồm cả đời sống, công nghệ, kinh tế, xã hội,... Bên cạnh đó thì Interner cũng trở thành môi trƣờng lý tƣởng cho những kẻ xấu lợi dụng để thực hiện hành vi xâm nhập trái phép, tấn công vào những hệ thống máy tính của các cá nhân hay tổ chức gây ra những thiệt hại nghiêm trọng. Vì vậy, vấn đề an ninh và bảo mật ngày càng đƣợc quan tâm. Khi triển khai một hệ thống thông tin thì cũng đồng nghĩa với việc xây dựng cơ chế bảo vệ chặt chẽ, an toàn cho hệ thống thông tin của doanh nghiệp, tổ chức là góp phần quan trọng vào việc duy trì tính bền vững của hệ thống. Để làm đƣợc điều đó, thì tất cả những hệ thống này cần trang bị những công cụ đủ mạnh, am hiểu cách xử lý để đối phó với những phƣơng thức tấn công vào hệ thống mạng. Một bức tƣờng lửa không thể đủ mạnh để có thể chống đỡ mọi ý đồ xâm nhập vào hệ thống. Vì vậy, ngoài việc am hiểu sâu sắc các vấn đề bảo mật của những ngƣời quản trị an ninh mạng thì cũng rất cần những hệ thống, hay công cụ có thể trợ giúp đặc lực cho việc đảm bảo an toàn của các hệ thống. Nhiệm vụ bảo mật thông tin và bảo vệ môi trƣờng mạng vì vậy mà rất nặng nề và khó đoán định trƣớc. Nhƣng tựu chung lại, các nhiệm vụ trên gồm bốn hƣớng chính là: bảo đảm an toàn cho phía máy chủ, bảo đảm an toàn cho phía khách, bảo mật thông tin trên đƣờng truyền và phát hiện xâm nhập mạng. Trong đó, phát hiện xâm nhập mạng (intrusion detection) hiện đang là một trong những vấn đề đƣợc quan tâm hàng đầu hiện nay bởi sự gia tăng nhanh chóng của các cuộc xâm nhập trái phép. Những kẻ xâm nhập ngày càng nguy hiểm, tinh vi và phức tạp hơn. Vì thế, trong nghiên cứu này, luận văn tập trung vào việc nghiên cứu bài toán phát hiện xâm nhập mạng, xây dựng và đánh giá các mô hình phát hiện xâm nhập mạng. 3 1.2. Xâm nhập 1.2.1. Khái niệm Hiện nay vẫn chƣa có định nghĩa chính xác về thuật ngữ xâm nhập. Mỗi chuyên gia trong lĩnh vực an toàn thông tin luận giải thuật ngữ này theo ý hiểu của mình. Tuy nhiên, định nghĩa của Kendall năm 1999 đƣợc biết đến rộng rãi nhất. Tác giả đã đƣa ra khái niệm về xâm nhập nhƣ sau: “Tấn công hay còn gọi là xâm nhập mạng là những hoạt động có chủ đích, lợi dụng các tổn thương của hệ thống thông tin nhằm phá vỡ tính sẵn sàng, tính toàn vẹn và tính bảo mật của hệ thống” [8]. 1.2.2. Một số kiểu xâm nhập phổ biến Có rất nhiều kiểu xâm nhập mạng khác nhau và thƣờng đƣợc phân thành các loại chính: tấn công từ chối dịch vụ, kiểu thăm dò, tấn công chiếm quyền “root”, tấn công điều khiển từ xa. Phần dƣới đây sẽ trình bày chi tiết về các kiểu tấn công này. a) Tấn công từ chối dịch vụ Tấn công từ chối dịch vụ (Denial of Service) hay viết tắt DoS là kiểu tấn công làm cho một hệ thống nào đó bị quá tải không thể cung cấp dịch vụ, làm gián đoạn hoạt động của hệ thống hoặc hệ thống phải ngƣng hoạt động [8]. Tùy theo phƣơng thức thực hiện mà nó đƣợc biết dƣới nhiều tên gọi khác nhau. Bắt đầu là lợi dụng sự yếu kém của giao thức TCP để thực hiện tấn công từ chối dịch vụ DoS. Ngoài ra còn có kiểu tấn công từ chối dịch vụ phân tán DDoS (Distributed Denial of Service) và mới nhất là tấn công từ chối dịch vụ theo phƣơng pháp phản xạ DRDoS (Distributed Reflection of Service). Tấn công từ chối dịch vụ cổ điển DoS sử dụng các hình thức: bom thƣ, đăng nhập liên tiếp, làm ngập SYN, tấn công Smurf, trong đó thủ phạm sinh ra nhiều giao 4 tiếp ICMP tới địa chỉ Broadcast của các mạng với địa chỉ nguồn là mục tiêu cần tấn công, tấn công “gây lụt” UDP… Tấn công dịch vụ phân tán DDoS xuất hiện vào năm 1999, so với tấn công DoS cổ điển, sức mạnh của DDoS cao hơn gấp nhiều lần. Hầu hết các cuộc tấn công DDoS nhằm vào việc chiếm dụng băng thông gây nghẽn mạch hệ thống dẫn đến hệ thống ngƣng hoạt động. Để thực hiện thì kẻ tấn công tìm cách chiếm dụng và điều khiển nhiều máy tính/mạng máy tính trung gian, từ nhiều nơi để đồng loạt gửi ào ạt các gói tin với số lƣợng rất lớn nhằm chiếm dụng tài nguyên và làm nghẽn đƣờng truyền của một mục tiêu xác định nào đó. b) Tấn công thăm dò Đối với kiểu tấn công thăm dò (Probe), tin tặc quét mạng hoặc máy tính để tìm ra điểm yếu dễ tấn công mà thông qua đó tin tặc có thể thu thập thông tin trái phép về tài nguyên, các lỗ hổng hoặc dịch vụ của hệ thống. Các kiểu tấn công thăm dò nhƣ: Sniffing, Ping Sweep, Ports Scanning,… [8] Ví dụ: Sniffer là một hình thức nghe lén trên hệ thống mạng dựa trên những đặc điểm của cơ chế TCP/IP. Sniffer ban đầu là một kỹ thuật bảo mật, đƣợc phát triển nhằm giúp các nhà quản trị mạng khai thác mạng hiệu quả hơn và có thể kiểm tra các dữ liệu ra vào mạng cũng nhƣ các dữ liệu trong mạng. Sau này, kẻ tấn công dùng phƣơng pháp này để lấy cắp mật khẩu hay các thông tin nhạy cảm khác. Biến thể của sniffer là các chƣơng trình nghe lén bất hợp pháp nhƣ: công cụ nghe lén yahoo, ăn cắp mật khẩu của thƣ điện tử,… c) Tấn công chiếm quyền root Kiểu tấn công chiếm quyền root (User to Root) viết tắt là U2R, tin tặc với quyền của một ngƣời dùng bình thƣờng cố gắng để đạt đƣợc quyền truy nhập cao nhất (đặc quyền của ngƣời quản trị) vào hệ thống một cách bất hợp pháp [8]. Cách thức phổ biến của kiểu tấn công này là gây tràn bộ đệm. 5 Kiểu tấn công này ít gặp hơn so với hai kiểu tấn công DoS và probe. Tuy nhiên, đây cũng là loại tấn công rất nguy hiểm do kẻ tấn công chiếm đƣợc quyền cao nhất và chúng có thể kiểm soát toàn bộ hệ thống. d) Tấn công điều khiển từ xa Đây là kiểu tấn công điều khiển từ một máy tính từ xa có tên tiếng anh là “remote to local” hay R2L. Ban đầu, kẻ tấn công không có tài khoản trong hệ thống nhƣng chúng lại cố gắng gửi các gói tin đến một máy tính trong một hệ thống thông qua mạng. Sau đó, chúng khai thác các lỗ hổng bảo mật để truy cập trái phép nhƣng với tƣ cách của một ngƣời dùng cục bộ [8]. Cách tấn công phổ biến của loại này là đoán mật khẩu thông qua phƣơng pháp từ điển brute-force, FTP Write,... 1.2.3. Một số giải pháp ngăn chặn xâm nhập truyền thống Một số các biện pháp ngăn chặn xâm nhập đƣợc sử dụng khá phổ biến nhƣ: tƣờng lửa (firewall), mã hóa, xác thực, quyền truy cập,… a) Tường lửa Tƣờng lửa có thể là phần mềm hay phần cứng đƣợc thiết kế để ngăn chặn những truy cập trái phép và cho phép các truy cập hợp pháp đƣợc lƣu thông dựa trên một tập luật và các tiêu chuẩn khác. Ngoài ra tƣờng lửa còn có thể mã hóa, giải mã hay ủy quyền cho các giao dịch giữa các miền bảo mật khác nhau. Một số loại tƣờng lửa có chức năng chuyên dụng nhƣ: tƣờng lửa lọc gói, cổng ứng dụng, cổng mức mạch… Tƣờng lửa có một số điểm yếu nhƣ: (i) Không chống đƣợc các tấn công từ bên trong mạng. Tƣờng lửa luôn giả sử rằng kẻ xấu chỉ ở bên ngoài mạng, còn mọi trạm bên trong mạng là đánh tin cậy. (ii) Không chống đƣợc sự lây nhiễm và phá hoại của các chƣơng trình virus hay mã độc. (iii) Không chống đƣợc các tấn công kiểu bỏ qua. Tƣờng lửa cho rằng mọi kết nối giữa bên trong và ngoài mạng đều cần đi qua tƣờng lửa, nhƣng thực tế vẫn có một số 6 kết nối không qua tƣờng lửa do bản thân các tổ chức tạo nên. b) Mã hóa dữ liệu Mã hóa dữ liệu là phƣơng pháp bảo vệ thông tin dữ liệu bằng cách chuyển dữ liệu từ dạng thông thƣờng sang dạng bị mã hóa không thể đọc đƣợc, nhƣng có thể đƣa về dạng ban đầu đƣợc nhờ một hình thức giải mã tƣơng ứng. Tác dụng của nó là ngăn chặn việc nghe trộm và chỉnh sửa dữ liệu trên đƣờng truyền, bên thứ ba có thể lấy đƣợc các gói tin đã mã hóa, nhƣng không thể đọc đƣợc nội dung thông điệp từ các gói tin này. Ngăn chặn việc giả mạo thông tin và đảm bảo tính không thể phủ nhận của an toàn mạng. Tƣơng ứng với mỗi cách mã hóa là một cách giải mã nhất định, bao gồm thuật toán và bộ khóa mã là bí mật. c) Xác thực Xác thực (authentication) là quá trình xác định xem ngƣời dùng đang truy cập vào hệ thống có phải là ngƣời dùng hợp lệ hay không. d) Quyền truy cập Quyền truy cập là mức bảo vệ trong cùng. Sau khi xác thực thành công, ngƣời dùng có thể truy cập vào hệ thống. Tùy vào từng ngƣời dùng cụ thể mà hệ thống sẽ phân quyền truy cập, sử dụng hệ thống khác nhau. 1.3. Hệ thống phát hiện xâm nhập mạng Mặc dù, bản thân mỗi hệ thống máy tính đều có những cơ chế bảo mật riêng nhằm chống lại và ngăn chặn những xâm nhập trái phép nhƣng những giải pháp bảo mật nhƣ firewall, mã hóa dữ liệu,…chƣa đủ mạnh để có thể phát hiện, cảnh báo, ngăn chặn đƣợc những cuộc tấn công mới, ngày càng tinh vi hơn. Vấn đề đặt ra là cần phải xây dựng một hệ thống giám sát chuyên biệt, có khả năng phát hiện và đƣa ra cảnh báo sớm về các nguy cơ tấn công. Các hệ thống có nhiệm vụ nhƣ vậy đƣợc gọi là hệ thống phát hiện xâm nhập. 1.3.1. Định nghĩa 7 Phát hiện xâm nhập mạng là quá trình theo dõi các sự kiện xảy ra trong một hệ thống máy tính hoặc mạng máy tính và phân tích chúng để tìm ra các dấu hiệu sự cố có thể xảy ra, đó là các hành vi hoặc các mối đe dọa sắp xảy ra, vi phạm các chính sách bảo mật, các chính sách sử dụng đƣợc chấp nhận hoặc dựa trên tiêu chuẩn bảo mật [8]. Hệ thống phát hiện xâm nhập mạng (Intrusion Detetion System) là một hệ thống (có thể là thiết bị phần cứng hay phần mềm) nhằm giám sát lƣu lƣợng mạng theo dõi, thu thập thông tin để phát hiện xâm nhập mạng và đƣa ra cảnh báo. 1.3.2. Phân loại hệ thống phát hiện xâm nhập mạng Hệ thống IDS có thể đƣợc phân loại dựa trên cách thu thập dữ liệu giám sát hoặc dựa trên phƣơng pháp phân tích [4]. Theo cách phân loại thứ nhất thì IDS đƣợc chia thành hai dạng hệ thống phát hiện ở mức mạng NIDS (Network -based IDS) và hệ thống phát hiện xâm nhập ở mức máy trạm chủ HIDS (Host – based IDS)  Hệ thống phát hiện xâm nhập ở mức mạng (Network – based IDS) NIDS là một hệ thống độc lập, xác định các truy cập trái phép bằng cách kiểm tra các luồng thông tin trên mạng và giám sát nhiều máy trạm. NIDS truy cập vào luồng thông tin trên mạng bằng cách kết nối vào các Hub, Switch đƣợc cấu hình Port mirroring hoặc Network tap để bắt các gói tin, phân tích nội dung các gói tin và từ đó sinh ra các cảnh báo hoặc phát hiện tấn công. Port mirroring đƣợc sử dụng trong một Switch mạng để gửi một bản sao của tất cả các gói tin trên mạng khi nó đi qua cổng của Switch tới một thiết bị giám sát mạng trên cổng khác của Switch đó. Nó thƣờng đƣợc dùng trong các thiết bị mạng cần giám sát luồng trên mạng, ví dụ nhƣ hệ thống IDS, Port mirroring trên Switch của Cisco System thƣờng đƣợc gọi là Switched Port Analyzer (SPAN) hoặc 3Com là Roving Analysis Port (RAP). Network tap là thiết bị phần cứng dùng để truy cập vào luồng dữ liệu đi ngang 8 qua một mạng máy tính. Trong nhiều trƣờng hợp, nó đƣợc xem nhƣ là một thành phần thứ ba để giám sát luồng dữ liệu trao đổi giữa hai điểm mạng, điểm A và điểm B. Một network tap có ít nhất ba cổng kết nối, một cổng A, một cổng B, và một cổng giám sát. Để đặt Network tap giữa điểm A và điểm B, cáp mạng giữa hai điểm A, B đƣợc thay thế bằng một cặp dây, một dây đấu cổng A và dây kia đấu cổng B. Network tap cho qua tất cả các dữ liệu giữa A và B vì thế giao tiếp giữa A và B vẫn diễn ra bình thƣờng, tuy nhiên dữ liệu trao đổi đã bị Network tap sao chép và đƣa vào thiết bị giám sát thông qua cổng giám sát. Hình 1.1 Hệ thống phát hiện xâm nhập NIDS Tuy nhiên, nhƣợc điểm của hệ thống NIDS là giới hạn băng thông và có thể xảy ra hiện tƣợng tắc nghẽn cổ chai khi lƣu lƣợng mạng hoạt động ở mức cao.  Hệ thống phát hiện xâm nhập ở mức máy trạm chủ (Host – based IDS) HIDS thƣờng là một phần mềm chạy trên các trạm làm việc để giám sát tất cả các hoạt động trên máy trạm. Hệ thống này phân tích thông tin thu đƣợc trong nội bộ hệ thống, vì vậy nó cung cấp một cơ chế phân tích toàn diện các hoạt động và phát hiện một cách chính xác các thành phần tấn công. 9 Hình 1.2 Hệ thống phát hiện xâm nhập HIDS Nhƣợc điểm của HIDS là việc thu thập dữ liệu xảy ra trên mỗi trạm máy chủ và ghi vào log do đó có thể làm giảm hiệu năng mạng. Theo cách phân loại thứ hai thì IDS đƣợc chia làm hai dạng phát hiện dấu hiệu dựa vào đặc trƣng (của cuộc xâm nhập) hay dựa vào dấu hiệu (Signature-based IDS) và dựa vào bất thƣờng (Anomaly-based IDS).  Hệ thống phát hiện xâm nhập dựa vào đặc trưng (Signature-based IDS) Hệ thống IDS loại này dựa vào các dấu hiệu của các cuộc xâm nhập. Những dấu hiệu đó có thể là thông tin về các kết nối nguy hiểm đã biết trƣớc. Hệ thống sẽ mô hình hóa các dấu hiệu của các cuộc xâm nhập đã biết và bằng việc so sánh thông tin của các gói tin đến với các dấu hiệu này để phát hiện ra các hoạt động đáng ngờ và đƣa ra cảnh báo cho hệ thống. Ƣu điểm của hệ thống này là rất hiệu quả trong việc phát hiện tấn công đã biết với tỷ lệ cảnh báo sai thấp. Tuy nhiên, nhƣợc điểm chính của hệ thống là chỉ phát hiện đƣợc những cuộc tấn công đã biết, thƣờng xuyên cập nhật các đặc trƣng (dấu hiệu) về các cuộc tấn công mới và thời gian phát hiện tăng khi cơ sở dữ liệu lớn.  Hệ thống phát hiện xâm nhập dựa vào bất thường (Anomaly-based IDS) Ý tƣởng của cách tiếp cận này xuất phát từ giả thiết “Dấu hiệu của các cuộc tấn 10 công khác biệt với dấu hiệu của những trạng thái mạng được coi là bình thường”. Khi đó, việc phát hiện sẽ diễn đƣợc tiến hành qua hai giai đoạn: giai đoạn huấn luyện (pha huấn luyện) và gia đoạn phát hiện (pha phát hiện). Tại pha huấn luyện sẽ xây dựng một hồ sơ về các hoạt động bình thƣờng (thông số chuẩn). Sau đó tại pha phát hiện sẽ tiến hành so khớp các quan sát (gói tin) với hồ sơ từ đó xác định dấu hiệu bất thƣờng. Ƣu điểm của hệ thống này là hiệu quả trong việc phát hiện các mối nguy hiểm không đƣợc biết trƣớc. Những năm gần đây, hƣớng tiếp cận này đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu [5][17]. Do đó, luận văn cũng tập trung vào hƣớng tiếp cận này. 1.4. Một số cách tiếp cận cho bài toán phát hiện xâm nhập Trong phần này luận văn sẽ điểm qua một số cách tiếp cận phổ biến cho bài toán phát hiện xâm nhập mạng nhƣ phát hiện xâm nhập dựa vào luật, dựa vào phân tích thống kê hay dựa vào các thuật toán học máy. 1.4.1. Cách tiếp cận dựa vào luật Phát hiện xâm nhập dựa vào luật (rule-based) là một trong những phƣơng pháp ra đời từ rất sớm có ứng dụng rộng rãi và phổ biến nhất [20]. Đó là một trong những cách tiếp cận dựa vào dấu hiệu xâm nhập. Quá trình phát hiện xâm nhập dựa tập luật thƣờng đƣợc thực hiện nhƣ sau: Bƣớc 1: Hệ thống tiến hành trích chọn những dấu hiệu xâm nhập từ những dấu hiệu xâm nhập của các cuộc tấn công trƣớc đó. Bƣớc 2: Xây dựng cơ sở dữ liệu các luật về các kiểu xâm nhập đó với định dạng nhƣ sau: if {condition} then {atc} Trong đó: o condition: các dấu hiệu (đặc trƣng) liên quan tới các kiểu xâm nhập 11 nhƣ: duration, protocol, source port, destination port, service,... o atc: kiểu tấn công. Bƣớc 3: Hệ thống sử dụng các thuật toán so khớp để phát hiện xâm nhập. Ví dụ:  Luật quy định các kiểu tấn công dos. if(duration = “0:0:1” and protocol = “finger” and source_port = 18982 and destination_port = 79 and source_ip = “9.9.9.9” and destination_ip = “172.16.112.50” and service =“private”) then (attack name = “dos”).  Luật quy định các kiểu tấn công probe. if(duration = “0:0:1” and protocol = “telnet” and source_port = 18982 and destination_port = 79 and source_ip = “9.9.9.9” and destination_ip = “172.16.112.50” and service =“fpt”) then (attack name = “probe”). Ƣu điểm của hệ thống phát hiện dựa vào luật là dễ cài đặt, dễ thêm các luật mới và đơn giản trong việc sử dụng. Khi hệ thống mạng đứng trƣớc những nguy cơ tấn công mới, ngƣời quản trị chỉ việc cập nhật thêm các luật chƣa có vào cơ sở dữ liệu. Phƣơng pháp này có tỉ lệ phát hiện nhầm rất thấp vì nó dùng cách phân tích gói tin và so sánh với mẫu đã có. Tuy nhiên, nhƣợc điểm chính của cách tiếp cận này là không phát hiện đƣợc những mẫu tấn công mới chƣa đƣợc biết trƣớc. Bên cạnh đó, hệ thống phải liên tục cập nhật các luật về các cuộc tấn công mới. Nếu cơ sở dữ liệu chứa luật lớn thì thời gian phát hiện cũng tăng theo. 1.4.2. Cách tiếp cận dựa vào thống kê Phát hiện xâm nhập dựa vào thống kê là một trong những phƣơng pháp điển hình cho cách tiếp cận phát hiện dựa vào bất thƣờng và đƣợc áp dụng rộng rãi trong các hệ thống phát hiện xâm nhập từ nhiều thập kỷ này. Hệ thống này hoạt động trên nguyên tắc quan sát hoạt động của đối tƣợng và sinh ra các hồ sơ biểu diễn hành vi của 12