用于網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)的群體協(xié)同人工淋巴細(xì)胞模型

安輝耀，吳澤俊，王新安，王秀云

(1. 北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871；2. 北京大學(xué) 深圳研究生院 集成微系統(tǒng)科學(xué)工程與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055；3. 武漢大學(xué) 國際軟件學(xué)院，湖北 武漢 430079)

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息化發(fā)展和Internet的普及，網(wǎng)絡(luò)開放性帶來的信息安全問題日益嚴(yán)重，黑客攻擊和網(wǎng)絡(luò)犯罪正以驚人的速度在全球蔓延。網(wǎng)絡(luò)中千變?nèi)f化的信息隱含了大量的危險(xiǎn)（入侵、危害、病毒、惡意行為等），這些具有不確定性特點(diǎn)的危險(xiǎn)信息，與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境息息相關(guān)。變化性、動(dòng)態(tài)性、不確定性給信息系統(tǒng)安全造成了極大的威脅。

傳統(tǒng)的入侵檢測(cè)策略試圖用一種靜態(tài)的、形式化的、有限的方法來描述一個(gè)多變的、無限的、未知的世界，這樣就會(huì)陷入一個(gè)永無休止的防御怪圈：新危險(xiǎn)的出現(xiàn)造成危害，由專家研究找到危險(xiǎn)的形式化特征，然后發(fā)布處理策略，接著再次面對(duì)新的危險(xiǎn)，如此反復(fù)。因此，在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和多變的應(yīng)用背景下，信息安全面臨新的問題和需求，呼喚新的方法和思路。

網(wǎng)絡(luò)安全問題與生物免疫系統(tǒng)所遇到的問題具有驚人的相似性，兩者都要在不斷變化的環(huán)境中維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域面臨諸多困難和挑戰(zhàn)的時(shí)期，學(xué)者們從生物免疫原理獲得靈感，提出網(wǎng)絡(luò)安全仿生方法“人工免疫學(xué)”，具有非常重要的意義。目前，人工免疫學(xué)的應(yīng)用主要集中在計(jì)算機(jī)病毒和網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)。以IBM計(jì)算機(jī)病毒研究中心為代表，提出了基于免疫原理的計(jì)算機(jī)免疫系統(tǒng)，用于防止計(jì)算機(jī)病毒的入侵。

在將人工免疫學(xué)用于入侵檢測(cè)的研究過程中，學(xué)者們提出了諸多人工免疫模型[1～5]，包括反向選擇模型、克隆選擇模型、染色體模型、免疫網(wǎng)絡(luò)模型等，但這些模型存在共性問題急需解決。

1) 多樣性缺乏問題：用某種人工免疫模型解決特定領(lǐng)域問題時(shí)效果較好，但隨著應(yīng)用環(huán)境和安全需求的變化，模型的多樣性和適應(yīng)能力不夠；

2) 空洞（holes）問題：多用單一模型解決單一問題，某些復(fù)雜入侵檢測(cè)問題的特殊空間無法被單一模型覆蓋，多種模型混合檢測(cè)的研究較少；

3) 縮放（scaling）問題：在處理真正的大數(shù)據(jù)量的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)時(shí)，免疫模型產(chǎn)生較大的誤報(bào)率和漏報(bào)率。

基于上述原因，本文借鑒生物免疫原理中的協(xié)同刺激特性，提出一種多淋巴細(xì)胞模型混合入侵檢測(cè)方法，讓不同類型的免疫模型協(xié)同工作。

2 相關(guān)研究

2.1 網(wǎng)絡(luò)安全面臨的問題

以網(wǎng)絡(luò)攻擊為例：拒絕服務(wù)式攻擊的特點(diǎn)是產(chǎn)生海量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，同時(shí)產(chǎn)生大量惡意服務(wù)請(qǐng)求，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量的復(fù)雜性，在網(wǎng)絡(luò)級(jí)上表現(xiàn)出顯著的異常，包括洪水包泛濫、突發(fā)性擁塞等，如何準(zhǔn)確和迅速地檢測(cè)拒絕服務(wù)攻擊，以保障網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的可用性，是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的安全問題[6]；蠕蟲攻擊的特點(diǎn)是迅速繁殖、耗盡主機(jī)資源，并主動(dòng)感染其他主機(jī)資源，在主機(jī)級(jí)上體現(xiàn)出明顯的特征；木馬攻擊的特點(diǎn)是駐留進(jìn)程、隱藏自身，并定時(shí)發(fā)作、竊取資源，在系統(tǒng)級(jí)上呈現(xiàn)出特別的征兆。

不同的攻擊行為在不同的資源側(cè)面上，包括在網(wǎng)絡(luò)級(jí)、主機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)上，展現(xiàn)出不同的特性。

1) 攻擊行為的多樣性：使得新的網(wǎng)絡(luò)攻擊演變、組合，改進(jìn)上述多個(gè)側(cè)面的特性；比如“熊貓燒香”病毒在植入木馬后同時(shí)進(jìn)行蠕蟲攻擊，其變種會(huì)進(jìn)行拒絕服務(wù)式攻擊，是典型混合型病毒。

2) 攻擊行為的偽裝性：使得某些被特別關(guān)注的側(cè)面特性并不明顯，但是另外一些真正有問題的側(cè)面容易被忽視和遺漏；比如“沖擊波”病毒，感染后的最初病癥體現(xiàn)在產(chǎn)生超負(fù)荷的網(wǎng)絡(luò)連接，而其根本殺傷性在于破壞系統(tǒng)核心進(jìn)程，具有隱蔽性。

3) 攻擊行為的智能性：使得攻擊特征隨著攻擊時(shí)間的推移和攻擊任務(wù)的執(zhí)行在不同側(cè)面間進(jìn)行切換，防范只能疲于應(yīng)付；比如“變形”病毒，是典型的多態(tài)病毒，會(huì)根據(jù)環(huán)境的變化改變行為模式和破壞策略。

基于異常檢測(cè)的防火墻技術(shù)、漏洞修補(bǔ)技術(shù)、殺毒技術(shù)等，以及現(xiàn)有的基于單模型的人工免疫學(xué)方法，只能獨(dú)立應(yīng)對(duì)某個(gè)側(cè)面的安全問題，而無法聯(lián)合應(yīng)對(duì)復(fù)雜入侵檢測(cè)問題。

2.2 人工免疫學(xué)研究現(xiàn)狀

近年來許多國外科研機(jī)構(gòu)對(duì)人工免疫學(xué)進(jìn)行了較為深入的研究：美國新墨西哥大學(xué)Forrest從事人工免疫學(xué)系統(tǒng)理論框架研究[7]，提出R鄰域位匹配方式和反向（陰性）選擇算法；美國孟菲斯大學(xué)Dasgupta從事人工免疫系統(tǒng)應(yīng)用研究[8]，提出多維向量異常檢測(cè)方法；英國約克大學(xué) Timmis從事免疫網(wǎng)絡(luò)研究，應(yīng)用于分類聚類問題；英國諾丁漢大學(xué)Uwe從事危險(xiǎn)理論研究。在國內(nèi)，武漢大學(xué)梁意文從事人工免疫學(xué)中淋巴細(xì)胞和預(yù)警模型研究[9]，提出染色體模型；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王煦法從事免疫遺傳算法的研究[10]；四川大學(xué)李濤[11]關(guān)注免疫模型及風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)；西安交通大學(xué)焦李成關(guān)注免疫規(guī)劃類問題。在將人工免疫學(xué)用于異常檢測(cè)的研究過程中，有3類問題需要解決：1) 多樣性缺乏問題；2)空洞問題；3) 縮放問題。下面具體闡述這些問題。

2.3 工免疫學(xué)面臨的問題

2.3.1 識(shí)別器模型缺乏多樣性

人工免疫學(xué)的研究已經(jīng)證明，特定免疫模型的表達(dá)方式對(duì)于檢測(cè)特定類別的入侵形式最有效，表1舉了幾個(gè)常見的入侵手段和相應(yīng)的表達(dá)方式。網(wǎng)絡(luò)入侵通常混雜多種入侵形式，安全系統(tǒng)不能只識(shí)別某種入侵形式，如果希望能夠應(yīng)付復(fù)雜的、混合的入侵，對(duì)應(yīng)到人工免疫系統(tǒng)中就需要保留多種識(shí)別器的表示方式。

表1 入侵手段與識(shí)別器表達(dá)方式對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3.2 Holes問題

Holes問題實(shí)質(zhì)上是空間覆蓋問題。這個(gè)問題與免疫模型中自我和非我（Self和Nonself）空間布局的不規(guī)則有關(guān)。如圖1所示中間的不規(guī)則陰影是Self空間，使用單一的圓型識(shí)別器基于反向選擇無法覆蓋到Self附近的Nonself，這不是通過改進(jìn)匹配算法可以解決的。因?yàn)槟芨采w到Self空間附近Nonself的識(shí)別器由于同時(shí)覆蓋到了Self而在反向選擇中被淘汰。

圖1 覆蓋空洞問題

2.3.3 Scaling問題

Scaling問題實(shí)質(zhì)上是空間比例問題。Kim通過實(shí)驗(yàn)證明[12]，由于Self集定義的局限性，只有在被檢測(cè)對(duì)象是網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)的一個(gè)小的子集時(shí)反向選擇算法才是有效的，在處理真正的大數(shù)據(jù)量的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的縮放問題，并且僅適用于做無效識(shí)別器的過濾器。如圖2所示。

圖2 反向選擇算法的誤差縮放

訓(xùn)練集M '是M的子集，在M'中，由Self反向選擇出的Nonself' = M'-Self，大于真正的Nonself，這在較小的通信數(shù)據(jù)子集中誤差不太明顯，誤判率（即由于定義的Self集的局限性，將訓(xùn)練集外的Self判定為 Nonself）不會(huì)很高，但是對(duì)于整個(gè)M(實(shí)際的海量網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù))來說，Nonself' =M-Self遠(yuǎn)大于真正的Nonself，對(duì)訓(xùn)練集外的Self的誤判率過高，這就使得檢測(cè)結(jié)果不理想。

目前，人工免疫學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到上面這些問題的存在，但僅限于在一個(gè)層次中、一個(gè)側(cè)面上或一個(gè)領(lǐng)域里用單一的模型進(jìn)行解決，缺乏站在全局的角度進(jìn)行多模型綜合考慮。

3 生物淋巴細(xì)胞的協(xié)同刺激原理

生物免疫的協(xié)同刺激原理為人工免疫學(xué)解決復(fù)雜入侵檢測(cè)問題提供了創(chuàng)新源泉。從組織結(jié)構(gòu)上來看，生物免疫系統(tǒng)是一個(gè)多層防御系統(tǒng)[13]。最外層是皮膚粘膜及其附屬物，這是預(yù)防傳染的第一道屏障；一旦病原體進(jìn)入機(jī)體，就由先天免疫機(jī)制和適應(yīng)性免疫機(jī)制處理。天然免疫機(jī)制主要由循環(huán)的清潔細(xì)胞和體液組成，來清除系統(tǒng)中的碎片和抗原，如吞噬細(xì)胞捕獲、吞噬、降解各種異物。適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，也稱為后天免疫系統(tǒng)或者獲得性免疫系統(tǒng)，它由大量淋巴細(xì)胞（lymphocytes）組成，因?yàn)樗巧矬w在抗原性異物的刺激下誘導(dǎo)獲得（激活）的，所以稱為適應(yīng)性的。

當(dāng)機(jī)體遇到抗原時(shí)，淋巴細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，分泌抗體，消除抗原。人工免疫系統(tǒng)就是基于這種適應(yīng)性免疫機(jī)制提出的，淋巴細(xì)胞分為2類，一類是B細(xì)胞，用于識(shí)別Nonself。B細(xì)胞是體液免疫，因?yàn)樗置诔龅目贵w是體液形式的。另一類是T細(xì)胞，而T細(xì)胞又分3種：一種是T輔助細(xì)胞（Th），它的作用是接受先天免疫層提呈的同源抗原，并給原初B細(xì)胞提供一個(gè)共刺激信號(hào)，確認(rèn) B細(xì)胞識(shí)別的是Nonself；一種是T抑制細(xì)胞（Ts），它專門用于識(shí)別Self，抑制B細(xì)胞識(shí)別到Self，避免產(chǎn)生自免疫現(xiàn)象；第3種是殺傷性T細(xì)胞（CTL），它可以接受先天免疫層提呈的同源抗原，并殺傷受感染的細(xì)胞。

適應(yīng)性免疫系統(tǒng)內(nèi)部，具有群體協(xié)同刺激特性：T細(xì)胞和B細(xì)胞作為適應(yīng)性免疫細(xì)胞中最重要的個(gè)體，它們之間會(huì)產(chǎn)生刺激信號(hào)。T細(xì)胞能為B細(xì)胞提供刺激信號(hào)，促使B細(xì)胞的激活；反過來，激活的B細(xì)胞又能作為T細(xì)胞的輔助細(xì)胞。因此，T細(xì)胞與B細(xì)胞之間存在相輔相成的相互刺激。同時(shí)，作為淋巴細(xì)胞，T細(xì)胞和B細(xì)胞體現(xiàn)出群體特性，不同類別的淋巴細(xì)胞組合在一起，協(xié)同應(yīng)對(duì)病原體的攻擊，產(chǎn)生特異性免疫反應(yīng)。

將生物的協(xié)同刺激特性引入到入侵檢測(cè)中來，為傳統(tǒng)的入侵檢測(cè)方法提供了新的思路：

1) 將異常感知信息預(yù)分類，抽取抗原多側(cè)面屬性表達(dá)，解決檢測(cè)對(duì)象不確定問題；

2) 實(shí)現(xiàn)群體淋巴細(xì)胞模型的定義、構(gòu)造、評(píng)價(jià)，解決檢測(cè)方式不確定問題。

4 群體協(xié)同人工淋巴細(xì)胞模型

目前大部分入侵檢測(cè)系統(tǒng)主要使用基于誤用的檢測(cè)方法，如ISS公司的Realsecure，NFR公司的 Network Flight Recorder，以及開放源代碼的Snort等入侵檢測(cè)產(chǎn)品[14]。這些入侵檢測(cè)系統(tǒng)主要根據(jù)入侵特征庫來檢測(cè)入侵，檢測(cè)技術(shù)比較成熟，對(duì)于已知的入侵攻擊行為能夠精確地檢測(cè)出來。其主要缺點(diǎn)是難以發(fā)現(xiàn)未知的入侵行為以及已知入侵行為的變種。基于異常的入侵檢測(cè)正好能彌補(bǔ)這個(gè)不足，但是由于缺乏精確地判定系統(tǒng)是正常或是異常的準(zhǔn)則，缺乏對(duì)于未知入侵的檢測(cè)能力。

生物淋巴細(xì)胞的協(xié)同刺激原理采用先天免疫與適應(yīng)性免疫相結(jié)合的方式，由先天的危險(xiǎn)信號(hào)誘導(dǎo)后天免疫反應(yīng)，具備檢測(cè)未知抗原的能力，因此，在入侵檢測(cè)過程中借鑒該原理，可以消除入侵檢測(cè)的不確定性，尤其針對(duì)未知攻擊，可提高檢測(cè)率。

4.1 群體人工淋巴細(xì)胞識(shí)別器模型的定義

本文假定先天免疫層作為信息采集層，將提呈的、具有格式化數(shù)據(jù)形式的各類抗原信息傳遞給適應(yīng)性免疫層。適應(yīng)性免疫層由3類部件構(gòu)成，包括訓(xùn)練部件、淋巴細(xì)胞模型配置部件、混血評(píng)價(jià)部件，如圖3所示。淋巴細(xì)胞模型配置部件接收來自先天免疫層的抗原信息，確定淋巴細(xì)胞模型配置方案發(fā)送給訓(xùn)練部件，訓(xùn)練部件訓(xùn)練多模型識(shí)別器集合傳送給混血評(píng)價(jià)部件，混血評(píng)價(jià)部件讓多種淋巴細(xì)胞模型協(xié)同工作，并發(fā)出淋巴細(xì)胞模型重組請(qǐng)求給淋巴細(xì)胞模型配置部件，識(shí)別器類型調(diào)整請(qǐng)求也可以從訓(xùn)練部件發(fā)送到淋巴細(xì)胞模型配置部件。

圖3 適應(yīng)性免疫層結(jié)構(gòu)

滿足適應(yīng)性免疫結(jié)構(gòu)的群體協(xié)同人工淋巴細(xì)胞模型（PCALM, population co-stimulation artificial lymphocyte model）負(fù)責(zé)提供一個(gè)最佳的適應(yīng)性免疫檢測(cè)方案。本文根據(jù)文獻(xiàn)[15～19]所描述的免疫模型的公共特征，建立如圖4所示的基于識(shí)別器生成算法的PCALM。

圖4 淋巴細(xì)胞模型配置結(jié)構(gòu)

淋巴細(xì)胞模型描述器所描述的淋巴細(xì)胞模型由表達(dá)方式單元(Ex)，匹配方式單元(Ma)，訓(xùn)練策略單元(Tr)，評(píng)價(jià)機(jī)制單元(Ev)和中和反應(yīng)單元(Ne)這 5個(gè)單元組成，其中訓(xùn)練策略單元由產(chǎn)生策略，競(jìng)爭(zhēng)策略，生命周期策略3個(gè)子單元組合而成。為了簡(jiǎn)化免疫模型，本文固定Tr單元，忽略 Ne單元。因此，淋巴細(xì)胞模型可以表達(dá)為一個(gè)三元組：

每一個(gè)單元可以由若干可選項(xiàng)經(jīng)選擇后裝配，這些可選項(xiàng)的部分清單如表2所示。

表2 淋巴細(xì)胞模型中各單元的部分可選項(xiàng)

為了防止無效淋巴細(xì)胞模型的產(chǎn)生，淋巴細(xì)胞模型的配置需要參照Ex-Ma關(guān)系表。表3列出了一些典型的Ex和Ma單元的依賴制約關(guān)系。

淋巴細(xì)胞模型集可以根據(jù)表2和表3來裝配。模型參數(shù)由專家根據(jù)所選取的模型進(jìn)行預(yù)設(shè)定，例如數(shù)字序列的長度，r鄰域位匹配時(shí)r的值，海明距離的閾值等。表4列出了一些預(yù)裝配的模型，構(gòu)成淋巴細(xì)胞模型庫，括號(hào)中的數(shù)字是由專家設(shè)定的參數(shù)值。

表3 Ex-Ma依賴制約關(guān)系

表4 專家裝配淋巴細(xì)胞模型庫示例

對(duì)于M1來說，采用數(shù)字序列表達(dá)方式，長度L為 6，數(shù)字序列中每一位的值域是[0…255]，因此A=[0…255]；采用r鄰域位匹配方法，r的值設(shè)置為3；T=1表示獨(dú)裁評(píng)價(jià)機(jī)制，即只要有一個(gè)識(shí)別器檢測(cè)到異常則判定為異常，T=HALF表示打分評(píng)價(jià)機(jī)制，即只有當(dāng)至少一半的識(shí)別器認(rèn)為異常才判定為入侵。

4.2 群體人工淋巴細(xì)胞模型的演化訓(xùn)練算法

為了保持多淋巴細(xì)胞模型的多樣性和協(xié)同性。本文提出一種淋巴細(xì)胞模型自適應(yīng)調(diào)整算法（SALM, self-regulating algorithm for lymphocyte model），用于動(dòng)態(tài)調(diào)整淋巴細(xì)胞模型的構(gòu)成，包括模型參數(shù)調(diào)整、模型組成調(diào)整等。

算法1 人工淋巴細(xì)胞模型自適應(yīng)調(diào)整算法

1) 從淋巴細(xì)胞模型庫中根據(jù) Ex-Ma依賴制約關(guān)系表初始化淋巴細(xì)胞模型集合 M={M1, M2,…,Mn}；

2) 在訓(xùn)練部件采用遺傳算法訓(xùn)練每一個(gè)淋巴細(xì)胞模型Mi(i=1,…,n)；

3) 遺傳算法的每一代產(chǎn)生多個(gè)識(shí)別器集合D={D1, D2,…,Dn}，其中 Di={d1, d2, …, dwi}，i=1,…,k，是由淋巴細(xì)胞模型 Mi產(chǎn)生的識(shí)別器集，wi表示識(shí)別器集合Di的識(shí)別器個(gè)數(shù)；

4) 每個(gè)Di的平均適應(yīng)值記作FDi, 與閾值μ進(jìn)行比較，如果FDi＜ μ，則對(duì)Mi中Ma部件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且減少該識(shí)別器集合的生命值Lifei，否則相反。給定一個(gè)識(shí)別器集合Di={d1, d2, …, dwi},采用函數(shù)d_match_self()計(jì)算dj(j=1…wi)和self訓(xùn)練集之間的不匹配程度，并且采用函數(shù)match_nonself()計(jì)算 dj(j=1,…,wi)和 nonself訓(xùn)練集之間的匹配程度。 因此FDi按下面公式計(jì)算：

其中x1和x2是權(quán)重參數(shù)；

5) 將 Mi中 Ma部件的參數(shù)的調(diào)整次數(shù)記為Retryi, 將 Retryi與閾值 δ進(jìn)行比較，如果 Retryi＞ δ，則Mi中Ma部件被其他的可選項(xiàng)代替，并且減少該識(shí)別器集合的生命值Lifei，否則相反；

6) 遺傳算法運(yùn)轉(zhuǎn) N代后，得到成熟識(shí)別器集合 Dm={Dm1, Dm2,…, Dmn}；

7) 在混血評(píng)價(jià)部件，評(píng)價(jià) Dm的誤判率(FP,fasle positive)和漏判率(FN, false negative,)，將FP、FN 與閾值 β、γ進(jìn)行比較 如果 FP ＜ β或者 FN ＜ γ，則從淋巴細(xì)胞模型庫中重新初始化識(shí)別器模型集合，將N設(shè)置為0；

8) 最終將優(yōu)秀識(shí)別器集合 De={De1, De2, …,Den} 輸出到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中用于異常檢測(cè)。

4.3 群體人工淋巴細(xì)胞模型的協(xié)同評(píng)價(jià)過程

混血評(píng)價(jià)部件利用混血評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)識(shí)別器集D={D1, D2, D3,…,Dk}進(jìn)行評(píng)估。混血評(píng)價(jià)函數(shù)fhybrid(x)可以被定義為如下2種形式，即獨(dú)裁評(píng)價(jià)機(jī)制、打分評(píng)價(jià)機(jī)制：

其中，fDi(x) (i=1,2,…,k)是識(shí)別器集Di的評(píng)價(jià)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)取決于在模型配置部件所選擇的評(píng)價(jià)單元。fDi(x)=1表明Di將x識(shí)別為異常；fDi(x)=0則相反，表示識(shí)別為正常。

顯然，上面的2種評(píng)價(jià)函數(shù)表達(dá)了2種不同的混血評(píng)價(jià)體系。

對(duì)于獨(dú)裁評(píng)價(jià)機(jī)制(函數(shù)(1))，只要有一個(gè)識(shí)別器集Dj(j∈[1…k])將x判定為異常，那么x就被識(shí)別為異常；當(dāng)所有的識(shí)別器集D = {D1, D2, D3,…,Dk}將x判定為正常時(shí)，x被識(shí)別為正常。

對(duì)于打分評(píng)價(jià)機(jī)制(函數(shù)(2))，當(dāng) fhybrid(x)＞ η(0 ≤ η≤ k)時(shí)，x被識(shí)別為異常，相反則識(shí)別為正常。這實(shí)際上是一種打分評(píng)價(jià)機(jī)制，即由所有 D來合作打分共同決定。本文中，依據(jù)投票過半原則，將 η的值設(shè)置為打分機(jī)制實(shí)質(zhì)上就是協(xié)同工作模式。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

5.1 多層次入侵檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)防范能力的不同要求，產(chǎn)生的危險(xiǎn)信號(hào)可能是用戶級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、進(jìn)程級(jí)和數(shù)據(jù)包級(jí)的。對(duì)于不同的受保護(hù)系統(tǒng)，本文所關(guān)注的采樣參數(shù)也有所不同。借鑒和歸納了國內(nèi)外同行的方法，將系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)分為3類。

進(jìn)程級(jí)：該級(jí)別主要包含了進(jìn)程相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理，大概包含了34類屬性。進(jìn)程級(jí)別的數(shù)據(jù)，主要包含了進(jìn)程相關(guān)的一系列屬性，涉及到進(jìn)程對(duì)資源的消耗情況，如內(nèi)存頁面占用狀況、文件使用情況、CPU使用情況等。

系統(tǒng)級(jí)：該級(jí)別主要包含了系統(tǒng)資源占用情況，有18個(gè)屬性。每5s采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)。包含內(nèi)存使用（用戶、進(jìn)程）、CPU負(fù)載（用戶、進(jìn)程）、并發(fā)用戶數(shù)目、進(jìn)程數(shù)目、磁盤使用（文件讀寫文件出錯(cuò)）等。

網(wǎng)絡(luò)級(jí)：該級(jí)別主要包含了網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)狀況，有67個(gè)屬性。從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧上收集了67個(gè)安全屬性，主要包含了活動(dòng)連接數(shù)目、半開連接數(shù)目、端口數(shù)目等。

此外，病毒或木馬入侵時(shí)，往往會(huì)修改注冊(cè)表，產(chǎn)生一些可疑文件，修改可執(zhí)行文件大小，彈出一些不正常的對(duì)話框，甚至影響屏幕顯示和文件打印，這些病毒行為都是用以判斷危險(xiǎn)是否發(fā)生的變化依據(jù)。

從網(wǎng)絡(luò)級(jí)、主機(jī)級(jí)和進(jìn)程級(jí)上對(duì)各類網(wǎng)絡(luò)入侵樣本，尤其是具有“危險(xiǎn)”特性的樣本，進(jìn)行特征抽取，在網(wǎng)絡(luò)級(jí)上，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的復(fù)雜性，通過分析攻擊流量的流長等信息特征指導(dǎo)抽樣，過濾掉攻擊可疑性低的報(bào)文[20]，檢測(cè)以SYN攻擊、ICMP攻擊和ARP攻擊為代表的DOS攻擊抗原集，重點(diǎn)采集信息流量的變化；在主機(jī)級(jí)上，以典型蠕蟲病毒為抗原，關(guān)注 CPU占用率、內(nèi)存占用率和在關(guān)鍵目錄下文件增加或修改的情況；在進(jìn)程級(jí)上，以木馬為研究對(duì)象，記錄進(jìn)程端口關(guān)聯(lián)情況、進(jìn)程模塊變化情況和注冊(cè)表修改情況等。因此，選取如下異常檢測(cè)用例，如表5所示。

表5 攻擊組合形式及異常檢測(cè)用例的選擇

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本采集編碼

網(wǎng)絡(luò)級(jí)：IP分組頭信息，包括IP地址等。網(wǎng)絡(luò)級(jí)IP地址特征值計(jì)算方法：

Nonself Sequence = 000010000000100000（前16bit是 192.168.8.8中 8.8的二進(jìn)制數(shù)，最后 2bit表示分組類型：00為ICMP，01為ARP，10為SYN）

Self Sequence = 010000000000100000（前16bit是192.168.40.8中40.8的二進(jìn)制數(shù)，最后2bit表示分組類型：00為ICMP，01為ARP，10為SYN）

主機(jī)級(jí)：在本實(shí)驗(yàn)中，模擬 12bit病毒特征碼信息。主機(jī)級(jí)病毒特征碼的計(jì)算方法：

Sequence = 111100000000, 000011111111…（前4bit為1的是Nonself，前4bit為0的是Self）

進(jìn)程級(jí)：在本實(shí)驗(yàn)中，模擬木馬行為序列信息。

針對(duì)木馬行為定義行為序列：長度為9bit的行為序列串，某一比特為1表示該比特指示的動(dòng)作發(fā)生了。具體各比特對(duì)應(yīng)的行為如表6所示，0～3號(hào)行為表示異常行為，4～8號(hào)行為表示正常行為。當(dāng)9號(hào)行為序列串中異常行為位置等于1的數(shù)目大于或者等于2bit時(shí)表示Nonself。例如，011010111表示Nonself，該串第2bit和第3bit為1。

表6 采集行為序列編號(hào)及對(duì)應(yīng)描述項(xiàng)

5.3 實(shí)驗(yàn)分析

本文實(shí)驗(yàn)將MIT Lincoln實(shí)驗(yàn)室1999年提供的DARPA入侵檢測(cè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集作為R1，將5.2描述的局域網(wǎng)入侵檢測(cè)數(shù)據(jù)作為R2。本文將R1和R2的部分?jǐn)?shù)據(jù)作為訓(xùn)練集在訓(xùn)練部件中進(jìn)行訓(xùn)練，按特定方式生成3個(gè)獨(dú)立的人工淋巴細(xì)胞模型Mi, Mj和Mk。整個(gè)識(shí)別器集的群體規(guī)模是300個(gè)，初始狀態(tài)下每一個(gè)人工淋巴細(xì)胞模型有100個(gè)識(shí)別器個(gè)體。利用R1和R2的部分?jǐn)?shù)據(jù)作為測(cè)試集對(duì)誤判率（FP）和漏判率（FN）的值進(jìn)行評(píng)測(cè)，最后得到最優(yōu)的多模型集合M = {Mi, Mj, Mk}作為協(xié)同刺激淋巴細(xì)胞群體。

其他的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下。演化代數(shù)是100代，復(fù)制雜交變異概率分別是0.7, 0.25和0.05。η的值設(shè)為50，β和γ設(shè)值為0.3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是10次運(yùn)行結(jié)果的平均值。

實(shí)驗(yàn)1 單模型與多模型比較實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)數(shù)據(jù)集R1和R2，分別采用單個(gè)模型M1,M2, M3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并采用3個(gè)模型進(jìn)行混合實(shí)驗(yàn)，在混合實(shí)驗(yàn)過程中，評(píng)價(jià)分別采用獨(dú)裁、打分2種方式，經(jīng)過10次實(shí)驗(yàn)后，產(chǎn)生的FP和FN平均實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 單模型和多模型FP和FN值比較

從表7可以看到，多模型產(chǎn)生的FP 和FN值遠(yuǎn)低于單模型的結(jié)果。當(dāng)多模型采用獨(dú)裁評(píng)價(jià)方式時(shí)，其 FN值低于采用打分評(píng)價(jià)方式時(shí)得到的 FN值，而FP值恰好相反。

由此，可以得到3個(gè)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果：1)在訓(xùn)練和測(cè)試過程中產(chǎn)生的“壓力”，有效地引導(dǎo)了多個(gè)人工淋巴細(xì)胞模型的動(dòng)態(tài)配置過程，使得多淋巴細(xì)胞協(xié)同工作，從而獲得了更好的自適應(yīng)性和識(shí)別能力；2)不同的評(píng)價(jià)方式產(chǎn)生FP和FN值的變化傾向不同，基于多模型的多種評(píng)價(jià)方法為不同的應(yīng)用需求提供了更多的選擇；3)無論是多模型還是單模型，對(duì)于訓(xùn)練測(cè)試集R1和R2，都產(chǎn)生較低的誤判，但是相對(duì)于R2，R1的漏判率較高。

實(shí)驗(yàn)2 固定多模型集合比較實(shí)驗(yàn)。

在淋巴細(xì)胞模型初始化階段，固定4種淋巴細(xì)胞集合，即{ M1M2M4}, { M1M3M4}, { M2M3M4},{ M1M2M3}，評(píng)價(jià)均采用打分評(píng)價(jià)方式，產(chǎn)生的FP和FN平均實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 固定多模型集合FP和FN值比較

從表8可以看到，多模型集合{M1M3M4}與多模型{M2M3M4}具有相似的FP和FN值，它們的FP和FN值比{M1M2M4}和{M1M2M3}高，{M1M2M3}的FP和FN值最低。但是將R2作為訓(xùn)練測(cè)試集時(shí)，這種差異不是很明顯。

由此，可以得到2個(gè)結(jié)論：1) M4與M3具有一定的相似性，用M4替代M3所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)較好，即3個(gè)側(cè)面屬性的檢測(cè)均有效，而用 M4替代 M2或者M(jìn)3所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)較差，即某個(gè)側(cè)面屬性的檢測(cè)失效，可見不同模型之間的協(xié)同效率有差別；2) 由于R1數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R2，因此隨著數(shù)據(jù)量的增大，模型的選擇需要更加精確，否則會(huì)造成高誤判率和漏判率，說明應(yīng)用環(huán)境的變化導(dǎo)致協(xié)同需求的改變。

5.4 與其他IDS方法比較

針對(duì) MIT Lincoln實(shí)驗(yàn)室 1999年提供的DARPA入侵檢測(cè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集，表9給出了采用群體協(xié)同人工淋巴細(xì)胞模型PCALM與其他IDS方法[21]的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括SNORT、BRO和LERAD等優(yōu)秀開源IDS工具，其中群體協(xié)同人工淋巴細(xì)胞{M1M2M3}的檢測(cè)率為1-FN，即76.79%。采用群體協(xié)同人工淋巴細(xì)胞模型后，檢測(cè)率明顯提高。

表9 固定多模型集合FP和FN值比較

與一般的確定性入侵檢測(cè)方法相比，人工淋巴細(xì)胞模型PCALM具有如下特點(diǎn)：

1) PCALM同時(shí)搜索解空間中的一系列點(diǎn)，而不只是一個(gè)點(diǎn)；

2) PCALM處理使用多模型自適應(yīng)協(xié)同，而不需要預(yù)定義和人工附加信息；

3) PCALM的模型組合方式及參數(shù)變化規(guī)則是隨機(jī)的，不是確定的，更有利于探求問題的全局最優(yōu)解。

基于以上原因，人工淋巴細(xì)胞模型 PCALM 相對(duì)于傳統(tǒng)的入侵檢測(cè)方法對(duì)于未知異常具有更高的檢測(cè)率。

6 結(jié)束語

本文以群體協(xié)同刺激人工免疫系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，關(guān)注網(wǎng)絡(luò)級(jí)、主機(jī)級(jí)和進(jìn)程級(jí)的混合入侵形式，在3個(gè)級(jí)別上進(jìn)行抗原信息提呈，并引導(dǎo)適應(yīng)性免疫系統(tǒng)對(duì)各類異常進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于DoS攻擊，采用淋巴細(xì)胞模型對(duì)TCP/IP分組頭信息中的 IP地址進(jìn)行分析，確認(rèn)異常攻擊源；對(duì)于蠕蟲病毒，采用淋巴細(xì)胞模型檢測(cè)病毒特征碼，對(duì)蠕蟲進(jìn)行特異性分析；對(duì)于木馬，分析其行為序列，關(guān)注危險(xiǎn)進(jìn)程和危險(xiǎn)行為。

本文詳細(xì)闡述了人工淋巴細(xì)胞群體的協(xié)同工作原理，包括不同類型淋巴細(xì)胞模型產(chǎn)生的識(shí)別器集合的演化訓(xùn)練機(jī)制、協(xié)同評(píng)價(jià)方法等。與傳統(tǒng)的人工免疫模型相比，群體協(xié)同刺激人工免疫模型具有更強(qiáng)的自適應(yīng)性和協(xié)同性。多淋巴細(xì)胞模型的綜合評(píng)價(jià)為異常檢測(cè)提供了檢測(cè)依據(jù)和導(dǎo)向，在面對(duì)復(fù)雜異常檢測(cè)問題時(shí)，能對(duì)問題進(jìn)行有針對(duì)性的分析、檢測(cè)、確認(rèn)，從而擴(kuò)大了檢測(cè)范圍，提高了檢測(cè)效率，為入侵檢測(cè)領(lǐng)域提供了新的仿生思路。

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