面向SOAP消息的Web服務注入攻擊檢測方法

吳長勤，王傳安

安徽科技學院數學與信息學院，安徽 鳳陽 233100

面向SOAP消息的Web服務注入攻擊檢測方法

吳長勤，王傳安

安徽科技學院數學與信息學院，安徽 鳳陽 233100

面向SOAP消息的注入攻擊對Web服務的發展前景和應用產生重要的影響，而目前尚缺乏有效的檢測方法，為此我們提出了一種基于行為模式的注入攻擊檢測方法.該方法在Web服務訪問日志行為建模階段采用長度不同的特征子串來表示行為模式，并通過序列模式的支持度來建立正常消息行為模式輪廓；針對注入攻擊復雜多變的特點，進一步提出基于矩陣相似匹配結合相似判決閾值的注入攻擊檢測模型.實驗結果表明，與多種其他經典檢測方法相比，該檢測方法在檢測率和誤報率等方面檢測效果好，可有效地檢測出注入攻擊.

注入攻擊；SOAP消息；Web服務；行為模式

0 引言

Web服務是一個向其它應用過程或程序提供數據和服務的分布式模塊化組件，它通過XML、SOAP等新技術實現各種服務之間的互操作［1］. Web服務具有高度互操作、松散耦合和可重用等特點，已成為網格和云計算等計算技術的重要實現方式之一.

目前Web服務通信是以傳輸SOAP消息為基礎的，由于SOAP協議在設計時并沒有過多的考慮其安全性問題，從而導致SOAP消息在傳輸過程中極易受到諸如SQL注入攻擊和XML注入攻擊等其他形式的命令注入攻擊，因此保證SOAP消息傳輸的安全性是當前研究的一個重要問題［2］.文獻［3］描述了Web服務面臨的安全威脅與狀態，利用OWL－S與本體建立了服務安全攻擊本體. Nils Gruschka等人［4］指出消息的機密性、完整性和用戶驗證對于服務平臺安全性的作用很小，從而提出采用XML Schema中的消息對接受到的SOAP消息進行確認，以此發現具有注入攻擊的服務調用.文獻［5］在研究中定義了一個消息安全本體來對SOAP消息進行本體驗證，進而對攻擊進行檢測.楊曉暉等人［6］提出基于信任度量的跨域訪問控制模型，來實現Web服務訪問安全.

筆者在充分考慮正常Web訪問行為的特點后，采用長度不同的多種特征子串來表示正常SOAP消息行為，并通過支持度來建立正常消息行為模式，最后利用提出的檢測模型對注入攻擊進行檢測.

1 注入攻擊檢測方法

文中提出的注入攻擊檢測方法的實現過程可分為正常行為建模和和攻擊檢測兩個階段，具體檢測模型如圖1所示.正常行為建模的主要任務是建立正常的SOAP消息的行為模式.攻擊檢測階段的任務是根據建立的正常行為模式，利用特定的檢測模型來識別當前SOAP消息中的異常行為.

圖1 注入攻擊檢測模型Fig.1 The detection model of injection attack

1.1 行為建模

Web訪問詳細的記錄了客戶的SOAP信息行為，通過觀察Web訪問日志，可發現消息中會大量重復出現一些字符串，將這些重復出現的字符串稱為特征子串，其特征相對穩定，可代表SOAP消息的行為模式［7］.行為建模階段的主要工作如下.

（1）獲取訓練數據：將無注入攻擊時產生的Web訪問作為訓練數據E=｛e1，e2，…，en｝，其中ei表示按時間順序排列的第i個SOAP消息事件，n為SOAP消息事件序列長度.

定義1：Web訪問日志記錄的一次會話或一次執行過程稱為SOAP消息事件，記為e=＜la，t＞，其中la=＜s1，s2，…，sm＞表示該SOAP消息事件中的m個字符，t表示記錄SOAP消息事件的時間.

（2）借鑒最長前綴提取算法［10］思想，采用最長前綴分析法提取訓練數據E中所有長度大于1的重復出現的特征子串，組成特征子串集合T=｛t1，t2，…，tk｝，tj表示第j個特征子串，k為長度.

（3）將訓練數據E中的SOAP消息事件序列轉換為按時間排序的n個長度分別為l（1），l（2），…l（n）的特征子串序列流C=｛C1，C2，…，Cn｝，其中Ci表示eiSOAP消息事件中包含的所有特征子串，記為Ci=｛tj，tj+1，…，tm｝.

（4）計算集合T中每個特征子串在訓練數據序列E中的支持度.

定義2：一個特征子串在序列E中的支持度等于該子串出現的次數除以所有特征子串總計出現次數，即：support（ti）=number（ti）／Number（T），其中Number（T）為集合T中所有特征子串出現的次數和.

（5）從n個特征子串流中，分別按照相應的支持度提取正常Web訪問行為模式序列L（i）.

考慮到不同的特征子串表示的行為模式意義可能不盡相同，其出現的頻率也會有較大的區別，不能采用單一支持度，在文中設置了k個相應于不同特征子串的最小支持度minsup（t1），minsup（t2），…，minsup（tk）.對于1≤i≤k，將Ci中等于或大于相應最小支持度minsup（ti）的特征子串提取出來，構成滿足支持度要求的行為模式序列L（i）.

（6）構建正常行為模式輪廓

將S個滿足最小支持度要求的序列L（1），L（2），…L（S－1），L（S）存儲起來，用于描述正常行為模式輪廓，同時也作為下一步進行注入攻擊檢測的正常行為模式輪廓L=｛L（1），L（2），…，L（K）｝.

1.2 注入攻擊檢測

攻擊檢測階段的任務是根據建立的正常行為模式，利用特定的檢測模型來識別當前SOAP消息事件中的異常行為.攻擊檢測階段的主要工作如下.

（1）獲取測試數據：選取監測時間內Web訪問日志作為測試數據，并進行預處理.設預處理后得到的日志數據字符串序列為E’=｛la1，la2，…，lan｝，其中lai為按時間順序排列的第i個字符串.

（2）按照行為建模階段提出的方法，提取測試數據E’中的K個行為模式序列，并以此構建當前日志行為模式輪廓L’=｛L’（1），L’（2），…，L’（S）｝.

（3）將兩階段構建的行為輪廓L和L’分別轉化成k·n的模板矩陣M和檢測矩陣Q.

模板矩陣M=（M1，M2…MK）T，其中Mi表示序列L（i）轉化的由n個0和1組成的行向量，即Mi=（a1，a2，…，an），其物理意義表示：若子串集T中的某個特征子串在L（i）中出現，將相應的矩陣位置元素置為1，否則置為0.如L（i）由集合T中的第1，2，4個特征子串組成，即L（i）=｛t1，t3，t5｝，則轉化的行向量Mi=（1，1，0，1，0，0，…，0）.同理，將序列庫L’轉化為行向量表示的檢測矩陣Q.

（4）矩陣相似性度量：使用矩陣相似度來衡量檢測矩陣Q與模板矩陣M之間的匹配程度.下面引入矩陣間相似度的概念［8］，設m×n矩陣全體為Cm×n，假如A·B∈Cm×n，矩陣內積可定義為

式（1）中tr（﹒）表示矩陣主對角線元素的和，而矩陣內積表示兩矩陣相對應位置元素的乘積累加和，由矩陣內積可導出范數

若A、B為實數矩陣，則|＜A·B＞|≤||A||·||B||，當且僅當A和B兩矩陣完全相似時，|＜A·B＞|=||A||·||B||.

可知，A和B兩矩陣的相似度為

式（3）中θ為A和B兩矩陣之間的夾角，當θ=0°時，表示A和B相似性最好；當θ=90°時，A和B則完全不相似.

為計算檢測矩陣Q與模板矩陣M之間的匹配程度，需將公式（3）改為

當檢測矩陣Q與模板矩陣M之間的匹配度sim（M，Q）小于給定的判決閾值w時，則將矩陣Q標記為異常，并發出異常警報，最后將報警SOAP消息事件交由專家系統并結合人工進行驗證，進而判定Web訪問是否遭受注入攻擊.

（5）判決閾值選擇：選擇合適的判決閾值是決定檢測率和誤報率的關鍵因素.參照文獻［9］中交叉驗證的方法來確定文中的判決閾值w，將獲得的Web訪問日志按一定比例分成兩部分，一部分用于獲取行為模式，而另一部分用于確定判決閾值和測試誤報率，如此反復交叉的測試，并在測試過程中通過調整判決閾值來獲得誤報率與不同判決閾值間的對應關系，最終將期望誤報率所對應的判決閾值w作為檢測注入攻擊的閾值.

2 實驗與分析

本文的試驗是在安徽科技學院校園網中進行的，采集到的數據集既有校園網內部的Web訪問數據，也有來自于或傳輸到教育網上的數據，并利用C++語言完成文中相關的算法和實驗.具體實驗環境見圖2所示.

圖2中的環境配置如表1所示.

圖2 實驗環境圖Fig.2 The platform of experimental environment

表1 環境配置表Tabel 1 The configuration of experimental environment

實驗所采用的Web訪問數據集如下：

訓練數據集：將T2產生的1 000個SOAP消息記錄作為訓練數據集，用來建立正常的SOAP消息的行為模式.

測試驗證數據集：將T1采集到的Web訪問日志和P1、P2產生的100個SOAP消息記錄作為測試數據集，用來驗證文中提出的注入攻擊檢測效果.

根據訓練數據集，運行特征子串提取算法，提取了35個用于表示行為模式的特征子串，進一步采用文中提出的行為模式序列提取方法，獲得了21個行為模式序列庫L＝｛L（1），L（2），…，L（21）｝.

在建立正常行為模式輪廓后，對測試驗證數據集采用文中提出的注入攻擊檢測方法進行檢測.為選擇最佳的檢測判決閾值，可通過已有的訓練數據并通過判決閾值選擇法來確定.圖3給出了實驗過程中選擇判決閾值w的曲線，圖中的實線為未進行注入攻擊對應的判決閾值曲線，而虛線為注入攻擊后的判決閾值曲線.從圖3中可以看出，當w＝0．55時，正常SOAP消息行為模式下的判決閾值曲線與注入攻擊后對應的判決閾值曲線幾乎沒有的交疊部分，具有較好的區分度，因此文中將0．55作為最佳判決閾值.

圖3 判決閾值曲線Fig.3 The curve of decision threshold

同時，還采用文中實驗用的Web訪問數據集分別對文獻［10］中基于序列對比的檢測方法、文獻［11］中基于本體的檢測方法以及文獻［12］中基于文本聚類的攻擊檢測方法進行了對比實驗，在檢測率、誤報率和實驗時間方面進行了對比，實驗對比結果見表2所示.

表2 不同檢測法的檢測結果比較Tabel 2 The comparison results of detection effect

從表2中可以看出，文中提出的檢測方法在檢測率上明顯優于其他3種檢測方法，且誤報率也明星低于序列對比和文本聚類的檢測方法.由于文中提出的檢測方法需要先建立正常行為模式，然后再進行驗證檢測，所以在實驗時間方面稍高于序列對比和本體檢測法，但是其他兩項檢測指標具有明顯的比較優勢.由實驗對比結果可見，文中提出的注入攻擊檢測方法是有效的，具有很好的綜合檢測性能.

3 結語

提出了一種新的面向SOAP消息的注入攻擊攻擊檢測方法，該方法充分考慮了正常Web訪問行為的特點，采用長度不同的多種特征子串來表示正常消息行為，并通過支持度來建立正常消息行為模式，最后利用特定的檢測模型來檢測SOAP消息中是否含有注入攻擊.實驗結果表明，文中提出的檢測方法可有效的檢測注入攻擊，且具有很好的檢測效果.

致謝：

在此對文中實驗和測試等提供支持和幫助的安徽科技學院計算中心表示感謝，并對在研究過程中提供的指導的各位老師幫助表示感謝！

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Detection of SOAP message-oriented injection attacks on Web services

WU Chang-qin,WANG Chuan-an
College of Mathematical and Information,Anhui Science and Technology University,Fengyang 233100,China

SOAP message-oriented injection attacks have great impacts on prospects and applications of Web services;however,there is not an effective injection attacks detection method now.We proposed a method to detect injection attacks based on behavior patterns.In this method,the behavioral patterns of the legal behavior were characterized by characteristic substring sequences of different lengths,and the sequence supports were used to construct the normal behavior profiles in modeling stage of Web-access log message behavior. According to the complex and volatile features of injection attacks,a detection model based on matrix similarity matching and decision threshold was proposed.Compared with other classical detection models in experiments,the proposed method has better detection rate and false positive rate,showing good detection effects on injection attacks．

injection attacks;SOAP messages;Web services;behavior profiles

TB35

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.07.013

1674－2869（2015）07－0060－05

本文編輯：陳小平

2015-06-10

安徽科技學院青年科研研究項目（ZRC2014426）；安徽省自然科學研究項目（KJ2013Z048）.

吳長勤（1962-），男，安徽肥東人，副教授，研究方向：計算機應用技術.