探析網絡主動防御系統的設計與實現

李秀娟

（烏魯木齊職業大學 智能信息研究中心，新疆 烏魯木齊830002）

探析網絡主動防御系統的設計與實現

李秀娟

（烏魯木齊職業大學 智能信息研究中心，新疆 烏魯木齊830002）

針對網絡邊界防護機制存在的問題，分析防火墻、入侵檢測系統和蜜罐技術的網絡安全防御性能，通過設計外防火墻、入侵檢測系統、蜜罐系統、路由設定及內防火墻等網絡安全聯動防御系統，構建安全防線。經實驗證明，該系統可成功偵測并即時阻斷服務攻擊與網站漏洞掃描攻擊，從而降低網絡安全威脅的風險，提高網絡防護的安全性與效率。

防火墻；入侵檢測系統；蜜罐技術；主動防御

隨著信息科學的快速發展，網絡已成為日常生活的一部分，然而我們在享受網絡帶來的便利之余，隨之而來的網絡安全問題也不容忽視。常見的網絡威脅主要有重要機密文件遭竊取或篡改、個人資料外流、網絡服務的中斷、嚴重的甚至造成系統癱瘓。人們嘗試使用各種技術來保護網絡安全，諸如：防火墻 （Firewall）、入侵檢測系統 （Intrusion Detection System）、蜜罐技術（Honeypot）、殺毒軟件、VPN、存取控制、身份認證及弱點掃描等。但是網絡攻擊手法不斷更新，系統漏洞不斷被發現，加上網絡黑客工具隨手可得，甚至有專門的教學網站或文章，因此現在想成為駭客不再需要具備高深的專業知識，也不需要具備自己發現系統漏洞的能力[1]。通過黑客工具攻擊者只需要輸入攻擊目標的IP地址，即可發動攻擊，便會對網絡安全造成巨大威脅。一旦網絡入侵攻擊成功，政府機關、軍事公安、企業機構甚至個人的機密資料都會落入攻擊者的手中，并造成無法彌補的損失。而電子商務網絡一旦遭到分布式拒絕服務攻擊（Distribution Denial of Service），只要幾小時內無法正常提供服務，就會遭受重大經濟損失。為了克服網絡邊界防護機制存在的問題我們采用“防火墻、入侵偵測系統與蜜罐聯動結構”，互相支援，互補不足，利用其各自的優點，希望通過網絡主動防御系統，來降低網絡安全威脅的風險，從而提高網絡防護的安全性與效率。

1 網絡安全防護現狀

現有的網絡安全機制無法以單一系統來確保網絡安全，為了提高網絡的安全性，往往會將這些系統聯合起來，以建立網絡邊界防護機制，如“防火墻與入侵檢測系統聯動”結構，或“入侵檢測系統與蜜罐聯動”結構。但前者檢測攻擊的成功率取決入檢測系統的漏報與誤報率高或低的問題，后者有無法即時阻止攻擊的問題[2]。

一般網絡管理員經常通過網絡流量分析得知目前網絡流量大小以判斷網絡使用狀況和服務器所提供的服務是否正常。但是看似正常的網絡流量底下是否有黑客正在進行惡意活動，網絡管理員卻無從得知。所以必須通過入侵檢測系統來了解網絡傳輸的封包是否含有惡意封包。

2 網絡安全機制

1）防火墻 防火墻是一種用來控制網絡存取的設備，并阻斷所有不予放行的流量，用于保護內部網絡的運行及主機的安全可以依照特定的規則，可能是一臺專屬的硬件或是架設在一般硬件上的一套軟件。可分為封包過濾防火墻、代理服務器、動態封包過濾防火墻、專用裝置與作業系統為基礎的防火墻[3]。防火墻示意圖如圖1所示。

圖1 防火墻示意圖

2）Iptables Iptables是Linux核心2.4以上所提供的工具，能提供絕大部分防火墻所應有的功能。Iptables包含很多表格，每個表格都定義出自己的預設政策與規則，而且每個表格的用途都不相同。包括管理封包進出本機的Fitler、管理后端主機的NAT和管理特殊標記使用的Mangle，也可以自定格外的Option表格。Iptables的功能主要分為五類：過濾、偽裝、重新導向、封包重組、記錄[4]。如圖2所示。

3）入侵檢測系統IDS 入侵檢測系統的目的是要即時且容易識別由內部與外部侵入者所產生的非經允許使用、誤用與電腦系統濫用等可能傷害電腦系統的行為。是一種針對網絡上可疑活動檢測與分析進而判斷異常行為是否為攻擊手法的系統工具。監控模式主要分為主機型侵入檢測系統HIDS和網絡型入侵檢測系統NIDS兩種類型[5-6]。

圖2 Iptables示意圖

圖3 IDS示意圖

4）蜜罐系統 蜜罐是一種故意部署在網絡中存在安全漏洞的主機或系統，被用來吸引網絡中黑客的注意，并對其攻擊，以達到對真正主機的保護，還可以通過收集數據，分析出攻擊者的目的、手法等。蜜罐另一個用途是拖延攻擊者對真正目標的攻擊，讓攻擊者在蜜罐浪費時間，從而保護真正的系統[7]。攻擊者進入蜜罐系統后，滯留的時間越長，其使用的技術就可以更多地被蜜罐所記錄，而這些信息就可以用來分析攻擊者的技術水平及所使用的工具，通過學習攻擊者的攻擊思路與方法來加強防御及保護本地的網絡與系統。蜜罐的關鍵技術主要有網絡欺騙、信息捕獲、信息分析及信息控制等[8]。蜜罐在網絡中的部署示意圖如圖4所示。

5）Honeyd Honeyd是由N.Provos開發并維護的開放源碼的虛擬蜜罐軟件，主要運行在Unix的環境下。可以同時模擬出多數主機的區域網絡，監視未使用的IP網段，以及TCP和UDP的通信。通過服務腳本的設計，模擬特定的服務與作業系統，可使單一主機模擬多個IP（最多可達655 36個）。當攻擊者對蜜罐系統進行攻擊時，蜜罐系統將會給予對應的回應，使其看起來像是真實的系統在運作。Honeyd也會對進出的信息進行監控、捕獲，以供分析研究，幫助搜集對網絡威脅的相關信息與學習攻擊者的活動和行為[9]。Honeyd數據接受如圖5所示。

圖4 蜜罐部署示意圖

圖5 Honeyd數據結構圖

Honeyd是 由 Packet Dispatcher、Configuration Personality、Protocol Processor、Routing Topology 及Personality Engine等部分組成，如圖6所示。

圖6 Honeyd架構

3 網絡安全主動防御系統

大部分網絡架構都將防火墻作為安全保護的第一道關卡，防火墻將外部不信任網絡和內部信任網絡分開，通過防火墻過濾封包來阻擋外部的攻擊。但隨著攻擊手法的不斷更新，防火墻的安全防護已顯不足，故在傳統防火墻網絡架構中加入入侵檢測系統，用于當防火墻被突破后，入侵檢測系統能即時檢測到攻擊行為，偵測出惡意封包并發出警告，使得網絡管理員及時處理。由于入侵檢測系統為被動式防護系統，雖然可以發出報警，但是漏報率及誤報率過高，使得防護效果上大打折扣。漏報率高，使得惡意行為無法被及時發現，造成損失；誤報率高，導致網絡管理員封鎖了產生誤報的網絡通道，導致網絡使用效率下降[10]。

然而，網絡管理員無法時時刻刻監測網絡的異常情況，因此我們利用入侵檢測軟件IDS來輔助網絡管理者監測網絡狀況。當IDS檢測到有惡意行為時，即針對該行為的封包發出警告，通過Guardian即時更新防火墻規則，阻擋所有來自攻擊主機IP地址的報文。由于防火墻、入侵檢測系統本身屬于被動式防御系統，為了實現主動防御的目的，可以利用入侵防御系統IPS（Intrusion Prevention System）來深度感知并檢測流經的數據流量，對惡意報文進行丟棄以阻斷攻擊，對濫用報文進行限流以保護網絡帶寬資源，比對惡意報文的目的主機IP地址，呼叫防火墻程序Iptables即時封鎖惡意報文來源IP地址，以阻止后續可能發生的惡意行為[11]。為彌補入侵檢測系統漏報效率高的缺點，在原有的網絡防護基礎上，利用Honeyd虛擬蜜罐技術來吸引入侵攻擊，根據蜜罐的記錄來分析入侵與攻擊行為，搭配Honeyd的套件Honeycomb來為IDS自動生成特征規則，改善IDS的檢測漏報率，從而為追蹤供給來源或分析未知的攻擊行為提供有效的信息[12]。

在不增加成本及減輕網絡管理人員負擔的情況下，使用IDS、IPS、Honeyd及Honeycomb并結合防火墻與Iptables，來構建一個快速檢測、減少漏報并即時封鎖惡意行為的主動防御系統，以達到增加網絡安全防護的目的。實驗環境網絡拓撲結構如圖7所示。

本系統使用兩道防火墻，外防火墻鏈接外網，以正向列表的方式設定防火墻規則，除了符合通過防火墻條件的報文能通過外，其余報文一律阻擋并丟棄，此為第一道防線。在外防火墻上架設網絡型入侵檢測系統，偵測網絡流量中是否含有惡意報文，一旦發現惡意報文即發出警告，并通過防火墻與入侵檢測系統聯動機制即修改防火墻規則，阻斷惡意報文來源IP的連線，此為第二道防線。將入侵檢測系統架設在外防火墻內部有一個好處，利用外防火墻阻擋掉不符合防火墻規則的報文，入侵檢測系統只要針對防火墻放行的流量進行檢測，這樣可避免降低網絡效能。在內外防火墻之間架設蜜罐系統以誘捕攻擊者，因大部分的網絡型入侵檢測系統采用“誤用檢測”技術，一旦入侵檢測系統的規則資料庫中無惡意報文的特征即無法檢測出來，導致漏報。故本機制使用蜜罐系統以捕獲惡意報文的資料并進行分析，并通過入侵檢測系統與蜜罐系統的聯動機制，使蜜罐系統自動為入侵檢測系統產生特征，以降低漏報、誤報率，此為第三道防線。蜜罐系統被攻擊后，攻擊者可能以其為跳板主機攻擊其他機器，為防止其他機器遭受攻擊，在內外防火墻之間，放置一個路由器，通過路由表的設定，使得蜜罐系統的報文無法到達DMZ區及內部網絡，此為第四道防線。在內部網絡外架設內防火墻，以負向列表的方式設定防火墻規則，阻擋來自蜜罐系統的報文，此為第五道防線[13-14]。網絡主動防御系統的運行流程如圖8所示。

圖7 實驗環境網絡拓撲圖

圖8 網絡主動防御系統的運行流程

通過虛擬機VMware進行網絡攻擊模擬實驗，由DOS阻斷服務攻擊及網站弱點掃描兩組實驗得知，網絡主動防御系統可成功檢測出攻擊，并能即時阻擋來自攻擊源IP地址的報文，服役Honeyd手機網絡連線數據，Honeycomb分析這些數據并依照Snort的規則產生出honeycomb.log文檔，可補充Snort的規則資料庫，以降低Snort的漏報或誤報率。實驗并與“防火墻與入侵檢測系統聯動”和“入侵檢測系統與蜜罐聯動”兩種防御結構進行分析比較，網絡主動防御系統的整體表現較佳[15-16]。實驗結果如表1所示。

表1 3種網絡防御機制防御能力比較

4 結束語

網絡主動防御系統通過外防火墻、入侵檢測系統、蜜罐系統、路由設定及內防火墻等安全防線，可以提高網絡環境的防護能力，蜜罐技術自動為入侵偵測系統產生特征規則，以降低入侵偵測系統的漏報、誤報率；入侵偵測系統可于偵測到攻擊時，自動修改防火墻規則，以組織即時性攻擊。由防火墻、入侵偵測系統及蜜罐三者的聯動，可以建構一個可快速偵測、減少漏報并即時封鎖惡意行為的系統。經實驗證明，本系統可成功偵測并即時阻止阻斷服務攻擊與網站漏洞掃描攻擊。但就信息安全的角度而言，想要讓系統安全又便利，提供的功能又多，事實上很難辦到，期許能在合理的成本及不增加系統負擔的前提下，有效地防護網絡安全，并使網絡使用效能達到最佳化。

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Design and implementation of network active defense system

LI Xiu-juan
（Intelligent Information Processing Center，Urumqi Vocational University，Urumqi 830002，China）

In order to overcome the existing problems of network boundary mechanism，this paper analyzes the network security defense performance of firewall，intrusion detection system and honeypot technology，and designs network security defense linkage system between external firewall，intrusion detection system，honeypot system，routing and internal firewall etc.，constructs a security line of defense.The experiments show that this system detects successfully and blocks instantly service attack and site vulnerability scanning attacks thereby reduces the risk of network security threats and enhancing the security and efficiency of the network protection.

firewall；intrusion detection system；honeypot technology；network active defense

TP393.07

：A

：1674－6236（2017）01-0027-04

2015-12-29稿件編號：201512290

李秀娟（1981—），女，河南鄭州人，碩士，講師。研究方向：數字媒體技術和網絡技術。