Tiểu luận môn Hệ hỗ trợ quyết định ỨNG DỤNG DATA MINING TRONG PHÒNG CHỐNG XÂM NHẬP

Danh tiếng – kẻ tấn công có thể dùng hệ thống máy tính của một người sửdụng để tấn công nơi khác, gây tổn thất về uy tín của người sủ dụng đó,..v.v Mối nguy hiểm đầu tiên đối với hệ thốn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Phan Hữu Phước (CH1301106)

MỤC LỤC 1

GIỚI THIỆU 3

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 4

2 DATA MINING 6

2.1 Giới thiệu về Data Mining 6

2.2 Các nhiệm vụ của Data mining 8

2.3 Ứng dụng của Data mining 9

2.4 Các phương pháp khai phá dữ liệu 10

2.4.1 Phương pháp quy nạp (Induction) 11

2.4.2 Cây quyết định và luật 11

2.4.3 Phân nhóm và phân đoạn 12

3 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT DATA MINING TRONG HỆ THỐNG IDS 14

3.1 Hệ thống IDS 14

3.1.1 Giới thiệu 14

3.1.2 Hệ thống phát hiện xâm nhập - IDS 15

3.2 Khai phá dữ liệu trong IDS 20

3.2.1 Luật phân lớp 20

3.2.2 Luật kết hợp 21

3.2.3 Phân cụm(clustering/segmentation) 22

4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÁT HIỆN XÂM NHẬP 24

4.1 Thuật toán phân cụm 24

4.1.1 Thuật toán gom cụm bằng phương pháp K-means 24

4.1.2 Kỹ thuật dùng đối tượng đại diện: Phương pháp k-medoids 29

4.1.3 Phân tích thiết kế chương trình 31

4.2 Giới thiệu các Rules trên Iptables 36

KẾT LUẬN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

Data Mining đã trở thành một trong những lĩnh vực mũi nhọn trong thời đạihiện nay là việc làm cho máy tính trở nên thông minh hơn, tăng cường sự cộng tácgiữa người và máy, tự động hóa một phần, góp phần giải quyết các công việc tronglĩnh vực đời sống xã hội Bên cạnh đó, nó còn có tính ứng dụng rất cao trong cácngành khoa học sản xuất, đặt biệt là những ngành cần phân tích khối lượng dữ liệukhổng lồ.

Nội dung tiểu luận này sẽ khảo sát một phần nhỏ về ứng dụng của DataMining, đó là việc ứng dụng trong phòng chống tấn công mạng máy tính Hiện nayvới sự bùng nổ cua internet, thương mại điện tử, trao đổi, hợp tác trong kinh doanhđều qua internet, v.v Từ đó, chúng ta thấy được vị trí quan trọng của internet, vàcác vấn đề bảo mật, phòng chống/ngăn ngừa các tấn công của hackers trên internetcũng là vấn đề quan trọng không những cho doanh nghiệp, công ty, trường học, màcòn cho chính phủ, v.v Như vậy, việc phòng chống tấn công mạng máy tính làcông việc vô cùng quan trọng và cấp bách hiện nay

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay đa số các doanh nghiệp vừa nhỏ, hay lớn, các tổ chức, công ty,trường học, chính phủ, v.v đều kết nối internet Và một điều thách thức hiện nay làvấn đề bảo mật thông tin trên internet Bảo mật thông tin trở thành bài toán cấp thiết

từ khi mạng internet phát triển một cách bùng nổ

Hệ thống thông tin khổng lồ trên internet được chia sẻ trên khắp thế giới Tuynhiên, đồng thời với lợi ích to lớn của nó, mạng internet cùng với các công nghệliên quan cũng cho thấy mặt hạn chế tất yếu là tính mất an toàn, dễ bị xâm phạm,tấn công Hậu quả của các cuộc tấn công có thể chỉ là những phiền phức nhỏ nhưng

có thể làm suy yếu hoàn toàn hệ thống, các dữ liệu, thông tin quan trọng bị xóa, sựriêng tư bị xâm phạm v.v Dó đó, chúng ta phải tránh tối đa sự mất an toàn, phảibảo vệ an toàn cho hệ thống Các đối tượng cần đảm bảo an ninh bao gồm:

Dữ liệu truyền đi trên mạng phải đáp ứng được các yêu cầu về: Tính bảo mật(Confidentiality) - đảm bảo thông tin không thể bị truy cập trái phép bởi nhữngngười không có thẩm quyền; tính toàn vẹn(Integrity) – đảm bảo thông không bị thayđổi trong quá trình truyền; tín sẵn sàng(Availability) – đảm bảo dữ liệu luon sẵnsàng khi có yêu cầu truy cập

Tài nguyên bao gồm các thành phần phần cứng và phần mềm của hệ thống

Kẻ tấn công có thể lợi dụng các lỗ hổng an ninh như các lỗ hổng về hệ điều hành,mạng, ứng dụng Nếu máy tính không có dữ liệu quan trọng thì vẫn rất cần đượcbảo vệ bởi vì kẻ tấn công có thể đột nhập và sử dụng nó làm tiền đề cho các cuộctấn công khác

Danh tiếng – kẻ tấn công có thể dùng hệ thống máy tính của một người sửdụng để tấn công nơi khác, gây tổn thất về uy tín của người sủ dụng đó, v.v

Mối nguy hiểm đầu tiên đối với hệ thống thông tin được phát tán vào năm

1988, khi mà Rober Morris 23 tuổi kích hoạt con sâu máy tính đầu tiên và đã làmlây nhiễm hơn 6000 máy tính mạng ARPANET Và gần đây nhất là lỗ hổngHeartbleed(trái tim rỉ máu) – vào ngày 07/04/2014 lỗ hổng bảo mật "Trái tim rỉmáu", nó dựa trên cơ sở làm suy yếu các phần mềm bảo mật trên OpenSSL, từ đó

cho phép hacker dễ dàng đánh cắp dữ liệu được bảo vệ bởi biện pháp mã hóaSSL/TLS "Trái tim rỉ máu" đã gây ra một cơn hoảng loạn thực sự trên toàn cầutrước những hậu quả mà nó mang lại, rất nhiều người đã để lộ thông tin, dữ liệu cánhân quan trọng mà không hề hay biết, thông tin tài khoản ngân hàng, chứng khoán,các giao dịch trực tuyến, v.v.

Các cuộc tấn công, các mã độc, sâu máy tính, virus ngày càng trở nên tinh vihơn làm xuất hiện nhu cầu lớn về một hệ thống có thể phát hiện được các vấn đềnày Một hệ thống phát hiện xâm nhập có khả năng giám sát luồng dữ liệu ra vào hệthống mạng, so sánh với cơ sở dữ liệu kiến thức mà nó có để xác định các luồng dữliệu mang mã độc Một trong những giải pháp để bảo mật thông tin là phát hiện racác cuộc tấn công, các mã độc hại, v.v Để phát hiện các cuộc tấn công, v.v chúng

ta cần xây dựng hệ thống phát hiện xâm nhập – IDS(Intrusion Detection System)hay hệ thống ngăn chặn tấn công – IPS (Intrusion Prevention System)

Bài luận này sẽ đề cập đến một vấn đề là kết hợp các kỷ thuật Data mining( khaiphá dữ liệu) và ứng dụng trong phòng chống, phát hiện xâm nhập

DATA MINING

2 DATA MINING

2.1 Giới thiệu về Data Mining

Khai phá dữ liệu (Data mining) là một khái niệm ra đời vào những năm cuốicủa thập kỷ 80 Nó bao hàm một loạt các kỹ thuật nhằm phát hiện ra các thông tin

có giá trị tiềm ẩn trong các tập dữ liệu lớn (các kho dữ liệu) Về bản chất, khai phá

dữ liệu liên quan đến việc phân tích các dữ liệu và sử dụng các kỹ thuật để tìm racác mẫu hình có tính chính quy (regularities) trong tập dữ liệu

Năm 1989, Fayyad, Piatestsky-Shapiro và Smyth đã dùng khái niệm Phát hiệntri thức trong cơ sở dữ liệu (Knowledge Discovery in Database – KDD) để chỉ toàn

bộ quá trình phát hiện các tri thức có ích từ các tập dữ liệu lớn Trong đó, khai phá

dữ liệu là một bước đặc biệt trong toàn bộ quá trình, sử dụng các giải thuật đặc biệt

để chiết xuất ra các mẫu từ dữ liệu Lịch sử phát triển của Data mining

Những năm 1960: Xuất hiện Cơ sở dữ liệu(CSDL) theo mô hình mạng và

Những năm 1990-2000: phát triển Khai phá dữ liệu và kho dữ liệu, CSDL đaphương tiện, và CSDL Web

Quá trình xử lý khai phá dữ liệu bắt đầu bằng cách xác định chính xác vấn đềcần giải quyết Sau đó sẽ xác định các dữ liệu liên quan dùng để xây dựng giải pháp.Bước tiếp theo là thu thập các dữ liệu có liên quan và xử lý chúng thành dạng saocho giải thuật khai phá dữ liệu có thể hiểu được Về lý thuyết thì có vẻ rất đơn giảnnhưng khi thực hiện thì đây thực sự là một quá trình rất khó khăn, gặp phải nhiềuvướng mắc như: các dữ liệu phải được sao ra nhiều bản (nếu được chiết xuất vào

các tệp), quản lý các tệp dữ liệu, phải lặp đi lặp lại nhiều lần toàn bộ quá trình (nếu

mô hình dữ liệu thay đổi), v.v

Bước tiếp theo là chọn thuật toán khai phá dữ liệu thích hợp và thực hiện việckhai phá dữ liệu để tìm được các mẫu (pattern) có ý nghĩa dưới dạng biểu diễntương ứng với các ý nghĩa đó (thường thì được biểu diễn dưới dạng các luật xếploại, cây quyết định, phát sinh luật, biểu thức hồi quy,…)

Hiện nay, ngoài thuật ngữ khai phá dữ liệu, người ta còn dùng một số thuậtngữ khác có ý nghĩa tương tự như: khai phá tri thức từ CSDL (knowlegde miningfrom databases), trích lọc dữ liệu (knowlegde extraction), phân tích dữ liệu/mẫu(data/pattern analysis), khảo cổ dữ liệu (data archaeology),nạo vét dữ liệu (datadredging) Quá trình này bao gồm các bước sau:

 Làm sạch dữ liệu (data cleaning): loại bỏ nhiễu hoặc các dữ liệukhông thích hợp

 Tích hợp dữ liệu (data integration): Tích hợp dữ liệu từ các nguồnkhác nhau như: CSDL, Kho dữ liệu, file text

 Chọn dữ liệu (data selection): Ở bước này, những dữ liệu liên quantrực tiếp đến nhiệm vụ sẽ được thu thập từ các nguồn dữ liệu banđầu

 Chuyển đổi dữ liệu (data transformation): Trong bước này, dữ liệu sẽđược chuyển đổi về dạng phù hợp cho việc khai phá bằng cách thựchiện các thao tác nhóm hoặc tập hợp

 Khai phá dữ liệu (data mining): Là giai đoạn thiết yếu, trong đó cácphương pháp thông minh sẽ được áp dụng để trích xuất ra các mẫu

DATA MINING

2.2 Các nhiệm vụ của Data mining

Cho đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vựckhai phá dữ liệu Dựa trên những loại tri thức được khám phá, chúng ta có thể phânloại như theo các nhiệm cụ như sau:

Khai phá luật thuộc tính: tóm tắt những thuộc tính chung của tập dữ liệu nào

đó trong cơ sở dữ liệu Ví dụ như những triệu chứng của một căn bệnh S thì thường

có thể được thể hiện qua một tâp các thuộc tính A

Khai phá những luật phân biệt: khai phá những đặc trưng, những thuộc tính đểphân biệt giữa tập dữ liệu này với tập dữ liệu khác Ví dụ như nhằm phân biệt giữacác chứng bệnh thì một luật phân biệt được dùng để tóm tắt những triệu chứngnhằm phân biệt chứng bệnh xác định với những chứng bệnh khác

Khám phá luật kết hợp: khai phá sự kết hợp giữa những đối tượng trong mộttập dữ liệu Giả sử hai tập đối tượng {A1, A2,… ,An} và {B1, B2,… ,Bn} thì luật kếthợp có dạng {A1^A2^…^ An) →{B1^ B2^… ^Bn).

Khám phá luật phân lớp: phân loại dữ liệu vào trong tập những lớp đã biết Ví

dụ như một số chiếc xe có những đặc tính chung để phân vào các lớp dựa trên cáchtiêu thụ nhiên liệu hoặc có thể phân vào các lớp dựa trên trọng tải…

Phân nhóm: xác định một nhóm cho một tập các đối tượng dựa trên thuộc tínhcủa chúng Một số các tiêu chuẩn được sử dụng để xác định đối tượng có thuộc vềnhóm hay không

Dự báo: dự báo giá trị có thể đúng cuỷa những dữ liệu bị thiếu hoặc sự phân

bố thuộc tính nào đó trong tập dữ liệu

Khám phá quy luật biến đổi: tìm những tập luật phản ánh những hành vi tiếnhóa, biến đổi chung của một tập dữ liệu Ví dụ như luật khám phá những yếu tốchính tác động lên sự thay đổi của những giá cổ phiếu nào đó

2.3 Ứng dụng của Data mining

Khai phá dữ liệu là một lĩnh vực liên quan tới nhiều ngành học khác như: hệCSDL, thống kê, trực quan hoá… hơn nưa, tuỳ vào cách tiếp cận được sử dụng,khai phá dữ liệu còn có thể áp dụng một số kỹ thuật như mạng nơron, lý thuyết tậpthô, tập mờ, biểu diễn tri thức… So với các phương pháp này, khai phá dữ liệu cómột số ưu thế rõ rệt

So với phương pháp học máy, khai phá dữ liệu có lợi thế hơn ở chỗ, khai phá

dữ liệu có thể sử dụng với các CSDL chứa nhiều nhiễu, dữ liệu không đầy đủ hoặcbiến đổi liên tục Trong khi đó phương pháp học máy chủ yếu được áp dụng trongcác CSDL đầy đủ, ít biến động và tập dữ liệu không qua lớn

Phương pháp hệ chuyên gia: phương pháp này khác với khai phá dữ liệu ở chỗcác ví dụ của chuyên gia thường ở mức cao hơn nhiều so với các dữ liệu trongCSDL, và chúng thường chỉ bao hàm được các trường hợp quan trọng Hơn nữa cácchuyên gia sẽ xác nhận giá trị và tính hữu ích của các mẫu phát hiện được

DATA MINING

Phương pháp thống kê là một trong những nên tảng lý thuyết của khai phá dữliệu, nhưng khi so sánh hai phương pháp với nhau ta có thể thấy các phương phápthống kê còn tồn tại một số điểm yếu mà khai phá dữ liệu khắc phục được:

 Các phương pháp thống kê chuẩn không phù hợp với các kiểu dữliệu có cấu trúc trong rất nhiều CSDL

 Các phương pháp thống kê hoạt động hoàn toàn theo dữ liệu, nókhông sử dụng tri thức có sẵn về lĩnh vực

 Kết quả phân tích của hệ thống có thể sẽ rất nhiều và khó có thểlàm rõ được

 Phương pháp thống kê cần có sự hướng dẫn của người dùng để xácđịnh phân tích dữ liệu như thế nào và ở đâu

 Khai thác dữ liệu được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vựcnhư:

 Ngân hàng: Xây dựng mô hình dự báo rủi ro tín dụng; tìm kiếm trithức, qui luật của thị trường chứng khoán và đầu tư bất động sản;phát hiện dùng thẻ tín dụng giả trên mạng và là công cụ hữu ích chodịch vụ quản lý rủi ro cho thương mại điện tử

 Thương mại điện tử: Công cụ tìm hiểu, định hướng thúc đẩy, giaotiếp với khách hàng; phân tích hành vi mua sắm trên mạng và chobiết thông tin tiếp thị phù hợp với loại khách hàng trong một phânkhu thị trường nhất định

 An ninh, an toàn mạng: Ứng dụng trong hệ thống phát hiện xâm nhậptrái phép IDS/IPS để phát hiện ra các cuộc tấn công xâm nhập mạng tráiphép; và nhiều lĩnh vực khác,.v.v

2.4 Các phương pháp khai phá dữ liệu

Quá trình khai phá dữ liệu là quá trình phát hiện mẫu trong đó giải thuật khaiphá dữ liệu tìm kiếm các mẫu đáng quan tâm theo dạng xác định như các luật, câyphân lớp, hồi quy, phân nhóm,…

2.4.1 Phương pháp quy nạp (Induction)

Một cơ sở dữ liệu là một kho thông tin nhưng các thông tin quan trọng hơncũng có thể được suy diễn từ kho thông tin đó Có hai việc chính để thực hiện việcnày là suy diễn và quy nạp

Phương pháp suy diễn: Nhằm rút ra thông tin là kết quả logic của các thông tintrong cơ sở dữ liệu Phương pháp suy diễn dựa trên các sự kiện chính xác để suy racác tri thức mới từ các thông tin cũ Mẫu chiết xuất được bằng cách sử dụng phươngpháp này thường là các luật suy diễn

Phương pháp quy nạp: Phương pháp quy nạp suy ra các thông tin được sinh ra

từ cơ sở dữ liệu Có nghĩa là nó tự tìm kiếm, tạo mẫu và sinh ra tri thức chứ khôngphải bắt đầu với các tri thức đã biết trước Các thông tin mà phương pháp này đemlại là các thông tin hay các tri thức cấp cao diễn tả về các đối tượng trong cơ sở dữliệu Phương pháp này liên quan đến việc tìm kiếm các mẫu trong cơ sở dữ liệu.Trong khai phá dữ liệu, quy nạp được sử dụng trong cây quyết định và tạoluật

2.4.2 Cây quyết định và luật

Trong lĩnh vực học máy, cây quyết định là một kiểu mô hình dự báo(predictive model), nghĩa là một ánh xạ từ các quan sát về một sự vật/hiện tượng tớicác kết luận về giá trị mục tiêu của sự vật/hiện tượng Mỗi một nút trong (internalnode) tương ứng với một biến; đường nối giữa nó với nút con của nó thể hiện mộtgiá trị cụ thể cho biến đó Mỗi nút lá đại diện cho giá trị dự đoán của biến mục tiêu,cho trước các giá trị của các biến được biểu diễn bởi đường đi từ nút gốc tới nút lá

đó Kỹ thuật học máy dùng trong cây quyết định được gọi là học bằng cây quyếtđịnh, hay chỉ gọi với cái tên ngắn gọn là cây quyết định

Học bằng cây quyết định cũng là một phương pháp thông dụng trong khai phá

dữ liệu Khi đó, cây quyết định mô tả một cấu trúc cây, trong đó, các lá đại diện chocác phân loại còn cành đại diện cho các kết hợp của các thuộc tính dẫn tới phân loại

đó Một cây quyết định có thể được học bằng cách chia tập hợp nguồn thành các tậpcon dựa theo một kiểm tra giá trị thuộc tính Quá trình này được lặp lại một cách đệqui cho mỗi tập con dẫn xuất Quá trình đệ qui hoàn thành khi không thể tiếp tục

DATA MINING

thực hiện việc chia tách được nữa, hay khi một phân loại đơn có thể áp dụng chotừng phần tử của tập con dẫn xuất Một bộ phân loại rừng ngẫu nhiên (randomforest) sử dụng một số cây quyết định để có thể cải thiện tỉ lệ phân loại

Cây quyết định cũng là một phương tiện có tính mô tả dành cho việc tính toáncác xác suất có điều kiện Cây quyết định có thể được mô tả như là sự kết hợp củacác kỹ thuật toán học và tính toán nhằm hỗ trợ việc mô tả, phân loại và tổng quáthóa một tập dữ liệu cho trước Dữ liệu được cho dưới dạng các bản ghi có dạng: (x,y) = (x1, x2, x3 , xk, y) Biến phụ thuộc (dependant variable) y là biến mà chúng tacần tìm hiểu, phân loại hay tổng quát hóa x1, x2, x3 là các biến sẽ giúp ta thựchiện công việc đó Các kiểu cây quyết định: Cây quyết định còn có hai tên khác:Cây hồi quy (Regression tree) ước lượng các hàm giá có giá trị là số thực thay

vì được sử dụng cho các nhiệm vụ phân loại (ví dụ: ước tính giá một ngôi nhà hoặckhoảng thời gian một bệnh nhân nằm viện)

Cây phân loại (Classification tree), nếu y là một biến phân loại như: giới tính(nam hay nữ), kết quả của một trận đấu (thắng hay thua) Tạo luật: Các luật đượctạo ra nhằm suy diễn một số mẫu dữ liệu có ý nghĩa về mặt thống kê Các luật códạng Nếu P thì Q với P là mệnh đề đúng với phần dữ liệu trong cơ sở dữ liệu, Q làmệnh đề dự đoán Ví dụ ta có một mẫu phát hiện được bằng phương pháp tạo luật:Nếu giá 1 cân táo thấp hơn 5000 đồng thì số lượng táo bán ra sẽ tăng 5% Nhữngluật như thế này được sử dụng rất rộng rãi trong việc miêu tả tri thức trong hệchuyên gia Chúng có thuận lợi là dễ hiểu đối với người sử dụng Cây quyết định vàluật có ưu điểm là hình thức miêu tả đơn giản, mô hình suy diễn khá dễ hiểu đối vớingười sử dụng Tuy nhiên, giới hạn của nó là miêu tả cây và luật chỉ có thể biểudiễn được một số dạng chức năng và vì vậy giới hạn cả về độ chính xác của môhình Cho đến nay, đã có rất nhiều giải thuật suy diên sử dụng các luật và cây quyếtđịnh được áp dụng trong máy học và trong thống kê

2.4.3 Phân nhóm và phân đoạn

Kỹ thuật phân nhóm và phân đoạn – clustering and segmentation là những kỹthuật phân chia dữ liệu sao cho mỗi phần hoặc mỗi nhóm giống nhau theo một tiêuchuẩn nào đó Mối quan hệ thành viên của các nhóm có thể dựa trên mức độ giống

nhau của các thành viên và từ đó xây dựng nên các luật ràng buộc giữa các thànhviên trong nhóm Một kỹ thuật phân nhóm khác là xây dựng nên các hàm đánh giáthuộc tính của các thành phần như là hàm của các tham số của các thành phần.Phương pháp này được gọi là phương pháp phân hoạch tối ưu (optimalpartitioning) Một ví dụ ứng dụng của phương pháp phân nhóm theo độ giống nhau

là cơ sở dữ liệu khách hàng, ứng dụng của phương pháp tối ưu ví dụ như phânnhóm khách hàng theo số các tham số và các nhóm thuế tối ưu có được khi thiết lậpbiểu thuế bảo hiểm

Mẫu đầu ra của quá trình khai phá dữ liệu sử dụng kỹ thuật này là các tập mẫuchứa các dữ liệu có chung những tính chất nào đó được phân tách từ cơ sở dữ liệu.Khi các mẫu được thiết lập, chúng có thể được sử dụng để tái tạo các tập dữ liệu ởdạng dễ hiểu hơn, đồng thời cũng cung cấp các nhóm dữ liệu cho các hoạt độngcũng như công việc phân tích Đối với cơ sở dữ liệu lớn, việc lấy ra các nhóm này làrất quan trọng

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT DATA MINING TRONG HỆ THỐNG IDS

3 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT DATA MINING TRONG HỆ THỐNG IDS

3.1 Hệ thống IDS

3.1.1 Giới thiệu

Ngày nay, sự phát triển liên tục của công nghệ máy tính là không thể phủnhận Có rất nhiều công ty thiết lập các cổng giao dịch Internet và các khách hàngngày càng quan tâm hơn đến việc mua bán trên mạng, các thông tin thu thập đượcphát triển nhanh chóng Mạng Internet đã trở thành một công cụ thông dụng choviệc giao tiếp

Cùng với sự phát triển của công nghệ thì chúng ta lại phải đối mặt với sự cầnthiết phải tăng cường công tác an ninh Tính gần gũi, mở rộng và sự phức tạp củaInternet làm cho sự cần thiết của an ninh hệ thống thông tin càng trở nên cấp thiếthơn bao giờ hết Việc kết nối hệ thống mạng thông tin vào các hệ thống mạng nhưInternet và các hệ thống điện thoại công cộng làm tăng thêm khả năng tiềm ẩn rủi rođối với hệ thống

Đồ án này có tham vọng khám phá và kiểm tra các vấn đề có thể có đối vớimột hệ thống phát hiện xâm nhập - IDS, một phần rất quan trọng của an ninh máytính nói riêng và an ninh mạng nói chung Một IDS tự bản thân nó không thể ngăncản các security brake, nhưng nó phát hiện các mối hiểm họa bằng cách kiểm soátcác hoạt động không mong muốn

Mục tiêu của đồ án này, kết hợp với kinh nghiệm thực tế và các tham khảotrên mạng, là nhằm xây dựng một hệ thống IDS có khả năng “học” các hành vi tấncông và có thể xác định được các cuộc tấn công mới mà không cần phải cập nhật lại

hệ thống Điều này là khả quan Một hệ thống uyển chuyển như vậy sẽ không cầnthiết phải có một cơ sở dữ liệu cập nhật thủ công của các dấu hiệu tấn công, bêncạnh đó nó còn có thể xác định các cuộc tấn công mới dựa trên các mẫu học vàkhông bị phụ thuộc vào các luật lọc của hãng thứ ba

3.1.2 Hệ thống phát hiện xâm nhập - IDS

3.1.2.1 IDS(Intrusion Detection System) là gì?

Khi bạn đặt một đồng hồ báo động trên những cánh cửa và trên những cửa sổtrong nhà của bạn, giống như việc bạn đang cài đặt một hệ thống phát hiện xâmnhập (IDS) trong nhà bạn vậy Hệ thống phát hiện xâm nhập được dùng để bảo vệmạng máy tính của bạn điều hành trong một kiểu đơn giản Một IDS là một phầnmềm và phần cứng một cách hợp lí để mà nhận ra những mối nguy hại có thể tấncông chống lại mạng của bạn Chúng phát hiện những hoạt động xâm phạm mà xâmnhập vào mạng của bạn Bạn có thể xác định những hoạt động xâm nhập bằng việckiểm tra sự đi lại của mạng, những host log, những system call, và những khu vựckhác mà phát ra những dấu hiệu chống lại mạng của bạn

IDS là hệ thống phát hiện xâm nhập IDS là một thống giám sát lưu thôngmạng, các hoạt động khả nghi và cảnh báo cho hệ thống, nhà quản trị IDS cũng cóthể phân biệt giữa những tấn công bên trong từ bên trong (từ những người trongcông ty) hay tấn công từ bên ngoài (từ các hacker) IDS phát hiện dựa trên các dấuhiệu đặc biệt về các nguy cơ đã biết (giống như cách các phần mềm diệt virus dựavào các dấu hiệu đặc biệt để phát hiện và diệt virus) hay dựa trên so sánh lưu thôngmạng hiện tại với baseline(thông số đo đạc chuẩn của hệ thống) để tìm ra các dấuhiệu khác thường

3.1.2.2 IPS - Intrusion Prevention System

Là một hệ thống chống xâm nhập, được định nghĩa là một phần mềm hoặc mộtthiết bị chuyên dụng có khả năng phát hiện xâm nhập và có thể ngăn chặn các nguy

cơ gây mất an ninh IDS và IPS có rất nhiều điểm chung, do đó hệ thống IDS và IPS

có thể được gọi chung là IDP- Intrusion Detection and Prevention IDS chỉ có chứcnăng phát hiện xâm nhập dựa vào các mẫu có sẵn IPS có chức năng ngăn chặnnhững xâm nhập được nghi ngờ ở IDS

3.1.2.3 Vai trò, chức năng của IDS

Phát hiện các nguy cơ tấn công và truy nhập trái phép Đây là vai trò chính củamột hệ thống phát hiện xâm nhập IDS, nó có nhiệm vụ xác định những tấn công vàtruy nhập trái phép vào hệ thống mạng bên trong Hệ thống IDS có khả năng hỗ trợ

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT DATA MINING TRONG HỆ THỐNG IDS

phát hiện các nguy cơ an ninh đe dọa mạng mà các hệ thống khác (như bức tườnglửa) không có, kết hợp với hệ thống ngăn chặn xâm nhập IPS giúp cho hệ thốngchặn đứng, hạn chế các cuộc tấn công, xâm nhập từ bên ngoài

Khả năng cảnh báo và hỗ trợ ngăn chặn tấn công IDS có thể hoạt động trongcác chế độ làm việc của một thiết bị giám sát thụ động (sniffer mode) hỗ trợ cho cácthiết bị giám sát chủ động hay như là một thiết bị ngăn chặn chủ động (khả năngloại bỏ lưu lượng khả nghi) IDS hỗ trợ cho các hệ thống an ninh đưa ra các quyếtđịnh về lưu lượng dựa trên địa chỉ IP hoặc cổng cũng như đặc tính của tấn công IDS còn có thể cảnh báo và ghi lại các biến cố cũng như thực hiện bắt giữ góilưu lượng khi phát hiện tấn công để cung cấp cho nhà quản trị mạng các thông tin

để phân tích và điều tra các biến cố

Tổ hợp của những thuộc tính và khả năng này cung cấp cho nhà quản trị mạngkhả năng tích hợp IDS vào mạng và tăng cường an ninh đến một mức độ mà trướcđây không thể đạt đến bằng các biện pháp đơn lẻ như bức tường lửa

3.1.2.4 Cấu trúc và hoạt động bên trong của hệ thống IDS

Hệ thống phát hiện xâm nhập bao gồm 3 modul chính: Modul thu thập thôngtin, dữ liệu; modul phân tích, phát hiện tấn công; modul phản ứng

Module thu thập thông tin, dữ liệu: Modul này có nhiệm vụ thu thập các gói

tin trên mạng để đem phân tích Vấn đề đặt ra trong thực tế là chúng ta cần triển

khai hệ thống phát hiện xâm nhập IDS ở vị trí nào trong mô hình mạng của chúng

ta Thông thường chúng ta sẽ đặt IDS ở những nơi mà chúng ta cần giám sát Có hai

mô hình chính để thu thập dữ liệu đó là : Mô hình ngoài luồng; mô hình trongluồng

Mô hình thu thập dữ liệu ngoài luồng: Trong mô hình ngoài luồng không canthiệp trực tiếp vào luồng dữ liệu Luồng dữ liệu vào ra hệ thống mạng sẽ được saomột bản và được chuyển tới modul thu thập dữ liệu Theo cách tiếp cận này hệthống phát hiện xâm nhập IDS không làm ảnh hưởng tới tốc độ lưu thông của mạng

Mô hình thu thập dữ liệu trong luồng: Trong mô hình này, hệ thống phát hiệnxâm nhập IDS được đặt trực tiếp vào luồng dữ liệu vào ra trong hệ thống mạng,luồng dữ liệu phải đi qua hệ thống phát hiện xâm nhập IDS trước khi đi vào trongmạng Ưu điểm của mô hình này, hệ thống phát hiện xâm nhập IDS trực tiếp kiểmsoát luồng dữ liệu và phản ứng tức thời với các sự kiện an toàn tuy nhiên nó cónhược điểm là ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ lưu thông của mạng

Module phân tích, phát hiện tấn công: Đây là modul quan trọng nhất nó có

nhiệm vụ phát hiện các tấn công Modul này được chia thành các giai đoạn:

Tiền xử lý, phân tích, cảnh báo Tiền xử lý: Tập hợp dữ liệu, tái định dạng góitin; dữ liệu được sắp xếp theo từng phân loại, phân lớp; xác định định dạng của của

dữ liệu đưa vào (chúng sẽ được chia nhỏ theo từng phân loại); ngoài ra, nó có thể táiđịnh dạng gói tin (defragment), sắp xếp theo chuỗi

Phân tích: Phát hiện sự lạm dụng (Misuse detection models): dựa trên mẫu, ưuđiểm chính xác Phân tích các hoạt động của hệ thống, tìm kiếm các sự kiện giốngvới các mẫu tấn công đã biết trước Ưu điểm: phát hiện các cuộc tấn công nhanh vàchính xác, không đưa ra các cảnh báo sai làm giảm khả nǎng hoạt động của mạng

và giúp các người quản trị xác định các lỗ hổng bảo mật trong hệ thống của mình.Nhược điểm: là không phát hiện được các cuộc tấn công không có trong cơ sở dữliệu, các kiểu tấn công mới, do vậy hệ thống luôn phải cập nhật các mẫu tấn côngmới

Phát hiện tình trạng bất thường (Anomaly detection models): dựa trên sự bấtthường: Ban đầu chúng lưu giữ những mô tả sơ lược về các hoạt đọng bình thường,

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT DATA MINING TRONG HỆ THỐNG IDS

các cuộc tấn công xâm nhập gây ra các hoạt động bất bình thường và kỹ thuật nàyphát hiện ra các hoạt động bất bình thường đó Ban đầu, chúng lưu giữ các mô tả sơlược về các hoạt động bình thường của hệ thống

Các cuộc tấn công xâm nhập gây ra các hoạt động bất bình thường và kỹ thuậtnày phát hiện ra các hoạt động bất bình thường đó Phát hiện dựa trên mức ngưỡngPhát hiện nhờ quá trình tự học Phát hiện dựa trên những bất thường về giao thức

Ưu điểm: có thể phát hiện ra các kiểu tấn công mới, cung cấp các thông tin hữu ích

bổ sung cho phương pháp dò sự lạm dụng Nhược điểm: thường tạo ra một số lượngcác cảnh báo sai làm giảm hiệu suất hoạt động của mạng

Cảnh báo: Quá trình này thực hiện sinh ra các cảnh báo tùy theo đặc điểm vàloại tấn công, xâm nhập mà hệ thống phát hiện được

Module phản ứng: Đây là một điểm khác biệt giữa hệ thống phát hiện xâm

nhập IDS và một hệ thống ngăn chặn xâm nhập IPS Đối với hệ thống IDS, chúngthường chỉ có khả năng ngăn chặn rất hạn chế bởi vì chúng dựa trên cơ chế phảnứng thụ động (passive response) Cơ chế phản ứng thụ động không thể ngăn chặnđược tổn thất vì nó chỉ được đưa ra sau khi tấn công đã ảnh hưởng tới hệ thống Khi

có dấu hiệu của sự tấn công hoặc thâm nhập, modul phát hiện tấn công sẽ gửi tínhiệu báo hiệu có sự tấn công hoặc thâm nhập đến modul phản ứng

Lúc đó module phản ứng gửi tín hiệu kích hoạt tường lửa thực hiện chức nǎngngǎn chặn cuộc tấn công hay cảnh báo tới người quản trị Tại modul này, nếu chỉđưa ra các cảnh báo tới các người quản trị và dừng lại ở đó thì hệ thống này đượcgọi là hệ thống phòng thủ bị động Modul phản ứng này tùy theo hệ thống mà cócác chức nǎng và phương pháp ngǎn chặn khác nhau

3.1.2.5 Phân loại

IDS được chia làm hai loại chính: HIDS (Host Intrusion Detection System):triển khai trên máy trạm hoặc server quan trọng, chỉ để bảo vệ riêng từng máy

NIDS (Network Intrusion Detection System): đặt tại những điểm quan trọngcủa hệ thống mạng, để phát hiện xâm nhập cho khu vực đó.

So sánh giữa hệ thống HIDS và NIDS:

Áp dụng trong phạm vi rộng (theo dõi

toàn bộ hoạt động của mạng)

Phát hiện dựa trên các dữ liệu, thông tin

thu thập trong toàn bộ mạng

Phát hiện dựa trên thông tin, dữ liệu trênHost

Độc lập với hệ điều hành Phụ thuộc vào hệ điều hành trên Host đóTiết kiệm kinh phí khi triển khai Yêu cầu chi phí cao

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT DATA MINING TRONG HỆ THỐNG IDS

Dễ dàng cài đặt, triển khai Phức tạp khi cài đặt, triển khai

3.2 Khai phá dữ liệu trong IDS

NIDS dựa trên khai phá dữ liệu - Tất cả các hệ thống phát hiện xâm nhập đềudựa trên cơ sở chính là phân tích thống kê hay khai phá dữ liệu Ở phương pháp nàychúng ta có một kho các mẫu hành vi bình thường hay các hành vi vô hại của ngườidung Bất kỳ một sự kiện mới nào diễn ra với hệ thống cũng được so sánh vớinhững hồ sơ bình thường này và hệ thống xác định độ lệch của các sự kiện này vớinhững mẫu bình thường Sau đó nó xác định xem liệu sự kienj này có thể được gán

cờ như một hành động xâm nhập hay không Ở đây có hai kịch bản có thể xảy ra:các hành vi bất thường (hành vi bình thường nhưng được xem như là đáng nghi)không phải là một hành động xâm nhập được gán cờ như một hành động xâm nhập.Điều này sẽ cho kết quả chắc chắn sai; các hành vi xâm nhập trái phép không đượcgán nhãn xâm nhập sẽ cho kết quả chắc chắn sai, điều này sẽ gây ra tình trạng nguyhiểm hơn

Trong hệ thống phát hiện xâm nhập dự trên khai phá dữ liệu, chúng ta cần một

cơ sở dữ liệu, tốt nhất là một cơ sở dữ liệu lớn vì khai phá dữ liệu là vô hướng với

cơ sở dữ liệu, cái mà sẽ chứa tất cả các hành vi hay các dấu hiệu vô hại Sau đó kỹthuật khai phá dữ liệu có thể được áp dụng trên cơ sở dữ liệu này để xác định cácmối tương quan và liên kết trong dữ liệu để tìm kiếm một luật mới

3.2.1 Luật phân lớp

Phát hiện xâm nhập có thể được xem như là một vấn đề phân nhóm: ta phảichia mỗi bản ghi của dữ liệu kiểm toán vào một tập rời rạc các hạng mục có thể,bình thường hay một kiểu xâm nhập cụ thể

Căn cứ vào tập các bản ghi, cái mà có một thuộc tính là lớp nhãn, thuật toánphân lớp có thể tính một mô hình mà sử dụng các giá trị thuộc tính đúng đắn nhất

để biểu diễn cho mỗi khái niệm Ví dụ, xét các bản ghi kết nối sử dụng giao thứctelnet ở hình dưới Ở đây, hot là đếm số truy cập vào thư mục hệ thống, tạo và thựchiện các chương trình… compromise là thuộc tính đến số lỗi “không tìm thấy” filehay đường dẫn, và “Jump to” các xâm nhập… RIPPER (một thuật toán học máy