分布式網絡安全審計系統(tǒng)設計實現

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摘要：隨著近年來互聯(lián)網應用的高速發(fā)展，信息安全已經成為電子商務、金融系統(tǒng)、或企業(yè)內部不可或缺的一部分。網絡安全審計系統(tǒng)作為保障內部網絡信息安全的重要工具，對網絡違規(guī)行為、網絡擁堵、信息泄露、數據竊取和篡改、不良信息傳播等問題進行嚴密審計和監(jiān)控，記錄現場數據并發(fā)出警告。但近幾年來，SSL（安全套接層）協(xié)議等安全傳輸和加密技術逐漸普及，原有的審計監(jiān)控系統(tǒng)無法審計加密后的信息。并且隨著海量存儲和高帶寬傳輸技術的快速發(fā)展，以及規(guī)模分布式網絡的興起和廣泛應用，傳統(tǒng)的集中式網絡安全審計方式由于其結構簡單、系統(tǒng)安全性差、擴展性有限等原因，導致審計時大幅增加CPU和I/O負擔，無法承擔數據量越來越大的審計任務。為此，研發(fā)分布式網絡安全審計系統(tǒng)具有非常重要的意義。

關鍵詞：網絡安全審計；審計和監(jiān)控；分布式

1引言

該文的研究目標主要是針對分布式網絡的實際需求，設計實現分布式網絡安全審計系統(tǒng)，能夠發(fā)現入侵行為、監(jiān)控內部網絡使用人員的網絡行為等，對潛在非法入侵者起到威懾和警示、能夠測試系統(tǒng)的控制情況，及時調整相關政策、能夠協(xié)助管理員發(fā)現非法入侵和潛在的安全漏洞，進而保障網絡安全和信息安全。基于此，分布式網絡安全審計系統(tǒng)要求在不改變網絡配置、不影響網絡運行效率的前提下，對內部網絡使用人員的網絡行為和訪問用戶進行合理有效的審計[1]。

1.1系統(tǒng)需求分析

分布式網絡安全審計系統(tǒng)要求在使用中不改變網絡配置，不嚴重影響網絡運行效率。資源消耗：不能影響正常用戶的日常操作，對CPU的占用率小于1%；對內存占用小于50M；對磁盤占用小于100M。時間效率要求：響應時間小于5秒，數據的轉換和傳送時間小于2秒。靈活性的要求：運行環(huán)境適應主流Linux操作系統(tǒng)，包括Ubuntu、Fedora、CentOS、RedHat等。后續(xù)改進：系統(tǒng)的自我保護功能能夠進一步完善，并且提高程序魯棒性，能夠對多種異常操作進行響應，改進程序BUG，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.2系統(tǒng)可行性分析

分布式網絡安全審計系統(tǒng)屬于商業(yè)系統(tǒng)，為了使軟件能夠正常運行并且具有較高的可靠性、易用性、高安全性等特性，主要特性如下所示：（1）界面簡潔，配置簡單，不改變網絡配置和運行效率。（2）能夠適應當前的主流Linux操作系統(tǒng)，包括Ubuntu、Fedora、CentOS、RedHat等。（3）軟件經過多次調試，可靠性大大提高。（4）經過RSA和AES混合加密，保證了通信的安全性、可靠性和不可改變性。分布式網絡安全審計系統(tǒng)在設計、實現以及測試過程中，只需要有效的網絡環(huán)境、開發(fā)機器、學校機房測試環(huán)境等，不需要其他昂貴的軟件和硬件設備，能夠順利實現并進行有效的測試。

2系統(tǒng)設計與關鍵技術研究

分布式網絡安全審計系統(tǒng)采用C/S架構，包括控制中心和Agent主機，采用集中式監(jiān)管，分布式控制的框架?？刂浦行呢撠煴O(jiān)控網絡拓撲、審計查詢、異常監(jiān)控、系統(tǒng)設置等功能。Agent主機負責數據采集、數據審計等功能。審計策略庫由控制中心分發(fā)，由Agent主機執(zhí)行，Agent主機對于各種違規(guī)行為進行記錄，控制中心從主機處獲取審計信息，根據審計信息進行審計以及策略的調整。首先，Agent主機向控制中心發(fā)送初始化信息，包括主機的IP和子網掩碼。控制中心收到該信息后，采用啟發(fā)式拓撲算法生成網絡拓撲。并且不斷重復這個過程，監(jiān)控網絡拓撲圖的實時動態(tài)變化。當控制中心完成網絡拓撲構建之后，就可以對整個系統(tǒng)進行管理和控制，并且啟動分布式網絡審計功能。審計開始時，Agent主機初始化任務列表，任務列表描述了Agent主機的數據采集任務和數據審計任務。初始化完成后，Agent主機之間使用分布式協(xié)作算法，快速均衡采集和審計處理任務，實現分布式系統(tǒng)的均衡負載。數據采集和處理模塊實現了數據包抓取、協(xié)議分析和數據還原功能。數據審計模塊實現了關鍵詞匹配等算法對網頁內容進行審計。當數據審計模塊匹配到不良信息和非法內容時，數據審計模塊發(fā)出警報，控制中心迅速阻斷Agent主機與遠程服務器的數據交換。另外，本系統(tǒng)還能通過SSLProxy對SSL加密的數據進行審計和攔截。

3分布式網絡安全系統(tǒng)實現

3.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)基于Linux平臺，采用QT集成開發(fā)環(huán)境予以實現。開發(fā)的詳細環(huán)境如表2所示。

3.2系統(tǒng)總體實現流程

分布式網絡安全審計系統(tǒng)包括控制中心和Agent主機，控制中心負責監(jiān)控局域網網絡，開啟服務等流程，Agent主機負責內容審計、流量監(jiān)控、SSL加密會話信息審計等工作，控制中心和Agent主機采用Socket方式進行網絡通信。控制中心運行程序后，開始監(jiān)聽，對從Agent主機收到的信息進行處理，形成網絡拓撲圖。并實時準備接收其他信息，如算法信息，審計得到的結果等。Agent主機運行程序后，自動開始流量統(tǒng)計功能，并設置SSL以審計加密信息。輸入控制中心目的IP后建立連接，并開始審計工作。分布式算法首先進行任務分配，本機讀取分配信息后，對分配的任務進行審計工作，并將審計的結果傳到控制中心，不斷循環(huán)。同時，算法規(guī)定每隔10秒進行一次任務分配量的更新。系統(tǒng)流程如圖1所示。

4系統(tǒng)測試

4.1測試環(huán)境搭建

測試環(huán)境如表1所示。在每臺客戶機上配置客戶端，另外利用主機當作服務器端和管理員機器，IP分別為192.168.1.1和192.168.1.2。測試的拓撲結構如圖2所示。

4.2測試方案

本系統(tǒng)的測試方案主要包括：功能測試，壓力測試，安全測試[3]。

4.2.1功能測試（1）動態(tài)拓撲生成使用多臺不同網段客戶端在不同時間接入網絡，并在不同時間離開網絡，測試服務器拓撲生成的響應時間及準確性。與服務器距離不同的網段的機器接入或離開網絡時，拓撲的響應時間不同。距離服務器遠的機器接入或離開網絡，拓撲的響應時間長；距離近的機器，拓撲的響應時間短。當某臺機器接入網絡后，拓撲能否正確獲得其沿途經過的網絡信息。當某臺機器離開網絡后，可能會產生一些網段沒有機器連入網絡，是否能正確識別這些網絡，并且在拓撲中刪除。當網絡主機頻繁接入或離開時，拓撲是否依然能夠正常顯示，是否會出現系統(tǒng)崩潰狀態(tài)。（2）采集策略分發(fā)在客戶端運行之后，服務器向客戶端發(fā)送不同的審計策略，測試客戶端接收策略的響應時間及準確性。當客戶端運行先前的審計策略的時候，是否能及時接收并響應新得到的審計策略。當服務器端頻繁發(fā)送審計策略的時候，客戶端是否能及時響應并接收最新的審計策略，是否能判斷哪個是最新的審計策略。（3）網頁恢復不同客戶端在不同或相同時間瀏覽不同網頁時，測試能否恢復出客戶端瀏覽的所有網頁，測試恢復網頁的效率及準確性。當客戶端瀏覽網頁時，能否正確恢復網頁的文本信息、JS腳本信息、圖片及壓縮后的相關信息。當客戶端同時瀏覽多個網頁時，能否區(qū)分這些同時到達的網頁信息，能否正確的將這些網頁數據包重組，并分開保存。當多臺機器同時瀏覽相同網頁時，能否判斷出相同連接，并只恢復一次，不會出現冗余信息。當多臺機器同時瀏覽不同網頁時，能否正確重組數據包，將網頁各種信息正確恢復，能否區(qū)分開客戶端對應的網頁信息。（4）SSL審計與網頁恢復類似，客戶端在不同時間瀏覽https網頁，測試客戶端效率及準確性。當客戶端瀏覽一個SSL網站時，SSLProxy是否能動態(tài)裝配正確的證書。當客戶端同時瀏覽多個SSL網站時，SSLProxy是否能正確同時裝配所有網站的證書。當證書裝配完成之后，SSLProxy能否恢復網頁的全部內容，包括：文字信息，圖片信息，腳本信息等。同時瀏覽多個SSL網站時，能否同時恢復多個網頁信息。（5）知識庫同步管理員在不同時間添加或刪除知識庫內容，查看客戶端知識庫的更新效率及準確性。當管理員添加、刪除一條、刪除多條知識庫的時候，距離服務器不同的客戶端更新知識庫的響應時間和準確性。當管理員頻繁更新知識庫時，客戶端響應知識庫更新的響應時間，及是否所有的客戶端能夠及時準確的更新。（6）內容審計不同客戶端同時瀏覽網頁，并且將每臺客戶端的流量大小做出區(qū)分，在不同時間內，改變每個客戶端流量大小，測試分布式協(xié)作算法的效率、內容審計效率及內容審計準確性。改變不同客戶端的CPU利用率和內存利用率，查看分布式協(xié)作算法的效率，能否及時重新分配審計負載?？蛻舳藶g覽不同網頁，測試客戶端能否利用知識庫正確識別出非法信息?？蛻舳藶g覽大量網頁，測試客戶端是否能夠利用知識庫正確識別出非法信息，并測試系統(tǒng)分析時間及運行穩(wěn)定性。[4]

4.2.2壓力測試（1）流量測試流量測試將對系統(tǒng)數據采集、協(xié)議分析的效率進行測試。在不同等級的流量情況下，統(tǒng)計丟包率。（2）分布式規(guī)模測試本系統(tǒng)由多臺Agent主機構成了分布式結構，主機在數據采集、數據審計模塊實現分布式協(xié)作。為了測試系統(tǒng)對于不同主機數目的網絡環(huán)境，在執(zhí)行分布式計算任務時，有何種性能變化，以及穩(wěn)定性會發(fā)生什么樣的改變。測試將依次使用個數遞增的主機數目，加入到分布式網絡中，再測試系統(tǒng)性能和穩(wěn)定的變化。不僅要考慮主機個數的影響，對于每臺主機，當開始執(zhí)行協(xié)同工作時，就需要利用分布式協(xié)作算法，算法的性能也能影響到整個系統(tǒng)的性能。因此，在主機數目相同的情況下，隨機改變每臺主機的初始化審計任務。執(zhí)行測試，觀察審計系統(tǒng)的處理性能（3）控制中心壓力測試使用多臺主機連接，測試控制中心Web服務的負載情況，QT界面響應時間。

4.2.3安全測試（1）數據庫口令安全：口令安全包括口令長度及口令多樣性?？诹铋L度必須多于8位，口令必須包含字母、數字及符號。（2）知識庫操作安全：管理員添加知識庫時必須按照提示添加，測試添加操作是否成功。（3）系統(tǒng)操作安全：系統(tǒng)中有些可以手動輸入的文本框，測試如果用戶在文本框里輸入不合法的內容，是否提示錯誤，防止SQL注入等攻擊.

4.3結果分析

對于功能測試，大部分功能比較滿意，只是在網頁恢復時丟失率過高，這部分需要進一步改進。對于壓力測試，數據采集時由于流量過大，產生了一些正常的丟包行為，但丟包率較低，可以接受。在規(guī)模測試方面，隨著網絡規(guī)模的增加，分布式的優(yōu)點越來越明顯，在龐大的網絡流量和審計任務面前，每個單獨系統(tǒng)能夠平衡網絡負載及審計任務，此時系統(tǒng)占用資源反倒略有降低。安全測試方面，主要參考了一些國家安全標準，在功能上強制要求用戶做到一些標準化的操作。因此，對于通常的SQL注入，重放攻擊等，均無法對系統(tǒng)造成破壞。

5總結與展望

5.1主要工作總結

本文針對用戶的實際需求，在現有網絡安全審計技術研究的基礎上，提出并設計了分布式網絡安全審計系統(tǒng)。它為用戶提供了位于防火墻、入侵檢測系統(tǒng)后的第三層保護屏障。本文圍繞分布式網絡安全審計系統(tǒng)展開了以下研究工作：（1）對現有網絡安全審計系統(tǒng)進行研究，分析現有模型的不足。以此為基礎，提出了分布式網絡安全審計系統(tǒng)，該系統(tǒng)將分布式結構、SSL加密信息審計等技術予以結合。（2）在網絡安全審計的關鍵技術研究基礎上，對該系統(tǒng)進行需求分析和技術可行性分析。以此為基礎，提出了系統(tǒng)總體設計方案，完成各子系統(tǒng)和關鍵模塊的設計與實現。（3）介紹了分布式網絡安全審計系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，展示了關鍵模塊的實現代碼和用戶界面，從功能、壓力、安全等方面對系統(tǒng)進行了全面的測試，提供了相關測試數據和分析。

5.2展望

本文實現的分布式網絡安全審計系統(tǒng)還存在一些不足，后續(xù)的研究方向主要有以下幾個方面：（1）本文針對應用層協(xié)議的還原，只實現了HTTP協(xié)議，對SMTP、FTP等協(xié)議的還原工作并未完成，對應用層協(xié)議的還原的完善工作是下一步研究的重點內容之一。（2）網頁還原時，雖然能夠還原文本內容，但是對于圖像的還原還在調研階段，完成圖像還原功能也是后續(xù)重點研究內容之一。（3）本文在測試網頁還原功能時，發(fā)現數據包丟失率過高，后續(xù)工作應該找到丟失率高的原因。改進算法，將數據包丟失率降低到合理范圍。（4）隨著IPv6網絡的普及，針對IPv6網絡的安全審計工作越來越重要，本文設計實現的系統(tǒng)是基于IPv4網絡，對IPv6網絡的安全審計工作是后續(xù)的重點研究內容之一。

參考文獻：

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[2]崔鵬飛，裘玥，孫瑞.面向網絡內容安全的圖像識別技術研究[A].中國計算機學會.第30次全國計算機安全學術交流會論文集[C].中國計算機學會，2015：4.

[3]盛宇.網絡入侵檢測系統(tǒng)在信息安全防范上的技術分析

[4]張亮，任德志.基于網絡流量的主機安全防護系統(tǒng)實現[A].

作者：李超軍 單位：中國人民大學信息學院