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    蠕蟲正則表達(dá)式特征自動提取技術(shù)研究

    2013-10-29 08:25:04唐勇諸葛建偉陳曙暉盧錫城
    通信學(xué)報 2013年3期
    關(guān)鍵詞:蠕蟲規(guī)約數(shù)據(jù)流

    唐勇,諸葛建偉,陳曙暉,盧錫城

    (1. 國防科技大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院,湖南 長沙 410073;2. 清華大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)工程研究中心, 北京 100084)

    1 引言

    準(zhǔn)確有效的特征是檢測和防范網(wǎng)絡(luò)蠕蟲傳播的關(guān)鍵,當(dāng)前,蠕蟲傳播特征主要是依靠安全專家進(jìn)行人工提取,過程復(fù)雜、速度慢,且由于變形技術(shù)[1,2]在蠕蟲中的普遍應(yīng)用,準(zhǔn)確性也無法得到保證。近年來,一些蠕蟲傳播特征自動提取方法被相繼提出,這些方法通過分析蠕蟲傳播數(shù)據(jù)(可能包括噪聲)自動生成蠕蟲傳播特征,它們可被劃分為下列類別[3]:基于 LCS(longest common substring)[4~6]、基于固定長度負(fù)載出現(xiàn)頻率[7,8]、基于可變長度負(fù)載出現(xiàn)頻率[9,10]、基于有限狀態(tài)自動機(jī)[11]、基于序列比對[12~14]等。基于序列比對的方法[12~14]在準(zhǔn)確性上要優(yōu)于其他方法,但是也只能輸出僅包含“.*”和“.{k}”這兩類元字符的簡單正則表達(dá)式特征,例如,對 CodeRed 蠕蟲產(chǎn)生的“‘GET /’.*‘.ida?’ *‘XX’*‘%u’.{4}‘%u780’*‘=’.{7}‘HTTP /1.0 ’”特征。如何自動提取具有更豐富語義(即包含更多類型元字符)的完整正則表達(dá)式特征是一個挑戰(zhàn)性問題。

    本文提出一種蠕蟲傳播復(fù)雜正則表達(dá)式特征自動提取方法。相比現(xiàn)有方法,該方法輸出的正則表達(dá)式特征包含“.*”、“.{k}”、“|”、“(c){k}”等元字符,分別表示“匹配任意長度字符串”、“k個任意字符”、“或關(guān)系”、“k個字符c”,具有更準(zhǔn)確的特征描述能力,從而能夠更加精確地刻畫網(wǎng)絡(luò)蠕蟲特征,降低蠕蟲檢測的誤報率和漏報率。

    2 變形蠕蟲正則表達(dá)式特征自動提取方法

    2.1 方法概述

    本文提出的變形蠕蟲正則表達(dá)式特征自動提取方法的步驟如圖1所示,共分4步。第1步為蠕蟲傳播網(wǎng)絡(luò)流樣本獲取,利用 HoneyBow(蜜罐系統(tǒng))[15]中已捕獲的蠕蟲二進(jìn)制樣本,在蜜網(wǎng)環(huán)境中生成并獲取蠕蟲傳播的網(wǎng)絡(luò)流樣本;第2步為特征樹生成,通過多序列比對算法生成蠕蟲網(wǎng)絡(luò)流樣本的一組簡單正則表達(dá)式特征,并動態(tài)組織成特征樹;第3步為高假陽性特征剔除,將特征樹中可能引起大量誤報的特征剔除,輸出最小覆蓋特征集;第4步為特征融合,將最小覆蓋特征集融合為一個或多個復(fù)雜正則表達(dá)式特征,該特征可用于精確的蠕蟲檢測。以上4步將在2.2節(jié)~2.5節(jié)分別進(jìn)行介紹。

    2.2 蠕蟲傳播網(wǎng)絡(luò)流獲取

    本文使用基于高交互式蜜罐技術(shù)的惡意代碼自動捕獲器HoneyBow[15]來進(jìn)行蠕蟲樣本的捕獲。HoneyBow利用真實的存有安全漏洞的服務(wù)來誘騙蠕蟲感染,待蠕蟲感染虛擬機(jī)后將之捕獲并記錄下該蠕蟲樣本的外連數(shù)據(jù)流。對于選定的一個蠕蟲樣本,HoneyBow可利用殺毒軟件對該樣本進(jìn)行分析,如果殺毒軟件未能識別則就可能為未知蠕蟲樣本。此時,將該蠕蟲樣本的外連數(shù)據(jù)流預(yù)處理為網(wǎng)絡(luò)流樣本,交由特征生成算法的后續(xù)步驟進(jìn)行處理。

    2.3 特征樹生成

    2.3.1 SRE特征及特征提取算法

    給定某個蠕蟲的一組網(wǎng)絡(luò)流樣本,本文采用文獻(xiàn)[14]所提出的基于多序列比對的特征提取方法,生成“簡化正則表達(dá)式特征”——SRE(simplified regular expression)特征[13]。SRE特征只包含2種正則表達(dá)式元字符,分別為“.*”和“.{k}”,“.*”表示任意(包括零)長度的字符串;“.{k}”表示由k個字符組成的字符串。例如,“one.{2}two.*”是一個SRE特征。

    本文將文獻(xiàn)[12, 13]提出的基于多序列比對的特征提取方法抽象為函數(shù) M Align( ),其輸入為字符串或SRE特征的集合,輸出為一個SRE特征。例如, M Align("oxnxexzxtwoxxw","ytwoyownyeyz","cvcvcvtwovcwc")=“.*‘two’.{2}‘w’.*”; M Align("'abc'.{2}'d ' ","'a b ' .*'d ' ") = “ ‘a(chǎn)b’.*‘d’”。

    2.3.2 特征樹定義

    文獻(xiàn)[14]形式化定義了SRE特征的“包含關(guān)系”和“更精確關(guān)系?”,使得2個SRE特征可以比較:XY?稱為“Y包含X”,意義是能夠匹配特征X的字符串都能夠匹配特征Y;XY?稱為“X比Y更精確”,意義是能夠匹配特征X的字符串都能夠匹配特征Y,并且特征X的“長度更長”[14](可理解為包含更多信息)。例如,“‘a(chǎn)bc’.*‘cd’”? “‘a(chǎn)b’.*‘cd’”, “‘a(chǎn)b’.{2} ‘cd’”? “‘a(chǎn)b’.* ‘cd’”; “‘a(chǎn)aa’. *‘b’”?“‘a(chǎn)a’.*‘b’”, “‘a(chǎn)a’.{2}‘b’”? “‘a(chǎn)a’.*‘b’”。

    定義1 特征樹(signature tree)是一個有根樹,其中每個節(jié)點都是一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流(樣本)的集合,并且被賦予了一個SRE特征,并用x.sig表示節(jié)點x被賦予的特征。特征樹中,根節(jié)點被賦予最泛化的特征“*”,每條邊都表示“更精確關(guān)系?”。特征樹必須滿足下面2個性質(zhì):

    1) 任何一個樣本f∈節(jié)點C,則f?C. sig;

    2) 節(jié)點 C1是節(jié)點 C2的子節(jié)點,則 C1. sig?C2. sig。

    特征樹是本文方法的重要中間結(jié)果,表示了一組簡單正則表達(dá)式(SRE[14])的邏輯關(guān)系,是后續(xù)步驟生成復(fù)雜正則表達(dá)式的基礎(chǔ)。圖2右側(cè)給出了特征樹的一個例子。

    圖1 方法主要流程

    圖2 生成一組樣本的特征樹

    2.3.3 特征樹生成算法

    特征樹生成算法是本文方法的核心,如算法 1所示。該算法是一個增量式算法,其基本思想是:初始時刻,特征樹中只包含一個根節(jié)點,該根節(jié)點被賦予最泛化的特征“*”;然后逐個選擇樣本調(diào)用SigTreeUpdate過程對特征樹進(jìn)行更新;SigTreeUpdate函數(shù)主要由樣本聚類、新特征提取和特征樹更新調(diào)整3個步驟組成。圖2說明從左側(cè)的11個樣本,特征樹生成算法如何產(chǎn)生右側(cè)的特征樹,其中,iC表示第i個生成的節(jié)點。

    分析算法 1可知越精確的特征總是處在越深(層數(shù)越大)的層中。同時,加入到特征樹中的樣本總是會“沉”到所在層數(shù)最大的節(jié)點中。因此,對于變形蠕蟲的w,在由算法1生成的特征樹中,同一層中只可能有一個節(jié)點(該節(jié)點的特征是w的特征之一)含有w的樣本,即變形蠕蟲w可被聚類,并可提取特征。若樣本集包含來自t個攻擊的K個樣本,每個樣本的平均長度為l,則算法的時間開銷為 O ( K tθl2)。

    算法1 SigTreeGeneration(S)

    輸入:樣本集S;

    輸出:特征樹STree;

    生成一個只包含根節(jié)點(節(jié)點特征“*”)的新特征樹STree;

    do 從S中隨機(jī)取出一個樣本f,SigTreeUpdate(f,STree)

    untilS為空

    輸出STree

    Procedure SinkSamples(TC,STree)

    在STree中,將所有滿足下列3個條件的樣本f移動到TC:

    f∈C,C. level = CT. level- 1 ,并且 f ?CT. sig

    Procedure MoveSubtree(CS,CT,STree)

    在STree中,將以 CS為根的子樹移動到 CT( CS成為 CT的子節(jié)點);

    對以 CS為根的子樹中的每一個節(jié)點C′調(diào)用SinkSamples(C′,STree)

    Procedure SigTreeUpdate(f,STree)

    //步驟1 樣本聚類

    按照下面的順序查找滿足 f ? Cbelong.sig的節(jié)點 Cbelong:層次從高到低;如果在最高的某一層中有多個節(jié)點滿足條件,則選擇加入該層最早的那一個節(jié)點;

    Cbelong← Cbelong∪ { f } //將f加入節(jié)點 Cbelong

    //步驟2 新特征提取

    if Cbelong包含一個 子集 Cnew={f1, f2, … , fθ-1,f }滿足 M Align( Cnew) ? Cbelong.sig ,then

    //產(chǎn)生新節(jié)點

    Cbelong←CbelongCnew;

    將 Cnew增加到攻擊特征樹中成為 Cbelong的子節(jié)點;//從 Cbelong分裂出一個新的節(jié)點 Cnew

    Cnew.sig← M Align( Cnew);

    SinkSamples(Cnew);

    //步驟3 特征樹更新調(diào)整

    對于所有滿足 C ≠Cnew,C .le vel = Cnew.level并且C. s i g ? Cnew.sig 的節(jié)點C,do

    MoveSubtree(C,Cnew);

    // 移動C使之成為 Cnew的子節(jié)點

    ifC是 Cbelong的子節(jié)點,并且 A lign( C. s i g,Cnew.sig)? Cbelong.sig , then

    產(chǎn)生一個新的節(jié)點 Cparent={}作為 Cbelong的子節(jié)點;

    Cparent.sig ← A lign( Cnew.s i g, C. s i g);

    MoveSubtree(Cnew,Cparent) ;

    MoveSubtree(C,Cparent);

    // 讓 Cnew和C成為 Cparent的子節(jié)點

    SinkSamples(Cparent) ;

    2.4 高假陽性特征剔除

    高假陽性特征剔除算法見算法 2,其作用是通過不含攻擊的數(shù)據(jù)流庫N去除可能引起大量誤報的特征,最后輸出一個最小覆蓋特征集合。算法從根節(jié)點開始遍歷特征樹,如果一個節(jié)點特征能夠滿足誤報率要求,則用它代替其子節(jié)點。

    算法2 SigRemove(STree)

    輸入:特征樹STree;

    輸出:特征集合S;

    對于每一個節(jié)點C∈STree,通過正常數(shù)據(jù)流庫N計算誤報率 CFP;

    由于算法2輸出的特征不含具有父子關(guān)系的冗余特征,所以算法2輸出的特征數(shù)量少同時滿足誤報率要求。算法 2的計算開銷為 O (| N | |S Tree|),其中,|N |是正常數(shù)據(jù)流庫的大小,|S Tree|是攻擊特征樹STree中包含的特征數(shù)量。

    2.5 特征規(guī)約

    特征規(guī)約的作用是等價合并特征,輸出描述能力更強(qiáng)數(shù)量更少的特征。特征規(guī)約算法見算法 3,定理1證明了該算法的正確性。算法通過5條規(guī)則進(jìn)行規(guī)約,其中,第1~3條規(guī)則引入或關(guān)系元字符(“|”),第 4條規(guī)則對冗余或關(guān)系進(jìn)行規(guī)約,第 5條規(guī)則引入元字符“(c){k}”。

    算法3 SigMerge(S)

    輸入:特征集合S

    輸出:規(guī)約后的特征集合

    /*以下X、 X1、Y2表示SRE特征,A、A1、A2、A3表示字符串,表示字符串的k次連接*/

    whileS中存在特征能夠滿足下列5條規(guī)則之一,do

    if X = X1A, Y = Y1A, then X ' =(X1|Y1) A ,S ←S / { X , Y },S ← S ∪ { X '}; continue; //規(guī)則1

    if X = AX1, Y = AY1, then X ' = A( X1|Y1),S ←S /{ X , Y },S ← S ∪ { X '}; continue; //規(guī)則2

    if X = A1X1A2,Y = A1Y2A2, then X ' = A1( X1|Y1)A2,S ←S / { X , Y },S ← S ∪ { X '}; continue; //規(guī)則3

    if X =(X | Y) AandX?Y, thenX'=YA,S←S/{X}, S ← S ∪ { X'}; continue; //規(guī)則4

    if X=X1A或 X=AX1或 X = X1AX2,且

    X'=(A1){k},S←S/{X},S ←S ∪ { X'};;

    //規(guī)則5

    end

    輸出S

    定理 1 特征集合S經(jīng)過特征規(guī)約算法后得到S',S'與S等價。

    證明 S '與S等價意思是任何可匹配S中某一條規(guī)則的樣本必然也可匹配 S '中的某一條規(guī)則,反之亦然。顯然,只需要證明通過規(guī)則1~5規(guī)約后,規(guī)約后的特征 X ' 與原特征X或{X, Y } 等價( L ( X ' )=L( Y)或 L ( X')=L( X) ∪ L( Y))即可。

    1) 對于規(guī)則 1,如果樣本 x ∈L( X),則x=x1A,x1∈L( X1)。由x1∈L( X1)可知x1∈L( X1)∪L( Y1) = L ( X1|Y )成立,,所以 x1A ∈ L(( X1|Y1) A),即x∈L( X ')。同理,如果x∈L( Y)也可證x∈L( X')。反之,如果樣本 x ∈L( X '),則必然存在x = x1x2使得 x1∈ L ( X1|Y1)且 x2∈L( A)。由x1∈ L ( X1|Y1)可知x1∈L( X1)成立或x1∈L( Y1)成立。若是x1∈L( X1)成立且 x2∈L( A),可得到x∈L( X);若是x1∈L( Y1)成立且x2?A,得到x∈L( Y)。因此,如果樣本x∈L( X '),則x ∈ L ( X ) ∪ L ( Y)。綜上, L ( X')=L( X)∪ L( Y)。

    2) 規(guī)則2、規(guī)則3的證明過程與1)類似。

    3) 對于規(guī)則4,如果樣本 x ∈L( X),則x = x1A使得x1∈ L ( X | Y ) = L ( X ) ∪ L ( Y)。如果 x1∈L( X),由 X ∈L( Y)可得到x1∈L( Y),x = x1A ∈ L ( YA);如果 x1∈L( Y)顯然x∈L( YA)。反之,如果x∈L( X'),則x= x1A且x1∈L( Y),此時顯然x ∈ L(( X| Y) A)= L( X ')成立。綜上, L ( X ' )=L( X)成立。

    由上述證明過程,可知通過規(guī)則1~規(guī)則5進(jìn)行規(guī)約后,S保持等價。

    圖3 本方法提取Virut.n蠕蟲傳播特征

    3 實驗

    3.1 實驗方法

    現(xiàn)有方法研究主要通過人工生成的模擬蠕蟲樣本進(jìn)行實驗。本文首先利用模擬的變形蠕蟲樣本評估特征提取的準(zhǔn)確性。為CodeRed蠕蟲生成3個變種CodeRed.A、CodeRed.B、CodeRed.C,每個變種20個樣本。

    此外,本文對互聯(lián)網(wǎng)上的真實蠕蟲進(jìn)行了實驗。首先,利用了互聯(lián)網(wǎng)上在線部署的HoneyBow系統(tǒng)進(jìn)行蠕蟲樣本的捕獲。對于選定蠕蟲樣本將其傳播網(wǎng)絡(luò)流記錄為樣本文件,這些樣本一半用于特征提取,一半用于所提取特征的漏報率測試。實驗中,算法 2高假陽性特征剔除算法中的ρ設(shè)為0.001%,用于誤報率測試的正常數(shù)據(jù)流庫來自2007年9月從國防科技大學(xué)網(wǎng)關(guān)上捕獲的24GB的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及DARPA 99數(shù)據(jù)集[16]中的正常數(shù)據(jù)。

    3.2 Virut.n蠕蟲傳播特征提取示例

    給定Virut.n蠕蟲的31個傳播數(shù)據(jù)流樣本,圖3顯示了本方法提取Virut.n蠕蟲特征的過程??梢钥吹剑紫?,2.3節(jié)介紹的特征樹生成算法生成包含7個特征節(jié)點的特征樹,然后,2.4節(jié)介紹的特征剔除算法輸出特征C3和C4,最后,2.5節(jié)介紹的特征規(guī)約算法將特征C3和C4等價合并成最后的正則表達(dá)式特征(如表1第2行)。

    3.3 模擬蠕蟲數(shù)據(jù)實驗結(jié)果

    表1對比了已有主要特征提取方法與本文方法輸出的特征以及性能比較。從表中可以看出本文方法輸出的特征既包含全部特征子串,描述了它們的位置關(guān)系,并且包含由于3種蠕蟲變種引起的特征“(aaa|bbb|ccc)”,因此本文方法提取的特征更加準(zhǔn)確。從表1的性能對比可以看出,本文方法相比通過序列比對提取簡單正則表達(dá)式的方法,在準(zhǔn)確性更高的同時還大幅地減少了時間開銷。這得益于特征樹生產(chǎn)算法在特征提取過程中的“分治”作用。

    3.4 真實蠕蟲數(shù)據(jù)實驗結(jié)果

    本文對 Honeybow系統(tǒng)捕獲的被卡巴斯基識別為 virut.n、virut.a、rbot.bsz、sasser.d的 4個蠕蟲樣本進(jìn)行了特征提取,產(chǎn)生的結(jié)果如表2所示。其中,第1列是蠕蟲樣本的名稱,第2列是分析的蠕蟲傳播數(shù)據(jù)流樣本數(shù)量以及特征提取所用時間,第3列是產(chǎn)生特征樹中特征節(jié)點的數(shù)量,第4列是最后輸出的正則表達(dá)式特征,第5列和第6列分別是輸出特征的誤報率和漏報率??梢钥闯?,對 4種蠕蟲本文方法提取的正則表達(dá)式元字符均超過20個,且誤報和漏報均為0,因此特征具有較好的準(zhǔn)確性。

    表1 針對60個模擬蠕蟲樣本的特征提取準(zhǔn)確性比較

    表2 提取的真實蠕蟲的正則表達(dá)式特征

    4 方法比較

    以表 1為例,表 3給出了本文方法與現(xiàn)有攻擊特征提取方法在準(zhǔn)確方面的比較。早期的方法[4,5,8]特征提取準(zhǔn)確性差,大量信息不被發(fā)掘?;?Token頻率的方法(如 Polygraph[9]和Hamsa[10])主要問題是不能提取長度極短的特征片段和特征片段之間的距離關(guān)系。較新提出的基于序列比對的方法[12~14]可提取簡單正則表達(dá)式特征,缺點是不包含“|”等元字符因而特征描述能力有限。從表中可以看出,相比現(xiàn)有方法本文方法特征提取準(zhǔn)確性更好。

    表3 本文方法與現(xiàn)有特征提取方法的比較

    5 結(jié)束語

    與現(xiàn)有攻擊特征自動提取方法相比,本文方法輸出的特征更接近完整形式的正則表達(dá)式,因此具有更強(qiáng)的攻擊描述能力,準(zhǔn)確性更好。使用HoneyBow(蜜罐系統(tǒng))捕獲的蠕蟲樣本,在真實互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中測試了該方法的有效性。實驗表明,該方法可準(zhǔn)確提取互聯(lián)網(wǎng)上真實蠕蟲樣本的正則表達(dá)式特征,并可用于準(zhǔn)確地檢測網(wǎng)絡(luò)蠕蟲傳播。該方法可集成于蜜罐與蜜網(wǎng)、蠕蟲特征自動提取、惡意代碼分析沙盒等系統(tǒng)中,用于快速提取包括未知樣本在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)蠕蟲的特征。本文方法提取的正則表達(dá)式特征中仍存在著一些冗余特征字符(例如部分冗余的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議字段),在保證檢測精確度的前提下,如何自動提取更為簡略、語義更為明確的正則表達(dá)式特征,以及如何進(jìn)一步在實際環(huán)境中應(yīng)用、通過量化指標(biāo)評價特征提取的準(zhǔn)確性均可成為下一步研究方向。

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