基于證據(jù)推理算法的入侵檢測系統(tǒng)

王伍柒+周立萍

摘要：數(shù)據(jù)融合算法是入侵檢測系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，對于“不知道”與”不確定”信息的處理，證據(jù)推理算法具有十分突出的特點，已成為數(shù)據(jù)融合算法的熱點。為了避免焦元爆炸問題，該文采用一種可有效減少證據(jù)合成計算量又可確保合成實時性準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)融合算法。為了解決分布式系統(tǒng)中主控端與各入侵檢測終端之間的通信問題，引入分布式協(xié)同算法，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計一種分布式入侵檢測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)融合；入侵檢測；證據(jù)推理；分布式協(xié)同算法

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）28-0032-03

入侵檢測系統(tǒng)是一種積極主動的安全防護(hù)機(jī)制，不僅能夠防御對來自外網(wǎng)入侵攻擊，還能有效地防止內(nèi)網(wǎng)的攻擊和機(jī)密信息的泄漏，入侵檢測系統(tǒng)有效地提高網(wǎng)絡(luò)安全的整體水平，它已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域的研究熱點。

1 概述

論據(jù)推理理論是入侵檢測系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)據(jù)融合算法，已成為一種最適合的不確定推理方法。它不需要任何先驗的概率，直接利用區(qū)間信度刻畫證據(jù)度量和命題結(jié)果，處理“不確定”與“不知道”的信息，約束條件寬松，與經(jīng)典的概率論、貝葉斯理論有著本質(zhì)的區(qū)別。盡管如此，若入侵檢測技術(shù)采用傳統(tǒng)的證據(jù)理論進(jìn)行數(shù)據(jù)融合計算，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境各種干擾和噪聲的影響下，系統(tǒng)中攻擊行為、入侵事件與惡意企圖等網(wǎng)絡(luò)入侵目標(biāo)的識別能力急劇下降，漏報率和誤報率增加，因此，需要改進(jìn)傳統(tǒng)的證據(jù)理論，使其適合網(wǎng)絡(luò)入侵檢測技術(shù)。

2 證據(jù)合成算法的研究與改進(jìn)

在入侵檢測系統(tǒng)中，對于各子系統(tǒng)上報的可疑行為，需要對來自各個多個信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、估計和組合等處理，從而進(jìn)行識別判斷。證據(jù)理論就是用于數(shù)據(jù)融合的算法之一。

2.1 D-S證據(jù)理論

證據(jù)推理是由Dempster首先提出的，并由Shafer進(jìn)一步完善發(fā)展起來的，所以又稱作Dempster-Shafer證據(jù)理論或D-S證據(jù)理論。

D-S證據(jù)推理是從經(jīng)典的集合論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。設(shè)Θ為某一的辨別框架非空的集合，且各元素之間滿足互斥條件，其所有的子集構(gòu)成冪集2Θ。則基本信任指派函數(shù)可表達(dá)為[BPA：mA→0，1]，其中A為冪集2Θ中任一子集，表示證據(jù)支持命題A發(fā)生的程度[mA] 。

上式K表示兩個證據(jù)體突沖程度的度量，也是描述是否適用證據(jù)推理算法的依據(jù)。如果K=1，則證據(jù)體完全矛盾，D-S融合算法失效；如果K值較小，則證據(jù)體是一致的，可以使用歸一化處理。

實踐證明：利用傳統(tǒng)的證據(jù)合成規(guī)則在合成不同證據(jù)時出現(xiàn)的計算復(fù)雜度問題屬于NP完全問題，計算復(fù)雜度隨識別框架的基數(shù)的增加而成指數(shù)增加，極大的計算量限制了其應(yīng)用。

2.2 基于D-S證據(jù)理論的算法改進(jìn)

（1） 相關(guān)函數(shù)

Dubois和Prade認(rèn)為證據(jù)理論中焦元的基數(shù)和焦元的基本概率賦值信息是證據(jù)的構(gòu)成的重要因素，因此，改進(jìn)算法選擇參與融合的焦元的標(biāo)準(zhǔn)不是焦元的基本概率賦值，而是以證據(jù)的平均能量函數(shù)作為評判的選擇標(biāo)準(zhǔn)，平均能量函數(shù)可包括證據(jù)的焦元能量函數(shù)和平均能量函數(shù)。

（2） 分類規(guī)則

如果采用焦元能量函數(shù)、證據(jù)平均能量函數(shù)作為合成過程中焦元的分類規(guī)則，則可將焦元分為兩類：

保留焦元（焦元的能量大于或等于證據(jù)的平均能量）和拋棄焦元（焦元的能量小于證據(jù)的平均能量）。

其中，[Nib，Nip，Ni]分別為證據(jù)保留焦元集中的焦元（命題）個數(shù)、拋棄焦元集中的焦元個數(shù)以及證據(jù)i所支持的焦元個數(shù)。

焦元分類規(guī)則能夠較為精確的區(qū)分識別框架Q中所有的證據(jù)體須要融合計算的焦元和對組合計算最終拋棄的焦元。即參與組合計算的焦元將精確標(biāo)出，這樣就大大減小了推理合成的計算量，避免焦元爆炸的現(xiàn)象。

（3） 算法描述

如果被拋棄的焦元中的一些信息如果不參與證據(jù)合成計算，那么，可能會使最終決策結(jié)果產(chǎn)生偏差，即據(jù)證丟失可能影響最終的判決結(jié)果。因此，對于拋棄的焦元，需要對其基本概率賦值進(jìn)行再分配，使拋棄焦元自身攜帶的有用信息得以有效利用，參與到?jīng)Q策結(jié)論的判決過程中。這樣，不會因拋棄焦元的有用信息不會損失而使判決結(jié)果有較大的偏差。

設(shè)[Pk]為[SiP]中一焦元，為與之相關(guān)的集合，[BG]為[SiB]中與[Pk]相交不為空的焦元組成的集合；如果[SiB]中與[Pk]相交不為空則可判斷所拋棄的焦元中含有用的信息理論不會影響結(jié)果，因此，只需考慮集合[BG]。對拋棄焦元[Dk]的基本概率賦值再次分配時，只要將拋棄焦元的基本概率賦值分配在有嵌套關(guān)系或相交的焦元集上。當(dāng)拋棄焦元與所有保留焦元相交為空時，將其基本概率賦值分配給未知命題Q。

拋棄焦元基本概率賦值重新分配方法如下：

（1） 終端T0即主控中心對于所有的入侵檢測任務(wù)，如果有"mi?M，則查詢本體的攻擊特征入侵規(guī)則庫，獲悉該任務(wù)多個原子攻擊序列組成，A={a1，a2，…，an}，此時，主控中心向所有入侵檢測終端Tn廣播消息序列，分發(fā)入侵的檢測結(jié)果。

（2） 收到主控中心訂閱消息后，各終遄Tn向主控中心T0回復(fù)一條確認(rèn)消息。

（3） 各入侵檢測終端Tn如果檢測到了入侵行為或惡意攻擊時，主動向主控中心T0發(fā)送入侵告警消息。

（4） 主控中心T0對收到來自各個入侵檢測終端的原子入侵消息（包括T0自身匯報的和從其他T匯報的）進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，建立檢測模型，通過融合計算，判斷是否存在入侵企圖或存在的攻擊等威脅，并向網(wǎng)絡(luò)管理者發(fā)出報警或主動切斷網(wǎng)絡(luò)的連接。

各入侵檢測終端Tn所承擔(dān)的分析任務(wù)是發(fā)現(xiàn)網(wǎng)段內(nèi)的協(xié)同攻擊，其分析依據(jù)是來自各自檢測信息以及從主控中心訂閱的原子入侵報警（協(xié)同其他入侵檢測終端或T0）。主控中心T0對于收集到的終端Tn上報的信息集合，進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，試圖找出各個入侵者所有可能的關(guān)聯(lián)方式，即所有可能的入侵者組合的集合。endprint

4 改進(jìn)算法的實現(xiàn)

入侵檢測系統(tǒng)將向其他終端Tn訂閱入侵消息的終端T0定義為主控端，定義T0自身檢測信息以及其他Tn的原子入侵報警信息為證據(jù)。

參與主控端T0融合的證據(jù)來源于T0自身及其他Tn，主控中心T0和其他入侵檢測終端Tn具有局部檢測分析的功能，獨立性很強(qiáng)，需要對對局部檢測分析報告事件或存在的攻擊可能行為進(jìn)行明確的定義。各終端上報T0的事件格式需要適用入侵檢測分析環(huán)境的不同、檢測的技術(shù)方式的差異。因而需要對可疑事件的報告格式進(jìn)行定義。定義格式如表1所示。

只要各終端T獲取可疑事件相應(yīng)的局部決策表，利用分布式協(xié)同算法，上報主控端T0由主控端最終融合計算，得出檢測結(jié)論。

設(shè)各終端上報的可疑事件i的證據(jù)體為[Aj，miAjj=1，2，…，N]，運(yùn)用改進(jìn)算法進(jìn)行融合的流程圖如圖2所示。

改進(jìn)的證據(jù)推理算法步驟如下：

①對識別框架中的焦元安照保留下焦元和拋棄焦元進(jìn)行分類，并計算焦元能量函數(shù)、證據(jù)平均能量函數(shù)；

②計算拋棄焦元的基本概率賦值，根據(jù)基本概率值實現(xiàn)拋棄焦元再分配，減少因拋棄焦元因攜帶有用信息而對融合結(jié)果產(chǎn)生的偏差；

③根據(jù)證據(jù)合成規(guī)則，融合判斷是否有入侵事件，并獲得最終融合結(jié)果。

5 小結(jié)

本文重點對D-S證據(jù)理論進(jìn)行了研究，采用基于D-S證據(jù)理論的算法改進(jìn)，引入分布式協(xié)同算法來解決各終端之間的協(xié)同問題，設(shè)計一種分布式入侵檢測系統(tǒng)。通過實踐證明改進(jìn)的證據(jù)推理算法能夠有效地減少數(shù)據(jù)融合的計算量，同時還能提高系統(tǒng)的融合性能，達(dá)到設(shè)計的要求。

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