Интеллектуальная система обнаружения атак в локальных беспроводных сетях Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ISSN 1992-6502 (Print)_

2015. Т. 19, № 4 (70). С. 95-105.

Ъюьшм QjrAQllQj

ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru

УДК 004.732:004.056

Интеллектуальная система обнаружения атак

в локальных беспроводных сетях

1 2 В. И. Васильев , И.В. Шарабыров

1 vasilyev@ugatu.ac.ru, 2 ilyashar@mail.ru ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)

Поступило в редакцию 26.10.2015

Аннотация. На сегодняшний день беспроводные сети передачи данных, в том числе и локального типа, продолжают стремительно развиваться. Однако зачастую безопасность в данных сетях не соответствует необходимому уровню, так как объекты беспроводной инфраструктуры имеют уязвимости и подвержены различным сетевым атакам. Одним из наиболее актуальных средств защиты от беспроводных атак являются системы обнаружения атак. В то же время в связи с широкими возможностями методов интеллектуального анализа данных задачу анализа параметров сетевого трафика на предмет наличия признаков атаки можно решать путем применения данных методов. В статье приведен обзор атак, актуальных для локальных беспроводных сетей, предлагается архитектура системы обнаружения атак на базе методов интеллектуального анализа данных, а также приведено сравнение данных методов при обнаружении рассмотренных типов атак. Результаты экспериментов позволяют сделать вывод о практической значимости предложенного подхода к обнаружению атак в локальных беспроводных сетях.

Ключевые слова. Локальная беспроводная сеть; сетевая атака; модель обнаружения; интеллектуальный анализ данных; сигнатура; Wi-Fi.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время беспроводные сети завоевали огромную популярность. Согласно прогнозу компании Cisco Systems, к 2017 г. половина всего генерируемого трафика в корпоративных информационных сетях будет приходиться на беспроводные устройства. Это обусловлено, в том числе, и ростом пропускной способности беспроводных сетей. В июне 2013 г. был ратифицирован стандарт 802.11ac, обеспечивающий в перспективе скорость передачи до 6,9 Гбит/с благодаря использованию новых принципов модуляции, поддержке до восьми пространственных потоков передачи данных и полосы шириной до 160 МГц.

Беспроводные сети имеют неоспоримые преимущества перед традиционными кабельными сетями: простота развертывания, мобильность пользователей в зоне действия сети, простое подключение новых пользователей.

С другой стороны, невысокий уровень безопасности таких сетей зачастую ограничивает их применение. В последние годы атаки на ло-

кальные беспроводные сети стали обычным явлением. Если при атаке на проводную сеть злоумышленник должен иметь физическое подключение к сети, то в случае беспроводных сетей он может находиться в любой точке зоны действия сети. Кроме того, данные сети подвержены, в том числе по причине несовершенства протоколов, специфическим атакам, которые будут рассмотрены ниже.

Таким образом, можно сформулировать основные проблемы защиты информации в беспроводных сетях:

• распространение сигнала за пределы контролируемой зоны;

• легкий доступ злоумышленника к беспроводному каналу передачи по сравнению с кабельными сетями;

• использование уязвимых протоколов и методов аутентификации;

• отсутствие полноценной защиты от атак со стороны выпускаемых к стандартам дополнений (так протокол 802.1^, утвержденный в 2009 г. и призванный защитить управляющие кадры, обеспечивает их целостность только по-

сле обмена ключами и не распространяется на контрольную информацию);

• ошибки в настройке различных компонентов беспроводной сети.

В связи с вышесказанным исследователи ведут поиск возможных усовершенствований текущих протоколов. Например, в работе [1] автор предлагает шифровать весь блок данных протокола MAC (MPDU), включая MAC-заголовки, кроме последовательности проверки кадра FCS, что, очевидно, приведет к заметным задержкам в передаче данных и низкой пропускной способности канала. Другой подход заключается в помещении в управляющий кадр хэша некой строки, известной только конкретному отправителю, путем передачи которой в дальнейшем его можно однозначно идентифицировать и обработать запрос [2]. Однако данный метод позволяет предотвратить только один вид атаки.

На практике для защиты от сетевых атак рядовые пользователи и небольшие организации, как правило, ограничиваются использованием антивирусного программного обеспечения, которое на современном этапе развития имеет ряд дополнительных модулей защиты (встроенные межсетевые экраны, проверка электронной почты и т. д.). Крупные предприятия вынуждены приобретать дорогостоящие беспроводные системы обнаружения вторжений (Wireless Intrusion Detection Systems, WIDS). Однако в данной области на настоящий момент отсутствуют общепринятые стандарты, производители используют закрытые алгоритмы выявления и классификации атак. При этом задачу отнесения фрагмента сетевого трафика к какому-либо типу атаки или к нормальной сетевой активности можно решать путем применения методов интеллектуального анализа данных (ИАД) [3].

В работах [4, 5] для решения этой задачи предлагается применение нейронных сетей и метода опорных векторов (Support Vector Machine, SVM). В статье [6] приведен вариант комбинации SVM и деревьев принятия решений для обеспечения мультиклассового распознавания атак. В работе [7] рассмотрен подход к организации нейросетевой системы обнаружения атак на базе двухслойного персептрона и сети Кохонена.

Стоит отметить, что приведенные выше исследования российских и зарубежных авторов относятся к обнаружению вторжений в традиционные проводные сети. Однако работы, посвященные целенаправленному применению методов ИАД для обнаружения атак, характерных для локальных беспроводных сетей, в дос-

тупной литературе отсутствуют. По этой причине в данной статье рассматриваются основные типы атак, присущие беспроводным сетям, некоторые рекомендуемые способы защиты от них, а также предлагается архитектура системы обнаружения атак на базе методов ИАД и производится оценка эффективности используемых в ней алгоритмов обнаружения атак.

1. АТАКИ НА БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ

В основе атак на беспроводные сети лежит перехват сетевого трафика от/к точке доступа или трафика между двумя подключенными станциями, а также внедрение дополнительных (поддельных) данных в сеанс беспроводной связи. Для формирования лучшего представления о типах беспроводных атак, которые злоумышленник может осуществить против беспроводной сети, важно их классифицировать. Так, атаки могут быть направлены на разные слои модели OSI: прикладной, транспортный, сетевой, канальный и физический. Специфичными для беспроводных сетей являются физический и канальный уровни, на использовании которых основана группа стандартов IEEE 802.11. Именно использование уязвимостей протоколов и технологий этих уровней является основой проведения атак на локальную беспроводную сеть и первоначальной стадией атак на информационную систему через несанкционированное получение доступа в беспроводную сеть.

В зависимости от цели атаки на локальные беспроводные сети, реализуемые на физическом и канальном уровнях модели OSI, можно поделить на несколько категорий [8]:

• получение несанкционированного доступа к сети:

а) ложные точка доступа или клиент (Rogue Access Point);

б) подделка MAC-адреса (MAC Spoofing);

в) взлом клиента сети;

г) взлом точки доступа.

• нарушение целостности:

а) инъекция поддельных кадров (802.11 Frame Injection);

б) повтор, удаление пакетов с данными (802.11 Data Replay, 802.11 Data Deletion);

в) перехват и воспроизведение пакетов EAP, RADIUS (802.1X EAP Replay, 802.1X RADIUS Replay);

• нарушение конфиденциальности:

а) подслушивание (Eavesdropping);

б) атака «злой двойник» (Evil Twin);

в) фишинг с помощью ложной точки доступа (AP Phishing);

г) атака «человек посередине» (Man in the Middle);

• нарушение доступности:

а) радиочастотное зашумление;

б) захват среды передачи ложными RTS/CTS-кадрами (Queensland DoS);

в) наводнение запросами на подключение (Probe Request Flood);

г) наводнение кадрами ассоциации, аутентификации, диссоциации, деаутенти-фикации (Associate / Authenticate / Disassociate / Deauthenticate Flood);

д) наводнение кадрами EAP (802.1X EAPStart, EAPFailure Flood);

• обход процедуры аутентификации:

а) взлом Pre-Shared Key;

б) кража личности 802.1Х (802.1X Identity Theft);

в) понижение уровня безопасности EAP (802.1X EAP Downgrade);

г) взлом пароля 802.1X;

д) взлом доменных учетных записей;

е) взлом WPS PIN.

Данные атаки основаны на эксплуатации уязвимостей беспроводных сетей, представленных в базе WVE [9]:

• отправка Probe-запросов с полем тега SSID нулевой длины (WVE-2006-0064);

• EAP Logoff атака (WVE-2005-0050);

• RTS/CTS наводнение (WVE-2005-0051);

• наводнение WLAN пакетами диссоциации (WVE-2005-0046);

• наводнение WLAN пакетами деаутенти-фикации (WVE-2005-0045);

• KARMA framework (WVE-2006-0032);

• отправка неверного кода причины деау-тентификации;

• отправка слишком длинного SSID (WVE-2006-0071, WVE-2007-0001);

• отправка Airjack beacon кадра (WVE-2005-0018);

• отправка неверного номера канала в beacon кадрах (WVE-2006-0050).

Для формирования базы беспроводных атак канального уровня была организована тестовая локальная беспроводная сеть с технологией защиты доступа WPA2-Enterprise. Средой генерации атак служил ноутбук с установленным дистрибутивом Kali Linux версии 1.1.0 с набором специальных утилит для тестирования на проникновение в сеть и беспроводным адаптером Atheros AR9485 в режиме мониторинга. Для перехвата и анализа кадров с целью формирования

базы сигнатур атак использовался второй ноутбук с Windows 7 и беспроводным адаптером Atheros AR9285 в пассивном режиме мониторинга. Собранные кадры были проанализированы: каждый кадр был обозначен как нормальный либо как являющийся частью какого-либо типа атаки, относящегося к одной из следующих четырех категорий атак:

• получение несанкционированного доступа к сети (Access Control);

• нарушение целостности (Integrity Violation);

• нарушение конфиденциальности (Confidentiality Violation);

• нарушение доступности (Denial of Service).

Соотношение числа атак данных категорий в базе сигнатур показано в табл. 1.

Таблица 1

Соотношение количества сигнатур атак канального уровня в обучающей и тестовой базе

Обучающая база Тестовая база

Класс Кол-во Класс Кол-во

Normal 114959 Normal 27886

Access Control Access Control

rogue client 131 rogue client 225

MAC spoofing 106 MAC spoofing 12

fake auth 81 fake auth 9

caffe_latte 198 caffe latte 22

chopchop 202 chopchop 22

client_fragment 56862 client fragment 6318

AP fragment 3552 AP fragment 395

Confidentiality Violation Confidentiality Violation

evil_twin_AP 1344 evil twin AP 149

Integrity Violation Integrity Violation

data_replay 75785 data replay 8420

EAP_replay 75 EAP replay 8

Denial of Service Denial of Service

beacon flood 1761 beacon flood 2153

auth flood 569 auth flood 74

deauth flood 10940 deauth flood 1216

EAPOL start 16345 EAPOL start 1816

flood flood

EAPOL logoff 1923 EAPOL logoff 2425

flood flood

RTS/CTS flood 1831 RTS/CTS flood 2237

В качестве образцов атак с сетевого по прикладной уровни использована усовершенствованная база сигнатур NSL KDD-2009 [10], построенная на основе базы KDD-99 по инициативе американской Ассоциации оборонных научных исследований (DARPA) [11]. Целью проекта являлась оценка эффективности исследований в области обнаружения вторжений. В результате был собран набор данных о соедине-

ниях, который охватывает широкий спектр различных вторжений, смоделированных в среде локальной сети, имитирующей сеть Военно-воздушных сил США. Данные собирались в течение девяти недель.

Соединение представляет собой последовательность пакетов, начинающуюся и заканчивающуюся в определенные моменты времени, между которыми потоки данных передаются от IP-адреса источника к IP-адресу получателя по определенному протоколу. Каждое соединение обозначено как нормальное либо как какой-то тип атаки одной из четырех категорий: отказ в обслуживании (Denial of Service, DoS), несанкционированное получение прав пользователя (Remote to Local, R2L), несанкционированное повышение прав пользователя до суперпользователя (User to Root, U2R) и зондирование (Probe). Подробное описание этих типов атак приведено в [12]. Соотношение числа атак разных типов показано в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Соотношение количества сигнатур атак в

обучающей базе NSL KDD-2009

Normal 67343

DoS R2L

Класс Кол-во Класс Кол-во

neptune 41214 guess_passwd 162

smurf 2646 ftp_write 8

Pod 201 imap 11

teardrop 892 phf 4

land 18 multihop 7

back 956 warezmaster 20

U2R Probe

Класс Кол-во Класс Кол-во

buffer_overflow 30 portsweep 2931

loadmodule 9 ipsweep 3599

perl 3 satan 3633

rootkit 10 nmap 1493

Некоторые из указанных выше типов атак являются издержками самой технологии радиочастотной передачи данных (глушение), а также зависят от человеческого фактора и должны решаться с помощью организационных мер. Среди технических средств защиты сети, помимо межсетевых экранов, списков контроля доступа и других традиционных средств, следует выделить беспроводные системы обнаружения атак.

Таблица 3

Соотношение количества сигнатур атак в тестовой

базе NSL KDD-2009

Normal 9711

DoS R2L

Класс Кол-во Класс Кол-во

neptune 4657 guess passwd 1231

smurf 665 ftp write 3

Pod 41 imap 1

teardrop 12 phf 2

land 7 multihop 18

back 359 warezmaster 944

U2R Probe

Класс Кол-во Класс Кол-во

buffer overflow 20 portsweep 157

loadmodule 2 ipsweep 141

perl 2 satan 735

rootkit 13 nmap 73

2. СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ АТАК

В отличие от традиционных систем обнаружения атак, получающих все пакеты сети, беспроводные системы производят выборку сетевого трафика. Стандарты семейства 802.11 используют два основных диапазона частот: 2,4 ГГц и 5 ГГц, которые, в свою очередь, делятся на каналы. обеспечивают поочередное

сканирование каналов на предмет наличия активных атак. Принятие решения о безопасности какой-либо сетевой активности в коммерческих продуктах реализуется с помощью закрытых алгоритмов, принцип работы которых составляет коммерческую тайну. При этом заявленное количество и виды обнаруживаемых атак у разных продуктов отличаются, хотя в действительности они принадлежат одному типу атак, что объясняется отсутствием стандартов в области беспроводных атак.

Как было показано в упомянутых выше работах, задачи обнаружения и классификации атак можно решать с помощью применения методов ИАД, позволяющих выявить значимые корреляции, образцы и тенденции в больших объемах данных. В предлагаемой системе используются алгоритмы построения классифицирующей модели на базе метода опорных векторов, метода к-ближайших соседей, нейронных сетей и деревьев принятия решений.

Предлагаемая архитектура интеллектуальной системы обнаружения атак обладает модульной схемой организации взаимодействия между компонентами с выделенной подсистемой сенсоров и централизованным управлением через консоль администратора. Архитектура системы представлена на рис. 1.

Атаки канального уровня

Рис. 1. Архитектура системы обнаружения атак

Модуль реагирования

Основой для выявления атак является база знаний, построение которой на этапе начального конфигурирования системы обеспечивает блок построения классифицирующей модели. Классифицирующая модель строится на основе сигнатур обучающей выборки и затем используется для классификации реальной сетевой активности.

Модуль выявления атак проектируемой системы обнаружения атак функционально можно разделить на:

• подмодуль обнаружения атак сетевого, транспортного и прикладного уровней;

• подмодуль обнаружения атак канального уровня.

Система работает в двух режимах:

• режим конфигурирования (обучения), когда в качестве входных данных в блок построения классифицирующей модели загружается набор сигнатур, каждая из которых представляет собой пару {вектор параметров трафика | тип атаки}. На основе этого набора строится классифицирующая модель;

• режим нормальной работы, когда значения параметров трафика подаются в качестве входных данных на подсистему сенсоров. Далее модуль выявления атак с помощью построенной на предыдущем этапе классифицирующей модели определяет, соответствуют ли показания сенсоров нормальному состоянию либо той или иной атаке, и передает результат подсистеме принятия решений, которая, в случае атаки или подозрительной активности, выдает оповещение

на консоль управления (пассивное обнаружение) и формирует команду модулю реагирования (активное блокирование).

Далее мы подробнее рассмотрим методы ИАД, составляющие основу алгоритма построения классифицирующей модели предлагаемой системы.

3. МЕТОДЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ

Метод опорных векторов (8ГУЫ) относится к методам линейной классификации. Каждое состояние системы представляется в виде точки в многомерном пространстве, координатами которого являются характеристики системы. Два множества точек, принадлежащих к двум разным классам, разделяются гиперплоскостью в этом пространстве. При этом гиперплоскость строится так, чтобы расстояния от нее до ближайших экземпляров обоих классов (опорных векторов) были максимальны, что обеспечивает наибольшую точность классификации.

На рис. 2 приведен пример классификации объектов в двумерном пространстве с помощью 8УМ.

На рисунке представлен обучающий набор данных, представляющий собой множество точек вида {х, у}, / = 1,..., I, где х е а у е {1, -1} -индикатор класса, к которому относится точка X. Классы точек линейно разделимы, т. е. существует такая гиперплоскость, по одну сторону которой лежат точки класса у = 1, а по другую -

класса у, = -1. Точки, расположенные непосредственно на гиперплоскости, удовлетворяют уравнению:

Гиперплоскость H2

Разделяющая гиперплоскость

Рис. 2. Пример классификации 8УМ

V • X - Ь = 0 , (1)

где вектор V - перпендикуляр к разделяющей гиперплоскости, величина |Ь|/||^|| (абсолютная величина Ь, деленная на модуль вектора м>) определяет расстояние от начала координат до гиперплоскости, оператор • обозначает скалярное произведение в евклидовом пространстве, в котором лежат данные.

Все точки, для которых выполняется условие V • х{ — Ь = 1, лежат в гиперплоскости Н1, параллельной к разделяющей гиперплоскости, и на расстоянии |1 — Ь|/||^|| от начала координат. Похожим образом те точки, для которых выполняется условие V • х, — Ь = —1, лежат в гиперплоскости Н2, параллельной к плоскости Н1 и к разделяющей гиперплоскости, на расстоянии |—1 — Ь|/||^|| от начала координат. Таким образом, расстояние между плоскостью и положительным (отрицательным) опорным вектором равно 1/|М|, и, следовательно, ширина полосы (зазора) равна 2/||^||.

В качестве достоинств данного метода можно выделить высокую точность, способность к обобщению и низкую вычислительную сложность принятия решения. Недостатком является относительно большая вычислительная сложность построения классифицирующей модели.

В работах [13, 14] исследуется способ обнаружения атак на основе метода опорных векторов. Метод использовался для построения классифицирующей модели из данных обучающей выборки. Модель опробована на атаках типа переполнение буфера, руткит и 8УК-наводнение и показала актуальность применения метода опорных векторов в качестве основы системы обнаружения атак.

Метод k-ближайших соседей (k-nearest neighbor, k-NN) - метод классификации, основным принципом которого является присваивание объекту того класса, который является наиболее распространенным среди соседей данного объекта. Соседи образуются из множества объектов, классы которых уже известны, и, исходя из заданного значения k (k > 1), определяется, какой из классов наиболее многочислен среди них. Если k = 1, то объект просто относится к классу единственного ближайшего соседа.

Метод k-NN является одним из самых простых методов ИАД. Недостатком метода k-NN является то, что он чувствителен к локальной структуре данных.

Нейронные сети позволяют решать практические задачи, связанные с распознаванием и классификацией образов. Нейронная сеть состоит из взаимосвязанных нейронов, образующих входной, промежуточные (скрытые) и выходной слои. Обучение происходит путем корректировки значений весов нейронов для минимизации ошибки классификации.

Преимуществами нейронных сетей являются их способность автоматически приобретать знания в процессе обучения, а также способность к обобщению, основной недостаток — чувствительность к шуму во входных данных.

Деревья принятия решений представляют собой древовидную структуру из «листьев» и «ветвей». На ребрах («ветвях») дерева принятия решений записаны атрибуты, от которых зависит целевая функция, в «листьях» записаны значения целевой функции, а в остальных узлах — атрибуты, по которым различаются объекты. Чтобы классифицировать новый объект, надо спуститься по дереву от корня до листа и получить соответствующий класс, т. е. путь от корня до листа выступает правилами классификации на основе значений атрибутов объекта.

Достоинства деревьев принятия решений — простой принцип их построения, хорошая интерпретируемость результатов, недостаток — невысокая точность классификации.

Далее для выявления наиболее эффективного метода построения классифицирующей модели применительно к беспроводной системе обнаружения атак будет приведено сравнение рассмотренных методов ИАД.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Оценка корректности распознавания рассмотренных типов атак с помощью СОА произведена путем сравнения результатов классификации с помощью различных методов ИАД.

На основании построенной выше классификации атак по уровням модели OSI атаки на локальные беспроводные сети разделены на две группы:

• атаки физического и канального уровня, являющиеся специфичными для беспроводных сетей;

• атаки с сетевого по прикладной уровни, присущие любой технологии организации локальных сетей, в том числе Ethernet.

В качестве образцов атак сетевого и прикладного уровней соответствующий подмодуль обнаружения атак предлагаемой системы в ходе экспериментов использует сигнатуры базы NSL KDD-2009.

Изначально для описания атак в базе NSL-KDD-2009 использован 41 признак, отражающий прикладной, транспортный и сетевой уровни модели OSI. Однако часть предлагаемых признаков не применима для современных сетевых атак по причине своей неактуальности [15], в связи с чем количество признаков было сокращено. Выбранные признаки представлены в табл. 4. Параметры трафика, использованные для описания сигнатур атак канального уровня, указаны в табл. 5. Для описания атак, характеризующихся большим количеством соединений к узлу назначения, было выбрано окно длительностью две секунды (атаки DoS), а также окно в 100 соединений с одним и тем же узлом (Probe).

Таблица 4

Значимые параметры трафика для сетевого-

Окончание табл. 4

Характеристика Описание Тип

Характеристики ТСР-соединения

duration Продолжительность соединения (с) численный

protocol_type Протокол транспортного уровня текстовый

service Сервис прикладного уровня текстовый

flag Статус соединения бинарный

src_bytes Входящий поток, байт численный

dst_bytes Исходящий поток, байт численный

land Адреса совпадают, 0 иначе бинарный

wrong_fragment Число неправильных фрагментов численный

urgent Число срочных пакетов численный

Характеристики сеанса

hot Число «горячих» индикаторов численный

num_failed_logins Число неудачных попыток входа численный

logged in Успешный вход бинарный

root_shell Доступ с административными полномочиями бинарный

num_root Число попыток доступа с административными полномочиями численный

num_shells Число попыток использования командной строки численный

num_access_files Число операций с файлами контроля доступа численный

Статистика за 2 секунды / за 100 соединений

count / dst host count Число соединений с совпадающим хостом численный

serror_rate/ dst host serror rate % соединения с ошибкой "БУК" численный

rerror_rate / dst_host_same_src_ port_rate % соединений с ошибкой "КБГ / % соединений с одинаковым исходным портом численный

same_srv_rate / dst_host_same_srv_ rate % соединений с одинаковым сервисом численный

diff_srv_rate / dst_host_diff_srv_ rate % соединений с различным сервисом численный

srv_count / dst_host_srv_count Число соединений с совпадающим сервисом численный

srv_serror_rate / dst_host_srv_serror rate % соединений с ошибкой "БУК" численный

srv_rerror_rate / dst_host_srv_rerror rate % соединений с ошибкой численный

srv_diff_host_rate / dst_host_srv_diff_ host rate % соединений с различающимися хостами численный

Таблица 5

Значимые параметры трафика для канального уровня

Характеристика Описание_|?ип_

Характеристики протоколов 802.11

frame_ type/subtype Тип/подтип кадра текстовый

protocol_type Тип протокола канального уровня текстовый

source_address МАС-адрес источника текстовый

destination_address МАС-адрес назначения текстовый

Окончание табл. 5

length Размер кадра, байт численный

SSID Значение тега 88ГО текстовый

sequence number Номер кадра численный

fragment number Номер фрагмента численный

DS_status Участие распределенной системы в обмене численный

more_fragments Еще фрагменты для передачи, 0 иначе бинарный

retry Повторная передача предыдущего кадра, 0 иначе бинарный

pwr_mgt Клиент в режиме энергосбережения, 0 иначе бинарный

more_data Буферизованные кадры для передачи, 0 иначе бинарный

protected_flag Данные кадра зашифрованы, 0 иначе бинарный

order_flag Обработка кадров строго по порядку, 0 иначе бинарный

duration Продолжительность передачи ЛСК+81Р8, мкс численный

chan number Номер канала численный

signal Уровень сигнала передатчика, % численный

TX_rate Скорость передачи, Мбит/с численный

cipher Используемый алгоритм шифрования текстовый

reason_code Код причины деаутентификации численный

Статистика за 2 секунды

mng_frm_count Число управляющих кадров численный

ctrl_frm_count Число контрольных кадров численный

probe_count Число запросов на подключение численный

frag_count

Среднее число

фрагментированных

пакетов

численныи

Эксперименты проводились в среде RapidMiner версии 5.3.015 [16] по схеме, приведенной на рис. 3.

На первом шаге происходила обработка данных из базы, так как для безошибочного функционирования алгоритмов все атрибуты должны иметь численные значения, распределенные между нулем и единицей. Для этого текстовые атрибуты преобразовывались в бинарные, численные нормализовывались относительно минимального и максимального значений.

После этого данные обучающей выборки поступали на вход блока построения классифицирующей модели, составляющей основу базы знаний, различными методами ИАД. Затем модуль выявления атак проводил классификацию

Обучающая выборка

_к_

Выбор значимых признаков и параметров алгоритмов

Тестовая выборка

Обучение

Распознавание атак

Метки классов

Оценка результатов по заданным критериям

Рис. 3. Схема проведения эксперимента

записеИ тестовой базы на основании соответствующей модели по критериям, содержащимся в базе знаний, и присваивал метку класса сетевой активности. На основании совпадения предполагаемых и действительных меток классов оценивалась эффективность обнаружения атак по следующим критериям:

1. Общий процент корректно классифицированных атак A (accuracy):

TP + TN

(2)

A =

N

где TP и TN - общее количество истинных записей, N- общее количество классифицированных записей.

2. Точность классификации P (precision):

P =

TP

TP + FP

(3)

где TP - количество истинно-положительных записей, FP - количество ложно-положительных записей.

3. Полнота классификации R (recall): TP

(4)

R =

ТР + БН

где ЕЫ - количество ложно-отрицательных записей.

Результаты классификации с помощью различных методов ИАД указаны в табл. 6 и 7.

Метод опорных векторов был реализован с помощью 8УМ С-8УС библиотеки ЫЬ8УМ, в качестве функции ядра использовалась радиальная базисная функция (КЭБ). Величина максимальной ошибки обучения была ограничена значением 10-5.

При классификации методом к-ближайших соседей экспериментальным путем в качестве оптимальных параметров работы алгоритма были выбраны значение к, равное пяти, и метрика - Манхэттенское расстояние.

Нейронная сеть была реализована в виде многослойного персептрона с двумя скрытыми слоями. Обучение продолжительностью 1500 циклов производилось с помощью алгоритма обратного распространения ошибки. Величина максимальной ошибки обучения была равна 10-7.

Построение деревьев принятия решений производилось с помощью стандартного оператора среды RapidMiner, минимальный порог для образования нового узла выбирался равным четырем, минимальное количество листьев узла - один, максимальное количество уровней - 10.

Таблица 6

Показатели эффективности определения атак сетевого-прикладного уровней

Группа Класс сетевой Метод опорных векторов k-ближайших соседей Нейронная сеть Деревья принятия решений

активности Полнота Точность Полнота Точность Полнота Точность Полнота Точность

DoS neptune 98,97% 99,98% 97,25% 97,50% 99,36% 99,98% 97,32% 99,93%

normal normal 96,56% 92,28% 96,55% 93,63% 97,07% 87,25% 97,10% 90,98%

R2L guess passwd 76,69% 100,00% 66,86% 95,48% 66,37% 97,03% 65,72% 99,88%

DoS smurf 100,00% 99,70% 97,59% 100,00% 95,19% 99,53% 100,00% 100,00%

Probe satan 93,74% 76,47% 94,83% 76,76% 90,75% 81,84% 96,19% 80,62%

U2R buffer overflow 25,00% 62,50% 35,00% 100,00% 0,00% 0,00% 25,00% 62,50%

DoS back 98,05% 98,60% 99,44% 100,00% 96,10% 97,73% 77,16% 92,33%

R2L warezmaster 59,11% 99,11% 82,20% 99,74% 16,10% 98,06% 63,56% 100,00%

DoS pod 95,12% 72,22% 95,12% 72,22% 82,93% 70,83% 95,12% 46,99%

Probe nmap 98,63% 93,51% 97,26% 91,03% 79,45% 90,62% 98,63% 74,23%

Probe ipsweep 97,16% 93,84% 97,16% 74,86% 97,87% 79,31% 99,29% 88,05%

probe portsweep 91,08% 56,30% 85,35% 73,22% 89,17% 61,67% 84,71% 54,07%

DoS teardrop 83,33% 21,28% 83,33% 14,08% 75,00% 18,75% 100,00% 24,49%

DoS land 57,14% 100,00% 57,14% 100,00% 0,00% 0,00% 14,29% 100,00%

Средняя 83,61% 83,27% 84,65% 84,89% 70,38% 70,19% 79,58% 79,58%

Показатели эффективности определения атак канального уровня Таблица 7

Класс Метод опорных векторов k-ближайших соседей Нейронная сеть Дерево принятия решений

Полнота Точность Полнота Точность Полнота Точность Полнота Точность

normal 98,03% 92,49% 97,65% 99,26% 94,37% 99,38% 95,48% 95,11%

rogue client 100,00% 37,56% 6,22% 20,00% 32,44% 20,00% 100,00% 69,02%

EAPOL logoff flood 8,82% 100,00% 26,85% 100,00% 0,12% 100,00% 44,08% 100,00%

auth flood 85,14% 94,03% 100,00% 93,67% 100,00% 92,50% 97,30% 100,00%

EAPOL start flood 100,00% 100,00% 100,00% 50,58% 100,00% 44,14% 100,00% 100,00%

deauth flood 100,00% 99,10% 100,00% 99,75% 100,00% 84,39% 100,00% 100,00%

caffe latte 0,00% 0,00% 100,00% 100,00% 100,00% 70,97% 100,00% 100,00%

chopchop 100,00% 62,86% 100,00% 100,00% 100,00% 3,28% 100,00% 2,27%

client fragment 97,44% 99,77% 100,00% 99,89% 100,00% 96,98% 100,00% 100,00%

AP fragment 98,73% 97,01% 99,75% 98,25% 100,00% 98,26% 100,00% 100,00%

data replay 99,82% 98,13% 100,00% 99,98% 99,96% 99,53% 100,00% 100,00%

MAC spoofing 100,00% 6,63% 100,00% 10,91% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00%

evil twin AP 100,00% 100,00% 100,00% 64,78% 100,00% 94,30% 100,00% 94,90%

EAP replay 100,00% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00%

beacon flood 100,00% 100,00% 100,00% 99,95% 99,91% 100,00% 100,00% 99,86%

RTS/CTS flood 99,82% 99,82% 100,00% 84,64% 100,00% 91,49% 100,00% 91,68%

fake auth 55,56% 100,00% 66,67% 85,71% 77,78% 10,45% 100,00% 100,00%

Средняя 84,90% 81,61% 88,07% 82,79% 82,62% 70,92% 90,40% 85,46%

Как видно из таблицы 6, методы опорных векторов и k-ближайших соседей показали близкие результаты в ходе обнаружения атак, несколько хуже проявили себя дерево принятия решений и нейронная сеть. Низкий процент обнаружения некоторых типов атак, таких как warezmaster, guess_passwd, buffer_overflow и land, вызван неравномерным количественным распределением образцов обучающей выборки для разных классов - преобладанием нормальных сигнатур и атак категорий DoS и Probe. По этой же причине часть атак была классифицированы неверно, поэтому результаты по ним не представлены в табл. 6. Однако, согласно показателям в табл. 7, метод k-ближайших соседей и дерево принятия решений превосходят SVM и нейронные сети в решении задачи по обнаружению атак канального уровня.

Таким образом, анализ экспериментальных данных показывает, что использованные алгоритмы демонстрируют различные значения показателей эффективности обнаружения атак в зависимости от типа сетевой активности и уровня модели OSI, на котором реализуется атака. В связи с этим предлагается использовать ансамбль из четырех разработанных алгоритмов и одного арбитра, определяющего итоговый класс сетевой активности методом взвешенного голосования. Архитектура и принципы функционирования предлагаемого ансамбля составит суть дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной статье представлен обзор сетевых атак, актуальных для локальных беспроводных сетей, представлена архитектура предлагаемой системы обнаружения атак, базирующейся на применении методов ИАД для распознавания данных атак, приведено сравнение данных методов в ходе экспериментов по обнаружению рассмотренных типов атак.

В целом методы показали высокие точность и полноту обнаружения в ходе проведения экспериментов, из чего можно сделать вывод о практической значимости предложенного подхода к обнаружению атак в локальных беспроводных сетях.

Дальнейшие исследования предполагается продолжить в направлении исследования новых типов атак в локальных беспроводных сетях, а также организации модульной структуры системы обнаружения вторжений, с использованием ансамбля рассмотренных в данной статье методов ИАД.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ross D. Securing IEEE802.11 Wireless LANs. PhD thesis, Queensland University of Technology, 2010 [Электронный ресурс]. URL: http://eprints.qut.edu.au/37638/1/David_Ross _Thesis.pdf (дата обращения 28.01.2013). [D. Ross (2013, Jan. 28). Securing IEEE802.11 Wireless LANs. PhD thesis, Queensland University of Technology, 2010 [Online]. Available: http://eprints.qut.edu.au/37638/1/David_Ross_Thesis.pdf]

2. Nguyen T., Nguyen B., Pham H. An efficient solution for preventing Dis'ing attack on 802.11 networks // The 2012 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2012): Journal of Engineering Technology and Education, Hochiminh City, 2012. P. 395-403. [T. Nguyen, B. Nguyen and H. Pham, "An efficient solution for preventing Dis'ing attack on 802.11 networks", The 2012 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2012), in Journal of Engineering Technology and Education, Hochiminh, 2012, pp. 395-403.]

3. Sinclair C., Pierce L., Matzner S. An Application of Machine Learning to Network Intrusion Detection // Proceedings of Computer Security Applications Conference, Dec. 6-10 1999. (ACSAC '99). P. 371-377. [C. Sinclair, L. Pierce and S. Matzner, "An Application of Machine Learning to Network Intrusion Detection", in Proc. of Computer Security Applications Conference, Dec. 6-10 1999 (ACSAC '99), pp. 371-377.]

4. Tang H., Cao Z. Machine Learning-based Intrusion Detection Algorithms // Journal of Computational Information Systems, 2009. P. 1825-1831. [H. Tang and Z. Cao, "Machine Learning-based Intrusion Detection Algorithms", in Journal of Computational Information Systems, 2009, pp. 1825-1831.]

5. Mukkamala S., Janoski G., Sung A. Intrusion Detection: Support Vector Machines and Neural Networks [Электронный ресурс]. URL: http://www.cs.uiuc.edu/class/fa05/cs591han/ papers/mukkCNN02.pdf (дата обращения 09.01.2013). [S. Mukkamala, G. Janoski and A. Sung (2013, Jan. 09), Intrusion Detection: Support Vector Machines and Neural Networks [Online]. Available: http://www.cs.uiuc.edu/class/fa05/ cs591han/papers/mukkCNN02.pdf.]

6. Mulay S., Devale P., Garje G. Intrusion Detection System using Support Vector Machine and Decision Tree // International Journal of Computer Applications, June 2010. V. 3, N.3. P. 40-43. [S. Mulay, P. Devale and G. Garje, "Intrusion Detection System using Support Vector Machine and Decision Tree", in International Journal of Computer Applications, 2010, vol. 3, no. 3, pp. 40-43.]

7. Нейросетевая технология обнаружения сетевых атак на информационные ресурсы / Ю. Г. Емельянова [и др.] // Программные системы: теория и приложения: электронный научный журнал. 2011. № 3(7). С. 3-15. [J. G. Emelyanova, et al., "Neural network technology of detection network attacks on information resource", (in Russian), in Programmnyye sistemy: teoriya i prilozheniya: electronic scientific journal, no. 3(7), pp. 3-15, 2011.]

8. Arinze N. Wireless Local Area Network (WLAN): Security Risk Assessment and Countermeasures. Blekinge Institute of Technology, 2008 [Электронный ресурс]. URL: http:// www.bth.se/fou/cuppsats.nsf/all/2cf7d7f61e47ae4ec1257514 004fce3f/$file/WLAN_Security%20Risk%20Assessment%20an d%20Countermeasures.pdf (дата обращения 12.03.2013). [N. Arinze (2013, Mar. 12). Wireless Local Area Network (WLAN): Security Risk Assessment and Countermeasures.

Blekinge Institute of Technology, 2008 [Online]. Available: http://

www.bth.se/fou/cuppsats.nsf/all/2cf7d7f61e47ae4ec1257514

004fce3f/$file/WLAN_Security%20Risk%20Assessment%20an

d%20Countermeasures.pdf]

9. WVE. Wireless Vulnerabilities and Exploits [Электронный ресурс]. URL: http://www.wve.org (дата обращения 05.10.2013). [WVE (2013, Oct. 05). Wireless Vulnerabilities and Exploits [Online]. Available: http://www.wve.org]

10. The NSL-KDD Data Set. [Электронный ресурс]. URL: http://nsl.cs.unb.ca/NSL-KDD (дата обращения 22.01.2013). [The NSL-KDD Data Set (2013, Jan. 22) [Online]. Available: http://nsl.cs.unb.ca/NSL-KDD]

11. KDD cup 99 Intrusion detection data set. [Электронный ресурс]. URL: http://kdd.ics.uci.edu/databases/ kddcup99/kddcup.data.gz (дата обращения 19.11.2011). [KDD cup 99 Intrusion detection data set (2011, Nov. 19) [Online]. Available: http://kdd.ics.uci.edu/databases/ kddcup99/kddcup.data.gz]

12. Lincoln Laboratory. DARPA Intrusion Detection Evaluation. [Электронный ресурс]. URL: http://www.ll.mit.edu/ mission/communications/cyber/CSTcorpora/ideval/docs/ attackDB.html (дата обращения 01.04.2012). [Lincoln Laboratory. DARPA Intrusion Detection Evaluation. (2012, Apr. 01) [Online]. Available: http://www.ll.mit.edu/mission/communi-cations/cyber/CSTcorpora/ideval/docs/ attackDB.html]

13. Миронов К. В., Шарабыров И. В. О применении метода опорных векторов в системах обнаружения атак // Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция: сб. тр. Т. 3. Уфа, УГАТУ, 2012. С. 28-30. [K. V. Mironov and I. V. Sharabyrov, "Application of support vector machine in intrusion detection systems", (in Russian), in Proc. of National Youth Scientific Conference "Mavlyutov readings", UGATU, vol. 3, pp. 28-30, 2012.]

14. Разработка модели обнаружения сигнатур атак на основе метода опорных векторов / В.И. Васильев [и др.] // Материалы XII Международной научно-практической конференции «Информационная безопасность-2012». Ч.1. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. С. 192-201. [V. I. Vasilyev, et al., "Development of attacks signature detection model on the base of support vector machine", in Proc. of XII International scientific and practical conference "Information Security 2012", Taganrog, 2012, vol. 1, pp. 192-201.]

15. Olusola A., Oladele A., Abosede D. Analysis of KDD '99 Intrusion Detection Dataset for Selection of Relevance Features // Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science, (San Francisco, Oct. 20-22 2010). V. 1. P. 162168. [A. Olusola, A. Oladele and D. Abosede. "Analysis of KDD '99 Intrusion Detection Dataset for Selection of Relevance Features", in Proc. of the World Congress on Engineering and Computer Science, San Francisco, 2010, vol. 1, pp. 162-168.]

16. RapidMiner Studio. [Электронный ресурс]. URL: https://rapidminer.com (дата обращения 01.09.2013). [RapidMiner Studio (2013, Sept. 01). [Online]. Available: https://rapidminer.com]

ОБ АВТОРАХ

искусственного интеллекта, защиты инф., интеллектуального упр. в сложных техн. и организационных системах.

ШАРАБЫРОВ Илья Викторович, асп. каф. выч. техн. и защиты инф. Дипл. спец. по защите инф. (УГАТУ, 2012). Готовит дисс. в обл. обнаружения атак в локальных беспроводных сетях на основе методов интеллектуального анализа данных.

METADATA

Title: Intelligent intrusion detection system in local wireless networks.

Authors: V. I. Vasilyev1, I. V. Sharabyrov2 Affiliation:

Ufa State Aviation Technical University (USATU), Russia. Email:

1 vasilyev@ugatu.ac.ru.

2 ilyashar@mail.ru. Language: Russian.

Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), V. 19, N. 4 (70), P. 95-105, 2015. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: Nowadays wireless networks, including local ones, continue to evolve rapidly. However security in these networks does not often correspond to the required level, as objects of wireless infrastructure have vulnerabilities and are susceptible to various network attacks. One of the most actual protection means from the wireless attacks are the intrusion detection systems. At the same time, due to the wide possibilities of data mining methods the task of network traffic parameters analysis for the signs of attack can be solved by application of these methods. The article provides an overview of network attacks that are relevant to local wireless networks, the proposed architecture of intrusion detection system based on data mining techniques, as well as a comparison of these methods in detecting the types of attacks mentioned above. The experimental results allow making the conclusion about the practical relevance of the proposed approach for intrusion detection in local wireless networks. Key words: Local wireless network; network attack; detection

model; data mining; signature; Wi-Fi. About authors:

VASILYEV, Vladimir Ivanovich, Prof., Head of the Dept. of Computer Engineering and Information Protection. Dipl. specialist "Industrial Electronics" (UGATU, 1970). Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 1975), Dr. of Tech. Sci. (UGATU, 1989). Researches in the field of artificial intelligence, information protection, intelligent control in complex technical and organizational systems.

SHARABYROV, Ilya Viktorovich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of Computer Engineering and Information Protection. Dipl. specialist of Information Protection (UGATU, 2012). Prepares a thesis "Intelligent intrusion detection system in local wireless networks".

ВАСИЛЬЕВ Владимир Иванович, проф., зав. каф. выч. техн. и защиты инф. Дипл. по спец. «Промышленная электроника» (УГАТУ, 1970). Д-р техн. наук (УГАТУ, 1989). Иссл. в обл.