沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院　張丹丹　李愛華　黃訓(xùn)華

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基于BP算法的Web攻擊溯源技術(shù)研究

沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院張丹丹李愛華黃訓(xùn)華

研究Web攻擊源追蹤技術(shù)，采用BP算法對基本包標(biāo)記提出改進(jìn)策略，設(shè)計溯源方案?；贜S2仿真平臺進(jìn)行測試，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，仿真實現(xiàn)了基于BP算法對Web攻擊源的追蹤，滿足了溯源速度快和溯源準(zhǔn)確性高的要求。

Web攻擊；BP算法；IP溯源；NS2仿真

隨著業(yè)務(wù)系統(tǒng)越來越多的采用基于Web服務(wù)方式，針對Web業(yè)務(wù)的攻擊迅速增長，嚴(yán)重威脅了網(wǎng)絡(luò)安全［1］。在IP追蹤技術(shù)發(fā)展的過程中，主要出現(xiàn)了包標(biāo)記、鏈路測試、路由日志等方法，Savage等人于2001年首先提出了概率包標(biāo)記算法，他們提出的節(jié)點采樣、邊采樣和分段標(biāo)記算法被廣泛應(yīng)用于隨之出現(xiàn)的各種優(yōu)化方案中。

1　Web攻擊概述

1.1Web攻擊分類

Web攻擊可以分為三類：一是利用Web服務(wù)器的漏洞進(jìn)行攻擊；二是利用網(wǎng)頁自身的安全漏洞進(jìn)行攻擊；三是利用僵尸網(wǎng)絡(luò)的分布式 DoS 攻擊。

1.2SQL注入

SQL注入是針對應(yīng)用程序中的漏洞，利用SQL語法，當(dāng)攻擊者操作數(shù)據(jù)時，向應(yīng)用程序中插入一些SQL語句，欺騙數(shù)據(jù)庫服務(wù)器執(zhí)行非法授權(quán)的任意查詢，篡改和命令執(zhí)行［4-5］。

1.3（D）DoS攻擊

DoS攻擊是指故意攻擊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)的缺陷或直接通過野蠻手段殘忍地耗盡被攻擊對象的資源，使目標(biāo)系統(tǒng)服務(wù)系統(tǒng)停止響應(yīng)甚至崩潰。

隨著計算機(jī)的處理能力增強(qiáng)，出現(xiàn)了DDoS攻擊［3，6］，這是一種特殊的DoS攻擊，具有極高的隱蔽性和極強(qiáng)的破壞性［7-9］。在本文中，將DDoS攻擊作為實驗仿真的對象。

2　Web攻擊中的IP溯源技術(shù)

IP溯源技術(shù)主要是在路由器的幫助下回溯出包經(jīng)過的路徑或包的源地址。

在IP溯源發(fā)展中，有很多技術(shù)，但是其中的很多方法，受到很多因素的限制，未能成為IP溯源的主流方法，而包標(biāo)記法具備事后追蹤，帶內(nèi)傳輸?shù)膬?yōu)勢，是當(dāng)前的研究重點。

3　基于BP算法的IP溯源技術(shù)研究

針對上述問題，本文提出解決方案，采用BP算法，對攻擊包進(jìn)行初步檢測，基于包標(biāo)記算法進(jìn)行改進(jìn)，有效IP溯源，重構(gòu)攻擊路徑。

3.1BP算法分析

BP 網(wǎng)絡(luò)是反向傳播（Back Propagation）網(wǎng)絡(luò)［12-13］。BP算法是目前較為成熟的應(yīng)用在前饋多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的學(xué)習(xí)算法，采用最小均方差學(xué)習(xí)方式。

3.2基于BP算法的SQL注入攻擊追蹤

該算法利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)的能力，通過對權(quán)值的不斷調(diào)整，對其訓(xùn)練，使其從合法站點頁面和以往SQL注入后的頁面進(jìn)行比較，總結(jié)出敏感特征的正常狀態(tài)模型，作為敏感特征異常檢測的模型。

3.2.1包標(biāo)記算法描述

概率包標(biāo)記是指路由器以某種概率將部分路徑信息標(biāo)記在通過此路由器的數(shù)據(jù)包中，受害者可以根據(jù)所獲IP地址的頻率對這些路由器進(jìn)行排序，重構(gòu)攻擊路徑。

在標(biāo)記過程中，標(biāo)記空間的設(shè)置很重要，特別是針對偽造源信息，要有所作用。此外，選取最合適的概率同樣重要，設(shè)概率為d，那么任意距離的路由器是最后一個標(biāo)記數(shù)據(jù)包的概率為1/d，受害者重構(gòu)路徑所需的數(shù)據(jù)包最少［16-17］。

3.2.2包標(biāo)記策略的改進(jìn)

（1）設(shè)計BP算法模型，對SQL注入攻擊進(jìn)行初步檢測。

輸入層節(jié)點個數(shù)為SQL注入攻擊時，提取的異常特征向量的個數(shù)。輸出層節(jié)點個數(shù)為1，輸出0～1之間的實數(shù)，表示被檢查頁面的異常度。計算隱藏層節(jié)點個數(shù)的公式：

其中Nh為隱藏節(jié)點個數(shù)，Ni為輸入層節(jié)點數(shù)，No為輸出層節(jié)點數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出ep是0～1的模糊數(shù)，輸出值越接近1，異常程度越大。當(dāng)值越接近0，可認(rèn)為是正常頁面，沒有SQL注入攻擊。

（2）設(shè)計標(biāo)記空間。

使用IP包頭中未被使用的域來記錄路由信息。在本文中，使用Identification域（16位）、標(biāo)志域（1位）以及TTL域（5位），共使用25位。將32位的IP地址分為兩片，將任意一片放在16位的Identification域，標(biāo)志域的第一位用來標(biāo)識分片的偏移：1表示該分片是地址的高16位，0表示是地址的低16位。使用TOS域的最后1位用來表示數(shù)據(jù)包標(biāo)記的狀態(tài)：0表示未被標(biāo)記，1表示已被標(biāo)記。

（3）標(biāo)記概率的選擇。

采用數(shù)據(jù)包中的TTL值代替包標(biāo)記方法中的Distance域。

設(shè)路由器Ri對數(shù)據(jù)包的標(biāo)記概率為為Pi。

取P1=1，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)R2時，P2=d0=1/2；當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)R3時，

由前文知道，當(dāng)Pd=1/d時，路徑重構(gòu)所需的數(shù)據(jù)包的數(shù)量最少，將其帶入（2） （3） （4）公式，得：

d0=1/2=0.5，d1=1/6≈0.1667，d2=1/10=0.1，d3=19/270≈0.07，d4=27/502≈0.054，d5=863/19950≈0.043......如果，攻擊者對數(shù)據(jù)包中的信息進(jìn)行偽造，那么數(shù)據(jù)包中的距離域會設(shè)置很大，使得后面路由器標(biāo)記數(shù)據(jù)包的概率變得很小，增加了溯源的不確定性［17-18］。所以在概率變的很小之前，選擇一個合適的概率，為0.04-0.05，本文概率取值為0.04。

（4）路徑重構(gòu)。

從距離受害者1跳的路由器開始，將所有距離域d值相同的數(shù)據(jù)包按照offset的不同值分成8個集合，用n表示哈希函數(shù)的編號，取0，1，2，3，4，5，6，7。從d=0開始，攻擊路徑上到受害者距離為d的節(jié)點的每個上游路由器R，進(jìn)行哈希運算。如果8個分片的哈希運算結(jié)果屬于（d，n），那么將此路由器R計入到受害者距離為d+1處，并作為到受害者d處的一條邊。依次處理，直到d為最大值而不能繼續(xù)。

4　仿真結(jié)果及其分析

利用NS2對DDoS攻擊進(jìn)行模擬，得到關(guān)于收斂速度和精確度兩方面的結(jié)果。

（1）收斂速度。

對于不同路徑，分別模擬基本包標(biāo)記和本文改進(jìn)的概率包標(biāo)記的過程，多次模擬再取平均值。

在本文中，p=0.04。

重構(gòu)路徑需要的包數(shù)量（平均值）

由上面實驗數(shù)據(jù)可得：在本文提出的改進(jìn)方案中，重構(gòu)路徑所需的數(shù)

據(jù)包數(shù)目只需要基本數(shù)據(jù)包的約1/4左右，達(dá)到了比較理想的收斂效果。

（2）準(zhǔn)確率。

假設(shè)在距離受害者d處，已經(jīng)得到k個路由器，其上游的路由器的數(shù)量為m個，對于任意一個32位的組合數(shù)，通過哈希檢驗的概率約為，在本文算法中的，誤報數(shù)約為，基本包標(biāo)記的誤報數(shù)為，我們得到，準(zhǔn)確率得到提高。

6　結(jié)束語

針對常見的Web攻擊，采用BP算法對攻擊包進(jìn)行初步檢測，在基本包標(biāo)記算法基礎(chǔ)上進(jìn)行包頭編碼優(yōu)化，并在NS2仿真測試。結(jié)果顯示，基于BP算法的IP溯源技術(shù)，在理論方面具有高效、誤差較小、路由負(fù)載得到有效減輕等優(yōu)勢。

由于本文提出的溯源方案，只是在網(wǎng)絡(luò)虛擬平臺上進(jìn)行實驗，且可供參考的理論文獻(xiàn)數(shù)量有限，在實際Web攻擊中，該方案需要進(jìn)一步改善。

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