入侵檢測系統(tǒng)，就是按照一定的安全策略對網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)視，盡可能地發(fā)現(xiàn)各種攻擊企圖、行為或者結(jié)果，以保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源的機密性、完整性和可用性。入侵檢測系統(tǒng)根據(jù)分析對象的不同，可以分為基于主機的和基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的入侵檢測系統(tǒng)。模式匹配方法[1-2] 入侵檢測系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，該方法根據(jù)預(yù)先制定的模式檢測攻擊，可以有效地發(fā)現(xiàn)已知模式的攻擊，但是不能發(fā)現(xiàn)未知模式的攻擊。
　數(shù)據(jù)挖掘，就是從大量數(shù)據(jù)中獲取有效、潛在、有用、新穎的模式的非平凡過程。將數(shù)據(jù)挖掘方法應(yīng)用在入侵檢測系統(tǒng)中[3],可以有效地挖掘出新的模式，發(fā)現(xiàn)新的攻擊。在基于主機的入侵檢測系統(tǒng)中已有很多研究，也取得了不錯的成果。常用的方法有支持向量機[4] 、隱馬爾科夫模型[5]、KNN[6]等。
　基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的入侵檢測系統(tǒng)是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包作為分析的對象，有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)變換快等特點，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘方法在應(yīng)用中往往出現(xiàn)運算時間復(fù)雜度過高,不能在有限時間內(nèi)處理完大量數(shù)據(jù)包的難題。
　從IEEE802.11協(xié)議[7] 中可以發(fā)現(xiàn)：在不同的階段，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的類型是完全不同的，如認證階段只有認證報文，認證階段結(jié)束后進入連接階段，只會出現(xiàn)連接報文，在認證階段后的任何階段都可以發(fā)生斷開認證階段等,不同的階段是相繼發(fā)生但是階段間是相互獨立的。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘方法會將不同階段的數(shù)據(jù)包統(tǒng)一分析，不僅會產(chǎn)生極大且無謂的計算量，而且不能體現(xiàn)出階段性的特點。本文提出了一種分階段K鄰居數(shù)據(jù)挖掘方法，可以有效地解決上述問題。

    該函數(shù)與節(jié)點本身的屬性和節(jié)點的內(nèi)部鄰居集有關(guān)，而且不同屬性的內(nèi)部鄰居集對節(jié)點的內(nèi)部評價值的影響力不一樣。
    (2) 階段評價函數(shù):評價節(jié)點和該節(jié)點階段鄰居特征的函數(shù)。
　
　該函數(shù)與節(jié)點的內(nèi)部評價值和節(jié)點的階段鄰居有關(guān)，而且不同的階段鄰居對節(jié)點的外部評價值的影響力不一樣。
2 KNS算法
　應(yīng)用KNS方法的前提：對象可分為一定的階段，階段之間相對獨立并且有序，同一階段中不同節(jié)點的內(nèi)部行為和階段行為應(yīng)該相似。
　在KNS算法開始之前，需要對節(jié)點的各個屬性進行篩選，選擇能夠?qū)?shù)據(jù)集分割成n個連續(xù)的階段的屬性作為階段屬性，如果有幾個屬性都可以作為階段屬性，則選擇其中分割的最均勻的屬性作為階段屬性。
　KNS方法可分為學(xué)習(xí)算法和測試算法兩部分。
    
    首先通過對樣本數(shù)據(jù)集的學(xué)習(xí)，調(diào)整內(nèi)部影響權(quán)值w[k]和階段影響權(quán)值sc[n,n]。調(diào)整算法可以用自適應(yīng)濾波LMS(Least-Mean-Square)學(xué)習(xí)算法等，由此得到階段對照評價集U[n]。然后輸入待測數(shù)據(jù)集，計算每個節(jié)點s的內(nèi)部評價值W(s)并最終得到階段評價值Sc(s)。將Sc(s)與該階段的對照評價集U[j]比較，并將Sc(s)偏離U[j]的程度作為判斷結(jié)果的依據(jù)輸出。
　KNS學(xué)習(xí)算法是先通過樣本數(shù)據(jù)集中的每個節(jié)點找到內(nèi)部鄰居集和階段鄰居集，然后計算所有節(jié)點的內(nèi)部評價值W和階段評價值Sc并將Sc加入到評分集U[j]中,通過調(diào)整w[k]和sc[n,n]的值，逐步縮小U[j]的范圍，最終輸出U[j]作為KNS測試算法的對照評價集。
   (2)KNS測試算法
   Input w[k], sc[n][n]; U[n];
   Input  target data set S；
   foreach s in S
           Switch(s(y))
                  Set s in section Mj ;
           searchNeighbor(s, Mj);
           for Mk before and after Mj
                  searchNeighbor(s, Mk);
        compute W(s) Sc(s)
        get distance(Sc(s) U[j] );
        answer(s)=tooFar(Sc(s),U[j]);
        output answer;
    KNS測試算法比學(xué)習(xí)算法簡單很多，只需在每個節(jié)點進入時，設(shè)置為相應(yīng)的階段并為它找到內(nèi)部鄰居和階段鄰居，然后計算出內(nèi)部評價值W和階段評價值Sc，最后將Sc與該階段對照評價集U[j]比較，輸出比較結(jié)果。
   綜上所述，KNS方法整個流程如圖1所示。

3 基于WLAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的入侵檢測
    無線局域網(wǎng)(WLAN)使用過程如圖2所示。

    每個終端(STA)在連接并使用WLAN的過程都可以按照圖2流程分為5個階段，不同階段中所涉及的數(shù)據(jù)包的類型也是完全不同的，并且每個階段內(nèi)的數(shù)據(jù)包類型都是有限的，如網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段數(shù)據(jù)包的類型有Beacon、Probe Request和Probe Response三種，認證階段只有Authentication一種等。這是滿足分階段K鄰居方法應(yīng)用的前提。
    在實驗中，每個獨立的包作為一個節(jié)點，數(shù)據(jù)包里的各個項的值作為該節(jié)點的屬性。將上述階段再次按照不同的數(shù)據(jù)包類型分成更小的階段，每個階段中只包含一種類型的數(shù)據(jù)包，同時將源地址和目的地址作為判斷是否階段鄰居的屬性依據(jù)。同類數(shù)據(jù)包中的其他屬性作為該階段的內(nèi)部屬性。
    實驗中，先收集一定量的安全環(huán)境下的數(shù)據(jù)包，作為樣本集合進行KNS學(xué)習(xí)，然后再將結(jié)果用于入侵檢測，并將階段評價函數(shù)的偏離程度作為判斷是否有入侵的依據(jù)。
    實驗使用的評價函數(shù)有：
 
4 實驗結(jié)果及分析
　在實驗室環(huán)境下進行攻擊和檢測。實驗分別用KNS方法和HMM方法進行。
    (1) KNS方法
    KNS方法檢測結(jié)果如表1所示。

    由表1可以發(fā)現(xiàn)，KNS方法可以在較高檢測率的情況下保持較低的誤報率。但是對于Probe Request 類型的攻擊，由于STA Probe的比較沒有規(guī)律，STA可以在任何時候發(fā)出Probe Request并可以持續(xù)任意長的時間,然后在任何時間結(jié)束Probe,即開始認證或離開WLAN(Probe Response也是類似)。對于這種類型的攻擊，階段K方法盡管可以有著很高的檢測率,但是也有著較高的誤報率。而對于Beacon Flood、Spoof Authentication和Spoof Association這幾種攻擊，不但有很高的檢測率同時也有較低的誤報率。
    (2) HMM方法
    實驗采用滑動窗口HMM模型，將WLAN數(shù)據(jù)包MAC頭部的二進制碼作為分析對象，取窗口大小為7，得到結(jié)果如表2所示。

    對比表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，對于不同的攻擊類型，兩種方法的誤報率有高有低。但是總體而言，KNS方法的檢測率基本都高于HMM方法
    (3) 運算效率
    采用KNS方法和HMM方法處理2 000個~20 000個數(shù)據(jù)包所用的時間如圖3所示。由圖可知，KNS方法處理包的平均速度是HMM方法的2.5倍，說明KNS方法有著快速處理大量實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的能力。

    本文提出了一種可以體現(xiàn)對象階段性特點的數(shù)據(jù)挖掘KNS模型。該方法將待測對象按照階段不同分為若干階段，然后分別對階段內(nèi)部鄰居和階段鄰居的相關(guān)屬性進行統(tǒng)計挖掘。如果待測對象滿足兩個條件：(1)可分為互相獨立且有序的階段； (2)同一階段中不同節(jié)點的內(nèi)部行為和階段行為是相似的,則可以應(yīng)用該模型。此外，還實驗了KNS方法在基于WLAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的入侵檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用，并將結(jié)果與HMM方法的結(jié)果進行了對比，可以發(fā)現(xiàn)在檢測率和誤報率相當?shù)那闆r下，KNS方法運算效率高,可以在實時檢測中很好地應(yīng)用。
    在研究過程中發(fā)現(xiàn)，目前的KNS方法還存在許多不足，如階段內(nèi)部評價函數(shù)以及階段評價函數(shù)的設(shè)定還有有待改進，當前的函數(shù)略顯復(fù)雜，后續(xù)工作只需要找到可以反映階段特點的更簡單的函數(shù)，就可以進一步改進KNS算法的計算速度。
參考文獻
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