Например, Бобцов

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ В СЕТЕВЫХ СИСТЕМАХ ОБНАРУЖЕНИЯ ВТОРЖЕНИЙ

34 А. В. Гирик
УДК 004.056, 519.812.3
А. В. ГИРИК
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
В СЕТЕВЫХ СИСТЕМАХ ОБНАРУЖЕНИЯ ВТОРЖЕНИЙ
Рассматриваются вопросы разработки математических моделей для сетевых систем обнаружения вторжений. Предложен метод обнаружения сетевых аномалий на основе многокритериального прогнозирования показателей безопасности. Поставлена и решена задача расчета весовых коэффициентов, учитывающих значимость моделей прогнозирования, которая может изменяться с течением времени. Предложенный подход обладает малой вычислительной сложностью и не зависит от характера критериев выбора прогнозов. Ключевые слова: обнаружение вторжений, обнаружение сетевых аномалий, сетевая безопасность, многокритериальное прогнозирование.
Широкое распространение разнообразных информационных систем и расширение набора услуг, предоставляемых клиентам этих систем, обусловили увеличение количества информационных угроз безопасности сетей передачи данных. В связи с этим обеспечение своевременного выявления и идентификации угроз нарушения информационной безопасности является актуальной и важной проблемой. Как правило, она решается с помощью специального программного комплекса — распределенной системы обнаружения вторжений (Intrusion Detection System — IDS), которая осуществляет [1] мониторинг потоков данных в сети, анализ этих данных и выявление в анализируемых потоках данных признаков информационных угроз безопасности.
По принципу функционирования системы обнаружения вторжений делятся на два класса — выполняющие сигнатурный анализ и анализирующие статистику показателей безопасности. Особый интерес представляет обнаружение угроз безопасности сети в целом, так как последствия перегрузок, распределенных DoS-атак и других угроз, направленных на дестаби-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 5

Применение методов прогнозирования в сетевых системах обнаружения вторжений 35

лизацию функционирования сети, приводят к значительным материальным потерям [1].

В общем случае угрозой можно считать аномальное поведение любого из наблюдаемых пока-

зателей безопасности. На практике показатели объединяют в группы и считают аномалию

достоверно обнаруженной в случае, если поведение каждого показателя в группе идентифи-

цировано как отклонение от нормального профиля сверх некоторого предельного значения.

Метод обнаружения сетевых аномалий в режиме реального времени заключается в сле-

дующем: выполняется мониторинг некоторого показателя безопасности, затем на основе на-

копленных данных строится прогноз, т.е. рассчитывается, какие значения показатель примет

в ближайшее время, после чего прогноз сравнивается с реальными значениями показателя и

на основании определенных критериев (в первую очередь, величины ошибки прогноза) при-

нимается решение о наличии аномалии.

Эффективность метода зависит от точности прогноза. При решении задач обнаружения се-

тевых аномалий (в отличие, например, от задач планирования инфраструктуры) существует по-

требность в получении точных прогнозов с относительно небольшим горизонтом [2]. Для повы-

шения точности прогноза предлагается одновременно использовать несколько моделей прогнози-

рования. В зависимости от времени и других факторов степень корректности моделей может из-

меняться, поэтому при формировании обобщенного прогноза необходимо определить степень

значимости модели. Таким образом, приходим к задаче выбора весовых коэффициентов, учиты-

вающих значимость модели, т.е. определение вклада, который вносит та или иная модель прогно-

зирования (тот или иной ее компонент) в формирование прогноза на очередном шаге.

Сформулированные задачи будем решать как задачи многокритериальной оптимизации

[3]. Пусть имеется совокупность моделей прогнозирования Zk , k =1, 2, ..., N , которые обеспе-

чивают формирование прогнозов с некоторым горизонтом h (т.е. на h отсчетов вперед). Сте-

пень соответствия совокупности прогнозов X j , j =1, 2, ..., N , реальным значениям параметра

X определяется с помощью семейства критериев Q ={Q1, Q2 , ..., QS } , которое содержит S ча-

стных критериев. Будем считать, что каждый критерий Qi ( X j )∈[0,1] , иными словами, значе-

ние каждого частного критерия есть величина из интервала [0,1], причем „0“ означает полное

несовпадение по данному критерию, а „1“ соответствует полному совпадению. Таким обра-

зом, частные критерии нормализованы и приведены к безразмерному виду. В этом случае

нужно обеспечить Qi ( X j ) → max для всех j.

Как правило, многокритериальная задача сводится к однокритериальной путем введе-

ния обобщенного критерия оптимальности F, который может быть аддитивной, мультипли-

кативной или среднестепенной функцией частных критериев [4]. В простейшем случае мож-

но считать, что все критерии обладают одинаковой значимостью. На практике, тем не менее,

часто оказывается так, что в зависимости от времени и от исходных данных степень значимо-

сти критериев может изменяться. В этом случае каждому критерию ставится в соответствие

весовой коэффициент, отражающий его значимость. Для определения значений коэффициен-

тов используются различные методы, например диалоговый метод задания коэффициентов, в

общем случае предполагающий, что лицо, принимающее решение, предоставит достаточные

для расчета коэффициентов сведения [5]. Другой подход заключается в вычислении значений

коэффициентов исходя из качественных характеристик критериев, например чувствительно-

сти. Будем считать, что частные критерии качественно соизмеримы между собой.

Введем

следующие

обозначения:

Qiopt

= max
j

Qi

(X

j

)



оптимальное

значение

i-го

кри-

терия для совокупности прогнозов

X j,

j =1, 2, ..., N ;

X

opt i

=

arg

max
j

Qi

(

X

j)

— решение (про-

гноз), оптимальное по i-му критерию. Рассмотрим меру

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 5

36 А. В. Гирик

Cil

=

Qiopt



Qi

(

X

opt l

)

Qiopt

,

которая определяет относительное отклонение оптимального значения i-го критерия от зна-

чения i-го критерия, полученного для оптимального решения по l-му критерию, i,l =1, 2, ..., S .

Для всех возможных значений i и l построим матрицу из элементов Cil .

По значениям Cil можно судить о том, насколько чувствительным к решениям X j яв-

ляется i-й критерий: для этого нужно проанализировать соответствующий столбец матрицы.

Вычислим разность между максимальным и минимальным элементами всех столбцов и

сформируем

вектор

VT

= (v1, v2 , ..., vS ) ,

где

vi

=

max
l

Cil

− min
l

Cil

.

Весовые

коэффициенты

оп-

ределяются как вектор WT = (w1, w2 , ..., wS ) , где

∑wk = vi

⎛ ⎜⎝⎜

S t =1

vt

⎞ ⎟⎠⎟

.

Таким образом, определим обобщенный критерий оптимальности для решения X j в

аддитивной форме:

S
∑F ( X j ) = wiQi (X j ) , i=1

(1)

тогда оптимальное решение будет найдено как

X opt

=

arg

max
j

F

(

X

j

)

.

Если с течением времени предпочтения, определяющие выбор моделей, изменяются, то

весовые коэффициенты для моделей прогнозирования могут быть рассчитаны с учетом дина-

мики изменения значений обобщенного критерия. Рассчитаем эти значения для каждой из N

моделей и последних M прогнозов. В результате получим матрицу F , состоящую из элемен-

тов Fkj , где Fkj — значение обобщенного критерия, рассчитанного с использованием форму-

лы (1) для k-й модели прогнозирования и прогноза X kj , j =1, ..., M , k =1, ..., N . Рассчитаем

весовые коэффициенты uk для моделей следующим образом. Пусть α∈[0,1] — некоторая

M
∑константа, pk = αM − j+1Fij , тогда j=1

∑uk = pk

⎛ ⎜⎝⎜

N l =1

pl

⎞ ⎠⎟⎟

.

Матрица F переформировывается по мере получения реальных значений параметров

таким образом, чтобы значения коэффициентов отражали относительный вклад той или иной

модели на очередном шаге. Если Zk (t) — k-я модель прогнозирования, то обобщенная модель процесса может быть представлена в виде

N

∑X (t) = uk Zk (t) .

(2)

k =1

Для расчета процесса с помощью выражения (2) необходимо заполнить матрицу F , т.е.

нужно, чтобы модели были настроены на обучающей выборке, составляющей, по меньшей

мере, M прогнозов.

Рассмотренный в настоящей статье подход, основанный на сравнении оперативных про-

гнозов показателей безопасности с их нормальным профилем, позволяет обеспечить повы-

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 5

Применение методов прогнозирования в сетевых системах обнаружения вторжений 37
шение точности обнаружения сетевых аномалий. Необходимо также отметить, что при защите сети следует ориентироваться не только на известные в настоящее время, но и на возможные угрозы, и, кроме того, учитывать особенности поведения показателей безопасности в конкретном сетевом окружении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лукацкий А. В. Системы обнаружения атак // Сетевой. 2002. № 4. С. 45—48.

2. Будько М. Б., Будько М. Ю., Гирик А. В. Применение авторегрессионного интегрированного скользящего среднего в алгоритмах управления перегрузками протоколов передачи потоковых данных // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2007. № 39. C. 319—323.

3. Рыков А. С. Методы системного анализа: многокритериальная и нечеткая оптимизация, моделирование и экспертные оценки. М.: Экономика, 1999. 191 с.

4. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: Спец. справочник. СПб.: Питер, 2001. 752 с.

5. Жигулин Г. П., Серебров А. И., Яковлев А. Д. Прогнозирование устойчивости и функционирования объектов с использованием теории игр и исследования операций. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004. 204 с.

Алексей Валерьевич Гирик

Сведения об авторе — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информа-
ционных технологий, механики и оптики, кафедра мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций; E-mail: alexei.guirik@googlemail.com

Рекомендована кафедрой мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций

Поступила в редакцию 25.04.08 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 5