面向信息安全的高速數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、第25卷第12期2008年12月計算機應(yīng)用與軟件Computer Applications and SoftwareV01.25No.12Dec.2008面向信息安全的高速數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)李冬1薛一波21(蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汀蘇蘇州2100092(清華大學(xué)信息技術(shù)研究院網(wǎng)絡(luò)安全實驗室北京100084摘要隨著信息安全領(lǐng)域研究和應(yīng)用的深入,網(wǎng)絡(luò)行為和流量分析等應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)流的處理提出了更高的要求。從數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)的角度重新詮釋了網(wǎng)絡(luò)流分析,設(shè)計并實現(xiàn)了一個能夠匹配千兆網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)IS.DSMS(Data Stream ManagementSystem for Informat

2、ion Security。系統(tǒng)利用了采樣技術(shù)、概要技術(shù)、滑動窗口等技術(shù)對常用的五類聚合查詢進行了優(yōu)化。實驗證明,系統(tǒng)具備千兆網(wǎng)絡(luò)條件下實際使用的性能,可作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流實時查詢和統(tǒng)計分析引擎,為入侵檢測、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等系統(tǒng)提供高速有效的支持。關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)聚合查詢THE DESIGN AND IMPLEMENTATIoN oF INFoRMATIoN SECURITY-oR砸NTEDHIGH DATA STREAM MANAGEMENT SYSTEMLi Don91Xue Yib027(Swhou Institute ofCommerce and Trade,Suzhou210009,Jian

3、gsu,China2tNetwork.Security Lab,FlT,Tsinghua University。8ebi鴨100084,ChinaAbstract Network applications such as network behaviour and traffic analysis,etc.,have raised higher demands for handling the network stream along with the deepened research and application in information security fields.Stream

4、 analysis was re-characterized in terms of datastream management system,and the Data Stream Management System for Information Security(ISDSMSwhich could fit thegigabyte network was designed and implemented.The technologies of sample,synopsis and sliding windows were adopted to optimize five common a

5、ggregated queries in the system.The test experiments have proved that it has practical performance in gigabyte network condition and can be used as the realtime en西ne to query and make statistic of the network data flow.Meanwhile,it may provide a high and effective support to network invasion and ne

6、twork monitoring.Keywords Date stream management Aggregate query0引言互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)二十年來發(fā)展十分迅速,已經(jīng)融入到人們的日常生活當(dāng)中。隨著基于網(wǎng)絡(luò)的各類應(yīng)用的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,越設(shè)備和終端設(shè)備獲得處理。其中典型的應(yīng)用包括金融數(shù)據(jù)處理、股市交易數(shù)據(jù)處理、傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)日志處理等。針對上述流數(shù)據(jù),應(yīng)用系統(tǒng)的要求往往是以查詢?yōu)橹行?即針對特定的查詢計劃,要求系統(tǒng)能夠做到對流數(shù)據(jù)連續(xù)不問斷地查詢處理,甚至要求實時的連續(xù)查詢。為了更好地解決這類數(shù)據(jù)的查詢問題,數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)DSMS(Data Streams Management Sy

7、stem應(yīng)運而生。這類系統(tǒng)提供給用戶新的查詢檢索方式,并提供靈活的配置,既可以管理常規(guī)的關(guān)系型數(shù)據(jù),又可以處理持續(xù)的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流查詢系統(tǒng)在很多方面已經(jīng)發(fā)揮了越來越重要的作用。在信息安全應(yīng)用中,數(shù)據(jù)流查詢系統(tǒng)也得到了一定的應(yīng)用。但網(wǎng)絡(luò)寬帶的快速發(fā)展給內(nèi)部機制原本就復(fù)雜的數(shù)據(jù)流查詢系統(tǒng)帶來了性能上的挑戰(zhàn)。本文的主要研究內(nèi)容是設(shè)計并實現(xiàn)一個能夠適用于千,I;網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的高速數(shù)據(jù)流查詢系統(tǒng)IsDSMS。ISDSMS提供了對網(wǎng)絡(luò)流數(shù)據(jù)類型高效、靈活的流查詢統(tǒng)計分析功能,可以作為數(shù)據(jù)流實時查詢和處理的引擎,為入侵檢測和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控提供有效的支持;對于提高網(wǎng)絡(luò)行為分析水平和事件監(jiān)控效率具有重大意義。本文致力于將

8、數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)中,國內(nèi)外在這方面的研究剛剛起步。最早將數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)中的應(yīng)用是斯坦福大學(xué)的Shivnath Babu,2005年他的博士論文中,利用數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)中的查詢計劃替代入侵檢測系統(tǒng)中的特征,從而將數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)作為引擎實現(xiàn)了一個入侵檢測系統(tǒng)。1996年Bell實驗室的Mark Sullivan提出的Tribeca流數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)H應(yīng)用在了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方面,為面向數(shù)收稿開期:20080303。李冬,副教授,主研領(lǐng)域:計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù),分布式控制等。第12期李冬等:面向信息安全的高速數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)269據(jù)流的應(yīng)用設(shè)計了查詢語言和有限的查詢操作。在此

9、之后,中科院計算所的譚建龍?zhí)岢隽祟愃芐hivnath Babu想法“,并實現(xiàn)了相關(guān)系統(tǒng)?？偟膩碚f,將數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全的嘗試剛剛開始,目前國內(nèi)外都處于試驗階段,還沒有形成統(tǒng)一的認識。在數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)方面,國外許多大學(xué)和研究機構(gòu)開展了大量的研究工作。國內(nèi)對數(shù)據(jù)流管理的研究起步比較晚,且大部分是研究數(shù)據(jù)流挖掘,只有少數(shù)研究數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)。國外比較著名的流數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)相關(guān)的研究工作包括:1992年的Tapestry系統(tǒng)"o,該系統(tǒng)首次提出連續(xù)查詢的概念。系統(tǒng)設(shè)計的初衷是用于電子郵件和電子公告牌系統(tǒng)信息的過濾。Oregon Graduate Institute和Wisconsin大

10、學(xué)共同開發(fā)的NiagaraCQ系統(tǒng)”J支持連續(xù)查詢,能支持監(jiān)視整個廣域網(wǎng)絡(luò)上持久穩(wěn)定的數(shù)據(jù)集。布朗大學(xué)的Aurora系統(tǒng)一1,它以一個觸發(fā)器網(wǎng)絡(luò)作為核心,主要用來處理流式監(jiān)控。UC-Berkeley的TelegraphCQ系統(tǒng)【81列主要應(yīng)用在傳感器網(wǎng)絡(luò)上,它由前端、共享存儲區(qū)和后端共同組成,實際的查詢處理在TelegraphCQ的后端進行。對數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)的研究從特定應(yīng)用開始,逐漸過渡到通用方向,即設(shè)計能夠適用于任何方向的通用數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)。這類系統(tǒng)主要的代表是斯坦福大學(xué)的STREAM。斯坦福大學(xué)的STREAM系統(tǒng)¨山。是一個基于關(guān)系的通用數(shù)據(jù)流管理原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計了一種通用的

11、流查詢語言CQL(Continuous Query Language,它以SQL語言為基礎(chǔ),增加了對流的操作和窗口控制,是SQL的超集。系統(tǒng)接受用戶注冊的查詢并將其編譯成為查詢計劃,保持運行直到查詢失效。STREAM主要解決在內(nèi)存有限的情況下,如何擴展查詢語言、高效的執(zhí)行查詢以及如何進行近似查詢等問題,具有良好的連續(xù)查詢能力。本文設(shè)計的Is.DSMS系統(tǒng),借鑒了STREAM的原型系統(tǒng)和文獻14,15的思想。并對一些關(guān)鍵技術(shù)進行了相應(yīng)的改進,目的是使系統(tǒng)的整體性能適用于干兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。2IS-DSMS設(shè)計2.1設(shè)計目的IS.DSMS設(shè)計的目的是為千兆網(wǎng)絡(luò)提供一個實用的數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)引擎。該系統(tǒng)主

12、要分成三個部分:流數(shù)據(jù)XML輸入接口、數(shù)據(jù)流查詢核心和查詢注冊客戶端。流數(shù)據(jù)輸入接口是一個可配置的對外接口,采用XML語法設(shè)計,可以與其他的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)中關(guān)鍵層次對接,實現(xiàn)嵌入其他系統(tǒng)的目的;數(shù)據(jù)流查詢核心是數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)的核心部分,主要負責(zé)對流數(shù)據(jù)進行處理,它的結(jié)構(gòu)決定了整個系統(tǒng)的性能;查詢注冊客戶端是IsDSMS的管理界面,它為用戶提供了管理整個系統(tǒng)的接口,并獲得查詢和處理結(jié)果的輸出。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。|r=j圈一一H圓|斟ll l l i圖下豳l圖1IS.DSMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圈在ISDSMS流數(shù)據(jù)輸入接口中,用戶可以定制XML語法將IS.DSMS融入到應(yīng)用系統(tǒng)中。例如在人侵檢測系統(tǒng)中,X

13、ML定義的接口可以使ISDSMS接入包分類模塊之后、或者流重組模塊之后,甚至特征匹配模塊之后。而原系統(tǒng)需要的改造是將數(shù)據(jù)打包成XML格式,形成ISDSMS能夠接受的元組形式。用戶的另外一部分工作是在ISDSMS的查詢注冊客戶端中完成的。這部分工作主要包括數(shù)據(jù)流選擇、查詢注冊、查詢控制和分析輸出結(jié)果等。此外,系統(tǒng)運行的一些參數(shù)需要通過該客戶端中注冊。ISDSMS的數(shù)據(jù)流查詢核心在接到客戶端注冊的查詢及分析開始命令之后,開始監(jiān)視從流數(shù)據(jù)輸入接口中流入的XML形式的元組。對到來的元組,該部分進行處理,并將結(jié)果輸出到客戶端。ISDSMS流查詢子系統(tǒng)還可以生成概要。2.2流查詢處理機制IS-DSMS是基

14、于STREAM系統(tǒng)實現(xiàn)的,為此,其查詢注冊通過關(guān)系型描述查詢語言CQL1實現(xiàn)。IS.DSMS的數(shù)據(jù)流查詢核心中的PRE(PaRser Element模塊對用戶注冊的CQL語句查詢進行解析,經(jīng)過一系列的中間語言轉(zhuǎn)換。輸出可實際運行的查詢計劃,該查詢計劃中包含各種優(yōu)化策略,可以指導(dǎo)執(zhí)行模塊優(yōu)化的執(zhí)行查詢操作。PRE模塊的工作流程如圖2所示。查詢經(jīng)過四個階段變成可知道執(zhí)行模塊執(zhí)行的計劃,分別是:語法解析部分、語義解析部分、邏輯計劃生成和物理計劃生成。語法解析部分的主要工作是將輸入的查詢CQL語句轉(zhuǎn)換成語法樹,利用語法樹為語義分析作準(zhǔn)備。語義解析部分主要是將語法樹轉(zhuǎn)換成內(nèi)部查詢表示。內(nèi)部查詢表示是一種

15、粗粒度的查詢表示。邏輯計劃生成部分主要將查詢轉(zhuǎn)換成內(nèi)部可執(zhí)行的計劃。在這一層次,邏輯計劃的基本操作類似關(guān)系運算符,是CQL相關(guān)的,它與執(zhí)行查詢時的實際操作無關(guān),僅僅是用來作性能提升和變換的一個中間環(huán)節(jié)表示,是一種功能上的體現(xiàn)。通過這個層次的解析,查詢計劃變成了邏輯上可執(zhí)行的操作a圖2PRE模塊工作流程物理計劃的基礎(chǔ)是基本的物理操作,即可執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它分別對應(yīng)IS-DSMS中執(zhí)行模塊的各個功能。該計劃統(tǒng)籌各功能,形成一個統(tǒng)一的整體,實現(xiàn)查詢功能。這個過程類似于軟件的編譯器,優(yōu)化步驟貫穿始終。在邏輯計劃層,多查詢之間的冗余操作可以被優(yōu)化去掉。在物理層次,可共用的執(zhí)行模塊也被共用。經(jīng)過上述過程,

16、查詢計劃可以被隱式的合并優(yōu)化,存儲空間可以共享。可執(zhí)行的物理查詢計劃生成后,查詢需要的各類實際資源的數(shù)量和順序都被確定,如存儲空間數(shù)量、隊列數(shù)量、隊列擺放、算術(shù)和邏輯操作數(shù)量和位置等。IS.DSMS數(shù)據(jù)流查詢核心中的執(zhí)行模塊負責(zé)按照查詢計劃,依次實現(xiàn)各個實際功能單元。在模塊中存在一個全局的調(diào)度器,它使用Round Robin策略來調(diào)度這些單元,每個單元被分配特定的時間片實現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行。經(jīng)過分析,我們認為,提高數(shù)據(jù)流查詢系統(tǒng)查詢性能的關(guān)鍵是提高其中的積累基本操作的實現(xiàn)。主要是五類聚合查詢COUNT、270計算機應(yīng)用與軟件2008益SUM、MAX、MIN和AVG。我們可以對其中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行簡化并增

17、加并行處理的能力,同時采用采樣等技術(shù)使五類聚合查詢的執(zhí)行速度得到明顯的提升。IS-DSMS的這類優(yōu)化對于該系統(tǒng)在信息安全中的應(yīng)用極具意義。概要技術(shù)主要對整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的內(nèi)容做精簡版本的保存,既可以形成歷史數(shù)據(jù)便于后期的統(tǒng)計和分析,也可以作為近似查詢的一個方法,在對精確性要求不高時可以直接在概要上執(zhí)行查詢。IS.DSMS中的概要是用戶可控的。流查詢子系統(tǒng)中的概要模塊負責(zé)解析用戶注冊的生成概要的請求,并采用合適的算法來實現(xiàn)。目前IS.DSMS支持的計算數(shù)據(jù)流概要的算法包括采樣、直方圖和小波。其中采樣技術(shù)采用精簡采樣算法和計數(shù)采樣算法兩種算法,它們都很適合于解決頻度查詢問題(即top.k問題。直方圖

18、采用的等深直方圖算法。小波采用的是最簡單的一維Haar小波算法。在IS-DSMS中具體使用哪種概要技術(shù),可以通過概要模塊選取,也可以由用戶在注冊概要時指定。2.3高速流查詢技術(shù)在使用窗口之前,首先要確定窗口邊界即確定窗口的大小。根據(jù)窗口邊界的確定方式,我們把窗口分為快照窗口、路標(biāo)窗口和滑動窗口三種。快照窗口(Snapshot兩個邊界都是固定的,這樣窗口大小就是固定的,常見于對確定的某個時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進行查詢;路標(biāo)窗口(1andmark的開始邊界是固定的,結(jié)束邊界向前移動,隨著數(shù)據(jù)的不斷到達,窗口不斷變大,常見于對某個時間點之后的所有數(shù)據(jù)進行查詢;滑動窗口(Sliding Win.dowt9j的

19、開始和結(jié)束邊界同時動態(tài)向前移動,窗口大小固定?；瑒哟翱诩夹g(shù)大小固定的特性符合內(nèi)存有限的要求,強調(diào)最新數(shù)據(jù)的特性符合大多數(shù)應(yīng)用的要求,因而成為目前使用最普遍的窗口技術(shù)。ISDSMS對于這三種窗口機制均有很好的支持,用戶可以根據(jù)自己的資源狀況手動配置窗口的大小,默認大小是10萬個元組。當(dāng)突發(fā)流量超過系統(tǒng)的處理能力,如果不采取相應(yīng)的措施,會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的吞吐量和響應(yīng)時間極度惡化。負載脫落(Load Shedding通過丟棄一定數(shù)量的數(shù)據(jù),在犧牲部分準(zhǔn)確性和完整性的條件下,保證系統(tǒng)的性能。我們設(shè)計了一個隨機采樣的算子來具體實現(xiàn)基于語義的負載脫落¨o】。目前我們采用的采樣算法是基于Hoeffd

20、ing不等式的概率采樣算法。該算法描述如下:對于查詢Q。,累計的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差是脅和吼,窗口大小是.。給定閾值占。;和超過它的變化量占,計算采樣概率P。使用公式(1。ISDSMS中的負載脫落在突發(fā)流量超過某個配置文件中指定閾值的時候自動啟用。1屆了贏了_2i刁面109了【1經(jīng)過我們的分析發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)結(jié)果的輸出對整個系統(tǒng)性能的影響十分嚴(yán)重。這是由于數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)也是以流的方式傳輸體現(xiàn)。任何一個環(huán)節(jié)性能的下降會導(dǎo)致整體性能的變化。由于IS-DSMS將輸出反饋到客戶端,而客戶端通過文件記錄方式記錄結(jié)果,導(dǎo)致性能下降。很顯然,對于10萬元組/秒的數(shù)據(jù)流,后果就是系統(tǒng)會把每秒上萬條查詢記錄寫入

21、本地文件。事實上,并不是所有查詢都要求結(jié)果以數(shù)據(jù)流的形式輸出。這種情形下過于密集的數(shù)據(jù)輸出只會增加系統(tǒng)的負荷,降低系統(tǒng)性能。因此,在執(zhí)行這些操作的時候,我們可以適當(dāng)?shù)販p少寫文件的次數(shù),這樣既不影響查詢結(jié)果的精確性,又可以提高系統(tǒng)的性能。ISDSMS所采用自可輸出控制方式默認是在執(zhí)行五類聚合查詢時,每輸出一萬條記錄寫入文件一條,并保證第一條和最后一條一定會被輸出。此外,用戶可以根據(jù)自己的需求配置寫入的密集程度,還可以利用元組里的時間戳信息來控制記錄的輸出。3實驗和性能測試由于五類聚合查詢在各種系統(tǒng)中廣泛使用,且ISDSMS極大地優(yōu)化了聚合查詢的執(zhí)行,我們設(shè)計如下測試方案來檢驗Is. DSMS處理

22、五類聚合查詢的性能。圖3測試環(huán)境我們使用K次最多的方法(實驗中K=10,對主要由五類聚合查詢組成的共計六組查詢進行了測試。其中Testl和Test2主要是對單個統(tǒng)計值維護的測試,Test3和Test4主要是對統(tǒng)計值表達式的測試,Test5和Test6主要是對多統(tǒng)計查詢的性能測試,包含了數(shù)十個查詢。為了保證公平,在測試中IS.DSMS關(guān)閉了負載脫落和生成摘要的功能。ISDSMS和STREAM的對比實驗結(jié)果如圖4所示,速率單位為萬條元組/秒。圖41SDSMS和STREAM性能對比測試4結(jié)論本文從數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)的角度重新詮釋了網(wǎng)絡(luò)流分析,設(shè)計并實現(xiàn)了一個能夠匹配千兆網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)(IS。D

23、SMS。該系統(tǒng)利用了采樣技術(shù)、概要技術(shù)、滑動窗口等技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中常用的五類聚合查詢進行了優(yōu)化。實驗證明,該系統(tǒng)具備千兆網(wǎng)絡(luò)條件下實際使用的性能,處理聚合查詢的性能可以達到STREAM系統(tǒng)的10一20倍?？勺鳛榫W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流實時查詢和統(tǒng)計分析引擎,為入侵檢測、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等信息安全方面的應(yīng)用提供高速、有效的支持。 (下轉(zhuǎn)第277頁第12期杜青:基于混沌的雙像素灰度差分脆弱數(shù)字水印算法277圖4是輸入錯誤密鑰key后得到的篡改檢測結(jié)果,由圖4可以看出,輸入錯誤密鑰后不能對嵌入認證水印后的圖像進行檢測,說明算法具有一定的安全性。圖4輸入錯誤密鑰后的檢測結(jié)果本文提出了一種基于混沌的雙像素灰度差分脆弱數(shù)字水印

24、算法,該算法能對圖像的真實性進行檢測,具有較好的不可見性以及篡改檢測和篡改定位能力。參考文獻1吳金海,林福宗.基于數(shù)字水印的圖像認證技術(shù)J.計算機學(xué)報,2004(9:11531160.2朱從旭,陳志剛.一種靈敏的文本圖像認證混沌脆弱水印技術(shù)J.小型微型計算機系統(tǒng),2006(1:151154.3李長河,張永強,王君.一種新穎的圖像自適應(yīng)信息隱藏算法J.計算機應(yīng)用,2005(5:1138一1140.4Xue Xiaohui,Wu Xiaolin.Directly operable image representation ofmuhisealeprimalsketchJ.IEEE Transati

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