入侵防御技术

1.1 IPS名词

　　1.2 为什么要使用IPS
　　随着网络入侵事件的不断增加和黑客攻击水平的不断提高，一方面企业网络感染病毒、遭受攻击的速度日益加快，另一方面企业网络受到攻击做出响应的时间却越来越滞后。解决这一矛盾，传统的防火墙或入侵检测技术(IDS)显得力不从心，这就需要引入一种全新的技术-入侵防护（Intrusion Prevention System，IPS）。
　　1.3 IPS的发展
　　入侵防御系统（Intrusion Prevention System，IPS）是这段时间网络安全业内比较热门的一个词，这种既能及时发现又能实时阻断各种入侵行为的安全产品，自面世那天起，就受到各大安全厂商和用户的广泛关注。入侵防御系统（IPS）就是入侵检测系统（Intrusion Detection System，IDS）的升级产品，有了IPS，就可以替代以前的IDS系统，这也正是Gartner在2003年发表那篇著名的“IDSisdead”的理由。
　　从入侵防御系统的起源来看，这个“升级说”似乎有些道理：NetworkICE公司在2000年首次提出了IPS这个概念，并于2000年的9月18日推出了BlackICEGuard，这是一个串行部署的IDS，直接分析网络数据并实时对恶意数据进行丢弃处理。但这种概念一直受到质疑，自2002年IPS概念传入国内起，IPS这个新型的产品形态就不断地受到挑战，而且各大安全厂商、客户都没有表现出对IPS的兴趣，普遍的一个观点是：在IDS基础上发展起来的IPS产品，在没能解决IDS固有问题的前提下，是无法得到推广应用的。
　　这个固有问题就是“误报”和“滥报”，IDS的用户常常会有这种苦恼：IDS界面上充斥着大量的报警信息，经过安全专家分析后，被告知这是误警。但在IDS旁路检测的部署形式下，这些误警对正常业务不会造成影响，仅需要花费资源去做人工分析。而串行部署的IPS就完全不一样了，一旦出现了误报或滥报，触发了主动的阻断响应，用户的正常业务就有可能受到影响，这是所有用户都不愿意看到和接受的。正是这个原因，导致了IPS概念在05年之前的国内市场表现平淡。随着时间的推进，自2006年起，大量的国外厂商的IPS产品进入国内市场，各本土厂商和用户都开始重新关注起IPS这一并不新鲜的“新”概念。
　　IPS-发展方向
　　明确了IPS的主线功能是深层防御、精确阻断后，IPS未来发展趋势也就明朗化了：不断丰富和完善IPS可以精确阻断的攻击种类和类型，并在此基础之上提升IPS产品的设备处理性能。
　　在提升性能方面存在的一个悖论就是：需提升性能，除了在软件处理方式上优化外，硬件架构的设计也是一个非常重要的方面，目前的ASIC/NP等高性能硬件，都是采用嵌入式指令+专用语言开发，将已知攻击行为的特征固化在电子固件上，虽然能提升匹配的效率，但在攻击识别的灵活度上过于死板（对变种较难发现），在新攻击特征的更新上有所滞后（需做特征的编码化）。而基于开放硬件平台的IPS由于采用的是高级编程语言，不存在变种攻击识别和特征更新方面的问题，但在性能上存在处理效率瓶颈：暂时达不到电信级骨干网络的流量要所以，入侵防御系统的未来发展方向应该有以下两个方面：
　　第一，更加广泛的精确阻断范围：扩大可以精确阻断的事件类型，尤其是针对变种以及无法通过特征来定义的攻击行为的防御。
　　第二，适应各种组网模式：在确保精确阻断的情况下，适应电信级骨干网络的防御需求。
　　1.4 IPS技术特征
　　嵌入式运行：只有以嵌入模式运行的 IPS 设备才能够实现实时的安全防护，实时阻拦所有可疑的数据包，并对该数据流的剩余部分进行拦截。
　　深入分析和控制：IPS必须具有深入分析能力，以确定哪些恶意流量已经被拦截，根据攻击类型、策略等来确定哪些流量应该被拦截。
　　入侵特征库：高质量的入侵特征库是IPS高效运行的必要条件，IPS还应该定期升级入侵特征库，并快速应用到所有传感器。
　　高效处理能力：IPS必须具有高效处理数据包的能力，对整个网络性能的影响保持在最低水平。
　　1.5 IPS的功能
　　IPS-功能特点
　　入侵防御系统作为串接部署的设备，确保用户业务不受影响是一个重点，错误的阻断必定意味着影响正常业务，在错误阻断的情况下，各种所谓扩展功能、高性能都是一句空话。这就引出了IPS设备所应该关心的重点——精确阻断，即精确判断各种深层的攻击行为，并实现实时的阻断。
　　精确阻断解决了自IPS概念出现以来用户和厂商的最大困惑：如何确保IPS无误报和滥报，使得串接设备不会形成新的网络故障点。而作为一款防御入侵攻击的设备，毫无疑问，防御各种深层入侵行为是第二个重点，这也是IPS系统区别于其他安全产品的本质特点；这也给精确阻断加上了一个修饰语：保障深层防御情况下的精确阻断，即在确保精确阻断的基础上，尽量多地发现攻击行为（如SQL注入攻击、缓冲区溢出攻击、恶意代码攻击、后门、木马、间谍软件），这才是IPS发展的主线功能。
　　常用的攻击检测方法有两种，一种方法是通过定义攻击行为的数据特征来实现对已知攻击的检测，其优势是技术上实现简单、易于扩充、可迅速实现对特定新攻击的检测和拦截；但仅能识别已知攻击、抗变种能力弱。另一种方法是通过分析攻击产生原理，定义攻击类型的统一特征，能准确识别基于相同原理的各种攻击、不受攻击变种的影响，但技术门槛高、扩充复杂、应对新攻击速度有限。
　　IPS-性能扩展
　　融合“基于特征的检测机制”和“基于原理的检测机制”形成的“柔性检测”机制，它最大的特点就是基于原理的检测方法与基于特征的检测方法并存，有机组合了两种检测方法的优势。这种融合不仅是一个两种检测方法的大融合，而且细分到对攻击检测防御的每一个过程中，在抗躲避的处理、协议分析、攻击识别等过程中都包含了动态与静态检测的融合。
　　通过运用柔性检测机制，天清入侵防御系统进一步增强了设备的抗躲避能力、精确阻断能力、变形攻击识别能力和对新攻击应变能力，提高了精确检测的覆盖面。
　　扩展功能和高性能，也是入侵防御系统所必需关注的内容，但也要符合产品的主线功能发展趋势。如针对P2P的限制：P2P作为一种新兴的下载手段，得到了极为广泛的运用，但由无限制的P2P应用会影响网络的带宽消耗，并且还随此带来知识产权、病毒等多种相关问题。而实现对P2P的控制和限制，需要较为深入的应用层分析，交给IPS来限制、防范，是一个比较恰当的选择。而ACL控制、路由、NAT等，这些都是防火墙可以完成的工作，在IPS上来实现这些功能，就有画蛇添足之嫌了。
　　性能表现是IPS的又一重要指标，但这里的性能应该是更广泛含义上的性能：包括了最大的参数表现和异常状况下的稳定保障。也就是说，性能除了需要关注诸如“吞吐率多大？”，“转发时延多长？”，“一定背景流下检测率如何？”等性能参数表现外，还需要关注：“如果出现了意外情况，怎样/多快能恢复网络的正常通讯？”，这个问题也是IPS出现之初被质疑的一个重点。
　　1.6 IPS不可低估的优势
　　实时检测与主动防御是IPS最为核心的设计理念，也是其区别于防火墙和IDS的立足之本。为实现这一理念，IPS在如下四个方面实现了技术突破，形成了不可低估的优势：
　　在线安装(In-Line)。IPS保留IDS实时检测的技术与功能，但是却采用了防火墙式的在线安装，即直接嵌入到网络流量中，通过一个网络端口接收来自外部系统的流量，经过检查确认其中不包含异常活动或可疑内容后，再通过另外一个端口将它传送到内部系统中；
　　实时阻断（Real-time Interdiction）。IPS具有强有力的实时阻断功能，能够预先对入侵活动和攻击性网络流量进行拦截，避免其造成任何损失；
　　先进的检测技术（Advanced Detection Technology）。主要是并行处理检测和协议重组分析。所谓并行处理检测是指所有流经IPS的数据包，都采用并行处理方式进行过滤器匹配，实现在一个时钟周期内，遍历所有数据包过滤器；而协议重组分析是指所有流经IPS的数据包，必须首先经过硬件级预处理，完成数据包的重组，确定其具体应用协议。然后，根据不同应用协议的特征与攻击方式，IPS对于重组后的包进行筛选，将可疑者送入专门的特征库进行比对，从而提高检测的质量和效率；
　　特殊规则植入功能（Build-in Special Rule）。IPS允许植入特殊规则以阻止恶意代码。IPS能够辅助实施可接收应用策略(AUP)，如禁止使用对等的文件共享应用和占有大量带宽的免费互联网电话服务工具等；
　　自学习与自适应能力（Self-study & Self-adaptation Ability）。为了应对黑客们处心积虑、花样翻新的攻击手段，IPS必须具有人工智能的自学习与自适应能力。能够根据所在网络的通信环境和被入侵状况，分析和抽取新的攻击特征以更新特征库，自动总结经验，定制新的安全防御策略。
　　1.7 IPS不可忽视的弱点
　　总体拥有成本（TOC）高。浩大的高可用性（HA）实时计算需求决定了IPS必须选用高端的专用计算设备，但是可观的总体拥有成本却使不少用户望而却步；
　　单点故障（Single-point Fault）。IPS的阻断能力决定其必须采用网络嵌入模式，而这就可能造成单点故障；
　　性能瓶颈（Performance Bottle-neck）。即使IPS设备不出现故障，它仍然是一个潜在的网络瓶颈，不仅会增加滞后时间，而且会降低网络的效率，因此，绝大多数高端IPS产品供应商都通过使用自定义硬件（FPGA、网络处理器或者ASIC芯片）来提高IPS的运行效率，以减少其对于业务网络的负面影响；
　　误报（False positive）与漏报（False negatives）后果同样严重。在网络流量几乎成几何级数增加的情况下，一旦生成警报，最基本的要求就是不让“误报”有可乘之机，导致合法流量也很有可能被意外拦截。如果触发了误报警报的流量恰好是来自上级、合作伙伴和客户的重要信息，IPS不仅实施了一次性错误阻断，而且会切断与他们的信息通道，其结果不言而喻。
　　1.8 IPS面临的挑战
　　IPS技术需要面对很多挑战，其中主要有三点：一是单点故障，二是性能瓶颈，三是误报和漏报。设计要求IPS必须以嵌入模式工作在网络中，而这就可能造成瓶颈问题或单点故障。如果IDS出现故障，最坏的情况也就是造成某些攻击无法被检测到，而嵌入式的IPS设备出现问题，就会严重影响网络的正常运转。如果IPS出现故障而关闭，用户就会面对一个由IPS造成的拒绝服务问题，所有客户都将无法访问企业网络提供的应用。
　　即使IPS设备不出现故障，它仍然是一个潜在的网络瓶颈，不仅会增加滞后时间，而且会降低网络的效率，IPS必须与数千兆或者更大容量的网络流量保持同步，尤其是当加载了数量庞大的检测特征库时，设计不够完善的IPS嵌入设备无法支持这种响应速度。绝大多数高端IPS产品供应商都通过使用自定义硬件（FPGA、网络处理器和ASIC芯片）来提高IPS的运行效率。
　　误报率和漏报率也需要IPS认真面对。在繁忙的网络当中，如果以每秒需要处理十条警报信息来计算，IPS每小时至少需要处理36,000条警报，一天就是864,000条。一旦生成了警报，最基本的要求就是IPS能够对警报进行有效处理。如果入侵特征编写得不是十分完善，那么"误报"就有了可乘之机，导致合法流量也有可能被意外拦截。对于实时在线的IPS来说，一旦拦截了"攻击性"数据包，就会对来自可疑攻击者的所有数据流进行拦截。如果触发了误报警报的流量恰好是某个客户订单的一部分，其结果可想而知，这个客户整个会话就会被关闭，而且此后该客户所有重新连接到企业网络的合法访问都会被"尽职尽责"的IPS拦截。
　　IPS厂商采用各种方式加以解决。一是综合采用多种检测技术，二是采用专用硬件加速系统来提高IPS的运行效率。尽管如此，为了避免IPS重蹈IDS覆辙，厂商对IPS的态度还是十分谨慎的。例如，NAI提供的基于网络的入侵防护设备提供多种接入模式，其中包括旁路接入方式，在这种模式下运行的IPS实际上就是一台纯粹的IDS设备，NAI希望提供可选择的接入方式来帮助用户实现从旁路监听向实时阻止攻击的自然过渡。
　　IPS的不足并不会成为阻止人们使用IPS的理由，因为安全功能的融合是大势所趋，入侵防护顺应了这一潮流。对于用户而言，在厂商提供技术支持的条件下，有选择地采用IPS，仍不失为一种应对攻击的理想选择。
　　2 IPS产品种类
　　2.1 基于主机的入侵防护(HIPS)
　　HIPS通过在主机/服务器上安装软件代理程序，防止网络攻击入侵操作系统以及应用程序。基于主机的入侵防护能够保护服务器的安全弱点不被不法分子所利用。Cisco公司的Okena、NAI公司的McAfee Entercept、冠群金辰的龙渊服务器核心防护都属于这类产品，因此它们在防范红色代码和Nimda的攻击中，起到了很好的防护作用。基于主机的入侵防护技术可以根据自定义的安全策略以及分析学习机制来阻断对服务器、主机发起的恶意入侵。HIPS可以阻断缓冲区溢出、改变登录口令、改写动态链接库以及其他试图从操作系统夺取控制权的入侵行为，整体提升主机的安全水平。
　　在技术上，HIPS采用独特的服务器保护途径，利用由包过滤、状态包检测和实时入侵检测组成分层防护体系。这种体系能够在提供合理吞吐率的前提下，最大限度地保护服务器的敏感内容，既可以以软件形式嵌入到应用程序对操作系统的调用当中，通过拦截针对操作系统的可疑调用，提供对主机的安全防护；也可以以更改操作系统内核程序的方式，提供比操作系统更加严谨的安全控制机制。
　　由于HIPS工作在受保护的主机/服务器上，它不但能够利用特征和行为规则检测，阻止诸如缓冲区溢出之类的已知攻击，还能够防范未知攻击，防止针对Web页面、应用和资源的未授权的任何非法访问。HIPS与具体的主机/服务器操作系统平台紧密相关，不同的平台需要不同的软件代理程序。
　　2.2 基于网络的入侵防护(NIPS)
　　NIPS通过检测流经的网络流量，提供对网络系统的安全保护。由于它采用在线连接方式，所以一旦辨识出入侵行为，NIPS就可以去除整个网络会话，而不仅仅是复位会话。同样由于实时在线，NIPS需要具备很高的性能，以免成为网络的瓶颈，因此NIPS通常被设计成类似于交换机的网络设备，提供线速吞吐速率以及多个网络端口。
　　NIPS必须基于特定的硬件平台，才能实现千兆级网络流量的深度数据包检测和阻断功能。这种特定的硬件平台通常可以分为三类：一类是网络处理器（网络芯片），一类是专用的FPGA编程芯片，第三类是专用的ASIC芯片。
　　在技术上，NIPS吸取了目前NIDS所有的成熟技术，包括特征匹配、协议分析和异常检测。特征匹配是最广泛应用的技术，具有准确率高、速度快的特点。基于状态的特征匹配不但检测攻击行为的特征，还要检查当前网络的会话状态，避免受到欺骗攻击。
　　协议分析是一种较新的入侵检测技术，它充分利用网络协议的高度有序性，并结合高速数据包捕捉和协议分析，来快速检测某种攻击特征。协议分析正在逐渐进入成熟应用阶段。协议分析能够理解不同协议的工作原理，以此分析这些协议的数据包，来寻找可疑或不正常的访问行为。协议分析不仅仅基于协议标准（如RFC），还基于协议的具体实现，这是因为很多协议的实现偏离了协议标准。通过协议分析，IPS能够针对插入（Insertion）与规避（Evasion）攻击进行检测。异常检测的误报率比较高，NIPS不将其作为主要技术。
　　2.3 应用入侵防护(AIP)
　　NIPS产品有一个特例，即应用入侵防护（Application Intrusion Prevention，AIP），它把基于主机的入侵防护扩展成为位于应用服务器之前的网络设备。AIP被设计成一种高性能的设备，配置在应用数据的网络链路上，以确保用户遵守设定好的安全策略，保护服务器的安全。NIPS工作在网络上，直接对数据包进行检测和阻断，与具体的主机/服务器操作系统平台无关。
　　NIPS的实时检测与阻断功能很有可能出现在未来的交换机上。随着处理器性能的提高，每一层次的交换机都有可能集成入侵防护功能。