基于時空序列相似性的大規模內網數據庫非法訪問信息的挖掘算法

陳琳

（福建信息職業技術學院物聯網與人工智能學院，福建福州 350001）

隨著信息化技術的發展，計算機和網絡在社會生產、生活中的重要性越來越凸顯。為了保障組織機構工作的安全與效率，政府和企業大多建設了自己的內網。內網作為網絡應用的重要組成部分，其安全性對信息的保密具有重要意義。內網信息安全問題根據威脅的類型可分為：外部的黑客入侵，即黑客盜取內網的機密信息；外部的襲擊行為，主要是內網用戶以不同的方式將主機連到外網，從而破壞了內網的封閉性。5G技術為內網的信息化改進提供了更加靈活的接入方式，但也增加了安全威脅。為此，科研人員設計了許多非法訪問信息的挖掘方法加以應對。其中，毛伊敏等人[1]運用信息熵和遺傳算法設計了挖掘算法，基于對數據相似項目的構建，通過支持度閾值進行挖掘，具有較好的挖掘效果。薛歡慶等人[2]提出了基于關系代數的挖掘算法，通過隸屬度函數對數據類型進行設定，在支持向量機的基礎上設定關聯規則，同樣具有較強的挖掘效果。

上述挖掘方法主要用在網絡通信數據庫中，由于缺乏連續性的數據挖掘規則，忽視非連續性數據的動態特征及數據中存在的時間關聯性，導致數據挖掘的最終結果存在偏差，無法有效區分非法訪問信息與安全信息。本文通過時空序列相似性設計了一種新的挖掘方法，將數據挖掘作為一個連續的過程，將訪問數據看作一個時空序列，對數據的時空屬性進行定義，并將其運用于內網數據庫的挖掘過程，為保證內網的信息安全提供技術支持。

1 大規模內網非法訪問信息挖掘規則知識庫的構建

為實現對內網數據庫非法訪問信息的大規模挖掘，需要預先設定挖掘規則。通過對數據類型的劃分，判斷其是否為異常行為或攻擊行為[3]。由于數據挖掘是一個連續性的過程，因此應建立動態循環的挖掘流程，在數據發出訪問時進行對比，并根據訪問特征建立數據審計結構，見圖1。

圖1 數據審計結構

圖1中，n 表示數據列總數。對數據結構的劃分主要依賴數據列，包括其訪問時間及用戶的ID信息等。在采集到訪問信息后，將其與具體的特征描述進行對照，完成對數據的先驗審計[4]。然后，從語句分析和關聯分析兩方面判斷該訪問數據是否為非法訪問。具體處理流程如下：

（1）語句分析，主要是對語句的表達形式進行檢測，驗證其是否存在攻擊和非法訪問的特征。因此，需要對語句的類型和操作表進行設定，實時跟蹤其變化情況。

（2）關聯分析，是指對數據庫鏈路中的數據進行關聯，根據主外鍵關系對訪問信息進行擴展，驗證是否存在相似的歷史數據。若具有相似性數據記錄，可初步判斷為安全數據；反之，判斷為非法訪問數據。

運行上述分析程序時，常規化的檢測用時較少，但如果發生非法訪問行為，內網數據庫被攻擊的概率很高[5]。為此，需要建立以服務數據審計為目標的挖掘規則知識庫，如圖2所示。圖中，m 表示數據量[6]。由于非法訪問通常為群體行為，若從單個操作來判斷可能為正常的語義，因此需要采用動態的知識庫進行規則設定；分別對訪問信息的產生時間、路徑以及流通至數據庫的節點進行檢驗，判斷其是否為數據庫中的非法權限用戶。通過上述規則，在時間序列中判斷非法訪問信息的相對位置，并對其位置關系進行標識。

圖2 挖掘規則知識庫

2 非法訪問信息相對序列位置連接關系的標識

序列長度能夠記錄不同數據產生的位置信息。為實現對大規模內網數據庫中非法訪問信息的快速挖掘，可利用上文設計的規則知識庫獲取信息的相對序列，并對其位置的連接關系進行標識。將每一個數據的序列記為單一項集，記作：

式中，b為數據序列串[7]，v為數據序列長度[8]。數據序列長度與事件訪問時間有關；當為非法訪問數據時，其數據序列長度必大于給定的序列長度。據此，可建立序列的位置表征關系，見表1[9]。

表1 數據序列位置表征

根據表中內容，此次將序列劃分為4 個類型，分別按照向前和向后兩個方向對其進行位置信息判斷，每種序列類型分別對應一種位置。以序列定義來看，當數據的序列長度能夠繼續擴展時，則其中至少含有一個可變位置方向。根據擴展情況定義新序列，并給予新的支持系數，具體為：

其中：v″為數據序列長度的變化結構[10]；→為變換過程；f為位置變換表征矩陣；h為支持系數；b″為新序列串?；诖?，對數據序列的擴展位置定義如下：

數據序列在傳輸過程中的具體位置可以用位置方向來表示，表達式見公式（5）。例如：當數據的序列長度v=1 時，其出現在方向z中的位置為z=2，則位置信息表示為(1 ,2 )。

3 時空序列相似性下數據庫非法信息挖掘的實現

基于設定的時間序列的位置關系，以時間順序對數據序列進行排序，根據時空序列相似性對非法訪問數據信息進行挖掘。以常規化的數據請求為例，在形式上將數據看作是一個時空序列，并對其時空屬性進行定義，則有：

其中：d為數據屬性集合；a為屬性個數；p為數據的屬性域[11]；i為時空域；o為數據的表現形式，且oa∈p(da)[12]。測量數據序列之間的相似性，要求序列長度相同，且每個序列的屬性一致，計算公式如下：

式中：pv1和pv2表示屬性域為p的數據序列[13]；ya、ua表示數據序列屬性，且ya∈da、ua∈da；t(pv1,pv2)表示序列之間的距離函數[14]。

由于數據在傳輸過程中為波動狀態，直接對相鄰數據進行長度計算容易產生誤差，因此需要設定一個平衡函數進行檢驗，該函數表達如下：

式中：e和w為數據在時空序列下的變動字符；r(e,w) 為平衡函數；r1、r2、r3為平衡得分[15]；[matches] 為匹配狀態；[dismatches] 為不匹配狀態；[alighs] 為具有較小差異。在基于連續傳輸數據對比的挖掘中，只有[matches] 表示訪問數據與數據庫中的數據相類似，其余均為非法訪問狀態。至此，本文通過時空序列的相似性，完成非法訪問數據挖掘算法的設計。

4 實驗測試與分析

運用MATLAB_7.0 測試平臺模擬一個內網環境[16]，以一個擁有邊界防火墻，并與外界隔絕的單位內網作為模擬對象；通過ETHERNET10M/1000M交換機組成局域網，該交換機不會與互聯網連接，因此可以實現局域網與外網的隔絕。在此基礎上，通過該局域網連接7 組計算機（其中包括兩組筆記本電腦），組成一個內網環境；具體配置見表2。

表2 測試環境配置情況

如表2 所示：編號Q1 的主機為整個測試的服務器，是該內網的控制臺；其余6臺主機為客戶端，均安裝監控代理裝置。利用MATLAB_7.0 測試平臺與MySQL 數據庫管理系統進行交互，在搭建的內網數據庫中隨機選擇4 150 組用戶訪問數據作為后期的測試對象，運用SNIFFER 軟件對客戶端用戶的非法訪問行為進行監控。完成測試環境的配置后，再對非法訪問信息的挖掘測試條件進行設定：在控制主機中編寫安全策略，并根據設備信息表中的ID 進行定義，編輯數據庫中所有信息的來源IP地址（見表3）。

MySQL 數據庫中有140 個數據集，選擇其中20個。統計所選數據集在內網中的數據量和安全等級，將5 級以下的設定為安全數據。在MySQL數據庫管理系統中創建一個名為“Iris”的表格，插入相應的實驗數據；則現階段數據庫中的數據均具有安全性，不會與后期的非法訪問產生沖突。除控制主機外，其余的主機均可模擬非法訪問行為。為保證測試的統一性，對其余主機的訪問IP進行包裝，使其盡可能地與安全信息的來源IP相似，也可以作為非法訪問信息的來源IP。具體情況如下：

（1）Q2主機：非法IP地址為132.07.2526.18，歸類為E2、Q2、R2；

（2）Q3主機：非法IP地址為125.07.2502.65，歸類為E3、Q3、R3；

（3）Q4主機：非法IP地址為128.07.3204.33，歸類為E4、Q4、R4；

（4）Q5主機：非法IP地址為125.08.2402.33，歸類為E5、Q5、R5；

（5）Q6主機：非法IP地址為125.07.2501.64，歸類為E6、Q6、R6；

（6）Q7 主機：其他非法IP 地址，歸類為E7、Q7、R7。

表3 來源IP地址

通過對4 組主機中產生的非法訪問信息的分析，發現其對應的IP 地址與表2 中安全數據的IP 地址較為相似，因此，能夠模擬非法數據的訪問，符合測試要求。其挖掘算法的Python 偽代碼如下：

1.//導入Iris庫和訪問IP包裝模塊

2.import pandas as pd

3.from sklearn.preprocessing import StandardScaler

4.from sklearn.cluster spatiotemporal variation attribute

5.//讀取Iris數據并進行預處理

6.iris_data = pd.read_csv（'iris.csv'）//假設數據集保存在'iris.csv'文件中

7.features = iris_data.drop（'class'，axis=1）//去除目標變量列

8.scaler=StandardScaler（）

9.features_scaled = scaler.fit_transform（features）//特征標準化

10.//使用基本聚類算法

11.kmeans=KMeans（n_clusters=3，random_state=42）

12.kmeans.fit（features_scaled）

13.clusters=kmeans.predict（features_scaled）

14.//檢測非法訪問信息

15.illegal_access=[平衡函數]

16.for i in range（len（clusters））：

17.if clusters[i]!=iris_data['class'][i]：//將實際類別與訪問數據得分進行比較

18.illegal_access.append（i）//如果不匹配，則認為是非法訪問信息

19.//輸出非法訪問信息的樣本索引

20.print（"Illegal access samples："，illegal_access）

21.```

運用上述偽代碼對非法訪問數據進行挖掘，主要是基于對訪問數據IP 來源的確定，即只有標定出其具體的來源，才能完成攔截或是阻斷。因而，對本次選擇的安全IP 地址和非法IP 地址進行特征編碼，以二分法進行歸類處理，見圖3。圖中，橫縱坐標分別表示特征編碼，安全數據全部歸類在特征“1”中，非法訪問數據歸類在特征“2”中。挖掘測試中，設定非法訪問數據為同時段發布狀態，則4 組主機會同時段對內網數據庫進行訪問。為了明確本文方法的挖掘效果，特選擇基于關系代數的挖掘算法和基于信息熵的挖掘算法進行對比，見圖4。

圖3 數據特征編碼示意

圖4 不同算法的挖掘測試

由圖4可見，3種算法對非法訪問信息的挖掘結果各不相同。其中，基于關系代數的挖掘算法將W8、W13、W19 誤判為非法網絡數據，而將R2、E3、E6歸類到安全數據中。這是因為該算法包括復雜的數據關聯和模式挖掘，在處理大規模、非關系型的數據集時效率較低，會產生信息損失和偏差，因此挖掘效果受限?；谛畔㈧氐耐诰蛩惴▽16、W17、W18、W20 誤判為非法網絡數據，而將R2、R4、E3、Q3、R6歸類到安全數據中。這是因為該算法的計算過程涉及多個關系操作及其執行順序與優化，而信息熵計算又是個復雜的問題，用于處理大規模數據集時難以保證執行效率，必然導致挖掘的準確性和可信度下降。本文算法僅將W6 誤判為非法網絡數據，將R6 歸類到安全數據中，表現出較為理想的挖掘效果。這是由于本文算法利用時空序列相似性，將數據挖掘作為一個連續性的過程，降低了挖掘的誤差。

5 結語

本文通過時空序列相似性方式設計了新的數據挖掘算法，主要針對內網數據庫中存在的非法訪問信息進行挖掘。新算法在用戶同時發出訪問行為時，能高效、準確地劃分安全數據與非法訪問數據，挖掘效果理想，具有較好的應用價值。但因在非法訪問信息的設定方面沒有做專門的統計，所以研究還存在一定的不足，計劃在后續研究中加以完善。