Detecção de Intrusões em Sistemas Multiusuário UNIX Conectados por ARPANET: Modelagem Estatística, Monitoramento de Auditoria e Resposta Operacional (1988)

1. Introduction

A década de 1980 testemunhou a consolidação de sistemas multiusuário UNIX como infraestrutura central para universidades, laboratórios de pesquisa e organizações governamentais. A difusão da ARPANET e de redes correlatas como a CSNET ampliou a conectividade entre sistemas anteriormente isolados, criando um ambiente distribuído no qual usuários remotos podem executar tarefas computacionais e trocar informações com eficiência sem precedentes (POSTEL, 1981). Entretanto, essa interconexão introduziu uma nova classe de riscos: a intrusão remota sistemática.

Os mecanismos tradicionais de segurança em UNIX baseiam-se em autenticação por senha e controle de acesso discricionário (DAC), conforme modelado originalmente por Saltzer e Schroeder (1975). Embora tais mecanismos imponham restrições formais de acesso a arquivos e recursos, eles não oferecem meios robustos para detectar uso malicioso após autenticação bem-sucedida ou exploração de vulnerabilidades em serviços de rede.

Incidentes documentados envolvendo exploração de confiança via rlogin e rsh, manipulação de arquivos .rhosts, uso indevido de contas compartilhadas e exploração de erros de programação (notadamente estouros de buffer em serviços de rede) evidenciam a necessidade de mecanismos complementares de detecção. A simples prevenção não é suficiente; a identificação tempestiva de atividades anômalas é essencial para mitigar danos e preservar evidências.

Neste contexto, a detecção de intrusões pode ser definida como o processo sistemático de monitoramento e análise de eventos de sistema e rede com o objetivo de identificar atividades que violem políticas de segurança estabelecidas. Denning (1987) introduziu um modelo formal de detecção baseado em perfis estatísticos de comportamento, fornecendo base teórica para abordagens práticas. Contudo, a aplicação operacional desses conceitos em ambientes UNIX reais demanda adaptações e validação empírica.

Este trabalho propõe uma arquitetura de detecção orientada a ambientes multiusuário UNIX conectados por redes TCP/IP, com foco em:

1. Modelagem estatística de comportamento de usuários e processos.
2. Correlação temporal de eventos de auditoria.
3. Integração entre logs locais e monitoramento de tráfego.
4. Mecanismos de alerta com impacto mínimo no desempenho.

A relevância desta pesquisa reside na necessidade operacional de proteger ativos computacionais críticos contra adversários tecnicamente competentes, explorando tanto falhas de configuração quanto vulnerabilidades em software.

2. Background and Related Work

A literatura sobre segurança de sistemas até 1988 concentra-se predominantemente em modelos formais de controle de acesso e análise de confiabilidade. O modelo Bell-LaPadula (BELL; LAPADULA, 1976) introduziu princípios formais de confidencialidade, enquanto Biba (1977) abordou integridade. Contudo, tais modelos assumem cumprimento estrito de políticas e não tratam diretamente da detecção de violações em tempo de execução.

Saltzer e Schroeder (1975) estabeleceram princípios fundamentais de engenharia segura, incluindo economia de mecanismo e separação de privilégios. Esses princípios são relevantes para detecção, pois destacam a necessidade de mecanismos simples e auditáveis.

Anderson (1980) discutiu monitoramento de segurança em sistemas governamentais, propondo coleta sistemática de trilhas de auditoria. Denning (1987) formalizou o conceito de Intrusion Detection System (IDS) baseado em perfis estatísticos e regras especializadas.

Evolução dos mecanismos de auditoria

Sistemas UNIX 4.2BSD e 4.3BSD oferecem registros de login (wtmp, utmp) e integração com syslog. Alguns sistemas System V incluem subsistemas de auditoria mais abrangentes.

Sistema	Tipo de Log	Granularidade	Observações
4.2BSD	wtmp/utmp	Logins/logout	Não registra comandos
4.3BSD	syslog	Eventos de daemon	Configurável
System V	Audit trail	Chamadas de sistema	Alto overhead

Trabalhos Relacionados

Autor	Ano	Contribuição
Anderson	1980	Conceito de monitoramento de segurança
Denning	1987	Modelo estatístico de detecção
Kemmerer	1987	Verificação formal de políticas
SRI	1987	Prototipagem inicial de IDS

A lacuna existente em 1988 reside na aplicação prática integrada desses conceitos em ambientes operacionais de produção.

3. Threat Model and Problem Formalization

Consideramos um sistema UNIX multiusuário conectado via TCP/IP a uma rede acadêmica. O adversário pode ser:

1. Usuário externo autenticando-se via telnet.
2. Usuário interno abusando de privilégios.
3. Processo explorando vulnerabilidade remota.

Definimos:

• $U$ = conjunto de usuários.
• $E$ = conjunto de eventos observáveis.
• $P(u)$ = perfil estatístico de usuário $u$.

Hipóteses:

• $H_0$: comportamento normal.
• $H_1$: comportamento intrusivo.

A detecção é realizada via teste:

$$ D(u) = \begin{cases} 1 & \text{se } |X - \mu_u| > k\sigma_u \ 0 & \text{caso contrário} \end{cases} $$

Onde $X$ representa métrica observada, $\mu_u$ média histórica, $\sigma_u$ desvio padrão.

4. Proposed Methodology

A metodologia combina:

1. Coleta de logs locais (syslog, wtmp)
2. Monitoramento de rede via tcpdump
3. Modelagem estatística
4. Regras heurísticas

Métricas Coletadas

Métrica	Fonte	Justificativa
Número de logins/hora	wtmp	Detecção de força bruta
Comandos privilegiados	syslog	Escalada
Conexões TCP externas	tcpdump	Atividade anômala
Uso de CPU	ps	Execução de exploit

Exemplo de Captura de Tráfego

tcpdump -i le0 -n host 128.32.0.0

Configuração de syslog

auth.notice    /var/log/authlog
daemon.info    /var/log/daemonlog

5. Implementation

Implementamos o protótipo em estação VAX 11/780 com 4.3BSD.

Arquitetura:

1. Coletor de logs
2. Motor estatístico em C
3. Gerador de alertas

O motor analisa eventos em janelas de tempo $\Delta t = 60$ segundos.

6. Experimental Evaluation

Foram conduzidos 30 experimentos simulando:

• Tentativas repetidas de login
• Exploração de confiança .rhosts
• Execução massiva de comandos privilegiados

Resultados

Cenário	Detecção (%)	Falso Positivo (%)
Login repetido	95	3
.rhosts	92	4
CPU anômala	88	5

Impacto de Desempenho

Métrica	Sem IDS	Com IDS
Uso CPU (%)	18	23
Latência (ms)	12	15

7. Case Study

Em ambiente acadêmico simulado, um usuário remoto explorou confiança via .rhosts. O sistema detectou aumento abrupto de comandos su e conexões externas subsequentes.

O desvio observado foi:

$$ Z = \frac{X - \mu}{\sigma} = 4.2 $$

Acima do limiar $k=3$.

8. Discussion

A abordagem demonstra viabilidade prática. Entretanto:

• Alto volume de logs pode degradar desempenho.
• Usuários altamente variáveis dificultam modelagem.
• Necessidade de calibração periódica.

A integração com criptografia (Diffie-Hellman, RSA) pode fortalecer autenticação, reduzindo superfície de ataque.

9. Conclusion and Future Work

Demonstramos que detecção estatística em UNIX é operacionalmente viável em 1988. Trabalhos futuros incluem:

• Integração com hardware dedicado
• Expansão para redes heterogêneas
• Aprimoramento de modelos probabilísticos

10. References

ANDERSON, J. P. Computer Security Threat Monitoring and Surveillance. James P. Anderson Co., 1980. Disponível em: https://csrc.nist.gov/publications/detail/report/1980/04/01/computer-security-threat-monitoring-and-surveillance/final

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