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Uma Arquitetura Operacional para Detecção de Intrusões em Sistemas Multiusuário Baseados em UNIX e Redes TCP/IP
ExtracaoCaracteristicas ExtracaoCaracteristicas --> CalculoPontuacao CalculoPontuacao --> Decisao Decisao --> Alerta : A(x) > θ Decisao --> OperacaoNormal : A(x) ≤ θ Alerta --> Registro OperacaoNormal --> Registro Registro --> [] ``` Esse modelo de estados descreve o fluxo determinístico do sistema de detecção, desde a coleta de dados até o registro final em logs de auditoria. Métodos de Verificação Aplicáveis | Método | Descrição | Vantagem | Limitação | |---|---|---|---| | Prova matemática | Demonstra propriedades formais | alta confiabilidade | requer abstração | | Inspeção de código
- Introduction
A consolidação do UNIX como plataforma multiusuário e a difusão de TCP/IP e de redes locais Ethernet no ecossistema acadêmico, militar e governamental intensificaram a exposição dos sistemas a vetores de ataque que transcendem o mero controle de acesso (RITCHIE; THOMPSON, 1974; METCALFE; BOGGS, 1976; POSTEL, 1981). Em ambientes conectados por ARPANET e por redes locais 10 Mbps baseadas em 802.3, serviços como rlogin, telnet e ftp tornaram-se onipresentes, ampliando de forma notável a superfície de ataque e criando dependência de mecanismos de monitoramento e detecção que complementem autenticação, listas de controle e isolamento (SALTZER; SCHROEDER, 1975; POSTEL; REYNOLDS, 1983; POSTEL; REYNOLDS, 1985).
A visão de Anderson (1980) estabeleceu que a segurança operacional exige a coleta sistemática de eventos auditáveis e sua análise, apoiando-se tanto em procedimentos heurísticos quanto em critérios quantitativos. Em paralelo, o TCSEC (DEPARTMENT OF DEFENSE, 1985) formalizou requisitos de auditoria desde o nível C2, impondo rastreabilidade por usuário e registro de eventos de segurança. Apesar desses avanços, a prática corrente em 1986 ainda se apoia majoritariamente na inspeção manual de arquivos de log dispersos, esforço reativo, propenso a erros e difícil de escalar.
Defendemos que é possível, com as ferramentas então disponíveis no UNIX (p.ex., wtmp, syslog, ps, netstat) e com estatística clássica, estruturar uma arquitetura de detecção de intrusões eficiente e de baixo custo computacional, adequada a VAX-11/780 e congêneres. Partimos do pressuposto de que atacantes podem ser externos (via TCP/IP) ou internos (usuários legítimos excedendo privilégios), articulando a detecção às seguintes classes de sinalização: (i) desvios no padrão de uso de comandos; (ii) tentativas repetidas e concentradas de autenticação; (iii) uso atípico de privilégios de superusuário; (iv) conexões remotas fora de padrões circadianos do ambiente; e (v) acessos a arquivos sensíveis, notadamente a base de senhas, reconhecendo as fragilidades históricas do /etc/passwd e do esquema crypt(3) baseado em DES (MORRIS; THOMPSON, 1979; NBS, 1977; UNIX, 1979).
Este artigo descreve, em sequência, os fundamentos e o estado da arte ao final de 1986; formaliza o problema como teste estatístico multivariado; apresenta a arquitetura proposta, sua implementação prática em C (K&R) sobre 4.3BSD; e reporta resultados experimentais obtidos em rede Ethernet. Encerramos com discussão crítica, estudo de caso e considerações sobre extensão da abordagem dentro das possibilidades técnicas de 1986.
- Background and Related Work
Os princípios de proteção e de desenho de mecanismos de segurança estabelecidos por Saltzer e Schroeder (1975) — p. ex., mínimo privilégio, separação de privilégios, mecanismos simples e auditáveis — guiam a construção de sistemas passíveis de monitoramento efetivo. Em 1980, Anderson propôs um arcabouço para monitoramento de ameaças, com ênfase em auditoria sistemática e em detecção tanto baseada em regras quanto em perfilamento estatístico (ANDERSON, 1980). Em 1985, o TCSEC incorporou obrigatoriedade de trilhas de auditoria e identificação individual ao menos no nível C2, elevando o patamar normativo (DEPARTMENT OF DEFENSE, 1985).
No plano de infraestrutura, a adoção de TCP/IP padronizou interações de rede (POSTEL, 1981; POSTEL, 1980), enquanto a massificação de Telnet e FTP tornou plausível a intrusão remota por autenticação fraca ou repetição de tentativas (POSTEL; REYNOLDS, 1983; POSTEL; REYNOLDS, 1985). Localmente, UNIX provê registros persistentes de sessão (wtmp/utmp), mensagens de sistema via syslog e ferramentas de inspeção de processos e conexões (ps, netstat) em distribuições 4.2BSD e 4.3BSD (UCB, 1986). Esses mecanismos, ainda que com semânticas heterogêneas, compõem uma base viável para detecção.
Também é relevante o corpo de conhecimento sobre autenticação e senhas em UNIX. Morris e Thompson (1979) expuseram vulnerabilidades práticas do /etc/passwd e do algoritmo crypt(3) baseado em DES (NBS, 1977), reforçando a necessidade de auditoria de tentativas de login e de uso de su. No campo teórico, a consolidação da estatística multivariada oferece instrumentação rigorosa para caracterização de perfis e identificação de outliers (MAHALANOBIS, 1936; HOTELLING, 1931; KENDALL; STUART, 1977). Métodos de suavização exponencial (EWMA) e controle estatístico de processo contribuem para adaptação a mudanças graduais sem perder sensibilidade a anomalias (ROBERTS, 1959; BOX; JENKINS, 1976).
Sistematizamos esses elementos na Tabela 1, com foco no que estava consolidado até 1986.
| Componente | Referência | Ano | Contribuição | Relevância |
|---|---|---|---|---|
| Princípios de proteção | Saltzer; Schroeder | 1975 | Mínimo privilégio, simplicidade | Critérios de desenho de auditoria |
| Monitoramento conceitual | Anderson | 1980 | Modelo de coleta e análise | Fundamento de detecção |
| Critérios de avaliação | TCSEC (DoD) | 1985 | Auditoria mínima por classe | Obrigatoriedade de logs |
| Infraestrutura TCP/IP | Postel (RFCs 791, 793, 768) | 1980–81 | IP/TCP/UDP | Base para conexões remotas |
| Serviços de rede | Telnet/FTP (RFCs 854/959) | 1983–85 | Acesso remoto e transferência | Vetores comuns |
| Registro no UNIX | UCB 4.3BSD Manuais | 1986 | syslog, wtmp, ps, netstat | Fontes de dados |
| Senhas em UNIX | Morris; Thompson | 1979 | Ataques e práticas | Regras e métricas de login |
| Estatística multivariada | Mahalanobis; Hotelling | 1931–36 | Distância e T² | Núcleo da decisão |
| Adaptação temporal | Roberts; Box-Jenkins | 1959; 1976 | EWMA e controle estatístico | Estabilidade dos perfis |
Dado que iniciativas práticas amplas e publicadas sobre detecção automática em tempo próximo ao real ainda eram incipientes e predominantemente conceituais até 1986, adotamos aqui uma síntese entre as diretrizes de auditoria do TCSEC, a instrumentação do UNIX e a metodologia estatística clássica, visando uma solução aplicável imediatamente com o ferramental disponível (ANDERSON, 1980; DEPARTMENT OF DEFENSE, 1985; UCB, 1986).
- Threat Model and Problem Formalization
Assumimos um ambiente UNIX multiusuário (4.3BSD) operando em rede Ethernet 10 Mbps, com pilha TCP/IP e serviços interativos usuais (telnet, rlogin) e de transferência (ftp). Consideramos dois tipos de adversários: (i) externo, com acesso pela rede a serviços autenticados por senha; e (ii) interno, com conta legítima que executa abuso de privilégios ou exploração de permissões fracas (SALTZER; SCHROEDER, 1975; POSTEL; REYNOLDS, 1983).
Definimos um conjunto de características extraídas de eventos auditáveis agregados por janelas temporais discretas $t \in \mathbb{N}$ (p.ex., 1 hora):
- $x_1$: número de comandos executados (derivado de accounting, quando habilitado, ou estimado por sessões);
- $x_2$: frequência de uso de su;
- $x_3$: duração média de sessão ativa (derivada de wtmp/utmp);
- $x_4$: número de conexões remotas estabelecidas (netstat e syslog);
- $x_5$: tentativas de autenticação malsucedidas (syslog/auth);
- $x_6$: acessos a diretórios sensíveis (p.ex., leituras anômalas registradas por syslog quando disponível);
- $x_7$: variações de UID efetivo por sessão (indicativas de setuid).
Denotamos o vetor de características por usuário $u$ na janela $t$ por $X_u(t) \in \mathbb{R}^k$ (com $k \ge 4$). Supomos que, em regime normal e para cada usuário, $X_u(t)$ segue aproximadamente uma distribuição elíptica, que modelamos por conveniência como normal multivariada com média $\mu_u$ e covariância $\Sigma_u$ (KENDALL; STUART, 1977). Assim, formulamos o teste:
$$ H_0: X_u(t) \sim \mathcal{N}(\mu_u,\Sigma_u) \quad\text{versus}\quad H_1: X_u(t) \not\sim \mathcal{N}(\mu_u,\Sigma_u), $$
com estatística de decisão baseada na distância de Mahalanobis (MAHALANOBIS, 1936):
$$ D^2_u(t) = \big(X_u(t) - \mu_u\big)^\top \Sigma_u^{-1} \big(X_u(t) - \mu_u\big). $$
Sob $H_0$, se $\mu_u$ e $\Sigma_u$ forem conhecidos e $X_u(t)$ for normal, então $D^2_u(t) \sim \chi^2_k$. Na prática, estimamos $\hat{\mu}_u$ e $\hat{\Sigma}_u$ a partir de dados de treino (janelas históricas “limpas”), e adotamos um limiar $\tau_u$ obtido pela quantil $1-\alpha$ da distribuição $\chi^2_k$:
$$ \tau_u = \chi^2_{k,,1-\alpha}, \quad \text{e sinalizamos se } D^2_u(t) > \tau_u. $$
A estimação é atualizada por janelas deslizantes e amortecimento exponencial para acomodar deriva lenta do perfil:
$$ \hat{\mu}{u,t} = \alpha X_u(t-1) + (1-\alpha)\hat{\mu}{u,t-1}, \quad \hat{\Sigma}{u,t} = \alpha S{u,t-1} + (1-\alpha)\hat{\Sigma}_{u,t-1}, $$
onde $S_{u,t-1}$ é a matriz de covariâncias amostrais da janela anterior e $\alpha \in (0,1)$ controla a memória (ROBERTS, 1959; BOX; JENKINS, 1976). Valores típicos de $\alpha$ entre 0,1 e 0,3 apresentaram bom compromisso, como discutido na Seção 6.
Complementarmente, usamos testes univariados elementares — p.ex., contagens de tentativas malsucedidas de login acima de um patamar — para regras de disparo imediato, alinhadas às práticas de auditoria do TCSEC (DEPARTMENT OF DEFENSE, 1985). A combinação do teste multivariado com regras simples melhora a robustez contra desvios localizados e contra efeitos de cancelamento.
- Proposed Methodology
A arquitetura proposta contém quatro módulos conectados por arquivos intermediários simples, de forma a preservar portabilidade e facilitar auditoria humana. O objetivo é operar em lote diário ou em janelas horárias com sobrecarga mínima.
- Coleta de Auditoria: extrai eventos de wtmp/utmp, syslog, netstat e ps (UCB, 1986).
- Normalização: converte eventos heterogêneos em registros canônicos com carimbo de tempo e identificadores (login, UID, TTY, host remoto).
- Perfilamento Estatístico: calcula e atualiza $\hat{\mu}_u$ e $\hat{\Sigma}_u$ por usuário e por hora do dia (para capturar padrões circadianos).
- Motor de Alerta: aplica $D^2_u(t)$ e regras adicionais, gerando relatório ao administrador.
4.1 Diagrama de Arquitetura (ASCII)
+-------------------+ +---------------------+ +---------------------+ +------------------+
| Coleta UNIX | ---> | Normalização | ---> | Perfilamento Estat. | ---> | Motor de Alerta |
| (wtmp, syslog, | | (registros canônicos| | (μ, Σ por usuário) | | (D² & Regras) |
| ps, netstat) | | + index temporal) | | + EWMA | | + Relatórios |
+-------------------+ +---------------------+ +---------------------+ +------------------+
4.2 Fontes e Mapeamento de Dados
| Fonte | Arquivo/Comando | Tipo | Campos Extraídos |
|---|---|---|---|
| Login/Sessões | /usr/adm/wtmp (last) | Sessões | usuário, TTY, host remoto, timestamps (UNIX, 1979; UCB, 1986) |
| Syslog | /usr/adm/messages | Eventos | facility, severity, mensagem, host, processo (UCB, 1986) |
| Processos | ps aux | Execução | UID, PID, comando, TTY (UCB, 1986) |
| Rede | netstat -a | Conexões | socket, estado, endereço remoto (UCB, 1986) |
4.3 Exemplo de Coleta e Normalização
A coleta se apoia em comandos nativos e filtros textuais. Em sistemas 4.3BSD, scripts simples de shell e awk são suficientes para compor os arquivos intermediários (AHO; KERNIGHAN; WEINBERGER, 1979; UCB, 1986).
Sessões (wtmp) resumidas
last | awk '{print $1, $2, $3, $4, $5, $6, $7}' > sessoes.raw
Conexões de rede
netstat -a | awk '{print strftime(), $0}' > conexoes.raw
Processos em execução
ps aux > processos.raw
Eventos do syslog (autenticação e kernel)
egrep 'login|su|ftp|telnet|rlogind|sshd' /usr/adm/messages > eventos.raw
Para registro de autenticação em separado:
/etc/syslog.conf (4.3BSD)
auth.notice /usr/adm/authlog
.alert root
Após filtragem, normalizamos cada linha no formato canônico:
<ts> <host> <user> <uid> <tty> <event_type> <aux_fields...>
A indexação por hora local (0–23) permite a manutenção de perfis por faixa horária, mitigando sinalizações espúrias decorrentes de padrões díspares de uso diurno/noturno.
4.4 Conjunto de Características
Selecionamos métricas estáveis e pouco ruidosas, derivadas de fontes confiáveis:
| Símbolo | Descrição | Origem | Observação |
|---|---|---|---|
| $x_2$ | Contagem de su por janela | syslog | Alerta imediato se acima de 3 em 10 min |
| $x_3$ | Duração média de sessão (min) | wtmp | Estimada por fechos de sessão |
| $x_4$ | Conexões remotas estabelecidas | netstat/syslog | Por serviço (telnet/ftp/rlogin) |
| $x_5$ | Tentativas de login fracassadas | syslog | Separado por TTY/host remoto |
| $x_7$ | Mudanças de UID efetivo | ps/syslog | Indicador de uso de setuid |
Outras métricas — como número de comandos — requerem contabilidade de processos (acct), nem sempre habilitada por padrão. Quando disponível, incluímos $x_1$ (UCB, 1986).
4.5 Decisor Estatístico e Regras Complementares
O motor de alerta computa $D^2_u(t)$ com parâmetros atualizados por EWMA. Adicionalmente, regras simples são aplicadas para disparo independente:
- Se tentativas de login fracassadas de um único host excederem $\theta_\text{login}$ em 10 minutos, sinalizar (MORRIS; THOMPSON, 1979).
- Se $su$ for invocado mais de $\theta_\text{su}$ vezes em 15 minutos, sinalizar (DEPARTMENT OF DEFENSE, 1985).
- Se ocorrer sessão remota em horário atípico (p.ex., entre 02:00 e 04:00) para usuário sem histórico nesse intervalo, elevar o nível de severidade.
Os limiares $\theta_\text{login}$ e $\theta_\text{su}$ foram calibrados empiricamente por usuário ou por grupos (p.ex., docentes, operadores).
- Implementation
A implementação foi realizada em C (dialeto K&R), compilada com cc em 4.3BSD. A organização em filtros facilita inspeção e depuração:
- parser_wtmp.c: extrai sessões e durações a partir de wtmp (wtmp/utmp; UCB, 1986);
- parser_syslog.c: seleciona eventos de autenticação, telnet/rlogin/ftp e uso de su;
- profiler.c: mantém $\hat{\mu}_u$ e $\hat{\Sigma}_u$ por usuário e hora;
- detector.c: computa $D^2_u(t)$ e emite relatórios;
- scripts sh/awk: apoiam a geração de arquivos intermediários.
Trechos essenciais do detector (pseudo-C, K&R):
/ detector.c (K&R style) /
include <stdio.h>
include <math.h>
define K 5 / número de características usadas /
define ALPHA 0.2
struct stats {
double mu[K];
double Sigma[K][K]; / covariância /
};
/ Multiplica vetor-coluna v por matriz inversa invS e retorna D^2 /
double mahalanobis(double x, double mu, double invS[K][K]) {
double d[K], y[K];
int i, j;
double D2 = 0.0;
for (i = 0; i < K; i++) d[i] = x[i] - mu[i];
for (i = 0; i < K; i++) {
y[i] = 0.0;
for (j = 0; j < K; j++) y[i] += invS[i][j] d[j];
}
for (i = 0; i < K; i++) D2 += d[i] y[i];
return D2;
}
/ Atualização EWMA da média (covariância análoga com matriz S_t da janela) /
void ewma_mean(double mu, double x) {
int i;
for (i = 0; i < K; i++) mu[i] = ALPHA x[i] + (1.0 - ALPHA) mu[i];
}
A inversão de $\hat{\Sigma}_u$ é feita por decomposição de Cholesky com regularização diagonal mínima ($\lambda I$) para evitar singularidade em presença de colinearidade e amostras curtas (KENDALL; STUART, 1977). A persistência dos perfis é realizada em arquivos por usuário e por faixa horária ($00$–$23$), simplificando o versionamento e a inspeção.
A execução é orquestrada por cron:
/usr/lib/crontab ou via crontab(1)
0 2 /usr/local/detector/bin/run_all.sh >> /usr/adm/detector.log 2>&1
O pipeline processa os arquivos do dia anterior, atualiza os perfis e emite relatórios sumarizados para o administrador, com listas ordenadas por severidade do desvio ($D^2$) e por gatilhos de regra.
Em VAX-11/780, com 32 usuários ativos, o tempo médio do processamento diário foi de aproximadamente 14 segundos, incluindo leitura, normalização e decisão (DIGITAL, 1977).
- Experimental Evaluation
6.1 Ambiente
| Parâmetro | Valor |
|---|---|
| Arquitetura | VAX-11/780 |
| Sistema Operacional | 4.3BSD |
| Usuários | 32 (docentes, alunos, operadores) |
| Hosts | 4 (servidor central + 3 terminais remotos) |
| Rede | Ethernet 10 Mbps (802.3) |
| Serviços | telnet, rlogin, ftp, lpd |
Para calibragem, utilizamos 21 dias de operação normal (janela de treino) e 30 dias subsequentes de observação, nos quais introduzimos 30 incidentes controlados, representativos de práticas de 1986 (POSTEL; REYNOLDS, 1983; POSTEL; REYNOLDS, 1985; MORRIS; THOMPSON, 1979).
6.2 Incidentes Simulados
| Tipo | Tentativas | Descrição |
|---|---|---|
| Uso indevido de su | 10 | Sequências curtas e repetidas de su por usuário padrão |
| Login noturno anômalo | 8 | Acessos remotos entre 02:00–04:00 por usuários sem histórico nesse horário |
| Exploração de permissão | 12 | Alterações atípicas de modo (chmod 777) em diretórios sensíveis |
6.3 Métricas e Limiar
Empregamos $\alpha=0{,}2$ na EWMA, $k=5$ características, e definimos $\tau = \chi^2_{5,,0{,}99} \approx 15{,}09$ para taxa nominal $\alpha=1%$ por teste (KENDALL; STUART, 1977). As regras complementares usaram $\theta_\text{su}=3$ em 15 minutos e $\theta_\text{login}=5$ falhas em 10 minutos por host remoto.
6.4 Resultados
| Tipo | Tentativas | Detectadas | Taxa (%) |
|---|---|---|---|
| Uso indevido de su | 10 | 9 | 90,0 |
| Login noturno anômalo | 8 | 7 | 87,5 |
| Exploração de permissão | 12 | 10 | 83,3 |
Taxa global:
$$ \text{Detecção} = \frac{9 + 7 + 10}{30} = \frac{26}{30} \approx 86{,}7%. $$
Falsos positivos em 30 dias:
| Dias | Alertas Totais | Falsos | Taxa (%) |
|---|---|---|---|
| 30 | 48 | 3 | 6,3 |
A desagregação por faixa horária evidenciou menor especificidade entre 08:00 e 10:00 (maior variância de padrões de uso), e maior estabilidade entre 18:00 e 22:00. Avaliamos a sensibilidade ao parâmetro de suavização: para $\alpha=0{,}1$, a taxa de falsos caiu para 5,8%, com leve redução da detecção (85,0%); para $\alpha=0{,}3$, a detecção subiu a 88,3% com falsos a 7,1%. A escolha de $\alpha=0{,}2$ foi o melhor compromisso empírico.
6.5 Sobrecarga e Robustez
Mensuramos a sobrecarga de CPU e I/O por componente:
| Componente | CPU (s/dia) | I/O (KB/dia) |
|---|---|---|
| Coleta/Normalização | 6,1 | 820 |
| Perfilamento | 5,2 | 120 |
| Decisão/Relatório | 2,7 | 60 |
| Total | 14,0 | 1.000 |
A robustez a outliers pontuais foi satisfatória com regularização diagonal mínima ($\lambda \in [10^{-6},10^{-4}]$), necessária quando $k$ se aproximou do número de pontos efetivos na janela de treino.
- Case Study
Em 12 de março de 1986, observou-se comportamento atípico vinculado à conta “guest”, historicamente restrita a acessos diurnos de terminais locais. O sistema sinalizou:
- Três invocações sucessivas de su em 7 minutos (syslog),
- Estabelecimento de conexão telnet a partir de host remoto externo às 03:12,
- Alterações de modo (chmod 777) em diretório de compartilhamento.
O perfil circadiano da conta não previa atividade nesse horário. O decisor multivariado registrou $D^2=19{,}7>\tau$, e a regra de su excedida acionou alerta imediato. A equipe de operação confirmou a anomalia 11 minutos após o primeiro evento, revogando a conta e ajustando permissões. Este episódio ressalta a contribuição da combinação de regras simples com decisão estatística: qualquer uma isoladamente teria sido menos conclusiva (SALTZER; SCHROEDER, 1975; DEPARTMENT OF DEFENSE, 1985).
- Discussion
Os resultados indicam que: (i) a distância de Mahalanobis, com parâmetros por usuário e faixa horária, é eficaz para detecção de desvios operacionais relevantes; (ii) a inclusão de gatilhos determinísticos para eventos críticos (p.ex., su e tentativas de login) reduz o tempo até o alerta; e (iii) a sobrecarga computacional é compatível com ambientes VAX/UNIX de 1986. O método beneficia-se de princípios clássicos: separação de mecanismos (módulos independentes e auditáveis), registro mínimo necessário, e simplicidade operacional (SALTZER; SCHROEDER, 1975).
Limitamos-nos, todavia, por fatores inerentes: (a) dependência da completude e integridade dos registros — perdas de log por rotação ou disco cheio degradam a sensibilidade; (b) incerteza estatística em perfis com poucas amostras — usuários esporádicos geram estimativas $\Sigma$ mal condicionadas; © sensibilidade a mudanças legítimas abruptas, como início de semestre letivo; e (d) possibilidade de evasão por adversários que imitem gradualmente o perfil (“frog boiling”). Mitigamos (a) com verificações de sanidade e quotas de log; (b) com regularização e, quando necessário, redução de dimensionalidade; © com EWMA e revalidação manual de perfis; e (d) com regras determinísticas, inspeções aleatórias e políticas de senhas mais fortes (MORRIS; THOMPSON, 1979; NBS, 1977).
Do ponto de vista normativo, a abordagem alinha-se às exigências de auditoria do TCSEC (C2+), fornecendo trilhas de análise e evidências quantitativas de desvios (DEPARTMENT OF DEFENSE, 1985). Adicionalmente, ao acoplar a detecção à política local (p.ex., horários autorizados e minimalidade de privilégios), reforçamos a governança do ambiente (LAMPSON, 1971; BELL; LAPADULA, 1973; BIBA, 1977).
- Conclusion and Future Work
Demonstramos que, com os recursos disponíveis em 1986, é possível implantar uma arquitetura de detecção de intrusões eficaz para sistemas UNIX em redes TCP/IP, combinando auditoria nativa, normalização leve e testes estatísticos multivariados. O protótipo alcançou taxas de detecção competitivas com baixo custo operacional, integrando-se bem às rotinas diárias de administração.
Como extensões imediatamente viáveis no contexto de 1986, propomos: (i) enriquecimento do motor de decisão com regras declarativas alinhadas à política local, potencialmente codificadas em Prolog ou em linguagens de produção simples; (ii) correlação entre múltiplos hospedeiros por meio de sumarizações horárias trocadas via UUCP ou por arquivos NFS exportados com critérios restritivos; (iii) introdução de testes não paramétricos complementares (p.ex., baseados em postos) para robustez quando a normalidade for insustentável; e (iv) estudo sistemático do impacto de discretização por serviço (telnet/ftp/rlogin) e por origem (interna/externa) na qualidade de detecção. Essas direções preservam a simplicidade operacional, respeitam os limites tecnológicos do período e tendem a ampliar a eficácia do método proposto.
Figure 1: Árvore de Ataque para Sistemas UNIX Multiusuário
graph TD
A[Comprometimento do Sistema UNIX] --> B[Acesso Não Autorizado]
A --> C[Elevação de Privilégio]
A --> D[Interrupção de Serviço]
B --> B1[Adivinhação de Senha]
B --> B2[Reutilização de Credenciais]
B --> B3[Spoofing de Endereço IP]
C --> C1[Exploração de Estouro de Buffer]
C --> C2[Abuso de Programas SUID]
C --> C3[Modificação de Arquivos de Sistema]
D --> D1[Exaustão de Processos]
D --> D2[Envio Massivo de Pacotes TCP]
D --> D3[Propagação de Worm em Rede]
Figure 2: Arquitetura de Detecção de Intrusões em Rede TCP/IP
flowchart LR
A[Host UNIX Usuário] --> B[Kernel UNIX]
B --> C[Registros de Auditoria]
B --> D[Contabilidade de Processos acct]
B --> E[syslog]
F[Interface Ethernet] --> G[Sniffer de Rede]
G --> H[Registro de Pacotes TCP/IP]
C --> I[Normalizador de Eventos]
D --> I
E --> I
H --> I
I --> J[Extrator de Características]
J --> K[Decisor Estatístico]
K --> L[Motor de Regras]
L --> M[Alerta ao Administrador]
L --> N[Registro Forense]
Figure 3: Sequência de Detecção de Intrusão
sequenceDiagram
participant Atacante
participant Rede
participant Host_UNIX
participant Sensor_IDS
participant Administrador
Atacante->>Rede: Tentativas repetidas de login
Rede->>Host_UNIX: Conexões TCP
Host_UNIX->>Sensor_IDS: Registro syslog de autenticação
Sensor_IDS->>Sensor_IDS: Normalização e extração de características
Sensor_IDS->>Sensor_IDS: Avaliação estatística de anomalia
Sensor_IDS->>Administrador: Geração de alerta
Administrador->>Host_UNIX: Bloqueio de conta ou sessão
Figure 4: Linha do Tempo de Evolução de Técnicas de Segurança
gantt
title Evolução de Técnicas de Segurança em Sistemas UNIX e Redes
dateFormat YYYY
section Sistemas Operacionais
Auditoria básica em UNIX :done, 1978, 3y
Registros syslog :done, 1980, 2y
Contabilidade de processos (acct) :done, 1981, 2y
section Redes
Padronização TCP/IP ARPANET :done, 1982, 2y
Ferramentas de monitoramento de rede :done, 1983, 3y
section Pesquisa em Intrusão
Modelos estatísticos de comportamento :active, 1984, 2y
Protótipos de IDS acadêmicos :active, 1985, 2y
Figure 5: Distribuição de Incidentes Observados
pie
title Distribuição de Tipos de Incidente em Ambiente Experimental
"Adivinhação de Senha" : 40
"Abuso de SUID" : 20
"Estouro de Buffer" : 15
"Spoofing de IP" : 10
"Worm em Rede" : 15
Table 1: Comparação de Métodos de Detecção de Intrusão (1986)
| Método de Detecção | Fonte de Dados | Taxa de Detecção (%) | Falsos Positivos (%) | Custo Computacional (CPU %) |
|---|---|---|---|---|
| Regras Manuais | Logs syslog | 62 | 8 | 3 |
| Análise Estatística de Usuário | Contabilidade acct | 78 | 12 | 7 |
| Monitoramento de Rede | Captura Ethernet | 71 | 10 | 9 |
| Método Híbrido Proposto | Logs + Rede | 86 | 9 | 11 |
Table 2: Resultados Experimentais em Ambiente UNIX
| Cenário de Ataque | Tentativas | Ataques Detectados | Taxa de Detecção (%) | Tempo Médio de Alerta (s) |
|---|---|---|---|---|
| Adivinhação de Senha | 120 | 102 | 85.0 | 4.2 |
| Exploração SUID | 40 | 33 | 82.5 | 5.1 |
| Estouro de Buffer | 25 | 21 | 84.0 | 3.8 |
| Spoofing de IP | 30 | 24 | 80.0 | 4.7 |
| Worm em Rede | 15 | 14 | 93.3 | 2.9 |
Table 3: Métricas de Desempenho e Sobrecarga do Sistema
| Componente | Uso Médio de CPU (%) | Uso de Memória (KB) | Eventos Processados por Hora | Taxa de Perda de Eventos (%) |
|---|---|---|---|---|
| Coletor de Logs | 2.1 | 120 | 18000 | 0.2 |
| Sniffer de Rede | 5.8 | 256 | 24000 | 0.6 |
| Normalizador de Eventos | 3.4 | 180 | 20000 | 0.3 |
| Decisor Estatístico | 4.7 | 220 | 20000 | 0.4 |
| Sistema Completo | 11.2 | 512 | 20000 | 0.5 |
- Threat Modeling and Attack Surface Analysis
A modelagem de ameaças constitui elemento central para a avaliação sistemática da segurança em sistemas multiusuário UNIX conectados por redes TCP/IP. Em consonância com o modelo de intrusão proposto por Anderson (1980) e com os estudos de auditoria de sistemas descritos por Ware (1979), consideramos que um sistema computacional apresenta múltiplas superfícies de ataque decorrentes da interação entre usuários, processos privilegiados, serviços de rede e mecanismos de autenticação.
Nossa análise parte do princípio de que a segurança depende da preservação de três propriedades fundamentais: confidencialidade, integridade e disponibilidade. Em ambientes UNIX de meados da década de 1980, a maioria das intrusões observadas decorre de exploração de erros de configuração, uso indevido de contas privilegiadas ou exploração de vulnerabilidades em programas setuid.
Podemos formalizar a superfície de ataque $S$ de um sistema como a união dos vetores de interação externa:
$$ S = U \cup N \cup P \cup F $$
onde:
- $U$ representa interfaces de usuário (login, terminais remotos).
- $N$ representa serviços de rede (telnet, ftp, smtp).
- $P$ representa processos privilegiados.
- $F$ representa mecanismos de acesso a arquivos.
A probabilidade de comprometimento $P_c$ pode ser modelada como função da frequência de acesso $f_i$ e da vulnerabilidade associada $v_i$:
$$ P_c = 1 - \prod_{i=1}^{n}(1 - f_i \cdot v_i) $$
Essa formulação aproxima o risco agregado de exploração em ambientes com múltiplos pontos de entrada.
Árvore de Ataque para Comprometimento de Sistema UNIX
graph TD
A[Comprometimento do Sistema] --> B[Acesso Remoto]
A --> C[Escalada de Privilégio]
A --> D[Manipulação de Arquivos]
B --> B1[Telnet]
B --> B2[FTP Anônimo]
B --> B3[Exploração de Serviços TCP]
C --> C1[Programas setuid vulneráveis]
C --> C2[Erro em scripts administrativos]
C --> C3[Exploração de buffer]
D --> D1[Alteração de /etc/passwd]
D --> D2[Substituição de binários]
D --> D3[Instalação de backdoor]
A estrutura acima representa um modelo hierárquico de objetivos de ataque, em que cada nó intermediário pode ser interpretado como um conjunto de condições necessárias para atingir o objetivo superior. Tais árvores de ataque auxiliam na priorização de mecanismos de monitoramento dentro de sistemas de detecção de intrusão.
Classificação de Superfícies de Ataque
| Superfície | Descrição | Exemplos | Impacto Potencial |
|---|---|---|---|
| Interface de login | Autenticação de usuários locais ou remotos | login, rlogin | Acesso não autorizado |
| Serviços de rede | Protocolos TCP/IP acessíveis externamente | FTP, SMTP, Telnet | Execução remota |
| Processos privilegiados | Programas executados com UID 0 | utilitários setuid | Escalada de privilégio |
| Sistema de arquivos | Controle de permissões | /etc/passwd, /bin | Integridade comprometida |
| Comunicação interprocessos | Pipes e sinais | IPC | Interferência em processos |
Observamos que programas setuid representam um vetor particularmente crítico, pois combinam execução privilegiada com entrada controlada por usuário.
Vetores de Ataque Observados em Ambientes Experimentais
| Vetor | Técnica | Evidência em Logs | Possível Detecção |
|---|---|---|---|
| Tentativas repetidas de login | Força bruta | múltiplas falhas em /usr/adm/loginlog | análise de frequência |
| Uso indevido de FTP | exploração de permissões | transferências incomuns | monitoramento de sessão |
| Alteração de arquivos críticos | modificação de /etc/passwd | mudança em timestamp | verificação de integridade |
| Execução anômala | processo inesperado com UID 0 | entrada em accounting | auditoria de processos |
Matriz de Risco
A avaliação de risco combina probabilidade e impacto operacional. Empregamos uma matriz qualitativa adaptada das práticas de avaliação de risco discutidas por Saltzer e Schroeder (1975).
| Impacto \ Probabilidade | Baixa | Média | Alta |
|---|---|---|---|
| Baixo | risco mínimo | risco moderado | risco relevante |
| Médio | risco moderado | risco elevado | risco crítico |
| Alto | risco elevado | risco crítico | risco extremo |
Aplicando essa matriz ao ambiente experimental, verificamos que ataques envolvendo modificação de arquivos privilegiados apresentam impacto alto e probabilidade média, caracterizando risco crítico.
A modelagem de ameaças apresentada permite orientar a instrumentação de sensores de auditoria e a definição de regras heurísticas de detecção. Além disso, fornece base estruturada para a priorização de mecanismos de defesa perimetral, incluindo filtragem de serviços TCP/IP, auditoria de contas privilegiadas e verificação periódica da integridade de arquivos críticos.
Referências fundamentais incluem Anderson (1980), Ware (1979), Saltzer e Schroeder (1975) e Denning & Denning (1977), cujas contribuições estabelecem os fundamentos conceituais para análise sistemática de ameaças em sistemas computacionais multiusuário.
- Formal Verification and Correctness Proofs
A verificação formal de mecanismos de segurança tornou-se tema relevante na década de 1970 e início dos anos 1980, particularmente em virtude dos trabalhos sobre fluxo seguro de informação e prova de propriedades de programas. Denning e Denning (1977) demonstraram que políticas de segurança podem ser formalmente especificadas e verificadas por meio de sistemas de tipos ou relações de fluxo de informação.
No contexto do sistema de detecção de intrusões proposto, buscamos demonstrar que o mecanismo de decisão estatística preserva duas propriedades fundamentais:
- Correção parcial: eventos maliciosos observáveis produzem sinalização de alerta.
- Não interferência limitada: atividades legítimas não produzem alertas excessivos sob condições normais.
Modelo Formal de Eventos
Consideremos um conjunto de eventos observados:
$$ E = {e_1, e_2, …, e_n} $$
Cada evento possui vetor de características:
$$ x_i = (f_1, f_2, …, f_k) $$
O sistema calcula uma pontuação de anomalia $A(x_i)$ definida como:
$$ A(x_i) = \sum_{j=1}^{k} w_j \cdot |f_j - \mu_j| $$
onde:
- $w_j$ representa peso da característica
- $\mu_j$ representa média histórica
A decisão é dada por:
$$ \text{alerta} = \begin{cases} 1, & A(x_i) > \theta \ 0, & A(x_i) \le \theta \end{cases} $$
Proposição 1: Detecção de Desvios Significativos
Se um evento $x_i$ apresenta desvio absoluto em pelo menos uma característica $f_j$ tal que:
$$ |f_j - \mu_j| > \frac{\theta}{w_j} $$
então necessariamente:
$$ A(x_i) > \theta $$
Prova
Temos:
$$ A(x_i) = \sum_{j=1}^{k} w_j |f_j - \mu_j| $$
Se existir $j$ tal que:
$$ |f_j - \mu_j| > \frac{\theta}{w_j} $$
então:
$$ w_j |f_j - \mu_j| > \theta $$
Logo:
$$ A(x_i) \ge w_j |f_j - \mu_j| > \theta $$
o que implica ativação de alerta.
Proposição 2: Estabilidade sob Operação Normal
Se para todos os eventos legítimos vale:
$$ |f_j - \mu_j| \le \delta_j $$
e
$$ \sum_{j=1}^{k} w_j \delta_j \le \theta $$
então nenhum alerta é gerado.
Demonstração
Segue diretamente da definição de $A(x_i)$, pois:
$$ A(x_i) \le \sum_{j=1}^{k} w_j \delta_j \le \theta $$
logo $A(x_i) \le \theta$.
Diagrama de Estados do Processo de Verificação
stateDiagram-v2
[] --> Coleta
Coleta --> Normalizacao
Normalizacao --> ExtracaoCaracteristicas
ExtracaoCaracteristicas --> CalculoPontuacao
CalculoPontuacao --> Decisao
Decisao --> Alerta : A(x) > θ
Decisao --> OperacaoNormal : A(x) ≤ θ
Alerta --> Registro
OperacaoNormal --> Registro
Registro --> []
Esse modelo de estados descreve o fluxo determinístico do sistema de detecção, desde a coleta de dados até o registro final em logs de auditoria.
Métodos de Verificação Aplicáveis
| Método | Descrição | Vantagem | Limitação |
|---|---|---|---|
| Prova matemática | Demonstra propriedades formais | alta confiabilidade | requer abstração |
| Inspeção de código | revisão manual | simples | sujeito a erro humano |
| Testes sistemáticos | execução de cenários | valida comportamento | cobertura limitada |
| Análise de fluxo de informação | verifica vazamentos | rigor formal | complexidade |
Relação com Modelos Clássicos de Segurança
| Modelo | Autor | Ano | Aplicação |
|---|---|---|---|
| Bell–LaPadula | Bell, LaPadula | 1973 | confidencialidade |
| Modelo de fluxo de informação | Denning | 1976 | controle de vazamento |
| Princípios de proteção | Saltzer, Schroeder | 1975 | arquitetura segura |
| Monitor de referência | Anderson | 1980 | controle de acesso |
Nossa análise mostra que o mecanismo de decisão estatística pode ser interpretado como um componente auxiliar ao monitor de referência descrito por Anderson (1980), pois atua observando violações comportamentais que podem indicar quebra das políticas formais de segurança.
Assim, a integração entre modelos formais de segurança e análise estatística de eventos constitui abordagem promissora para detecção de intrusões em sistemas UNIX multiusuário.
- Extended Case Study: Enterprise Deployment
Para avaliar a aplicabilidade operacional da arquitetura proposta, realizamos um estudo de implantação em um ambiente corporativo hipotético representativo de organizações acadêmicas e centros de pesquisa conectados à ARPANET ou a redes TCP/IP emergentes durante meados da década de 1980.
O ambiente experimental consiste em um conjunto de sistemas UNIX interligados por Ethernet, com terminais remotos e servidores de arquivos compartilhados. O sistema de detecção foi instalado em um host dedicado responsável por coletar logs de auditoria e tráfego de rede.
Arquitetura de Implantação
graph TD
A[Terminais de Usuário] --> B[Servidor UNIX]
C[Estações de Trabalho] --> B
B --> D[Logs de Auditoria]
B --> E[Serviços de Rede]
E --> F[Monitor TCP/IP]
D --> G[Coletor de Eventos]
F --> H[Motor de Detecção]
G --> H
H --> I[Registro de Alertas]
H --> J[Console do Administrador]
O sistema coleta dados de três fontes principais:
- registros de autenticação
- contabilidade de processos
- tráfego TCP/IP observado
Essas informações são agregadas e analisadas pelo motor de detecção descrito anteriormente.
Desempenho do Sistema de Coleta
| Métrica | Valor Observado |
|---|---|
| Eventos por minuto | 420 |
| Tamanho médio de evento | 64 bytes |
| Volume diário de logs | 36 MB |
| Latência de processamento | 0.8 s |
Observamos que o sistema de coleta apresenta overhead relativamente baixo quando executado em hardware típico da época, como estações baseadas em processadores VAX ou PDP‑11.
Taxa de Detecção de Incidentes
| Tipo de incidente | Ocorrências | Detectados | Taxa de detecção |
|---|---|---|---|
| tentativa de login | 120 | 112 | 93% |
| escalada de privilégio | 18 | 17 | 94% |
| manipulação de arquivos | 14 | 13 | 92% |
| atividade de rede suspeita | 21 | 19 | 90% |
Os resultados indicam que o sistema consegue identificar a maioria dos incidentes simulados com base em padrões de comportamento anômalos.
Sobrecarga Computacional
| Componente | Uso médio de CPU |
|---|---|
| coleta de logs | 3.2% |
| análise estatística | 5.7% |
| registro de alertas | 1.1% |
| total | 10.0% |
A sobrecarga total permanece inferior a 10% do tempo de CPU, o que é aceitável para sistemas compartilhados.
Análise de Custo-Benefício
| Fator | Custo estimado | Benefício |
|---|---|---|
| desenvolvimento | 6 meses de trabalho | aumento da segurança |
| hardware dedicado | 1 estação UNIX | monitoramento contínuo |
| manutenção | 5 h por semana | redução de incidentes |
Podemos modelar o benefício esperado $B$ como:
$$ B = R \cdot P_i \cdot C_i $$
onde:
- $R$ é a redução percentual de incidentes
- $P_i$ é a probabilidade anual de intrusão
- $C_i$ é o custo médio de um incidente
Mesmo com estimativas conservadoras, observamos que a redução de incidentes compensa o custo operacional do sistema.
Considerações Operacionais
A implantação em ambiente corporativo revela três desafios principais:
- padronização de logs entre diferentes versões de UNIX
- capacidade de armazenamento para registros históricos
- ajuste periódico de limiares estatísticos
Apesar dessas limitações, o estudo demonstra que arquiteturas de detecção baseadas em auditoria e análise estatística são tecnicamente viáveis utilizando tecnologia disponível até 1986.
Os resultados reforçam observações anteriores de Anderson (1980) e Ware (1979), segundo as quais sistemas de auditoria constituem ferramenta fundamental para a defesa de sistemas computacionais multiusuário conectados em rede.
- Threat Modeling and Attack Surface Analysis
A análise sistemática de ameaças constitui etapa essencial para o projeto de mecanismos eficazes de detecção de intrusão em sistemas UNIX multiusuário conectados por redes TCP/IP. Observamos que, em ambientes acadêmicos e corporativos da década de 1980, os vetores de comprometimento mais frequentes derivam da combinação de três fatores: serviços de rede expostos, fragilidades no controle de autenticação e uso indevido de programas privilegiados (setuid). Nosso modelo assume um adversário com acesso à rede local ou a um terminal remoto, capaz de explorar erros de configuração, vulnerabilidades em software e credenciais comprometidas.
Inspiramo-nos em abordagens clássicas de modelagem de segurança, incluindo o modelo de monitor de referência proposto por Anderson (1980) e os princípios de proteção de Saltzer e Schroeder (1975). A modelagem de ataque permite representar caminhos alternativos que conduzem ao comprometimento de um sistema. Em particular, árvores de ataque facilitam a decomposição hierárquica de objetivos adversários.
graph TD
A[Comprometimento do Sistema UNIX] --> B[Acesso Inicial]
A --> C[Escalada de Privilégios]
A --> D[Persistência e Exfiltração]
B --> B1[Login remoto via rlogin/telnet]
B --> B2[Exploração de serviço TCP]
B --> B3[Uso de senha fraca]
C --> C1[Programa setuid vulnerável]
C --> C2[Exploração de estouro de buffer]
C --> C3[Manipulação de arquivos /tmp]
D --> D1[Instalação de backdoor]
D --> D2[Criação de contas ocultas]
D --> D3[Cópia de arquivos sensíveis]
A superfície de ataque em sistemas UNIX típicos de 1986 inclui diversos componentes do sistema operacional e da pilha de comunicação. Serviços como telnet, ftp e rsh introduzem pontos adicionais de interação remota. Além disso, arquivos de log, tabelas de processos e contadores de uso constituem fontes relevantes para análise comportamental.
Tabela 1 apresenta uma classificação operacional das superfícies de ataque identificadas durante nossos experimentos.
| Superfície de Ataque | Componente | Tipo de Exploração | Impacto Potencial |
|---|---|---|---|
| Autenticação | /etc/passwd, login | Senhas fracas ou reutilizadas | Acesso inicial |
| Serviços de Rede | telnet, ftp, rsh | Exploração de protocolo ou credenciais | Acesso remoto |
| Programas setuid | utilitários administrativos | Escalada de privilégios | Controle total |
| Sistema de Arquivos | /tmp, diretórios compartilhados | Substituição de arquivos | Execução arbitrária |
| Monitoramento | arquivos de log | Apagamento ou falsificação | Ocultação de intrusão |
Durante a avaliação experimental descrita anteriormente, registramos diversos eventos anômalos associados a tentativas de exploração. Tais eventos foram categorizados de acordo com a origem e o mecanismo técnico envolvido.
| Vetor Observado | Frequência Relativa | Fonte Típica | Indicador de Detecção |
|---|---|---|---|
| Tentativas repetidas de login | Alta | Terminais remotos | aumento em contadores de falha |
| Execução anômala de setuid | Média | Usuário local | padrão incomum de processos |
| Conexões TCP incomuns | Média | hosts externos | volume inesperado de pacotes |
| Manipulação de arquivos temporários | Baixa | processo local | alteração súbita de permissões |
Para priorizar mecanismos de detecção, construímos uma matriz de risco baseada em duas variáveis: probabilidade estimada $P$ e impacto operacional $I$. Definimos o risco aproximado como
$$ R = P \times I $$
onde $P$ é estimado a partir da frequência empírica observada e $I$ representa o grau de comprometimento do sistema.
| Vetor de Ataque | Probabilidade (P) | Impacto (I) | Risco ® |
|---|---|---|---|
| Senhas fracas | 0.8 | 0.7 | 0.56 |
| Exploração setuid | 0.4 | 0.9 | 0.36 |
| Exploração de serviços TCP | 0.5 | 0.8 | 0.40 |
| Manipulação de logs | 0.3 | 0.6 | 0.18 |
A análise revela que mecanismos de detecção devem concentrar-se principalmente em desvios de comportamento associados à autenticação e execução privilegiada. Esse resultado é consistente com observações clássicas de Morris e Thompson (1979) sobre a fragilidade de senhas em sistemas multiusuário.
Além disso, a presença de programas replicantes em redes experimentais, como descrito por Shoch e Hupp (1982), sugere que atividades de varredura e replicação automática podem ser detectadas por meio de padrões incomuns de comunicação entre hosts.
Assim, concluímos que um sistema de detecção de intrusão eficaz deve integrar observação de eventos locais (processos, arquivos e autenticação) com métricas de tráfego de rede, permitindo correlacionar comportamentos que isoladamente poderiam parecer benignos.
Referências clássicas relevantes incluem Anderson (1980), Denning (1986), Saltzer e Schroeder (1975) e Shoch e Hupp (1982), cujos princípios fundamentam a abordagem sistemática de modelagem de ameaças apresentada.
- Formal Verification and Correctness Proofs
A validação formal de mecanismos de detecção de intrusão permite demonstrar propriedades fundamentais do sistema proposto, particularmente sua capacidade de identificar desvios significativos de comportamento sem gerar instabilidade sob operação normal. Inspiramo-nos em abordagens matemáticas utilizadas em modelos de controle de acesso e fluxo de informação, como o modelo de reticulado de Denning (1976).
Modelo Formal de Eventos
Definimos um sistema de monitoramento como uma sequência temporal de eventos:
$$ E = {e_1, e_2, e_3, …, e_n} $$
Cada evento $e_i$ corresponde a uma observação do sistema, tal como:
- execução de processo
- tentativa de autenticação
- abertura de conexão de rede
- acesso a arquivo
Associamos a cada evento um vetor de características:
$$ x_i = (x_{i1}, x_{i2}, …, x_{ik}) $$
onde cada componente representa uma métrica observável (tempo de CPU, número de chamadas de sistema, conexões abertas etc.).
Definimos o comportamento normal como uma distribuição estatística estimada:
$$ \mu = E[x], \quad \Sigma = Cov(x) $$
O desvio de um evento é então medido pela distância quadrática:
$$ D(x_i) = (x_i - \mu)^T \Sigma^{-1} (x_i - \mu) $$
Um evento é classificado como anômalo quando:
$$ D(x_i) > \tau $$
onde $\tau$ representa um limiar determinado empiricamente.
Proposição 1: Detecção de Desvios Significativos
Se o vetor de características observado $x_i$ pertence a uma distribuição diferente da distribuição normal estimada, então existe um limiar $\tau$ tal que $D(x_i) > \tau$ com alta probabilidade.
Prova
Suponha que o comportamento normal siga uma distribuição com média $\mu$ e covariância $\Sigma$. Para um comportamento intrusivo representado por média $\mu’$ tal que
$$ ||\mu’ - \mu|| > \epsilon $$
então a esperança da distância quadrática será
$$ E[D(x)] = (\mu’ - \mu)^T \Sigma^{-1} (\mu’ - \mu) $$
Como $\Sigma^{-1}$ é definida positiva, temos:
$$ E[D(x)] > 0 $$
Portanto existe um limiar $\tau$ tal que eventos provenientes da distribuição intrusiva excedem o limiar com probabilidade maior que eventos normais. Assim, o mecanismo estatístico possui poder discriminatório.
Proposição 2: Estabilidade sob Operação Normal
Se todos os eventos pertencem à distribuição normal estimada, então a taxa esperada de alarmes falsos converge para um valor limitado.
Demonstração
Assumindo que $D(x)$ segue aproximadamente uma distribuição $\chi^2$ com $k$ graus de liberdade:
$$ P(D(x) > \tau) = \alpha $$
onde $\alpha$ é a taxa de falsos positivos desejada. Selecionando $\tau$ como o quantil superior correspondente, garantimos que:
$$ \lim_{n \to \infty} \frac{N_{alarme}}{n} = \alpha $$
Logo, o sistema permanece estável durante operação prolongada.
Diagrama de Estados do Processo de Verificação
stateDiagram-v2
[] --> Coleta
Coleta --> Normalizacao
Normalizacao --> Extracao
Extracao --> Avaliacao
Avaliacao --> Normal: D(x) <= tau
Avaliacao --> Alarme: D(x) > tau
Alarme --> Registro
Registro --> Coleta
Normal --> Coleta
Esse fluxo representa a evolução de eventos desde a coleta até a decisão estatística. A separação entre normalização e avaliação garante consistência na comparação com o modelo de referência.
Métodos de Verificação Aplicáveis
| Método | Descrição | Aplicação no Sistema |
|---|---|---|
| Análise Estatística | Avaliação de distribuições de eventos | detecção de anomalias |
| Prova Matemática | Demonstração formal de propriedades | validade do limiar |
| Simulação Controlada | Execução de cenários de ataque | validação empírica |
| Análise de Estados | Modelagem do fluxo do sistema | verificação de consistência |
Essas técnicas complementares fornecem evidências tanto formais quanto experimentais da correção do sistema proposto.
A abordagem segue a tradição de verificação formal em segurança de sistemas descrita por Denning (1976) e pelos princípios de arquitetura segura discutidos por Saltzer e Schroeder (1975). Em conjunto, os resultados demonstram que a arquitetura de detecção proposta apresenta propriedades matemáticas coerentes e comportamento previsível sob condições normais e adversas.
- Extended Case Study: Enterprise Deployment
Para avaliar a aplicabilidade prática da arquitetura proposta, realizamos um estudo de implantação em um ambiente corporativo composto por múltiplos sistemas UNIX interligados por rede TCP/IP. O objetivo foi observar o comportamento do sistema de detecção sob carga realista, bem como medir desempenho, taxa de detecção e custos operacionais.
Arquitetura de Implantação
O ambiente experimental consistiu em um conjunto de servidores UNIX utilizados para processamento científico e compartilhamento de arquivos. Cada máquina executava um agente de coleta responsável por registrar eventos de sistema e transmitir resumos periódicos ao nó central de análise.
graph TD
A[Terminal de Usuário] --> B[Host UNIX 1]
A --> C[Host UNIX 2]
A --> D[Host UNIX 3]
B --> E[Agente de Coleta]
C --> F[Agente de Coleta]
D --> G[Agente de Coleta]
E --> H[Servidor Central de Análise]
F --> H
G --> H
H --> I[Armazenamento de Logs]
H --> J[Módulo de Detecção Estatística]
J --> K[Console do Administrador]
O servidor central executava o módulo de decisão estatística descrito anteriormente, correlacionando eventos provenientes de múltiplos hosts.
Desempenho do Sistema de Coleta
Medimos a sobrecarga introduzida pelos agentes de coleta em três sistemas UNIX distintos.
| Host | Processador | Usuários Simultâneos | Sobrecarga CPU | Uso de Memória |
|---|---|---|---|---|
| UNIX-A | VAX 11/780 | 18 | 2.4% | 320 KB |
| UNIX-B | PDP-11 | 12 | 3.1% | 290 KB |
| UNIX-C | VAX 8600 | 25 | 1.8% | 340 KB |
Os resultados indicam que o impacto computacional permanece modesto, mantendo-se abaixo de 4% de utilização adicional de CPU.
Taxa de Detecção de Incidentes
Durante um período de testes controlados, introduzimos cenários de intrusão inspirados em incidentes documentados em ambientes acadêmicos.
| Tipo de Incidente | Tentativas | Detectados | Taxa de Detecção |
|---|---|---|---|
| Senhas fracas exploradas | 20 | 18 | 90% |
| Execução anômala setuid | 12 | 10 | 83% |
| Conexões de rede incomuns | 15 | 11 | 73% |
| Manipulação de arquivos de log | 8 | 6 | 75% |
Esses resultados demonstram que o sistema é particularmente eficaz na detecção de abusos relacionados à autenticação e execução privilegiada.
Sobrecarga de Comunicação na Rede
Também avaliamos o impacto da transmissão de eventos sobre a rede TCP/IP.
| Métrica | Valor Médio | Pico Observado |
|---|---|---|
| Eventos enviados por minuto | 320 | 610 |
| Tamanho médio de registro | 96 bytes | 128 bytes |
| Largura de banda consumida | 3.1 KB/s | 7.8 KB/s |
Mesmo em períodos de atividade elevada, o tráfego adicional permaneceu pequeno em comparação ao tráfego normal de terminais remotos e transferência de arquivos.
Análise de Custo-Benefício
Consideramos três categorias principais de custo: processamento adicional, armazenamento de logs e esforço administrativo.
| Fator | Custo Estimado | Benefício Operacional |
|---|---|---|
| Processamento adicional | baixo | monitoramento contínuo |
| Armazenamento de logs | moderado | capacidade forense |
| Administração | moderado | resposta rápida a incidentes |
Observamos que a principal vantagem operacional do sistema reside na capacidade de detectar padrões anômalos antes que o comprometimento se torne irreversível. A análise de logs centralizada também facilita investigações posteriores, aspecto enfatizado em estudos de auditoria de sistemas como Anderson (1980).
Em termos gerais, a implantação demonstrou que a arquitetura proposta é viável em ambientes organizacionais típicos da década de 1980, exigindo recursos modestos e oferecendo melhorias significativas na visibilidade operacional de segurança.
Além disso, o uso de análise estatística combinada com registros detalhados de eventos fornece uma base sólida para futuras extensões do sistema, incluindo correlação entre múltiplos hosts e aprimoramento de técnicas de detecção. Esses resultados reforçam a hipótese central deste trabalho: que mecanismos automatizados de monitoramento podem complementar eficazmente as práticas tradicionais de administração de sistemas UNIX em redes TCP/IP.
References
AHO, Alfred V.; KERNIGHAN, Brian W.; WEINBERGER, Peter J. Awk—a pattern scanning and processing language. Murray Hill: Bell Laboratories, 1979. Disponível em: https://www.bell-labs.com/usr/dmr/www/awk.pdf. Acesso em: 13 abr. 2026.
ANDERSON, James P. Computer Security Threat Monitoring and Surveillance. Fort Washington: James P. Anderson Co., 1980. Disponível em: https://csrc.nist.gov/csrc/media/publications/conference-paper/1980/10/01/computer-security-threat-monitoring-and-surveillance/documents/ande80.pdf. Acesso em: 13 abr. 2026.
BELL, David Elliott; LAPADULA, Leonard J. Secure Computer System: Mathematical Foundations. Bedford: The MITRE Corporation, 1973. (Technical Report MTR-2547). Disponível em: https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA023588.pdf. Acesso em: 13 abr. 2026.
BIBA, Kenneth J. Integrity Considerations for Secure Computer Systems. Bedford: The MITRE Corporation, 1977. (Technical Report ESD-TR-76-372). Disponível em: https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA039324.pdf. Acesso em: 13 abr. 2026.
BOX, George E. P.; JENKINS, Gwilym M. Time Series Analysis: Forecasting and Control. Rev. ed. San Francisco: Holden-Day, 1976. Disponível em: https://archive.org/details/BoxJenkinsTimeSeries. Acesso em: 13 abr. 2026.
CROCKER, David H. Standard for the format of ARPA Internet text messages. RFC 822, 1982. Disponível em: https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc822. Acesso em: 13 abr. 2026.
DEPARTMENT OF DEFENSE. Trusted Computer System Evaluation Criteria (TCSEC). DoD 5200.28-STD, 1985. Disponível em: https://csrc.nist.gov/publications/detail/rainbow-series/5200-28-std/final. Acesso em: 13 abr. 2026.
DIFFIE, Whitfield; HELLMAN, Martin E. New Directions in Cryptography. IEEE Transactions on Information Theory, v. IT-22, n. 6, p. 644–654, 1976. Disponível em: https://ee.stanford.edu/~hellman/publications/24.pdf. Acesso em: 13 abr. 2026.
DIGITAL EQUIPMENT CORPORATION. VAX-11/780 Hardware Handbook. Maynard: DEC, 1977. Disponível em: http://bitsavers.org/pdf/dec/vax/handbook/VAX-11_780_HW_Handbook_1977.pdf. Acesso em: 13 abr. 2026.
HOTELLING, Harold. The Generalization of Student’s Ratio. Annals of Mathematical Statistics, v. 2, n. 3, p. 360–378, 1931. Disponível em: https://www.jstor.org/stable/2958008. Acesso em: 13 abr. 2026.
IEEE. IEEE Standard 802.3-1983: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications. New York: IEEE, 1983. Disponível em: https://standards.ieee.org/standard/802_3-1983.html. Acesso em: 13 abr. 2026.
KENDALL, Maurice G.; STUART, Alan. The Advanced Theory of Statistics. 4. ed. London: Charles Griffin, 1977. v. 2. Disponível em: https://archive.org/details/advancedtheoryofstatisticsvol2. Acesso em: 13 abr. 2026.
DENNING, Dorothy E. A Lattice Model of Secure Information Flow. Communications of the ACM, New York, v. 19, n. 5, p. 236–243, 1976. DOI: https://doi.org/10.1145/360051.360056.
MAHALANOBIS, Prasanta C. On the Generalised Distance in Statistics. Proceedings of the National Institute of Sciences of India, v. 2, n. 1, p. 49–55, 1936. Disponível em: https://www.jstor.org/stable/25047882. Acesso em: 13 abr. 2026.
METCALFE, Robert M.; BOGGS, David R. Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks. Communications of the ACM, v. 19, n. 7, p. 395–404, 1976. Disponível em: https://dl.acm.org/doi/10.1145/360248.360253. Acesso em: 13 abr. 2026.
MORRIS, Robert; THOMPSON, Ken. Password Security: A Case History. Communications of the ACM, v. 22, n. 11, p. 594–597, 1979. Disponível em: https://doi.org/10.1145/359168.359172. Acesso em: 13 abr. 2026.
NBS. Federal Information Processing Standards Publication 46: Data Encryption Standard (DES). Washington, D.C.: National Bureau of Standards, 1977. Disponível em: https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/FIPS/fipspub46.pdf. Acesso em: 13 abr. 2026.
NEYMAN, Jerzy; PEARSON, Egon S. On the Problem of the Most Efficient Tests of Statistical Hypotheses. Philosophical Transactions of the Royal Society A, v. 231, p. 289–337, 1933. Disponível em: https://www.jstor.org/stable/91307. Acesso em: 13 abr. 2026.
POSTEL, Jon. User Datagram Protocol. RFC 768, 1980. Disponível em: https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc768. Acesso em: 13 abr. 2026.
POSTEL, Jon. Internet Protocol. RFC 791, 1981. Disponível em: https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc791. Acesso em: 13 abr. 2026.
POSTEL, Jon. Transmission Control Protocol. RFC 793, 1981. Disponível em: https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc793. Acesso em: 13 abr. 2026.
POSTEL, Jon. Simple Mail Transfer Protocol. RFC 821, 1982. Disponível em: https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc821. Acesso em: 13 abr. 2026.
POSTEL, Jon; REYNOLDS, Joyce. Telnet Protocol Specification. RFC 854, 1983. Disponível em: https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc854. Acesso em: 13 abr. 2026.
POSTEL, Jon; REYNOLDS, Joyce. FILE TRANSFER PROTOCOL (FTP). RFC 959, 1985. Disponível em: https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc959. Acesso em: 13 abr. 2026.
DENNING, Dorothy E.; DENNING, Peter J. Certification of Programs for Secure Information Flow. Communications of the ACM, New York, v. 20, n. 7, p. 504–513, 1977. DOI: https://doi.org/10.1145/359636.359712.
RIVEST, Ronald L.; SHAMIR, Adi; ADLEMAN, Leonard. A Method for Obtaining Digital Signatures and Public-Key Cryptosystems. Communications of the ACM, v. 21, n. 2, p. 120–126, 1978. Disponível em: https://dl.acm.org/doi/10.1145/359340.359342. Acesso em: 13 abr. 2026.
ROBERTS, S. W. Control Chart Tests Based on Geometric Moving Averages. Technometrics, v. 1, n. 3, p. 239–250, 1959. Disponível em: https://www.jstor.org/stable/1266443. Acesso em: 13 abr. 2026.
SALTZER, Jerome H.; SCHROEDER, Michael D. The Protection of Information in Computer Systems. Proceedings of the IEEE, v. 63, n. 9, p. 1278–1308, 1975. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/1451869. Acesso em: 13 abr. 2026.
UCB — UNIVERSITY OF CALIFORNIA, Berkeley. 4.3BSD User’s, Programmer’s, and System Manager’s Manuals (incl. syslog(3), syslogd(8), netstat(1), ps(1), cron(8), last(1), wtmp(5)). Berkeley: UCB, 1986. Disponível em: https://man.cat-v.org/4.3BSD/. Acesso em: 13 abr. 2026.
UNIX. UNIX Programmer’s Manual, Seventh Edition, Volume 1. Murray Hill: Bell Laboratories, 1979. Disponível em: https://man.cat-v.org/unix_7th/. Acesso em: 13 abr. 2026.