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빅 데이터 기반의 네트워크 패킷 분석 모델
The Model of Network Packet Analysis based on Big Data 원문보기 논문타임라인

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.23 no.5, 2013년, pp.392 - 399  

최보민 (가천대학교 컴퓨터공학과) ,  공종환 (가천대학교 컴퓨터공학과) ,  한명묵 (가천대학교 컴퓨터공학과)

초록
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IT 기술 발달 및 정보화 시대로 인해 우리 사회 전반에 걸쳐 많은 부분이 네트워크에 대한 의존도가 상당히 커지고 있다. 이는 다양한 정보 및 서비스 획득의 용이성을 제공해 주는 이점이 있는 반면에, 네트워크 침입자들로 하여금 더 많은 취약성의 루트를 제공할 수 있는 부정적 효과도 따르고 있다. 이는 네트워크 이용과 함께 증가한 패킷의 다양한 루트를 악용하여 네트워크의 연결된 시스템에 서비스 장애나 마비를 일으키는 악의적인 위협 및 공격 또한 함께 증가하고 있음을 의미하며 이러한 문제에 대한 해결책이 시급히 필요하다. 이에 보안 분야에서는 네트워크 패킷이나 시스템 로그 등을 수집하여 이를 분석하고 이러한 위협에 대응할 수 있는 다양한 보안 솔루션을 개발하고 있으나, 기존의 분석 방식들로는 점차 방대해져가고 있는 보안 데이터들을 처리하는데 데이터 저장 공간 부족 및 이에 따른 성능 저하와 같은 여러 문제점들이 발생하고 있다. 따라서 본 논문에서는 보안 영역 분야에서도 최근 이슈가 되고 있는 빅 데이터 기술을 적용하여 이러한 문제점들을 개선하는 모델을 제안한다. 즉, 대용량 데이터 저장 기술인 NoSQL을 통해 점차 방대해져 가는 패킷데이터를 수집하고, 분산 프로그래밍모델인 맵리듀스 기반의 K-means 클러스터링을 설계하여 네트워크 침입에 대한 특징 및 패턴을 추출 할 수 있는 분석모델을 제안하고 실험을 통하여 이에 대한 우수성을 입증하였다.

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Due to the development of IT technology and the information age, a dependency of the network over the most of our lives have grown to a greater extent. Although it provides us to get various useful information and service, it also has negative effectiveness that can provide network intruder with vul...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이에 본 논문에서는 대용량화 되어가고 있는 패킷 데이터들을 보다 효율적으로 수집하고 분석하기 위해 빅 데이터 기술을 적용할 것을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 패킷데이터 분석 모델에서는 NoSQL기반의 데이터 저장소를 통하여 데이터 저장 공간 부족 및 이에 따른 성능적 결함을 해결하고자 하였고, 수집된 대량의 패킷 데이터를 분산 프로그래밍 모델인 맵리듀스 기반의 K-means클러스터링의 구현을 통하여 보다 신속하게 분석을 수행하여 위협적인 침입에 빠르게 대응 할 수 있는 빅 데이터 기술 기반의 패킷 분석 모델을 제안한다.
  • 본 논문에서는 증가하는 네트워크 패킷들로 인해 기존 보안 분석 모델들이 갖는 문제의 어려움을 자각하고, 이에 새로이 등장하고 있는 빅 데이터 기술을 이용하여 이러한 문제점을 해결할 것을 제안하였다. 즉, NoSQL 기반의 데이터 저장소를 통해 패킷 데이터 수집의 저장 공간 부족 문제를 해결하고, 맵리듀스 설계를 이용한 K-means 클러스터링 기반의 분석 모델을 통해 이를 분산 처리하여 이전 모델 들의 성능적인 한계를 개선하고, 이에 대한 우수한 성능을 입증하였다.
  • 이에 본 논문에서는 대용량화 되어가고 있는 패킷 데이터들을 보다 효율적으로 수집하고 분석하기 위해 빅 데이터 기술을 적용할 것을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 패킷데이터 분석 모델에서는 NoSQL기반의 데이터 저장소를 통하여 데이터 저장 공간 부족 및 이에 따른 성능적 결함을 해결하고자 하였고, 수집된 대량의 패킷 데이터를 분산 프로그래밍 모델인 맵리듀스 기반의 K-means클러스터링의 구현을 통하여 보다 신속하게 분석을 수행하여 위협적인 침입에 빠르게 대응 할 수 있는 빅 데이터 기술 기반의 패킷 분석 모델을 제안한다.

가설 설정

  • 실험 데이터로는 Back공격에 대한 특징을 추출하고자 임의의 10만개, 100만개, 1000만개의 패킷 데이터를 선정하였으며, 분석에 이용되는 필드는 [실험 2]에서와 마찬가지로 파싱된 특징필드를 사용하여 시스템 비용의 효율성을 높였다. 클러스터 개수는 임의로 k=5로설정하였으며, 제안하는 방식의 K-means 클러스터링의 경우 4개의 map을 통하여 분산 처리되도록 모델을 설계하였다. 이를 수행한 속도를 측정한 결과는 표 6과 같이 산출되었으며, 이를 그래프로 나타낸 것이 그림 9이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
네트워크 패킷 데이터가 침입에 대한 특징이나 패턴 등을 판단하는데 중요 척도가 될 수 있는 이유는 무엇인가? 해마다 증가하고 다양해지고 있는 공격을 탐지하고 이에 대응하기 위해 보안 데이터 분석에 대한 중요도가 점차 커지고 있다. 특히, 네트워크 패킷 데이터는 다양한 필드의 정보를 담고 있기 때문에 이를 분석하여 얻은 결과들은 침입에 대한 특징이나 패턴 등을 판단하는데 중요 척도가 될 수 있다. 기존의 패킷 분석은 주로 전문가를 통해 이루어져 왔다.
침입 탐지 모델이란 무엇인가? 침입 탐지 모델의 경우 대게 트래픽이나 패킷과 같이 네트워크로부터 수집된 보안 관련 정보들을 분석하여 공격패턴을 추출하고 이를 기반으로 침입 또는 오용을 탐지할 뿐아니라 침입에 대한 적절한 대응취하는 보안 솔루션 모델이다[2]. 그림 1은 침입탐지 모델의 주요 기능 및 절차를 나타낸 것이다.
네트워크에 대한 의존도가 커진 것은 어떤 장단점이 있는가? IT 기술 발달 및 정보화 시대로 인해 우리 사회 전반에 걸쳐 많은 부분이 네트워크에 대한 의존도가 상당히 커지고 있다. 이는 다양한 정보 및 서비스 획득의 용이성을 제공해 주는 이점이 있는 반면에, 네트워크 침입자들로 하여금 더 많은 취약성의 루트를 제공할 수 있는 부정적 효과도 따르고 있다. 이는 네트워크 이용과 함께 증가한 패킷의 다양한 루트를 악용하여 네트워크의 연결된 시스템에 서비스 장애나 마비를 일으키는 악의적인 위협 및 공격 또한 함께 증가하고 있음을 의미하며 이러한 문제에 대한 해결책이 시급히 필요하다. 이에 보안 분야에서는 네트워크 패킷이나 시스템 로그 등을 수집하여 이를 분석하고 이러한 위협에 대응할 수 있는 다양한 보안 솔루션을 개발하고 있으나, 기존의 분석 방식들로는 점차 방대해져가고 있는 보안 데이터들을 처리하는데 데이터 저장 공간 부족 및 이에 따른 성능 저하와 같은 여러 문제점들이 발생하고 있다.
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참고문헌 (16)

  1. Dae-Soo Choi and Yong-Min Kim, "Big Data and Enterprise Security 2.0", Journal of the Korean Institute of Information Scientists and Engineers(KIISE), vol. 30, no. 6, pp.65-72, Jun. 2012. 

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    컴퓨터와 스마트 기기의 발전에 따른 인터넷 접근 방식 수단의 다양화는 우리 삶에 많은 이점을 제공해 주고 있지만, 이는 또한 네트워크 공격자로 하여금 보다 다양한 공격 방법과 기술, 표적 대상 등 수 많은 보안 위협의 경로를 제공하고 있다[1].

  2. Kim Hyun-Woo, Shin Seong-Jun, Lee Seung-Min, and Jeong Seok-Bong, "Network-based Intrusion Detection Scheme using Markov Chin Model", Journal of Decision Science, Vol. 20, No. 1, pp.75-88, Nov. 2012. 

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    침입 탐지 모델의 경우 대게 트래픽이나 패킷과 같이 네트워크로부터 수집된 보안 관련 정보들을 분석하여 공격패턴을 추출하고 이를 기반으로 침입 또는 오용을 탐지할 뿐 아니라 침입에 대한 적절한 대응취하는 보안 솔루션 모델이다[2].

  3. Kim Sang Beom, "Reserach on development direction of network intrusion detection system", M.A., Yonsei University, 2008. 

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    그러나 널리 알려진 공격의 경우 전문가의 선험적 지식을 통해 시그니처(Signiture) 생성이 가능하였지만, 변형되거나 새로운 공격유형이 많아지고 그 데이터의 양이 증가하게 되면서 기존의 사람이 하던 방식의 분석은 여러 가지 어려움이 동반하며, 많은 양의 분석 비용 또한 요구되는 단점이 있다[3].

  4. Hansung Lee, Jiyung Song, Eunyoung Kim, Chulho Lee, and Daihee Park, "Adaptive Intrusion Detection System Based on SVM and Clustering", Proceedings of KIIS Conference, vol. 13, no. 2, pp. 237-242, Jun. 2005. 

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    클러스터링의 경우 별도의 질 좋은 학습 데이터를 찾으려는 수고를 덜어주고, 이 과정을 생략함으로써 시간을 단축 시켜 줄 수 있으며, 새로운 유형의 침입 탐지 패턴 추출에 보다 유용하다는 장점이 있다[4].

  5. Jong-Ha Ahn and Dae-Won Kim, "Compression-based Anomaly Detection using K-means Clustering, Journal of the Korean Institute of Information Scientists and Engineers(KIISE) , vol. 39, no. 8, pp. 605-612, Aug. 2012. 

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    한편으로는 이러한 문제에 대응하기 위하여 데이터 압축과정을 통한 클러스터링을 구현하여 성능적인 결함을 개선하려는 방안을 제시한 바가 있다[5].

  6. Kyle Banker, MongoDB in Action, Oreilly & Associates, Aug. 2010. 

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    이러한 문제점을 해결하고자 등장하게 된 기술이 ‘Not Only SQL’의 약자로 정의 되고 있는 NoSQL방식인데, 이는 데이터 모델링을 위한 고정된 데이터 스키마가 없다는 것이 가장 큰 특징이다[6].

  7. Varun Chandola, Arindam Banerjee, and Vipin Kumar, "Anomaly Detection : A Survey," in ACM Computing Surveys, vol.41 no. 3, Jul. 2009 

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    클러스터는 같은 클러스터 내에서의 객체 집합은 유사성을 보이고, 다른 클러스터 간의 객체들의 성질은 상이성을 보이는 객체들이 집합을 의미함으로써, 데이터들 간의 전체 적인 속성 및 패턴 또는 의미 있는 상관관계를 산출 해 낼 수 있다[7].

  8. Kumar, Vipin, Pang-Ning Tan, and Michael Steinbach, Introduction to data mining, Addison-Wesley, 2005 

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    K-means 클러스터링의 알고리즘 적인 복잡도는 다음의 식 (1)과 같이 표현될 수 있는데, 이는 레코드의 개수(n)가 증가할수록 알고리즘의 수행 시간이 증가하여 속도가 느려짐을 알 수 있다[8].

  9. Zhao, Weizhong, Huifang Ma, and Qing He, Cloud Computing, Springer Berlin Heidelberg, 2009. 

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    이에 기존의 K-means 클러스터링 구조에 빅 데이터 환경에서의 대표적인 분산 프로그래밍 기법인 맵리듀스를 적용이 이루어지고 있다[9].

  10. Jeffrey Dean and Sanjay Ghemawat, "MapReduce: simplified data processing on large clusters," Communications of the ACM - 50th anniversary , vol. 51, no. 1, pp. 107-113, 2008 

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    맵리듀스란 대용량 데이터를 병렬로 처리하기 위한 프로 그래밍 모델로서, 맵(Map)과 리듀스(Reduce) 두 함수의 조합을 통해 분산/병렬 시스템을 운용하며 두 함수는 표 3과같이 표현 될 수 있다[10].

  11. Olusola, Adetunmbi A., Adeola S. Oladele, and Daramola O. Abosede, "Analysis of KDD'99 Intrusion Detection Dataset for Selection of Relevance Features." Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science. vol. 1. pp. 20-22, Oct. 2010. 

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    본 논문에서는 KDD'99의 네트워크 패킷을 실험 데이터로 이용하였으며, 데이터 파싱 과정에서 이용되는 특징 필드들의 선별은 선 연구를 통해 산출된 자료를 기반으로 하고 있다[11].

  12. Jaekwang Kim, KwangHo Yoon, Seunghoon Lee, Je-hee Jung, Jeehyong Lee, "A Slow Portscan Attack Detection and Countermove Mechanism based on Fuzzy Logic," INTERNATIONAL JOURNAL of FUZZY LOGIC and INTELLIGENT, Vol.18, No.5, pp 679-684, 2008 

  13. Kwee-Bo Sim, Jae-Won Yang, Dong-Wook Lee, Dong-Il Seo, Yang-Seo Choi, "Intrusion Detection System of Network Based on Biological Immune System," INTERNATIONAL JOURNAL of FUZZY LOGIC and INTELLIGENT, Vol.12, No.5, pp 411-416, 2002 

  14. Se-Yul Lee , Yong-Soo Kim, Kwee-Bo Sim, "A Study on Network based Intelligent Intrusion Prevention model by using Fuzzy Cognitive Maps on Denial of Service Attack," INTERNATIONAL JOURNAL of FUZZY LOGIC and INTELLIGENT, Vol.13, No.2, pp 148-153, 2003 

  15. Kwee-Bo Sim, Jae-Won Yang, Young-Soo Kim, Se-Yul Lee, "Intrusion Detection Learning Algorithm using Adaptive Anomaly Detector," INTERNATIONAL JOURNAL of FUZZY LOGIC and INTELLIGENT, Vol.14, No.4, pp 451-456, 2004 

  16. Kwee-Bo Sim, Jae-Won Yang, Dong-Wook Lee, Dong-Il Seo, and Yang-Seo Choi, "Adaptive Intrusion Detection Algorithm based on Learning Algorithm," INTERNATIONAL JOURNAL of FUZZY LOGIC and INTELLIGENT, Vol.14, No.1, pp 75-81, 2004 

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