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Projeto de Pesquisa

      

Os trabalhos de pesquisa do laboratório têm um perfil predominantemente teórico, de investigação e concepção  de algoritmos, mecanismos e sistemas para a defesa cibernética. O foco é nas atividades de pesquisa básica, conforme objetivo do próprio Instituto. A análise do desempenho de soluções propostas também faz parte das atividades.

Os tópicos principais de pesquisa incluídos no escopo do projeto são: Análise de Malware, Botnets, DDoS e Criptologia. Como áreas afins e de apoio aos tópicos principais, pode-se destacar: Computação de Alto Desempenho e Aprendizado de Máquina.

No entanto, a fim de melhor orientar os trabalhos em torno de uma meta comum e bem definida, imagina-se a construção de um sistema integrado de defesa cibernética  (SiSDefCiber) conforme o diagrama abaixo (Cardoso & Salles - SBSeg 2012).

sistema integrado defesa cibernética

Análise de Malware

      

Com o grande crescimento e popularização de serviços eletrônicos como o uso de e-mail e sites web, cresceram também as ameaças virtuais como vírus, worms e outros agentes de software malicioso ("malwares"). Torna-se necessário então criar uma base de conhecimento sobre essas categorias de software para que possamos evitar fraudes, invasões e até mesmo estarmos preparados para uma Guerra Cibernética.

As atividades previstas nesta linha de pesquisa têm como objetivo principal incentivar a pesquisa básica e aplicada na área de malware, de tal forma a poder criar um conhecimento avançado sobre o funcionamento de vírus, worms, spywares, trojans e outros agentes de software maliciosos, de tal forma a permitir o melhor entendimento de suas técnicas de replicação e infecção, assim como o desenvolvimento de defesas proprietárias, ou seja, softwares antivírus.

A análise de malware pode ser manual, feita por especialistas utilizando-se ferramentas como disassemblers e debuggers, ou automática, utilizando-se inteligência artifical como, por exemplo, técnicas de aprendizado de máquina.

A análise comprende ainda técnicas estáticas e dinâmicas:

  • Análise Estática - sem a execução do malware, utilizando técnicas de busca de informações (cabeçalhos ELF e PE), disassemblers, debuggers, descompilação, extração de strings, busca de código-fonte, etc. Utilização de ferramentas como IDA Pro, Boomerang e REC.
  • Análise Dinâmica – execução do malware em ambiente controlado e monitoramento do seu comportamento (chamadas do sistema, processos em memória, captura do tráfego da rede, diretórios compartilhados, catálogo de endereços, e outros recursos da máquina). Utilização de sandboxes automáticas como Cuckoo, ou de ferramentas como VMWare, UML, STrace, TCP-dump, Ethereal, Filemon, RegMon, TDIMon, TCPView, DiskMon, Handle, Lis-tDLLs, ProcessExplorer, PortMon, SDelete, Autoruns, BinText, RegShot, ProcDump, OllyDbg, Snort, Packers, entre outros.

A pesquisa na área de malware no IME prevê o estudo das diversas áreas do conhecimento envolvidas na montagem de um Laboratório de Malware:

  • Coleta de artefatos maliciosos com honeypots de baixa interação;
  • Análise dinâmica automática com o uso de sandboxes e aprendizado de máquina;
  • Análise estática automática com detecção de anomalias estatísticas;
  • Análise manual com a utilização de ferramentas;
  • Implementação de software antivírus para Windows;
  • Criação de bases de dados de assinaturas;
  • Entre outras.

mwlab

Botnets

As botnets são redes formadas por hosts escravos, denominados bots (derivado do termo Robot), que são controladas por um ou mais atacantes, denominados botmasters ou botherders, que tem por objetivo realizar algum tipo de ação maliciosa. Em outras palavras, os bots são códigos maliciosos executados em computadores de forma a permitir que os botmasters controlem e realizem ações remotamente.

A detecção e desarticulação das botnets constituem importantes ações proativas de defesa cinernética, tendo em vista que podem evitar os mais diversos tipos de danos aos sistemas antes mesmo que os ataques cibernéticos ocorram.

De maneira geral as botnets apresentam um ciclo de vida conforme a figura abaixo (Cardoso & Salles 2011). As fases 3 e 5 são as mais vulnerávies e, sendo assim, as mais importantes para os esquemas de detecção. Caso a botnet alcance a fase 4, o esquema de detecção falhou e o sistema de defesa cibernética deve atuar no próximo estágio, que é o de tratamento (detecção, mitigação, proteção) das ações maliciosas.

ciclo de vida botnets

DDoS - Ataques Distribuídos de Negação de Serviço

A Internet desde o princípio da sua concepção teve como prioridade características como flexibilidade e escalabilidade. Aspectos relativos a segurança sempre foram relegados a segundo plano. O funcionamento padrão da Internet não permite, por exemplo, que as requisições feitas por um cliente a um servidor sejam autenticadas. Tal propriedade impede a diferenciação de um usuário legítimo para um malicioso.

O ataque de negação de serviço (DoS – Denial of Service) tem como objetivo que usuários legítimos não consigam utilizar de forma satisfatória algum serviço em face da ação de usuários maliciosos. Isto pode ocorrer em uma série de contextos, desde sistemas operacionais até serviços de rede.

Quando um ataque DoS é proveniente de múltiplas fontes o definimos como ataque distribuído de negação de serviço (DdoS - Distributed Denial of Service). Com a utilização de múltiplas fontes é possível o atacante multiplicar seu o poder de ataque à vítima. Os ataques DdoS podem ocorrer de duas formas principais:

  • Utilizando falhas ou características específicas dos protocolos de rede ou implementação dos sistemas de forma que os recursos da vítima sejam excessivamente utilizados pelos usuários maliciosos;
  • Esgotando a capacidade dos enlaces utilizados para prover determinado serviço através de tráfego gerado pelos usuários malicioso.

Ataques DDoS podem utilizar desde dezenas de computadores até milhões de máquinas engajadas no ataque. Nos dias de hoje observamos ataques com as mais variadas motivações. Desde ataques realizados por hackers isolados, passando por grupos criminosos organizados e chegando até a ataques que provavelmente são realizados como uma nova frente de batalha no combate moderno.

Um ataque DDoS não é apenas capaz de indisponibilizar sites da web. Seu poderio é muito maior, podendo atingir a infraestrutura crítica de um país (energia, transportes, comunicações, etc...) já que esta encontra-se fortemente dependente da internet para o seu pleno funcionamento.

Criptologia

O grupo trabalha na análise e desenvolvimento de algoritmos criptográficos com o objetivo em longo prazo de propor um sistema de certificação para algoritmos criptográficos.

Os objetivos em médio e curto prazo são a investigação sobre novas técnicas para tratar da segurança da informação, a análise e desenvolvimento de novas funções primitivas e estruturas de algoritmos criptográficos mais seguros, a análise dos ensaios estatísticos adotados em organizações internacionais de certificação e o desenvolvimento de propostas de novos ensaios criados para as pesquisas do próprio grupo.

Computação de Alto Desempenho

A computação de alto desempenho baseia-se no conceito de agrupamento, onde vários processadores, conectados através de diversos meios de comunicação, operam em conjunto com o objetivo de alcançar alto desempenho.

Sistemas com um grande número de processadores, em geral, seguem uma entre duas vertentes: em uma abordagem, por exemplo, de grade computacional, a capacidade de processamento de um grande número de computadores distribuídos em diversos domínios administrativos é convenientemente utilizado sempre que um computador estiver disponível. Em uma outra abordagem, um grande número de processadores são usados próximos uns aos outros, por exemplo, em um cluster computacional. Em tal sistema massivamente paralelo e centralizado a velocidade e flexibilidade da rede de interconexão se torna muito importante. Além disso, o uso de múltiplos núcleos combinados com a centralização é uma direção emergente.

À medida que a relação custo/desempenho de processadores gráficos de uso geral (General Purpose Graphics Processing Units – GPGPUs) melhorou, uma série de supercomputadores começaram a utilizá-los. No entanto, a aplicabilidade geral das GPGPUs em aplicações de uso geral de computação de alto desempenho tem sido objeto de debate, tendo em vista que a sua aplicabilidade geral em algoritmos diários pode ser limitada, a menos que esforço significativo seja gasto no ajuste da aplicação. No entanto, as GPUs estão ganhando terreno e em 2012 alguns supercomputadores estão substituindo processadores por GPUs.

Supercomputadores são usados ​para tarefas de cálculo intensivo, tais como problemas, incluindo a física quântica, previsão do tempo, pesquisa de clima, exploração de petróleo e gás, modelagem molecular e simulações. Na área de segurança da informação existem várias tarefas que demandam alto poder computacional e podem se beneficiar do uso de uma plataforma de alto desempenho:

  • Simulação de redes: serviços/servidores das redes de computadores atuais estão enfrentando ataques em larga escala cada vez mais graves, tais como vírus e botnets. Tendo em visto que esses ataques não podem e não devem ser reproduzidos na rede real, simulação de rede tem se tornado um método de pesquisa rápido e econômico. No entanto, devido à enorme quantidade de hosts e roteadores nas redes, um único computador não pode simular toda a rede. Portanto, a Simulação Paralela de Eventos Discretos (Parallel Discrete Event Simulation – PDES) tem sido usada para alcançar simulação paralela de redes.
  • Segurança de redes: requer o processamento de grandes volumes de logs de servidores ou de traces, gerando mais uma aplicação ao processamento massivamente paralelo e ao uso de banco de dados distribuídos.
  • Botnet: existem técnicas que utilizam a Teoria dos Grafos na detecção de botnets. A construção e análise de grafos de larga-escala demandam alto poder computacional.
  • Aprendizado de Máquina: pesquisadores têm explorado vários algoritmos de Aprendizado de Máquina para implementação em GPU. Dentre estes algoritmos as Redes Neurais demonstraram ser particularmente adequadas para o uso de GPU. Aprendizado de Máquina tem sido usado na análise automática do comportamento de malwares, assim como na classificação de tráfego IP.

Aprendizado de Máquina

Malwares são caracterizados por possuírem um comportamento, ao mesmo tempo, complexo e bem diversificado. Entretanto, famílias de malwares podem compartilhar certas características, ou atributos, que permitam a sua identificação e classificação.

Para o Algoritmo de Aprendizado de Máquina (AM), a tarefa de detecção de malwares é interpretada como um problema de classificação de dados, onde exemplares de malwares e nãomalwares são representados pelas informações provenientes das análises estática e dinâmica, acrescidos de um atributo que o identifica como malware ou não. Cabe ao algoritmo de AM codificar essas entradas em uma forma de conhecimento generalizado que o permita identificar novos exemplares, que não necessariamente são cópias exatas dos exemplares vistos anteriormente durante o treinamento.

A partir dessa modelagem inicial, diversos algoritmos de AM podem ser utilizados para realizar o treinamento, dentre esses se destacam: Árvores de Decisão, como o C4.5, Support Vector Machines, Redes Neurais e Algoritmos de Comitê, como o Boosting.

Como forma de apoiar essa e outras pesquisas relacionadas, vem sendo desenvolvido nesse Instituto o FAMA (Framework de Aprendizado de MÁquina). O FAMA é um framework de propósito geral para tarefas de AM e provê as interfaces genéricas para o desenvolvimento colaborativo de algoritmos e classificadores AM.

Com o FAMA, podem ser realizadas comparações entre o desempenho de diversos algoritmos de AM, desde que tais algoritmos sejam implementados segundo a sua especificação. A biblioteca de algoritmos de AM já embutidos no FAMA vem crescendo devido à sua utilização em tarefas como detecção de malware, processamento de linguagem natural e o apoio ao ensino de aprendizado de máquina nos cursos de pós-graduação desse Instituto.

A equipe de desenvolvimento do FAMA conta hoje com o Prof. Dr. Julio Cesar Duarte e os três alunos de graduação Felipe de Almeida Oliveira, Joilson Cisne dos Santos e Geraldo Avelino de Oliveira Neto. No contexto dessa pesquisa, destaca- se o trabalho em curso dos alunos de graduação que estão desenvolvimento uma interface para o FAMA que permita a validação cruzada de experimentos de AM.

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