（计算机应用技术专业论文）生物免疫原理在入侵检测系统中的应用探索.pdf

a b s l r a c t abs tract with the p opul 肚 izatio no fc o n 1p u te ra n dr ap idd e v e l 0 p n 1 e n to fint e rn e t i n fo rmat i o nt e c h n i q u e ，t h es 郎而t yi s s ueso fn e 玄 w o r kb e c o me smo re andm o re i m p o rt a n t . a sa help ful s u p p l yfo r fi r e w o rk， i n t r u s i on d et e ctio nt e c hni q ue a “ r a c t s pop u lara tt e n tio n . h o wev e r， 饥 o s t e x i st ing id s p ro d u c ts whic h ado pts im p le p a tte rn m at chillg t e c h n o 1 o g y o n l yc an d et e c t kn0 wn at ta c k i ng p a tt e m s ， 助d侧l l lo s t s o m e i n t rus l o n s . c o m p l l t e r i n 仃 u s i o n d ete c t i o n s yste mi s s o s i mil arw i t h b io l o gy i n 1 n 1 u n e sys t e m th atwe c an g etnewideast o d e s i g nid s 山 r o u g h s 加 d ) b io lo gy immune princ i pal. b as e d o n e x i stin g c onc l u s i ons ， t h e prim a rywo rks o f th i s p ape r are a s fol l o w s : 1 、t 卜 efun c t i o n ， h l s t o ry o f i d sare l n 廿 o d uce d ，thed i s adv a n ta g e sa n dthe d ev e lopm e ntinw llic h the id s 诫l l fo l lo w in t h e 九 tu re are poini e d o ut . 2 、 t b e prillc i pal ， m a k e up， s tru c tt ir e o f b io lo gyinunune sy stemare d is c u s s e d ， a n d th e m l r n u n e al g o ri t l l 栩 s re l ativ e tol d s are a n a l yze d . 3 、a力 e wi d s wh i ch i n v o l ves t w oe x i st i n g d e t e c t te c lmi que s ar e g i v en， a n d the neg at iv e s e le ctio n al g o 石 th n 1 b as e d o n r-c onse c ut iven 1at c hi n g m e th o d is im p ro v e d . 4 、e x pe n m e ni areg iv e ntop ro v ethefu n c t1o no fth eidsb as e do n i mm uno l o g i c a l p ri nci p l e s . and t he adv ant a g e a n dd 1 s a d v antage o f this n 、 v e i d sa l s o b e i ndi c a 1 e d b y t h e e x p e ri me atre sults. k e yw o rds : i n t rus i o nd e t e c t i o n ，b i o lo gy se le c tio n al 即r lth m a l g o ri t 】 1 1 1 ，n e g at i ve 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究 成果。 据我所知，除了 文中特别加以 标注和致谢的地方外，论 文中不 包含 其他 人己 经发表或撰写过的 研究成果， 也不包含为获 得 南昌大李 或其他教 育 机构的学位或证书而使用过的 材料。 与我一同 工作的同 志对本研究 所做的 任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 朴 手 “ :嚼梦日期 : 祠年 月 加 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学 位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人 授权南昌大李可以 将学 位论文的 全部或部分内 容编入有关数据 库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 手 “ :群毛 签 字 日 期 : 词 年标 加 导 师 签 名 、手 写 ): 麒生 签 字 日 期 : 夕 7 年翻 卜日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址 : 电话 邮编 第 1 章 绪论 第1 章绪论 l l选题的意义及其来源 在信息化社会中，计算机通信网络在政治、军事、 金融、商业、交通、电 信、文教等方面的 作用日 益增大。社会对计算机网 络的 依赖也日 益增强。 随 着 计算机技术、数字通信技术、网络技术的发展，世界已经进入了 数字化、信息 化的时代. 计算机网络是跨区域的、国际性的开放式网络。 随着网络的开放性、 共享性及互联性的扩大， 特别是肠 t 创 刀 以的出现， 网络的重要性和对社会的影响 也越来越大。随着网络上各种新业务的兴起，比如电 子商务、电子现金、数字 货币、网络银行等兴起，以及各种专用网的建设，使网络安全问题显得越来越 重要。 因此各种各样的针对网络危害的安全产品出现了，并在一定程度上缓解了 信息安全所带来的压力。作为防火墙技术的有益补充，入侵检测系统成为了一 种有效的网络安全工具。它能够帮助系统对付网 络攻击， 扩展了系统管理员的 安全管理能力，提高了信息安全基础结构的完整性。它从计算机网络系统中的 若干关键点收集信息，并分析这些信息，看看网 络中是否有违反安全策略的行 为和遭到袭击的迹象。入侵检测被认为是防火墙之后的第二道安全闸门，在不 影响网络性能的情况下能对网络进行监测，从而提供对内部攻击、外部攻击和 误操作的实时保护。 但是随着黑客技术的不断更新，传统的入侵检测技术显得 有些力不从心，对以 前未出现过的攻击无法进行及时有效地防御。 近年来，随着仿生技术的推广，很多其它领域的研究人员都开始把新技术 的产生寄托在对生物原理或功能的 模仿上。生物免疫系统具有良 好的多样性、 耐受性、免疫记忆、分布式并行处理、自 组织、自 学习、自 适应等特点，引起 了研究人员的普遍关注。并且计算机的安全问 题与生物免疫系统所遇到的问题 具有惊人的相似性，两者都要在不断变化的环境中维持系统的稳定性。 将生物 免疫原理应用于入侵检测系统是当前入侵检测研究的又一个研究新热点。 通过 研究生物免疫机制，可以从一个全新的角度来解决当前入侵检测系统面临的关 键问题。基于免疫原理的网 络安全技术克服了传统网络入侵检侧系统的缺陷， 第 1 章 绪论 被认为是一 个非常重要且有巨大实际应用前景的 研究方向。 在导 师的指导下， 在其他老师和同 学的帮助下， 本文以 免疫原理在入侵检 侧中的应用作为毕业论文的研究方向。本课题属于自 选课题。 本课题旨 在探索如何将自 然界生物免疫系统中复杂的 信息处理机制应用于 入侵检测系统， 研究基于生 物免疫原理的免疫学习与检 测算法，设计相应的 入 侵检测模型。 1 .2 国内外的研究现状 目 前，国外主要有三个小组致力于基于免疫原理的入侵检测系统的研究 l 川. 美国u ni vers ityof n ewmexi co的f o rrest ， h o fineyr 小 组; 美国u ni v e rs l tyofm e ln p h i s 的d a s 邵 lp ta小组; 英国u ni v e rs itycon ege l 0 n d o n 的儿 n l 借鉴了大自 然食物链的一些特征，建立 了一种多识别器协同识别的模型。 主 要 研究 成果 101 有: 2 d 0 2 年， 武汉大学利用免疫原理对大规模网络入侵检测和预警技术进行了 研究。 20 03年， 四川 大学 提出了 基于免 疫的 大规 模网 络入 侵的 动态取证， 以 及 网 络安全与风险检测与控制等技术。 2003年， 中国 科学技术大学研制了一个基于人工免疫的入侵预警系统， 该 系统具有较好的未知入侵预警能力。 2004年， 深圳大学完成了基于免疫机理的入侵检测系统项目。 1 3本文的研究内容 本文研究的主要内 容有以 下几点: 1 、介绍当 前国内 外相关入侵检测技术的 研究现状。 2 、介绍入侵检测技术的主要内容和当前的入侵检测产品的不足之处。 3 、分析生物免疫系统的相关原理和机制以及将生物免疫原理应用于入侵 检测技术的可行性。 4 、设计基于免疫的入侵检测系统模型， 探索生物免疫原理在入侵检测系统 中的应用。 5 、进行仿真实验，验证检测器的生成以及进行入侵检测的效果。 1 .4本文的内容安排 本文的各章节内容安排如下: 第一章绪论，介绍了本课题的来源和选题意义，接着简单介绍了当前国内 外关于 这一课题的 研究现状。 第二章是 入侵检测系统的 相关内 容部分。首先介 绍了 计算机系统安全理论 护 d r 模型以 及入侵检测系统在该模型中 所扮演的角 色。 然后介绍了 入侵检测技 术的分类、 通用入侵检测模型 ( cid f)， 最后介绍了当 前的入侵检测系统存在 第 1 章 绪论 的问题及其发展趋势。 第三章是与本课题相关的生物免疫系统的详细介绍。首先简单地介绍了生 物免疫系统的作用、生物免疫系统的层次结构及其组成。然后详细介绍了生物 免疫机制包括自 体耐受和免疫应答， 同时还介绍了免疫系统中的遗传变异特点。 最后安排的内容是免疫系统的特点。 第四章讨论了免疫系统与入侵检测系统的相似点，介绍了 相关免疫算法， 初步分析了 基于免疫的入侵检测系统的优越性。 第五章是本论文的核心所在，在学习前人研究成果的基础上，自 行设计了 一个基于免疫的入侵检测系统模型。这部分的主要内容是: ( 1 ) 、列出了本文所需要引 用的生物免疫机制。 (2) 、给出基于免疫原理的入侵检测系统结构模型。 ( 3 ) 、给出该模型网络数据采集方法。 ( 4 ) 、介绍将采集的网络数据进行数据分析。 (5) 、网络数据基本特征提取。 (6) 、检测器的生成，改进了检测器生成算法。 第六章是仿真实验部分，首先介绍了实验环境以及实验所涉及的工具，实 验前的准备工作，然后是实验过程和实验所涉及的部分算法的代码。最后分析 了实验所获取的部分数据， 第七章是论文的总结和展望，在这一章里，分析了 本文所设计的入侵检测 系统的优点和缺点，并对以后的工作作出了展望。 结束语部分回顾了本文的主要工作和局限性。 第 2 章 入侵检测系统的介绍 识别攻击的活动模式; 对异常活动进行统计分析; 操作系统审计跟踪管理，识别违反政策的用户活动。 因 此入侵检测系 统比 其他安 全系统相比 的 优越性在于: 提高 信息安全构造 的其 他部 分的完整性; 提高 系统的监控能力:从入口 点到出口 点 跟踪用户的活 动。识别 特殊攻击 类型， 并向管 理人员 发出 警报，进行防 御。 2. 3入侵检测技术的产生与发展 2 0 世纪70 年代，随 着计算机的速度、数 量的 增长以及 体积的减小， 对计 算 机安全的要 求显著增加 181 。 面对这样的 形势，在1 9 77年和 1 9 78 年，美国国 家 标准局召开了 有政府和商 业组织参加的 会议， 就当时的安 全、 审计和 控制状 况提出 报告。与 此同 时，军用系 统中的 计算 机的使用范围迅 速扩大，出于对 安 全问 题的 考虑，美国国 防部提高了计算 机审 计的 详细程度并以 此作为一项安 全 机 制。 这个项目 由j ame s 为l d e r so n 负 责。 1 980 年， j 别 盯 e s and erson提出了 入侵尝试或威 胁的 概念，并 将其定义为: 潜在、 有预谋且未经 授权而访问 信息、 操作信 息、 致使系统不可 靠或无法使用 的企图。同时， 他给入 侵进行了分类，并对审 计子系统提出了 改 进意见，以 使 该系统可以 检测误用。 他认为审计记录分析可以监 视入侵行为，并对 入侵进行 分类，还 提出 对同 用户的 渗透方 法。 由 于加世纪80年 代初期网 络还没 有像今天这样 普遍和 复杂，网 络之间也 没有完全互联，因 此关于入 侵检测的研究主要是基于主 机的 时间日 志分析。 而 且由于 入侵行为 在当 时是相当 少见的，因 此入侵检测 在早 期并没有受到 人们的 重视。 1 986 年， 5 犯 ( s t anfo rd取留 留 比i n s 6 tu 沈 ) 的d o m 山 y e . d e n iu n g 发表了 一 篇 an l n n u s i on-d e t ec t i on mo del ， 深入探讨了 入侵检测技术， 探索了 行为 分 析的 基本机制，首次 将入侵检 测的 概念作为 一种计算机系统安 全防御措施而 提 出 ，并且建 立了 一个独 立于 系统、程序应用 环境和系统脆弱性的 通用入侵检测 系统模 型。 这篇文章 被认为是ids 的 开山 之作， 与 传统的 加密和访问 控制相比， i d s 是全 新的 计算机安 全措施。 1 99 0 年出 现的网 络安全监 视器n s m ( n e two r k s ec u ri t y m 0 n i l o r ) ，是u c d 第2 章 入侵检测系统的介绍 ( c ar li fo m ia大学的d a v i s 分校)设计的面向 局域网的ids ， n s m被设计用来 分析来自以 太局域网的数据及连接到该网的数据。这个系统的重要贡献是首次 使用网络数据报作为审计数据源，提出 基于网络的ds 的概念。 由于h 众m d的发展及通信和网络带宽的增加， 系统的互联性己 经有了显著 提高，导致人们对计算机安全的关注程度也显著增加。19 88年的加 t e m e t 蠕虫 事件使商业界和学术界也开始对计算机安全投入了 研究资助。 分布式入侵检测 系统d i d s 最 早 试图 把基于主 机的 方法和网 络 监视方 法集成在一 起。 d i d s的最初概念是采用集中式控制技术，向d i d s中心控制器发送报告。 d i d s 解决了在大型网络互联中的一个棘手问 题， 即在网络环境下跟踪网络用户 和文件。该项功能非常关键，因为网络入侵者通常会利用不同计算机系统的互 联性来隐藏自己 的真实身份和地址，而且对付网络攻击的最有效的方法是发现 该攻击负责的人，收集他进行攻击的证据， 然后借助执法力量和法律过程来起 诉他。系统允许用户在该环境中通过自 动跨越被监视的网络跟踪和得到用户身 份的相关信息来处理这个问题。d i d s 是第一个具有这个能力的入侵检测系统。 2. 4入侵检测技术分类 入侵检测是检测和识别针对计算机系统和网络系统，或者更广泛意义上的 信息系统的非法攻击，或者违反安全策略事件的过程。它从计算机系统或者网 络环境中 采集数据，分析数据，发现可疑攻击行为或者异常事件，并采取一定 的响应措施拦截攻击行为，降低可能的损失。 从数 据来源看， 入侵检测 通常可以 分为 两 类91 : 基于主 机的 入侵 检测和 基 于网络的入侵检测。 ( 1 ) 、基于主机的入侵检测 基于主机的入侵检测通常从主机的审计记录和日 志文件中获得所需的主要 数据源，并辅之以主机上的其他信息， 例如文件系统属性、 进程状态等，在此 基础上完成检测攻击行为的任务。基于主机的入侵检测能够比 较准确地监测到 发生在主机系统高层的复杂攻击行为， 例如对文件系统所进行的具有潜在风险 的访问 操作序列、对系统配置的修改以及应用程序的异常运行情况等。 特别是 许多发生在应用进程级别的攻击行为只有依靠基于主机的入侵检测才能完成。 但是由于基于主机的入侵检测严重依赖于特定的操作系统平台，对不同的平台 第2章 入侵检测系统的介绍 系 统而言 ， 它是无 法移 植的。 而且它在所保护的主 机上运行，也影响到 宿主机 的 运行性能， 特别是当 宿主机是 服务 器的 情况。 (2) 、 基于网 络的入 侵检测 基 于网 络的入侵检测通过 监听网 络中的 数据包来 获得必要的数 据来源， 并 通 过协 议分析、 特征匹 配、 统计分析等手段发现当 前发生 的攻击行为。基于网 络的 入侵检测能够实时监 控网 络中的 数据流量， 并发 现潜在的 攻击行为 和作出 迅 速的 响应。 它的分析对象是网 络协议， 通常而言 是标准 化的 独立于主机的 操 作系统 类型， 因此一般没有移植 性的问 题。同时， 它的运 行丝毫不影响主 机或 服务器的自 身运行，因为基于网 络的 入侵检 测系 统通常采 取独立主 机和被 动监 听的工 作模式。 因此基于网 络的入 侵检 测适 用范围 广、性价比高 、隐蔽性 好、 对主机 和网 络的性能影响较小。 从数据分析手段来看， 入侵检测通常分为两 类19.91 : 误用检测技术和异常 检测技术。 ( 1 ) 、 误用检测 技术 误 用检测技术基础是分析 各种 类型的 攻击手段， 找出可能的 “ 攻 击特征” 集 合。误 用检测技术利 用这些特征集合，对当前数据 来源进行各种处理后， 再进 行 特征 匹配工作，如果发 现满足条件的匹配，则指 示发 生了 一次 攻击 行为。这 里所指的“ 特征匹配” 根据不同的具体实现手段而各不相同，从最基本的字符串 匹配，到基于状态转移的分析模型等。 ( 2 ) 、异 常入侵检测技术 异常入侵 检测的 假设条件是 对攻击行为的 检测可以 通过观察当前活 动与 系 统历史正常活 动情况之间的差异来实 现。异常 入侵检测通常都 会建立一个关于 系统正常活动的 状态模型并不断 进行更 新， 然后将用户当 前的 活动情况与这个 正 常模型进行对比， 如果 发现了 超 过设定闽 值的 差异程度，则指 示发现了非法 攻击行为. 误 用入侵检测比异常入 侵检测具备更好地确定 解释能力，即明 确指示当 前 发生的 攻击手段类型，因而 在诸多商用系统中得到 广泛应用。另一方面， 误用 入侵 检测具备较高的检测率 和较低的虚警率， 开发规则 库和特征集合相 对于建 立系 统正常模型而言，也要更 方便、 更容易. 误用 检测的 主要缺点在于 一般只 能检测到己 知的 攻击模式，模式库 只有不断更新才能检 测到新的攻击方 法。而 异常 检测的 优点是可以 检测到 未知的入侵 行为， 但是 无法避免 存在误检的 情况。 第 2 章 入侵检测系统的介绍 从 现有的 实际系统 来看， 大多数都 是基于 误用入 侵检测技术。 在若 干优秀的 入侵检测系统中， 也采用了 不同 形式 的异常入 侵检测 技术和对 应的 检测模 块。 无 论是误用入侵 检测技术还是 异常入侵 检测技 术， 都是 入侵检 测的 具体技术手 段， 都有其各自 的 优缺点 ，从最 终的 需求 来看， 联合使用 这两种 检测技术势在必 行。 2. 5通用入侵检测模型 ( c idf) 入侵检测系统的市场发展很 快， 但是由 于缺乏 相应的通用标准，不同系统 之间 缺乏互 操作性和互 用性， 大大阻碍了 入侵检测系统的发 展.为了 提高 ids 产品、组件及其他安全产品之间的互操作性，美国国防部高级研究计划局 ( d a r p a ) 和互联网工 程任务 组 ( ie 作)的 入侵检测工作组 ( idw g ) 发起制 定了 一系列建议草 案， 从体系结 构、 api 、 通信机制、 语言 格式等方面规范ids 的标准。 d a 丑 卫 a 提出的建 议是公共 入侵检 测框架( c idf ) 19 ， 该 框架的目 的主 要是: (l ) 入侵检测系统构件共享， 即一个入 侵检测系统的 构件可以 被另 一个入侵 检测系统所使用: (2 ) 数据共享， 即通过提供标 准的数据格式， 使得入 侵检测 系统中 的各类数 据可以在不同系统之间传递并共享; (3 ) 完善 互用 性标准并建立一套开发 接口 和支持工具， 以 提供独立开发部分 构件的能力。 c idf 对入侵检测系统提出了 一 个通用模型， 将入侵 检测系 统分为四 个基本 组件:事件产生器、事 件分析器、响应单 元和事件数据 库。 事 件产 生 价 事件分析粉 事件教据岸晌应单元 图2 .3 c i d f 框架 第 2 章 入侵检测系统的介绍 在 c idf模型中， 事件产生器、事件 分析器和响应单 元通常以应用 程序的 形式出 现， 而事件数据库则往往采用文件 或数据流的形式。 cid f模型 将 ids 需 要分析的 数据统称为 事件， 它既 可以 是网络中的 数据包，也可以是从系 统日 志或其他途径得到的 信息. cid f 模型中 的四个 组件代表的都是 逻辑实体， 其中 任何的一个组件可能是 某台 计算机上的一个 进程甚至线程，也可 能是多 个计算 机上的多个进 程。 他们 之间 采用统一 入侵检测 对象( gid o ) 格 式进行数 据交换。 gi d o 是 对 事 件 进 行 编 码 的 标 准 通 用 格 式. ( 1 ) 、 事件产生器。事 件产生 器的任务是 从入侵检测系统 之外的 计算环境 中 收集事件，并 将这些事件转换成cidf 的口d o格 式传送给其他 组件。 ( 2 ) 、事件分析器。事件分析器负责分析从其他组件收到的 gid o，并将 产生的分析结构传 送给其他组件。 分析器可以是 一个基于 统计模型的 工具，检 查现在的事件是否 满足先前所建立的正常事 件模型;也可以是 一个特征检测工 具， 用于在当前事 件序列中 检查是否存在已 知的 误用攻击 特征; 此外， 事件分 析器还可以 是一 个关 联分析器， 观察不同事 件之间的关系，并 将关联事件进行 汇聚处理，以利于以后的进一步分析。 (3) 、 事件数据 库。 用来存储g i d o ，以 备系统 需要的 时候使 用。 ( 4 ) 、响应单元。响应单元负责处理接收到的 g ido，并据此采取响应的 措施。 由于 c idf模型采用标准格式 g ido来交换数据，所以这些组件也适用于 其他环境，只需要 将典型的 应用 环境中 信息交 流格式统一 转换成gid o格式即 可，这样提高了组件之间的消息共享和互通的能力。 2. 6当前入侵检测系统存在的问题及发展趋势 入侵检 测系统作为网 络安全防护的重 要手段，还 有很多地方值得我 们进一 步深入研究。目 前 主流的ids 还存 在很多问 题， 有待于我 们进一步完善 l 0-1 21 . ( 1 ) 、漏报和误报 误 用检测技术漏 报是当 前大部分入 侵检测系统的一 个通病。异常检 测技 术 的 误报增加了 系 统的 负担， 使系统的处理能 力低下， 而且 给管理员带来了 负担。 ( 2 ) 、 特征库的更 新不及时 目 前大 部分的入 侵检测系统都是基于 误用检测技 术、 适用特征匹配的分析 第 2 章 入侵检测系统的介绍 方法， 这要 求特征 库的特征值是 最新的。 但现在很多入 侵检 测系统并没有提供 有效的方法 来时刻更新攻击 特征。 在如今每天都有新攻 击方法 产生的情况下， 显然不能 满足安 全需求。 ( 3 ) 、速度瓶颈 随着高速网络技术如千兆以 太网等的 相继出现，就出 现了 如何在高速网络 环境 下进行实时入侵检测问题。因 此要 提高 入侵检测系 统的 检测速度，改进当 前入侵检测系统的性能。 以上所述问题可以从以下几个方面来改善: 一是改进检测分析技术，探索两种检测技术的结合应用。 二是引入智能入侵检测技术 ( 如神经网络、 人工免疫、 遗传 算法、 模糊识别、 数据 挖掘等 ) ， 真正做到既能 检测出新的入 侵又 能降低 误报率， 实 现从理论到实 际应用的飞跃。 三是改进 i d s的软件结构和算法，寻求高效的检测算法和检测处理能力。 四 是未来的入侵检测产品可 采用ids 与防火 墙联动，入侵检 测发 现攻击， 自动发送给防火墙，防火墙加载动态规则栏。 第3章 生物免疫原理的介绍 第3 章 生物免疫原理的介绍 1 1生物免疫系统 现 代免 疫 学 113 .l4认 为 : 生 物 体 内 存在 一 个 负 责 免 疫 功 能 的 完 整 解 剖 系 统， 即免 疫系统， 与 神经系统 和内 分泌系统等一 样， 这个系 统有着自 身的 运行机制， 并可 与其他系统相互配合、 相互制约，共同 维持机体在生命过程中总的 生理平 衡。 生 物免 疫系统是由 免疫 分子、 免疫细 胞、 免疫组织和免疫器官 组成的复杂 系 统。 这个系统表 现以 下三种生理 功能。 1 、 免疫防御:指机 体排斥外源性 抗原异物的能力。 这是 生物体籍以自 净、 不受 外来物质干扰和 保持物种纯洁的生理 机制。 这种功能一是抗 感染，即 传统 的免疫概念;二是排斥异种或同种异体的细胞和器官，这是器官移植需要克服 的主要障碍。这种能力低下时，机体容易出现免疫缺陷病，而过高易出现超敏 反应性组织损伤。 2 、 免 疫自 稳: 指机体 识别 和清除自 身 衰老残损的组织、 细 胞的 能力， 这是 机体籍以维持正常内环境稳定的重要机制。这种自身稳定功能失调时，易导致 某些生理平衡的紊乱或者自身免疫疾病。 3 、免疫监视: 指机体杀伤和清除异常突变细胞的能力， 机体籍以监视和抑 制恶性肿瘤在体内生长。一旦功能低下，宿主易患恶性肿瘤。 1 2生物免疫系统的层次结 构 生 物体的免疫系统能 够识别并消除 绝大多 数的病原体，生 物体的 免疫系统 具 有 分 层 结 构 ， 能 够 在多 个 层 次 上 起 到 防 护 作 用 112 1 。 第 一道防线主要指皮 肤和翁膜。生 物体外层的皮肤有一 层较厚的 角化层， 可以 阻挡病原体的侵 入。 皮肤组织 里还有许多汗腺和皮脂腺， 汗腺排泄出 的乳 酸 对病原体的生长不利， 皮脂腺分泌的 脂肪酸有一定的杀菌作用。同时 ，在生 物 体的 呼吸道、消化道内 部都覆盖 着薪 膜， 可以 分泌出杀菌的 物质。 这些构成 第 3 章 生物免疫原理的介绍 了生物体的第一道防线。 第二道防线是由噬菌细胞组成的固 有的 免疫系统，当 病原体突破第一层防 护进 入生 物体内 部后它们就 会遭 遇固 有性免 疫系统，固 有免疫系统主要包括吞 噬细胞的吞噬病原体作用，负责清除体内残骸和病原体。 第三层是由 淋巴细胞组成的自 适应免 疫系统，适应 性免疫系统能 够学习 识 别 特殊种类的 病原体并保持记忆，从而加速未来 的免疫 应答。 生 物 免 疫 有 多 层 防 护 的 概 念 各 层 防 护 系 统 都 有 复 杂 的 机 制 ， 确 保 病 源最 终 被层 层消灭， 不会对 健康构成威胁。对应地应 用于入侵检测的 人工免疫系统也 应该根据具体情况布置具备多层防护体系使它具有更强的维护信息安全的能 力。 3. 3免疫系统组成 免 疫系 统是由 免疫分 子、免 疫细胞、免疫 组织和器官 组成的复杂系统【 ， 气 1 、 淋巴系 统 组成免疫系统的组织和器官分布于人体 各处，以完 成各种免疫防卫功能。 它们就是人们熟知的淋 巴器官和淋巴组织，与淋巴细胞的产生、成长和发展密 切相关。在功能上， 是由各种免疫细胞协同作用完成的。淋巴器官按功能分为: 中枢淋巴器官，由骨髓和胸腺组成，执行生成免疫细胞的功能，造血干细胞在 这些部位发育成熟为免疫细胞:外周淋巴器官，由淋巴结、脾、 扁桃体等组成， 成熟免 疫细胞在这 些部位 执行应 答功能。 单核细胞和淋巴 细胞经血液循环及 淋 巴循 环， 进出 外周 淋巴组织和器官，构 成免 疫系统的完 整网 络，既能及时将免 疫细胞动员起来，聚集于体表及内脏各处病原体入侵部位，又能及时将这些部 位的 抗原成 分经吞 噬细胞携带至相应淋巴 组织及 器官， 活化t 和b细 胞， 执 行 特异免疫应 答功能。在淋巴器官中，淋巴细 胞和重要的非 淋巴 细胞或者在它 们 成熟期间或者在免疫应答期间相互作用。 2 、 补体系 统 补体系统是由一组互补抗体功能的调节浆细胞蛋白质组成的复杂联合体。 补体中的成 分可辅助特异 性抗体介导的 溶菌作用， 是抗体发 挥溶细胞作用的必 要互补条 件。补 体并非单一分子， 而是 存在于人 和脊椎动物血 清与组织液中一 组经活 化后具 有酶 活性的蛋白 质， 包括30余种可 溶性蛋白 和膜 结合蛋白 ，故称 第3章 生物免疫原理的介绍 为补体系 统。 补体 广泛参 与机体 抗微生 物防 御反应以 及免 疫调节， 也可介导 免 疫病理的 损伤性反 应，是 体内具 有主要 生物学作用的效 应性系统和效应 放大 系 统。补体 系统提供 最早的 固有应 答。当 存在于 浆细胞中的 补体分子结合 特定 种 类细菌， 帮助清除 细菌通过溶解 或者调理作用。溶解是 补体破裂细菌的 膜， 导 致细菌 死亡的过程。 调理 作用是细菌被包 上补体( 或抗 体) ， 使细菌 被巨噬 细胞检 测到的 过程。自 体 细胞在其表面 具有规则的 蛋白 质，防 止补体结合。 补体和巨 噬细胞的 作用一般 在感染阶段的 早期前几个小时发生. 不同 部位和层次的 免疫 组织 和系 统起不同 作用: 初级 淋巴 器官排除外部抗原 保护自 体抗原， 而二级淋 巴器官渗漏并集中外部物质，促进协同刺激细胞间免疫反应。 1 4生物免疫机制 免疫系统是抗击病原入侵的首要防御系统，包括许多补体种类的免疫细胞 及 制造这些免疫 细胞的免疫 器官，为数最多的免 疫细胞是淋巴 细胞。 它主要包 括b细胞 和t 细 胞， 除了 淋巴 细胞外， 还有其 他种类的 免疫细 胞在免 疫系统中 发挥着不可忽视的作用。 能被t细胞及 b细胞识别并刺激t及 b细胞进行特异 性应答的病原体， 称为抗 原。 在骨髓中的b细胞 和在胸 腺中的t 细胞从不活 跃、 未成熟经自体耐受发展成为成熟的免疫细胞， 一旦生物体受到有关攻击时， 迅速产生免疫应答。巨噬细胞等特异提呈细胞立即摄取消化病原体，把它们分 解在细胞表面 展示出来， 形 成m h c 分子。 m h c 分子激活成熟t 细胞， 将病 原 体抗原提呈给 t细胞识别。t细胞识别特异抗原后，一方面t细胞复制并激活 杀 伤t 细胞， 杀伤t 细胞杀 死任何被特异抗原感染的 细胞;另 一方面 通过辅 助 t 细胞激活b细 胞。 激活 后的b 细胞识别 特异 抗原， 并克隆 扩增分化为浆细 胞 形成抗体。抗体与抗原结合，通过两种方式杀死抗原:与补体系统形成复合物 或直接带至吞 噬细胞被吞 噬。 其中巨噬细 胞， 是可以 吞食 外来物的大细胞。 通 常在消灭抗原的过程中，巨噬细胞最先对病原体发动攻势，又最后离开。b细 胞、t 细胞 在从未成熟到 成熟期间， 将经历自 体耐受， 在识别杀死抗原 后将形 成免疫记忆， 产生免疫反 馈。 因此生物免 疫机制的 三个主 要 阶段是:自 体耐 受、 免疫应答、免疫反馈。 第3章 生物免疫原理的介绍 3. 4. 1自 体耐受 自 体耐 受116 】 是指免疫活 性细 胞接触抗原物质时所表 现的 一种特异的 无应答 状态。 区分自 体和非自 体是免疫系统的一个主要功能，自 体耐受是对自 体抗原 不应答的 一种免疫耐受，自 体耐受的 破坏将导致自 体免疫 系统疾病。 b细胞和t细胞均需经历耐受，但是t细胞的耐受比b细胞的更重要， 因 为没有辅助 t细胞的帮助，b细胞就不能对大多数抗原产生抗体。耐受分为中 枢耐受和外围耐受。 在中枢耐受中，t细胞及 b细胞分别在胸腺及骨髓微环境中发育，在发育 中进行否定选择，如果未成熟细胞因结合自体而激活，则将被清除，即克隆删 除， 最终形成耐受。中枢耐受净化指令系统中未成熟的 淋巴 细胞，对 抵御自 体 免疫疾病至关重要。当细胞不能自体耐受时由克隆删除、克隆无能和受体编辑 三种方法来处理该细胞。 1 4. 2免疫应答 抗原进入机体后， 免疫细胞对抗原分子的识别、活 化、 分化和效 应过程， 称之为免疫应答。这个过程是免疫系统各部分生理功能的综合体现，包括了抗 原 提呈、 淋巴 细胞活化、 特异识别、免疫分子形成、免 疫效应，以及形 成免疫 记忆等一系列过程。 免疫系统有两种免疫应答类型:固 有免 疫应答和适 应性免 疫应答【 1 6.1 飞 1 、 固有免疫应答 第一层免疫系统为固有免疫系统，是天生就有的，不随特异病原体变化， 由补 体( 化学应答系统 ) 、内 吞作用 系统和噬菌细胞系统组成。 之所以 称为固 有 免疫 系统是因为 身体与身俱来就有辨别一定微生物或细 菌并很快消灭 它们的 能 力。 固 有免 疫系统具有与病原体第一次遭遇时就能消灭 它们的 能力，而 且可以 消灭 许多 种第一次遇到的 病原体。当 病原体如细菌、真 菌和细胞内 寄生的寄 生 虫等穿 越皮肤、 粘膜， 入侵体内， 免疫系统中的吞噬细 胞即 刻被动员 至病原 体 入侵处， 迅速吞噬并清除病原体。 固有免疫反应的一个重要组成部分是补体，协助或者互补抗体活动。固有 第 3 章 生物免疫原理的介绍 免疫在生发中 心解码的一组受 体的基础上辨别与微生物病原体 有关的 分子模 型， 这种受体称为模 式识别 受体， 而被识别的病原 体的 分子模型称为病 原体关 联分 子模型。 病原体关联分 子模型只由 病原体微生 物产生， 而不 会由 宿 主组织 产生; 因此他们被模 式识别 受体识别时可以指明 病原体 存在的信号。这 样， 与 免疫 识别相关的结果必须与 人体自 身细胞和分子的结构 绝对不相同，从而 避免 免疫 系统破坏宿主自 己的组 织。 这种机制的结果是:固 有免疫也能 够辨 别自 体 与 非 自 林 组 织 结 构 ， 参 与 到自 体 与 非自 体 识 别 组 织中 ， 并 起 到 促 进 适 应 性 免 疫 的重要作用. 固 有免 疫识别最 重要的 方面是它诱导 抗原 提呈细胞中的协同 刺激信号的表 达，这种信号会激活 t细胞，促使适应性免疫应答产生。这样，没有固有免疫 识别的适应性免疫识别会导致淋巴细胞的阴性选择，这些阴性选择表示与适应 性免疫识别有关的受体。 2 、自 适应 性免疫应答 自 适应免疫 系统也称为适应 性免 疫系统，使用 两种类型的淋巴 细胞: t细 胞和 b细胞。这两种细胞是无性系划分的体细胞分裂产生的抗原受体。这些抗 原受体通过随机过程产生，而自适应免疫系统一般性能的设计和形成是在淋巴 细胞的克隆选择基础上进行的，这些淋巴细胞以精确的特异性表示抗体。抗体 在自 适应免疫系 统中 扮演主要角色，免疫 应答中 使用的受体是由 基因 片段结合 在一起形成的。每一个细胞使用得到的不同的基因片段形成一个特异的受体， 使细胞能够在一 起以 集体方式在生物体一 生中识 别可能遭受感染的 组织。自 适 应免 疫是指抗 体能 够识别任何 微生 物并对其反应， 即使 对以 前从未遇到 过的 “ 入 侵者 ” 也一 样。 自 适 应免 疫能够完成固 有免 疫系统不能完 成的免疫功能， 清除固 有免 疫系统不能 清除的 病原体。 自 适应免疫系统直 接作用于一些 特定的 病原体。 一旦病原体 进入身 体， 固有免疫系统 和自 适应免疫系 统就开 始处理， 此时 两个系 统的细胞都由多 种细胞和分子以复 杂的 方式交互作 用来检测和消除病原 体。 检测和消除都依 赖化学结合:免疫 细胞表面都覆盖着不同的 受体， 其中的 一些 结合病原体，而另一 些结合其他免疫 系统细胞或者分 子， 使系统发信号 触 发免疫应答。 3. 5遗传变异 第3章 生物免疫原理的介绍 在免 疫系统中， 按照克隆原理， 只有那些能识别抗原的 细胞 才能进行扩增， 被选择并保留下来， 保留 下来的b 细胞进一步分化为浆细胞 和记忆细胞。 记 忆 细胞继承在生发中心的细胞所发生的变化，包括体细胞和基因重组。基因重组 包括在细胞的 d n a中有一个不 能翻转的变化，细胞的 后代都将继承同样受 体 特异性因 子编码， t 细胞的 抗原 受体因子编 码也 遵从这一规律。 免疫应答中， 在t 细胞的帮 助下， 被 抗原 激活的b 细胞主要通过两种机 制 115 多样化: 体细胞高频变异和受 体编辑. 体 细胞高 频变异指b 细胞抗体与 抗原 结合后以较高频率分化扩增，后代具有不同于扶梯的受体结构，有不同的抗原 决定基亲和力，增强了细胞多样 性。 经历克隆 选择后有较高亲和力者被 保留 下 来。 体细胞高 频变异基本变化分布在整个v区 ，但不是完 全随 机的 ， 存在某些 变异热点。在保存结构区域发生的改变氨基酸序列的变异将破坏基本的抗体结 构而且不能被选择。 在多样化的b细胞中， 只有高亲和力的细 胞在生 发中 心变成记忆细胞。 平 均来说，出 现在记 忆应答中的 抗体比上次 应答更高的 亲和力，这种受到t 细胞 独立应答限 制的现象叫免 疫应答 成熟。 免疫应答成熟要求抗原与抗体分 子结合 部位不同于初次应答， 在抗体的v区可以观察到3种不同的成熟形式: 点变异、 短删除和基因转换后的非交互交换。受体编辑和点变异在亲和力成熟过程中充 当补充角色。 每一代抗体， 其体细胞v区的 每基对接近1*1 0 一 高 频变异率， 在 细胞分化 期间有选择地进行变异，而其他体细胞的变异率较低。当克隆扩增时，点变异 以渐进的方式发生在生发中心里。 1 6免疫系统的特点 生物免疫系统的 最大特点是免疫记 忆、 抗体的自 我识别能力和免 疫多 样性。 免疫系统是自 组织的、高 度分布式的系统，它没有中心 控制节点或者 层次式结 构。 免疫系统的特征 特别 适合于处理大规模数据的模式分 类。免疫系 统具有耐 受性、 学习 与认知、 分布性、 鲁棒性 和适应性、 免 疫反馈和自 组织性等 特征 11 ， 一 o 1 、耐受性 自 体耐受是 针对自 身 抗原 呈现的免疫耐受。免疫系统中随 机产生的 受体由 于体细胞高频变异，能与自 体结合，引起自体免疫，自体免疫将导致免疫系统 第 3 章 生物免疫原理的介绍 攻击自 己。 实际 上， 正 常的免疫系统是 不攻击自 己的， 对自 体 抗原不产生 应答。 2 、分布性 免疫系统由 许多 局部相互作用的基本单 元组成来提供全局的 保护， 没有集 中控制。 3 、多样性 免疫系统由多种类型元素执行识别外来抗原，保护机体不受外来抗原的侵 袭 . 要 实 现 对众 多 抗 原 的 识 别 ， 需 要 有 效 的 多 样 性 生 成 机 制 。 抗 体 多 样 性 的 生 物机制主要包 括抗体库的组合方式， 体细胞高频变异 及基因 转换等。 4 、学习和认知 免疫系统具 有学习和 认知能力。系 统能够“ 学习 ” 抗原的 结构，将来同 一抗 原再次出 现时，反 应会更快更强烈。 免疫系 统对新事物具有出 色的学习能力， 能够利用复杂模式匹配和 自 组织网络结构支持对所遇到的事物的记忆。免疫学 习包括提高相关淋巴细胞的群体数量和亲和力，清除低亲和力的细胞繁殖体。 认知包括对物体的识别和对自 我的识别。 5 、鲁棒性和适应性 免疫系统强大的 学习能力使之成为随环 境改 变而不断完善 的一个自 适应鲁 棒进化系统。鲁棒性是免疫系统具有多样性、分布性、 动态性和容错性的结果。 免疫系统能学习识别和应答新的抗原，保存对这些抗原的记忆，因此具有适应 性。 6 、免疫反 馈 免疫反馈的 抑制 对维护免疫系统的稳定 性具有重要的作 用。 可以保证免疫 反应不会过于激烈。 这种机制能促进免疫系 统对抗原的快 速应答， 并同 时保持 免疫系统的相对稳定性。 7 、自组织性 在一定条件下，免 疫系统可能从无 序变成有序. 在离开 平衡状态后，由 于 系统的内 部功能，实 现了 从一种序到另一种 序的 演变，即自 组织性。自 组织性 能使免疫系统不需要外界的管理和维护。 第4章 免疫原理在入侵检测中的应用 第4章免疫原理在入侵检测中的应用 4. 1生物免疫与入侵检测相比较 生物免疫系统的主要功能是阻止并杀死侵入生物体的病原，保护机体免受 病菌的侵害，而入侵检测系统的作 用是 保护网络系统免遭黑客的 入侵。 入侵检 测 系 统 和生 物 体 的 免 疫系 统 功 能 非 常 相 似 22 一， 都 是 为了 保 护 “ 自 己 ” 不受 “ 非 己” 的侵害。生物免疫系统中的“ 自己 ” 指生物体自 身的分子或细胞，“ 非己” 指外 来物质， 如细菌、寄 生虫和病毒等。而计算机 系统中的 “ 自己 ” 指合法的 数据、 信息和通信等正常行为， “ 非己 ” 指不 合法的、 外来的 攻击代 码、 恶意的 攻击等， 即非法行为。 生物体免疫系统最基本的功能是“ 自己” 和“ 非己” 的识别能力。其免疫功能 主要是通过大量的 淋巴 细胞间的交互作用 来完成的，在骨 髓和胸 腺部位存在着 淋巴细胞的候选基因库，淋巴细胞就是通过从这些基因库中随机选择一些基因 片断并进行组合来产生的 抗体， 这些抗体能够通 过绑定 入侵机体的 “ 非己