馬 琳 張莎莎 宋姝雨 王 磊*

(*空軍杭州特勤療養(yǎng)中心信息科 杭州 310012)(**浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院 杭州 310027)(***國(guó)家廣播電視總局廣播電視科學(xué)研究院 北京 100866)

0 引 言

入侵檢測(cè)常用的檢測(cè)方法有異常檢測(cè)和誤用檢測(cè)[1]。對(duì)于異常檢測(cè)，其假設(shè)入侵行為與正常行為明顯不同。典型的異常檢測(cè)方法包括專(zhuān)家系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)分析和定量分析。而誤用檢測(cè)假設(shè)所有入侵都可以表示為模式或特征，系統(tǒng)基于這些模式或特征來(lái)檢測(cè)入侵行為[2]。異常檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)新型攻擊敏感，但誤報(bào)率較高。誤用檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)已知攻擊具有優(yōu)越性能，但很難檢測(cè)到未知的攻擊。如何提高入侵檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確率、降低誤報(bào)率和漏報(bào)率一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined networking，SDN)作為一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離、控制器北向接口開(kāi)放、可實(shí)現(xiàn)集中控制等特性為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新提供了良好的平臺(tái)。SDN控制器具有全局網(wǎng)絡(luò)的信息，可以根據(jù)需要監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中任意位置的流量，這為集中進(jìn)行入侵流監(jiān)測(cè)提供了便利。在SDN控制器中，可以非常方便地集成各種先進(jìn)的人工智能算法[3-5]，突破了傳統(tǒng)特征匹配等方法的局限性，能夠顯著提升入侵檢測(cè)的性能。

本文設(shè)計(jì)了一種基于SDN的智能入侵檢測(cè)系統(tǒng)模型，使用改進(jìn)的隨機(jī)森林算法進(jìn)行智能流分類(lèi)，以獲得更高的檢測(cè)率和更低的檢測(cè)代價(jià)。本文使用KDD CUP99數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練集和測(cè)試集，對(duì)改進(jìn)算法進(jìn)行了性能仿真和對(duì)比分析。

1 相關(guān)研究

文獻(xiàn)[6，7]研究了傳統(tǒng)的流量異常檢測(cè)方法在SDN網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。然而這些方法采用的流量特征數(shù)據(jù)較為單一, 僅能針對(duì)某種特定的異常。文獻(xiàn)[8]提出了基于改進(jìn)非廣延熵特征提取的雙隨機(jī)森林實(shí)時(shí)入侵檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)少量異常的有效實(shí)時(shí)檢測(cè)，但該方法只適合對(duì)骨干鏈路進(jìn)行檢測(cè)。文獻(xiàn)[9]融合OpenFlow和sFlow提出了一種可進(jìn)行異常檢測(cè)并可減輕網(wǎng)絡(luò)異常的機(jī)制。Jankowski等人[10]提出了一種基于SDN的入侵檢測(cè)架構(gòu)，該架構(gòu)從細(xì)粒度數(shù)據(jù)流中提取流量統(tǒng)計(jì)信息，并通過(guò)分類(lèi)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)并判斷是否有入侵。文獻(xiàn)[11]提出了一種稱(chēng)為AD-ICMP-SDN的異常檢測(cè)機(jī)制。其中的異常檢測(cè)組件由因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議(internet control message protocol, ICMP)流量采集、數(shù)據(jù)訓(xùn)練、支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)分類(lèi)3個(gè)模塊組成并對(duì)異常檢測(cè)。但這些研究都缺少統(tǒng)一的系統(tǒng)模型，也缺乏對(duì)人工智能算法的靈活集成和應(yīng)用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)的檢測(cè)性能提升。

2 基于SDN的智能入侵檢測(cè)模型

本文提出一種基于SDN的智能入侵檢測(cè)系統(tǒng)模型，如圖1所示。該系統(tǒng)模型被分為3個(gè)平面：轉(zhuǎn)發(fā)平面、控制平面、應(yīng)用和分類(lèi)平面。

圖1 基于SDN的智能入侵檢測(cè)系統(tǒng)模型

轉(zhuǎn)發(fā)平面由網(wǎng)絡(luò)中的OpenFlow交換機(jī)構(gòu)成，它們通過(guò)安全通道與控制器進(jìn)行通信。該平面負(fù)責(zé)在交換機(jī)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。通過(guò)收集和上傳交換機(jī)的流量信息，為控制平面提供實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和可疑數(shù)據(jù)流。另外，交換機(jī)也可以根據(jù)控制器的指令通過(guò)丟棄攻擊流的報(bào)文來(lái)阻止入侵行為。

控制平面對(duì)采集的數(shù)據(jù)流進(jìn)行初步分析。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并周期性地請(qǐng)求交換機(jī)上報(bào)流量信息。流劃分模塊處理和分析流量統(tǒng)計(jì)信息，將數(shù)據(jù)包聚類(lèi)成流，并生成如下的6元組流標(biāo)識(shí)：

{srcip,dstip,srcport,dstport,duration,protocol}

數(shù)據(jù)包的收集和檢查按照一定的時(shí)間間隔執(zhí)行，合適的時(shí)間間隔能夠避免降低異常識(shí)別的實(shí)時(shí)性，同時(shí)不會(huì)大幅增加開(kāi)銷(xiāo)。

應(yīng)用和分類(lèi)平面包括特征選擇模塊和流分類(lèi)器模塊。特征選擇模塊提取可疑流的有關(guān)特征并找到特征的最佳子集，可以高效地處理高維數(shù)據(jù)。流分類(lèi)器模塊通過(guò)標(biāo)記是否屬于特定類(lèi)型的攻擊或正常流量來(lái)分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)流量?；谠撓到y(tǒng)模型，可以靈活地選擇不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)測(cè)量特征的相關(guān)性和冗余度，從而找到特征的最佳子集。

3 改進(jìn)隨機(jī)森林算法進(jìn)行流分類(lèi)

隨機(jī)森林算法[12-14]具有較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率,對(duì)異常值和噪聲具有很好的容忍度，目前已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。但是，它在噪音較大的分類(lèi)或回歸問(wèn)題上會(huì)出現(xiàn)過(guò)擬合，尤其當(dāng)特征取值劃分較多時(shí)，對(duì)算法性能的影響更大。針對(duì)隨機(jī)森林在對(duì)多特征、數(shù)據(jù)不平衡等特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)流數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)時(shí)存在的問(wèn)題，本文提出了改進(jìn)方法，步驟如下。

(1)初始化樣本權(quán)重。

對(duì)每一個(gè)樣本賦予權(quán)重1/N，其中N為樣本總數(shù)。樣本權(quán)重的初始值可以根據(jù)需要調(diào)整，但樣本權(quán)重之和為1。為了提高少數(shù)類(lèi)樣本的分類(lèi)精確度，從而提高總體分類(lèi)性能，改進(jìn)方法增大了少數(shù)類(lèi)樣本的權(quán)重。樣本權(quán)重集為

D1=(ω1，1,ω1，2, …ω1，i, …,ω1，N)

(1)

(2)構(gòu)建決策樹(shù)，更新權(quán)重抽樣，并進(jìn)行多輪迭代。

依據(jù)樣本分布，對(duì)樣本進(jìn)行有權(quán)重的隨機(jī)抽樣，生成訓(xùn)練集，并用生成的訓(xùn)練集構(gòu)造一棵樹(shù)。用原始數(shù)據(jù)集對(duì)生成的樹(shù)進(jìn)行分類(lèi)，計(jì)算分類(lèi)誤差率em，對(duì)樣本權(quán)重進(jìn)行更新。這里的em使用袋外數(shù)據(jù)(即在樣本抽樣時(shí)沒(méi)有被抽中的數(shù)據(jù))作為測(cè)試集進(jìn)行計(jì)算，也就是用生成的決策樹(shù)沒(méi)有學(xué)習(xí)到的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。更新后的樣本權(quán)重集為

Dm+1=(ωm+1,1，ωm+1,2，…，ωm+1,i，…，ωm+1,N)

(2)

樣本權(quán)重更新公式為

(3)

(4)

其中，Zm是規(guī)范化因子。

(5)

e±a取決于分類(lèi)結(jié)果，分類(lèi)正確為e-a，分類(lèi)錯(cuò)誤則為ea。

依據(jù)上式可知，對(duì)于分類(lèi)正確的樣本，其權(quán)重更新后會(huì)變小，下一次生成分類(lèi)器的過(guò)程中，被抽中的概率也就變小，可以理解為被學(xué)到的可能性減小。相反，對(duì)于分類(lèi)錯(cuò)誤的樣本，若要求之后生成的分類(lèi)器能夠分類(lèi)正確，就需要加大對(duì)這些樣本的學(xué)習(xí)，所以這里更新權(quán)重時(shí)增大了其權(quán)重。式中的Zm為規(guī)范化因子，保證每次更新權(quán)重后所有樣本權(quán)重之和恒等于1。參數(shù)β用來(lái)區(qū)別少數(shù)類(lèi)與多數(shù)類(lèi)，因?yàn)樯贁?shù)類(lèi)樣本占比較少，這樣分類(lèi)器學(xué)到的“知識(shí)”也較少。另外，少數(shù)類(lèi)樣本分類(lèi)錯(cuò)誤的代價(jià)相對(duì)更高，所以算法通過(guò)β提高少數(shù)類(lèi)樣本的分類(lèi)精度，從而提升總體性能。β的取值由表1決定。其中，m為多數(shù)類(lèi)樣本(標(biāo)簽為0，1，2)的總數(shù)，n為少數(shù)類(lèi)樣本(標(biāo)簽為3，4)總數(shù)。

表1 β取值

樣本更新完畢后，對(duì)新的樣本依據(jù)權(quán)重抽樣，得到新的訓(xùn)練集，生成新的一棵樹(shù)。

(3)所有決策樹(shù)生成完成，計(jì)算每棵樹(shù)的分類(lèi)器權(quán)重wi。

(6)

其中，Ai為第i棵樹(shù)正確分類(lèi)的個(gè)數(shù)與所有樹(shù)正確分類(lèi)個(gè)數(shù)平均值的比值，Bi為代價(jià)的平均值與第i棵樹(shù)的代價(jià)的比值。

wi的計(jì)算公式權(quán)衡了檢測(cè)精度和代價(jià)的值。由公式可知，若某棵決策樹(shù)分類(lèi)精度高，則其正確分類(lèi)個(gè)數(shù)越多，Ai也就越大；同時(shí)其代價(jià)低，則Bi也越大，這樣wi就較大。訓(xùn)練生成的隨機(jī)森林中每棵決策樹(shù)的生成是帶有隨機(jī)性的，所以每個(gè)決策樹(shù)的性能不盡相同。如果一棵決策樹(shù)的分類(lèi)精度高，代價(jià)低，那么它的性能應(yīng)該是較好的，所以它的分類(lèi)器權(quán)重應(yīng)該較大。

4 仿真分析

針對(duì)前文提出的模型和算法，利用KDD CUP99數(shù)據(jù)集[15]作為測(cè)試數(shù)據(jù)，在其提供的訓(xùn)練集和測(cè)試集的基礎(chǔ)上，利用抽樣得到訓(xùn)練子集(樣本數(shù)為57 114)和測(cè)試子集(樣本數(shù)為37 464)，對(duì)改進(jìn)算法進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，模擬入侵檢測(cè)過(guò)程，以對(duì)比改進(jìn)前后算法的性能。

其中，樣本類(lèi)別分布如表2所示。采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括精度(P)、召回率(R)、F_score(F)、準(zhǔn)確度(AC)和誤報(bào)率(FPR)[12]。

表2 訓(xùn)練子集和測(cè)試子集樣本分布

由于不同的攻擊類(lèi)型未被系統(tǒng)檢測(cè)到而產(chǎn)生的后果不盡相同，同時(shí)一個(gè)正常的數(shù)據(jù)流被誤分類(lèi)為攻擊也會(huì)產(chǎn)生不同的代價(jià)。定義另一個(gè)比較指標(biāo)(Cost)來(lái)度量每個(gè)樣本被錯(cuò)誤分類(lèi)的成本損失，計(jì)算公式如下。

(7)

其中，Mij表示實(shí)際為類(lèi)別i、分類(lèi)結(jié)果為類(lèi)別j的樣本數(shù)量。Cij表示從KDD CUP99數(shù)據(jù)集獲得的每個(gè)樣本的代價(jià)值，Cij的具體取值如表3所示。N是用于測(cè)試的樣本總數(shù)。從Cost的定義可知，它是一個(gè)介于0～4之間的數(shù)，對(duì)于分類(lèi)算法來(lái)說(shuō)，其Cost的值越小越好。

表3 代價(jià)矩陣(Cij)

改進(jìn)前后算法的入侵檢測(cè)性能如表4所示。

表4 改進(jìn)前后算法入侵檢測(cè)性能比較

由表4可以看出，改進(jìn)算法相對(duì)于原算法在AC、P、R、F_score性能上都有明顯的提升，F(xiàn)PR明顯降低。改進(jìn)算法的代價(jià)為0.1445，而原算法為0.1735，改進(jìn)算法明顯降低了代價(jià)，說(shuō)明改進(jìn)隨機(jī)森林算法優(yōu)于原算法。

為了進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在入侵檢測(cè)過(guò)程中分別計(jì)算了各個(gè)類(lèi)別的檢測(cè)精度，得到結(jié)果如表5所示。

從表5可見(jiàn)，改進(jìn)算法在Normal、Probing、R2L攻擊類(lèi)上檢測(cè)精度有所提升，而在U2L攻擊類(lèi)上檢測(cè)精度大幅度提高，符合預(yù)期設(shè)想。因?yàn)楦倪M(jìn)算法的基本思路是增加少數(shù)類(lèi)樣本(U2R、R2L)的學(xué)習(xí)度，從而提高檢測(cè)精度。

為了驗(yàn)證以上結(jié)果的普遍性，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。在不同的測(cè)試集樣本數(shù)下，觀(guān)察對(duì)比檢測(cè)結(jié)果的Cost值，結(jié)果如圖2所示。

表5 算法改進(jìn)前后各類(lèi)別檢測(cè)精度比較

圖2 Cost隨測(cè)試集樣本數(shù)變化曲線(xiàn)圖

由圖2看出，隨著測(cè)試子集樣本數(shù)的改變，Cost的值基本不變，而且改進(jìn)隨機(jī)森林算法的Cost的值低于原算法的Cost值，說(shuō)明此結(jié)果具有普遍性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提出的改進(jìn)的隨機(jī)森林算法在入侵檢測(cè)中與原算法相比性能更好。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于SDN的智能入侵檢測(cè)系統(tǒng)模型，該模型能夠充分發(fā)揮軟件定義網(wǎng)絡(luò)的集中管理、全局控制等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，可以靈活使用各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行流分類(lèi)，提高檢測(cè)效率。針對(duì)隨機(jī)森林算法存在的不足，尤其針對(duì)需要分類(lèi)的入侵流具有多特征、數(shù)據(jù)不平衡等特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的隨機(jī)森林算法，使用KDD CUP99數(shù)據(jù)集進(jìn)行性能仿真和對(duì)比分析。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，相對(duì)于原算法，改進(jìn)的隨機(jī)森林算法在檢測(cè)精度、代價(jià)等指標(biāo)上都明顯得到了提升，證明了該改進(jìn)算法在智能入侵檢測(cè)系統(tǒng)中的有效性。