吳克河,張 英,崔文超,程 瑞

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,北京 102206)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)被稱為是繼計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次信息技術(shù)革命，是現(xiàn)代科技潮流當(dāng)中最熱門的技術(shù)之一[1]。由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對于通信協(xié)議的特殊要求，IBM開發(fā)了一種適用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗QTT協(xié)議，該協(xié)議采用二進(jìn)制格式編碼，易于開發(fā)和實(shí)現(xiàn)，對低功耗和低速網(wǎng)絡(luò)具有良好的適應(yīng)性。目前基于MQTT協(xié)議通信的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了千萬量級。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全事件如工業(yè)核心數(shù)據(jù)泄漏、互聯(lián)終端遭到非法劫持和操控在國內(nèi)外時有發(fā)生，對于入侵者來說，攻擊工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)比攻擊其他行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠獲得更多的利益[2]。

MQTT協(xié)議旨在為物聯(lián)網(wǎng)提供一個真正輕量級且易于使用的通信協(xié)議，故而該協(xié)議在眾多的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議中最受歡迎。本文主要研究MQTT通信中的應(yīng)用層安全性，應(yīng)用層是所有數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，故而可以采用流量分析的方法來設(shè)計(jì)安全防護(hù)方案。目前應(yīng)用廣泛的DPI深度包檢測技術(shù)通過特征匹配的方式搜索流量載荷中的相關(guān)字節(jié)特征[3]，也能保障MQTT代理服務(wù)器不受非法入侵，但是對于精心包裝好的符合協(xié)議規(guī)約并滿足訪問控制規(guī)則的數(shù)據(jù)包就不能有效地被基于包過濾的防火墻發(fā)現(xiàn)。因此，有必要在通信服務(wù)器和終端設(shè)備層面對流量進(jìn)行動態(tài)分析，采用MQTT入侵檢測機(jī)制及時報告可疑行為[4]。本文提取MQTT流量中各種類型的報文的次數(shù)作為特征，還詳細(xì)統(tǒng)計(jì)部分類型報文的負(fù)載部分的主題最大相同個數(shù)，并采用隨機(jī)森林算法對MQTT異常流量進(jìn)行檢測。

1 相關(guān)研究

目前對MQTT協(xié)議的研究和應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到各個領(lǐng)域，從協(xié)議的研究角度來看，文獻(xiàn)[5-8]對MQTT協(xié)議內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的研究，分別對協(xié)議主題、服務(wù)質(zhì)量、遺囑消息、心跳機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與分析。

文獻(xiàn)[9-11]對物聯(lián)網(wǎng)中的消息傳輸協(xié)議進(jìn)行了對比，主要包括MQTT、CoAP、AMQP、XMPP和HTTP，并深入分析各自的優(yōu)勢和局限性。文獻(xiàn)[12-13]中，在霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用了MQTT協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了消息受控制的有序傳輸和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的負(fù)載均衡。文獻(xiàn)[14-17]提到將MQTT應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)、智能家居和移動互聯(lián)網(wǎng)的即時通信、消息推送系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[18]對MQTT安全機(jī)制進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究了如何在操作受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間安全地傳輸消息。

文獻(xiàn)[19]選取MQTT協(xié)議固定報頭中的控制報文類型和控制報文標(biāo)志位作為特征屬性，提出了將樸素貝葉斯分類算法應(yīng)用到MQTT異常流量檢測中。

文獻(xiàn)[20]分析MQTT協(xié)議中的客戶端異常行為，選取用戶的連接頻率和發(fā)布頻率2個屬性作為特征，并對每個特征采用相應(yīng)的權(quán)重，提出了將加權(quán)歐氏距離和K-MEANS均值算法相結(jié)合，用于MQTT異常行為檢測。本文在此工作基礎(chǔ)上，提出一種基于隨機(jī)森林算法的異常流量檢測模型，不僅提取MQTT流量中連接頻率和發(fā)布頻率作為特征，還統(tǒng)計(jì)其他各種類型報文的次數(shù)，并且還詳細(xì)統(tǒng)計(jì)部分類型報文的負(fù)載部分的主題最大相同個數(shù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練測試，隨機(jī)森林算法有效克服單一分類方法精度不高、過擬合的問題，對異常值和噪聲具有很好的容忍度。

2 隨機(jī)森林算法

為了解決傳統(tǒng)的單一分類方法往往不準(zhǔn)確而且容易出現(xiàn)過擬合的問題，許多學(xué)者通過組合多個分類模型來提高分類效果。集成學(xué)習(xí)是一種協(xié)同多個“個體學(xué)習(xí)器”完成任務(wù)的學(xué)習(xí)方法，其原理是使用某種方式將多個學(xué)習(xí)器集成，以此獲得比單一學(xué)習(xí)器更優(yōu)越的泛化性能[21]。隨機(jī)森林(Random Forest，RF)是由Breiman[22]提出的一種組合分類算法，該算法能夠平衡分布不均勻樣本的誤差，分類精度高，對異常值和噪聲有很好的容忍度，不存在過擬合問題。

隨機(jī)森林分類器是樹形分類器{h(x,θk),k=1,…,K}的集合，其中h(x,θk)是一棵采用CART算法構(gòu)建的分類回歸樹，輸入向量是x，{θk}決定了一棵樹的生長方向，隨機(jī)森林分類器[23]采用簡單多數(shù)投票法來確定最終分類結(jié)果，即對于組合分類器H(x，最后的分類結(jié)果為：

(1)

采用Bagging方法進(jìn)行隨機(jī)森林構(gòu)建的過程描述如下：

1)對于給定的訓(xùn)練樣本，經(jīng)過n次隨機(jī)的可重復(fù)抽樣，從數(shù)據(jù)(X,Y)…(Xn,Yn)出發(fā)，構(gòu)建bootstrap樣本；

2)基于每個bootstrap樣本構(gòu)建決策樹；

3)重復(fù)步驟1和步驟2，得到更多的決策樹；

4)讓每棵樹對輸入向量x進(jìn)行投票；

5)統(tǒng)計(jì)所有投票數(shù)，找出票數(shù)最高的就是向量x的類別標(biāo)簽；

6)與正確分類標(biāo)簽不一致的比例，就是該算法的錯誤分類率。

3 基于隨機(jī)森林算法的MQTT異常流量檢測方法

MQTT中存在著許多風(fēng)險因素，關(guān)于MQTT協(xié)議的安全性，目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，在不安全的通信環(huán)境中，服務(wù)端需要檢測客戶端的異常行為，客戶端一些常見的異常行為如下：

1)客戶端請求訂閱或者取消訂閱大量相同主題的數(shù)據(jù)包；

2)客戶端發(fā)出大量連接或中斷連接請求；

3)客戶端發(fā)布大量具有相同有效載荷的發(fā)布包或者客戶端發(fā)送大量沒有訂閱者的發(fā)布包。

對于以上這些異常行為，本文提出使用隨機(jī)森林算法對異常行為進(jìn)行檢測，及時發(fā)現(xiàn)異?？蛻舳?，保障通信安全。

3.1 流量特征的選取

在機(jī)器學(xué)習(xí)流量分類中，特征維數(shù)過少又不足以實(shí)現(xiàn)完美的流量分類，使用不相關(guān)或冗余的特征會對分類器的準(zhǔn)確性產(chǎn)生負(fù)面的影響。選擇有意義的特征子集很重要。流量統(tǒng)計(jì)特征的選擇往往決定了不同場景下網(wǎng)絡(luò)流量分類結(jié)果的好壞。

在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流中，只有通過一定時間積累的數(shù)據(jù)才能夠表征用戶的行為，根據(jù)上述常見的客戶端的異常行為可以看出，客戶端異常行為主要和一段時間內(nèi)連接包、中斷連接包、相同有效載荷發(fā)布包、相同主題訂閱包、相同主題取消訂閱包的個數(shù)等有關(guān)。本文提取MQTT流量中的應(yīng)用報文中的流量特征如表1所示。

表1 選取的MQTT流量特征詳細(xì)描述

3.2 數(shù)據(jù)處理

流特征提取的過程中會不可避免地遇上數(shù)據(jù)包解析錯誤等情況，數(shù)據(jù)清洗過程主要是快速檢查數(shù)據(jù)集中的空數(shù)據(jù)和重復(fù)數(shù)據(jù)并刪除，以及處理缺失值情況等。

本文通過Wireshark對一定時間內(nèi)的MQTT服務(wù)器和MQTT客戶端之間的通信流量進(jìn)行收集，然后對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，分析出該段時間內(nèi)MQTT數(shù)據(jù)流中連接包、連接確認(rèn)包、發(fā)布包、訂閱包、取消訂閱包、PING請求包、PING應(yīng)答包、中斷連接包等數(shù)據(jù)包個數(shù)，由于每次抓取的流量包中連接確認(rèn)次數(shù)、發(fā)布確認(rèn)次數(shù)、訂閱確認(rèn)、取消訂閱確認(rèn)、PING應(yīng)答次數(shù)分別與連接次數(shù)、發(fā)布次數(shù)、訂閱次數(shù)、取消訂閱次數(shù)、PING請求次數(shù)差不多，因此這10個數(shù)據(jù)信息只選取其中5個作為特征，刪除重復(fù)的不必要的信息。并進(jìn)一步分析出發(fā)布包中最大相同有效載荷包個數(shù)、訂閱包中最大相同主題包個數(shù)、取消訂閱包中最大相同主題包個數(shù)這3個特征作為有力補(bǔ)充。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 數(shù)據(jù)集

本實(shí)驗(yàn)中，異常流量攻擊源向與MQTT客戶端進(jìn)行正常通信的MQTT服務(wù)器端發(fā)送任意構(gòu)造的MQTT報文，異常流量檢測模塊所在的服務(wù)器利用旁路抓取數(shù)據(jù)的方法使用Libpcap(Packet Capture Library)提供的庫函數(shù)對交換機(jī)中的通信流量進(jìn)行截取，然后異常流量檢測模塊會對截取到的MQTT流量進(jìn)行處理。本實(shí)驗(yàn)一共選取了6586個報文樣本，其中正常的報文3484個，異常的報文3102個，其中70%的樣本用于訓(xùn)練分類器模型，再使用另外30%對該模型進(jìn)行測試。

4.2 性能指標(biāo)

只有使用合理的評價指標(biāo)，才能對MQTT異常流量檢測二元分類模型的性能進(jìn)行評估。由于MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)樣本不平衡，正負(fù)樣本之比可能偏離于1∶1，如果只使用準(zhǔn)確率之類的指標(biāo)，數(shù)據(jù)樣本不平衡問題帶來的性能評估偏差將無法解決。因此本文除了選取混淆矩陣外，還選取F1值、ROC曲線以及AUC值對分類結(jié)果進(jìn)行分析,如表2所示。

表2 分類結(jié)果混淆矩陣

準(zhǔn)確率(Accuracy, A)：表示的是預(yù)測正確的樣本占總樣本的比例，形式如公式(2)所示。

(2)

精確率(Precision，P)：真實(shí)為真的樣本中評估預(yù)測為真的樣本所占比例，形式如公式(3)所示。

(3)

召回率(Recall，R)：評估預(yù)測為真的樣本中真實(shí)為真的比例，形式如公式(4)所示。

(4)

F1值是準(zhǔn)確率和召回率的調(diào)和平均值,可以有效地避免模型評估帶來的偏差，如公式(5)所示。

(5)

真陽率(True Positive Rate，TPR)：表示分類器預(yù)測為正類中實(shí)際為正實(shí)例的占比，形式如公式(6)所示。

(6)

誤報率(False Positive Rate，F(xiàn)PR)：表示分類器預(yù)測為正類中實(shí)際為負(fù)實(shí)例占所有負(fù)實(shí)例的比例，形式如公式(7)所示。

(7)

ROC曲線：全稱為受試者操作特性曲線，曲線由自變量FPR和因變量TPR組成。ROC曲線上的各個點(diǎn)表示對輸入信號刺激的響應(yīng)，它是二元分類問題常用的參考關(guān)系圖。

AUC值：全稱為曲線下面積，根據(jù)ROC曲線，將其下方的面積定義為AUC值。AUC值越接近0或1，模型的性能越好；相反，AUC取值越接近0.5，模型性能越差。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)場景比較RF分類器與其他3個常用的分類器對MQTT異常流量的識別效果,其中包括GBDT(梯度提升樹)、DT(決策樹)、SVM(支持向量機(jī))、NB(樸素貝葉斯),使用的分類性能指標(biāo)為Accuracy(準(zhǔn)確率)、Precision(精確率)、Recall(召回率)、F1-score(F1值)、運(yùn)行時間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和圖1所示。

表3 MQTT異常流量識別結(jié)果

圖1 MQTT異常流量分類結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于集成學(xué)習(xí)的RF、GBDT分類器的準(zhǔn)確率均高于90%，其中RF分類器的準(zhǔn)確率達(dá)到最高約為96.4%。單獨(dú)的DT分類器準(zhǔn)確率約為93.5%，低于RF分類模型的96.4%。由此可見，基于RF的集成模型的分類性能要優(yōu)于單獨(dú)使用的分類模型。

ROC曲線所覆蓋的面積被稱為AUC空間(圖2中的灰色區(qū)域)?？梢酝ㄟ^AUC空間的大小來判斷模型的預(yù)測能力。一般來說，AUC的空間越大，模型的預(yù)測能力越好。從圖2可以看出，使用隨機(jī)森林算法模型進(jìn)行分類得到的AUC值為0.99,分類效果接近于完美。

圖2 隨機(jī)森林算法ROC-AUC曲線圖

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于RF算法的MQTT異常流量識別方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型通過提取MQTT數(shù)據(jù)流中的特征能夠有效地對MQTT異常流量進(jìn)行識別。對于高級的、持續(xù)的欺騙性數(shù)據(jù)包攻擊采用基于隨機(jī)森林算法的MQTT協(xié)議異常流量檢測模塊能夠快速檢測出攻擊并作出防護(hù)響應(yīng)，保障工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全。

但是，仍有一些方面有待改進(jìn)和進(jìn)一步完善。首先，當(dāng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時，MQTT控制報文的類型是有限的，因此只能獲得數(shù)量有限、分布不均勻的數(shù)據(jù)樣本，故而模型的準(zhǔn)確率可能會由于訓(xùn)練樣本的種類不夠全面、數(shù)量不夠多而造成影響。其次，可以對特征屬性的劃分進(jìn)行更多的選擇，進(jìn)一步提高M(jìn)QTT異常流量檢測模型的分類正確率。