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【51CTO.com快譯】得益于近年來(lái)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們正在將各種自動(dòng)化且具有擴(kuò)容預(yù)測(cè)能力的技術(shù)，運(yùn)用到網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的加固上。

眾所周知，網(wǎng)絡(luò)安全的最常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自入侵，其中包括：蠻力破解、拒絕服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)滲透等方面。而現(xiàn)如今，隨著網(wǎng)絡(luò)行為模式的改變，業(yè)界普遍認(rèn)為單憑靜態(tài)數(shù)據(jù)集的策略，是無(wú)法捕獲流量的具體組成、并予以攔截的。因此我們有必要采用一種動(dòng)態(tài)的方式，來(lái)檢測(cè)和防御各種入侵。

也就是說(shuō)：我們需要可修改的、可重復(fù)且可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)集，來(lái)學(xué)習(xí)和處理那些能夠輕松繞過(guò)傳統(tǒng)入侵檢測(cè)系統(tǒng)(IDS)的復(fù)雜攻擊源。下面，讓我們一起討論機(jī)器學(xué)習(xí)如何能夠在入侵檢測(cè)中發(fā)揮作用，以構(gòu)建出更為強(qiáng)大與健壯的IDS。

與IDS相關(guān)的機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)概念

在機(jī)器學(xué)習(xí)的各種算法中，無(wú)監(jiān)督(Unsupervised)式學(xué)習(xí)算法可以從網(wǎng)絡(luò)中“學(xué)到”各種典型的模式，并且能夠在沒(méi)有任何已標(biāo)記數(shù)據(jù)集的情況下，報(bào)告異常情況。雖然它可以檢測(cè)出各種新型的入侵，但是很容易出現(xiàn)誤報(bào)(false positive alarms)的情況。因此，我們?cè)诖酥挥懻摕o(wú)監(jiān)督式的K-均值聚類算法。另外，為了減少誤報(bào)，我們可以引入已標(biāo)記的數(shù)據(jù)集，并建立監(jiān)督式機(jī)器學(xué)習(xí)模型，進(jìn)而訓(xùn)練出網(wǎng)絡(luò)中正常數(shù)據(jù)包與攻擊流量之間的特征差異。此類監(jiān)督式的模型能夠熟練地處置各種已知攻擊，并且能夠識(shí)別出此類攻擊的變種。因此，我們下面會(huì)討論到的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督式算法包括：貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林、隨機(jī)樹(shù)、MLP、以及決策表。

數(shù)據(jù)集

在機(jī)器學(xué)習(xí)模型的開(kāi)始階段，最重要也是最繁瑣的過(guò)程便是獲得各種可靠的數(shù)據(jù)。在此，我們使用KDD Cup 1999的數(shù)據(jù)，來(lái)建立預(yù)測(cè)模型，從而區(qū)分入侵類攻擊與真正有價(jià)值的流量連接。KDD Cup 1999是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)集，它包括了在軍事網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中所模擬出的各種干預(yù)模型，由4898431個(gè)實(shí)例和41種屬性所組成。

它會(huì)跟蹤如下四種攻擊類型，每一個(gè)連接都會(huì)被標(biāo)記為正常、或是具有攻擊性。而且每一條連接記錄大約都是由100個(gè)字節(jié)所組成。

• 拒絕服務(wù)：denial-of-service
• R2L：來(lái)自遠(yuǎn)程機(jī)器的未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)
• U2R：來(lái)自本地root特權(quán)的未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)
• 探測(cè)：監(jiān)視并需要另一種檢查

如下表所示，每一種類型都包含了具體的攻擊形式，一共有21種。

KDD集合

如下表所示，我們總結(jié)出了任意一種基于TCP/IP協(xié)議的連接集的基礎(chǔ)分類特征：

數(shù)據(jù)在能夠被機(jī)器學(xué)習(xí)算法所使用之前，必須經(jīng)過(guò)被特征選擇等處理。有些元素特征很容易被發(fā)現(xiàn)，而其他的特征則需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試才能被找到。當(dāng)然，由于某些特征是冗余的，而且將不同的類別予以區(qū)分可能意義不大，因此在IDS中使用數(shù)據(jù)集的所有特征并不一定能獲得最佳的性能，有時(shí)甚至?xí)黾酉到y(tǒng)的計(jì)算成本與錯(cuò)誤率。

此處，數(shù)據(jù)集的主要貢獻(xiàn)是通過(guò)引入專家建議的屬性，有助于系統(tǒng)理解不同類型的攻擊行為，包括上述提及的：檢測(cè)DoS、探測(cè)、R2L和U2R等基本特性。下表便是來(lái)自不同領(lǐng)域的知識(shí)庫(kù)所給出的內(nèi)容特征列表。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法的簡(jiǎn)述

K-均值聚類(K-means clustering)

如前所述，K-均值聚類是一種無(wú)監(jiān)督式的學(xué)習(xí)技術(shù)。這是最簡(jiǎn)單、也是最流行的機(jī)器學(xué)習(xí)算法之一。它在數(shù)據(jù)中尋找不同的組，其中組的數(shù)量由變量K所表示。該算法基于數(shù)據(jù)集的特征，將不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)分配給K中的一個(gè)組。基于不同的特征相似性，各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)被采取聚類。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayes Network)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種概率圖形模型。它的原理是通過(guò)繪制出有向圖形邊上的依賴關(guān)系，進(jìn)而充分利用到條件的依賴性。它假定所有沒(méi)有被邊緣所連接的節(jié)點(diǎn)，都是具有條件獨(dú)立。而且它在創(chuàng)建有向無(wú)環(huán)圖時(shí)，就利用到了該事實(shí)基礎(chǔ)。

隨機(jī)森林分類器(Random Forest Classifier)

隨機(jī)森林是一種集成式的分類器，它通過(guò)合并多種算法來(lái)實(shí)現(xiàn)分類。這些算法在數(shù)據(jù)的隨機(jī)子集上創(chuàng)建多個(gè)決策樹(shù)，然后通過(guò)聚合每棵樹(shù)的總票數(shù)，來(lái)決定測(cè)試的類別。同時(shí)，它也會(huì)給個(gè)別樹(shù)的貢獻(xiàn)程度分配權(quán)重值。

多層感知(MLP)

MLP是一種前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它至少由三個(gè)層次所組成：輸入層、隱藏層和輸出層。在訓(xùn)練期間，我們可以通過(guò)調(diào)整各種權(quán)重或參數(shù)，來(lái)最小化分類中的錯(cuò)誤。該算法在每個(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)中引入了非線性(Non-linearity)。而反向傳播則是用來(lái)通過(guò)參照錯(cuò)誤，進(jìn)而調(diào)整權(quán)重與偏差。

實(shí)現(xiàn)

下面，我們將使用Python及其廣泛的庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)IDS。當(dāng)然，我們需要事先安裝好Pandas(基于Python的大型數(shù)據(jù)集分析庫(kù))、NumPy(Python的一種開(kāi)源類數(shù)值計(jì)算擴(kuò)展)和Scipy(可用于數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程領(lǐng)域的常用軟件包，常用于計(jì)算Numpy矩陣，能與Numpy協(xié)同工作)。如果您使用的是Ubuntu系統(tǒng)，那么其對(duì)應(yīng)的shell命令應(yīng)該是：

sudo pip install numpy scipy pandas 

首先，我們需要對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，也就是說(shuō)：數(shù)據(jù)集需要被下載并提取到程序?qū)?yīng)的文件夾中。同時(shí)，該數(shù)據(jù)集應(yīng)該是.csv格式，以方便Python的讀取。因此具體命令如下： 

# Import pandas 
import pandas as pd  
# reading csv 
file dataset = pd.read_csv("filename.csv") 

前面提到的各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法都應(yīng)當(dāng)被存放在“神奇”的Scipy庫(kù)中。通過(guò)以下步驟，您可以使用不同的模型，來(lái)快速運(yùn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)集：

K-均值 

import numpy as np  
from sklearn.cluster  
import KMeans  
print(dataset.describe())  
# to view the summary of the dataset loaded  
kmeans = KMeans(n_clusters=2)  
# You want cluster the threats into 5: Normal, DOS,PROBE, R2L and U2R  
kmeans.fit(X)  
prediction = kmeans.predict(dataset[0])  
# predicts the type for the first entry  
隨機(jī)森林 
#Import Random Forest Model  
from sklearn.ensemble  
import RandomForestClassifier  
#Create a Gaussian  
Classifier clf=RandomForestClassifier(n_estimators=50)  
#Train the model using the training  
dataset clf.fit(dataset,dataset[:,LAST_COLUMN])  
#LAST_COLUMN is the index of the column with the labelled type of threat or normal  
pred=clf.predict(dataset) 

樸素貝葉斯網(wǎng)絡(luò) 

from sklearn.naive_bayes  
import GaussianNB  
#Create a Gaussian Naive Bayes Classifier  
gnb = GaussianNB()  
gnb.fit(dataset,dataset[:,LAST_COLMN])  
pred=predict(gnb,dataset[0]) 

多層感知 

From sklearn.neural_network  
import MLPClassifier  
#Create a Multi-Layer Perceptron  
clf = MLPClassifier(solver='lbfgs', alpha=1e-5, hidden_layer_sizes=(5, 2), random_state=1)  
clf.fit(dataset,dataset[:,LAST_COLMN])  
pred=clf.predict(dataset[0]); 

結(jié)果

為了衡量機(jī)器學(xué)習(xí)模型的準(zhǔn)確性，我們會(huì)引入諸如：平均準(zhǔn)確度(Average Accuracy)、誤報(bào)率(False Positive Rates)和漏報(bào)率(False Negative Rates)等不同衡量維度的參考指標(biāo)。由于K-均值是一種無(wú)監(jiān)督式算法，因此它被排除在了該指標(biāo)之外。

如下面公式所示，平均準(zhǔn)確度定義為：被正確分類的數(shù)據(jù)點(diǎn)與數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)的比。

顯而易見(jiàn)，此處的“誤報(bào)”是指那些被判定為威脅，而實(shí)際上并非為如此的數(shù)據(jù)流量。同理，“漏報(bào)”是指那些確實(shí)為威脅，但未被IDS所查出并報(bào)告的流量。

另一些可以參考與度量的指標(biāo)還包括：精度和真陽(yáng)性。其中：

• 精度是指發(fā)現(xiàn)的威脅與威脅總量的比率。
• 真陽(yáng)性是指那些能夠被成功地識(shí)別為威脅包，與全部能被識(shí)別和判定的數(shù)據(jù)包的比率。

應(yīng)用的意義

從某種程度上說(shuō)，當(dāng)前所有的IDS都應(yīng)該引入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以應(yīng)對(duì)日益增加的網(wǎng)絡(luò)安全威脅。具備機(jī)器學(xué)習(xí)的IDS，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)粒度、高精度的自動(dòng)化檢測(cè)。籍此，企業(yè)可以使用各種檢測(cè)結(jié)果來(lái)跟蹤攻擊源，阻止它們的進(jìn)一步滲透，并優(yōu)化自身的網(wǎng)絡(luò)。另外，用戶公司也不必再通過(guò)訂購(gòu)?fù){特征簽名，來(lái)被迫與新產(chǎn)生的攻擊進(jìn)行“時(shí)間賽跑”。當(dāng)然，在不同的應(yīng)用與檢測(cè)場(chǎng)景中，不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法會(huì)各有所長(zhǎng)。我們應(yīng)該根據(jù)網(wǎng)絡(luò)及用戶流量的特性，選用最適合自身環(huán)境的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的IDS方案。

原文標(biāo)題：Evaluation of ML Algorithms for Intrusion Detection Systems，作者：Aman Juneja

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