基于數(shù)據(jù)預(yù)處理的DDoS攻擊檢測(cè)方法研究*

高一為,賴(lài)英旭,吳 歡,陳偉桐

（北京工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100124）

現(xiàn)有的基于網(wǎng)絡(luò)流量的DDoS攻擊檢測(cè)方法可以按照對(duì)時(shí)間尺度的敏感程度進(jìn)行劃分,通常將小于100 ms的網(wǎng)絡(luò)模型稱(chēng)為小尺度網(wǎng)絡(luò)模型，將以小時(shí)(hour)或天(day)作為時(shí)間單位的網(wǎng)絡(luò)模型稱(chēng)為大尺度網(wǎng)絡(luò)模型?；诖蟪叨染W(wǎng)絡(luò)模型的檢測(cè)方法主要有方差分析法(ANVOA)[1]、泛化似然比檢驗(yàn)法(Generalized Likelihood Ratio Test)[2]、自適應(yīng)殘差比較法[3]等，這些方法雖然有較好的檢測(cè)率和較低的誤報(bào)率，但是因其以hour或day為統(tǒng)計(jì)單位而不具備實(shí)時(shí)檢測(cè)的能力。相比之下小尺度網(wǎng)絡(luò)模型更適合于實(shí)時(shí)檢測(cè)，但因其表現(xiàn)出多分形性[4]而難以觀測(cè)。參考文獻(xiàn)[5]提出的Holder指數(shù)檢測(cè)法雖然檢測(cè)延時(shí)短，但是受到短相關(guān)性質(zhì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量整體觀測(cè)能力不足的影響，誤報(bào)率過(guò)高。針對(duì)這一問(wèn)題，參考文獻(xiàn)[6]提出了一種基于傳統(tǒng)Hurst指數(shù)和Holder指數(shù)的分形檢測(cè)法，通過(guò)判斷網(wǎng)絡(luò)流量的實(shí)時(shí)分形特性,分別采用兩種不同方法進(jìn)行檢測(cè)，雖然提高了分形模型中長(zhǎng)相關(guān)部分的檢測(cè)準(zhǔn)確率，但是當(dāng)流量數(shù)據(jù)表現(xiàn)出短相關(guān)時(shí)，誤報(bào)問(wèn)題仍沒(méi)有解決。參考文獻(xiàn)[7]提出了一種基于Hurst指數(shù)的方差-時(shí)間圖法VTP(Variance-Time Plots)，試圖利用多分形模型中包含的長(zhǎng)相關(guān)特性進(jìn)行檢測(cè)。受多分形模型中長(zhǎng)相關(guān)特性并不明顯的影響，誤報(bào)率雖然有所下降，但是檢測(cè)率上還存在不足。

現(xiàn)有小尺度網(wǎng)絡(luò)模型通常采用Holder、Hurst等指數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，Holder指數(shù)觀測(cè)尺度狹窄、誤報(bào)率高；Hurst指數(shù)能夠在整體上對(duì)流量的自相似性進(jìn)行刻畫(huà)，具有較高的檢測(cè)精度，但要求觀測(cè)的時(shí)間尺度寬，不利于實(shí)時(shí)檢測(cè)。本文提出的基于數(shù)據(jù)預(yù)處理的DDoS攻擊檢測(cè)方法在Hurst指數(shù)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)提高流量間相關(guān)度，滿足了Hurst指數(shù)定義對(duì)模型長(zhǎng)相關(guān)程度的要求，從而能夠更準(zhǔn)確地對(duì)具有多分形特性的流量進(jìn)行分析。

1 流量預(yù)處理

小尺度網(wǎng)絡(luò)模型中包含的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)信息相比大尺度網(wǎng)絡(luò)模型少但更為細(xì)致，因而也更易受流量的突發(fā)性影響?；诹髁康腄DoS攻擊檢測(cè)技術(shù)正是利用了流量突發(fā)性對(duì)統(tǒng)計(jì)特性造成的奇異點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，因此為了降低誤報(bào)率就需要降低正常流量發(fā)生時(shí)對(duì)小尺度模型統(tǒng)計(jì)特性的影響。最直接的方法就是增加小尺度模型各節(jié)點(diǎn)包含的信息量，增強(qiáng)其長(zhǎng)相關(guān)性。參考文獻(xiàn)[8]就可能影響流量性能的因素提出了假設(shè)，并認(rèn)為均值和方差對(duì)多分形有較大影響。本文在參考文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上，提出采用滑動(dòng)平均值來(lái)代替原有采樣值的方法，在保證不丟失原有信息特性的前提下，將前后時(shí)間節(jié)點(diǎn)的特性包含進(jìn)來(lái)，提高了節(jié)點(diǎn)中包含的信息量，使得小尺度網(wǎng)絡(luò)模型的長(zhǎng)相關(guān)性增強(qiáng)，同時(shí)降低了正常流量發(fā)生時(shí)對(duì)統(tǒng)計(jì)特性可能造成的影響。流量預(yù)處理方法如式(1)所示：

式中，t(n)為進(jìn)行預(yù)處理前時(shí)間序列；g(n)為采用滑動(dòng)平均變換后的時(shí)間序列；m為增加關(guān)聯(lián)度的權(quán)系數(shù)，m值越大，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的時(shí)間序列長(zhǎng)相關(guān)性質(zhì)越強(qiáng)。

2 DDoS攻擊檢測(cè)方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用式(1)，將參數(shù) m設(shè)為 100，從時(shí)間序列 t(n)中取100個(gè)序列值(總時(shí)長(zhǎng)為1 s的流量數(shù)據(jù))，作滑動(dòng)平均計(jì)算得到序列g(shù)(n)。

2.2 小波分解

由于傳統(tǒng)的模型和分析工具不適用多分形模型，本文利用小波分解法對(duì)小尺度網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行分解獲得網(wǎng)絡(luò)流量的高頻系數(shù)（或稱(chēng)細(xì)節(jié)系數(shù)），為求解Hurst指數(shù)提供基礎(chǔ)。 將 g(n)分為 i個(gè)子區(qū)域 g′(n),i=1,2,…,n,如式(2)所示：

每次獲得的新采樣數(shù)據(jù)插入到序列末尾，這種序列構(gòu)造方式減少了獲取定長(zhǎng)數(shù)據(jù)的等待時(shí)間,提高了構(gòu)造速度。

第i個(gè)子區(qū)的j級(jí)分解低頻系數(shù) (或稱(chēng)為近似系數(shù))和j級(jí)分解高頻系數(shù)(或稱(chēng)為細(xì)節(jié)系數(shù))分別用 aig(j,k)和dig(j,k)表示,如 式(3)所 示:

其中j為小波分解層數(shù)，k為小波的移動(dòng)尺度，φjk為小波尺度函數(shù)，ψjk為小波函數(shù)。

[9,10]的研究表明，消失矩與小波分解求自相似參數(shù)Hurst的準(zhǔn)確性有著密切關(guān)系。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]中的研究結(jié)果，db小波（Daubechies）在求解 Hurst值的過(guò)程中準(zhǔn)確性普遍優(yōu)于一般方法（如R/S）。因此本文選取db(3)作為小波消失矩，小波分解層數(shù)為j=10，小波移動(dòng)尺度k=1。

小波分解過(guò)程中通常采用二進(jìn)制伸縮的方式,如式(4)所示:

2.3 Hurst指數(shù)求解

參考文獻(xiàn)[11]中的研究表明，利用小波高頻系數(shù)dig(j,k)求解Hurst指數(shù)的方法主要有方差法、譜估計(jì)法和能量法等。本文選擇方差法求解Hurst指數(shù),如式(5)所示:

根據(jù)式(5)的定義對(duì)小波高頻系數(shù)（或稱(chēng)細(xì)節(jié)系數(shù)）dig(j,k)做零值化處理，以達(dá)到均方誤差最小的目的，如式(6)所示。

經(jīng)過(guò)小波變換分解和零值化處理后,通過(guò)對(duì)式(5)兩邊取對(duì)數(shù)進(jìn)行線性擬合,如式(7)所示：

得到以 j為自變量，以 log2Var?dig′(j,k)」,k=1,2,…,100 為函數(shù)的直線，其斜率b=2H+1，即為Hurst指數(shù)。

2.4 Hurst指數(shù)閾值設(shè)定

對(duì)于小尺度網(wǎng)絡(luò)模型而言，當(dāng)平穩(wěn)的DDoS攻擊流量發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)流量整體的波動(dòng)性下降，突發(fā)性減弱，自相似性增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)本文提出的預(yù)處理方法處理，Hurst指數(shù)升高并趨于平穩(wěn)。本文方法正是利用這一原理對(duì)DDoS攻擊進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)計(jì)算方差的方法來(lái)檢測(cè)Hurst指數(shù)的平穩(wěn)性。

本文提出,對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的流量采用Hurst指數(shù)方差平均值 Var[H′]來(lái)量化其變化程度，如式(8)所示。

式中E為計(jì)算平均值的尺度大小，V為計(jì)算方差的尺度大小。E和V的選取將會(huì)對(duì)算法的檢測(cè)延遲和誤報(bào)率產(chǎn)生影響。取值越高,觀測(cè)越準(zhǔn)確，誤報(bào)率越低，但也會(huì)造成檢測(cè)延遲上升。相反則會(huì)降低檢測(cè)延遲，提高誤報(bào)率。在此本文將閾值設(shè)定為

3 DDoS攻擊檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

本文采用模擬攻擊的方法對(duì)文中提出的網(wǎng)絡(luò)異常檢測(cè)算法進(jìn)行測(cè)試。

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由正常的背景流量和模擬的攻擊流量匯聚而成。

以北京工業(yè)大學(xué)某樓層的真實(shí)流量為正常流量樣本，采用Wireshark截取上午 10：30～11:17之間的全部流量。時(shí)間精度為1 ms,包括各類(lèi)正常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)包1 620 400個(gè)。分別匯聚為精度10 ms的BJUT-10流量和精度為1 s的BJUT-1000流量。

利用Sprient公司的ThreatEx2600作為攻擊流量的產(chǎn)生工具，模擬了DDoS攻擊中最經(jīng)典的SYN-Flood攻擊流量，并將攻擊強(qiáng)度以1 000 threats/s的幅度逐漸增加。將攻擊行為分為兩次，分別在小背景流量和大背景流量下進(jìn)行，小背景流量攻擊發(fā)生在100 000 ms，大背景流量發(fā)生在200 000 ms。每次攻擊持續(xù)180 s，其中流量上升階段30 s，峰值攻擊 120 s，流量下降階段30 s。測(cè)試環(huán)境如圖1所示。

3.2 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)第2.3節(jié)中所描述的檢測(cè)算法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，Hurst值的結(jié)果如圖2所示。

在框內(nèi)的部分發(fā)生DDoS攻擊(攻擊發(fā)生于100 000 ms～117 998 ms及 200 000 ms～217 998 ms之間)，Hurst值在攻擊發(fā)生時(shí)段明顯趨于穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)方差處理后，在低流量背景情況下，Hurst指數(shù)方差值明顯趨于0，比較容易檢測(cè)出攻擊。但是在高流量背景下（后一個(gè)框），攻擊時(shí)Hurst方差值同正常流量的Hurst方差值大小并無(wú)明顯區(qū)別，只能從趨勢(shì)和前后節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性上看出一定特性。

用式(8)方法對(duì)Hurst指數(shù)進(jìn)行方差和均值處理后，如圖3、圖4所示。從圖中可以看出當(dāng)DDoS攻擊發(fā)生時(shí)，Hurst指數(shù)方差均值處于所設(shè)的閾值之下。

定義 1：誤報(bào)率 σ，攻擊發(fā)生的次數(shù)為 T，誤報(bào)攻擊的次數(shù)為t。誤報(bào)率為誤報(bào)攻擊的次數(shù)與實(shí)際攻擊發(fā)生次數(shù)的比值，即

定義2：檢測(cè)延遲T，即攻擊被檢測(cè)出的時(shí)間與攻擊發(fā)生時(shí)間之間的延遲。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,在利用BJUT-10流量模型進(jìn)行異常檢測(cè)時(shí),當(dāng)攻擊流量達(dá)到背景流量36.90%時(shí),攻擊被檢測(cè)出來(lái)，但檢測(cè)完整性較差，僅為2.10%，檢測(cè)延遲91.28 s。

當(dāng)攻擊增強(qiáng)而背景流量不變時(shí)，攻擊的檢測(cè)率提高，攻擊檢測(cè)完整性也相應(yīng)提高；當(dāng)攻擊流量占到總流量91.36%時(shí),檢測(cè)率達(dá)到100%,檢測(cè)完整性達(dá)到75.18%，檢測(cè)延遲為26.1 s。

當(dāng)攻擊強(qiáng)度不變，背景流量發(fā)生變化時(shí)，在大流量背景下,檢測(cè)的完整性較小流量背景下攻擊的檢測(cè)完整性和檢測(cè)率差距較大，檢測(cè)延遲明顯降低。

4 與典型算法對(duì)比

為了驗(yàn)證本文算法的性能，采用相同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與典型檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。

4.1 Holder指數(shù)檢測(cè)法

本文重現(xiàn)了參考文獻(xiàn)[6]中的Holder指數(shù)計(jì)算方法，并將關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為λ=0.9,s=10。

4.2 傳統(tǒng)Hurst指數(shù)檢測(cè)法

根據(jù)參考文獻(xiàn)[6-7]中的 Hurst指數(shù)檢測(cè)法，因Hurst指數(shù)檢測(cè)法只適用于大尺度的網(wǎng)絡(luò)模型，即時(shí)間敏感度大于1s的網(wǎng)絡(luò)模型，因此本文采用BJUT-1000流量進(jìn)行模擬檢測(cè)。采用db(3)小波分解，小波分解層數(shù)為j=10，小波移動(dòng)尺度 k=1，時(shí)間區(qū)間n=10。

4.3 性能比較

本文模擬的DDoS攻擊包含了30 s攻擊速率上升的過(guò)程，因此檢測(cè)延遲在一定程度上反應(yīng)了檢測(cè)算法對(duì)攻擊發(fā)生初期（0 s～30 s）的檢測(cè)能力。

從圖5可以看出本文方法在檢測(cè)延遲上同Holder指數(shù)檢測(cè)法性能相當(dāng)。從算法誤報(bào)率上看，本文方法誤報(bào)率較Holder指數(shù)檢測(cè)法有明顯改善。因而本文方法在檢測(cè)率和檢測(cè)完整性上優(yōu)于其他兩種檢測(cè)算法。如圖6所示。

本文提出了一種基于多分形模型數(shù)據(jù)預(yù)處理的異常檢測(cè)方法。利用小波分解的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行分析。通過(guò)增加數(shù)據(jù)間相關(guān)性使得短相關(guān)的流量數(shù)據(jù)具備一定的長(zhǎng)相關(guān)特性，而長(zhǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)的特性更加明顯。同時(shí)使用Hurst指數(shù)方差平均值對(duì)攻擊流量進(jìn)行檢測(cè)。相比于現(xiàn)有的實(shí)時(shí)檢測(cè)算法,其誤報(bào)率明顯降低，并保持較低的檢測(cè)延遲，提高了檢測(cè)率和檢測(cè)完整性。

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