基于加權(quán)相對(duì)距離的自由文本擊鍵特征認(rèn)證識(shí)別方法

宋夢(mèng)玲，胡曉勤

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都　610065）

基于加權(quán)相對(duì)距離的自由文本擊鍵特征認(rèn)證識(shí)別方法

宋夢(mèng)玲，胡曉勤

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065）

加權(quán)相對(duì)距離；自由文本；擊鍵；特征識(shí)別；認(rèn)證

0　引言

本文描述的擊鍵特性的分析是根據(jù)擊鍵序列的檢測(cè)屬于異常入侵檢測(cè)范疇。收集不同用戶(hù)在QQ聊天中生成的擊鍵樣本，通過(guò)分析建立正常用戶(hù)的擊鍵序列模板，將訓(xùn)練樣本與測(cè)試樣本進(jìn)行匹配以檢測(cè)入侵是否發(fā)生。

本文在分析、比較擊鍵特性識(shí)別算法的基礎(chǔ)上，收集了大量的數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析。本文的實(shí)驗(yàn)是以雙鍵為基本鍵對(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的[1-2]。在基于相對(duì)距離的算法上，為每對(duì)雙鍵的相對(duì)距離賦予不同權(quán)值，計(jì)算訓(xùn)練樣本與測(cè)試樣本的加權(quán)相對(duì)距離和。通常，同一個(gè)用戶(hù)的測(cè)試樣本與訓(xùn)練樣本的相似度越大，其加權(quán)相對(duì)距離和越小。反之，不同用戶(hù)的測(cè)試樣本與訓(xùn)練樣本的相似度越小，加權(quán)相對(duì)距離和越大，由此可以判斷該訓(xùn)練樣本是否屬于該用戶(hù)。

1　擊鍵動(dòng)力學(xué)

擊鍵動(dòng)力學(xué)識(shí)別分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)擊鍵識(shí)別兩種。靜態(tài)擊鍵識(shí)別：Bergadano[3-4]所做的實(shí)驗(yàn)中，要求自愿者根據(jù)他們所提供的固定文本來(lái)?yè)翩I產(chǎn)生樣本來(lái)構(gòu)建用戶(hù)的模型，其樣本與被識(shí)別的輸入樣本是相同的文本[5]。

動(dòng)態(tài)擊鍵識(shí)別：用戶(hù)按著自己的習(xí)慣、方式擊鍵產(chǎn)生的非固定樣本構(gòu)建模型就是動(dòng)態(tài)擊鍵識(shí)別[6-7]。本文所提出的擊鍵特識(shí)別方法就是基于自由文本的動(dòng)態(tài)擊鍵識(shí)別。

2　擊鍵時(shí)間

擊鍵可以分為單鍵、雙鍵、三鍵、四鍵，以及N鍵。研究證明，使用雙鍵作為擊鍵特征的區(qū)分度最好，特征最明顯。如圖1 所示：

圖1　雙鍵時(shí)間示意圖P:press R:release（visio繪制）

PR為按下一個(gè)鍵到釋放該鍵的時(shí)間間隔；PP為按下一個(gè)鍵到按下下一個(gè)鍵的時(shí)間間隔；RP為釋放一個(gè)鍵到按下下一個(gè)鍵的時(shí)間間隔；RR為釋放一個(gè)鍵到釋放下一個(gè)鍵的時(shí)間間隔。雙鍵組合的持續(xù)時(shí)間可以擴(kuò)展為N鍵組合。在本文中，我們將采用雙鍵的時(shí)間。

3　傳統(tǒng)的R方法[8]

文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]提出并完善了基于相對(duì)距離的擊鍵識(shí)別（即R方法）。與之相對(duì)的是采用絕對(duì)距離（擊鍵時(shí)間）衡量擊鍵樣本間的相似度與差異性。R方法的支持者認(rèn)為，擊鍵是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，擊鍵時(shí)間是一個(gè)絕對(duì)值。在這個(gè)過(guò)程中，用戶(hù)可能會(huì)受到外界或自身影響，將擊鍵時(shí)間的絕對(duì)值作為擊鍵特征存在不穩(wěn)定、偶然性等特征，難以衡量擊鍵樣本之間的真實(shí)差異性。實(shí)驗(yàn)證明，不同雙鍵按照時(shí)間長(zhǎng)短排序的位置存在著某種穩(wěn)定關(guān)系[8]，受外部因素影響較小，適于作為擊鍵特征，由此提出了R方法。

對(duì)于給定的兩數(shù)組V={a1，a2，…，ak}，V'={a1'，a2'，…，ak'}，維度均為K。定義亂序度為V和V相同元素位置的距離絕對(duì)值之和。例如，數(shù)組V={2，5，1，4，3}，V’= {1，2，3，4，5}，則V和V'的無(wú)序度為:|0-1|+|1-4|+|2-0|+| 3-3|+|4-2|=1+3+2+0+2=8?？芍?，當(dāng)數(shù)組V與V'排序完全相同時(shí)，無(wú)序度最小為0；反之，排序完全相反時(shí)，無(wú)序度最大，無(wú)序度的值如下：

因此，對(duì)于給定K個(gè)元素的數(shù)組來(lái)說(shuō)，我們可以對(duì)其進(jìn)行歸一化，即歸一化的無(wú)序度=當(dāng)前無(wú)序度/最大無(wú)序度，顯然，歸一化無(wú)序度的取值范圍為[0，1]。

設(shè)有擊鍵樣本S1=classification和S2=authentication。它們共有的雙鍵有ic，ca，at，ti，，io，on這6對(duì)。其中 ：S1={265，150，280，230，260，240}，S2={320，220，200，150，190，210}，將它們的值從小到大升序排列，如表1所示：

表1　樣本S1和S2雙鍵時(shí)間排列（排序后）

最大距離為二者間的最大無(wú)序度，即maxDistance（S1，S2）=62/2=18，則R距離（相對(duì)距離）=當(dāng)前距離/最大距離，即R（S1，S2）=d（S1，S2）/maxDistance（S1，S2）= 12/18=0.6666。

4　基于加權(quán)相對(duì)距離的特征識(shí)別方法

本方在R方法的基礎(chǔ)上對(duì)不同鍵對(duì)的相對(duì)距離進(jìn)行加權(quán)，盡可能地縮同一用戶(hù)間的差異性，同時(shí)擴(kuò)大不同用戶(hù)間的差異。維護(hù)了樣本的穩(wěn)定性，并且具有更高的準(zhǔn)確識(shí)別度。

設(shè)有N個(gè)擊鍵時(shí)間值的有序擊鍵序列：測(cè)試數(shù)組S1={a1，a2，…，ai，…，an}，訓(xùn)練數(shù)組S2={b1，b2，…，bi，…，bn}。S1和S2都被分為M組，每組雙鍵個(gè)數(shù)為N/M，每組賦予不同權(quán)值，為k1，k2，…，km。由于每對(duì)雙鍵的相對(duì)距離都賦予了權(quán)值，為與傳統(tǒng)的R方法進(jìn)行比較，將權(quán)值作歸一化處理。即:

本方法是比較位置索引值，因此它是關(guān)于符號(hào)序列之間的變化程度。改進(jìn)方法和示例如下：以擊鍵序列arithmetic為雙鍵樣本S1和S2，有9個(gè)雙鍵：ar，ri，it，th，hm，me，et，ti，ic。 S1={185，160，230，310，280，245，260，220，250}，S2={210，195，230，190，290，235，270，220，255}，單位均為ms。按擊鍵時(shí)間從小到大升序排列后，如表2所示。

R方法計(jì)算S1和S2之間的距離有：d（S1，S2）=|0-1|+|1-2|+|2-3|+|3-4|+|4-5|+|5-6|+|6-7|+|7-8|+|8-0|=1+ 1+1+1+1+1+1+1+8=16。

最大距離maxDistance（S1，S2）=（92-1）/2=40，則相對(duì)距離=距離/最大距離R（S1，S2）=d（S1，S2）/ maxDistance（S1，S2）=16/40=0.40。上例中，只有雙鍵th位置改變，導(dǎo)致其他雙鍵的相對(duì)位置改變，最終得到的相對(duì)距離和累加了所有雙鍵的位置差異，擴(kuò)大擊鍵樣本間的差異性，使得認(rèn)證效果變差。實(shí)際上，這兩個(gè)樣本間的差異性很小。

表2　樣本S1和S2雙鍵時(shí)間排列（排序后）

而加權(quán)相對(duì)距離的特征識(shí)別算法是將S1和S2適當(dāng)?shù)姆纸M，并賦予每組不同的權(quán)值。在本文實(shí)驗(yàn)中，提取的源數(shù)據(jù)是根據(jù)雙鍵頻率由大到小排列的，因此出現(xiàn)頻率高的雙鍵的權(quán)值大于出現(xiàn)頻率低的雙鍵的權(quán)值。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，將S1和S2分為3組，每組3個(gè)雙鍵，每組的權(quán)值分別為3，2.5，1.25時(shí)，所得到的認(rèn)證效果最佳，對(duì)權(quán)值作歸一化處理：k=（k1*3+k2*3+k3*3）/ 9=2.25。d（S1，S2）w=3*|0-1|+3*|1-2|+3*|2-3|+2.5*|3-4|+ 2.5*|4-5|+2.5*|5-6|+1.25*|6-7|+1.25*|7-8|+1.25*|8-0|= 3+3+3+2.5+2.5+2.5+1.25+1.25+10=29；d（S1，S2）w'=d（S1，S2）w/k=29/2.25=12.9。

最大距離maxDistance（S1，S2）=（92-1）/2=40，則加權(quán)相對(duì)距離=距離/最大距離，即Rw（S1，S2）=d（S1，S2）w'/ maxDistance（S1，S2）=12.9/40=0.32＜R（S1，S2）=0.40?？梢?jiàn)加權(quán)相對(duì)距離算法優(yōu)于傳統(tǒng)R方法。

再看雙鍵僅發(fā)生微弱變化時(shí)的情況，設(shè)有雙鍵樣本S3和S4，有9個(gè)雙鍵值：ar，ri，it，th，hm，me，et，ti，ic。其中，S3={185，160，230，310，280，245，260，220，250}，S4={195，190，220，290，270，235，255，210，230}，單位均為ms。如表3所示。

可以看出，樣本S3和S4的順序大致相同，僅雙鍵ic和et的位置發(fā)生了交換。

按傳統(tǒng)的R方法計(jì)算S1和S2之間的距離，有：d（S1，S2）=|0-0|+|1-1|+|2-2|+|3-3|+|4-4|+|5-6|+|6-5|+|7-7|+|8-8|=0+0+0+0+0+1+1+0+0=2。

表3　樣本S3和S4雙鍵時(shí)間排列（排列后）

最大距離maxDistance（S1，S2）=（92-1）/2=40，則相對(duì)距離=距離/最大距離，即R（S1，S2）=d（S1，S2）/max Distance（S1，S2）=2/40=0.05。這里只有me和ic的位置發(fā)生交換，其余雙鍵的位置沒(méi)有改變，最終相對(duì)距離只累計(jì)了me和ic的位置差異。

同樣，將升序排列后的擊鍵樣本S3作為測(cè)試數(shù)組分為3組，由此可得：d（S1，S2）w=3*0+3*0+3*0+2.5*0+2.5*0+ 2.5*1+1.25*1+1.25*0+1.25*0=0+0+0+0+0+2.5+1.25+0+0= 3.75；d（S1，S2）w'=d（S1，S2）w/k=3.75/2.25=1.67＜2。

可見(jiàn)，無(wú)論雙鍵的擊鍵時(shí)間位置發(fā)生較大改變還是微弱改變，本方法得到的歸一化距離比傳統(tǒng)的R方法小。即絕對(duì)擊鍵時(shí)間的變化不會(huì)較大的影響本方法對(duì)擊鍵樣本間相似度的計(jì)算，該方法能夠得到較小的歸一化距離。

假設(shè)存在一個(gè)新的自稱(chēng)屬于用戶(hù)Uk的擊鍵樣本X，認(rèn)證的目的是判定樣本X是屬于用戶(hù)Uk還是樣本集里其他用戶(hù)的，也或者都不屬于樣本集里任一用戶(hù)的。分別計(jì)算樣本X與Uk之間的相對(duì)距離d（S1，S2）w'。

5　實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

5.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)所采用的數(shù)據(jù)全是源于QQ聊天過(guò)程中產(chǎn)生的。歷時(shí)半年，我們選取10位志愿者參加作為合法用戶(hù)，另外15個(gè)志愿者作為攻擊者。經(jīng)過(guò)預(yù)處理，選取了頻率較高的30對(duì)雙鍵，并截取了每位合法用戶(hù)的20組雙鍵數(shù)據(jù)，最終得到10×20=200個(gè)認(rèn)證次數(shù)。而對(duì)于攻擊數(shù)據(jù)，10個(gè)合法用戶(hù)的每組數(shù)據(jù)都將會(huì)作為攻擊數(shù)據(jù)去攻擊除自己以外的所有數(shù)據(jù)，攻擊次數(shù)為200×9×20=36000次。15個(gè)攻擊者都有一組攻擊數(shù)據(jù)，攻擊10個(gè)合法用戶(hù)，攻擊次數(shù)為15×10×20=3000次。最終的攻擊次數(shù)為36000+3000=39000次。如表4所示：

表4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

本實(shí)驗(yàn)所做的預(yù)處理是針對(duì)于擊鍵時(shí)間的篩選、鍵對(duì)的選取、數(shù)據(jù)的最終截取這三部分組成。

實(shí)驗(yàn)所取擊鍵時(shí)間值得范圍是0＜PP＜500ms。統(tǒng)計(jì)分析所有志愿者的雙鍵次數(shù)和，降序排列。實(shí)驗(yàn)最終選取了次數(shù)總和最多的前30對(duì)雙鍵。為了確保選取的擊鍵時(shí)間值的個(gè)異性（即不單純的重復(fù)時(shí)間值來(lái)構(gòu)造擊鍵序列），我們將所有用戶(hù)中出現(xiàn)次數(shù)最少那組雙鍵作為基準(zhǔn)，超過(guò)該基準(zhǔn)的所有擊鍵時(shí)間值被舍棄，實(shí)驗(yàn)中以雙鍵次數(shù)最小值20作為最終數(shù)據(jù)組數(shù)。而本文提出的權(quán)值k1>k2>k3，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)截取的雙鍵序列是根據(jù)雙鍵出現(xiàn)的頻率由高到低排列的，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)分析，我們選取了權(quán)值組合{3，2.5，1.25}，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)。

5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)得到了不同的認(rèn)證結(jié)果，并且在給定相同數(shù)量的雙鍵的情況下，基于加權(quán)相對(duì)距離的特征識(shí)別優(yōu)于R方法。FRR和FAR的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示：

表5　本方法與R方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖可得：本方法的FRR和FAR分別提高了14.29%和7.42%。此外，我們還基于本方法和R方法研究了實(shí)驗(yàn)中用戶(hù)的數(shù)量、擊鍵序列組數(shù)以及每組擊鍵序列中雙鍵的數(shù)量對(duì)分類(lèi)錯(cuò)誤率的影響，對(duì)比關(guān)系如圖2 、3、4所示

圖2　用戶(hù)數(shù)量與認(rèn)證結(jié)果的關(guān)系對(duì)比圖

圖3　擊鍵序列組數(shù)與認(rèn)證結(jié)果的關(guān)系對(duì)比圖

圖4　雙鍵個(gè)數(shù)與認(rèn)證結(jié)果的關(guān)系對(duì)比圖

5.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從表5中可知，對(duì)于本方法，通過(guò)對(duì)排序后的擊鍵序列賦予不同的權(quán)值，得到的認(rèn)證結(jié)果FRR和FAR皆?xún)?yōu)于R方法。由圖2 、圖3 、圖4 可知，本方法較R方法對(duì)擊鍵序列的認(rèn)證效果更理想?？傮w而言，隨著擊鍵個(gè)數(shù)的增加，F(xiàn)RR越來(lái)越低。FAR都隨著用戶(hù)數(shù)量、擊鍵序列組數(shù)、擊鍵個(gè)數(shù)的增加而減小。從圖2 、圖3 可以看出，當(dāng)用戶(hù)數(shù)量、擊鍵序列組數(shù)到達(dá)一定數(shù)量后，F(xiàn)AR趨于0。由圖4 可知，當(dāng)擊鍵個(gè)數(shù)足夠大時(shí)，F(xiàn)RR和FAR都趨于0。

因此，我們可以得出結(jié)論：本方法的認(rèn)證結(jié)果比R方法更高、識(shí)別準(zhǔn)確度更好。

6　結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于加權(quán)相對(duì)距離的擊鍵特征識(shí)別方法。與R方法相比，擊鍵時(shí)間值的驟變或微變，本方法的歸一化距離都小于R方法的，因此本方法縮小了R方法由于某一擊鍵時(shí)間值驟變引起的相對(duì)距離的累加問(wèn)題，更好地反映了用戶(hù)擊鍵特性的差異。實(shí)驗(yàn)證明，本方法的正確率和識(shí)別度均高于R方法，并研究了用戶(hù)數(shù)量、擊鍵序列組數(shù)和雙鍵數(shù)量對(duì)本方法FRR和 FAR的影響。

由于實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間所限，本文忽略了外部條件的影響。未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，可以針對(duì)三鍵、四鍵…N鍵等多種組合，甚至是環(huán)境、鍵盤(pán)燈外在因素對(duì)擊鍵特征識(shí)別的影響作更深入的研究。

[1]Daniele Gunetti,Claudia Picardi,Giancarlo Ruffo.Keystroke Analysis of Different Languages:A Case Study[C].The 6th International Symposium on Intelligent Data Analysis,Madrid,Spain,September 8-10,2005：133-144.

[2]Daniele Gunetti,Claudia Picardi,Giancarlo Ruffo.Dealing with Different Languages and Old Profiles in Keystroke Analysis of Free Text[C].The 9th Congress of the Italian Association for Artificial Intelligence,Milan,Italy,September 21-23,2005.3673:347-358

[3]Francesco Bergadano,Daniele Gunetti,Claudia Picardi.User Authentication through Keystroke Dynamics1.ACM Transactions on Information and System Security,Vol.5,No.4,November 2002：367-397.

[4]Francesco Bergadano,Daniele Gunetti,Claudia Picardi.Identity Verification through Dynamic Keystroke Analysis.Intelligent Data Analysis.Vol.7,No.5,January 2003：469-496.

[5]Mariusz Rybnik，Piotr Panasiuk，Khalid Saeed，User Authentication with Keystroke Dynamics using Fixed Text.International Conference on Biometrics and Kansei Engineering,DOI 10.1109.2009：70-79

[6]Giot,Romain;Dorizzi,Bernadette;Rosenberger,Christophe.Analysis of Template Update Strategies for Keystroke Dynamics.IEEE Symposium Series on Computational Intelligence(SSCI 2011),2011：21-28

[7]M.Rybnik,M.Tabedzki,K.Saeed.A Keystroke Dynamics Based System for User Identification.Computer Information Systems and Industrial Management Applications-CISIM 2008,2008：225-230.

[8]Daniele Gunetti,Claudia Picardi.Keystroke Analysis of Free Text[J].ACM Transactions on Information and System Security,Vol.8, No.3,August 2005：312-347

According to the keystroke characteristics authentication and recognition method of free text based on a relative distance,which named method R,proposes a keystroke characteristics authentication and recognition method of free text based on the weighted relative Distance. Through collecting keystrokes of free text when users used QQ chat,analyses the keystroke characteristics of each user,extracts the information of double key,calculate weighted distance,normalized processing and authentication judgment.And then calculates the data to get FRR and FAR.Experiments prove that FRR and FAR of this method is less than that of method R,and get a higher recognition accuracy. Keywords：

Weighted Relative Distance;Free Text;Keystroke;Characteristics Recognition;Authentication

Keystroke Characteristics Authentication and Recognition Method of Free Text Based on the Weighted Relative Distance

SONG Meng-ling，HU-Xiao-qin
（College of Computer Science,Sichuan University，Chengdu 610065）

2015-12-11

2016-01-18

基于相對(duì)距離的自由文本擊鍵特征認(rèn)證識(shí)別方法（即R方法），提出一種基于加權(quán)相對(duì)距離的自由文本擊鍵特征認(rèn)證識(shí)別方法。通過(guò)收集用戶(hù)在QQ聊天過(guò)程中產(chǎn)生的擊鍵自由文本數(shù)據(jù)，對(duì)用戶(hù)的擊鍵特性進(jìn)行分析，提取其中的雙鍵數(shù)據(jù)信息，計(jì)算加權(quán)距離、歸一化處理及認(rèn)證判斷。分別計(jì)算FRR和FAR。實(shí)驗(yàn)證明文中所用方法的FRR和FAR都低于R方法，識(shí)別準(zhǔn)確度更好。

宋夢(mèng)玲（1990-），四川眉山人，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全

胡曉勤（1977-），男，四川內(nèi)江人，博士，講師，研究方向?yàn)樾畔踩?/p>