NO TEARS算法在XSS攻擊檢測中的應(yīng)用研究

孫寶丹，王培超，周 鋆

1(國防科技大學(xué) 信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410072)2(中國人民解放軍31104部隊(duì)，南京 210018)

1 引 言

XSS(Cross-Site Scripting)全稱跨站腳本，是一種常見的Web應(yīng)用漏洞.XSS攻擊屬于用于客戶端的被動(dòng)式攻擊方式，所以危害性容易被忽視.攻擊者在Web頁面里插入惡意腳本代碼，當(dāng)用戶瀏覽該頁時(shí)，嵌入Web頁面里的惡意腳本代碼就會(huì)被執(zhí)行，從而達(dá)到惡意攻擊用戶的目的[13].XSS漏洞可以分為三類：Stored XSS漏洞、Non-persistent XSS漏洞以及DOM-Based XSS漏洞[13].XSS漏洞會(huì)給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，利用XSS攻擊，攻擊者可以獲取用戶隱私、盜取用戶身份Cookie、劫持用戶的瀏覽器等，會(huì)給用戶帶來嚴(yán)重的生活困擾.目前雖然已經(jīng)有一些檢測XSS攻擊的方法，但是這些方法的效果有限.因此，如何高效檢測XSS攻擊仍然是一個(gè)需要深入研究的問題，本文將機(jī)器學(xué)習(xí)方法與XSS攻擊檢測相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對XSS攻擊的有效檢測.

利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行XSS檢測目前已有一定的應(yīng)用，其中包括：Gupta MK[1]等人將XSS漏洞檢測轉(zhuǎn)換為基于預(yù)測模型的分類問題，并提出了一種基于文本挖掘和模式匹配的新方法；Khan Nayeem[2]等提出了一種將一組有監(jiān)督和無監(jiān)督分類器作為在客戶端使用的攔截器來檢測惡意腳本的方法；Sunder NS[3]等提出了一種先進(jìn)的XSS預(yù)測方法，引入新的評分系統(tǒng)對瀏覽器中的內(nèi)容確定特權(quán)級別和漏洞級別，同時(shí)使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法存儲(chǔ)，分類和分析在瀏覽器中運(yùn)行的Java腳本.

GuoXiaobing[4]等利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建了優(yōu)化模型，減小了攻擊媒體庫的大小，提高了XSS漏洞檢測的效率；RathoreShailendra[5]等人用多種分類器區(qū)分網(wǎng)頁是否受到XSS攻擊；Angelo Eduardo Nunan[6]提出了從Web文檔內(nèi)容和URL中提取特征，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在網(wǎng)頁上進(jìn)行XSS自動(dòng)分類；Xi Xiao[7]等介紹了一種對基于編碼的注入攻擊進(jìn)行檢測的方法，該攻擊方式比一般注入攻擊更加隱蔽，其中的JavaScript代碼以人類不可讀的形式編碼，文中使用機(jī)器學(xué)習(xí)的分類算法來確定應(yīng)用程序是否遭受代碼注入攻擊.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)作為一種解釋性很強(qiáng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，也可以很好應(yīng)用到XSS檢測中，目前有Zhou Yun[8]等使用集成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行XSS攻擊檢測，但在模型結(jié)構(gòu)獲取時(shí)采用的是傳統(tǒng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法.

本文中使用的NO TEARS算法[9]區(qū)別于以往的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，不需要深入了解圖論的相關(guān)知識，將本來復(fù)雜的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法轉(zhuǎn)化為較為容易求解的數(shù)值優(yōu)化問題.與基于局部啟發(fā)式的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法不同，NO TEARS能夠找到全局最優(yōu)的有向無環(huán)圖結(jié)構(gòu)，利用更優(yōu)的模型對XSS攻擊進(jìn)行檢測，從而可以在檢測中達(dá)到更高的準(zhǔn)確率.算法中主要通過定義一個(gè)新的無環(huán)性的描述方法，將非凸組合約束項(xiàng)轉(zhuǎn)化為容易求解梯度值的平滑函數(shù)，只涉及一些基本的矩陣運(yùn)算，求解容易，工程化難度較低.

本文利用NO TEARS算法獲取的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)作為分類器，對XSS攻擊載荷(Payload)進(jìn)行檢測，其主要貢獻(xiàn)有：1)將NO TEARS算法應(yīng)用到XSS攻擊檢測領(lǐng)域，驗(yàn)證了NO TEARS算法在實(shí)際應(yīng)用過程中的有效性；2)使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)了對XSS攻擊進(jìn)行自動(dòng)檢測；3)本文中設(shè)計(jì)算法模型與其他模型相比取得了較高的準(zhǔn)確率.

本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要如下：1)本文使用的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法能夠?qū)ふ胰肿顑?yōu)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；2)首次將這種算法應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域關(guān)注的重要問題—XSS攻擊檢測，并取得很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具有一定的參考及應(yīng)用價(jià)值.

2 XSS檢測問題描述

要將NO TEARS算法應(yīng)用到XSS檢測中，首先要獲取XSS攻擊的特征，這里涉及對XSS攻擊載荷的特征提取[8].根據(jù)XSS攻擊的特點(diǎn)，本文從以下幾個(gè)方面選取特征：1)輸入長度；2)XSS攻擊載荷常見的敏感關(guān)鍵詞和敏感字符；3)跳轉(zhuǎn)鏈接對應(yīng)的協(xié)議(protocol)出現(xiàn)的次數(shù).經(jīng)過篩選，本文將一條記錄用30個(gè)特征進(jìn)行表示，這些特征從1開始編號到30，同時(shí)節(jié)點(diǎn)31代表標(biāo)簽，表示當(dāng)前記錄是否為XSS攻擊，具體特征如表1所示.

表1 XSS攻擊特征Table 1 Features of XSS attack

攻擊特征獲取之后，便可以建模對XSS攻擊進(jìn)行檢測，如圖1所示.這里在將數(shù)據(jù)輸入到分類器之前，首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理.攻擊者對用戶發(fā)動(dòng)XSS攻擊時(shí)，會(huì)將XSS payload進(jìn)行隱藏，諸如使用大小寫變換或編碼轉(zhuǎn)換等，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)解碼，解碼依照如下順序：變小寫、URL解碼、HTML解碼、JavaScript解碼、Unicode解碼、URL二次解碼.數(shù)據(jù)完成解碼之后，對于每一條記錄，可以獲取相應(yīng)特征的值，特征已經(jīng)在上一節(jié)列出.最后把處理后的數(shù)據(jù)輸入到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法中，通過結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)獲取更優(yōu)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，并基于此對樣本進(jìn)行檢測，輸出相應(yīng)的分類標(biāo)簽.

3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)

前文提到過，有向無環(huán)圖的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)是一個(gè)NP難的問題，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法都不能有效實(shí)現(xiàn)無環(huán)約束.這是由于無環(huán)約束是組合約束，同時(shí)它的計(jì)算規(guī)模隨節(jié)點(diǎn)數(shù)呈超指數(shù)增加.另外，即便能夠得到相對滿足約束條件的有向無環(huán)圖，它也不一定適合一般目的的優(yōu)化.目前的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法依賴于不同的局部啟發(fā)式算法，這種方法雖然能夠降低計(jì)算規(guī)模，但是不能得到全局最優(yōu)的結(jié)構(gòu).現(xiàn)有的算法大致有分支-切割法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、A*搜索法、貪心算法、坐標(biāo)下降法等[10].與這些算法不同，本文應(yīng)用的算法采用完全不同的求解方法，將原本的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)優(yōu)化問題進(jìn)行求解.值得注意的是，這里得到的解是針對當(dāng)前數(shù)據(jù)得到的全局最優(yōu)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)啟發(fā)式算法有了很大的提升.同時(shí)這里使用的算法不要求研究人員具有很深的圖論基礎(chǔ)，從而具有廣泛的研究和應(yīng)用價(jià)值.

圖1 XSS檢測過程Fig.1 Process of XSS attack detection

3.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)表示

本文中使用的算法是一種新的描述貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法，通過求解一個(gè)帶有平滑約束的優(yōu)化問題，從而找到最優(yōu)的有向無環(huán)圖.具體地，對于任意給定數(shù)據(jù)集W=(wij)∈d×d，令A(yù)(W)∈{0，1}d×d是一個(gè)表示有向圖的二元鄰接矩陣，那么有如下描述：[A(W)]ij=1?wij≠0，反之則相反.同時(shí)D?{0，1}d×d表示二元矩陣B的子集，其中B是無環(huán)圖的鄰接矩陣，那么貝葉斯結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換成如下的非凸形式：

(1)

其中Q是與數(shù)據(jù)有關(guān)的損失函數(shù)，X∈n×d是數(shù)據(jù)矩陣，h是一個(gè)平滑函數(shù)，h：d×d→只有當(dāng)A(W)∈D時(shí)，h(W)=0.那么上述基于圖論表示的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，就轉(zhuǎn)化成這樣一個(gè)非凸優(yōu)化的問題，可以根據(jù)數(shù)學(xué)優(yōu)化的工具進(jìn)行求解.但是在正式求解前，需要將上式中的無環(huán)約束進(jìn)行進(jìn)一步的刻畫，用數(shù)學(xué)方法表示出來，才能便于后續(xù)優(yōu)化問題的求解.

3.2 無環(huán)約束的表示方法

這一部分主要介紹一種新的無環(huán)約束的表示方法，這里使用了矩陣指數(shù)的概念，便于后續(xù)優(yōu)化問題的求解.矩陣指數(shù)是所有方塊陣都能定義的一類函數(shù)，類似于指數(shù)函數(shù).在表示方法上將指數(shù)函數(shù)的變量用方塊矩陣代替，具體定義方式如下：

(2)

值得注意的是這里，B為n×n的實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)矩陣，那么就有這樣的定理：

定義1.當(dāng)且僅當(dāng)trexp(B)=d時(shí)，B∈{0，1}d×d是有向無環(huán)圖的鄰接矩陣.

證明：當(dāng)且僅當(dāng)(Bk)ii=0對所有的k≥1和所有i都成立時(shí)，B表示在有向圖中不存在環(huán)路，那么就有：

(3)

鑒于上述定理中使用的方塊矩陣B，且B同時(shí)也是個(gè)二元矩陣，不能普遍適用于一般數(shù)據(jù)，因此接下來應(yīng)該找到一種可以將B替換成任意權(quán)重矩陣W的方法，這里使用的是矩陣的Hadamard乘積，定義為：

(4)

其中A，B∈m×n且A={aij}，B={bij}，均為m×n的矩陣.經(jīng)過如上的變換，對于給定任意權(quán)重矩陣W∈d×d，無環(huán)約束就可以表示為：

h(W)=trexp(W°W)-d=0

(5)

h(W)的梯度值為：

h(W)=[exp(W°W)]T°2W

(6)

4 NO TEARS算法

4.1 無環(huán)約束優(yōu)化問題

之前已經(jīng)給出過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)表達(dá)方式，并對其中的無環(huán)約束進(jìn)行了數(shù)學(xué)變換，得到最終需要進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(7)

這里引入了一個(gè)二次懲罰項(xiàng)ρ>0表示懲罰違反約束h(W)=0，那么上式就可以使用增廣拉格朗日法進(jìn)行求解，帶有對偶變量α的增廣拉格朗日方法可以寫作：

(8)

它的對偶形式為：

(9)

(10)

(11)

這里的步長ρ的大小是比較增廣問題和初始約束問題得來的，這兩個(gè)表達(dá)式的梯度分別如下所示：

▽Q(W；X)+[α+ρh(W)]▽h(W)=0

(12)

▽Q(W；X)+α▽h(W)=0

(13)

4.2 算法流程及后處理過程

根據(jù)上述無約束優(yōu)化問題的求解過程，最終可以得到本文中使用的新的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法的總體流程如表2所示.需要注意的是在上文指出了對于無環(huán)約束的表示方法為h(W)=0，但在算法中設(shè)置的優(yōu)化準(zhǔn)確率ε>0，且是一個(gè)非常接近于0的值.這樣帶來一個(gè)問題，雖然最終的結(jié)果是一個(gè)非常接近有向無環(huán)圖的網(wǎng)絡(luò)，但仍然無法保證得到的是滿足約束條件的有向無環(huán)圖.因此這里引入一個(gè)后處理的過程：定義B(ω)=I(W>ω)，且找到滿足定義的最小閾值ω*>0，就能夠得到有向無環(huán)圖，這里I(·)是指示函數(shù).

表2 增廣拉格朗日方法Table 2 Augmented lagrangian algorithm

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

XSS Payload 的訓(xùn)練集從GitHub 上獲取而來，其具有151658 條記錄，包含16151 條黑樣本(XSS Payload)和135507條正常URL[8].測試集包含了從GitHub和各大安全博客論壇上收集的Payload，共有10000條記錄，包含6503條正常樣本和3497條黑樣本.實(shí)驗(yàn)中使用Python集成環(huán)境Anaconda3，Python版本為3.6，同時(shí)應(yīng)用NO TEARS相應(yīng)的Python算法包.為了驗(yàn)證本文中使用的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法的效果，這里設(shè)置對比實(shí)驗(yàn)，即將本文中使用的算法與目前效果較好的基于局部搜索和評分函數(shù)的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法(Tabu Search)[11]、Greedy Hill Climbing[12]算法使用相同的訓(xùn)練集和測試集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并比較它們分類的準(zhǔn)確性.本文設(shè)置的另一組對比實(shí)驗(yàn)為：將本文使用的NO TEARS算法與現(xiàn)有的其他分類算法—樸素貝葉斯分類器(Na?ve Bayes，NB)、邏輯回歸(Logistics Regression，LR)、決策樹(Decision Tree，DT)和隨機(jī)森林(Random Forest，RF)算法——進(jìn)行比較.兩組實(shí)驗(yàn)均設(shè)定訓(xùn)練樣本數(shù)取訓(xùn)練集中數(shù)據(jù)的55%、60%、65%、70%，并取上述不同分類算法的準(zhǔn)確率.

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從表3中可以看出，本文中使用的NO TEARS算法的準(zhǔn)確率普遍在98.35%以上，比Tabu Search和Greedy Hill Climbing算法都要高，這是因?yàn)镹O TEARS算法求解出來的是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的全局最優(yōu)結(jié)構(gòu)，因此分類的結(jié)果更加準(zhǔn)確.隨著表格中訓(xùn)練樣本數(shù)的增加，算法的分類準(zhǔn)確率也在不斷增大，當(dāng)樣本數(shù)達(dá)到訓(xùn)練集的70%時(shí)，即使用105461條數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，準(zhǔn)確率可以達(dá)到98.56%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法，顯示出了優(yōu)越的性能.

表3 不同貝葉斯結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法的準(zhǔn)確率比較Table 3 Accuracy of different BN structure learning algorithms

本文中采用的NO TEARS算法與傳統(tǒng)的基于評分和局部搜索的算法不同，是一個(gè)能夠找到全局最優(yōu)解的算法.基于評分和局部搜索的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法，雖然能夠有效減少解空間的規(guī)模，但是并不能保證找到全局最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).而NO TEARS算法能夠找到全局最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分類器結(jié)構(gòu)更優(yōu)，其準(zhǔn)確率故而要高于一般的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法.

表4 不同分類器算法的準(zhǔn)確率比較Table 4 Accuracy of different classifier algorithms

從表4中可以看出，本文中使用的NO TEARS算法的效果均優(yōu)于表中其他算法.同時(shí)，邏輯回歸在這些算法中分類準(zhǔn)確率最低，在70%左右，而其余算法的準(zhǔn)確率均在95%以上，分類效果相對其他算法較差.

6 結(jié) 論

網(wǎng)絡(luò)空間安全如今日益受到關(guān)注，Web安全是其中的重要方面，本文選擇應(yīng)用層常見漏洞XSS，引入了機(jī)器學(xué)習(xí)中的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法，用于檢測XSS攻擊載荷是否存在.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)目前在多領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法較為復(fù)雜，是一個(gè)NP難的問題.盡管目前在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)方面取得了進(jìn)步，其仍然受到多方面條件的制約.本文中使用的NO TEARS算法，不同于一般的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法，能夠找到全局最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，因此大大增加了分類準(zhǔn)確率.本文首先介紹了對XSS攻擊及其類別，然后介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在XSS檢測領(lǐng)域的相關(guān)研究以及文中使用的NO TEARS算法.接著，本文給出了XSS檢測問題的描述，在將原始數(shù)據(jù)輸入到分類器之前，首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，文中對數(shù)據(jù)共進(jìn)行5種預(yù)處理方式，將處理之后的數(shù)據(jù)依據(jù)特征進(jìn)行相應(yīng)值的提取并將提取值輸入算法，經(jīng)過算法學(xué)習(xí)之后就可以得到用于判斷的分類器.然后本文具體描述了使用的全局優(yōu)化算法，給出了其原理、公式以及算法流程.最后本文對使用的算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用傳統(tǒng)貝葉斯結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法得到的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類最高可達(dá)97.63%的準(zhǔn)確率，而NO TEARS算法能夠達(dá)到98.56%的準(zhǔn)確率，優(yōu)于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法和其他經(jīng)典分類算法，更加有效地實(shí)現(xiàn)了對于XSS攻擊載荷的檢測.