基于SDN的智能入侵檢測系統(tǒng)模型與算法①

馬 琳 張莎莎 宋姝雨 王 磊*

(*空軍杭州特勤療養(yǎng)中心信息科 杭州 310012)(**浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院 杭州 310027)(***國家廣播電視總局廣播電視科學(xué)研究院 北京 100866)

0 引 言

入侵檢測常用的檢測方法有異常檢測和誤用檢測[1]。對于異常檢測，其假設(shè)入侵行為與正常行為明顯不同。典型的異常檢測方法包括專家系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)分析和定量分析。而誤用檢測假設(shè)所有入侵都可以表示為模式或特征，系統(tǒng)基于這些模式或特征來檢測入侵行為[2]。異常檢測的優(yōu)勢在于對新型攻擊敏感，但誤報(bào)率較高。誤用檢測的優(yōu)勢在于其對已知攻擊具有優(yōu)越性能，但很難檢測到未知的攻擊。如何提高入侵檢測系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確率、降低誤報(bào)率和漏報(bào)率一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined networking，SDN)作為一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離、控制器北向接口開放、可實(shí)現(xiàn)集中控制等特性為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新提供了良好的平臺(tái)。SDN控制器具有全局網(wǎng)絡(luò)的信息，可以根據(jù)需要監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中任意位置的流量，這為集中進(jìn)行入侵流監(jiān)測提供了便利。在SDN控制器中，可以非常方便地集成各種先進(jìn)的人工智能算法[3-5]，突破了傳統(tǒng)特征匹配等方法的局限性，能夠顯著提升入侵檢測的性能。

本文設(shè)計(jì)了一種基于SDN的智能入侵檢測系統(tǒng)模型，使用改進(jìn)的隨機(jī)森林算法進(jìn)行智能流分類，以獲得更高的檢測率和更低的檢測代價(jià)。本文使用KDD CUP99數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練集和測試集，對改進(jìn)算法進(jìn)行了性能仿真和對比分析。

1 相關(guān)研究

文獻(xiàn)[6，7]研究了傳統(tǒng)的流量異常檢測方法在SDN網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。然而這些方法采用的流量特征數(shù)據(jù)較為單一, 僅能針對某種特定的異常。文獻(xiàn)[8]提出了基于改進(jìn)非廣延熵特征提取的雙隨機(jī)森林實(shí)時(shí)入侵檢測方法，實(shí)現(xiàn)對少量異常的有效實(shí)時(shí)檢測，但該方法只適合對骨干鏈路進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)[9]融合OpenFlow和sFlow提出了一種可進(jìn)行異常檢測并可減輕網(wǎng)絡(luò)異常的機(jī)制。Jankowski等人[10]提出了一種基于SDN的入侵檢測架構(gòu)，該架構(gòu)從細(xì)粒度數(shù)據(jù)流中提取流量統(tǒng)計(jì)信息，并通過分類器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類并判斷是否有入侵。文獻(xiàn)[11]提出了一種稱為AD-ICMP-SDN的異常檢測機(jī)制。其中的異常檢測組件由因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議(internet control message protocol, ICMP)流量采集、數(shù)據(jù)訓(xùn)練、支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)分類3個(gè)模塊組成并對異常檢測。但這些研究都缺少統(tǒng)一的系統(tǒng)模型，也缺乏對人工智能算法的靈活集成和應(yīng)用，無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)的檢測性能提升。

2 基于SDN的智能入侵檢測模型

本文提出一種基于SDN的智能入侵檢測系統(tǒng)模型，如圖1所示。該系統(tǒng)模型被分為3個(gè)平面：轉(zhuǎn)發(fā)平面、控制平面、應(yīng)用和分類平面。

圖1 基于SDN的智能入侵檢測系統(tǒng)模型

轉(zhuǎn)發(fā)平面由網(wǎng)絡(luò)中的OpenFlow交換機(jī)構(gòu)成，它們通過安全通道與控制器進(jìn)行通信。該平面負(fù)責(zé)在交換機(jī)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。通過收集和上傳交換機(jī)的流量信息，為控制平面提供實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和可疑數(shù)據(jù)流。另外，交換機(jī)也可以根據(jù)控制器的指令通過丟棄攻擊流的報(bào)文來阻止入侵行為。

控制平面對采集的數(shù)據(jù)流進(jìn)行初步分析。狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并周期性地請求交換機(jī)上報(bào)流量信息。流劃分模塊處理和分析流量統(tǒng)計(jì)信息，將數(shù)據(jù)包聚類成流，并生成如下的6元組流標(biāo)識(shí)：

{srcip,dstip,srcport,dstport,duration,protocol}

數(shù)據(jù)包的收集和檢查按照一定的時(shí)間間隔執(zhí)行，合適的時(shí)間間隔能夠避免降低異常識(shí)別的實(shí)時(shí)性，同時(shí)不會(huì)大幅增加開銷。

應(yīng)用和分類平面包括特征選擇模塊和流分類器模塊。特征選擇模塊提取可疑流的有關(guān)特征并找到特征的最佳子集，可以高效地處理高維數(shù)據(jù)。流分類器模塊通過標(biāo)記是否屬于特定類型的攻擊或正常流量來分類網(wǎng)絡(luò)流量?；谠撓到y(tǒng)模型，可以靈活地選擇不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來測量特征的相關(guān)性和冗余度，從而找到特征的最佳子集。

3 改進(jìn)隨機(jī)森林算法進(jìn)行流分類

隨機(jī)森林算法[12-14]具有較高的預(yù)測準(zhǔn)確率,對異常值和噪聲具有很好的容忍度，目前已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。但是，它在噪音較大的分類或回歸問題上會(huì)出現(xiàn)過擬合，尤其當(dāng)特征取值劃分較多時(shí)，對算法性能的影響更大。針對隨機(jī)森林在對多特征、數(shù)據(jù)不平衡等特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)流數(shù)據(jù)進(jìn)行分類時(shí)存在的問題，本文提出了改進(jìn)方法，步驟如下。

(1)初始化樣本權(quán)重。

對每一個(gè)樣本賦予權(quán)重1/N，其中N為樣本總數(shù)。樣本權(quán)重的初始值可以根據(jù)需要調(diào)整，但樣本權(quán)重之和為1。為了提高少數(shù)類樣本的分類精確度，從而提高總體分類性能，改進(jìn)方法增大了少數(shù)類樣本的權(quán)重。樣本權(quán)重集為

D1=(ω1，1,ω1，2, …ω1，i, …,ω1，N)

(1)

(2)構(gòu)建決策樹，更新權(quán)重抽樣，并進(jìn)行多輪迭代。

依據(jù)樣本分布，對樣本進(jìn)行有權(quán)重的隨機(jī)抽樣，生成訓(xùn)練集，并用生成的訓(xùn)練集構(gòu)造一棵樹。用原始數(shù)據(jù)集對生成的樹進(jìn)行分類，計(jì)算分類誤差率em，對樣本權(quán)重進(jìn)行更新。這里的em使用袋外數(shù)據(jù)(即在樣本抽樣時(shí)沒有被抽中的數(shù)據(jù))作為測試集進(jìn)行計(jì)算，也就是用生成的決策樹沒有學(xué)習(xí)到的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。更新后的樣本權(quán)重集為

Dm+1=(ωm+1,1，ωm+1,2，…，ωm+1,i，…，ωm+1,N)

(2)

樣本權(quán)重更新公式為

(3)

(4)

其中，Zm是規(guī)范化因子。

(5)

e±a取決于分類結(jié)果，分類正確為e-a，分類錯(cuò)誤則為ea。

依據(jù)上式可知，對于分類正確的樣本，其權(quán)重更新后會(huì)變小，下一次生成分類器的過程中，被抽中的概率也就變小，可以理解為被學(xué)到的可能性減小。相反，對于分類錯(cuò)誤的樣本，若要求之后生成的分類器能夠分類正確，就需要加大對這些樣本的學(xué)習(xí)，所以這里更新權(quán)重時(shí)增大了其權(quán)重。式中的Zm為規(guī)范化因子，保證每次更新權(quán)重后所有樣本權(quán)重之和恒等于1。參數(shù)β用來區(qū)別少數(shù)類與多數(shù)類，因?yàn)樯贁?shù)類樣本占比較少，這樣分類器學(xué)到的“知識(shí)”也較少。另外，少數(shù)類樣本分類錯(cuò)誤的代價(jià)相對更高，所以算法通過β提高少數(shù)類樣本的分類精度，從而提升總體性能。β的取值由表1決定。其中，m為多數(shù)類樣本(標(biāo)簽為0，1，2)的總數(shù)，n為少數(shù)類樣本(標(biāo)簽為3，4)總數(shù)。

表1 β取值

樣本更新完畢后，對新的樣本依據(jù)權(quán)重抽樣，得到新的訓(xùn)練集，生成新的一棵樹。

(3)所有決策樹生成完成，計(jì)算每棵樹的分類器權(quán)重wi。

(6)

其中，Ai為第i棵樹正確分類的個(gè)數(shù)與所有樹正確分類個(gè)數(shù)平均值的比值，Bi為代價(jià)的平均值與第i棵樹的代價(jià)的比值。

wi的計(jì)算公式權(quán)衡了檢測精度和代價(jià)的值。由公式可知，若某棵決策樹分類精度高，則其正確分類個(gè)數(shù)越多，Ai也就越大；同時(shí)其代價(jià)低，則Bi也越大，這樣wi就較大。訓(xùn)練生成的隨機(jī)森林中每棵決策樹的生成是帶有隨機(jī)性的，所以每個(gè)決策樹的性能不盡相同。如果一棵決策樹的分類精度高，代價(jià)低，那么它的性能應(yīng)該是較好的，所以它的分類器權(quán)重應(yīng)該較大。

4 仿真分析

針對前文提出的模型和算法，利用KDD CUP99數(shù)據(jù)集[15]作為測試數(shù)據(jù)，在其提供的訓(xùn)練集和測試集的基礎(chǔ)上，利用抽樣得到訓(xùn)練子集(樣本數(shù)為57 114)和測試子集(樣本數(shù)為37 464)，對改進(jìn)算法進(jìn)行訓(xùn)練和測試，模擬入侵檢測過程，以對比改進(jìn)前后算法的性能。

其中，樣本類別分布如表2所示。采用的評價(jià)指標(biāo)包括精度(P)、召回率(R)、F_score(F)、準(zhǔn)確度(AC)和誤報(bào)率(FPR)[12]。

表2 訓(xùn)練子集和測試子集樣本分布

由于不同的攻擊類型未被系統(tǒng)檢測到而產(chǎn)生的后果不盡相同，同時(shí)一個(gè)正常的數(shù)據(jù)流被誤分類為攻擊也會(huì)產(chǎn)生不同的代價(jià)。定義另一個(gè)比較指標(biāo)(Cost)來度量每個(gè)樣本被錯(cuò)誤分類的成本損失，計(jì)算公式如下。

(7)

其中，Mij表示實(shí)際為類別i、分類結(jié)果為類別j的樣本數(shù)量。Cij表示從KDD CUP99數(shù)據(jù)集獲得的每個(gè)樣本的代價(jià)值，Cij的具體取值如表3所示。N是用于測試的樣本總數(shù)。從Cost的定義可知，它是一個(gè)介于0～4之間的數(shù)，對于分類算法來說，其Cost的值越小越好。

表3 代價(jià)矩陣(Cij)

改進(jìn)前后算法的入侵檢測性能如表4所示。

表4 改進(jìn)前后算法入侵檢測性能比較

由表4可以看出，改進(jìn)算法相對于原算法在AC、P、R、F_score性能上都有明顯的提升，F(xiàn)PR明顯降低。改進(jìn)算法的代價(jià)為0.1445，而原算法為0.1735，改進(jìn)算法明顯降低了代價(jià)，說明改進(jìn)隨機(jī)森林算法優(yōu)于原算法。

為了進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在入侵檢測過程中分別計(jì)算了各個(gè)類別的檢測精度，得到結(jié)果如表5所示。

從表5可見，改進(jìn)算法在Normal、Probing、R2L攻擊類上檢測精度有所提升，而在U2L攻擊類上檢測精度大幅度提高，符合預(yù)期設(shè)想。因?yàn)楦倪M(jìn)算法的基本思路是增加少數(shù)類樣本(U2R、R2L)的學(xué)習(xí)度，從而提高檢測精度。

為了驗(yàn)證以上結(jié)果的普遍性，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。在不同的測試集樣本數(shù)下，觀察對比檢測結(jié)果的Cost值，結(jié)果如圖2所示。

表5 算法改進(jìn)前后各類別檢測精度比較

圖2 Cost隨測試集樣本數(shù)變化曲線圖

由圖2看出，隨著測試子集樣本數(shù)的改變，Cost的值基本不變，而且改進(jìn)隨機(jī)森林算法的Cost的值低于原算法的Cost值，說明此結(jié)果具有普遍性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提出的改進(jìn)的隨機(jī)森林算法在入侵檢測中與原算法相比性能更好。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于SDN的智能入侵檢測系統(tǒng)模型，該模型能夠充分發(fā)揮軟件定義網(wǎng)絡(luò)的集中管理、全局控制等優(yōu)勢。同時(shí)，可以靈活使用各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行流分類，提高檢測效率。針對隨機(jī)森林算法存在的不足，尤其針對需要分類的入侵流具有多特征、數(shù)據(jù)不平衡等特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的隨機(jī)森林算法，使用KDD CUP99數(shù)據(jù)集進(jìn)行性能仿真和對比分析。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，相對于原算法，改進(jìn)的隨機(jī)森林算法在檢測精度、代價(jià)等指標(biāo)上都明顯得到了提升，證明了該改進(jìn)算法在智能入侵檢測系統(tǒng)中的有效性。