基于注意力機(jī)制的病毒軟件可視化檢測(cè)方法

趙晨潔 左羽 崔忠偉 李亮亮 吳戀 王永金 韋萍萍

摘 ?要：針對(duì)當(dāng)前的病毒軟件檢測(cè)方法難以應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代下病毒軟件快速分類(lèi)問(wèn)題，提出一種病毒可視化檢測(cè)的分類(lèi)方法。詳細(xì)闡述了病毒軟件可視化過(guò)程，并提出一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合注意力機(jī)制的模型（即CNN_CBAM模型）進(jìn)行病毒軟件家族分類(lèi)的深度學(xué)習(xí)方法。病毒軟件樣本采用BIG2015和Malimg數(shù)據(jù)集，將其進(jìn)行可視化，并將CNN_CBAM模型在可視化后的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，CNN_CBAM模型能夠有效地對(duì)病毒軟件家族進(jìn)行分類(lèi)，且效果優(yōu)于其他深度學(xué)習(xí)模型，其準(zhǔn)確率比CNN_SVM病毒分析的方法提升16.77%。

關(guān)鍵詞：病毒軟件;深度學(xué)習(xí);灰度圖;可視化;注意力機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Current virus software detection methods have difficulty in grappling with the rapid classification of virus software in big data era. In view of this issue， this paper proposes a classification method for virus visual detection， which elaborates on the visualization process of virus software. It proposes a deep learning method of convolutional neural network combined with attention mechanism model （ie CNN_CBAM model， Convolutional Neural Network_Convolutional Block Attention Module） to classify virus software families. Virus software samples use the BIG2015 and Malimg datasets， which are visualized in this paper. The proposed CNN_CBAM model is trained on the visualized dataset. The experimental results show that the CNN_CBAM model proposed in this paper can effectively classify the virus software families， and it is better than other deep learning models. Its accuracy rate is 16.77% higher than that of CNN_SVM virus analysis method.

Keywords： virus software; deep learning; grayscale image; visualization; attention mechanism

1 ? 引言（Introduction）

病毒軟件是一種破壞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件產(chǎn)品，又稱(chēng)惡意軟件[1]。2020年7月McAfee Labs發(fā)布的威脅報(bào)告[2]顯示，在2019年第一季度，病毒軟件已經(jīng)突破9 億;而在病毒二進(jìn)制可執(zhí)行文件方面，從2017年至2019年間，單季度最高新增量高于110 萬(wàn)。計(jì)算機(jī)病毒的數(shù)量一直趨于增長(zhǎng)狀態(tài)，造成的損失也在一直增加。

隨著網(wǎng)絡(luò)的大量智能化軟件興起，病毒軟件開(kāi)發(fā)者為了防止被檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，不斷修改現(xiàn)有的病毒軟件，使得病毒的特征難以確定。常用的病毒軟件檢測(cè)方法是將檢測(cè)修改后的病毒軟件的特征進(jìn)行存儲(chǔ)，再通過(guò)匹配來(lái)檢測(cè)新的病毒軟件，但由于存儲(chǔ)病毒的特征價(jià)格昂貴并且低效，因此研究如何不使用存儲(chǔ)特征識(shí)別病毒軟件是很有必要的。

2 ?病毒軟件檢測(cè)算法（Virus software detection algorithm）

2.1 ? 靜態(tài)方法

靜態(tài)分析[3]是對(duì)病毒軟件不執(zhí)行，直接分析其行為，對(duì)該宿主機(jī)的操作系統(tǒng)不進(jìn)行破壞。靜態(tài)分析常用方式包括語(yǔ)法庫(kù)調(diào)用、操作碼頻率分布、字節(jié)序列、n-gram、字符串簽名等。

MA[4]等人提出的語(yǔ)庫(kù)法調(diào)用，與示例惡意軟件數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)義比較得出分類(lèi)結(jié)果;CHARIKAR[5]等人提出的字符串簽名，是將可移植可執(zhí)行文件（PE）、字符串和字節(jié)序列三種不同的靜態(tài)特性結(jié)合起來(lái)對(duì)病毒軟件進(jìn)行分類(lèi);LI[6]等人提出的字符串簽名，根據(jù)字符串簽名的功能長(zhǎng)度結(jié)合其特征識(shí)別病毒軟件;SANTOS[7]等人提出操作碼頻率分布，通過(guò)掌握每個(gè)操作碼的相關(guān)性，衡量操作碼序列頻率來(lái)檢測(cè)惡意軟件;KANG[8]等人提出基于n-gram特征，利用機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別病毒軟件。

2.2 ? 動(dòng)態(tài)方法

動(dòng)態(tài)分析是在宿主機(jī)安全的情況下（如模擬器、沙箱或虛擬機(jī)等）對(duì)病毒軟件進(jìn)行執(zhí)行并分析，但對(duì)病毒軟件的進(jìn)程監(jiān)視、安裝、激活等需要大量的時(shí)間和計(jì)算。ZOLKIPLI[9]等人提出的基于行為方法，是將病毒軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，使用HoneyClients和Amun收集惡意軟件的行為;ANDERSON[10]等人提出的基于行為檢測(cè)，是在CWSandbox和Anubis兩個(gè)虛擬平臺(tái)上執(zhí)行每個(gè)樣本，根據(jù)動(dòng)態(tài)收集指令蹤跡構(gòu)建圖形的分析識(shí)別;LIN[11]等人提出的API調(diào)用監(jiān)控，是應(yīng)用無(wú)監(jiān)督非負(fù)矩陣分解（NMF）進(jìn)行聚類(lèi)分析，從大量API調(diào)用監(jiān)控中提取API檢測(cè)出類(lèi)似的惡意軟件樣本;SHAHZAD[12]等人提出的交通流序列模式，是一種基于流特征聚類(lèi)和序列比對(duì)的算法，分析了交通流序列模式之間的序列相似性。

2.3 ? 可視化分析方法

在網(wǎng)絡(luò)安全空間中，病毒軟件樣本數(shù)據(jù)量激增、二進(jìn)制可執(zhí)行文件特征量龐大等因素使得大量研究人員嘗試將病毒二進(jìn)制文件進(jìn)行可視化并用深度學(xué)習(xí)方法來(lái)檢測(cè)病毒軟件。

YOO[13]等人提出的映射，是使用自組織映射來(lái)可視化和檢測(cè)病毒;LORENZO[14]等人提出的動(dòng)態(tài)分析、可視化，是一個(gè)可視化地表示程序的總體流程，它依賴以太虛擬機(jī)監(jiān)控程序來(lái)基于動(dòng)態(tài)分析秘密地監(jiān)控程序的執(zhí)行;RIECK[15]等人提出的API調(diào)用監(jiān)控、可視化，是使用樹(shù)狀圖和線程圖收集有關(guān)API調(diào)用的信息和在沙箱中執(zhí)行的操作;ZHANG[16]等人提出的操作碼序列可視化，其操作碼是二進(jìn)制可執(zhí)行文件分解而成的，他們使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的方法來(lái)識(shí)別一個(gè)二進(jìn)制可執(zhí)行文件是否是惡意的;NATARAJ[17]等人，首次將惡意軟件的二進(jìn)制文件可視化為灰度圖像;SHANKARPANI[18]等人，采用近鄰算法并融合歐氏距離方法，將可執(zhí)行文件轉(zhuǎn)化為灰度圖像，使用支持向量機(jī)（SVMs）對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。為了解決宿主機(jī)安全環(huán)境搭建復(fù)雜、傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法提取高維度特征困難的問(wèn)題，提供更精準(zhǔn)的識(shí)別病毒的軟件家族，本文提出了使用二進(jìn)制可視化將二進(jìn)制文件進(jìn)行關(guān)鍵信息提取，而后進(jìn)行灰度圖像的轉(zhuǎn)化，并通過(guò)CNN_CBAM模型進(jìn)行病毒軟件家族分類(lèi)。

3 ?構(gòu)建CNN_CBAM病毒檢測(cè)模型（Construction of virus detection model CNN_CBAM）

3.1 ? 注意力機(jī)制

注意力機(jī)制模塊（Convolutional Block Attention Module，簡(jiǎn)稱(chēng)CBAM模塊）[19]，結(jié)合空間和通道注意力機(jī)制，通過(guò)上一層輸出的特征作為通道注意力模塊的輸入，經(jīng)過(guò)通道注意力模塊后得到的權(quán)值，是空間注意力模塊的輸入，回溯到原始的灰度圖像，分析出病毒存在的具體位置，最后輸出相關(guān)的特征值。CBAM模塊整體流程，如圖1所示。

3.2 ? 模型搭建

本文在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中添加CBAM模塊（注意力機(jī)制），對(duì)病毒的圖像關(guān)注通道的同時(shí)也關(guān)注了空間，對(duì)病毒圖像進(jìn)行更深層的學(xué)習(xí)，從而識(shí)別出病毒圖像種族。整體的病毒訓(xùn)練模型是將原始病毒文件進(jìn)行可視化轉(zhuǎn)化，將轉(zhuǎn)化后的圖像放入本文設(shè)計(jì)的CNN_CBAM模型中進(jìn)行訓(xùn)練識(shí)別。病毒檢測(cè)整體框架，如圖2所示。

將病毒文件轉(zhuǎn)化為灰度圖像作為CNN_CBAM模型的輸入，經(jīng)過(guò)四層卷積核大小為、padding=“same”的卷積層。為了病毒圖像特征更好地展示，便于識(shí)別，加入CBAM模塊得到哪些病毒特征需要關(guān)注和需要關(guān)注病毒圖像位置的權(quán)重。將權(quán)重與第四層卷積后的特征相乘，得到的病毒特征更加有效，最后通過(guò)Softmax函數(shù)進(jìn)行病毒種族分類(lèi)，采用測(cè)試集數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型。

3.3 ? 模型訓(xùn)練

本文病毒檢測(cè)模型主要是將病毒軟件轉(zhuǎn)化為圖像后，傳入本文設(shè)計(jì)的CNN_CBAM模型中。CNN_CBAM模型由四層卷積、一個(gè)CBAM和一個(gè)全連接層構(gòu)成。

圖6和圖8是不同數(shù)據(jù)集在CNN_CBAM中的損失，能明顯看出訓(xùn)練集的損失一直在降低，驗(yàn)證集的損失與訓(xùn)練集的損失高度契合。圖7和圖9是Malimg數(shù)據(jù)集和BIG2015數(shù)據(jù)集在CNN_CBAM中的準(zhǔn)確率，發(fā)現(xiàn)在BIG2015數(shù)據(jù)集中第8輪epoch之后開(kāi)始趨于穩(wěn)定在98%左右。在Malimg數(shù)據(jù)集訓(xùn)練中第6輪的epoch有低谷出現(xiàn)，主要是測(cè)試樣本有一些病毒軟件的圖像比較特殊，在訓(xùn)練集里沒(méi)有包含測(cè)試集中的樣本，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確學(xué)習(xí)到該樣本的特征值。

圖10和圖11是Malimg數(shù)據(jù)集在Inception V3模型中的訓(xùn)練結(jié)果，從圖中能明顯發(fā)現(xiàn)在第5輪epoch中Loss和ACC大幅度升降，并且驗(yàn)證集的ACC不穩(wěn)定，雖然最后訓(xùn)練達(dá)到了98.5%。同樣，在BIG2015數(shù)據(jù)集中也是類(lèi)似的情況，在Inception V3中BIG2015的準(zhǔn)確率只達(dá)到了91.32%，但還是證明Inception V3對(duì)于處理病毒圖像有一定效果。綜上所述，無(wú)論是在Malimg數(shù)據(jù)集還是BIG2015數(shù)據(jù)集中，本文CNN_CBAM模型的訓(xùn)練精確度高于Inception V3，病毒識(shí)別效果有較大的提升。

4.4.2 ? 不同數(shù)據(jù)集對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)采用Malimg數(shù)據(jù)集、BIG2015數(shù)據(jù)集分別在Inception V3、本文CNN_CBAM模型中進(jìn)行對(duì)比，最終結(jié)果為混淆矩陣，對(duì)角線上的數(shù)字在該行數(shù)字的值越大說(shuō)明效果越好。圖14至圖17是各個(gè)模型的結(jié)果。

從圖14和圖15中可以看出，模型Inception V3在病毒圖像Malimg數(shù)據(jù)集和BIG2015數(shù)據(jù)集中預(yù)測(cè)效果不佳，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別Malimg數(shù)據(jù)集類(lèi)型為L(zhǎng)olyda.AA3和BIG2015數(shù)據(jù)集類(lèi)型為Simda。這是因?yàn)長(zhǎng)olyda.AA3和Simda病毒種族的樣本數(shù)量小，在訓(xùn)練時(shí)無(wú)法對(duì)其中的特征進(jìn)行提取，造成無(wú)法識(shí)別，同時(shí)也說(shuō)明了現(xiàn)在流行的深度學(xué)習(xí)模型不能通用于病毒圖像的識(shí)別。

從圖16分析可知，本文設(shè)計(jì)的模型對(duì)Malimg數(shù)據(jù)集的分類(lèi)有較高的準(zhǔn)確率，在樣本較少的Lolyda.AA3種族中也可以進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別，說(shuō)明本文在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后加入的注意力機(jī)制可以準(zhǔn)確地提取病毒灰度圖像的特征，無(wú)論樣本大小，能夠準(zhǔn)確地對(duì)需要特別關(guān)注的特征進(jìn)行提取。

從圖17中可以看出，本文設(shè)計(jì)的CNN_CBAM模型在BIG2015數(shù)據(jù)集中的效果比Inception V3模型的效果較好，只是無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到Simda病毒種類(lèi)。由于該病毒種類(lèi)的樣本較少，因此訓(xùn)練時(shí)無(wú)法達(dá)到精確度非常高的水平，但本文模型對(duì)其他病毒種類(lèi)的識(shí)別精確度相對(duì)較高，較Inception V3模型有很大的提升。

為了更好地說(shuō)明本文提出的CNN_CBAM模型的檢測(cè)效果，找到與本文相對(duì)應(yīng)的BIG2015數(shù)據(jù)集，文獻(xiàn)[22]用CNN_SVM對(duì)病毒軟件進(jìn)行檢測(cè)與之對(duì)比，如表4所示。

從表4中可以發(fā)現(xiàn)，本文CNN_CBAM模型在BIG2015數(shù)據(jù)集中的準(zhǔn)確率較CNN_SVM模型提升0.1677;精確率較Inception V3模型提升0.09，較CNN_SVM模型提升0.05;召回率提升至0.85;F1-Score提升至0.86，充分說(shuō)明將病毒特征放入CNN_CBAM模型中能夠更加準(zhǔn)確地識(shí)別細(xì)微的特征，使得識(shí)別病毒更加準(zhǔn)確。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

本次實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了深度學(xué)習(xí)對(duì)病毒識(shí)別是很有幫助的，通過(guò)將病毒轉(zhuǎn)化為可視化圖像，能夠讓網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到更多人工無(wú)法提取的特征，并且本文加入了CNN_CBAM模型，通過(guò)將病毒特征放入通道注意力模塊中，確定具體哪些病毒特征值得關(guān)注，再經(jīng)過(guò)空間注意力機(jī)制，確定具體哪些位置的病毒特征需要加強(qiáng)學(xué)習(xí)，使得病毒特征能更好地被學(xué)習(xí)到。

但有些病毒軟件的無(wú)效信息太多，直接轉(zhuǎn)化為圖像使得圖像的信息量過(guò)大，在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)會(huì)影響學(xué)習(xí)的特征，以后在病毒軟件檢測(cè)可視化中可以考慮將病毒文件的特征提取后再進(jìn)行可視化對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。

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作者簡(jiǎn)介：

趙晨潔（1995-），女，碩士生.研究領(lǐng)域：圖像處理，深度學(xué)習(xí).

左 ? 羽（1962-），男，碩士，教授.研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)安全，機(jī)器學(xué)習(xí)，圖像處理，深度學(xué)習(xí).

崔忠偉（1980-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，機(jī)器學(xué)習(xí).

李亮亮（1994-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：圖像處理，深度學(xué)習(xí).

吳 ?戀（1986-），女，博士，副教授.研究領(lǐng)域：通信與信息系統(tǒng)，機(jī)器學(xué)習(xí)，圖像處理.

王永金（1994-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：圖像處理，深度學(xué)習(xí).

韋萍萍（1975-），女，博士，副教授.研究領(lǐng)域：圖像處理，深度學(xué)習(xí).