軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的低速率拒絕服務(wù)攻擊檢測(cè)方法

劉向舉，路小寶，方賢進(jìn)，尚林松

（安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

0 引言

拒絕服務(wù)（Denial of Service，DoS）攻擊已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)面臨最重要的威脅之一。它通過控制僵尸網(wǎng)絡(luò)，以洪泛方式向目標(biāo)主機(jī)發(fā)送大量數(shù)據(jù)包，嚴(yán)重消耗網(wǎng)絡(luò)資源，最終可使得網(wǎng)絡(luò)癱瘓。為應(yīng)對(duì)這種情況，很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都增加了檢測(cè)模塊，以快速識(shí)別攻擊并制定網(wǎng)絡(luò)安全防御措施。為了實(shí)現(xiàn)更隱蔽、更高效的攻擊，產(chǎn)生了一種新型的網(wǎng)絡(luò)攻擊手段——低速率拒絕服務(wù)（Low-rate Denial of Service，LDoS）攻擊。LDoS 攻擊是對(duì)傳統(tǒng)DoS 攻擊的改進(jìn)，它不同于傳統(tǒng)通過洪泛方式的DoS 攻擊，LDoS 攻擊利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或應(yīng)用服務(wù)中常見的自適應(yīng)機(jī)制中存在的安全漏洞，通過周期性發(fā)送攻擊短脈沖數(shù)據(jù)流，占用攻擊目標(biāo)的可用資源，從而降低攻擊目標(biāo)的服務(wù)性能。LDoS 攻擊最大特點(diǎn)是平均攻擊數(shù)據(jù)流速率相對(duì)較低，發(fā)出的脈沖是周期性的，其攻擊脈沖可以用一個(gè)三元組(

L

，

R

，

T

)來表示，如圖1 所示。

L

是脈沖寬度，它表示攻擊脈沖的持續(xù)時(shí)間；

R

是脈沖強(qiáng)度，它顯示攻擊流的最大值；

T

是攻擊周期，它表示連續(xù)攻擊脈沖的時(shí)間間隔。這種攻擊方式與正常數(shù)據(jù)流混合難以區(qū)別，可操控性強(qiáng)且攻擊效率高。因此，現(xiàn)有的針對(duì)傳統(tǒng)DoS 攻擊檢測(cè)方法運(yùn)用到LDoS 攻擊不能有效檢測(cè)到攻擊。

圖1 LDoS攻擊模型Fig.1 Model of LDoS attack

TCP 是現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中普遍使用的傳輸協(xié)議。目前研究的各類LDoS 攻擊大部分是基于TCP 的自適應(yīng)機(jī)制。LDoS 攻擊正是利用了TCP 自適應(yīng)機(jī)制中的兩種擁塞控制機(jī)制。第一種是超時(shí)重傳機(jī)制（Retransmission Time Out，RTO）：當(dāng)TCP 報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中超時(shí)丟失，TCP 發(fā)送方將擁塞窗口減少到一個(gè)數(shù)據(jù)包，并重新傳輸丟失的TCP 報(bào)文；第二種是加增減乘機(jī)制（Additive Increase Multiplicative Decrease，AIMD）：發(fā)送方收到三次重復(fù)的確認(rèn)（ACKnowledgement，ACK）消息，TCP 發(fā)送方將擁塞窗口減半，以重傳丟失的TCP報(bào)文。RFC2988建議最小超時(shí)重傳時(shí)間為1 s。理論上，當(dāng)LDoS 攻擊周期為1 s 時(shí)，它可以連續(xù)觸發(fā)超時(shí)重傳，并周期性丟棄正常TCP 數(shù)據(jù)包，迫使發(fā)送方減小擁塞窗口以限制傳輸速率，從而降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新體系架構(gòu)，相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離。這種新型網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)很明顯，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和配置，形成統(tǒng)一高效的管理和維護(hù)，提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，降低設(shè)備的維護(hù)成本。但由于通過控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)集中控制和管理，更容易遭受LDoS 攻擊，被攻擊后造成的后果更加嚴(yán)重。因此，在SDN 環(huán)境下研究LDoS 攻擊檢測(cè)，對(duì)改善網(wǎng)絡(luò)安全具有重要意義。

1 相關(guān)工作

目前針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有大量針對(duì)LDoS 攻擊檢測(cè)的研究。岳猛等提出一種基于隱馬爾可夫模型的LDoS 攻擊檢測(cè)方法，該方法將歸一化累計(jì)功率譜密度（Normalized Cumulative Power Spectrum Density，NCPSD）方法作為L(zhǎng)DoS攻擊的初步檢測(cè)，將其結(jié)果作為隱馬爾可夫模型的觀測(cè)值。該方法實(shí)時(shí)性強(qiáng)，檢測(cè)率較高，但是檢測(cè)LDoS 攻擊閾值

ζ

是在一定范圍內(nèi)選擇的。何炎祥等提出了一種基于小波特征提取的LDoS 檢測(cè)方法，該方法通過小波多尺度分析提取LDoS 攻擊特征，采用反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來檢測(cè)攻擊。吳志軍等提出一種基于時(shí)間窗統(tǒng)計(jì)的LDoS 攻擊檢測(cè)方法，該方法利用LDoS 攻擊在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生正常流量下降同時(shí)攻擊流量出現(xiàn)高脈沖的這種突變現(xiàn)象，用時(shí)間窗統(tǒng)計(jì)來進(jìn)行LDoS 攻擊檢測(cè)。該方法網(wǎng)絡(luò)環(huán)境簡(jiǎn)單，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)理想。茍峰等提出一種基于CUSUM算法的LDoS 攻擊檢測(cè)方法，該方法對(duì)流量利用基于累計(jì)和（CUmulative SUM，CUSUM）算法累積異常，累積值超過閾值即觸發(fā)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)異常檢測(cè)。此方法在檢測(cè)初期會(huì)有誤報(bào)現(xiàn)象。吳志軍等提出一種基于ACK 序號(hào)步長(zhǎng)的LDoS 攻擊檢測(cè)方法，此方法通過LDoS 攻擊的瞬間ACK 序號(hào)步長(zhǎng)存在波動(dòng)行為，運(yùn)用排列熵算法設(shè)置閾值來檢測(cè)攻擊。以上方法都是利用LDoS 攻擊流量的單個(gè)異常特征進(jìn)行攻擊檢測(cè)，可能導(dǎo)致檢測(cè)性能不穩(wěn)定。Yue 等提出基于小波能量譜和組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的LDoS 攻擊流量識(shí)別方法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量多重分形特征，識(shí)別LDoS 攻擊流量。吳志軍等提出一種基于聯(lián)合特征的LDoS 攻擊檢測(cè)方法，提取了可用帶寬比、小分組比例和分組丟失率3 種LDoS 攻擊流量的內(nèi)在特征，通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)攻擊檢測(cè)；但是由于網(wǎng)絡(luò)流量是動(dòng)態(tài)變化的，攻擊強(qiáng)度變?nèi)鯐r(shí)可用帶寬比和分組丟失率并不會(huì)明顯變化。Tang 等對(duì)LDoS 攻擊檢測(cè)有一定研究，提出基于多特征融合和CNN 的LDoS 攻擊檢測(cè)方法，該方法將網(wǎng)絡(luò)流量多特征融合生成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射圖，將其作為CNN 模型的輸入來訓(xùn)練模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行分類，該方法檢測(cè)率高且穩(wěn)定性好。Tang 等提出一種用于LDoS 攻擊檢測(cè)的改進(jìn)Mean-Shift聚類算法，根據(jù)不同屬性重要程度不同對(duì)均值漂移聚類歐氏距離進(jìn)行加權(quán)，通過對(duì)簇的預(yù)設(shè)閾值和判決特征比較來識(shí)別攻擊流量，此方法有較好的檢測(cè)性能。以上檢測(cè)方法都是提取了網(wǎng)絡(luò)流量多特征，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法來實(shí)現(xiàn)攻擊檢測(cè)。相較于單一特性，多特征聯(lián)合檢測(cè)方法的性能更優(yōu)。

與此同時(shí)，在SDN 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，陳興蜀等提出云環(huán)境下SDNLDoS 攻擊的研究，該方法提取了10 維特征，基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)LDoS 攻擊的檢測(cè)，此方法僅在數(shù)據(jù)平面得到驗(yàn)證。顏通等提出了一種SDN 環(huán)境下的LDoS 攻擊檢測(cè)與防御技術(shù)，該方法對(duì)每條OpenFlow 數(shù)據(jù)流的速率單獨(dú)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并利用信號(hào)檢測(cè)中的雙滑動(dòng)窗口法實(shí)現(xiàn)對(duì)攻擊流量的檢測(cè)。王文濤等提出一種SDN 環(huán)境下基于Renyi 熵的LDoS 攻擊的檢測(cè)，該方法通過收集packet_in 數(shù)據(jù)包，然后基于目的IP 來計(jì)算Renyi 熵，最后通過設(shè)定一定的閾值來檢測(cè)異常流量。這種方法只考慮到packet_in 消息，可能因獲取信息不足導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果又有誤差。

上述檢測(cè)方法多集中在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，目前針對(duì)SDN 環(huán)境下的LDoS 攻擊檢測(cè)的研究成果相對(duì)較少?；谠赟DN 環(huán)境下檢測(cè)LDoS攻擊的特征單一性和過分依賴packet_in消息，本文提出一種在SDN 環(huán)境下的LDoS 攻擊檢測(cè)新方法，首先分析SDN 環(huán)境下LDoS攻擊流量特征并提取出六元組特征，然后利用WMS-

K

means算法進(jìn)行聚類，以區(qū)分正常流量和異常流量。在軟件定義網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，傳統(tǒng)單一的

K

-Means 算法并不適合LDoS攻擊檢測(cè)。

K

-Means算法輸入的初始聚類中心是隨機(jī)的，必須給定生成簇的數(shù)量

k

，最后的聚類結(jié)果往往受初始聚類中心的影響較大。Mean-Shift是基于密度的聚類算法，不需要預(yù)先知道簇個(gè)數(shù)，也不限定簇的形狀，但聚類的最終結(jié)果不一定是最優(yōu)的，Mean-Shift 算法對(duì)噪聲的魯棒性更強(qiáng)，因此將Mean-Shift算法聚類后的簇心，作為

K

-Means 算法的初始聚類中心進(jìn)行算法的融合。由此本文提出一種加權(quán)均值漂移-

K

均值（Weighted Mean-Shift

K

-Means，WMS-

K

means）算法。

2 本文方法

2.1 流量分析以及LDoS 攻擊流量特征選擇

在全部的攻擊類型中，資源消耗型攻擊最為典型。SDN技術(shù)因其特殊的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，攻擊者可以限制控制器決策能力、消耗OpenFlow 交換機(jī)流表資源、消耗控制器與交換機(jī)通信的控制通道資源等。目前SDN 研究大部分是基于OpenFlow 協(xié)議的，因此本文所研究的主要是針對(duì)OpenFlow協(xié)議的SDN 資源消耗型攻擊。在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，LDoS 攻擊流量隱藏在正常網(wǎng)絡(luò)流量之中，并沒有完全消耗網(wǎng)絡(luò)可用資源。但其攻擊速率低且?guī)в兄芷谛裕L(zhǎng)時(shí)間發(fā)送攻擊流量，依然可以給網(wǎng)絡(luò)安全帶來威脅。詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)流量分析如下：

1）在正常的網(wǎng)絡(luò)流量時(shí)間尺度上，網(wǎng)絡(luò)流量具有自相似性，因此短時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量明顯的波動(dòng)。在SDN架構(gòu)下，當(dāng)存在LDoS 攻擊時(shí)，攻擊端會(huì)周期性產(chǎn)生偽造虛假數(shù)據(jù)包，造成網(wǎng)絡(luò)中packet_in 消息增加，所以packet_in 數(shù)據(jù)包變化可以作為檢測(cè)依據(jù)。同時(shí)，在維持攻擊速率穩(wěn)定的情況下，LDoS 攻擊流量分組越小，攻擊效果越好。此時(shí)攻擊流量數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度小于正常流量數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，在攻擊期間的表現(xiàn)為一段時(shí)間間隔Δ

t

內(nèi)平均數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度被拉低。如圖2 所示，可以看出在第14 秒攻擊開始后，網(wǎng)絡(luò)流量中packet_in 數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)增加以及攻擊期間平均數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度低于正常流量平均數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。

圖2 packet_in數(shù)據(jù)包數(shù)和平均數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.2 Relationship of packet_in packet number and average packet length

2）標(biāo)準(zhǔn)差反映的是數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)分布的離散程度。在正常網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)流量的自相似性，TCP 流量的標(biāo)準(zhǔn)差接近平均值。在SDN 架構(gòu)下，當(dāng)發(fā)生LDoS 攻擊時(shí)，同樣存在TCP 的擁塞控制機(jī)制，使得TCP 報(bào)文周期性持續(xù)丟失。在攻擊期間表現(xiàn)為TCP 報(bào)文數(shù)下降且呈現(xiàn)周期性。如圖3 所示，可以看出在14～126 s 攻擊期間，TCP 標(biāo)準(zhǔn)差離散程度較大，相比于正常流量有明顯變化。

圖3 TCP標(biāo)準(zhǔn)差變化Fig.3 TCP standard deviation change

3）在正常網(wǎng)絡(luò)流量中，數(shù)據(jù)包中的源IP 地址絕大部分是已存在的網(wǎng)絡(luò)地址，當(dāng)遭受LDoS 攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)涌現(xiàn)大量偽造源IP 地址的數(shù)據(jù)包，此時(shí)控制器會(huì)收到大量packet_in 消息，并且攻擊流量經(jīng)過OpenFlow 協(xié)議封裝產(chǎn)生TCP 的數(shù)據(jù)包，使得TCP 熵值偏低。如圖4 所示，在14～126 s攻擊期間，packet_in 源IP 地址熵值普遍接近于1，TCP 數(shù)據(jù)包熵值普遍靠近0.5，這是因?yàn)楣粼吹刂肥莻卧烨译S機(jī)產(chǎn)生增加了不確定性。

圖4 熵值的變化Fig.4 Change of entropy

通過以上分析，LDoS 攻擊流量特征選取的是packet_in數(shù)據(jù)包數(shù)、UDP 數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)、平均數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、TCP 數(shù)據(jù)包標(biāo)準(zhǔn)差、packet_in 源IP 地址熵值和TCP 數(shù)據(jù)包熵值。在信息論中，信息熵是用來衡量隨機(jī)變量不確定性和隨機(jī)性的指標(biāo)，對(duì)于時(shí)間序列，信息熵表示序列的無序程度。信息熵值越大，序列越無序；信息熵值越小，序列越穩(wěn)定。信息熵的定義如下：

其中：

H

（

X

）表示信息熵；

x

表示出現(xiàn)的隨機(jī)事件；

n

表示隨機(jī)事件的個(gè)數(shù)；

p

(

x

)表示隨機(jī)事件發(fā)生的概率。

具體流量特征表示如下：

1）packet_in 數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)：

packet_in_sum

（Δ

t

），Δ

t

表示收集流表的時(shí)間間隔。2）UDP 數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)：

udp_sum

（Δ

t

）

。

3）平均數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度：

其中：

n

表示Δ

t

時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)包總數(shù)；

packet

_

len

表示每個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。

4）TCP 數(shù)據(jù)包標(biāo)準(zhǔn)差：

其中：

n

表示Δ

t

時(shí)間內(nèi)TCP 數(shù)據(jù)包取的份數(shù)；

X

ˉ表示Δ

t

時(shí)間內(nèi)TCP 數(shù)據(jù)包平均值；

X

表示Δ

t

時(shí)間內(nèi)每份TCP 數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。

5）packet_in 數(shù)據(jù)包源IP 地址熵值：

6）TCP 數(shù)據(jù)包熵值：

2.2 WMS-Kmeans算法

2.2.1 初始聚類中心生成過程

通常，聚類是根據(jù)數(shù)據(jù)集的樣本點(diǎn)相似程度對(duì)其進(jìn)行分類。因?yàn)閿?shù)據(jù)點(diǎn)的屬性有差別，相應(yīng)的重要程度也會(huì)有所不同，所以數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離不僅取決于相似程度，還取決于數(shù)據(jù)間的屬性。Mean-Shift 算法一般采用歐幾里得距離，同等對(duì)待數(shù)據(jù)的每個(gè)屬性，不能反映不同屬性間的重要性。針對(duì)這一問題，使用加權(quán)歐氏距離代替?zhèn)鹘y(tǒng)的歐氏距離。具體的改進(jìn)方法如下：

在

d

維歐氏空間上的

n

個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)

x

（

i

=1，2，…，

n

）的核密度估計(jì)值如下：

其中：

h

為帶寬；

K

（

x

）為徑向?qū)ΨQ函數(shù)，

K

(

x

)=

C

k

(‖

x

‖)，

C

是單位密度的歸一化常數(shù)，

k

為

k

（

x

）的簡(jiǎn)寫。

式（6）中的梯度如下：

對(duì)于數(shù)據(jù)點(diǎn)

x

（

i

=1，2，…，

n

）在

d

維歐氏距離下一個(gè)更新中心點(diǎn)為：

根據(jù)數(shù)據(jù)屬性的不同賦予不同權(quán)重，兩點(diǎn)

x=

（

x

，

x

，…，

x

）和

x=

（

x

，

x

，…，

x

）間加權(quán)歐氏距離可表示為：

其中：

w

（

v

=1，2，…，

d

）表示第

v

個(gè)屬性權(quán)重。因此，Mean-Shift 算法在

d

維歐氏距離下一個(gè)更新中心點(diǎn)由式（9）改為：

其中：

w

為第

v

個(gè)屬性的權(quán)重系數(shù)；

g

（

x

）為核函數(shù)。

當(dāng)發(fā)生LDoS 攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)流量的離散程度比正常網(wǎng)絡(luò)流量離散程度更大，相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)的值越大，說明此屬性有很強(qiáng)的重要性。本文選取平均絕對(duì)百分比誤差作為歐氏距離加權(quán)系數(shù)，一定程度上反映網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的波動(dòng)情況，具體表示為：

具體的初始聚類中心生成過程如下。

算法1 改進(jìn)Mean-Shift 初始聚類中心選擇過程。

輸入 樣本集

Z

={

z

，

z

，…，

z

}，聚類帶寬

h

。輸出 初始聚類中心{

G

，

G

，…，

G

}。

2.2.2 WMS-

K

means算法

改進(jìn)后的Mean-Shift 算法也是基于密度的算法，只是根據(jù)具體數(shù)據(jù)集使得均值偏移向量向概率密度最大的方向偏移得更加精準(zhǔn)。通常情況下，好的聚類中心應(yīng)該是數(shù)據(jù)分布密度最大的中心點(diǎn)，改進(jìn)的Mean-Shift 算法生成的初始聚類中心更貼合實(shí)際數(shù)據(jù)的分布。算法具體過程如下：

選定初始聚類中心{

G

，

G

，…，

G

}以及簇的個(gè)數(shù)

k

，將數(shù)據(jù)集每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)歐氏距離劃分到最近的簇，數(shù)據(jù)集樣本點(diǎn)之間的歐氏距離越小，樣本間相似程度越高。通過計(jì)算簇中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)到中心點(diǎn)的均值重新選定簇心，WMS-

K

means算法經(jīng)過

k

次迭代，直到簇心不再更新。最終得到

k

個(gè)最佳聚類質(zhì)心，使得簇內(nèi)樣本點(diǎn)相似度最高，簇間樣本點(diǎn)相似度最低。具體算法描述如下。算法2 WMS-

K

means 算法。輸入 樣本集

Z

={

z

，

z

，…，

z

}；聚類個(gè)數(shù)

k

。輸出 簇劃分

C

=｛

C

，

C

，…，

C

｝。

2.3 基于WMS-Kmeans算法的LDoS攻擊檢測(cè)過程

本文的目的主要是在LDoS 攻擊時(shí)WMS-

K

means 算法通過聚類區(qū)分有無攻擊。本文WMS-

K

means 算法部署在SDN控制器中，SDN 控制器相當(dāng)于人類大腦，具有足夠的算力和儲(chǔ)存空間。由于網(wǎng)絡(luò)流量分析、特征選取和檢測(cè)方法涉及流量都是SDN 控制器和OpenFlow 交換機(jī)之間的通信流量，所以檢測(cè)方法和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o關(guān)。具體的攻擊檢測(cè)過程如下：

1）數(shù)據(jù)收集。此部分通過Wireshark 周期性地采集交換機(jī)中流表流量，保存完整的流表信息，將流表信息利用Python 導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，為特征提取做準(zhǔn)備。

2）特征提取。此部分通過2.1 節(jié)中的特征分析，提取出SDN 環(huán)境下LDoS 攻擊流量六元組特征。使用Python 工具統(tǒng)計(jì)每秒內(nèi)六元組特征值，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3）攻擊檢測(cè)。此部分利用2.2 節(jié)中提出的WMS-

K

means算法，對(duì)攻擊流量六元組特征進(jìn)行分類。具體檢測(cè)過程如下：

最后，直到所有樣本點(diǎn)收斂，由此輸出初始聚類中心點(diǎn){

G

，

G

，…，

G

}。將中心點(diǎn){

G

，

G

，

G

…，

G

}作為

K

-Means 聚類初始聚類中心，計(jì)算所有樣本點(diǎn)到初始聚類中心的距離：

根據(jù)距離

d

，將每個(gè)樣本點(diǎn)標(biāo)記劃分到最近的簇中。

在每個(gè)簇中所有樣本點(diǎn)重新計(jì)算新的聚類中心：

如果新計(jì)算出的簇心與原簇心距離變化較大，則重新迭代上述步驟，計(jì)算距離劃分新的簇；如果重新計(jì)算出的簇心位置趨于穩(wěn)定，可以認(rèn)為聚類已達(dá)期望效果，輸出本次分類結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了能充分展現(xiàn)LDoS 攻擊檢測(cè)的準(zhǔn)確性，本文實(shí)驗(yàn)使用Mininet 和開源控制器ONOS 搭建仿真環(huán)境。虛擬交換機(jī)采用Switcher 2.9.2，OpenFlow 協(xié)議使用OpenFlow1.3 版本。虛擬機(jī)操作系統(tǒng)為Ubantu18.04 系統(tǒng)，內(nèi)存為5 GB，處理器內(nèi)核總數(shù)為2，在i5CPU 和8 GB RAM 的計(jì)算機(jī)上完成。實(shí)驗(yàn)拓?fù)淙鐖D5 所示，用Mininet 搭建由9 臺(tái)主機(jī)和6 臺(tái)OpenFlow交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)并連接到Internet 上。主機(jī)h2～h9 為正常用戶，h1 為攻擊者。OpenFlow 交換機(jī)s1～s6 之間的鏈路帶寬為10 Mb/s，各主機(jī)與交換機(jī)之間鏈路帶寬為100 Mb/s，所有鏈路時(shí)延為10 ms。

圖5 實(shí)驗(yàn)拓?fù)銯ig.5 Experimental topology

h1 向h9 發(fā)送UDP 攻擊流量，攻擊工具使用Hping3。h4、h7 分別向h8、h9 發(fā)送由D-ITG 產(chǎn)生的TCP 流量建立正常連接，使得在S4、S5 鏈路上匯集的正常流量速率接近于10 Mb/s，讓UDP 流量產(chǎn)生更好的攻擊效果。

實(shí)驗(yàn)分為三組，每組實(shí)驗(yàn)包含不同攻擊參數(shù)的LDoS 攻擊，具體參數(shù)如表1 所示。在搭建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲惺占鞅硇畔?，每組實(shí)驗(yàn)攻擊周期循環(huán)90 次，三組平均收集流表數(shù)983 202 個(gè)。

表1 LDoS攻擊的參數(shù)Tab 1 Parameters of LDoS attack

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文通過真正例（True Positive，TP）、真反例（True Negative，TN）、假正例（False Positive，F(xiàn)P）和假反例（False Negative，F(xiàn)N）計(jì)算檢測(cè)率、誤警率和漏警率來評(píng)價(jià)檢測(cè)的性能。三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)表示如下：

1）檢測(cè)率

I

（Detection Rate）：表示正確預(yù)測(cè)攻擊流量數(shù)量除以實(shí)際總的攻擊流量數(shù)量的值。值越大說明檢測(cè)LDoS攻擊效果越好。

2）誤警率

I

（False Alarm Rate）：表示正常流量被預(yù)測(cè)為攻擊流量數(shù)量除以實(shí)際總的正常流量數(shù)量的值。值越小說明正常流量成功預(yù)測(cè)率高。

3）漏警率

I

（Missing Alarm Rate）：表示未正確預(yù)測(cè)攻擊流量數(shù)量除以實(shí)際總攻擊流量數(shù)量的值。值越小說明檢測(cè)LDoS 攻擊效果越好。

在3.1節(jié)搭建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校肳ireshark收集三組不同攻擊參數(shù)的LDoS攻擊流表信息，利用本文基于WMS-

K

means算法的LDoS攻擊檢測(cè)方法計(jì)算出

I

、

I

和

I

三種攻擊檢測(cè)算法評(píng)定指標(biāo)值。比較

I

、

I

和

I

隨著

h

值的變化而產(chǎn)生的變化。由于

h

值為核函數(shù)帶寬，隨著核函數(shù)帶寬

h

的減小，核函數(shù)值增加，數(shù)據(jù)集的概率密度增加，直接影響著最終聚類的檢測(cè)結(jié)果。因此本文選取

h

為0.2到0.7的值進(jìn)行多次測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2所示，計(jì)算六組不同

h

值的平均檢測(cè)率

I

分別為99.29%、98.06%、97.01%、96.72%、94.30%、93.95%。

表2 三種評(píng)價(jià)指標(biāo)隨不同h值的變化 單位：%Tab 2 Changes of three evaluation indexes with different h values unit：%

從六組平均檢測(cè)率中可以看出，平均檢測(cè)率

I

隨著帶寬

h

值的增加不斷減小。當(dāng)帶寬

h

值大到一定程度，平均檢測(cè)率會(huì)明顯下降。當(dāng)

h

=0.2 時(shí)，此時(shí)平均檢測(cè)率最高為99.29%，平均

I

為1.97%，平均

I

為0.69%。為了檢驗(yàn)本文WMS-

K

means 算法對(duì)LDoS 攻擊檢測(cè)的有效性，將本文方法與

K

-Means 算法進(jìn)行比較。用

K

-Means 算法同樣對(duì)上述三組LDoS 攻擊數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，由于

K

-Means 算法需要指定聚類個(gè)數(shù)，通過多次實(shí)驗(yàn)，取三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的最好檢測(cè)值，即聚類個(gè)數(shù)

k

為5 時(shí)的檢測(cè)結(jié)果，記錄如表3 所示。通過計(jì)算得出

K

-Means 算法的平均檢測(cè)率為97.71%，平均誤警率為2.01%，平均漏警率FNR 為2.27%，如表4 所示，本文WMS-

K

means 算法平均檢測(cè)率為99.29%高于

K

-Means 算法的97.71%，平均誤警率和平均漏警率均低于

K

-Means 算法，可以看出本文方法優(yōu)于單一的

K

-Means 算法。

表3 K-Means算法評(píng)價(jià)指標(biāo)（k=5） 單位：%Tab 3 K-Means algorithm evaluation index（k=5）unit：%

表4 本文方法與K-Means算法的對(duì)比 單位：%Tab 4 Comparative in proposed method and K-Means algorithm unit：%

表5 是本文方法與基于累加和（CUmulative SUM,CUSUM）算法、多特征自適應(yīng)增強(qiáng)（Multiple Features-Adaptive boosting，MF-Adaboost）算法、HSMM（Hidden Semi-Markov Model）和雙滑動(dòng)窗口法的四種檢測(cè)方法進(jìn)行比較，并且使用

I

、

I

和

I

三個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)算法性能。

表5 不同檢測(cè)方法的對(duì)比 單位：%Tab 5 Different detection methods comparison unit：%

表5 展示了五種檢測(cè)方法的檢測(cè)率，本文方法的檢測(cè)率最優(yōu)為99.29%，CUSUM 算法、MF-Adaboost 算法、HSMM 模型和雙滑動(dòng)窗口法四種檢測(cè)方法的檢測(cè)率分別為96%、97.32%、98%和98.3%。在誤警率的比較中，本文所提方法的平均誤警率

I

為1.97%，CUSUM 算法、MF-Adaboost 算法和HSMM 模型檢測(cè)方法的誤警率

I

分別為8%、5.87%和4%，均高于本文方法。與雙滑動(dòng)窗口法的1.2%相比，本文方法平均誤警率略高于雙滑動(dòng)窗口法，但是本文方法的總體計(jì)算復(fù)雜度更低，檢測(cè)率更高。在漏警率比較中，標(biāo)記處雙滑動(dòng)窗口法無此參數(shù)，相較于其他方法，本文方法的平均漏警率

I

同樣最低為0.69%，CUSUM 算法、MF-Adaboost 算法和HSMM 模型檢測(cè)方法的漏警率分別為4%、2.68%和2%。

4 結(jié)語

LDoS 攻擊因其平均速率低且具有周期性，消耗網(wǎng)絡(luò)資源，降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域重要威脅之一。本文提出了一種SDN 環(huán)境中基于WMS-

K

means 算法的LDoS 攻擊檢測(cè)方法，提取出LDoS 攻擊流量六元組特征，用平均絕對(duì)百分比誤差作為Mean-Shift 歐氏距離加權(quán)系數(shù)，將六元組特征作為改進(jìn)Mean-Shift 算法的輸入生成初始聚類中心，再利用

K

-Means 算法進(jìn)行分類，最后通過分組實(shí)驗(yàn)，得到本文方法評(píng)價(jià)指標(biāo)值。本文方法的特色如下：1）在SDN 中利用控制器部署算法實(shí)現(xiàn)了LDoS 攻擊的檢測(cè)；2）在SDN 環(huán)境下分析LDoS 攻擊流量特征，并提取出LDoS 攻擊流量六個(gè)內(nèi)在特性；3）根據(jù)LDoS 攻擊流量特征，提出了WMS-

K

means算法。最后在仿真環(huán)境下對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法與其他檢測(cè)方法相比檢測(cè)率有所提升，并且誤警率和漏警率相對(duì)較低，有良好的檢測(cè)性能；但是經(jīng)過多次迭代執(zhí)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。下一步的工作是優(yōu)化算法，降低算法的時(shí)間復(fù)雜度。