關(guān)于云環(huán)境下共存攻擊多目標(biāo)響應(yīng)策略機(jī)器學(xué)習(xí)模式的研究

吳志祥，曲譜，李耕（中國(guó)聯(lián)通黑龍江省分公司，黑龍江哈爾濱 150001）

0 前言

云環(huán)境可按照用戶的需求，以低成本向使用者提供軟硬件設(shè)備，使用者可以方便地使用服務(wù)，并且無(wú)需了解云環(huán)境的細(xì)節(jié)，也不需進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。虛擬化技術(shù)可以按照需求共享資源，提高了資源的使用率，圖1給出了云環(huán)境虛擬化示意圖。由于云環(huán)境的虛擬化特性，多個(gè)虛擬機(jī)會(huì)在同一主機(jī)上同時(shí)運(yùn)行，如果虛擬機(jī)之間沒(méi)有適當(dāng)?shù)母綦x，攻擊者可以從同一主機(jī)上取得其他虛擬機(jī)的相關(guān)信息。

2017年，Abazari等人提出了云環(huán)境共存攻擊多目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，整理了虛擬機(jī)共存攻擊和檢測(cè)對(duì)策的類(lèi)型，并提出一套模型來(lái)計(jì)算云環(huán)境整體的最佳響應(yīng)對(duì)策。他們提出的模型考慮到虛擬機(jī)之間的共存時(shí)間長(zhǎng)短，并在威脅和成本這2 個(gè)沖突的目標(biāo)中取得帕雷托最優(yōu)解得到最佳響應(yīng)對(duì)策。圖2為帕雷托最優(yōu)解示意圖，其中F1代表總威脅，F(xiàn)2代表總成本。若有一個(gè)解x，當(dāng)無(wú)法在不提升總成本的情況下再降低總威脅，且無(wú)法在不提升總威脅的情況下再降低總成本，那解x就為帕雷托最優(yōu)解。在2 個(gè)互相沖突的目標(biāo)的情況下，會(huì)有多個(gè)帕雷托最優(yōu)解。

圖2 帕雷托最優(yōu)解示意圖

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Abazari 等人的模型在具有大量虛擬機(jī)的云環(huán)境中計(jì)算檢測(cè)對(duì)策需要耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。因此，本文提出一個(gè)自動(dòng)入侵檢測(cè)系統(tǒng)的新模型，其使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)產(chǎn)生檢測(cè)對(duì)策，并進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)證明模型的效果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出機(jī)器學(xué)習(xí)可以以良好的準(zhǔn)確度近似帕雷托最優(yōu)解，并且相較于Abazari 等人的模型在檢測(cè)速度方面有2 000 倍的提升。

1 背景知識(shí)

1.1 云環(huán)境概念

云環(huán)境計(jì)算根據(jù)服務(wù)類(lèi)型可以分為3類(lèi)SPI：軟件即服務(wù)（SaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）和基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）。其中IaaS 是云環(huán)境供應(yīng)商通過(guò)虛擬化技術(shù)在一部大型的實(shí)體主機(jī)上建立多個(gè)虛擬機(jī)，根據(jù)使用者需求動(dòng)態(tài)分配資源，使用者可以根據(jù)自己的需求租借適量的服務(wù)。本文討論的云環(huán)境共存攻擊就是在IaaS架構(gòu)下隱藏的威脅。

1.2 云環(huán)境共存攻擊類(lèi)型

共存攻擊可分為3 種類(lèi)型，第1 種類(lèi)型包含信息竊取和側(cè)通道攻擊，使受害者隱私泄露，造成不可逆的傷害；第2 種類(lèi)型是攻擊者利用虛擬機(jī)之間的通信來(lái)傳播惡意程序；第3種類(lèi)型，攻擊者的目標(biāo)是得到不公平的共享資源，導(dǎo)致同一實(shí)體機(jī)上的其他虛擬機(jī)受到阻斷服務(wù)攻擊。

1.3 虛擬機(jī)共存時(shí)間關(guān)系

根據(jù)研究文獻(xiàn)，虛擬機(jī)受到共存攻擊的機(jī)率與共存時(shí)間呈正相關(guān)，通過(guò)虛擬機(jī)共存時(shí)間關(guān)系圖可以獲得虛擬機(jī)之間的共存時(shí)間，并用來(lái)計(jì)算云環(huán)境中所有虛擬機(jī)的威脅等級(jí)。虛擬機(jī)共存時(shí)間關(guān)系圖如圖3所示，圖3 中的節(jié)點(diǎn)代表虛擬機(jī)（VM），其中虛擬機(jī)可分為2種類(lèi)型：集合M表示惡意VM，由虛線方框表示；集合S表示一般VM，由實(shí)線方框表示。節(jié)點(diǎn)之間的連線代表虛擬機(jī)曾經(jīng)或正在同一實(shí)體機(jī)中共存，連線上的數(shù)值代表共存時(shí)間長(zhǎng)短，時(shí)間會(huì)經(jīng)過(guò)正規(guī)化變成0～1的數(shù)值，由wi，j表示VMi和VMj的共存時(shí)間，舉例來(lái)說(shuō)，圖3 中VM2和VM3的共存時(shí)間w2，3=0.8，VM8和VM9的共存時(shí)間w8，9=0.2。

圖3 虛擬機(jī)共存時(shí)間關(guān)系圖

1.4 響應(yīng)對(duì)策表

每種攻擊都可以通過(guò)特定的對(duì)策來(lái)防御。響應(yīng)對(duì)策表如表1 所示，其中SC 表示側(cè)通道攻擊，MP 表示惡意軟體傳播，DoS 表示阻斷服務(wù)攻擊，Y 表示該對(duì)策可防御此種攻擊，N 表示該對(duì)策無(wú)法防御此種攻擊。表1 中列出了每個(gè)共存攻擊的對(duì)策，總共可分為5 個(gè)對(duì)策，對(duì)策6表示不進(jìn)行任何動(dòng)作，以下對(duì)每個(gè)對(duì)策進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

表1 響應(yīng)對(duì)策表

a）第1 種對(duì)策是虛擬機(jī)遷移，其能夠防御所有共存攻擊。

b）第2 種對(duì)策能防御側(cè)通道攻擊，針對(duì)攻擊者的虛擬機(jī)，增加其惡意行動(dòng)的延遲。如果是受害虛擬機(jī)，則可以將硬盤(pán)、CPU 和內(nèi)存等共享資源的存取方式改為一致的模式，防止攻擊者從受害者的行為中獲取信息。

c）第3 種對(duì)策可以防止惡意軟體傳播，利用虛擬交換機(jī)的功能重新配置虛擬網(wǎng)絡(luò)。

d）第4 種對(duì)策可以防御阻斷服務(wù)攻擊，主要是通過(guò)更改管理程序的配置降低最大計(jì)算負(fù)載或內(nèi)存容量，限制攻擊者的資源使用。

e）第5種對(duì)策是通過(guò)限制相關(guān)虛擬機(jī)允許的最大流量速率，防御惡意軟體傳播和阻斷服務(wù)攻擊。

f）第6種對(duì)策是不進(jìn)行任何動(dòng)作。

1.5 機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)屬于人工智能的范疇，是一種讓機(jī)器從學(xué)習(xí)到推理的過(guò)程，機(jī)器學(xué)習(xí)的演算法結(jié)合了各種學(xué)科，如概率學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和逼近論等，通過(guò)組合這些數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)出讓計(jì)算機(jī)可以自我學(xué)習(xí)的演算法。從訓(xùn)練資料中截取重要特征，訓(xùn)練時(shí)通過(guò)演算法將特征進(jìn)行分析獲得規(guī)律得到模型，最后就可以利用模型對(duì)新資料進(jìn)行預(yù)測(cè)。

機(jī)器學(xué)習(xí)的概念如圖4 所示，Abazari 等人的模型是使用Matlab 的fgoalattain 函數(shù)來(lái)計(jì)算多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，目標(biāo)是指總響應(yīng)成本和總威脅，本文的研究在降低威脅的同時(shí)也降低成本。而在機(jī)器學(xué)習(xí)演算法方面，本文對(duì)Lasso、Elastic Net、Ridge Regression 這3 種機(jī)器學(xué)習(xí)演算法進(jìn)行了測(cè)試，先制造200筆資料，并隨機(jī)選取80%作為訓(xùn)練資料，20%作為測(cè)試資料，接著分別使用3 種機(jī)器學(xué)習(xí)演算法，平均準(zhǔn)確度如表2 所示。由表2可知，Ridge Regression 的準(zhǔn)確度較高，所以本文選擇Ridge Regression作為機(jī)器學(xué)習(xí)的演算法。

圖4 機(jī)器學(xué)習(xí)概念圖

表2 機(jī)器學(xué)習(xí)演算法準(zhǔn)確度比較

1.6 Scikit-learn

Scikit-learn 簡(jiǎn)稱(chēng)SKlearn，是Python 機(jī)器學(xué)習(xí)和資料分析的開(kāi)源套件，其中包含許多知名的機(jī)器學(xué)習(xí)演算法，也內(nèi)建許多知名的資料集。在演算法方面，依照演算法功能分為6 個(gè)類(lèi)別，如圖5所示，簡(jiǎn)易流程圖可以讓使用者根據(jù)資料集的形態(tài)來(lái)挑選適合的演算法。

圖5 Scikit-learn演算法挑選流程圖

2 研究方法

2.1 計(jì)算威脅等級(jí)

虛擬機(jī)受到共存攻擊的機(jī)率與共存時(shí)間呈正相關(guān)，因此，為了計(jì)算云環(huán)境中所有虛擬機(jī)的威脅等級(jí)，首先必須擁有虛擬機(jī)共存時(shí)間關(guān)系圖，還有檢測(cè)到的攻擊者所操控的惡意虛擬機(jī)集合M。攻擊者進(jìn)行攻擊時(shí)，其虛擬機(jī)通常會(huì)存在資源大量使用、cache miss 等異?，F(xiàn)象，一般可通過(guò)持續(xù)的云環(huán)境監(jiān)控來(lái)發(fā)現(xiàn)惡意虛擬機(jī)。如第1 章所述，云環(huán)境共存攻擊可分為3 個(gè)類(lèi)型：側(cè)通道攻擊、惡意軟體傳播和阻斷服務(wù)攻擊，因此設(shè)定虛擬機(jī)威脅等級(jí)為三元組（triplet）ti，分別表示3種攻擊的機(jī)率，如式（1）所示。

ti是代表VMi被攻擊的機(jī)率（威脅等級(jí)），一個(gè)受害VM會(huì)因?yàn)楹投鄠€(gè)不同惡意VM共存，造成被攻擊的機(jī)率提升，威脅等級(jí)必須包括任一威脅發(fā)生的機(jī)率與多個(gè)威脅同時(shí)發(fā)生的機(jī)率，因此對(duì)Abazari等人的威脅等級(jí)計(jì)算方法進(jìn)行修改，實(shí)際的計(jì)算方式如式（2）所示。

首先，VMj要屬于惡意虛擬機(jī)集合M，才需要計(jì)算其可能對(duì)VMi造成的威脅，n為總虛擬機(jī)個(gè)數(shù)，wi，j表示VMi和VMj的共存時(shí)間。ti×wi，j表示VMi被VMj攻擊的機(jī)率，［1 1 1］-tj×wi，j就是不被VMj攻擊的機(jī)率。多個(gè)不被攻擊的機(jī)率求積就等于完全不被攻擊的機(jī)率，最后由［1 1 1］減去完全不被攻擊的機(jī)率就是包括任一威脅發(fā)生的機(jī)率與多個(gè)威脅同時(shí)發(fā)生的機(jī)率。

以圖3為例，給予惡意虛擬機(jī)隨機(jī)的威脅等級(jí)，并根據(jù)式（2）計(jì)算一般虛擬機(jī)的威脅等級(jí)，如圖6 所示。假設(shè)要計(jì)算VM4的威脅等級(jí)，VM4和VM2、VM5、VM6曾經(jīng)共存或正在共存，當(dāng)中只有VM2是惡意虛擬機(jī)，所以t4=［1 1 1］-（［1 1 1］-t2×0.9）=t2×0.9。另外，假設(shè)要計(jì)算VM10的威脅等級(jí)，VM10和VM7、VM8、VM12曾經(jīng)共存或正在共存，當(dāng)中VM8和VM12是惡意虛擬機(jī)，所以t10=［1 1 1］-（［1 1 1］-t8×0.3）×（［1 1 1］-t12×0.5）。

圖6 虛擬機(jī)威脅等級(jí)示意圖

云環(huán)境的總威脅等級(jí)T，就是將所有虛擬機(jī)的威脅等級(jí)做加總，計(jì)算方式如下。

2.2 響應(yīng)對(duì)策矩陣和成本向量

每種對(duì)策能響應(yīng)的攻擊類(lèi)型不同，所耗費(fèi)的成本也不同。根據(jù)式（4），由表1的SC、MP 和DOS 3個(gè)欄位產(chǎn)生響應(yīng)對(duì)策矩陣C，如式（6）。舉例來(lái)說(shuō)，C(3,2)=1代表對(duì)策3可以應(yīng)對(duì)惡軟件傳播攻擊，C(4,3)=1代表對(duì)策4 可以應(yīng)對(duì)拒絕服務(wù)服務(wù)攻擊。由表1 的成本欄位產(chǎn)生成本向量RC，如式（7）。RC()3=0.2 代表對(duì)策3擁有低的耗費(fèi)成本。

2.3 資料生成

Abazari 等人提出的云環(huán)境共存攻擊多目標(biāo)響應(yīng)系統(tǒng)，已經(jīng)能針對(duì)云環(huán)境整體選擇出最適合的響應(yīng)對(duì)策，但是存在響應(yīng)時(shí)間過(guò)久的問(wèn)題。因此，本文的訓(xùn)練數(shù)據(jù)就由Abazari 等人提出的模型來(lái)產(chǎn)生，步驟如下。

a）產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的VM共存時(shí)間關(guān)系圖。

b）隨機(jī)挑選約30%的VM作為惡意VM。

c）隨機(jī)產(chǎn)生惡意VM威脅等級(jí)。

d）計(jì)算每個(gè)VM的威脅等級(jí)。

e）使用Matlab的fgoalattain函數(shù)產(chǎn)生解答。

數(shù)據(jù)生成的部分使用Matlab完成。資料集產(chǎn)生之后，隨機(jī)選取80%作為機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，再隨機(jī)選取20%數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)使用Scikitlearn 的Ridge regression。Matlab 的fgoalattain 函數(shù)用來(lái)計(jì)算多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題，包括線性和非線性，完整程序定義如式（8）所示。其中，weight、goal、b和beq是向量；A和Aeq是矩陣；F(x)、c(x)和ceq(x)是回傳向量的函數(shù)，可以為非線性函數(shù)；x、lb和ub可以是向量或矩陣。

F(x)是要進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化的函數(shù)，優(yōu)化的目標(biāo)是云環(huán)境總威脅和總成本，如式（9）。

權(quán)重W1和W2分別代表威脅和成本的重要性，用來(lái)衡量較低的威脅或較低的成本，其中W=(W1,)W2，W1+W2=1，舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)設(shè)定W1接近0 的時(shí)候，意味著得到的對(duì)策會(huì)有高的成本搭配極低威脅的成效。當(dāng)設(shè)定的權(quán)重不同，就會(huì)得到不同的解X，X的定義如式（11）所示，x={ 0,1}，其中q為對(duì)策數(shù)量，n為虛擬機(jī)數(shù)量，解X會(huì)顯示每個(gè)虛擬機(jī)該使用哪一個(gè)對(duì)策。

最后，將權(quán)重W、所有虛擬機(jī)的威脅等級(jí)t、解X都轉(zhuǎn)為一維陣列，整合成一列數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表內(nèi)容如表3所示。生成多筆數(shù)據(jù)后輸出成.csv 文檔，方便后續(xù)使用python讀取進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)。

表3 數(shù)據(jù)表內(nèi)容

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)論

本文提出一個(gè)以機(jī)器學(xué)習(xí)響應(yīng)云環(huán)境共存攻擊的系統(tǒng)，為了驗(yàn)證提出的模型具有實(shí)用性，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)并和Abazari 等人的模型進(jìn)行比較。在存在50個(gè)虛擬機(jī)的云環(huán)境模擬環(huán)境中，機(jī)器學(xué)習(xí)在響應(yīng)時(shí)間方面比Matlab 快2 296 倍，準(zhǔn)確度為85%，可見(jiàn)訓(xùn)練資料和虛擬機(jī)個(gè)數(shù)的增加可以提升機(jī)器學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確度。使用一組固定的威脅等級(jí)，并使用不同的權(quán)重，權(quán)重從W=（0.1，0.9）到W=（0.9，0.1），每次增減0.1。分別使用Matlab 和機(jī)器學(xué)習(xí)產(chǎn)生響應(yīng)對(duì)策，然后計(jì)算使用對(duì)策后云環(huán)境總威脅和總成本，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同權(quán)重下的威脅與成本比較圖

圖7 中Matlab 的點(diǎn)可視為帕雷托最優(yōu)解，而機(jī)器學(xué)習(xí)的曲線也近似于帕雷托最優(yōu)解，并不會(huì)偏離太多。在相同權(quán)重的設(shè)定下，機(jī)器學(xué)習(xí)的解有較高的威脅，但有較低的成本。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)方法和本研究的機(jī)器學(xué)習(xí)模型都可以得到針對(duì)當(dāng)前環(huán)境適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)對(duì)策，傳統(tǒng)方法在總威脅和總成本的取舍下得到帕雷托最優(yōu)解，而本研究的機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以以高準(zhǔn)確度得到近似的解。在響應(yīng)時(shí)間方面，從實(shí)驗(yàn)的云環(huán)境來(lái)看傳統(tǒng)方法需要的響應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)了約12倍，而機(jī)器學(xué)習(xí)模型僅增加1.23 倍，資料筆數(shù)的增加和虛擬機(jī)量的增加也讓機(jī)器學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確度有所提升，可見(jiàn)在更大量虛擬機(jī)的云環(huán)境中，本文的機(jī)器學(xué)習(xí)模型有更好的效果。