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On the subspace learning for network attack detection

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2019.

Main Author: Vieira, Thiago Pereira de Brito
Other Authors: Costa, João Paulo Carvalho Lustosa da
Format: Tese
Language: Inglês
Published: 2020
Subjects:
Ataques cibernéticos
Ataques cibernéticos - detecção
Seleção de Ordem do Modelo (SOM)
Redes de computadores
Detecção de falhas
Online Access: https://repositorio.unb.br/handle/10482/37121
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spelling ir-10482-371212020-03-23T06:04:04Z On the subspace learning for network attack detection Vieira, Thiago Pereira de Brito Costa, João Paulo Carvalho Lustosa da Sousa Júnior, Rafael Timóteo de Ataques cibernéticos Ataques cibernéticos - detecção Seleção de Ordem do Modelo (SOM) Redes de computadores Detecção de falhas Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2019. O custo com todos os tipos de ciberataques tem crescido nas organizações. A casa branca do goveno norte americano estima que atividades cibernéticas maliciosas custaram em 2016 um valor entre US$57 bilhões e US$109 bilhões para a economia norte americana. Recentemente, é possível observar um crescimento no número de ataques de negação de serviço, botnets, invasões e ransomware. A Accenture argumenta que 89% dos entrevistados em uma pesquisa acreditam que tecnologias como inteligência artificial, aprendizagem de máquina e análise baseada em comportamentos, são essenciais para a segurança das organizações. É possível adotar abordagens semisupervisionada e não-supervisionadas para implementar análises baseadas em comportamentos, que podem ser aplicadas na detecção de anomalias em tráfego de rede, sem a ncessidade de dados de ataques para treinamento. Esquemas de processamento de sinais têm sido aplicados na detecção de tráfegos maliciosos em redes de computadores, através de abordagens não-supervisionadas que mostram ganhos na detecção de ataques de rede e na detecção e anomalias. A detecção de anomalias pode ser desafiadora em cenários de dados desbalanceados, que são casos com raras ocorrências de anomalias em comparação com o número de eventos normais. O desbalanceamento entre classes pode comprometer o desempenho de algoritmos traficionais de classificação, através de um viés para a classe predominante, motivando o desenvolvimento de algoritmos para detecção de anomalias em dados desbalanceados. Alguns algoritmos amplamente utilizados na detecção de anomalias assumem que observações legítimas seguem uma distribuição Gaussiana. Entretanto, esta suposição pode não ser observada na análise de tráfego de rede, que tem suas variáveis usualmente caracterizadas por distribuições assimétricas ou de cauda pesada. Desta forma, algoritmos de detecção de anomalias têm atraído pesquisas para se tornarem mais discriminativos em distribuições assimétricas, como também para se tornarem mais robustos à corrupção e capazes de lidar com problemas causados pelo desbalanceamento de dados. Como uma primeira contribuição, foi proposta a Autosimilaridade (Eigensimilarity em inglês), que é uma abordagem baseada em conceitos de processamento de sinais com o objetivo de detectar tráfego malicioso em redes de computadores. Foi avaliada a acurácia e o desempenho da abordagem proposta através de cenários simulados e dos dados do DARPA 1998. Os experimentos mostram que Autosimilaridade detecta os ataques synflood, fraggle e varredura de portas com precisão, com detalhes e de uma forma automática e cega, i.e. em uma abordagem não-supervisionada. Considerando que a assimetria de distribuições de dados podem melhorar a detecção de anomalias em dados desbalanceados e assimétricos, como no caso de tráfego de rede, foi proposta a Análise Robusta de Componentes Principais baseada em Momentos (ARCP-m), que é uma abordagem baseada em distâncias entre observações contaminadas e momentos calculados a partir subespaços robustos aprendidos através da Análise Robusta de Componentes Principais (ARCP), com o objetivo de detectar anomalias em dados assimétricos e em tráfego de rede. Foi avaliada a acurácia do ARCP-m para detecção de anomalias em dados simulados, com distribuições assimétricas e de cauda pesada, como também para os dados do CTU-13. Os experimentos comparam nossa proposta com algoritmos amplamente utilizados para detecção de anomalias e mostra que a distância entre estimativas robustas e observações contaminadas pode melhorar a detecção de anomalias em dados assimétricos e a detecção de ataques de rede. Adicionalmente, foi proposta uma arquitetura e abordagem para avaliar uma prova de conceito da Autosimilaridade para a detecção de comportamentos maliciosos em aplicações móveis corporativas. Neste sentido, foram propostos cenários, variáveis e abordagem para a análise de ameaças, como também foi avaliado o tempo de processamento necessário para a execução do Autosimilaridade em dispositivos móveis. The cost of all types of cyberattacks is increasing for global organizations. The Whitehouse of the U.S. government estimates that malicious cyber activity cost the U.S. economy between US$57 billion and US$109 billion in 2016. Recently, it is possible to observe an increasing in numbers of Denial of Service (DoS), botnets, malicious insider and ransomware attacks. Accenture consulting argues that 89% of survey respondents believe breakthrough technologies, like artificial intelligence, machine learning and user behavior analytics, are essential for securing their organizations. To face adversarial models, novel network attacks and counter measures of attackers to avoid detection, it is possible to adopt unsupervised or semi-supervised approaches for network anomaly detection, by means of behavioral analysis, where known anomalies are not necessaries for training models. Signal processing schemes have been applied to detect malicious traffic in computer networks through unsupervised approaches, showing advances in network traffic analysis, in network attack detection, and in network intrusion detection systems. Anomalies can be hard to identify and separate from normal data due to the rare occurrences of anomalies in comparison to normal events. The imbalanced data can compromise the performance of most standard learning algorithms, creating bias or unfair weight to learn from the majority class and reducing detection capacity of anomalies that are characterized by the minority class. Therefore, anomaly detection algorithms have to be highly discriminating, robust to corruption and able to deal with the imbalanced data problem. Some widely adopted algorithms for anomaly detection assume a Gaussian distributed data for legitimate observations, however this assumption may not be observed in network traffic, which is usually characterized by skewed and heavy-tailed distributions. As a first important contribution, we propose the Eigensimilarity, which is an approach based on signal processing concepts applied to detection of malicious traffic in computer networks. We evaluate the accuracy and performance of the proposed framework applied to a simulated scenario and to the DARPA 1998 data set. The performed experiments show that synflood, fraggle and port scan attacks can be detected accurately by Eigensimilarity and with great detail, in an automatic and blind fashion, i.e. in an unsupervised approach. Considering that the skewness improves anomaly detection in imbalanced and skewed data, such as network traffic, we propose the Moment-based Robust Principal Component Analysis (mRPCA) for network attack detection. The m-RPCA is a framework based on distances between contaminated observations and moments computed from a robust subspace learned by Robust Principal Component Analysis (RPCA), in order to detect anomalies from skewed data and network traffic. We evaluate the accuracy of the m-RPCA for anomaly detection on simulated data sets, with skewed and heavy-tailed distributions, and for the CTU-13 data set. The Experimental evaluation compares our proposal to widely adopted algorithms for anomaly detection and shows that the distance between robust estimates and contaminated observations can improve the anomaly detection on skewed data and the network attack detection. Moreover, we propose an architecture and approach to evaluate a proof of concept of Eigensimilarity for malicious behavior detection on mobile applications, in order to detect possible threats in offline corporate mobile client. We propose scenarios, features and approaches for threat analysis by means of Eigensimilarity, and evaluate the processing time required for Eigensimilarity execution in mobile devices. 2020-03-23T06:04:04Z 2020-03-23T06:04:04Z 2020-03-23 2019-09-12 Tese VIEIRA, Thiago Pereira de Brito. On the subspace learning for network attack detection. 2019. xviii, 126 f., il. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica)—Universidade de Brasília, Brasília, 2019. https://repositorio.unb.br/handle/10482/37121 Inglês Acesso Aberto A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data. application/pdf
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