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Adversarial Attacks Against Deep Learning-Based Network Intrusion Detection Systems and Defense Mechanisms

对抗制 计算机科学 稳健性(进化) 入侵检测系统 人工智能 深层神经网络 计算机安全 逃避(道德) 深度学习 机器学习 人工神经网络 入侵 生物化学 化学 免疫系统 地球化学 生物 免疫学 基因 地质学
作者
Chaoyun Zhang,Xavier Costa‐Pérez,Paul Patras
出处
期刊:IEEE ACM Transactions on Networking [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:30 (3): 1294-1311 被引量:82
标识
DOI:10.1109/tnet.2021.3137084
摘要

Neural networks (NNs) are increasingly popular in developing NIDS, yet can prove vulnerable to adversarial examples. Through these, attackers that may be oblivious to the precise mechanics of the targeted NIDS add subtle perturbations to malicious traffic features, with the aim of evading detection and disrupting critical systems. Defending against such adversarial attacks is of high importance, but requires to address daunting challenges. Here, we introduce TIKI- TAKA, a general framework for (i) assessing the robustness of state-of-the-art deep learning-based NIDS against adversarial manipulations, and which (ii) incorporates defense mechanisms that we propose to increase resistance to attacks employing such evasion techniques. Specifically, we select five cutting-edge adversarial attack types to subvert three popular malicious traffic detectors that employ NNs. We experiment with publicly available datasets and consider both one-to-all and one-to-one classification scenarios, i.e., discriminating illicit vs benign traffic and respectively identifying specific types of anomalous traffic among many observed. The results obtained reveal that attackers can evade NIDS with up to 35.7% success rates, by only altering time-based features of the traffic generated. To counteract these weaknesses, we propose three defense mechanisms: model voting ensembling, ensembling adversarial training, and query detection. We demonstrate that these methods can restore intrusion detection rates to nearly 100% against most types of malicious traffic, and attacks with potentially catastrophic consequences (e.g., botnet) can be thwarted. This confirms the effectiveness of our solutions and makes the case for their adoption when designing robust and reliable deep anomaly detectors.

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