Anomaly-based network intrusion detection using machine learning

par Maxime Labonne

Thèse de doctorat en Sécurité informatique et intelligence artificielle

Sous la direction de Djamal Zeghlache et de Alexis Olivereau.

Soutenue le 05-10-2020

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec SAMOVAR - Services répartis, Architectures, MOdélisation, Validation, Administration des Réseaux (laboratoire) , Télécom SudParis (France) (Etablissement opérateur d'inscription) , Département Réseaux et Services Multimédia Mobiles / RS2M (laboratoire) , Institut Polytechnique de Paris / IP Paris (laboratoire) et de Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies / LIST (laboratoire) .

Le président du jury était Joaquin Garcia-Alfaro.

Le jury était composé de Alexis Olivereau, Steven Martin, Bruno Volckaert, Jean-Philippe Fauvelle.

Les rapporteurs étaient Steven Martin, Bruno Volckaert.

  • Titre traduit

    Détection d'intrusion réseau par anomalies avec apprentissage automatique


  • Résumé

    Ces dernières années, le piratage est devenu une industrie à part entière, augmentant le nombre et la diversité des cyberattaques. Les menaces qui pèsent sur les réseaux informatiques vont des logiciels malveillants aux attaques par déni de service, en passant par le phishing et l'ingénierie sociale. Un plan de cybersécurité efficace ne peut plus reposer uniquement sur des antivirus et des pare-feux pour contrer ces menaces : il doit inclure plusieurs niveaux de défense. Les systèmes de détection d'intrusion (IDS) réseaux sont un moyen complémentaire de renforcer la sécurité, avec la possibilité de surveiller les paquets de la couche 2 (liaison) à la couche 7 (application) du modèle OSI. Les techniques de détection d'intrusion sont traditionnellement divisées en deux catégories : la détection par signatures et la détection par anomalies. La plupart des IDS utilisés aujourd'hui reposent sur la détection par signatures ; ils ne peuvent cependant détecter que des attaques connues. Les IDS utilisant la détection par anomalies sont capables de détecter des attaques inconnues, mais sont malheureusement moins précis, ce qui génère un grand nombre de fausses alertes. Dans ce contexte, la création d'IDS précis par anomalies est d'un intérêt majeur pour pouvoir identifier des attaques encore inconnues.Dans cette thèse, les modèles d'apprentissage automatique sont étudiés pour créer des IDS qui peuvent être déployés dans de véritables réseaux informatiques. Tout d'abord, une méthode d'optimisation en trois étapes est proposée pour améliorer la qualité de la détection : 1/ augmentation des données pour rééquilibrer les jeux de données, 2/ optimisation des paramètres pour améliorer les performances du modèle et 3/ apprentissage ensembliste pour combiner les résultats des meilleurs modèles. Les flux détectés comme des attaques peuvent être analysés pour générer des signatures afin d'alimenter les bases de données d'IDS basées par signatures. Toutefois, cette méthode présente l'inconvénient d'exiger des jeux de données étiquetés, qui sont rarement disponibles dans des situations réelles. L'apprentissage par transfert est donc étudié afin d'entraîner des modèles d'apprentissage automatique sur de grands ensembles de données étiquetés, puis de les affiner sur le trafic normal du réseau à surveiller. Cette méthode présente également des défauts puisque les modèles apprennent à partir d'attaques déjà connues, et n'effectuent donc pas réellement de détection d'anomalies. C'est pourquoi une nouvelle solution basée sur l'apprentissage non supervisé est proposée. Elle utilise l'analyse de l'en-tête des protocoles réseau pour modéliser le comportement normal du trafic. Les anomalies détectées sont ensuite regroupées en attaques ou ignorées lorsqu'elles sont isolées. Enfin, la détection la congestion réseau est étudiée. Le taux d'utilisation de la bande passante entre les différents liens est prédit afin de corriger les problèmes avant qu'ils ne se produisent.


  • Résumé

    In recent years, hacking has become an industry unto itself, increasing the number and diversity of cyber attacks. Threats on computer networks range from malware to denial of service attacks, phishing and social engineering. An effective cyber security plan can no longer rely solely on antiviruses and firewalls to counter these threats: it must include several layers of defence. Network-based Intrusion Detection Systems (IDSs) are a complementary means of enhancing security, with the ability to monitor packets from OSI layer 2 (Data link) to layer 7 (Application). Intrusion detection techniques are traditionally divided into two categories: signatured-based (or misuse) detection and anomaly detection. Most IDSs in use today rely on signature-based detection; however, they can only detect known attacks. IDSs using anomaly detection are able to detect unknown attacks, but are unfortunately less accurate, which generates a large number of false alarms. In this context, the creation of precise anomaly-based IDS is of great value in order to be able to identify attacks that are still unknown.In this thesis, machine learning models are studied to create IDSs that can be deployed in real computer networks. Firstly, a three-step optimization method is proposed to improve the quality of detection: 1/ data augmentation to rebalance the dataset, 2/ parameters optimization to improve the model performance and 3/ ensemble learning to combine the results of the best models. Flows detected as attacks can be analyzed to generate signatures to feed signature-based IDS databases. However, this method has the disadvantage of requiring labelled datasets, which are rarely available in real-life situations. Transfer learning is therefore studied in order to train machine learning models on large labeled datasets, then finetune them on benign traffic of the network to be monitored. This method also has flaws since the models learn from already known attacks, and therefore do not actually perform anomaly detection. Thus, a new solution based on unsupervised learning is proposed. It uses network protocol header analysis to model normal traffic behavior. Anomalies detected are then aggregated into attacks or ignored when isolated. Finally, the detection of network congestion is studied. The bandwidth utilization between different links is predicted in order to correct issues before they occur.


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