Scalable network-wide anomaly detection using compressed data

Detecting network traffic volume anomalies in real time is a key problem as it enables measures to be taken to prevent network congestion which severely affects the end users. Several techniques based on principal component analysis (PCA) have been outlined in the past which detect volume anomalies as outliers in the residual subspace. However, these methods are not scalable to networks with a large number of links. We address this scalability issue with a new approach inspired from the recently developed compressed sensing (CS) theory. This theory induces a universal information sampling sheme right at the network sensory level to reduce the data overhead. Specifically, we address exploit the compressibility characteristics of the network data and describe a framework for anomaly detection in the compressed domain. Our main theoretical contribution is a detailed theoretical analysis of the new approach which obtains the probabilistic bounds on the principal eigenvalues of the compressed data. Subsequently, we prove that volume anomaly detection using compressed data can achieve equivalent performance as it does using the original uncompressed and reduces the computational cost significantly. The experimental results on both the Abiliene and synthetic datasets support our theoretical findings and demonstrate the advantages of the new approach over the existing methods

On the subspace learning for network attack detection

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

Towards outlier detection for high-dimensional data streams using projected outlier analysis strategy

[Abstract]: Outlier detection is an important research problem in data mining that aims to discover useful abnormal and irregular patterns hidden in large data sets. Most existing outlier detection methods only deal with static data with relatively low dimensionality. Recently, outlier detection for high-dimensional stream data became a new emerging research problem. A key observation that motivates this research is that outliers in high-dimensional data are projected outliers, i.e., they are embedded in lower-dimensional subspaces. Detecting projected outliers from high-dimensional stream data is a very challenging task for several reasons. First, detecting projected outliers is difficult even for high-dimensional static data. The exhaustive search for the out-lying subspaces where projected outliers are embedded is a NP problem. Second, the algorithms for handling data streams are constrained to take only one pass to process the streaming data with the conditions of space limitation and time criticality. The currently existing methods for outlier detection are found to be ineffective for detecting projected outliers in high-dimensional data streams. In this thesis, we present a new technique, called the Stream Project Outlier deTector (SPOT), which attempts to detect projected outliers in high-dimensional data streams. SPOT employs an innovative window-based time model in capturing dynamic statistics from stream data, and a novel data structure containing a set of top sparse subspaces to detect projected outliers effectively. SPOT also employs a multi-objective genetic algorithm as an effective search method for finding the outlying subspaces where most projected outliers are embedded. The experimental results demonstrate that SPOT is efficient and effective in detecting projected outliers for high-dimensional data streams. The main contribution of this thesis is that it provides a backbone in tackling the challenging problem of outlier detection for high- dimensional data streams. SPOT can facilitate the discovery of useful abnormal patterns and can be potentially applied to a variety of high demand applications, such as for sensor network data monitoring, online transaction protection, etc