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traffic_classification_utils

项目介绍

本项目将加密流量分类里面常见方法做了统一的整理归纳，提供各个方法的执行入口。使用的时候只需要按照要求把自己的数据预处理一下，放在指定的一个目录然后再去运行相应的模型的入口main函数即可。本项目对科研人员做对比试验特别有帮助，现在我将它分享给大家！希望对你们的科研有帮助。

项目地址

https://github.com/jmhIcoding/traffic_classification_utils

项目亮点

内嵌多种模型

目前本项目支持如下模型：

神经网络模型

  • FS-Net Liu, C., He, L., Xiong, G., Cao, Z., & Li, Z. (2019, April). Fs-net: A flow sequence network for encrypted traffic classification. In IEEE INFOCOM 2019-IEEE Conference On Computer Communications (pp. 1171-1179). IEEE.
  • GraphDapp Shen, M., Zhang, J., Zhu, L., Xu, K., & Du, X. (2021). Accurate decentralized application identification via encrypted traffic analysis using graph neural networks. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 16, 2367-2380.
  • Deep Fingerprinting Sirinam, P., Imani, M., Juarez, M., & Wright, M. (2018, October). Deep fingerprinting: Undermining website fingerprinting defenses with deep learning. In Proceedings of the 2018 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (pp. 1928-1943).
  • SDAE/LSTM/CNN Rimmer, V., Preuveneers, D., Juarez, M., Van Goethem, T., & Joosen, W. Automated Website Fingerprinting through Deep Learning.
  • Beauty Schuster, R., Shmatikov, V., & Tromer, E. (2017). Beauty and the burst: Remote identification of encrypted video streams. In 26th USENIX Security Symposium (USENIX Security 17) (pp. 1357-1374).
  • AppNet Wang, X., Chen, S., & Su, J. (2020, July). App-net: A hybrid neural network for encrypted mobile traffic classification. In IEEE INFOCOM 2020-IEEE Conference on Computer Communications Workshops (INFOCOM WKSHPS) (pp. 424-429). IEEE.
  • MIMETIC Aceto, G., Ciuonzo, D., Montieri, A., & Pescapè, A. (2019). MIMETIC: Mobile encrypted traffic classification using multimodal deep learning. Computer networks, 165, 106944.

一般经验来看，FS-Net在各个任务都是表现最好的。

统计机器学习模型

  • CUMUL Panchenko, A., Lanze, F., Pennekamp, J., Engel, T., Zinnen, A., Henze, M., & Wehrle, K. (2016, February). Website Fingerprinting at Internet Scale. In NDSS.
  • AppScanner Taylor, V. F., Spolaor, R., Conti, M., & Martinovic, I. (2016, March). Appscanner: Automatic fingerprinting of smartphone apps from encrypted network traffic. In 2016 IEEE European Symposium on Security and Privacy (EuroS&P) (pp. 439-454). IEEE.
  • BIND Al-Naami, K., Chandra, S., Mustafa, A., Khan, L., Lin, Z., Hamlen, K., & Thuraisingham, B. (2016, December). Adaptive encrypted traffic fingerprinting with bi-directional dependence. In Proceedings of the 32nd Annual Conference on Computer Security Applications (pp. 177-188).
  • RDP Jiang, M., Gou, G., Shi, J., & Xiong, G. (2019, October). I know what you are doing with remote desktop. In 2019 IEEE 38th International Performance Computing and Communications Conference (IPCCC) (pp. 1-7). IEEE.

一般来说，不同任务下，CUMUL和BIND效果最好！

使用说明

为了最大限度减少我们使用现有方法的工作量，对于一个新的加密流量分析任务，我们需要做两件事情： 在这里插入图片描述

  1. 将你手上的数据集转换成一个统一的json格式的文件夹，也就是上面图里面显示得dataset目录，你们把自己的数据集转换后保存到这个目录即可。这个转换特别的简单，只要按照约定即可。手上不管是原始pcap文件流量，还是日志文件等等，都可以很方便加以转换。
  2. 跳转到相应的模型目录下就是上面图片里面models目录，修改xxx_main.py里面的数据集字段，使用run.sh去执行相应的xxx_main.py即可。

为什么需要把数据预先转换一下尼？为什么没有一键脚本。

答：因为每个人手上拿到的数据格式千奇百怪，有pcap的，有日志的，而且每个人自己的数据组织形式也有差异，因此我写不出来统一的数据转换脚本去统一所有人的情况。因此我把这个数据转换的任务交给使用者自己，因为只有数据持有者才最清楚自己的数据是什么形式的，我只是约定好转换后的目标格式。

为什么要使用run.sh脚本去执行xxx_main.py尼？ 目前是需要使用run.sh的，里面有一些载入环境目录的过程。

为什么不使用统一的模型入口？ 的确可以写个带parser的main入口，留待下一步吧。

【做完这两步以后，就可以直接使用各个模型执行加密流量分类任务！】

数据准备

因为本项目考虑的都是序列模型，因此只需要准备好数据流的包长序列、包方向序列等信息即可。

数据路径：dataset/{数据集名称}/{类别名}.json

数据集名称说明

dataset目录下，每个子目录都是一个任务的数据集，各个任务通过文件夹区分。比如目前有两个不同的数据集：app60，app320。 在这里插入图片描述 如果你要加入一个新的数据集，那么就新建一个文件夹，给这个数据集取一个自己喜欢的名字即可。

类别名说明

进入指定的数据集，每个类别的流量样本都统一放在一个相同的json文件内。因此这个目录下有m个不同的json，那么就会执行m分类，json的文件名也就是里面流量样本的ground-truth标签。 在这里插入图片描述 每个json文件内流量样本的格式如下：

[
{//第一个样本
"packet_length": 包长序列,
"arrive_time_delta": 相邻数据包的到达时间间隔
},
{//第二个样本
"packet_length": 包长序列,
"arrive_time_delta": 相邻数据包的到达时间间隔
},
]

主要的注意的有两点：

  1. json是一个大的list，list里面每个元素对应了一条网络流。如果list里面有n个元素，那么就表示这个类别下有n条流量样本。
  2. 每条流量都是一个dict, 里面有一个关键的字段：packet_length，包长序列。如果还需要使用BIND模型的话，arrive_time_delta字段也必不可少。其中包长序列是带正负号的，正负号表示数据包的方向。正号表示这个包是Client发给Server的，负号表示Sever发给Client的。之所以保留正负号是因为有的模型是需要这个信息的。对于AppNet模型和MIMETIC模型来说，还需要添加payload载荷信息。

例子：下面的json包含了两个样本。

[
  {
    "packet_length": [
      194,
      -1424,
      -32,
      53,
      86,
      154,
      -274,
      -308,
      38,
      110,
      -204
    ],
    "arrive_time_delta": [
      0,
      0.0000030994415283203125,
      0.00014519691467285156,
      0.05950021743774414,
      0.05950307846069336,
      0.05950617790222168,
      1.0571942329406738,
      1.0572030544281006,
      1.0572071075439453,
      1.0572102069854736,
      2.637423038482666
    ]
  },
  {
    "packet_length": [
      177,
      -1424,
      -1440,
      -32,
      -1448,
      -99,
      126,
      852,
      -258,
      -317
    ],
    "arrive_time_delta": [
      0,
      0.000030994415283203125,
      0.0039768218994140625,
      0.009712934494018555,
      0.00972294807434082,
      0.35946083068847656,
      0.35947394371032715,
      0.35948801040649414,
      0.3595008850097656,
      1.3806648254394531
    ]
  }
]

运行模型

目前我把所有的模型都分别放在models目录下的不同文件夹内。 目录如下， 需要什么模型，cd到相应的目录下即可。

.
├─models
│  ├─dl
│  │  ├─awf_dataset_util
│  │  ├─beauty
│  │  ├─cnn
│  │  ├─df
│  │  ├─df_only_D
│  │  ├─fsnet
│  │  ├─graphDapp
│  │  ├─lstm
│  │  ├─sdae
│  │  ├─varcnn
│  ├─ml
│  │  ├─appscanner
│  │  ├─bind
│  │  ├─cumul
│  │  ├─rdp

在每个模型的目录下，都有一个xxx_main_model.py的入口脚本，和一个data目录。例如appscanner模型下的目录结构：

appscanner
│  appscanner_main_model.py  ###模型的入口
│  eval.py
│  feature_extractor.py
│  hyper_params.py
│  min_max.py
│  model.py
│  README
│  train.py
│  __init__.py
│  【1】AppScanner.pdf
│
├─data				##训练好的历史模型
│  │  appscanner_app60_model
│  ├─appscanner_app60  ##已经划分好的训练集、测试集、验证集等
│  │      X_test.pkl
│  │      X_train.pkl
│  │      X_valid.pkl
│  │      y_test.pkl
│  │      y_train.pkl
│  │      y_valid.pkl
│  │

appscanner_main_model.py是appscanner模型的入口，大家只需要修改里面的最后几行就可以：

if __name__ == '__main__':
   appscanner = model('app60') ##指定任务所需的数据集名，项目的dataset目录需要有这个数据集目录。
   #appscanner.parser_raw_data()  ##重新解析dataset目录下的原始流量样本，重新转换为模型所需的特定数据格式。
   appscanner.train()  ###训练模型
   appscanner.test()   ###测试模型

对于每个模型的class,在实例化的时候，需要指定所使用的数据集是什么。在初始化的时候，系统会自动检测历史是否处理过这个数据集（主要是去查看data目录下是否有相应的测试集、训练集和模型文件存在），如果没有处理过会把原始数据做一步格式转换，划分测试集、训练集。

这个过程是通过调用parser_raw_data()完成的！parser_raw_data() 一执行就会重新打乱数据，一般用于交叉验证的时候！

然后使用run.sh脚本执行这个appscanner_main_model.py就可以了，run.sh在整个项目的根。

./../../../run.sh appscanner_main_model.py

其他

我的研究方向是加密网络流量分析，欢迎交流。 我的邮件地址是：[email protected]，[email protected]

常见问题

  1. 准备json数据的时候，包长序列是否需要填充？
  • 答： 不需要，各个方法里面内置了数据填充逻辑。
  1. 需要什么运行环境？
  • 答： 对于统计方法，sklearn, lightgbm，对于DF和FSNet 安装 tensorflow 1.15左右的版本，对于GraphDApp 安装pytorch和DGL 0.4.3