基于卷積神經網絡的Webshell檢測方法研究

姜 天

(武漢郵電科學研究院，湖北 武漢 430074)

0 引言

Webshell是一種Web安全威脅，通常以PHP、ASP等網頁文件的形式存在于Web服務器中。攻擊者可以通過遠程訪問Webshell后門得到一個命令執行環境，進而獲得Web服務器的控制權[1]。

目前對于Webshell的解決方法主要有靜態檢測、動態檢測、語法檢測以及基于統計學的檢測。靜態檢測通過匹配規則來查找已知Webshell，動態檢測則是根據運行時表現出來的特征進行識別，然而這兩種方法的誤報率和漏報率都比較高。語法分析則是將代碼和注釋分離，通過分析語法結構來判斷函數調用是否危險，但是這種方法的誤報率依然很高。統計學檢測是當下比較流行的方法，通過信息熵等方式對混淆Webshell進行識別[2]。

本文通過Word2vec獲得PHP opcode對應的詞向量，并使用卷積神經網絡對Webshell的特征操作序列進行提取，經過多次訓練后可以獲得泛化能力較好的檢測模型。

1 特征提取與數據表示

本節首先介紹PHP opcode以及如何獲取特征操作序列對應的opcode集合，然后介紹如何使用Word2vec對該集合進行詞向量的轉換。

1.1 PHP opcode

opcode屬于計算機指令中的一部分，通常由處理器對其格式進行規范。程序運行過程中，一方面需要指令序列調用相關的函數進行操作，另一方面也需要相應的操作數參與運算。opcode還有一個別名叫做字節碼(byte codes)，是一種構建在Zend虛擬機上的指令[3]。由Zend引擎解析“ASSIGN”操作后的結果如圖1所示。

圖1 獲取PHP opcode

使用PHP的邏輯代碼展現(Vulcan Logic Dumper，VLD)可以查看解析后的opcode。VLD屬于PHP的擴展項中的一種，因此需要有PHP環境。在實驗過程中通過Python調用subprocess模塊下的getstatusoutput來獲取解析結果，并將結果保存在字符串中，方便后續的詞向量轉換操作。迭代多次后，可以得到所有文件的opcode序列。

另外，opcode緩存技術也常被用在開發調試階段中。這種技術減少了大量重復的編譯過程，節省了系統資源。

1.2 Word2vec模型

自然語言處理隨著計算機領域的不斷擴大而逐漸被人們重視。為了使計算機能夠處理自然語言，首先需要對自然語言進行建模。自然語言建模方法經歷了從基于規則的方法到基于統計方法的轉變。從基于統計的建模方法得到的自然語言模型稱為統計語言模型[4]。

Bengio等人在2003年總結出了一套神經網絡建立的統計語言模型(Neural Network Language Model，NNLM)，并首次提出了word embedding的概念，這也為Word2vec、Doc2vec等模型的出現奠定了基礎[5]。

Word2vec是Google公司開發的一套將詞轉換為實值向量的工具，采用連續詞袋(Continuous Bag-Of-Words,CBOW)和Skip-Gram兩種模型。圖2展示了兩種模型的基本架構。

CBOW模型通過輸入某一個詞的上下文語境來預測這個詞本身，而Skip-Gram模型則是通過具體的一個詞來預測出它周圍有哪些詞語。兩個模型都是隨機初始化詞向量，且都可以使用層次化Softmax(Hierarchical Softmax)或負采樣(Negative Sampling)方法來提高訓練效率。

本文在獲得PHP opcode后使用了gensim模塊中的Word2vec模型進行詞向量的轉換。對于一個含有m個詞的文件來說，規定生成的向量維度為k,每一個詞對應的詞向量為Yj(j=1,2,…,m)∈Rk，則該文件對應的詞向量集合可以用一個大小為m×k的矩陣來表示[6]。

(1)

圖2 CBOW和Skip-Gram結構圖

各文件長度的不一致會導致卷積神經網絡的輸入層出錯，因此實驗中設置了最大長度m=300，不足最大值的則在矩陣末尾添加全0的行向量來進行補齊。詞向量的維度k設置為100，Word2vec對象的處理窗口大小為10，詞出現的最小頻次門限值為10，迭代訓練次數設置為20次，默認采用CBOW模型。

2 基于卷積神經網絡的檢測模型

卷積神經網絡(Convolutional Neural Network，CNN)最早出現在圖像處理領域，用于解決數據量龐大而無法進行深度學習的問題[7]。由于本次數據預處理階段獲得的是opcode文字片段，因此應使用一維卷積函數來進行特征提煉。本文的CNN模型主要由以下幾個部分構成：輸入層、卷積層、拼接和池化層以及全連接層等。本節將介紹各個層的作用和具體細節，CNN的基本結構如圖3所示。

圖3 CNN結構圖

2.1 輸入層和卷積層

由于在數據表示階段得到了opcode對應的詞向量，并使用新定義的數組來進行存放，因此CNN的輸入層傳入的是一個三維矩陣。

數據傳入前會先進行歸一化操作，傳入后通過一層卷積層的卷積操作。當卷積核處理窗口大小為h，數據維度為k時，對于給定輸入矩陣X1:m∈Rm×k中特定位置i的詞語來說[8]，可得到卷積后的結果為：

ci=f(W·Xi:i+h-1+b)∈R

(2)

其中b表示偏離值;W是一個權值矩陣，起到過濾的作用；而f則代表非線性修正函數。實驗過程中該非線性函數選擇默認的“relu”，并使用“valid”有效填充，同時采用默認的L2正則降低模型復雜度。

采用由3個卷積核數量為100，處理窗口h的大小分別為3、4和5組成的一維卷積層進行局部特征的提取。

2.2 拼接和池化層

將卷積后的結果進行首尾拼接，得到融合的特征張量，接著通過全局池化操作來獲得張量中的最大特征值。最大池化層的存在降低了特征維數，同時減少了計算開銷[8]。

實驗中還添加了隨機丟棄(random dropout)操作，用來防止反向傳播過程中過擬合現象的發生。設置比率為0.8，表示經過該層后有大約80%的神經元會停止工作[9]，用公式可表示如下：

(3)

其中Bernoulli函數是為了生成概率r向量，即生成一個概率p為0或1的向量，用來代表停止或激活神經元[9]。

此時第l層的神經元更新為：

y′(l)=r(l)·y(l)

(4)

實驗結果表明，隨機丟棄可以起到平均輸出結果的作用，能讓一些“相反的”擬合互相抵消。

2.3 全連接和回歸層

由于該模型的最終目標是識別Webshell文件，因此對于CNN來說這是一個0或1的二分類任務。實際過程中在全連接層使用了默認的激活函數“softmax”。

回歸層主要的作用是最小化損失函數“loss”,同時可以提供模型好壞的度量標準，以評估模型性能。其中，優化器選用“Adam”(Adaptive Moment Estimation，自適應矩估計)，使用默認的分類交叉熵損失函數(categorical_crossentropy)，學習率設置為0.001。本文采用的默認損失函數公式如下：

(5)

3 實驗設計與結果分析

3.1 數據源與參數選擇

本次實驗針對的是PHP Webshell的檢測，因此收集了github上的數據作為目標文件。黑樣本主要來自bartblaze/PHP-backdoors、JoyChou93、b374k/b374k和JoyChou93/webshell等目錄，其中包含了攻擊者常用的所謂“小馬”、“大馬”等PHP文件。白樣本則選擇的是phpcms、WordPress以及yii等PHP基本框架文件。

總樣本數量為4 347，其中黑樣本有1 801個，白樣本有2 546個。訓練集與測試集的比例為6:4，設定CNN中的驗證集與測試集相同，同時設置批處理大小為100，迭代訓練20輪。

3.2 評估標準

使用混淆矩陣(confusion matrix)來評估模型的性能。混淆矩陣又被稱作可能性表格或錯誤矩陣，其每一行代表預測值，每一列代表的是實際類別[11]。

矩陣中的元素從上到下依次代表正真例(True Positive，TP)、假反例(False Negative,FN)、假正例(False Positive,FP)和真反例(True Negative,TN)。在本次實驗的評估過程中，使用準確率(Accuracy)、精確率(Precision)、召回率(Recall)和平衡F分數(F1-score)四個數值來作為衡量模型性能的標準。

混淆矩陣的構成及衍生出的各項評價指標如圖4所示。

圖4 混淆矩陣及其衍生的評價指標

3.3 結果分析

為了對比分析CNN模型的有效性，本文還引入了SVM、xgboost和mlp算法來處理相同的數據。其中mlp設置為2層，第一層有20個神經元，第二層有2個神經元，其他參數選擇默認設置。

首先使用tflearn提供的VocabularyProcessor(詞匯表模型)來進行特征opcode的提取，設置最大文本長度為400，詞出現的最小頻率為10次，選擇默認的其他參數值。表1展示了使用詞匯表模型后各算法在相同數據集上的性能表現。

表1 采用詞匯表模型提取特征 (%)

然后使用sklearn提供的CountVectorizer(詞袋模型)進行相同的特征提取操作。本文采用2-Gram來獲得詞袋模型，最小詞頻為10次，忽略解碼錯誤，其他參數保持默認狀態。表2是使用詞袋模型處理相同數據后的性能分析結果。

表2 采用詞袋模型提取特征 (%)

最后使用gensim模塊中的Word2vec模型處理數據，具體參數設置可以參考1.2節中的內容。各算法的分類性能如表3所示。

表3 采用Word2vec提取特征 (%)

算法Word2vec模型準確率精確率召回率F1-scoreSVM87.0099.2369.8882.01xgboost97.8797.9597.0197.48mlp97.8197.0497.8397.43本文方法98.2299.5896.2097.86

通過表中的數據可以看出，同樣是使用Word2vec模型轉換獲得的數據，本文提出的方法對于該分類任務的表現要優于傳統機器學習算法，基于深度學習的CNN檢測模型在準確率、精確率等指標上都有明顯提升。

同時，相較于先前基于n-gram、詞匯表等模型的檢測模式，采用先提取PHP文件對應的opcode、后使用Word2vec算法進行詞向量轉換的方式對于檢測Webshell效果更好。

4 結論

本文采用了基于卷積神經網絡的檢測模型，在識別PHP Webshell方面的表現優于傳統機器學習算法。同時，使用Word2vec算法對opcode進行詞向量轉換的方法更有利于特征提取。因此，本文提出的模型同樣可以用于其他文件類型的Webshell檢測。

由于Webshell文件較難收集，且大多都是未更新的代碼片段，導致黑樣本數量較少。同時模型的定長輸入會影響檢測效果，因此下一步任務主要是引進Webshell攻擊日志和流量，改進檢測模型，提升識別效率和泛化能力。