CN110309658B - 一种基于强化学习的不安全xss防御系统识别方法 - Google Patents

一种基于强化学习的不安全xss防御系统识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于强化学习的不安全跨网站脚本(XSS)防御系统识别方法，包括：对XSS攻击载荷进行特征提取；定义免杀操作；将判断是否为安全的XSS防御系统作为判断是否为XSS攻击载荷的依据；构建强化学习环境；通过DQNAgent对象实现强化学习DQN算法；完成模型训练，判断XSS防御系统是否安全。当所有未变形的XSS攻击载荷样本都变形完毕，如果没有成功绕过XSS防御系统的载荷，则说明该XSS防御系统安全，否则说明该XSS防御系统不安全，同时获得变形模型，利用该模型可以生成绕过该XSS防御系统的载荷。本发明加强了XSS防御系统的防御能力，进一步提高了目前网络环境安全，同时可以避免因为采取了一定的防御措施就掉以轻心而造成损失。

Description

一种基于强化学习的不安全XSS防御系统识别方法
技术领域
本发明涉及网络安全技术领域，具体涉及一种基于强化学习的不安全XSS防御系统识别方法。
背景技术
互联网在为大众提供方便与快捷的同时也暴露出越来越严重的问题，有些问题带来了巨大的网络安全风险。其中尤为突出的是Web应用程序安全的问题。由于Web应用服务的广泛应用，不少黑客将攻击重点放在Web应用及其后台数据上，而XSS漏洞是“Web 2.0”时期的一种常见且极具危害的漏洞。
XSS漏洞对Web安全有着极大的威胁，利用XSS漏洞可实现窃取Cookie、劫持会话、发起钓鱼攻击等。不少国内外大平台已经遭受过XSS攻击。2011年6月，大型社交平台新浪微博在1小时内超过3万用户遭受了XSS攻击，而国外的大型社交网站如Facebook、Twitter等也都曾因为XSS攻击受到过巨大的损失。根据开放式Web应用安全项目组织OWASP公布的数据，在2013年，XSS漏洞在十大安全漏洞中位居第三。由此可见XSS攻击检测是目前网络安全中的重中之重。
为了防范XSS攻击带来的危害，需要采取一定的防御措施。然而XSS攻击方式变化多端，即使使用了XSS防御系统也存在被绕过的可能，从而被攻击成功。为了更全面地对黑客攻击进行防御，同时避免因为采取了一定的防御措施就掉以轻心而造成损失，需要对XSS防御系统是否安全进行判断。
强化学习是机器学习的重点研究领域之一，强调如何基于不同的环境而采取行动，以此获得最大化的预期利益，也就是能够使机器利用环境进行学习，在与环境交互的过程中改进策略，这种特殊的学习方法在某些环境下能够取得良好的效果。强化学习的学习过程是从环境状态到操作映射的学习过程，与监督学习过程不同，强化学习过程通过试错，进行模型训练，使得操作从环境中累积获得奖励值最大并发现最优的操作策略。强化学习与监督学习不同，它没有监督学习带有标记的训练数据集，也不同于无监督学习，因为其有延迟的回报信号，该回报信号是一种反馈，能用于说明智能体(agent)在当前做得是否好，并使得智能体得到最大回报值。
DQN(Deep Q Network)算法的基本要素如下，强化学习过程就是训练一个智能体(agent)在某种状态(state)下采取何种操作(action)以获得最大回报(reward)，其中从某种状态映射到采取操作的映射称之为策略(policy)，将处于特定状态s下选择操作a带来的未来奖励称为Q函数，Q函数表示为Q(s，a)。
Q-Learning算法是基于∈-贪婪算法进行选择的算法，对于每一对状态和该状态下执行的操作都有唯一确定的奖励估计值，即可以得到唯一一张记录奖励的Q表，随着决策系统每次选择操作进行决策，Q表可以通过每次学习不断进行更新，直到达成目标。
在状态空间和操作空间是连续的，或者状态空间和操作空间处于高维的情况下，由于难以进行训练难以构造Q表而不能使用Q-Learning算法，因此选择使用DQN算法，不再使用Q表来记录Q值，而是利用神经网络算法的数据对Q值进行预测，并不断更新神经网络，从而学习到最优行动路径。因此DQN算法实际上就是将Q-Learning算法与神经网络算法两者结合，利用神经网络算法进行训练，直至收敛。
在DQN算法中，还需要定义一段称为记忆体的信息，其中保存有具体某一时刻的当前状态、奖励、操作、迁移到的下一个状态、状态是否结束等信息，记忆体中的信息会定期被随机选择出一段用于神经网络算法。
发明内容
为解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种基于强化学习的不安全XSS防御系统识别方法，加强了XSS防御系统的防御能力，提高了网络环境安全。
根据本发明的基于强化学习的不安全XSS防御系统识别方法，包括如下步骤：
S1、对XSS攻击载荷进行特征提取；
S2、定义免杀操作；
S4、根据定义的免杀操作构建强化学习环境；
S5、通过DQNAgent对象实现强化学习DQN算法；
S6、完成模型训练，判断XSS防御系统是否安全；
其中，步骤S5中通过DQNAgent对象实现强化学习算法过程为：加载未变形的XSS攻击载荷样本并初始化后，如果判断不是XSS攻击，且达到免杀效果则标记完成此轮学习，如果判断仍是XSS攻击，则反馈新状态给DQNAgent对象，DQNAgent对象受到反馈后继续进行下一步免杀操作，实现循环；当所有未变形XSS攻击载荷样本都变形完毕，如果没有成功绕过XSS防御系统的XSS攻击载荷，则说明该XSS防御系统安全，否则说明该XSS防御系统不安全，同时获得变形模型，利用该变形模型生成能绕过XSS防御系统的攻击载荷。
在优选的实施例中，步骤S2为：根据XSS常见的绕过方法定义多种操作函数；将多种操作函数集合在一张操作表中，如需要则查找该操作表；对选择好的操作利用动作转换表获得对应的操作函数名称，并获取操作函数入口进行对应的操作。
在优选的实施例中，步骤S4包括如下步骤：
S41、加载未变形的XSS攻击载荷样本，并对强化学习环境进行初始化操作；
S42、更新所需操作，定义每次强化学习环境进入下一状态所进行的操作Step；
S43、重置操作，每次强化学习完成后需要重置强化学习环境，在XSS攻击载荷样本列表中随机选择一个样本作为当前样本，并将该样本对应的特征向量作为初始状态。
其中，步骤S41中强化学习环境的初始化操作包括初始化免杀操作的操作空间大小、可进行的免杀操作、设置当前使用样本为空样本、设置空样本对应的特征、初始化用于判断是否安全的XSS防御系统检测机制。
而步骤S42中操作Step根据输入的操作对当前样本进行修改并更新特征，然后以判断是否为安全的XSS防御系统作为判断是否为XSS攻击载荷的依据，如果判断为不是XSS攻击载荷，则说明免杀变形成功，标记完成此轮学习；否则需要继续进行下一轮强化学习。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：能够对XSS防御系统是否安全进行判断，加强了XSS防御系统的防御能力，进一步提高了目前网络环境安全，同时可以避免因为采取了一定的防御措施就掉以轻心而造成损失。
附图说明
图1是本发明基于强化学习的不安全XSS防御系统识别方法的流程图；
图2是本发明步骤S4-S6的实现流程图；
图3是特征向量的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明提供一种基于强化学习的不安全XSS防御系统识别方法，包括如下步骤：
S1、通过字节直方图(Bytes Histogram)方法对XSS攻击载荷进行特征提取，特征提取的目的在于将XSS攻击载荷进行向量化提取特征，以XSS攻击载荷的特征向量作为状态进行传递。
将XSS攻击载荷字符串转换为字节直方图(Bytes Histogram)，并把字符串转换为字节数组，统计每个字符出现的次数，同时增加一个维度表示字符串长度，使用定义的字符串长度对所有字节出现次数计算得到出现频率，以避免出现过多的字符对模型产生不利的影响。
以<script>alert(/1/)</script>为例，通过字节直方图转化得到如图3所示的257维特征向量。
S2、定义免杀操作，根据XSS常见的绕过方法定义如下七种操作函数；将七种操作函数都集合在一张操作表(ACTION TABLE)中，如需要可以查找该操作表；对选择好的操作利用动作转换表获得对应的操作函数名称，并获取操作函数入口进行对应的操作。
charTo16：随机选择标签内容中的字符，将其转换为对应的十六进制编码并进行替换，替换进行1～3次；
charTo10：随机选择标签内容中的字符，将其转换为对应的十进制编码并进行替换；
charTo10Zero：将字符转换为对应的十进制编码，在转换为十进制编码的同时在前面多增加若干个0，例如字符a使用charTo10函数转换为&#97，而使用charTo10Zero函数转换为&#00000097；
addComment：随机选择标签内容中的字符，并在该字符后面随机增添随机生成的注释；
addTab：随机选择标签内容中的字符，并在该字符前添加\t字符；
addZero：随机选择标签内容中的字符，并在该字符前添加\0字符；
addEnter：随机选择标签内容中的字符，并在该字符前面添加回车字符。
本实施例选择基于规则检测的传统非安全方法，对下列关键字符进行忽略大小写检索，判断是否为XSS攻击载荷：prompt；alert；confirm；expression；javascript；script；eval；onload；onerror；onfocus；onclick；ontoggle；onmousemove；ondrag；String.fromCharCode；base64；onblur；xlink:href。
S4、根据定义的免杀操作构建强化学习环境。
更具体地，本步骤S4包括如下步骤：
S41、加载未变形的XSS攻击载荷样本，并对强化学习环境进行初始化操作。
强化学习环境的初始化操作包括初始化免杀操作的操作空间大小、可进行的免杀操作、设置当前使用样本为空样本、设置空样本对应的特征、初始化用于判断是否安全的XSS防御系统检测机制。
S42、更新所需操作，定义每次强化学习环境进入下一状态所进行的操作Step。操作Step根据输入的操作对当前样本进行修改并更新特征，然后以判断是否为安全的XSS防御系统作为判断是否为XSS攻击载荷的依据，如果判断为不是XSS攻击载荷，则说明免杀变形成功，奖励10积分，并标记完成此轮学习；否则返回0积分，需要继续进行下一轮强化学习。
S43、重置操作，每次强化学习完成后需要重置强化学习环境，在XSS攻击载荷样本列表中随机选择一个样本作为当前样本，并将该样本对应的特征向量作为初始状态。
S5、通过DQNAgent对象实现强化学习DQN算法。
如图2所示，通过DQNAgent对象实现强化学习算法过程为：加载未变形的XSS攻击载荷样本并初始化后，如果判断为不是XSS攻击，且达到免杀效果则奖励10积分并标记完成此轮学习，如果判断时仍是XSS攻击，则反馈0积分和新状态给DQNAgent对象，DQNAgent对象受到反馈后继续进行下一步免杀操作，实现循环。当所有未变形XSS攻击载荷样本都变形完毕，如果没有成功绕过XSS防御系统的XSS攻击载荷，则说明该XSS防御系统安全，否则说明该XSS防御系统不安全，同时获得变形模型，利用该变形模型可以生成能绕过该XSS防御系统的攻击载荷。其中，XSS攻击载荷样本变形为：根据选择的免杀操作，对XSS攻击载荷样本进行变形，然后通过特征部分重新计算特征。DQNAgent对象基于当前状态和相关策略选择免杀操作，利用XSS防御系统进行判断。具体步骤如下：
S51、获取操作空间大小并对强化学习环境进行初始化。
DQN算法需要创建深度学习网络，本实施例中的深度学习网络采用的是多层感知机(MLP)模型，在兼顾效果与效率的前提下选用两层隐层，第一层隐层节点数为5，第二层隐层节点数为2，激活函数采用α为1的指数线性单元函数(Exponential Linear Unit，ELU)，输出层节点数为可选取的操作数。
在创建大小为256的记忆体之后，创建DQNAgent对象并指定所使用的多层感知机模型、操作空间大小、记忆体、所使用的玻尔兹曼算法策略以及批处理大小等参数。
S52、定义nb_max_episode_steps作为最大阈值，用于保证在学习过程中有一种退出机制，如果超过最大阈值就进行强制退出，避免在某一轮学习中由于异常情况一直进行强化学习而不终止。在本实施例中，若使用安全的XSS防御系统便找不到获得奖励的操作。
S53、在nb_max_episode_steps的变形次数内，DQNAgent根据MLP模型选择操作进行变形，重新计算特征并判断变形后的攻击载荷是否能被待检验的XSS防御系统判断为非XSS攻击载荷，如果判断为非XSS攻击载荷，DQNAgent被奖励10积分并进行下一轮学习，否则返回0积分。
S6、完成模型训练，判断XSS防御系统是否安全。
在XSS攻击载荷变形步骤完成后取下一条未变形的XSS攻击载荷重复步骤S5进行变形，如果没有未变形的XSS攻击载荷则模型训练完成。模型训练完成后，如果该模型训练过程有在nb_max_episode_steps变形次数内变形成功且可以绕过XSS防御系统检测的载荷，则说明该XSS防御系统不安全，同时获得绕过该XSS防御系统的变形模型，利用该变形模型可以获得绕过该XSS防御系统的攻击载荷，否则说明该XSS防御系统安全。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于强化学习的不安全XSS防御系统识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对XSS攻击载荷进行特征提取；
S2、定义免杀操作；
S4、根据定义的免杀操作构建强化学习环境；
S5、通过DQNAgent对象实现强化学习DQN算法；
S6、完成模型训练，判断XSS防御系统是否安全；
其中，步骤S5中通过DQNAgent对象实现强化学习算法过程为：加载未变形的XSS攻击载荷样本并初始化后，如果判断不是XSS攻击，且达到免杀效果则标记完成此轮学习，如果判断时仍是XSS攻击，则反馈新状态给DQNAgent对象，DQNAgent对象收到反馈后继续进行下一步免杀操作，实现循环；当所有未变形XSS攻击载荷样本都变形完毕，如果没有成功绕过XSS防御系统的XSS攻击载荷，则说明该XSS防御系统安全，否则说明该XSS防御系统不安全，同时获得变形模型，利用该变形模型生成能绕过XSS防御系统的攻击载荷。
2.根据权利要求1所述的不安全XSS防御系统识别方法，其特征在于，步骤S2为：根据XSS常见的绕过方法定义多种操作函数；将多种操作函数集合在一张操作表中，如需要则查找该操作表；对选择好的操作利用动作转换表获得对应的操作函数名称，并获取操作函数入口进行对应的操作。
3.根据权利要求2所述的不安全XSS防御系统识别方法，其特征在于，所述多种操作函数包括：
charTo16：随机选择标签内容中的字符，将其转换为对应的十六进制编码并进行替换；
charTo10：随机选择标签内容中的字符，将其转换为对应的十进制编码并进行替换；
charTo10Zero：将字符转换为对应的十进制编码，在转换为十进制编码的同时在前面多增加若干个0；
addComment：随机选择标签内容中的字符，并在该字符后面随机增添随机生成的注释；
addTab：随机选择标签内容中的字符，并在该字符前添加\t字符；
addZero：随机选择标签内容中的字符，并在该字符前添加\0字符；
addEnter：随机选择标签内容中的字符，并在该字符前面添加回车字符。
4.根据权利要求1所述的不安全XSS防御系统识别方法，其特征在于，步骤S4包括如下步骤：
S41、加载未变形的XSS攻击载荷样本，并对强化学习环境进行初始化操作；
S42、更新所需操作，定义每次强化学习环境进入下一状态所进行的操作Step；
S43、重置操作，每次强化学习完成后需要重置强化学习环境，在XSS攻击载荷样本列表中随机选择一个样本作为当前样本，并将该样本对应的特征向量作为初始状态。
5.根据权利要求4所述的不安全XSS防御系统识别方法，其特征在于，步骤S41中强化学习环境的初始化操作包括初始化免杀操作的操作空间大小、可进行的免杀操作、设置当前使用样本为空样本、设置空样本对应的特征、初始化用于判断是否安全的XSS防御系统检测机制。
6.根据权利要求4所述的不安全XSS防御系统识别方法，其特征在于，步骤S42中操作Step根据输入的操作对当前样本进行修改并更新特征，然后以判断是否为安全的XSS防御系统作为判断是否为XSS攻击载荷的依据，如果判断为不是XSS攻击载荷，则说明免杀变形成功，标记完成此轮学习；否则需要继续进行下一轮强化学习。
7.根据权利要求1所述的不安全XSS防御系统识别方法，其特征在于，步骤S5包括如下步骤：
S51、获取操作空间大小并对强化学习环境进行初始化；
DQN算法所需要创建的深度学习网络采用多层感知机模型，并选用两层隐层，第一层隐层节点数为5，第二层隐层节点数为2，激活函数采用α为1的指数线性单元函数，输出层节点数为可选取的操作数；
在创建记忆体之后，创建DQNAgent对象并指定所使用的多层感知机模型、操作空间大小、记忆体、所使用的玻尔兹曼算法策略以及批处理大小；
S52、定义nb_max_episode_steps作为最大阈值，如果超过最大阈值则强制退出，避免在某一轮学习中由于异常情况一直进行强化学习而不终止；
S53、在nb_max_episode_steps的变形次数内，DQNAgent根据多层感知机模型选择操作进行变形，重新计算特征并判断变形后的攻击载荷是否能被待检验的XSS防御系统判断为非XSS攻击载荷，如果判断为非XSS攻击载荷，DQNAgent被奖励10积分并进行下一轮学习，否则返回0积分。
8.根据权利要求7所述的不安全XSS防御系统识别方法，其特征在于，步骤S6中，在XSS攻击载荷变形步骤完成后取下一条未变形的XSS攻击载荷重复步骤S5进行变形，如果没有未变形的XSS攻击载荷则模型训练完成；模型训练完成后，如果该模型训练过程有在nb_max_episode_steps变形次数内变形成功且绕过XSS防御系统检测的载荷，则说明该XSS防御系统不安全，同时获得绕过该XSS防御系统的变形模型，利用该变形模型获得绕过该XSS防御系统的攻击载荷，否则说明该XSS防御系统安全。
9.根据权利要求1所述的不安全XSS防御系统识别方法，其特征在于，步骤S1通过字节直方图方法对XSS攻击载荷进行特征提取；将XSS攻击载荷字符串转换为字节直方图，并把字符串转换为字节数组，统计每个字符出现的次数，同时增加一个维度表示字符串长度，使用定义的字符串长度对所有字节出现次数计算得到出现频率。
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