《電子技術應用》
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基于联邦学习的加密流量分析研究
网络安全与数据治理
崔又文1,2,冯千烨1,何云华1,高健桐1,2,单伯瑜1,2,刘馨妍1
1.北方工业大学信息学院;2.文脉联坊(北京)科技有限责任公司
摘要: 当今信息化时代背景下,加密流量呈爆炸式增长,其在保障了信息传输的安全性的同时,也给了不法分子可乘之机,对流量的分类、识别提出了前所未有的挑战,尽管传统的基于规则的识别方法和流级行为特征等方案能实现较高准确率的分类、识别,但在数据隐私和安全方面仍有待提升。着重研究基于联邦学习技术的网络加密流量识别系统,针对使用SSL/TLS进行加密的流量特征,提出了一种高效加密流量识别模型,主要通过特征提取和模型训练来实现对加密流量的准确分类,可以在不接触原始数据的前提下,进行信息共享和模型训练,通过加权平均策略获得准确的加密流量分析模型,有效监测夹杂在海量数据中的高危流量。在加密数据集上的实验有效验证了该方法的可行性。
中圖分類號:TP309.2文獻標識碼:ADOI:10.19358/j.issn.2097-1788.2025.01.002引用格式:崔又文,馮千燁,何云華,等. 基于聯邦學習的加密流量分析研究[J].網絡安全與數據治理,2025,44(1):9-15,36.
Research on encrypted traffic analysis based on federated learning
Cui Youwen 1, 2, Feng Qianye 1, He Yunhua 1, Gao Jiantong 1, 2, Shan Boyu 1, 2, Liu Xinyan 1
1. School of Information Science and Technology, Northern Polytechnic University; 2. Wenmai Lianfang (Beijing) Technology Co., Ltd.
Abstract: In the era of informatization, the encrypted traffic is exploding. While ensuring the security of information transmission, it also gives criminals plenty of opportunities, and poses unprecedented challenges to the classification and identification of traffic. Although traditional rule-based identification methods and flow-level behavior characteristics can achieve higher accuracy classification and identification, it still needs to be improved in data privacy and security.This paper focuses on the network encryption traffic identification system based on federated learning. Aiming at the traffic characteristics encrypted by SSL / TLS, an efficient encryption traffic identification model is proposed. The model mainly realizes the accurate classification of encrypted traffic through feature extraction and model training. The scheme can carry out information sharing and model training without touching the original data. The accurate encrypted traffic analysis model is obtained by weighted average strategy, and the high-risk traffic mixed in massive data is effectively monitored. Experiments on encrypted data sets effectively verify the feasibility of the method.
Key words : encrypting traffic; federated learning; network security; network traffic classification

引言

隨著信息化的快速發展,網絡流量的安全性備受關注。近年來,隨著 SSL/TLS 等流量加密算法的普及,加密流量比例已超過 90%。雖然加密技術提升了信息傳輸的安全性,但越來越多的惡意軟件通過加密技術隱藏自己,引發了更多不可控的安全隱患。《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示,截至2023年6月,我國互聯網普及率更是高達76.4%[1],互聯網企業對加密流量識別和檢測的不重視給了不法分子更多可乘之機,如何保障安全的網絡環境成為了當下的挑戰。SSL/TLS協議是當下主流的加密算法之一,攻擊者可以通過將惡意行為嵌入被 SSL/TLS 協議加密的內容中,對公眾網絡安全造成威脅。傳統的基于端口號和深度包檢測的流量分析方法在加密流量面前顯得力不從心。在加密通信時代,學界積極探索新的技術路徑,如楊旭提出的基于流量統計特征的分類方法,將流量外部統計特征與機器學習相結合,有效解決了偽裝端口、加密流量等問題,為加密流量分類提供了新思路[2]。仝鑫等人提出的基于機器學習的加密流量分析方法,展示了該領域在特征工程、分類器模型等方面的研究進展,在一定程度上提高了加密流量識別的準確率[3]。此外,朱蓓佳等人提出的基于對比學習的加密流量檢測技術,通過設計特定的檢測方案來提高檢測準確率和泛化性,但仍需在保障數據安全方面進一步探索[4]。在此情形下,迫切需求一種既能有效利用數據又能保障數據安全的新技術,聯邦學習等技術應運而生,其核心優勢在于可在不匯聚原始數據的前提下進行分布式建模,打破數據孤島,實現數據隱私保護與高效利用的雙重目標。面對這一問題,本研究認為,根據SSL/TLS分別在客戶端與服務端相互認證等技術特點,使用分布式聯邦學習進行本地監測成為了一種可行的方案。聯邦學習的核心理念是在保證數據隱私安全及合法合規的基礎上,利用各個節點完全掌握的數據共同建模,核心優勢在于原始數據無需匯聚在中央服務器,在各個終端服務器即可進行訓練和計算模型梯度信息,只將參數和梯度等信息上傳至中央服務器,通過加權等方式整合最終模型,下發到各個服務器終端,從而有效打破數據孤島,提升模型的效果。該方法不僅可以有效保護用戶隱私,還可以綜合大量數據使得系統對加密流量更加敏感,識別率大大提高。 本文研究了基于聯邦學習技術的SSL/TLS加密流量識別,通過預處理網絡流量數據,提取關鍵特征,并利用聯邦學習框架訓練模型,實現了高效的加密流量分類,同時保護了數據安全和用戶隱私。實驗結果表明,該方法在分類準確率、實時性和隱私保護等方面均優于傳統方法。


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作者信息:

崔又文1,2,馮千燁1,何云華1,高健桐1,2,單伯瑜1,2,劉馨妍1

(1.北方工業大學信息學院,北京100144;

2.文脈聯坊(北京)科技有限責任公司,北京100143)


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