对抗机器学习：Generating Adversarial Malware Examples for Black-box Attacks Based on GAN

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https://arxiv.org/pdf/1702.05983.pdf

@article{hu2017generating,
title={Generating adversarial malware examples for black-box attacks based on GAN},
author={Hu, Weiwei and Tan, Ying},
journal={arXiv preprint arXiv:1702.05983},
year={2017}
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论文核心的motivation

之前的模型都是基于梯度的，这个是实际情况中不好。如果能够基于黑盒，只需要知道用了什么特征，而不需要知道模型是什么就可以。而且如果能够把那些常规的机器学习模型，比如随机森林，决策树，攻击成功就好了。

怎么知道究竟使用了什么特征呢？这里特征是很粗粒度的。作者提出可以设计一系列的待测特征去测试目标分类器。比如恶意程序检测，可能会使用API的特征，那么把程序的导入导出表修改一下，然后拿去分类器分类，如果分类结果前后有差异，说明使用了API特征。

作者的方法

作者提出所谓的MalGAN模型：
对抗机器学习：Generating Adversarial Malware Examples for Black-box Attacks Based on GAN
MalGAN由三部分组成，第一部分是一个生成器，生成器接收恶意样本 $m$ 和噪声 $z$ 作为输入，输出一个特征向量 $o$ , $o$ 和 $m$ 是相同维度的。 $m$ 是API的 $one-hot$ 向量。考虑到实际应用中，为了保持程序的可运行，只能添加往导入、导出表添加新的API名称，而不能删除，因为删除后程序就很有可能因为找不到API而跑不动了。于是取最后的输出为 $G_{\theta g}(m,z)=max(o,m)$ 。对于 $m$ 中本来为1的量，不会受影响，而 $m$ 中为0的量就去生成器的输出，在梯度反向传播的时候只有来自 $o$ 的那些分量才能产生梯度，这种方法很巧妙加上了这种阅读！！

Black-box Detector是被攻击的目标分类器模型，该模型接收输入向量，然后给这个输入向量进行分量，
无需detector输出概率分布，只需要给出一个label即可。攻击者只能把它当做Oracle来使用，而不能取里面的模型参数啥的。Black-box可能是个随机森林，SVM或者神经网络。

Substistute Detector是一个代理分类模型 $D_{\theta_d} (x)$ ，它是一个神经网络，它的作用是去拟合那个black-box detector，然后给generator提供梯度信息。既然black-box detector获取不到梯度，那么就只能自己整个代理模型去拟合整个black-box。从导师学习的角度来看，black-box就是一个导师，然后substitute是个学生模型，导师把自己的分类能力教给学生。

我们看到，substistute和generator是使用GAN的交替训练方法训练的。而不是先整体求一个代理模型。

训练方法

为了训练MalGAN，攻击者首先得收集恶意样本库和良性样本库。
代理模型的损失函数为：

$BB_{Benign}$ 集合是那些被Black-box detector识别为 $Benign$ 的样本库。而 $BB_{Malware}$ 是被目标模型识别为恶意的样本集。
生成器的损失函数为：

整个训练流程：
对抗机器学习：Generating Adversarial Malware Examples for Black-box Attacks Based on GAN

实验效果

数据集： 180，000个程序的API 特征向量，这些特征向量是160维的one-hot向量。某个维度的值为1，说明这个样本需要调用这个维度对应的AP.
然后作者还使用不同数据集的划分方法，第一种方法是Black box的训练和MalGAN的训练集一样。第二种方法是Black box和Mal GAN的训练不相交。

Black box detector：作者先用 RF,LR,DT,SVM,MLP,集成模型在上面提到的数据集的某个子集上训练得到一些black-box detector.

攻击结果：

Black-box 和MalGan相同的训练集：

对抗机器学习：Generating Adversarial Malware Examples for Black-box Attacks Based on GAN
效果很好，居然可以把RF,DT攻击的那么好，让black box detector 对攻击样本的TPR直接下降到1%一下。

Black-box和MalGan的训练集不相同

对抗机器学习：Generating Adversarial Malware Examples for Black-box Attacks Based on GAN
效果一样很不错！DT和RF的 TPR依然可以降到3%一下！

retrain防御
作者还实验了retrain对malGAN的防御。实验发现，retrain的确特别管用。当black-box的作者收集到足够多的对抗样本后，对black-box模型重新训练一下就能100%的把那些对抗样本识别出来。
虽然如此，black-box的训练者是很难收集全足够的对抗样本，因为GAN可以生成很多很多的对抗样本。
一旦black-box把训练后的模型公开出来以后，MalGan又可以基于这个retrained后的detector自己也重新训练一下。重新训练以后，MalGAN的攻击性能又上去了。而且，MalGan重新训练代价很低，而Black-box收集充足的对抗样本再重新训练却很难。两者的难度不一致，导致retrain在实际应用中作用很有限。

启发

MalGAN 可以视为一种良好的 decision based attack，因为它无需拿到模型参数，也无需拿到模型分类结果的logit或者probability。

不足：

作者没有测试这种方法需要产生多少次对black-box的query，才能达到一个良好的攻击效果。猜测这个应该会很大，也没有考虑如何去降低这个query的次数。
作者没有交代MalGAN的训练时长。
实际情况中，不一定能准确的知道black-box究竟使用了啥具体特征。虽然可以通过测试知道black-box会使用api信息，但是究竟使用什么api?如此测试得到？对于复杂的特征，这是一个很难的工作！

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