コンテキストおよび振る舞いベースのマルウェア表現を用いたハイブリッド機械学習メタモデル：Quo Vadis

Główne pojęcia

静的、動的、コンテキスト情報を含むハイブリッド機械学習アプローチは、特に低い誤検知率が求められる場合に、従来のマルウェア検出モデルよりも優れた検出率を達成できる。

Streszczenie

論文情報

Dmitrijs Trizna. (2022). Quo Vadis: Hybrid Machine Learning Meta-Model Based on Contextual and Behavioral Malware Representations. In Proceedings of the 15th ACM Workshop on Artificial Intelligence and Security (AISec ’22), November 11, 2022, Los Angeles, CA, USA. ACM, Los Angeles, CA, USA, 10 pages. https://doi.org/10.1145/3560830.3563726

研究目的

本論文では、静的分析、動的分析、コンテキスト分析を組み合わせたハイブリッド機械学習アーキテクチャを用いた、より効果的なマルウェア検出手法を提案する。

方法論

• 実行時のファイルパス情報、WindowsカーネルAPIコールシーケンス、Windows PE構造から得られる静的表現という3つの分析手法を用いる。
• 各分析手法に対応する個別に事前学習されたモデル（ファイルパス用CNN、APIコールシーケンス用CNN、Ember特徴ベクトル用FFNN）を用意する。
• 各モデルの出力を連結し、最終的な予測を行うメタモデル（FFNN）に入力する。
• 10万件以上のマルウェアサンプルと、3か月後に収集した未知のサンプルを含むテストセットを用いて、モデルの性能を評価する。

主な結果

• ハイブリッドモデルは、個々のモデルよりも優れた検出率を達成し、特に低い誤検知率要件下では顕著な改善が見られた。
• メタモデルは、個々のモデルが単独では悪意があると判断できない場合でも、3つの分析手法からの表現を組み合わせることで、悪意のあるサンプルを検出できる場合があることがわかった。
• 静的モデルを標的とした敵対的攻撃（GAMMA）に対して、ハイブリッドモデルは高い頑健性を示した。

結論

本論文では、静的、動的、コンテキスト情報の組み合わせが、進化するマルウェアの検出において重要な役割を果たすことを示した。 メタモデルを用いたハイブリッドアーキテクチャは、個々の分析手法の限界を克服し、より正確で堅牢なマルウェア検出を実現する。

意義

本研究は、ハイブリッド分析とメタ学習を用いたマルウェア検出の有効性を示し、将来のマルウェア対策技術の開発に貢献するものである。

限界と今後の研究

• 本研究では、Windows PEファイルのみを対象としており、他の種類のマルウェアには適用できない可能性がある。
• 今後は、より多くの種類のマルウェアや攻撃手法を含む、より大規模で多様なデータセットを用いた評価が必要である。
• メタモデルの解釈可能性を高め、検出結果の根拠を明確にすることが今後の課題である。

Statystyki

データセットは、98,966個のサンプル（329GB）からなるトレーニング/検証セットと、27,500個のサンプル（約100GB）からなるテストセットで構成されている。
エミュレーションによるAPIコールの分析では、トレーニング/検証データセットにおいて2,822個のユニークなAPIコールが取得された。
誤検知率を100件中1件に設定した場合、個々のモデルの検出率は、Ember FFNNで56.86%、ファイルパスモデルで33.31%、エミュレーションモデルで33.89%であった。
一方、ハイブリッドモデルでは、同じ誤検知率で86.28%の検出率を達成した。
ファイルパスモデルとエミュレーションモデルを組み合わせた場合、Ember FFNNよりも高い検出率（77.36%対55.86%）が得られた。
GAMMA攻撃による回避率は、静的モデルでは28.06%であったが、エミュレーション分析を追加することで4.28%に低下し、ファイルパスモデルを追加することでさらに0.35%にまで減少した。

Cytaty

"We conclude that the meta-model can learn patterns typical to malicious samples out of representation combinations produced by different analysis techniques."
"We acknowledge that malware classification based on hybrid representations of software yields improved detection performance and reduced false-positive rates against the evolving nature of malevolent logic compared to any individual method capabilities."

Kluczowe wnioski z

Quo Vadis: Hybrid Machine Learning Meta-Model based on Contextual and Behavioral Malware Representations

by Dmitrijs Tri... o arxiv.org 10-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2208.12248.pdf

Głębsze pytania

マルウェアがますます巧妙化する中、ハイブリッド分析手法はどのように進化していくべきか？

マルウェアの進化はとどまることを知らず、検知システムを欺くために高度な技術が次々と投入されています。このような状況下では、ハイブリッド分析手法も現状維持では太刀打ちできません。進化の方向性として、以下の点が挙げられます。

動的分析の強化: 本研究でも採用されたエミュレーション技術は、処理速度の向上や詳細な挙動分析が可能になるなど、大きな可能性を秘めています。しかし、高度なマルウェアはエミュレーション環境を検知し、活動を隠蔽することが可能です。そこで、エミュレーション環境の改善、例えばハードウェアのエミュレーション精度向上や、より多くのAPIコールをサポートなどが求められます。さらに、エミュレーションだけでなく、サンドボックスや実際の環境での挙動分析結果を組み合わせることで、より精度の高い分析が可能になります。

コンテキスト情報の多様化: ファイルパスに加え、実行時のプロセスツリー、レジストリ、ネットワーク通信、メモリ使用状況など、より多様なコンテキスト情報を分析に組み込むことで、マルウェアの活動と正当なソフトウェアの挙動をより明確に区別できるようになります。

脅威インテリジェンスの統合: 最新のマルウェアのトレンド、攻撃手法、脆弱性情報などをリアルタイムに収集・分析し、ハイブリッド分析手法にフィードバックすることで、未知の脅威への対応能力を高めることができます。具体的には、脅威インテリジェンスプラットフォームと連携し、最新のマルウェアの特徴を検知モデルに反映したり、検知ルールを動的に更新したりすることが考えられます。

AI技術の進化: 深層学習をはじめとするAI技術は日々進化しており、マルウェア検知の分野においても、より高度な分析や未知の脅威への対応が可能になることが期待されます。例えば、Graph Neural Network (GNN) を用いることで、APIコール間の複雑な関係性を学習し、より高度なマルウェアの検知が可能になる可能性があります。また、敵対的学習を用いることで、検知システムを欺くように設計されたマルウェアに対しても、よりロバストな検知モデルを構築できる可能性があります。

人間との協調: AI技術の進化により自動化が進む一方で、人間の専門知識は依然として重要です。AIによる分析結果を、セキュリティアナリストが理解しやすい形で可視化したり、AIの判断根拠を説明可能にすることで、より効果的な脅威ハンティングやインシデント対応が可能になります。

本研究で提案されたハイブリッドモデルは、誤検知によって正当なソフトウェアがブロックされるリスクをどのように軽減できるのか？

誤検知は、正当なソフトウェアの利用を妨げ、業務効率やユーザーエクスペリエンスを低下させるため、マルウェア対策において深刻な問題です。本研究で提案されたハイブリッドモデルは、以下の点で誤検知のリスク軽減に貢献します。

多層的な分析: 静的特徴、動的特徴、コンテキスト情報という多層的な情報を組み合わせることで、単一の分析手法では得られない、より深く正確な分析が可能になります。これは、マルウェア特有の挙動を捉えつつ、正当なソフトウェアに見られる類似した特徴を誤検知と判断するリスクを低減します。

メタモデルによる総合的な判断: 個々の分析モデルの出力結果を、メタモデルが総合的に判断することで、より精度の高いマルウェア検知を実現します。これは、単一のモデルでは判断が難しい、複雑な特徴を持つマルウェアや、未知のマルウェアに対しても、誤検知を抑制しながら、高い検知率を維持することに貢献します。

検知精度の向上: 本研究では、ハイブリッドモデルが、既存の静的分析手法と比較して、低い誤検知率を維持しながら、高い検知率を実現することを示しました。これは、誤検知による正当なソフトウェアのブロックリスクを低減しながら、より効果的にマルウェアを検知できることを意味します。

継続的な学習: 本研究で提案されたハイブリッドモデルは、新たなマルウェアや攻撃手法の出現に合わせて、継続的に学習し、進化させることができます。これにより、誤検知の原因となる、未知のマルウェアや攻撃手法への対応能力を高め、誤検知のリスクを長期的に低減することが可能になります。

マルウェア検出における人間の専門知識とAIの連携をどのように強化できるか？

AI技術の進化により自動化が進む一方で、マルウェア検知において人間の専門知識は依然として不可欠です。AIと人間の連携を強化することで、より効果的なマルウェア対策を実現できます。

AIによる分析結果の可視化: AIは大量のデータを高速に分析できますが、その結果を人間が理解し、活用するためには、分かりやすい可視化が重要です。例えば、マルウェアの挙動を時系列で表示したり、検知に寄与した特徴量をハイライトしたりすることで、セキュリティアナリストはAIの分析結果を容易に理解し、次のアクションに繋げることができます。

AIの判断根拠の説明可能性: AIのブラックボックス性を解消し、なぜマルウェアと判断したのか、その根拠を人間が理解できるように説明することで、AIへの信頼性が高まり、より効果的な対策を立てることができます。例えば、どのAPIコールの組み合わせが検知に繋がったのか、どのファイルパスが疑わしいと判断されたのかを提示することで、セキュリティアナリストはAIの判断を検証し、誤検知の原因を特定したり、新たな検知ルールを考案したりすることができます。

人間のフィードバックによるAIの学習: セキュリティアナリストがマルウェアの分析結果を修正したり、新たな検知ルールを追加したりすることで、AIはより高度な判断能力を身につけることができます。例えば、誤検知されたサンプルをフィードバックすることで、AIは正当なソフトウェアとマルウェアをより正確に区別できるようになります。また、新たなマルウェアの亜種が出現した場合、セキュリティアナリストがその特徴をAIに学習させることで、迅速に検知能力を向上させることができます。

AIを活用した脅威ハンティング: AIは大量のデータの中から、セキュリティアナリストが見逃してしまう可能性のある、潜在的な脅威を発見することができます。AIが提示した不審な挙動やパターンを、セキュリティアナリストがさらに詳しく調査することで、より高度な脅威を早期に発見し、被害を最小限に抑えることができます。

AIと人間の連携を強化することで、お互いの強みを活かし、より効果的なマルウェア対策を実現できるでしょう。