機(jī)器學(xué)習(xí)可能面臨的一些攻擊行為

本文作者Elie Bursztein是谷歌不當(dāng)行為和反欺詐部門的領(lǐng)導(dǎo)者，他在自己的博客上總結(jié)了目前機(jī)器學(xué)習(xí)可能面臨的一些攻擊行為，同時(shí)給出了詳細(xì)的應(yīng)對方案，是一份很有價(jià)值的技術(shù)貼，希望對讀者有幫助。

這篇博文講述了攻擊AI系統(tǒng)的一些技術(shù)，以及應(yīng)該如何防御它們?？偟膩碚f，針對分類器的攻擊可以分為以下三種：

對抗輸入（Adversarial inputs）：這是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)過的輸入，其目的就是為了迷惑分類器以逃過檢測。對抗輸入包括逃避殺毒軟件的惡意文件以及躲避垃圾過濾的郵件。

數(shù)據(jù)攻擊（Data poisoning）：這是指在分類器中輸入訓(xùn)練對抗數(shù)據(jù)。最常見的攻擊類型是模型扭曲（model skewing），其中攻擊者試圖污染訓(xùn)練數(shù)據(jù)，讓分類器無法識別哪些是好的數(shù)據(jù)。我們觀察到的另一種攻擊是“將反饋?zhàn)鳛槲淦鳎╢eedback weaponization）”，它會(huì)攻擊反饋機(jī)制，從而讓系統(tǒng)將好的內(nèi)容錯(cuò)誤地識別成不良內(nèi)容。

模型竊取技術(shù)（Model stealing）：這類技術(shù)通過黑箱探測器復(fù)制模型或獲取訓(xùn)練數(shù)據(jù)（所以稱為“偷”）。這種技術(shù)可以用在竊取預(yù)測市場庫存的模型和垃圾過濾模型上，以進(jìn)行更好的優(yōu)化。

這篇文章將對上述三種攻擊方法逐一進(jìn)行詳解，同時(shí)會(huì)提供具體的案例并討論具體的應(yīng)對方法。本文面向所有對用AI進(jìn)行反攻擊感興趣的讀者，關(guān)注的重點(diǎn)是進(jìn)行清晰的總結(jié)，而不詳細(xì)說明其中的技術(shù)細(xì)節(jié)。希望這篇文章能對你有所啟發(fā)。

對抗輸入

對抗樣本經(jīng)常會(huì)向分類器輸入新的元素以“瞞天過?！?，這樣的輸入被稱作“對抗輸入”，因?yàn)樗鼈兒苊黠@是為了逃避分類器的。

下面是一個(gè)具體的有關(guān)對抗輸入的例子：許多年前，一位聰明的垃圾郵件制造者發(fā)現(xiàn)，如果在一封郵件里出現(xiàn)了很多次同樣的復(fù)合附件，Gmail只會(huì)在屏幕上方顯示最后一個(gè)附件。他利用這一漏洞，在附件中加入了許多可靠域，以逃過檢測。這種攻擊是“關(guān)鍵詞堆砌”的一種變體。

總的來說，分類器面臨兩種對抗輸入：首先是變異輸入（mutated inputs），它是經(jīng)過改造逃避分類器的一種攻擊方式。另一種是零日輸入（zero-day inputs），指的是輸入全新的數(shù)據(jù)。下面就讓我們詳細(xì)討論一下。

變異輸入

過去幾年，我們看到很多“地下服務(wù)”層出不窮，它們大多是幫助網(wǎng)絡(luò)犯罪行為進(jìn)行“隱藏”的技術(shù)，簡稱FUD（fully undetectable）。這些服務(wù)包括能反抗防病毒軟件的測試服務(wù)、能將惡意文件偽裝的自動(dòng)packers，讓其躲過檢測（并且還是有證書的！）。上方圖片就展示了這兩種服務(wù)。

這種灰色服務(wù)的崛起說明了一個(gè)事實(shí)：

攻擊者不斷優(yōu)化它們的攻擊技術(shù)，從而保證能將分類器的探測率最小化。

所以，重要的是創(chuàng)建難以讓攻擊者優(yōu)化的監(jiān)測系統(tǒng)。具體策略有三：

1.限制信息泄露

這里的目標(biāo)是，當(dāng)攻擊者調(diào)查你的系統(tǒng)時(shí)，保證讓他們知道的越少越好。重要的是盡量讓反饋?zhàn)钚』?，同時(shí)盡可能地延遲，例如避免返回詳細(xì)的錯(cuò)誤代碼或者置信度值。

2.限制調(diào)查

這一方法的目的是減少攻擊者針對你系統(tǒng)測試的次數(shù)，通過限制測試，你能有效減少他們創(chuàng)造出有害信息的機(jī)會(huì)。

這種方法一般是在IP或賬號等資源上實(shí)施速率限制，一個(gè)典型案例就是如果用戶操作太頻繁會(huì)要求輸入驗(yàn)證碼。

這種速率限制的消極影響就是，它會(huì)刺激哪些攻擊者創(chuàng)建虛假賬戶，然后利用遭到侵入的用戶電腦來豐富他們的IP池。業(yè)界廣泛使用速率限制，也催生了很多黑色論壇，上面有許多賬戶和IP地址被販賣，如上圖所示。

3.集成學(xué)習(xí)

最后，重要的是結(jié)合多種檢測機(jī)制，讓攻擊者無處可逃。利用集成學(xué)習(xí)將不同的檢測方法結(jié)合，例如基于信譽(yù)的機(jī)制、AI分類器、檢測規(guī)則以及異常檢測等，都可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因?yàn)楣粽咭O(shè)計(jì)一款能逃脫所有檢測的方法還是有些難度的。

如圖，為了保證Gmail分類器對垃圾郵件的魯棒性，我們結(jié)合了多種分類器和輔助系統(tǒng)，包括信譽(yù)系統(tǒng)、大型線性分類器、深度學(xué)習(xí)分類自和其他一些保密技術(shù)。

針對深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的對抗攻擊案例

目前一個(gè)很活躍的領(lǐng)域是研究如何制造對抗樣本騙過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，人們目前可以在一幅圖上進(jìn)行十分細(xì)小的改動(dòng)，幾乎看不出來差別，就可以騙過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。論智此前也有關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)的報(bào)道：

停車還是減速？伯克利實(shí)例演示對抗樣本帶來的潛在隱患

谷歌推出對抗補(bǔ)丁，可導(dǎo)致分類器輸出任意目標(biāo)類

最近有研究認(rèn)為，CNN在面對對抗樣本輸入的時(shí)候非常脆弱，因?yàn)樗鼈冎粚W(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集表面的規(guī)律，而不會(huì)生成和學(xué)習(xí)高級表示，從而不易受噪聲的干擾。

在視頻中可以看到，這種攻擊影響了所有DNN，包括基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為了了解更多此類攻擊的內(nèi)容，你可以閱讀OpenAI的博客：https://blog.openai.com/adversarial-example-research/，或者參考：https://github.com/tensorflow/cleverhans。

從防御者的角度來說，這種攻擊目前為止還比較令人頭疼，因?yàn)闆]有一種有效方法能抵御這類攻擊。你可以閱讀Ian Goodfellow和Nicolas Papernot的博客來進(jìn)一步了解：http://www.cleverhans.io/security/privacy/ml/2017/02/15/why-attacking-machine-learning-is-easier-than-defending-it.html

零日輸入

對抗輸入的另一個(gè)種類就是給分類器全新的攻擊。這種技術(shù)出現(xiàn)的不是很頻繁，但是還是有必要提一下的，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)，攻擊力還是很強(qiáng)的。新型攻擊的出現(xiàn)可能有很多原因，在我們的經(jīng)驗(yàn)里，下面兩種情況最易引起新的攻擊：

新產(chǎn)品或功能的發(fā)布：新功能上線很容易吸引攻擊者，這也是為什么在發(fā)布新產(chǎn)品時(shí)提供零日防御非常重要。

利益誘惑：盡管很少提到，但很多新的攻擊都是看到巨大利益的結(jié)果。去年12月加密貨幣瘋狂上漲，有些人為了從其中獲利，開始攻擊云服務(wù)器（包括谷歌云）。

隨著比特幣價(jià)格突破10000美元，我們發(fā)現(xiàn)了許多新型攻擊，試圖從谷歌云服務(wù)器中竊取資源進(jìn)行挖礦。

總而言之，黑天鵝理論也適用于基于AI的防御：

總有一天，一個(gè)從未預(yù)料到的攻擊將會(huì)擺脫分類器控制，并造成巨大的影響。

然而，這并不是因?yàn)槟銦o法預(yù)料出現(xiàn)的是何種攻擊，還活著攻擊什么時(shí)候來。你可以對此進(jìn)行計(jì)劃，做好預(yù)防工作。下面是幾個(gè)應(yīng)對黑天鵝事件的探索方向：

建立事故防御機(jī)制：首先要做的就是建立并測試恢復(fù)系統(tǒng)，一旦遭到攻擊，還能夠進(jìn)行應(yīng)對。

利用遷移學(xué)習(xí)保護(hù)新產(chǎn)品：一個(gè)關(guān)鍵難題就是你不能用歷史數(shù)據(jù)繼續(xù)訓(xùn)練分類器，而解決方法之一就是用遷移學(xué)習(xí)，可以重新使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，將其遷移運(yùn)用到另一個(gè)域中。

使用異常檢測：異常檢測算法可以當(dāng)做防御的第一道防線，因?yàn)橐环N新攻擊會(huì)產(chǎn)生此前沒有遇到過的異常，但這與你的系統(tǒng)相關(guān)。

還拿比特幣為例，去年比特幣價(jià)格瘋狂上漲，很多人想免費(fèi)“挖礦”，于是他們利用了許多攻擊途徑，包括入侵我們的免費(fèi)方案、用偷來的信用卡作案、入侵合法用戶的電腦或利用網(wǎng)絡(luò)釣魚的方法劫持云用戶的賬號。

很快，這類攻擊贏得了市場，YouTube上甚至還出了如何在谷歌云上挖礦的教程。

幸運(yùn)的是，我們建立了合適的異常檢測系統(tǒng)，上圖顯示，當(dāng)攻擊者開始挖礦，他們的行為變化的非常明顯，因?yàn)橄嚓P(guān)資源用量和傳統(tǒng)合法資源使用是不一樣的。我們用這種變化檢測禁止了新型攻擊，保證了云平臺的穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)攻擊

分類器面臨的第二種攻擊表現(xiàn)為，對抗樣本想擾亂你的數(shù)據(jù)，從而讓系統(tǒng)失靈。

模型更改（Model skewing）

第一種數(shù)據(jù)干擾被稱為模型更改，攻擊者會(huì)試著污染訓(xùn)練數(shù)據(jù)，改變模型的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

在實(shí)際中，我們經(jīng)常能看到很多先進(jìn)的垃圾郵件生產(chǎn)者試著逃過Gmail的過濾系統(tǒng)，將垃圾郵件偽裝成正常郵件。上圖表示在2017年11月末到2018年初，我們一共受到四次攻擊，試圖改變分類器。為減少此類攻擊，應(yīng)對策略有：

合理數(shù)據(jù)采樣。你需要保證一小部分實(shí)體，包括IP和用戶，不依賴大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)。尤其小心不要在用戶的誤報(bào)和漏報(bào)上添加過多權(quán)重。這可以通過限制每個(gè)人可貢獻(xiàn)的樣本來實(shí)現(xiàn)，或者根據(jù)已經(jīng)報(bào)告的樣本衰減權(quán)重。

對比新訓(xùn)練的分類器和老分類器。例如，你可以用灰度發(fā)布（dark launch）對比兩種不同的輸出。

建立一個(gè)黃金數(shù)據(jù)集。即數(shù)據(jù)集中含有一組可能的攻擊以及正常內(nèi)容，對系統(tǒng)非常有代表性。這一過程可以保證你在受到攻擊時(shí)還能進(jìn)行檢測，并且在對用戶造成危害之前就進(jìn)行重要的回歸分析。

反饋武器化

數(shù)據(jù)干擾的第二種類型就是講用戶的反饋系統(tǒng)作為武器，攻擊合法用戶和內(nèi)容。如果攻擊者意識到你正在使用用戶反饋，他們會(huì)試著將此作為攻擊。

一個(gè)非常著名的例子就是2017年，以特朗普的支持者們?yōu)槭椎囊蝗喝嗽诟鞔髴?yīng)用市場給CNN（美國有線電視新聞網(wǎng)）的APP打了一顆星。由此我們得知，任何反饋機(jī)制都有可能成為攻擊武器。

應(yīng)對策略：

在反饋和懲罰之間不要建立直接聯(lián)系。而是要對反饋進(jìn)行評估，同時(shí)在做決策之前與其他信號相結(jié)合。

搞破壞的不一定是真正的壞人。我們見過太多例子了，很多攻擊者偽裝成合法用戶以掩蓋他們的惡劣行為，并且引導(dǎo)我們?nèi)土P無辜的人。

模型竊取攻擊

這類攻擊非常關(guān)鍵，因?yàn)槟Ｐ痛碇R產(chǎn)權(quán)，里面有很多公司非常重要的數(shù)據(jù)，比如金融貿(mào)易、醫(yī)療數(shù)據(jù)等。保證模型安全至關(guān)重要。

然而，模型竊取攻擊有以下兩種：

模型重建：在這種情況下，攻擊者會(huì)利用公開API不斷調(diào)整自己的模型，把它當(dāng)做一個(gè)數(shù)據(jù)庫，然后重建模型。最近有一篇論文認(rèn)為，這種攻擊對大多數(shù)AI算法十分有效，包括SVM、隨機(jī)森林和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。：https://www.usenix.org/system/files/conference/usenixsecurity16/sec16papertramer.pdf

會(huì)員信息泄露：攻擊者會(huì)創(chuàng)建一個(gè)影子模型，讓他知道訓(xùn)練模型都需要哪些特定元素。這類攻擊不會(huì)復(fù)刻模型，只是潛在地泄露了敏感信息。

目前針對此類攻擊最有效的方法是PATE，它是由Ian Goodfellow等人提出的一種私密框架（上圖），論文地址：https://arxiv.org/abs/1802.08908。

如圖，PATE的核心思想就是將數(shù)據(jù)分離，并且訓(xùn)練多個(gè)模型共同做決策。之后在決策中加入噪音，就像其他差分隱私系統(tǒng)一樣。

了解更多差分隱私的知識，可以閱讀Matthew Green（蘋果公司任職）的介紹文章：https://blog.cryptographyengineering.com/2016/06/15/what-is-differential-privacy/

論智君也曾在另一篇文章中報(bào)道過蘋果公司的差分隱私技術(shù)：蘋果用機(jī)器學(xué)習(xí)和差分隱私大規(guī)模分析用戶數(shù)據(jù)，并保證不會(huì)泄露信息

了解更多PATE和模型竊取攻擊，可以閱讀Ian Goodfellow的博文：http://www.cleverhans.io/privacy/2018/04/29/privacy-and-machine-learning.html

結(jié)語

盡管機(jī)器學(xué)習(xí)還面臨著很多現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，但AI是建立防御機(jī)制的關(guān)鍵，隨著AI框架日趨成熟，目前是建立AI防御的最好時(shí)機(jī)，如果你也感興趣快動(dòng)手試試吧！