彭大芹，項 磊，李司坤，楊彩敏 ，邱 雨

(1.“新一代信息網(wǎng)絡與終端”重慶市協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 400065; 2.重慶郵電大學 電子信息與網(wǎng)絡工程研究院，重慶 400065;3.中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司，重慶 400065)

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)技術的急速發(fā)展和城市智慧化進度的不斷加快，智能家居[1]作為新型的高科技技術的衍生產(chǎn)品，在智慧城市的建設中發(fā)揮著中流砥柱的作用。近年來，智能家居作為家庭信息化的實現(xiàn)方式，已逐漸成為社會信息化發(fā)展的重要組成部分，尤其是隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出，海爾、TCL、美的、格力等互聯(lián)網(wǎng)與家電企業(yè)大佬都想要在智能家居爭奪戰(zhàn)中占據(jù)話語權，從而主導國內智能家居市場，因而，紛紛建立了智能家居生態(tài)圈。目前國內已經(jīng)形成海爾+阿里+魅族、美的+小米與京東等生態(tài)圈模式，這雖然反映了智能家居火熱的發(fā)展勢頭，但由于智能家居的技術涉及面很廣，這樣就導致了不同的智能家居品牌開發(fā)商有不一樣的智能家居接入技術標準和通信協(xié)議。比如，就智能家居系統(tǒng)內的無線通信技術來說，就有多種標準和協(xié)議，如Zigbee，wifi，藍牙，紅外IR和射頻RF等。這種情況下，由于不知道智能家居協(xié)議的相關信息和開發(fā)文檔，相當于零知識情況下未知協(xié)議的識別與分類，不僅造成了協(xié)議分析的難題，也給網(wǎng)絡安全信息管理帶來了危害。

傳統(tǒng)的協(xié)議識別方法難以應對現(xiàn)有的爆炸式新穎流量，因此，一些研究者紛紛結合機器學習[2]算法提出了新的協(xié)議識別方法[3]。文獻[4-6]在比特流未知的情況下，通過改進的AC(aho-corasick)算法和數(shù)據(jù)挖掘關聯(lián)規(guī)則算法，提出了未知協(xié)議的識別方法；文獻[7]提出了未知協(xié)議的幀長識別方法；文獻[8]提出了基于數(shù)據(jù)流與機器學習中聚類算法來分析未知的協(xié)議；文獻[9]根據(jù)二進制比特流的特征，提出了一種基字節(jié)熵矢量加權指紋的協(xié)議識別方法。通過實驗表明，該方法對二進制比特流協(xié)議的識別高達94%以上的召回率，并可以識別訓練數(shù)據(jù)集中未出現(xiàn)的協(xié)議。

本文從同一協(xié)議的數(shù)據(jù)對象之間具有相似度，不同協(xié)議的數(shù)據(jù)對象之間具有差異度出發(fā)，利用機器學習算法中的無監(jiān)督學習的高效、快速的K-Means聚類算法，將多協(xié)議聚類成不同的單協(xié)議類型的簇集，并使用數(shù)理統(tǒng)計和向量空間模型的概念對算法的初始K值、初始聚類中心及數(shù)據(jù)對象間距離進行了改進，最后提出對未知協(xié)議的聚類評價指標。經(jīng)實驗驗證，該方法可行性和實用性極高。

1 相關理論

1.1 K-Means算法

在未知的情況下，根據(jù)某些特征將數(shù)據(jù)對象基于某種相似度評判規(guī)則聚類劃分成若干個類簇的集合的過程，稱之為聚類。常用的聚類算法，如K-Means，BIRCH，DBSCAN及STING等，這些聚類算法各有各的優(yōu)缺點和應用場景的局限性。而本文選擇了快速、高效的K-Means聚類算法。

K-Means算法[10]也稱為K-均值算法，它是一種基于距離的聚類算法?；舅枷胧窍戎付ㄒ粋€數(shù)據(jù)集將要劃分的類簇個數(shù)K值及初始中心，然后通過對序列間進行歐式距離計算，將序列劃分到距其最近的類簇中心，更新類簇中心，依次迭代計算，直到目標準則函數(shù)收斂，輸出K個類簇。其K-Means算法的流程如圖1所示。

圖1 K-Means算法的流程圖Fig.1 Flow chart of K-means

K-Means聚類算法的步驟描述如下。

輸入：待聚類的數(shù)據(jù)集合R={x1,x2,…,xn}，要聚類劃分的簇的個數(shù)K，聚類的初始中心數(shù)據(jù)集合C={c1,c2,…,ck}。

輸出：聚類結果：K個類簇。

①先從數(shù)據(jù)集R中選取K個數(shù)據(jù)對象為初始中心點，即C={c1,c2,…,ck}；

②按照歐式距離公式計算剩余數(shù)據(jù)到聚類中心點C的距離，其公式定義為

d(xi,xj)=

(1)

(1)式中：xi=(xi1,xi2,…，xip)；xj=(xj1,xj2,…,xjp)，分別表示2個p維度的屬性的數(shù)據(jù)對象。

(2)

(2)式中：d(xi,xj)是數(shù)據(jù)樣本點xi和xj的歐式距離。

由(2)式計算距離后，將數(shù)據(jù)對象劃分到距離其最近的簇中心所屬的類簇中，更新類簇中心；

③重復迭代上述2個步驟，直到準則目標函數(shù)收斂，聚類結束，輸出結果。其準則目標函數(shù)E公式為

(3)

(3)式中：Ni為第i個類簇集合；ci為第i個類中心。

對于K-Means算法，因為其算法簡單、易于實現(xiàn)，在對大規(guī)模的數(shù)據(jù)集聚類劃分的時候，有很好的聚類效果而被廣泛應用，但是它對于初始的聚類中心的選擇甚是敏感，再加上初始中心的隨機選擇往往會造成聚類的評價函數(shù)收斂于局部最優(yōu)，K值的指定有很大一部分的主觀因素，對于無任何經(jīng)驗或者先驗知識而言，是極其困難的。針對K-Means算法的2個參數(shù)的劣勢問題，各研究學者紛紛提出了不同的高效的對策。文獻[11]提出了一種新的初始中心選擇方法，實驗證明，該新提出的方法使目標函數(shù)收斂更快，聚類效果更好更穩(wěn)定；文獻[12]研究分析了算法中的不同的目標收斂函數(shù)的選擇對K均值聚類的影響；文獻[13-14]提出對聚類算法K-Means的改進，提高K-Means聚類算法的效率。

1.2 聚類評價

由于本文處理的數(shù)據(jù)對象是未知協(xié)議，事先無法知曉混合協(xié)議中各個協(xié)議的值分布，所以，對分類出來的單個協(xié)議也就無法使用協(xié)議識別評價指標F-Measure進行準確度評價。本文由于事先不知道多協(xié)議中智能家居協(xié)議的多少，無法對正確分類出來的智能家居協(xié)議進行準確度計算來評價本文分類方法的好壞，因此，提出采用信息熵作為未知協(xié)議分類方法的準確度評價。

信息熵[15]又稱為香農(nóng)熵。它采用數(shù)值的形式來表述系統(tǒng)中信息的分布狀態(tài)，測量系統(tǒng)的純凈程度。熵值越小，則說明該系統(tǒng)中的信息越純凈或者是越單一。假設隨機變量X，其取值為{x1,x2,…，xk}，xi(1≤i≤k)在X中出現(xiàn)的概率為p(xi)，則信息熵H(x)定義為

(4)

本文通過對分類出來的智能家居協(xié)議類簇系統(tǒng)的信息熵值計算，來表述該類簇系統(tǒng)中信息的純凈或混亂狀態(tài)，以此評價本文協(xié)議分類方法的準確度高或低。以分類出來的智能家居協(xié)議類簇中的所有協(xié)議數(shù)據(jù)幀數(shù)為行，幀長度為列，構建二維矩陣，計算二維矩陣中每列的信息熵數(shù)值，如果計算所得的熵值都接近為0或者普遍較小，則說明本文分類出來的智能家居協(xié)議類簇系統(tǒng)的信息很純凈，也即是該分類出來的類簇中只包含智能家居協(xié)議一種數(shù)據(jù)類型，進而說明本文改進的K-Means聚類效果好，協(xié)議分類方法準確度高。

2 多協(xié)議下智能家居協(xié)議的分類方法

本文方法的大致系統(tǒng)框圖如圖2所示。將捕獲的多協(xié)議數(shù)據(jù)幀，使用數(shù)理統(tǒng)計進行數(shù)據(jù)預處理，計算出近似的K、和初始中心，然后基于向量空間模型的概念(vector space model,VSM)，使用數(shù)據(jù)對象之間的相似度計算代替K-Means聚類算法中原有歐式距離計算，最后用信息熵對聚類結果進行評價。其創(chuàng)新點如下：①用數(shù)理統(tǒng)計方法改進了算法K-Means聚類中K值和初始聚類中心的選擇的隨機性；②提出了基于向量空間模型的概念，以數(shù)據(jù)對象相似度代替數(shù)據(jù)對象間的聚類；③提出了未知協(xié)議的識別與分類評價的方法，基于信息熵的評估方法。

2.1 數(shù)據(jù)預處理

因為本文的輸入數(shù)據(jù)是按幀已劃分好的數(shù)據(jù)幀作為數(shù)據(jù)對象，以字節(jié)為數(shù)據(jù)處理單元。所以數(shù)據(jù)預處理基本思想是假設有n條數(shù)據(jù)幀，截取每幀數(shù)據(jù)的前m個字節(jié)，以字節(jié)為元素，構建一個n行m列的矩陣a[n][m]。

2.2 VSM_K-Means算法

此部分的目標是通過對輸入的多協(xié)議數(shù)據(jù)幀分類出智能家居協(xié)議的單類型數(shù)據(jù)幀。其關鍵技術有：①K-Means聚類初始輸入個數(shù)K值及初始聚類中心的選擇；②類簇聚類劃分的距離計算。本文針對這2個關鍵技術，分別給出了以下對應的改進思想。

1)利用數(shù)理統(tǒng)計知識，通過對數(shù)據(jù)預處理得到的數(shù)據(jù)集二維矩陣a[n][m]中每列字節(jié)頻率進行統(tǒng)計，設置閾值，篩選出每列的高頻字節(jié)，包含該高頻字節(jié)的行的個數(shù)即為算法初始聚類個數(shù)K值，包含該高頻字節(jié)的行即為該算法初始聚類中心。

2)利用VSM相似度計算代替K-Means聚類算法中類簇聚類劃分的歐式距離計算，原有的以歐式距離計算的聚類類簇劃分，雖然方法簡單、直觀，但在處理未知協(xié)議幀之間的相似問題上并不適用，本文選用VSM的概念對協(xié)議幀向量化計算以相似度代替歐式計算。

圖2 零知識多協(xié)議下智能家居協(xié)議分類系統(tǒng)框圖Fig 2 Smart home protocol classification system block diagram of Zero-knowledge multi-protocol

VSM是通過將文本劃分成多個相互獨立的N個詞的集合，然后再由每個詞對文本所做的貢獻程度賦上不同的權重值，這樣一個文本就可以由{詞、權重}2個N維的向量表示，從而使得文本之間的相似度具有了簡化的計算，被廣泛應用到信息檢索領域。

本文由于是對未知的協(xié)議數(shù)據(jù)幀聚類，簡單的歐式距離作為算法聚類的評判尺度，并不能實質性地反映出各個數(shù)據(jù)對象之間的關系，會造成將相同或者相似對象聚為一類的時間較長的結果。而以相似度計算，選取未知協(xié)議數(shù)據(jù)每幀中的高頻字節(jié)及高頻字節(jié)偏移位置作為協(xié)議數(shù)據(jù)幀向量空間化的2個特征屬性，以未知協(xié)議幀自身每個字節(jié)的特性來反映各個數(shù)據(jù)對象之間的相似性，這不僅從本質上反映了數(shù)據(jù)對象之間的相似性，還可以加快相同或者相似數(shù)據(jù)對象聚為一類的速度，減少算法運行時間。

其具體步驟如下。

①將數(shù)據(jù)預處理的結果n行m列的矩陣記作矩陣a[n][m]；

②按列統(tǒng)計每一個字符出現(xiàn)的次數(shù)N，然后按照公式(5)計算字節(jié)在每列中的頻率，將每一列中頻率最大的那個字節(jié)加入字節(jié)候選集合Sbyte_list，并將每列中包含此候選字節(jié)的行號加入行候選集合Rhang_list，直到循環(huán)遍歷完矩陣a[n][m]；

(5)

③設置頻率閾值為[0.2,1]，將字節(jié)候選集合Sbyte_list滿足該閾值范圍的字節(jié)篩選出來，即為高頻字節(jié)集Slist；

④依據(jù)篩選出來的高頻字節(jié)，將候選字節(jié)對應的行候選集合Rhang_list更新為高頻字節(jié)對應的行集合Rh_list；

⑤計算高頻字節(jié)對應的行集合Rh_list中數(shù)據(jù)對象之間的相似度值，設置數(shù)據(jù)幀之間的相似度閾值，如果數(shù)據(jù)幀之間的相似度值大于設置的相似度閾值，則將其合并，否則，不合并，直到數(shù)據(jù)集中無可合并的數(shù)據(jù)幀。本文通過對高頻字節(jié)對應的行集合Rh_list中任意2個高頻字節(jié)對應的行集合進行相似度計算，設置相似度閾值，如果這2個高頻字節(jié)所對應的行集合相似度大于設置的閾值，則將該2個行集合合并組成一個新的行集合，直到集合Rh_list中無可合并的數(shù)據(jù)對象，然后更新高頻字節(jié)對應的行集合Rh_list為初始聚類中心集合Rlist，即是算法的輸入初始聚類中心，其個數(shù)即為初始聚類個數(shù)K值；

相似度距離計算方法為假設集合Rh_list中的2個數(shù)據(jù)對象為集合Si(設集合Si為篩選出來的高頻字節(jié)X所在的行號集合)、集合Sj(設集合Sj為篩選出來的高頻字節(jié)Y所在的行號集合)，其相似度距離為

(6)

相似度的閾值limsimilar設定方法：因為經(jīng)過閾值篩選合并后的集合Rh_list中的數(shù)據(jù)對象就是K-Means聚類算法的初始聚類中心，其個數(shù)就是K值，所以此若limsimilar的值設置越大，小于此閾值的集合不合并，最后得到的K值越大；若limsimilar的值設置越小，大于此閾值的集合合并，最后得到的K值越小。本文根據(jù)數(shù)學中的中值定理，將limsimilar的值從0.1～1，繪制limsimilar-k函數(shù)曲線，計算曲線的平均K值作為聚類算法的初始輸入K值。

(7)

(7)式中：X1=(x11,x22,…,x1n)，X2=(x21,x22,…,x2n)為n維向量。當余弦相似度取值為1時，說明數(shù)據(jù)對象X1,X2完全一樣，其每一維度的分量都是完全一樣的，當余弦度取值為0時，剛好相反。

⑦輸入K值、初始聚類中心、向量化后的n條數(shù)據(jù)幀；

⑧按照公式(7)計算數(shù)據(jù)幀x到每個聚類中心的相似度值，并將其劃分到相似度值最高的類簇中；

⑨按照公式(3)計算目標準則收斂函數(shù)E；

⑩更新聚類中心，重新計算收斂函數(shù)E。若函數(shù)E不收斂，則轉到步驟⑦繼續(xù)運算，若其收斂，則結束，輸出K個類簇。

2.3 聚類評估方法

由于未知協(xié)議的識別與分類無法使用F-Measure進行識別的準確度評價。本文選用對聚類輸出的每一個類簇，將每個類簇中的幀數(shù)據(jù)按照預處理方法構建成二維矩陣。按公式(5)統(tǒng)計每一列中每個字節(jié)出現(xiàn)的概率，再按照公式(4)計算每一列的熵值，直至循環(huán)遍歷完矩陣中所有元素。計算所得的熵值代表了聚類簇中數(shù)據(jù)集的純凈程度，如果分類出來的類簇只包含一種協(xié)議，則該類簇計算所得熵值較小及中存在信息熵值為0；如果分類出來的類簇中不是單一協(xié)議而是夾雜了其他協(xié)議，則該類簇計算所得熵值較大且?guī)缀醪淮嬖谛畔㈧刂禐?的情況。所以，可選定信息熵來評價未知協(xié)議分類識別的準確度。

3 實驗與結果分析

3.1 數(shù)據(jù)準備

本文在真實的實驗室環(huán)境下，采用抓包工具wireshark對連接有智能家居設備(該智能家居設備采用的協(xié)議類型為MQTT協(xié)議)以及其他終端設備的目標路由器進行協(xié)議流量數(shù)據(jù)采集，分別選取2組數(shù)據(jù)作為本文的實驗測試數(shù)據(jù)，其所選的實驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)表Tab.1 Test data table

3.2 結果分析

1)2組數(shù)據(jù)作為輸入，先根據(jù)limsimilar-k函數(shù)曲線計算出算法初始輸入聚類個數(shù)K值和及初始聚類中心。不同的limsimilar-k取值，對應不同的K值，其第1組數(shù)據(jù)的limsimilar-k取值統(tǒng)計如表2所示，第1組數(shù)據(jù)的limsimilar-k函數(shù)曲線關系如圖3所示。

其第2組數(shù)據(jù)的limsimilar-k取值統(tǒng)計如表3所示，第2組數(shù)據(jù)的limsimilar-k函數(shù)曲線關系如圖4所示。

表2 第一組數(shù)據(jù)limsimilar-k取值統(tǒng)計Tab.2 limsimilar-k value statistics of the first data

圖3 第1組數(shù)據(jù)的limsimilar-k曲線圖Fig.3 limsimilar-k graph of the first data

表3 第二組數(shù)據(jù)limsimilar-k取值統(tǒng)計Tab.3 limsimilar-k value statistics of the second data

圖4 第2組數(shù)據(jù)的limsimilar-k曲線圖Fig.4 limsimilar-k graph of the second data

根據(jù)中值定理，將曲線的首尾相連，然后作其平行線，以最后離開曲線的那一切點，即為對應的K值。第1組數(shù)據(jù)得到的K=6；第2組數(shù)據(jù)得到的K=5。也即是指定第1組、第2組數(shù)據(jù)的初始K值分別為6和5，然后作為本文改進的K-Means的聚類算法的初始輸入。因為本文是將已知的數(shù)據(jù)作為未知的數(shù)據(jù)來算，所以仍然可以使用F-Measure進行聚類準確率的評估。

經(jīng)本文方法分類識別后，第1組數(shù)據(jù)總數(shù)據(jù)幀共500，被正確分類出了419條數(shù)據(jù)幀，其中智能家居協(xié)議MQTT為100幀被正確識別分類出了93幀，由此得到本文改進算法的準確率為

其智能家居協(xié)議MQTT協(xié)議識別的精度為

經(jīng)本文方法分類識別后，第2組數(shù)據(jù)總數(shù)據(jù)幀共500，被正確分類出了469條數(shù)據(jù)幀，其中智能家居協(xié)議MQTT為100幀被正確識別分類出了97幀，由此得到本文改進算法的準確率為

其智能家居協(xié)議MQTT協(xié)議識別的精度為

2)聚類算法效果評估分析。本文選取了100幀智能家居協(xié)議MQTT作為單協(xié)議類簇、50幀MQTT協(xié)議與50幀DNS混合協(xié)議作為另一類簇，取每一個類簇的協(xié)議幀前40字節(jié)，也即二維矩陣的前40列。計算其每列信息熵值，計算結果繪圖如圖5所示。

從圖5可以看出，對于只有一種智能家居協(xié)議MQTT類簇來說，其每列的熵值都偏低于混合的MQTT和DNS協(xié)議類簇，且存在多列信息熵值為0的列，這也說明只有一種智能家居協(xié)議MQTT類簇純凈度很高，證明了使用信息熵作為未知協(xié)議聚類效果評價指標的正確性和可行性。

3)算法準確率仿真。以本文改進的方法和原有的K-Means聚類算法對這2組數(shù)據(jù)進行分類的準確率對比如圖6所示。

圖6 本文改進的方法與原有K-Means算法準確率對比Fig.6 Contrastive of accuracy rate between improvement method and

由圖6可以看出，本文改進的K-Means算法在準確率上比原有的K-Means算法平均高出約25%。

4 總 結

本文提出了多協(xié)議下智能家居協(xié)議的分類方法，使用數(shù)理統(tǒng)計計算K值和初始聚類中心，解決了K值和初始中心選擇的隨機性問題；基于向量空間模型的概念，使用數(shù)據(jù)對象之間的相似度代替數(shù)據(jù)對象之間的距離，加快了聚類算法中目標函數(shù)的收斂速度；最后提供了一種未知協(xié)議分類的評價指標：用信息熵作為評價聚類效果。本文只是將智能家居協(xié)議分類出來，下一步將研究在無任何先驗知識的情況，研究分析智能家居協(xié)議的具體格式、語義、參數(shù)等。

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