如何利用深度学习检测恶意PowerShell

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深度学习（deep learning）是机器学习大框架下的一类算法，在图像和文本分类等任务上，深度学习方法明显优于传统方法。随着发展，利用深度学习建立新的威胁检测方法具有很大的潜力。

机器学习算法使用数字模型，因此图像、文档或电子邮件等对象通过特征工程的步骤转换为数字形式，在传统的机器学习方法中，这需要大量的人力。通过深度学习，算法可以在相对原始的数据上进行操作，无需人工干预即可提取特征。

在本文中，我们提供了一个深度学习技术的示例，该技术最初是为自然语言处理（NLP）开发的，现在被采用并应用于检测恶意powershell脚本。

自然语言处理中的词嵌入模型

我们的目标是对powershell脚本进行分类，我们简要介绍在自然语言处理领域中如何处理文本分类。

一个重要的步骤是将单词转换成机器学习算法可以使用的向量（数字元组）。首先为词汇表中的每个单词指定一个唯一的整数，然后将每个单词表示为0的向量，其中1位于对应于该单词的整数索引处。尽管在许多情况下都很有用，但有明显的缺陷。所有的词之间都是等距的，词与词之间的语义关系并没有反映在对应向量之间的几何关系中。

上下文嵌入模型是一种较新的方法，它通过从数据中学习单词的上下文关系来克服这些限制。上下文嵌入模型是在像维基百科这样的大型文本数据集上训练的。word2vec算法是该技术的一个实现，它不仅能将词的语义相似度转化为向量的几何相似度，而且能保持词之间的极性关系。例如，在word2vec表示中：

嵌入powershell脚本

由于训练一个好的模型需要大量的数据，我们使用了一个由386k个不同的未标记powershell脚本组成的大型多样的语料库。word2vec算法通常与人类语言一起使用，当应用于powershell语言时，它提供了类似的结果。我们将powershell脚本拆分为令牌，然后使用word2vec算法为每个令牌分配一个矢量表示。

图1显示了5000个随机选择的令牌的矢量表示的二维可视化，其中一些重要令牌高亮显示。注意语义相似的标记是放置在彼此附近的。例如，表示-eq、-ne和-gt的向量（在powershell中分别是“equal”、“not equal”和“greater than”的别名）聚集在一起。类似地，表示allsigned、remotesigned、bypass和unrestricted令牌的向量（它们都是powershell中执行策略设置的有效值）被聚集在一起。

通过检查标记的向量，我们发现了一些其他关系。

令牌相似性：使用令牌的word2vec表示，我们可以识别powershell中具有别名的命令。在许多情况下，最接近给定命令的标记是其别名。例如，令牌调用表达式Invoke-Expression及其别名IEX的表示形式彼此最接近。这种现象的另外两个例子是invoke webrequest及其别名iwr，以及get childitem命令及其别名gci。

我们还测量了几组标记之间的距离。例如，考虑四个标记$i、$j、$k和$true（请参见图2的右侧）。前三个通常用于表示数值变量，最后一个表示布尔常量。正如预期的那样，$ true令牌与其他令牌不匹配 ，它是距离群组中心最远的（使用欧几里德距离）。

更具体地说，对于网络安全中powershell的语义，我们检查了令牌的表示：绕过、正常、最小化、最大化和隐藏（参见图2的左侧）。虽然第一个标记是powershell中executionpolicy标志的合法值，但其余是windowstyle标志的合法值。正如预期的那样，bypass矢量表示距离相比其他四个标记的矢量的距离更远。

线性关系：由于word2vec保留线性关系，所以计算向量表示的线性组合会得到语义上有意义的结果。以下是我们发现的一些关系：

在上述每个表达式中，符号≈表示右侧的矢量与作为左侧计算结果的矢量最接近（在表示词汇表令牌的所有矢量中）。

利用深度学习检测恶意powershell脚本

我们使用前一节介绍的powershell语言的word2vec嵌入模型来训练能够检测恶意powershell脚本的深入学习模型。

分类模型使用标记为“clean”或“malicious”的powershell脚本数据集进行训练和验证，而嵌入模型则使用未标记的数据进行训练。流程如图3所示。

在Microsoft Azure中使用GPU计算，我们尝试了各种深度学习和传统ML模型。 与传统ML模型相比，性能最佳的深度学习模型将覆盖范围提高了22个百分点。 该模型如图4所示，结合了几个深度学习构建模块，如卷积神经网络（CNN）和长短期记忆递归神经网络（LSTM-RNN）。

应用深度学习来检测恶意PowerShell

自首次部署以来，深度学习模型高精度地检测到许多恶意和红色团队PowerShell活动。 通过PowerShell获得的信号与各种ML模型和Microsoft Defender ATP信号相结合，可以检测网络攻击。

以下是深度学习可以检测但对其他检测方法具有一定困难的恶意PowerShell脚本的示例：

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