Abordagem integrada de deep learning e p4 para a detecção e mitigação de ataques na borda de redes IoT

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Silva, Antônia Mayara de Almeida da
Orientador(a): Bonfim, Michel Sales
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/80317
Resumo: The Internet of Things is a fundamental topic when talking about technological advances in last years. Its wide use arises from the immense variety of applications it encompasses, such as smart cities and its use in industry. However, amidst so many aspects, it is essential to dedicate special attention to the security area. As an alternative, Artificial Intelligence models are often implemented for detecting and preventing attacks. In this work, we present a solution that utilizes a deep learning algorithm as a technique to detect attacks on IoT networks. Additionally, we address the advantage of mitigating detected attacks quickly and efficiently through the implementation of P4, an innovative language that enables data plane programmability. We also discuss attacks targeting learning models directly, confusing their inferences and compromising their efficiency, known as adversarial attacks. As initial results, we trained and tested three DL algorithms: CNN, GRU, and LSTM, using the Edge-IIoTset dataset. The results showed an accuracy value above 99% for all three algorithms. At this stage, precision, recall, and F1 score metrics were also evaluated. We further implemented the three algorithms on a Raspberry Pi 4 equipped with the P4Pi platform. For this implementation, we used the OpenVINO toolkit to convert and execute the algorithms. In subsequent steps, we evaluated the algorithms’ performance on the Raspberry Pi, analyzing network latency, CPU and memory consumption, and packet processing time. We introduced four types of adversarial attacks (FGSM, PGD, CW, and GAN) into the algorithms and assessed their impact. Finally, we retrained the models by including these attacks in the test set so that the algorithms could detect them accurately, and we selected, based on the overall analysis of the metrics, the CNN algorithm for the final implementation in the solution.
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In this work, we present a solution that utilizes a deep learning algorithm as a technique to detect attacks on IoT networks. Additionally, we address the advantage of mitigating detected attacks quickly and efficiently through the implementation of P4, an innovative language that enables data plane programmability. We also discuss attacks targeting learning models directly, confusing their inferences and compromising their efficiency, known as adversarial attacks. As initial results, we trained and tested three DL algorithms: CNN, GRU, and LSTM, using the Edge-IIoTset dataset. The results showed an accuracy value above 99% for all three algorithms. At this stage, precision, recall, and F1 score metrics were also evaluated. We further implemented the three algorithms on a Raspberry Pi 4 equipped with the P4Pi platform. For this implementation, we used the OpenVINO toolkit to convert and execute the algorithms. In subsequent steps, we evaluated the algorithms’ performance on the Raspberry Pi, analyzing network latency, CPU and memory consumption, and packet processing time. We introduced four types of adversarial attacks (FGSM, PGD, CW, and GAN) into the algorithms and assessed their impact. Finally, we retrained the models by including these attacks in the test set so that the algorithms could detect them accurately, and we selected, based on the overall analysis of the metrics, the CNN algorithm for the final implementation in the solution.A Internet das Coisas é um tema fundamental quando se fala dos avanços tecnológicos dos últimos anos. Sua ampla utilização decorre da imensa variedade de aplicações englobadas por ela, como as smarts cities e seu uso na indústria. Porém, em meio a tantos aspectos, é fundamental dedicar uma atenção especial a área de segurança. Como alternativa, modelos de Inteligência Artificial são frequentemente implementados para a detecção e prevenção de ataques. Neste trabalho, apresentamos uma solução que utiliza um algoritmo de aprendizado profundo como técnica para detectar os ataques a redes IoT. Além disso, abordamos a vantagem de mitigar os ataques detectados de maneira rápida e eficiente com a implementação do P4, uma linguagem inovadora que permite a programabilidade do plano de dados. Também discutimos os ataques exclusivos aos modelos de aprendizado que atuam diretamente neles, confundindo suas inferências e prejudicando sua eficiência, conhecidos como ataques adversários. Como resultados inicias, treinamos e testamos três algoritmos de aprendizado profundo, do inglês Deep Learning (DL): Convolutional Neural Network (CNN), Gated Recurrent Unit (GRU) e Long Short Term Memory (LSTM), com o conjunto de dados Edge-IIoTset. Os três algoritmos apresentaram um valor superior a 99% de acurácia. Nesta etapa, as métricas de precisão, recall e F1 score também foram avaliadas. Implementamos ainda os três algoritmos na Raspberry Pi 4, que dispõe da plataforma P4Pi. Para esta implementação, utilizamos a ferramenta OpenVINO para converter os algoritmos e executá-los. Nas etapas seguintes, avaliamos o desempenho dos algoritmos na Raspberry, observando a latência da rede, o consumo de CPU e memória do dispositivo e o tempo de processamento dos pacotes. Introduzimos quatro tipos de ataques adversários (Fast Gradient Sign Method (FGSM), Projected Gradient Descent (PGD), Carlini and Wagner (CW) e Generative Adversal Network (GAN)) nos algoritmos e avaliamos o impacto causado por eles. Por fim, retreinamos os modelos com a inclusão desses ataques no conjunto de testes para que os algoritmos possam detectá-los corretamente e selecionamos, a partir da análise geral das métricas, o algoritmo CNN para a implementação final na solução.Abordagem integrada de deep learning e p4 para a detecção e mitigação de ataques na borda de redes IoTinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinternet das coisasaprendizado profundolinguagem P4ataques adversáriosCNPQ: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA: CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃOinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFChttp://lattes.cnpq.br/9486997773441668ORIGINAL2025_dis_amasilva.pdf2025_dis_amasilva.pdfapplication/pdf2823435http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/80317/1/2025_dis_amasilva.pdf7dacfe4400dd99bbac6505b84ebd9b36MD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/80317/2/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD52riufc/803172025-04-07 18:32:54.269oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2025-04-07T21:32:54Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
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