腾讯曝光新型AI攻击手法：“黑”掉神经网络，构造后门，最主流模型均不能幸免

萧箫 2020-08-20 13:43:43 来源：量子位

萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

有没有想过，你从网上下载的AI模型，可能已经被植入了“木马”？

模型看起来运行效果不错，但潜藏危机。

一旦攻击者扣动“扳机”，或是你踩到了模型里埋下的“地雷”，整个AI模型就崩溃了。

想象一下，AI监控被干扰，盗贼可以登堂入室；通过几句噪音，家用AI音箱就能被外人操控……

最近，这种针对AI模型的新型“木马”攻击，已经被腾讯实现了。

腾讯的朱雀实验室成功模拟了3种攻击AI的新方法，从模型本身下手，在非常隐蔽的情况下将AI模型一一攻破。

无论是Tensorflow、Caffe还是Pytorch框架，目前最主流的AI模型无一幸免。

来看看它实现的原理。

将“木马”植入AI模型

传统的AI攻防技术，通常针对数据样本进行破坏。

例如，在图片样本中改造几个小元素，生成对抗样本，图中的熊猫就被识别成了长臂猿。

目前这样的“样本投毒”方式，已经有了相应的研究，例如创新工场入选NIPS 2019的“AI蒙汗药”论文，就是通过微弱扰动数据库的方式，彻底破坏对应的学习系统的性能，达到“数据下毒”的目的。

△ 周志华教授也在作者列

然而，如果攻击者直接控制AI模型的神经元，给AI植入木马，那么这样的攻击将会更加难防。

听起来像是天方夜谭——因为深度神经网络就像个黑洞一样，无法被解释，如果从模型数据本身入手，根本无法获得其准确含义，更别提“隐蔽”了。

就这，还想给AI模型植入“木马”？

但事实上，AI模型比想象中要“脆弱”。

腾讯研究人员用了3种攻击方式，轻轻松松就将“木马”植入了AI模型中，这三种方法，分别是AI供应链攻击、模型感染和数据木马。

利用AI框架「投毒」

AI供应链攻击，目的在于给部分AI模型植入恶意执行代码，让它变成大型“木马”。

然后，将这种木马投放到开源社区，就能让木马广泛地传播开来，造成大范围的AI供应链被污染。

这个攻击，靠的是各类软件相互的依赖性。

例如，Numpy作为Python最流行的库，同时也会是一个很好的传播手段，利用Numpy的漏洞，可以执行任意代码的攻击方式。

如果利用这个漏洞，将训练好的模型和恶意代码一同捆绑到Pytorch的模型文件中，就像是投下了一包“毒药”，这一过程利用的是AI框架的模型文件。

如下图所示，上下两张图分别是神经网络原始的部分模型、和被植入恶意代码的部分模型。

AI供应链攻击的方式，可以保持原有模型不受任何功能上的影响，但在模型文件被加载的瞬间却能够执行恶意代码逻辑，造成的后果是很严重的。

给“木马”开后门

在计算机程序中，“后门程序”通常是开发者为了修改方便，给程序里装的一个能逃过所有“安全检查”的程序，有点像“以管理员身份运行”。

然而，如果攻击者在使用AI模型时也“以管理员身份运行”，给AI模型埋藏一个“后门”，平时程序运行正常，然而一旦被激活，模型输出就会变成攻击者预先设置的目标。

这种攻击的危险之处在于，后门被触发前，模型的表现非常正常，所以平时可能无法发现这个病毒的存在。

此前，实现“后门攻击”的方式，是通过训练，影响模型的所有神经元信息达到的，但攻击链条太长。

腾讯的研究人员，通过直接控制神经元信息，改造出了一个后门模型。

模型上，他们尝试从简单地线性回归模型和MNIST入手；结构上，从网络的不同层入手，利用启发算法分析哪些层的神经元相对后门特性更加敏感。

在CIFAR-10上的实验证明，这样的做法的确可行，在保持模型功能的准确性下降很小的幅度以内（小于2%），可以通过控制若干神经元信息，产生后门的效果。

如下图，飞机被识别成了卡车；

甚至，连有着7种类型的马也被识别成了卡车……

在输出结果差异巨大的情况下，控制神经元相比于整个AI模型的功能来说，影响很小。

利用神经网络数据“藏毒”

此外，在大规模神经网络中，还有一种“木马”病毒的制造方式，那就是通过更改神经元的参数信息。

如何更改参数信息，但又不影响神经网络的功能实现？

研究发现，神经网络的参数信息，在小数点后3位之后，对检测准确性的影响微乎其微。

也就是说，如果攻击者将攻击代码编码到浮点数的后7、8位精度，那么就可以在小数点三位以后隐藏恶意信息。

如下图，9d 2d 57 3f == 0.84053415，替换成9d 2d 57 ff后，影响的精度就是 0.84053040～0.84054559，前四位都可以保持不变。

这样，就把一段恶意的代码“隐藏”到了大型神经网络中。

如果触发了设定的条件，恶意代码就会加载出攻击的效果。

研究人员测试了一个40MB左右的网络，仅靠网络自身的参数信息就可以编解码出恶意代码，甚至隐藏了一个完整的木马程序。

相对于如此多种攻击AI模型的“大招”，目前业内却还没有可用的“杀毒软件”，用于检测这种被攻击的情况。

AI“杀毒软件”亟待研发

腾讯的研究人员称，目前通过修改神经元的方式，达到近似模型后门的效果，属于国内首次实现。

这种攻击类型，如果配合传统的漏洞利用技术，那么只需要控制神经元就能让AI模型“中毒”。

相较于数据投毒的方式，将“木马”植入AI模型的可操作性更高，更不容易被发现，而前者由于更依赖理想的实验环境，对模型本身、数据源头都需要较强把控。

事实上，神经网络“木马”在硬件方向上已有相关技术研究，但如果硬件木马改成动态设计，将可能产生非常大的危害。

目前，领域内正在研究这方面的安全防御建设，力求在多方计算、共享模型的场景下，在研发阶段就提前考虑对模型文件的保护。

不必过于担忧

当然，研究人员也表示，这种“木马”植入，可以通过“模型可信加载”进行规避。

也就是说，在每次加载模型前，通过交叉对比、数据校验来规避木马，有助于将安全理念贯穿整个流程，也能推动AI行业的安全水平提升。

不过，这些安全理念，开发者自己也要了然于心，最起码，可以通过两个方向来进行预防。

首先，从第三方渠道下载的模型，即便没有算力资源进行重新训练，也要保证渠道的安全性，这样，才能避免直接加载不确定来源的模型文件。

其次，对模型文件加载使用也要做到心中有数。如果攻击者需要一部分代码的配合才能完成攻击，那么开发者是可以从代码检测中发现漏洞的。