https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/21546| File | Description | Size | Format | |
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| michaelvitorzancanellabarboza.pdf | 1.58 MB | Adobe PDF | View/Open |
| Type: | Dissertação |
| Title: | Aprendizado de máquina para detecção de ataques Mirai em redes IoT 5G |
| Author: | Barboza, Michael Vitor Zancanella |
| First Advisor: | Silva, Edelberto Franco |
| Referee Member: | Vieira, Alex Borges |
| Referee Member: | Pereira Júnior, Lourenço Alves |
| Resumo: | A massificação da Internet das Coisas (IoT) impõe desafios que redes móveis legadas não suportam. Para superá-los, o 5G adota uma arquitetura baseada em serviços. Contudo, devido a restrições de custo e hardware, dispositivos terminais são frequentemente vulneráveis, tornando-se alvos ideais para recrutamento em botnets massivas, como o malware Mirai, para orquestrar ataques de Negação de Serviço Distribuída (DDoS). Ao empregarem ofuscação e encapsulamento (GRE-ETH e GRE-IP), esses ataques trafegam mascarados nos túneis da operadora (GTP-U), contornando filtros tradicionais. Para bloquear tais anomalias, este trabalho propõe um Sistema de Detecção de Intrusões (IDS) proativo. Inspirada na Network Data Analytics Function (NWDAF), a solução implementa uma Função Lógica de Análise (AnLF) como microsserviço descentralizado na camada de Névoa (Fog Computing). Contornando o ponto cego do encapsulamento celular, o sistema avalia fluxos (flow-based) extraídos na interface de saída da Função de Plano de Usuário (UPF/N6), processando tráfego IP isento do ruído do GTP-U. O treinamento baseou-se no dataset CICIoT2023, adotando-se o algoritmo LightGBM pela sua leveza e interpretabilidade. A validação empírica ocorreu em um testbed 5G (Open5GS e UERANSIM) submetido a um emulador estocástico, calibrado via Inteligência Artificial Explicável (SHAP) e minimização da Distância de Wasserstein (W1). Em ambiente offline, o modelo atingiu F1-Macro de 0,97. Nas condições dinâmicas do testbed, o sistema manteve Acurácia de 88,00% e Precisão perfeita (1,00) para o tráfego legítimo, assegurando 100% de contenção das ameaças encapsuladas (0,0% de evasão). Ademais, a Adaptação de Domínio Não-Supervisionada validou a generalização cruzada em topologias inéditas (dataset BotIoT). A arquitetura avança o estado da arte ao provar que a extração estatística pós-túnel resolve a severa degradação preditiva causada pelo encapsulamento celular (GTP-U) — limitação reportada na literatura para detecções no ingresso do núcleo (interface N3). Essa abordagem, aliada a modelos de ensemble, elimina o custo da Inspeção Profunda de Pacotes (DPI), viabilizando a contenção de ameaças em microssegundos (16,50 µs) e protegendo redes móveis de próxima geração. |
| Abstract: | The massification of the Internet of Things (IoT) imposes challenges that legacy mobile networks cannot support. To overcome them, 5G adopts a service-based architecture. However, due to cost and hardware constraints, end devices are frequently vulnerable, making them ideal targets for recruitment into massive botnets, such as the Mirai malware, to orchestrate Distributed Denial of Service (DDoS) attacks. By employing obfuscation and encapsulation (GRE-ETH and GRE-IP), these attacks travel disguised within the operator’s tunnels (GTP-U), bypassing traditional filters. To block such anomalies, this work proposes a proactive Intrusion Detection System (IDS). Inspired by the Network Data Analytics Function (NWDAF), the solution implements an Analytics Logical Function (AnLF) as a decentralized microservice at the Fog Computing layer. Bypassing the cellular encapsulation blind spot, the system evaluates flow-based traffic extracted at the egress interface of the User Plane Function (UPF/N6), processing pure IP traffic free from GTP-U noise. Training was based on the CICIoT2023 dataset, adopting the LightGBM algorithm for its lightness and interpretability. Empirical validation occurred in a 5G testbed (Open5GS and UERANSIM) subjected to a stochastic emulator, calibrated via eXplainable Artificial Intelligence (SHAP) and Wasserstein Distance (W1) minimization. In an offline environment, the model achieved a Macro F1-Score of 0.97. Under the dynamic conditions of the testbed, the system maintained an 88.00% Accuracy and a perfect Precision (1.00) for legitimate traffic, ensuring 100% containment of encapsulated threats (0.0% evasion). Furthermore, Unsupervised Domain Adaptation validated the cross-generalization in novel topologies (Bot-IoT dataset). The architecture advances the state of the art by proving that post-tunnel statistical extraction resolves the severe predictive degradation caused by cellular encapsulation (GTP-U)—a limitation reported in the literature for detections at the core ingress (N3 interface). This approach, combined with ensemble models, eliminates the cost of Deep Packet Inspection (DPI), enabling threat containment in microseconds (16.50 µs) and protecting next-generation mobile networks. |
| Keywords: | Internet das Coisas 5G Detecção de intrusões Interpretabilidade Malware Mirai Internet of Things Intrusion detection Explainable AI Mirai malware |
| CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO |
| Language: | por |
| Country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) |
| Institution Initials: | UFJF |
| Department: | ICE – Instituto de Ciências Exatas |
| Program: | Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação |
| Access Type: | Acesso Aberto Attribution 3.0 Brazil |
| Creative Commons License: | http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/ |
| URI: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/21546 |
| Issue Date: | 2-Oct-2026 |
| Appears in Collections: | Mestrado em Ciência da Computação (Dissertações) |
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