Preparar datos para deep learning, es una tarea muy dependiente de la entrada que necesite nuestra red y de los datos que tenemos. En este capítulo vamos a ver como preparar datos para deep learning con databricks para un problema de clasificación aparentemente sencillo que es saber si un dominio de internet es malicioso o no simplemente con el texto del mismo.

Vamos a disponer de un conjunto de datos muy grande de dominios de internet que tienen la catalogación de “buenos” y “malos”, donde los “malos” son dominios generados por software malicioso. En principio no vamos a entrar en los detalles ahora del problema que queremos resolver ni del apartado relativo a la propia red neuronal, sino que vamos a verlo desde el punto de vista puro del tratamiento de datos.

La red neuronal que vamos a entrenar va ser fundamentalmente una arquitectura de tipo LSTM con capa de atención (no vamos a entrar en sus detalles ahora). Puesto que su tarea va a ser “clasificación”, lo que vamos a necesitar va a ser:

  • Array de números con las características a utilizar para entrenar la red neuronal.
  • Array de números con las etiquetas de cada dominio de internet.

Los datos que vamos a tener son un conjunto muy grande de dominios de internet y su categoria (junto a mas información irrelevante para este problema).

Vamos a disponer por tanto de algo así:

categoria

Y lo que buscamos es tener algo así:

Preparando datos para Deep Learning con Databricks (Parte 1)

Es decir, tendremos que convertir nuestros dominios a un array numérico y las etiquetas a números.

Como ves, si has trabajado con redes neuronales es un problema bastante sencillo, siendo aqui el único “problema” el volumen de datos que vamos a mover.

Respecto a los datos que vamos a utilizar: Disponemos de 93 tipos de malware detectados, teniendo algunos de ellos comprometidos mas de 100 millones de direcciones, por lo que puedes imaginarte que hablamos de bastantes datos y que nuestro laptop no va a poder en tiempo razonable procesarlo para poder prepararlos.

Para ello resumo a alto nivel lo que vamos a hacer:

  • Crear cluster Databricks
  • Montar nuestro blob storage en nuestro cluster
  • Subir los ficheros a procesar
  • Procesar los ficheros para preparar los datos para el modelo
    • Limpiar los datos
    • Calcular las clases
    • Tokenizar nuestros dominios y transformarlos de texto a array de números
  • Volcar los datos a un csv
  • Destruir cluster Databricks (opcional)
  • Destruir blob storage (opcional)

Crear cluster Databricks

Lo primero que vamos a hacer es crearnos nuestro cluster Databricks. Como es algo bastante sencillo y documentado, puede seguir esta estupenda guia de Microsoft

En lo que a nosotros nos afecta, solo quiero añadir que puesto que DBFS no permite subir ficheros de más de 2Gb de tamaño y que nuestro conjunto de datos sobrepasa eso con creces, lo que vamos a hacer es montar un Azure blob storage en nuestro cluster y para subir ahi nuestros datos con los que poder trabajar.

Desplegar nuestro blob storage

Tal como hemos comentado, vamos a necesitar un almacenamiento con el que poder trabajar, porque DBFS no nos va a dejar subir ficheros de más de 2Gb. Vamos en este caso a utilizar Azure Blob Storage por comodidad y precio. Para crear un blob storage te recomiendo que sigas esta guia oficial

Una vez creado, añadiremos nuestro contenedor para trabajar con databricks, que en este caso le voy a llamar sentinelml

sentinelml

Subir los ficheros a procesar

Y ahora añadimos los ficheros .csv como block blob:

Importante: Databricks por ahora solo permite trabajar con ficheros montados en modo block blob.

Preparando datos para Deep Learning con Databricks (Parte 1)

Montar nuestro blob storage en nuestro cluster

Para hacerlo, podemos seguir este snippet:

dbutils.fs.mount(
source = “wasbs://<container-name>@<storage-account-name>.blob.core.windows.net”,
mount_point = “/mnt/<mount-name>”,
extra_configs = {“<conf-key>”:dbutils.secrets.get(scope = “<scope-name>”, key = “<key-name>”)})
 

NOTA: Para más información ver https://docs.databricks.com/data/data-sources/azure/azure-storage.html#mount-azure-blob 

  • nombre del Azure Blob storage account (el que le pusieras)
  • nombre del contenedor con los datos (el que le pusieras)
  • DBFS path donde montaremos el contenedor (puedes poner lo que quieras aqui, se montará con el nombre que le des)
  • Puede ser fs.azure.account.key..blob.core.windows.net o fs.azure.sas…blob.core.windows.net
    • Yo con esto me lié un poco 😃. Lo que quiere decir, es que pongas cualquiera de los 2 strings de texto tal cual aparecen con el replace correspondiente, luego verás un ejemplo
  • dbutils.secrets.get(scope = “”, key = “<\key-name>”) obtiene la key de los secrets de databricks (opción preferida para producción)
    • En mi caso, puesto que va a ser para lanzar un procesado rápido, voy a ponerle la key1 de mi storage account directamente.

De forma que un posible ejemplo podría ser:

dbutils.fs.mount(
source = “wasbs://sentinelml@sentinelmlwstrololol.blob.core.windows.net”,
mount_point = “/mnt/sentinelml”,
extra_configs = {“fs.azure.account.key.sentinelmlwstrololol.blob.core.windows.net”:“ziYC59ESQEF3zpTROLOLOL”})
 

Ahora solo tienes que lanzarlo desde tu cluster y ya quedará montado para siempre (mientras no lo desmontes):

Preparando datos para Deep Learning con Databricks (Parte 1)

Y probar que efectivamente puedes acceder a tus ficheros:

Preparando datos para Deep Learning con Databricks (Parte 1)
NOTA: Los ficheros los hemos subido en el punto anterior

Preparar los datos

En este paso vamos a realizar varias cosas, algunas en pyspark y otras en sparksql. Aqui ya es a gusto del desarrollador, yo simplemente me siento mas cómodo trabajando con SQL y por eso verás mucha query 😃

Limpiar los datos

Lo primero va a ser obtener un conjunto de datos nivelado por clases. Puesto que tengo 2M de dominios catalogados como “buenos” y más de 100M catalogados como “malos”, para minimizar el bias lo que voy a hacer es primero cargar cada clase con un conjunto de datos aproximadamente de 1M como mucho.

Al final, lo que ves aqui debajo es simplemente un procesado que va a leer todos los ficheros del blob storage y va a quedarse únicamente con el dominio y la clase a la que pertenece.

from pyspark.sql.functions import col,lit
hadoop = sc._jvm.org.apache.hadoop
 
fs = hadoop.fs.FileSystem
conf = hadoop.conf.Configuration()
path = hadoop.fs.Path(‘/mnt/sentinelml/’)
first_iteration = True
number_of_files = len(fs.get(conf).listStatus(path))
i = 0
for f in fs.get(conf).listStatus(path):
file_path = str(f.getPath())
file_name = file_path.split(‘/’)[-1]
 
# This one has the header
if (file_name == “majestic_million.csv”):
df = spark.read.option(“header”,True).option(“sep”,“,”).csv(file_path).select(“Domain”)
dga_class = “alexa”
# this one has the domain in the second column
elif (file_name == “top-1m.csv”):
df = spark.read.option(“header”,False).option(“sep”,“,”).csv(file_path).select(“_c1”)
dga_class = “alexa”
else:
# First columns is the only relevant (the domain)
# since we have really big files, we only want 1M rows per class to avoid bias
df = spark.read.option(“header”,False).option(“sep”,“,”).csv(file_path).select(“_c0”).limit(1000000)
dga_class = file_name.split(‘_’)[0]
# rename column and adding the dga_class
tbl= tbl.withColumnRenamed(“_c0”,“domain”)
 
df= df.withColumn(“dga_class”,lit(dga_class))
#df.show(2)
if first_iteration:
df_with_all_rows = df
first_iteration=False
else:
df_with_all_rows = df_with_all_rows.union(df)
#print(f’File: {file_name} – class: {dga_class} – rows: {df_with_all_rows.count()}’)
print(f‘[{i}/{number_of_files}] File: {file_name} – rows: {df_with_all_rows.count()}’)
i+=1
 
print (“Process finished”)
 
Preparando datos para Deep Learning con Databricks (Parte 1)

Salvar a parquet

Para poder chequear rápido datos y ver que todo es correcto, vamos a salvar los datos a parquet y así poder validar que la cosa va bien:

# Save to parquet
output_parquet = “/tmp/output/domains.parquet”
df_with_all_rows.write.mode(“overwrite”).parquet(output_parquet)
 
parqDF = spark.read.parquet(output_parquet)
# this is not required since we are going to load into database
parqDF.createOrReplaceTempView(“prepared_top_level_domains”)
 

Meter los datos en base de datos (opcional)

En este caso finalmente me han salido unos ~20M de filas, que databricks se come en apenas 5s como parquet, por lo que no es necesario tampoco venirse arriba y cargar en BBDD…pero si quisieramos, podríamos hacer esto:

%sql
use sentinelml;
 
create table if not exists prepared_top_level_domains(_c0 STRING comment “this is the domain name”,
dga_class STRING comment “this is the class of the domain”)
using parquet
options(
path “/tmp/output/domains.parquet”
)
–partitioned by (dga_class)
–clustered by (_c0) into 4 buckets
 

Con lo que ahora tendríamos accesible tambien los datos a nivel fijo en la BBDD llamada “sentinelml” que me cree yo previamente.

NOTA: La diferencia entre hacer esto o no, es que en los siguientes scripts tendrias que añadir “sentinelml.” justo delante del nombre de la vista. Si hicieste un createOrReplaceTempView, no haría falta ponerle la referencia a BBDD, pero estará ejecutando otro motor diferente, que a penas vas a notar para los pocos datos que hay

Chequeo de datos

Ahora vamos a chequear la distribución de datos para ver que no hay desmadres.

%sql
— test
select dga_class, count(*)
from prepared_top_level_domains
group by dga_class
 
Preparando datos para Deep Learning con Databricks (Parte 1)

Duplicados

Vamos a ver cuántos duplicados tenemos:

— cuantos duplicados?
with cte as(
select _c0,count(*)
from prepared_top_level_domains
group by _c0
having count(*)>1
)
select count(*) from cte
 

Como vemos, tenemos un montón…que toca limpiar antes 😃

Limpiar duplicados

Para limpiar duplicados, vamos utilizar la estrategia de ROW_NUMBER:

%sql
— clean duplicated domains
with cte as (
select _c0,
dga_class,
row_number() over(partition by _c0 order by _c0 ) as rn
from prepared_top_level_domains
)
select _c0 as domain,dga_class from cte where rn = 1
 

De esta forma nos vamos a quedar con únicamente los dominios que no están duplicados (y una muestra de los duplicados), de forma que ya tenemos nuestro dataset listo para ser exportado…salvo porque nos interesa aprovechar y barajarlo.

Shuffeling de datos

Un requerimiento que vamos a tener a la hora de inyectar datos a la red neuronal que estamos montando va a ser que los datos estén barajados. Aprovechando que estamos en spark, vamos a hacer ese shuffeling con SQL y así nos ahorramos esa parte luego 😃

%sql
— para que veas el ejemplito
select *
from prepared_top_level_domains
order by rand()
limit 10
NOTA: Shuffeling de dga_class mediante ORDER BY RAND()
 

En este caso, realmente lo que vamos a barajar es el dataset sin los duplicados que hemos estado viendo antes, de esta forma la query quedará así:

 

%sql
— clean duplicated domains
with cte as (
select _c0,dga_class,
row_number() over(partition by _c0 order by _c0 ) as rn
from prepared_top_level_domains
)
select _c0 as domain,dga_class
from cte
where rn = 1
ORDER BY rand()
 

Salvar a CSV

Ya por último solo nos falta salvar el resultado a un fichero CSV. En mi caso despues de revisar tamaños y demás, he visto que me es mas cómodo tenerlo todo en un único CSV, asi que lo que vamos a hacer es lanzar la query y salvar el resultado directamente a un CSV utilizando un único worker, por eso verás un “coalesce(1)”

output_file_path = “/mnt/sentinelml/prepared_top_level_domains”
sql_text = f“”
with cte as (
select _c0,dga_class,
row_number() over(partition by _c0 order by _c0 ) as rn
from prepared_top_level_domains
)
select _c0 as domain,dga_class from cte where rn = 1 ORDER BY rand()”“”
spark.sql(sql_text).coalesce(1).write.option(“mode”,“overwrite”).option(“header”,“true”).csv(path=output_file_path)
 

El resultado de ese output estará dentro del blob storage de nuestro azure, en una carpeta llamada “prepared_top_level_domains” y su contenido, gracias a haber forzado “coalesce(1)” en un único fichero CSV con prefijo “part-” que es el que más tarde me llevaré para el entrenamiento de mi red.

fichero csv

Este dataset es el que contiene todos los dominios y sus clases, pero en modo texto, por lo que no podemos utilizarlo para entrenar nuestra red neuronal directamente, sino que tendremos que convertirlos a array de números, pero eso lo haremos en la siguiente parte de este post.

Cuántas clases tenemos

Como siguiente tarea, ahora nos queda saber cuantas clases tenemos, para que nuestro clasificador lo sepa y asignarles sus id a nombres correspondientes.

select distinct row_number() over (order by dga_class) dga_class_id,
dga_class
from prepared_top_level_domains group by dga_class
 

¡Y listo!, con esto ya tenemos las 2 cosas mínimas necesarias para comenzar a plantear las ultimas fases de preparación de datos para nuestra red

En el siguiente post, veremos cómo preparar el tokenizador y la conversión de estos dominios al array numérico que necesitamos.

Apéndice

SCALASQL

La otra opción que podemos utilizar es cargar los datos directamente y procesar mediante SQL.

%sql
create table if not exists sentinelml.banjori(domain STRING comment “this is the domain name”,
domain_generator_internal_id int comment “this is not relevant info”,
generator_name_instance_id STRING comment “this is the generator id that generated the row”)
using csv
options(
path ‘/mnt/sentinelml/banjori_dga.csv’,
sep ‘,’,
header false
)
— y aqui todas y cada una de nuestras tablas
— …
 

Y luego montar una query que devuelva lo mismo de antes

%sql
select domain, generator_name
from (select domain,
generator_name_instance_id,
substring(generator_name_instance_id,0,instr(generator_name_instance_id,‘_’)-1) generator_name
from sentinelml.banjori
LIMIT 1000000)
union
select domain,
substring(generator_name_instance_id,0,instr(generator_name_instance_id,‘_’)-1) generator_name
from sentinelml.randomloader
 

El problema de hacerlo así es que como es para algo rápido y que tenemos un conjunto de ficheros variable…no es muy útil hacerlo así.

Nota: en este caso no necesitamos hacer nada más con la información, por lo que tampoco sería necesario cargarlo a parquet para hacer nada con ello.

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