Doctoral Thesis

Modeling and Detection of Slow DoS Attacks

Final Thesis 1.28 MB Summary of Thesis 1.28 MB

Author of thesis: Ing. Marek Sikora, Ph.D.

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Václav Zeman, Ph.D.

Reviewers: doc. Mgr. Karel Slavíček, Ph.D., Ing. Stanislav Uchytil, Ph.D.

Abstract:

Slow Denial of Service (DoS) attacks (SDAs) represent one of the most sophisticated and elusive forms of application-layer cyber threats, exploiting legitimate protocol mechanisms to exhaust target server resources through low-volume traffic that mimics normal user communication. Despite the growing prevalence of these attacks, publicly available generators for recent SDA vectors are lacking, knowledge of the vulnerability of widely deployed servers is insufficient, and effective detection methods for attacks that closely resemble legitimate traffic have not yet been published.
This dissertation proposes a comprehensive research framework encompassing the modeling, experimental verification, and detection of SDAs. Formal communication models of eleven attack vectors were proposed - spanning classical attacks (Slowloris, Slow POST, Slow Read), application-independent attacks (Slowcomm, Slow Next, SlowDrop), and Hypertext Transfer Protocol version 2 (HTTP/2)-specific attacks (Slow Headers, Slow POST, Slow Read, Slow Settings, Slow Preface). These models were implemented in a novel universal SDA generator - the first publicly described tool to cover all of these attack types within a single framework. Using this generator, a comprehensive vulnerability assessment was conducted on seven server instances (Apache, Nginx, lighttpd, Internet Information Services (IIS), vsftpd, OpenSSH) across the HTTP, File Transfer Protocol (FTP), and Secure Shell (SSH) protocols. Novel detection signatures were proposed and experimentally verified for ten SDA vectors within an intrusion prevention system. For attacks resistant to signature-based detection, particularly SlowDrop and Slow Next, a machine-learning-based anomaly detection method using a Random Forest classifier was proposed and evaluated, identifying the FIN Flag Count as the key discriminative flow-level feature.
The findings revealed significant differences in server resilience to SDAs, confirmed the effectiveness of the proposed signature-based detection for attacks with well-defined communication patterns, and validated the feasibility of a machine-learning-based approach for traffic-mimicking attacks. The dissertation proposes a layered defense strategy combining both detection paradigms.

Keywords:

low DoS attacks, denial of service, application layer, attack modeling, network attack detection, signature-based detection, machine learning, Random Forest, web server vulnerability, HTTP/2, SlowDrop, Slowcomm, Slow Next, intrusion prevention system
}

Date of defence

19.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertant jasně a stručně objasnil vědecké výsledky své práce. Zodpověděl všechny otázky členů komise a oponentů.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Teleinformatics (DKC-TLI)

Composition of Committee

prof. Ing. Zdeněk Smékal, CSc. (předseda)
doc. Ing. František Urban, CSc. (člen)
doc. Ing. Martin Kyselák, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Otto Dostál, CSc. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Martinásek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Lukáš Malina, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Karel Slavíček, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Uchytil, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Václav Zeman, Ph.D.


Disertační práce Ing. Marka Sikory se zabývá aktuálním tématem pomalých DoS útoků (SDA) se zaměřením na jejich modelování, experimentální ověření dopadů na serverové platformy a návrh detekčních metod. SDA jsou díky své nízké intenzitě a napodobování legitimního provozu obtížně zachytitelné.

Autor systematicky analyzoval jedenáct útočných vektorů, včetně moderních hrozeb pro protokol HTTP/2, a splnil stanovené cíle od teoretického modelování po experimentální ověření na sedmi serverových platformách.

Hlavní vědecký přínos spatřuji v propojení empirického výzkumu s formálním popisem útoků pomocí teorie hromadné obsluhy a semi-Markovských procesů. Tento matematický rámec umožnil autorovi konzistentně interpretovat dopady útoků na systémové zdroje a podpořit vysvětlení rozdílů v odolnosti testovaných serverových konfigurací. Práce tak přináší ucelený pohled na dynamiku dlouhotrvajících spojení, který je v dostupné literatuře dosud omezeně zastoupen.

Významný je rovněž praktický přínos práce, zejména vývoj univerzálního generátoru útoků a návrh vrstvené strategie obrany. Autor kombinuje signaturní detekci s behaviorální analýzou využívající strojové učení s perspektivou pro další ověření a využití v praxi.

Ing. Marek Sikora prokázal schopnost samostatné vědecké práce a systematický přístup k řešení zadané problematiky. Výsledky práce byly publikovány v relevantních mezinárodních časopisech a prezentovány na odborných konferencích. Předložená disertační práce splňuje požadavky kladené na dizertační práci, proto ji doporučuji k obhajobě a v případě úspěšné obhajoby doporučuji udělení akademického titulu Ph.D.
viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 399,93 kB

Reviewer’s report
Ing. Stanislav Uchytil, Ph.D.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 877,34 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová