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ORCID:  http://orcid.org/0009-0000-1994-1677
Document type: Trabalho de Conclusão de Curso
Access type: Acesso Aberto
Title: Arquitetura reconfigurável (FPGA) baseada em modelo de Machine Learning para detecção de Ransomware em ambientes pervasivos
Alternate title (s): FPGA-Based Reconfigurable Architecture Using a Machine Learning Model for Ransomware Detection in Pervasive Environments
Author: Cruvinel, Camilly de Melo
First Advisor: Molinos, Diego Nunes
First member of the Committee: Martinez, Ana Cláudia
Second member of the Committee: Muttoni, Leonardo
Summary: O crescente número de ataques de ransomware tem colocado em risco a segurança de dados e a disponibilidade de serviços em todo o mundo, com impacto financeiro estimado em bilhões de dólares anualmente. As abordagens tradicionais de detecção, baseadas em assinaturas, têm dificuldade em identificar novas variantes devido ao uso de ofuscação e polimorfismo, o que limita sua eficácia contra ataques de dia zero. Ao mesmo tempo, as arquiteturas de processadores de propósito geral carecem da flexibilidade de reconfigu ração em nível de hardware necessária para o processamento adaptativo de modelos de Aprendizado de Máquina (AM) em ambientes de computação pervasiva, caracterizados por dispositivos com recursos de processamento, memória e energia limitados. Este traba lho propõe uma arquitetura de detecção de ransomware baseada em Field-Programmable Gate Array (FPGA), que combina técnicas de Aprendizado de Máquina com a imple mentação de um classificador em lógica combinacional, priorizando inferência determi nística de baixa latência para dispositivos com recursos restritos. O método proposto compreende o treinamento e a comparação de cinco modelos supervisionados (Árvore de Decisão, Random Forest, eXtreme Gradient Boosting (XGBoost), Rede Neural e Support Vector Machine (SVM) sobre o dataset CIC-MalMem-2022, utilizando validação hold-out 80/20 combinada com validação cruzada de 5 folds, seguidos de análise de explicabilidade via SHapley Additive exPlanations (SHAP) para identificar o consenso entre os modelos quanto às características mais relevantes para a detecção. O modelo com melhor relação entre desempenho preditivo e simplicidade estrutural é então traduzido para uma descri ção em VHSIC Hardware Description Language(VHDL), na qual os limiares de decisão aprendidos são incorporados como constantes de comparadores em ponto fixo, permi tindo a síntese de um classificador de ciclo único em FPGA. Espera-se, com este trabalho, contribuir para o estado da arte em detecção de ransomware ao propor um modelo de hardware leve e de baixa latência, alternativo às arquiteturas de alto desempenho volta das a ambientes de data center predominantes na literatura, e adequado à realidade de dispositivos embarcados e pervasivos com recursos computacionais restritos.
Abstract: The growing number of ransomware attacks has put data security and service availabi lity at risk worldwide, causing an estimated financial impact of billions of dollars annually. Traditional signature-based detection approaches struggle to identify new variants due to obfuscation and polymorphism, limiting their effectiveness against zero-day attacks. At the same time, general-purpose processor architectures lack the hardware-level reconfi guration flexibility required for adaptive processing of Machine Learning (ML) models in pervasive computing environments, which are characterized by devices with limited processing, memory, and energy resources. This work proposes a ransomware detection architecture based on Field-Programmable Gate Array (FPGA) that combines Machine Learning techniques with the implementation of a classifier as combinational logic, priori tizing deterministic, low-latency inference for resource-constrained devices. The proposed method comprises training and comparing five supervised models (Decision Tree, Random Forest, eXtreme Gradient Boosting (XGBoost), Neural Network and Support Vector Ma chine (SVM)) on the CIC-MalMem-2022 dataset, using an 80/20 hold-out split combined with 5-fold cross-validation, followed by an explainability analysis using SHAP (SHa pley Additive exPlanations) to identify the consensus among models regarding the most relevant features for detection. The model that best balances predictive performance and structural simplicity will then be translated into a VHSIC Hardware Description Language (VHDL) description, in which the learned decision thresholds are embedded as constants in fixed-point comparators, enabling the synthesis of a single-cycle FPGA classifier. This work is expected to contribute to the state of the art in ransomware de tection by proposing a lightweight, low-latency hardware model suitable for embedded and pervasive devices with constrained computational resources, as an alternative to the high-performance, data-center-oriented architectures that predominate in the literature.
Keywords: Ransomware
Aprendizado de máquina
FPGA
Computação pervasiva
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Quote: CRUVINEL, Camilly de Melo. Arquitetura reconfigurável (FPGA) baseada em modelo de Machine Learning para detecção de Ransomware em ambientes pervasivos. 2026. 67 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Sistemas de Informação) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/50564
Date of defense: 10-Aug-2026
Appears in Collections:TCC - Sistemas de Informação (Uberlândia)

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