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基于深度特征學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)流量異常檢測方法

董書琴 張斌

董書琴, 張斌. 基于深度特征學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)流量異常檢測方法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2020, 42(3): 695-703. doi: 10.11999/JEIT190266
引用本文: 董書琴, 張斌. 基于深度特征學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)流量異常檢測方法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2020, 42(3): 695-703. doi: 10.11999/JEIT190266
Shuqin DONG, Bin ZHANG. Network Traffic Anomaly Detection Method Based on Deep Features Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(3): 695-703. doi: 10.11999/JEIT190266
Citation: Shuqin DONG, Bin ZHANG. Network Traffic Anomaly Detection Method Based on Deep Features Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(3): 695-703. doi: 10.11999/JEIT190266

基于深度特征學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)流量異常檢測方法

doi: 10.11999/JEIT190266
基金項目: 河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃基金(142300413201),信息工程大學(xué)新興科研方向培育基金(2016604703),信息工程大學(xué)科研項目(2019f3303)
詳細(xì)信息
    作者簡介:

    董書琴:男,1990年生,博士生,研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知

    張斌:男,1969年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為網(wǎng)絡(luò)空間安全

    通訊作者:

    董書琴 dongshuqin377@126.com

  • 中圖分類號: TP393.08

Network Traffic Anomaly Detection Method Based on Deep Features Learning

Funds: The Foundation and Frontier Technology Research Project of Henan Province (142300413201), The New Research Direction Cultivation Fund of Information Engineering University (2016604703), The Research Project of Information Engineering University (2019f3303)
  • 摘要:

    針對網(wǎng)絡(luò)流量異常檢測過程中提取的流量特征準(zhǔn)確性低、魯棒性差導(dǎo)致流量攻擊檢測率低、誤報率高等問題,該文結(jié)合堆疊降噪自編碼器(SDA)和softmax,提出一種基于深度特征學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)流量異常檢測方法。首先基于粒子群優(yōu)化算法設(shè)計SDA結(jié)構(gòu)兩階段尋優(yōu)算法:根據(jù)流量檢測準(zhǔn)確率依次對隱藏層層數(shù)及每層節(jié)點數(shù)進(jìn)行尋優(yōu),確定搜索空間中的最優(yōu)SDA結(jié)構(gòu),從而提高SDA提取特征的準(zhǔn)確性。然后采用小批量梯度下降算法對優(yōu)化的SDA進(jìn)行訓(xùn)練,通過最小化含噪數(shù)據(jù)重構(gòu)向量與原始輸入向量間的差異,提取具有較強(qiáng)魯棒性的流量特征。最后基于提取的流量特征對softmax進(jìn)行訓(xùn)練構(gòu)建異常檢測分類器,從而實現(xiàn)對流量攻擊的高性能檢測。實驗結(jié)果表明:該文所提方法可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及其分類任務(wù)動態(tài)調(diào)整SDA結(jié)構(gòu),提取的流量特征具有更高的準(zhǔn)確性和魯棒性,流量攻擊檢測率高、誤報率低。

  • 圖  1  基于兩階段尋優(yōu)SDA的流量異常檢測模型

    圖  2  基于PSO的SDA結(jié)構(gòu)兩階段尋優(yōu)算法流程

    圖  3  二分類場景下SDA結(jié)構(gòu)尋優(yōu)過程

    圖  4  多分類場景下SDA結(jié)構(gòu)尋優(yōu)過程

    表  1  隱藏層層數(shù)尋優(yōu)算法

     輸入:流量異常檢測數(shù)據(jù)集,NP,${t_{\max }}$, $w$, ${c_1}$, ${c_2}$, ${l_{\max }}$, ${l_{\min }}$, ${v_{l,\max }}$, ${v_{l,\min }}$, ${n_{\max }}$, ${n_{\min }}$, ${v_{n,\max }}$, ${v_{n,\min }}$
     輸出:具有${l_{{\rm{gbest}}}}$個隱藏層且每層節(jié)點數(shù)為${n_{{\rm{gbest}}}}$的SDA
     for $i = 1\;{\rm{to}}\;{{\rm{NP}}}$ do
      采用式(5)—式(8)對粒子群進(jìn)行初始化,并分別將${l_{i,{\rm{pbest}}}}$和${n_{i,{\rm{pbest}}}}$初始化為${l_i}(0)$和${n_i}(0)$;
      基于實驗數(shù)據(jù),采用式(9)計算粒子i的適應(yīng)度值;
     將最小適應(yīng)度值對應(yīng)的ln設(shè)置為${l_{{\rm{gbest}}}}$和${n_{{\rm{gbest}}}}$初始化值;
     for $t = {1_{}}{\rm{t}}{{\rm{o}}_{}}\begin{array}{*{20}{c}} {{t_{\max }}} \end{array}$ do
      for $i = {1_{}}{\rm{t}}{{\rm{o}}_{}}\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{NP}}} \end{array}$ do
       采用式(1)—式(4)更新粒子i的${l_i}(t)$速度和數(shù)值,以及${n_i}(t)$的速度和數(shù)值;
       if ${v_{{l_i}}}(t)$, ${l_i}(t)$,${v_{{n_i}}}(t)$ or ${n_i}(t)$超過其搜索范圍
        對${v_{{l_i}}}(t)$, ${l_i}(t)$,${v_{{n_i}}}(t)$ or ${n_i}(t)$再次進(jìn)行隨機(jī)初始化;
       生成具有${l_i}(t)$個隱藏層且每層節(jié)點數(shù)為${n_i}(t)$的SDA;
       基于實驗數(shù)據(jù),采用式(9)計算粒子i的適應(yīng)度值;
       if(${\rm{fit} } ({l_i}(t),{n_i}(t)) < {\rm{fit} } ({l_{i,{\rm pbest}} },{n_{i,{\rm{pbest} } } })$)//若粒子i的適應(yīng)度值小于局部最優(yōu)值對應(yīng)的適應(yīng)度值,則對局部最優(yōu)值進(jìn)行更新
        分別將${l_i}(t)$和${n_i}(t)$賦值給${l_{i,{\rm{pbest}}}}$和${n_{i,{\rm{pbest}}}}$;
       if(${\rm{fit}} ({l_i}(t),{n_i}(t)) < {\rm{fit}} ({l_{{\rm{gbest}}}},{n_{{\rm{gbest}}}})$)//若粒子i的適應(yīng)度值小于全局最優(yōu)值對應(yīng)的適應(yīng)度值,則對全局最優(yōu)值進(jìn)行更新
        分別將${l_i}(t)$和${n_i}(t)$賦值給${l_{{\rm{gbest}}}}$和${n_{{\rm{gbest}}}}$;
     迭代結(jié)束后,生成具有${l_{{\rm{gbest}}}}$個隱藏層且每層節(jié)點數(shù)為${n_{{\rm{gbest}}}}$的SDA;
     return 具有${l_{{\rm{gbest}}}}$個隱藏層且每層節(jié)點數(shù)為${n_{{\rm{gbest}}}}$的SDA。
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  隱藏層每層節(jié)點數(shù)尋優(yōu)算法

     輸入:流量異常檢測數(shù)據(jù)集,NP, ${t_{\max }}$, $w$, ${c_1}$, ${c_2}$, ${v_{\max }}$, ${v_{\min }}$, ${l_{{\rm{gbest}}}}$, ${n_{{\rm{gbest}}}}$
     輸出:最優(yōu)SDA結(jié)構(gòu)
     for $i = {1 }\ {\rm{t} }{ {\rm{o} }_{} }\ { {\rm{NP} } } $ do
      for $h = {1_{} }\ {\rm{t} }{ {\rm{o} }_{} }\ {l_{ {\rm{gbest} } } }$ do
       初始化粒子位置$n_i^{(h)}(0) = {n_{{\rm{gbest}}}}$,采用式(12)初始化粒子速度,并將局部最優(yōu)向量${{{n}}_{i,{\rm{pbest}}}}$中的$n_{i,{\rm{pbest}}}^{(h)}$初始化為${n_{{\rm{gbest}}}}$;
     設(shè)置全局最優(yōu)向量${ {{n} }_{ {\rm{gbest} } } } = \min \{ { {{n} }_{ {\rm{1,pbest} } } },{ {{n} }_{ {\rm{2,pbest} } } }, ··· ,{ {{n} }_{ {\rm{NP,pbest} } } }\} = {[{n_{ {\rm{gbest} } } }_{}{n_{ {\rm{gbest} } } } ··· {n_{ {\rm{gbest} } } }]^{\rm T}}$;
     for $t = {1_{}}{\rm{t}}{{\rm{o}}_{}}\begin{array}{*{20}{c}} {{t_{\max }}} \end{array}$ do
      for $i = {1_{}}{\rm{t}}{{\rm{o}}_{}}\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{NP}}} \end{array}$ do
       for $h = {1_{}}{\rm{t}}{{\rm{o}}_{}}{l_{{\rm{gbest}}}}$ do
        采用式(10)和式(11)更新粒子i位置向量${{{n}}_i}(t)$中元素$n_i^{(h)}(t)$的速度和數(shù)值;
        if $v_i^{(h)}(t)$ or $n_i^{(h)}(t)$超過其搜索范圍
         對$v_i^{(h)}(t)$ or $n_i^{(h)}(t)$再次進(jìn)行隨機(jī)初始化;
       根據(jù)更新后的${{{n}}_i}(t)$,將SDA每個隱藏層的節(jié)點數(shù)分別更新為$n_i^{(1)}(t),n_i^{(2)}(t), ··· ,n_i^{({l_{{\rm{gbest}}}})}(t)$;
       基于實驗數(shù)據(jù),采用式(13)計算粒子i的適應(yīng)度值;
       if(${\rm{fit}} ({{{n}}_i}(t)) < {\rm{fit}} ({{{n}}_{i,{\rm{pbest}}}})$)//若粒子i的適應(yīng)度值小于局部最優(yōu)向量對應(yīng)的適應(yīng)度值,則對局部最優(yōu)向量進(jìn)行更新
        ${{{n}}_{i,{\rm{pbest}}}} \leftarrow {{{n}}_i}(t)$;
      ${{{n}}_{{\rm{gbest}}}} \leftarrow \min \{ {{{n}}_{{\rm{1,pbest}}}},{{{n}}_{{\rm{2,pbest}}}}, ··· ,{{{n}}_{{\rm{NP,pbest}}}}\} $;//采用局部最優(yōu)向量中的最小值更新全局最優(yōu)向量
     迭代結(jié)束后,根據(jù)最終${{{n}}_{{\rm{gbest}}}}$分別將SDA的隱藏層每層節(jié)點數(shù)更新為$n_{{\rm{gbest}}}^{(1)},n_{{\rm{gbest}}}^{(2)}, ··· ,n_{{\rm{gbest}}}^{({l_{{\rm{pbest}}}})}$;
     return 最優(yōu)SDA結(jié)構(gòu)。
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  3  二分類場景不同模型檢測性能

    模型類型基于SAE的異常
    檢測模型
    基于傳統(tǒng)SDA的
    異常檢測模型
    基于一階段尋優(yōu)SDA的
    異常檢測模型
    基于兩階段尋優(yōu)SDA的
    異常檢測模型
    模型結(jié)構(gòu)[28, 3, 2, 2, 2, 1, 3, 3, 3, 2][28, 28, 28, 28, 2][28, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2][28, 3, 2, 2, 2, 1, 3, 3, 3, 2]
    Acc (%)86.2986.5286.5892.68
    DR (%)92.8596.1094.7596.80
    Rec (%)90.0492.6889.2694.48
    FPR (%)4.963.383.512.72
    ${T_{{\rm{tr}}}}$(m)8.248.527.458.50
    ${T_{{\rm{te}}}}$(s)0.180.180.180.18
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  4  多分類場景不同模型檢測性能

    模型類型基于SAE的異常
    檢測模型
    基于傳統(tǒng)SDA的
    異常檢測模型
    基于一階段尋優(yōu)SDA的
    異常檢測模型
    基于兩階段尋優(yōu)SDA的
    異常檢測模型
    模型結(jié)構(gòu)[28, 24, 5][28, 28, 28, 28, 5][28, 25, 5][28, 24, 5]
    Acc (%)84.1284.3184.9685.37
    NormalDR (%)84.5885.3785.8786.34
    Rec (%)96.7496.8897.0197.28
    FPR (%)17.9818.8918.0617.25
    DoSDR (%)94.0894.7494.9295.59
    Rec (%)83.6584.5182.6385.88
    FPR (%)2.052.042.021.72
    ProbeDR (%)79.4275.5879.7183.27
    Rec (%)65.1467.2963.7868.28
    FPR (%)1.782.211.701.34
    R2LDR (%)90.9692.0683.7890.50
    Rec (%)58.2360.9958.3460.23
    FPR (%)0.270.210.570.30
    U2RDR (%)88.0528.6072.5876.19
    Rec (%)2.502.004.503.00
    FPR (%)0.010.030.010.01
    ${T_{{\rm{tr}}}}$(m)3.946.326.545.36
    ${T_{{\rm{te}}}}$(s)0.200.400.410.26
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  5  多分類場景不同模型檢測含噪流量的準(zhǔn)確率

    模型類型Acc (%)
    0.10.20.3
    基于SAE的異常檢測模型81.5779.3176.69
    基于傳統(tǒng)SDA的異常檢測模型83.6383.5483.48
    基于一階段尋優(yōu)SDA的異常檢測模型84.7184.5284.23
    基于兩階段尋優(yōu)SDA的異常檢測模型85.0885.0185.02
    下載: 導(dǎo)出CSV
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出版歷程
  • 收稿日期:  2019-04-18
  • 修回日期:  2019-10-09
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2019-10-16
  • 刊出日期:  2020-03-19

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