基于社區(qū)協(xié)同推薦系統(tǒng)的攻擊研究

曹秀秀

【摘 要】 協(xié)同過濾推薦系統(tǒng)根據(jù)近鄰偏好產(chǎn)生相應(yīng)的推薦，惡意的用戶將設(shè)法影響推薦系統(tǒng)的行為，使其無法產(chǎn)生有用的推薦結(jié)果。討論了惡意用戶攻擊協(xié)同過濾推薦系統(tǒng)的不同方式，評估了近期研究中不同推薦方法的效果，并討論了相應(yīng)的有關(guān)對策。

【關(guān)鍵詞】 推薦系統(tǒng) 協(xié)同過濾 攻擊 效果評估

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，海量信息已充滿整個網(wǎng)絡(luò)，從而產(chǎn)生了信息過載問題，推薦系統(tǒng)是解決這一問題的有效工具。推薦系統(tǒng)是根據(jù)用戶興趣愛好產(chǎn)生推薦結(jié)果的智能化軟件，目前已被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域如電子商務(wù)、社交網(wǎng)絡(luò)、音樂、書籍、電影和廣告等。其中協(xié)同過濾推薦系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的。實際情況中，推薦系統(tǒng)的建議可以影響用戶的購買行為，惡意的用戶會設(shè)法影響推薦系統(tǒng)的行為使其無法產(chǎn)生有用的推薦結(jié)果，這種現(xiàn)象稱之為針對推薦系統(tǒng)的攻擊。本文介紹了推薦系統(tǒng)攻擊的內(nèi)容，討論了基于社區(qū)協(xié)同過濾推薦系統(tǒng)用戶惡意攻擊的不同方式，分析了不同攻擊方式的弱點及相應(yīng)的對策。

1 引言

協(xié)同過濾技術(shù)是當(dāng)前研究推薦系統(tǒng)的一個熱點，它并不需要分析推薦對象的特征屬性。基于社區(qū)協(xié)同過濾推薦系統(tǒng)最能涉及到用戶的誠實、公平和友善，因為只有它們才會被操縱的用戶評分集影響。基于內(nèi)容和基于知識的系統(tǒng)只會受到與系統(tǒng)配置有關(guān)的信息的操控，除非需要從公共數(shù)據(jù)挖掘知識源。所以本文只對基于社區(qū)推薦系統(tǒng)惡意攻擊進(jìn)行了討論。下面簡單的典型例子概述了插入記錄攻擊的基本思想，其是基于內(nèi)存協(xié)同過濾方法的一個簡化版本，使用皮爾遜系數(shù)作為相似度度量方法，近鄰規(guī)模為1。表1為評分矩陣，最后一行為偽造記錄，在沒有該偽造記錄情況下，用戶2是最相似的用戶，該用戶對目標(biāo)物品的評分2（不喜歡）將被作為針對Alice的預(yù)測值。然而，在系統(tǒng)被攻擊的情況下，如表1所示，偽造記錄成為最相似的用戶，這意味著目標(biāo)物品的較高評分將被作為針對Alice的預(yù)測值。

2 攻擊類型

各種攻擊類型之間最大的不同就是攻擊的目的不同，也就是說，目的是要提高目標(biāo)物品的預(yù)測值即推舉攻擊，還是降低其預(yù)測值即打壓攻擊[1]。能否高效地攻擊推薦系統(tǒng)也取決于攻擊者對有關(guān)評分?jǐn)?shù)據(jù)集知識的掌握程度。

2.1 隨機(jī)攻擊

隨機(jī)攻擊由Lam和Riedl（2004）提出[2]。根據(jù)這一方式，插入記錄的所有物品評分會被賦以隨機(jī)值，隨機(jī)值服從數(shù)據(jù)庫中所有評分平均值和標(biāo)準(zhǔn)差決定的正態(tài)分布。其直觀思想是，生成的記錄應(yīng)該包含“常見”的評分，這樣才會被看作許多其他真實記錄的近鄰。

2.2 均值攻擊

均值攻擊比隨機(jī)攻擊稍復(fù)雜些。在這種方法中，每個物品的平均評分被用來確定插入記錄的評分值，根據(jù)這種策略生成的記錄應(yīng)該有更多的近鄰，因為它考慮了已有評分?jǐn)?shù)據(jù)集的更多詳細(xì)內(nèi)容。實驗證明，這種攻擊類型應(yīng)用在基于內(nèi)存的用戶-用戶協(xié)同過濾系統(tǒng)上的效果更明顯，代價是需要額外的知識來確定評分值[3]。

2.3 造勢攻擊

造勢攻擊利用了領(lǐng)域內(nèi)評分?jǐn)?shù)據(jù)庫的其他外部知識，目的是提高插入記錄擁有更多近鄰的機(jī)會。其攻擊的思想是除了對目標(biāo)物品的高評分或低評分之外，讓插入記錄只包含非常熱門物品的高評分[4]。這樣更有可能找到許多有類似主流選擇的近鄰。其典型例子是將一條對《哈利·波特》叢書高度評價的記錄（2007）插入到圖書推薦系統(tǒng)中。這種攻擊類型代價較低，可以很容易確定熱銷物品集合或當(dāng)前的熱門大片。

2.4 局部攻擊

局部攻擊由Mobasher（2005）提出，只針對單個細(xì)分市場的促銷活動會更加有效[5]。當(dāng)設(shè)計推舉攻擊物品A時，主要的問題是識別出對與物品A相似的物品感興趣的用戶群體。局部攻擊會被專門設(shè)計用來誤導(dǎo)基于物品的協(xié)同過濾方法，總的來說，這種類型攻擊隊基于用戶的協(xié)同過濾方法也有效。

3 效果評估

推舉攻擊。基于用戶的協(xié)同推薦系統(tǒng)情況下，通過在MovieLens數(shù)據(jù)集上評估各種攻擊的結(jié)果可以看出，均值攻擊和造勢攻擊都能顯著誤導(dǎo)推薦系統(tǒng)的輸出結(jié)果[6]。攻擊規(guī)模也是影響攻擊效果的一個因素。均值攻擊效果好一些，但它比造勢攻擊需要更多有關(guān)平均物品評分的知識 ?；谀Ｐ蛥f(xié)同的推薦系統(tǒng)情況下，采用相同的操作記錄集合攻擊標(biāo)準(zhǔn)的算法時，實驗證明這類算法遠(yuǎn)遠(yuǎn)比基于用戶的算法更穩(wěn)定。采用相同的數(shù)據(jù)集時，觀察到的預(yù)測值變化只有0.15分，而且還是在15%的數(shù)據(jù)項被偽造的情況下。

打壓攻擊。Mobasher et al.（2007）[7]得出的另一個觀察結(jié)論是，大多數(shù)攻擊類型在抬舉物品時很有效，但用于打壓物品時影響卻很小。專門設(shè)計的打壓攻擊方法卻很有效。同樣，造勢攻擊在打壓物品時比其他方法更有效，但當(dāng)目標(biāo)是要抬高物品時效果就不明顯。雖然能夠觀察到某些預(yù)測值上的變化，但基于物品的方法抵御攻擊的表現(xiàn)還是更為有效。

4 對策

4.1 提高插入成本

讓自動插入變得更加困難是一種直接的防御措施。防止自動生成賬號的 標(biāo)準(zhǔn)方法包括使用Captcha（Von Ahn et al.2003）。Captcha是“區(qū)分計算機(jī)還是人類的完全自動的公開圖靈測試”的縮寫，是一種詢問-響應(yīng)測試，目的是找出系統(tǒng)用戶究竟是計算機(jī)還是人。

4.2 利用基于模型的技術(shù)和額外的信息

選擇能夠?qū)Σ迦胗涗浌舾鼮轸敯舻耐扑]技術(shù)可能是一種防御的方法。此外，要注意盡量采用那種非依賴評分信息的推薦系統(tǒng)，因為評分會在偽造記錄的幫助下被操縱。Massa和Avesani（2007）提出推薦系統(tǒng)也可以利用群體中不同參與者之間的信任信息[8]。

4.3 自動探測攻擊

自動探測攻擊的目標(biāo)是自動探測出評分?jǐn)?shù)據(jù)庫中的可疑記錄。Su等（2005）提出一種方法能夠識別群托攻擊，這種攻擊指的是系統(tǒng)中的多個用戶聯(lián)合起來抬高或打壓某個物品[9]。Zhang等（2006）采用了不同的方法，思想是每種攻擊類型都會隨著時間推移影響某些物品評分值的分布，建議檢測一段時間某些物品的評分值來探測異常并特別構(gòu)造和分析了以下兩個屬性的時間序列：樣本均值，描述物品隨時間變化的可能性；樣本熵，表明物品評分值分布的變化[10]。endprint

5 結(jié)語

推薦系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問，是一種基于私人用戶數(shù)據(jù)的智能化應(yīng)用軟件。因此會成為惡意用戶的攻擊對象，尤其是在基于社區(qū)協(xié)同推薦系統(tǒng)的情況下。因為在很多情況下可以從中獲得金錢利益，比如操縱推薦系統(tǒng)的推薦結(jié)果或者獲取有價值客戶數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限。針對不同的攻擊類型制定相應(yīng)的防御辦法是值得關(guān)注的問題，未來的研究需要業(yè)界的廣泛合作，對研究成果的合理性進(jìn)行驗證，從而提高推薦系統(tǒng)的可靠性和安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]Dietmar Jannach，Markus Zanker，Alexander Felfernig and Gerhard Friedrich.Recommender System [M].2013.

[2]K.Lam and J.Riedl，Shilling recommender systems for fun and profit，Proceedings of the 13th International Conference on World Wide Web，ACM，2004，pp.393-402.

[3]張富國，徐升華.推薦系統(tǒng)安全問題及技術(shù)研究綜述.計算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25：656-659.

[4]伍之昂，王有權(quán)，曹杰.推薦系統(tǒng)托攻擊模型與檢測技術(shù)[J].科學(xué)通報，2014.551-560.

[5]Mobasher，R.Bhamik，and C.Williams，Effective attack models for shilling item-based collaborative filtering systems，Proceedings of the 2005 WebKDD Workshop，ACM，2005，pp.13-23.

[6]伍之昂，莊毅，王有權(quán)，等.基于特征選擇的推薦系統(tǒng)托攻擊檢測算法.電子學(xué)報，2012，40：1687-1693.

[7]Mobasher，R.Bhamik，and C.Williams，Toward trustworthy recommender systems：An analysis of attack models and algorithm robustness，ACM Transactions on Internet Techonoldy 7 （2007），no.4，23.

[8]Massa and P.Avesani，Trust-aware recommender systems. Proceedings of the 2007 ACM Conference on Recommender Systems（RecSys07） （Minneapolis，MN），ACM，2007，pp.12-24.

[9]X.F.Su，H.-J.Zeng，and Z.Chen，F(xiàn)inding group shilling in recommendation system，Special Interest Tracks anf Posters of the 14th International Conference on World Wide Web（WWW05）（Chiba，Japan），ACM.2005.pp.960-961.

[10]Zhang，A.Chakrabarti，J.Ford and F.Makedon，Attack detection in time series for recommender systems，Proceedings of the 12th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining （KDD06） （Philadelphia），ACM，2006，pp.809-814.endprint