群體智能在入侵檢測(cè)特征選擇中的應(yīng)用綜述

粱本來(lái)

摘要：群體智能在特征選擇中的研究與應(yīng)用是當(dāng)今入侵檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。參閱大量相關(guān)文獻(xiàn)，分析不同群體智能優(yōu)化算法求解特征子集的應(yīng)用及改進(jìn)方法，總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)。列舉了一些不同群體智能優(yōu)化算法的結(jié)合及改進(jìn)方法，取得了較為明顯的效果，這也是今后入侵檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)研究趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：特征選擇;特征子集;群體智能;入侵檢測(cè);信息安全

中圖分類號(hào)：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）19-0030-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（0SID）：

1 引言

信息化時(shí)代，信息安全問(wèn)題日益突出，防火墻（FW）、入侵檢測(cè)系統(tǒng)（IDS）等安全設(shè)備變得愈加重要。不同于FW設(shè)備被動(dòng)地執(zhí)行策略防護(hù)內(nèi)網(wǎng)，IDS能夠主動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)入侵行為，彌補(bǔ)FW的不足，全面保護(hù)內(nèi)網(wǎng)安全。

IDS從實(shí)現(xiàn)模式上分為誤用檢測(cè)系統(tǒng)和異常檢測(cè)系統(tǒng)。誤用檢測(cè)系統(tǒng)建立已知入侵特征庫(kù)，如果網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)行為匹配該特征庫(kù)，則被識(shí)別為人侵行為。該系統(tǒng)查準(zhǔn)率較高，但缺點(diǎn)也很明顯，不能識(shí)別未知入侵行為，因此實(shí)用價(jià)值相對(duì)較低[1]。異常檢測(cè)系統(tǒng)建立正常的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)行為特征庫(kù)，如果某條訪問(wèn)行為與特征庫(kù)匹配偏差較大，則被識(shí)別為人侵行為。該系統(tǒng)可以識(shí)別未知入侵，因此成為學(xué)者的研究熱點(diǎn)[2]。但如今的網(wǎng)絡(luò)信息量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)流量包含大量的特征信息，使得異常檢測(cè)系統(tǒng)的行為特征庫(kù)難以被全面準(zhǔn)確地建立。為解決這一關(guān)鍵問(wèn)題，越來(lái)越多的文獻(xiàn)采用群體智能優(yōu)化算法求解特征子集，以求最大程度去除冗余特征，從而提升IDS模型的檢測(cè)性能。

2 群體智能算法概述

群體智能（SI）是對(duì)群體動(dòng)物行為的模仿基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)造的一種智能優(yōu)化算法，是一組自由個(gè)體通過(guò)相互協(xié)作對(duì)設(shè)定目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)的啟發(fā)式搜索算法[3]。在入侵檢測(cè)領(lǐng)域中，大量文獻(xiàn)是基于蟻群算法、粒子群算法等SI算法進(jìn)行改進(jìn)求解特征子集，使得IDS模型的檢測(cè)性能在特定條件下得到一定程度的提升。

3 群體智能在入侵檢測(cè)特征選擇中的應(yīng)用研究

3.1 蟻群算法

Marco Dorigo于1992年提出蟻群算法（AC0）[4]。螞蟻個(gè)體之間通過(guò)傳遞信息素，可以搜索到達(dá)食物的最優(yōu)路徑。傳統(tǒng)ACO通常用來(lái)求解最短路徑，改進(jìn)ACO可以用于求解特征子集。

文獻(xiàn)[5]將網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)行為特征點(diǎn)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的拓?fù)?，利用ACO求解特征子集，該文獻(xiàn)較為完整地介紹了ACO在特征向量圖中搜索特征子集的過(guò)程。文獻(xiàn)[6]對(duì)ACO進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)置動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)，更進(jìn)一步去除了冗余特征。

3.2 粒子群算法

James Kennedy等學(xué)者于1995年提出粒子群算法（PS0）[7]。鳥(niǎo)群中的個(gè)體被抽象為粒子，每個(gè)粒子都是一個(gè)潛在解，并通過(guò)追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)粒子來(lái)尋找最優(yōu)解。

文獻(xiàn)[8]提出一種新的變異策略改進(jìn)PSO算法，提升了全局搜索性能。文獻(xiàn)[9]提出一種改進(jìn)粒子群聯(lián)合禁忌搜索的特征選擇算法IPSO-TS，較為有效地去除了冗余特征。

3.3 人工蜂群算法

Karaboga于2005年提出人工蜂群算法（ABC）[10]。蜜源相當(dāng)于可行解，通過(guò)蜂群個(gè)體之間協(xié)作，可以實(shí)現(xiàn)采蜜蜂、旁觀蜂、偵查蜂三種角色之間的智能轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)多次迭代后求得最優(yōu)解。

文獻(xiàn)[11]改進(jìn)了ABC算法，采用模糊C-means分類計(jì)數(shù)劃分訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，采用基于相關(guān)性的特征選擇（CFS）刪除相關(guān)度低的特征。文獻(xiàn)[12]將ABC算法用于優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差為ABC算法的適應(yīng)度，提高了IDS模型的檢測(cè)精度。

3.4飛蛾撲火算法

Mirjalili于2015年提出飛蛾撲火算法（MFO）。飛蛾根據(jù)自身火焰更新位置，迭代求出最優(yōu)解，其中火焰是飛蛾目前為止的最佳位置[13]。文獻(xiàn)[14]中提出一種飛蛾混沌捕焰優(yōu)化算法，采用縱橫交叉機(jī)制，提高了算法精確度。

3.5 蝙蝠算法

Yang教授于2010年提出蝙蝠算法（BA），通過(guò)模擬蝙蝠群體搜索獵物的行為來(lái)搜索全局最優(yōu)解[15]。

文獻(xiàn)[16]通過(guò)BA算法提升網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)模型的運(yùn)行效率、精度和可靠性。文獻(xiàn)[17]提出一種蝙蝠算法聯(lián)合選擇特征和分類器參數(shù)的入侵檢測(cè)模型，有效地減少了冗余特征，提高了IDS模型的檢測(cè)率。

3.6 灰狼優(yōu)化算法

Seyedali Mirj alili于2014年提出灰狼優(yōu)化算法（GWO）[18]，通過(guò)模仿自然界灰狼的領(lǐng)導(dǎo)層次和狩獵機(jī)制，分為四種角色和三大步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)最優(yōu)解的尋找。

Jitendra Kumar Seth最先將GWO算法用于入侵檢測(cè)特征選擇，實(shí)驗(yàn)表明GWO算法效果較優(yōu)[19]。文獻(xiàn)[20]提出用于入侵檢測(cè)特征選擇的DGSBGWO算法，該算法基于距離貪心策略改進(jìn)傳統(tǒng)GWO算法，有效精簡(jiǎn)了特征子集，進(jìn)一步去除了冗余特征。

3.7 群體智能算法的對(duì)比分析

參閱以上文獻(xiàn)，分析不同SI算法在求解特征子集問(wèn)題中的優(yōu)缺點(diǎn)，匯總于表1。

分析表1，可以看出每種SI算法均存在一定的優(yōu)缺點(diǎn)，使用單一的SI算法難以更進(jìn)一步有效提取特征子集，使得IDS模型的檢測(cè)性能提升面臨瓶頸問(wèn)題。

4 群體智能算法的研究趨勢(shì)

為解決單-SI算法固有的缺點(diǎn)，已有一些文獻(xiàn)研究不同SI算法之間的結(jié)合及改進(jìn)。文獻(xiàn)[21]結(jié)合PSO算法及MFO算法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種融合PSO的二進(jìn)制飛蛾撲火優(yōu)化算法（BPMFO）。實(shí)驗(yàn)表明，該算法求解的特征子集精度較高，效率和穩(wěn)定性也有明顯優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[22]提出一種ACO算法和遺傳算法（GA）相結(jié)合的IDS模型，首先通過(guò)GA算法對(duì)特征初步降維，然后使用ACO算法進(jìn)一步求解特征子集。實(shí)驗(yàn)表明，該IDS模型的召回率和查準(zhǔn)率較高，顯著提升了檢測(cè)性能。

目前為止，不同SI算法的結(jié)合改進(jìn)研究與應(yīng)用仍處于起步階段，可參閱文獻(xiàn)不多，但通過(guò)文獻(xiàn)[21-22]的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其效果，這將是今后入侵檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)。

5 結(jié)論

利用SI算法進(jìn)行特征選擇是入侵檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，本文分析了一些常見(jiàn)的SI算法求解特征子集的應(yīng)用及改進(jìn)方法，總結(jié)了不同SI算法的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)單-SI算法的缺點(diǎn)，筆者參閱文獻(xiàn)列舉出了一些不同SI算法的結(jié)合及改進(jìn)方法，這些方法取得了較為明顯的效果，也是今后入侵檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)研究趨勢(shì)。

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【通聯(lián)編輯：代影】

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作者簡(jiǎn)介：梁本來(lái)（1983-），山東濟(jì)寧人，副教授，碩士研究生，CCF會(huì)員（66132M），研究方向?yàn)樾畔踩c人工智能。