基于復(fù)雜樣本的安全態(tài)勢(shì)要素分類架構(gòu)

何春蓉，朱 江，張 欣

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

近年來，隨著云計(jì)算、5G通信、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn)，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求大幅度增加。然而，由于網(wǎng)絡(luò)收集和存儲(chǔ)了大量用戶的隱私數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)安全治理問題引起了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知[1]主要是獲取、理解、評(píng)估導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)變化的網(wǎng)絡(luò)安全要素信息，并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)、動(dòng)態(tài)的安全防御。態(tài)勢(shì)要素獲取是進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知的重要前提和基礎(chǔ)，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)生的具有海量、異構(gòu)、多維等特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和識(shí)別，并最終形成態(tài)勢(shì)要素。

態(tài)勢(shì)要素分類處理的數(shù)據(jù)是異構(gòu)、多維的，直接處理會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)性差、分類精度較低。特征降維方法能夠很好地降低高維數(shù)據(jù)、提取重要特征、消除冗余特征。因此，解決態(tài)勢(shì)要素獲取的關(guān)鍵是找到一種數(shù)據(jù)降維的方法，在低維空間進(jìn)行分類，提高分類精度[2]。如文獻(xiàn)[3]提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network，CNN)的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)模型，采用不同的降維方法去除網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)中的冗余和不相關(guān)特征，利用CNN自動(dòng)提取降維數(shù)據(jù)的特征，通過監(jiān)督學(xué)習(xí)提取更有效的入侵識(shí)別信息；文獻(xiàn)[4]提出一種基于反向傳播的深度自編碼網(wǎng)絡(luò)(deep auto-encoder network-back propagation，DAN-BP)的入侵檢測(cè)模型，訓(xùn)練DAN獲得低維特征數(shù)據(jù)集，然后利用BP算法對(duì)學(xué)習(xí)到的低維數(shù)據(jù)進(jìn)行分類識(shí)別；文獻(xiàn)[5]提出一種結(jié)合集成K-means聚類和自編碼器(ensemble K-means and auto-encoder，EKM-AE)的入侵檢測(cè)方法，該方法利用訓(xùn)練好的自編碼器進(jìn)行入侵檢測(cè)；文獻(xiàn)[6]提出結(jié)合深度堆棧編碼器和反向傳播算法的安全態(tài)勢(shì)要素提取方法，利用編碼器提取數(shù)據(jù)集特征進(jìn)行降維。以上方法雖然在一定程度上解決了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)冗余的問題，卻沒有考慮到現(xiàn)實(shí)中收集到的網(wǎng)絡(luò)攻擊數(shù)據(jù)中各類攻擊記錄存在數(shù)量不平衡的問題，從而導(dǎo)致小樣本訓(xùn)練不充分，分類精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大類樣本的問題。

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過組合低層特征形成抽象的高層表示，可以自動(dòng)提取高級(jí)潛在特征并進(jìn)行分類，無需人工干預(yù)[7-9]。為了更好地處理異構(gòu)、多維的網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)，提升復(fù)雜樣本的分類精度，本文提出一種基于條件變分自編碼(conditional variational auto-encoder，CVAE)[10]網(wǎng)絡(luò)的安全態(tài)勢(shì)要素分類架構(gòu)。CVAE是一種重要的生成模型，主要包括編碼網(wǎng)絡(luò)和生成網(wǎng)絡(luò)，且結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的。在編碼網(wǎng)絡(luò)中嵌入一個(gè)獨(dú)熱編碼的標(biāo)簽向量進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)；將指定標(biāo)簽的低維隱變量輸入生成網(wǎng)絡(luò)中，生成指定的新攻擊樣本，提高復(fù)雜樣本的分類精度。同時(shí)混合密度模型的使用優(yōu)化了條件變分自編碼網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力，提高了生成網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)數(shù)據(jù)的相似性[11]。本文的主要研究內(nèi)容如下。

1)訓(xùn)練基于混合密度模型的深度條件變分自編碼網(wǎng)絡(luò)(mixture density networks-deep conditional variational auto-encoder，MDN-DCVAE)，使用訓(xùn)練樣本訓(xùn)練MDN-DCVAE，并記錄訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中每類攻擊樣本的最大重構(gòu)損失值。

2)利用MDN-DCVAE生成網(wǎng)絡(luò)生成指定類別的新攻擊樣本，根據(jù)1)中保存下來的類別最大重構(gòu)損失篩選新攻擊樣本，將符合條件的新生成的攻擊樣本合并到原始訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中。

3)進(jìn)行分類、合并后的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集用于訓(xùn)練分類器，訓(xùn)練后的分類器用于識(shí)別測(cè)試數(shù)據(jù)集中的攻擊。

1 基于MDN-DCVAE的安全態(tài)勢(shì)要素分類架構(gòu)

為了解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中采集到的大規(guī)模復(fù)雜安全數(shù)據(jù)的分類問題，本文提出一種面向復(fù)雜樣本，基于深度條件變分自編碼網(wǎng)絡(luò)的安全態(tài)勢(shì)要素分類架構(gòu)，并從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、模型訓(xùn)練、樣本擴(kuò)充和樣本分類進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文所提具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，該架構(gòu)中CVAE網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題是如何采樣隱變量z去重構(gòu)原始樣本，而隱變量z是一個(gè)未知且復(fù)雜的分布，因此，無法隨意選擇它的分布。一個(gè)可行的方案是在生成網(wǎng)絡(luò)之前加一個(gè)編碼網(wǎng)絡(luò)，將訓(xùn)練樣本及其標(biāo)簽c一起輸入編碼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練來獲得隱變量z的分布[12]，根據(jù)不同的樣本標(biāo)簽將訓(xùn)練樣本強(qiáng)制分配到不同的分布中，即隱變量z在低維特征空間中按類別分布。生成網(wǎng)絡(luò)擁有同編碼網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將隱變量z盡可能地重構(gòu)為原始樣本。比較重構(gòu)樣本和原始樣本的區(qū)別，通過損失函數(shù)衡量網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的程度，得到最佳的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值等參數(shù)。

圖1 安全態(tài)勢(shì)要素分類架構(gòu)

1)樣本的擴(kuò)充。該部分主要由生成網(wǎng)絡(luò)和混合密度模型組成，通過輸入指定樣本標(biāo)簽生成攻擊樣本，從而平衡訓(xùn)練數(shù)據(jù)，提高少數(shù)攻擊的分類精度?；旌厦芏饶Ｐ蛯?duì)樣本擴(kuò)充的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在模型的損失函數(shù)上。

2)樣本的分類。采用MDN-DCVAE中的編碼網(wǎng)絡(luò)作為分類器，由編碼網(wǎng)絡(luò)去掉最后一層后加上一層softmax網(wǎng)絡(luò)組成，其訓(xùn)練過程分2步進(jìn)行：①采用編碼網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值初始化基分類器的隱藏層權(quán)值；②生成網(wǎng)絡(luò)生成新的攻擊記錄與原始訓(xùn)練集合并后對(duì)分類器進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)，微調(diào)分類器權(quán)值，訓(xùn)練好后的分類器用于復(fù)雜樣本的分類。

1.2 模型訓(xùn)練

分類架構(gòu)中，主要包括2個(gè)操作：樣本的擴(kuò)充和樣本的分類。采用訓(xùn)練好的生成網(wǎng)絡(luò)用于樣本擴(kuò)充，編碼網(wǎng)絡(luò)用于樣本的分類，因此，需要對(duì)模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，得到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并保存下來，直接加載訓(xùn)練好的模型進(jìn)行樣本的擴(kuò)充和分類。下面對(duì)該模型的主要訓(xùn)練過程及原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2.1 DCVAE模型

深度條件變分自編碼網(wǎng)絡(luò)主要包含2部分：編碼網(wǎng)絡(luò)和生成網(wǎng)絡(luò)。使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要是利用其自動(dòng)提取高級(jí)特征的特性，可以更好地解決復(fù)雜、大規(guī)模、非線性的網(wǎng)絡(luò)攻擊樣本的分類問題。模型訓(xùn)練的具體過程如下。

步驟1本文的訓(xùn)練數(shù)據(jù)為多維的攻擊數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，假設(shè)輸入的安全樣本集為x=[x1,x2,…,xi]，對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽集為c=[c1,c2,…,ci]，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入i個(gè)樣本，每個(gè)樣本有n個(gè)維度，具體表示為

(1)

(2)

(1)—(2)式中：xi為單個(gè)的多維網(wǎng)絡(luò)攻擊數(shù)據(jù)點(diǎn)；ci為該網(wǎng)絡(luò)攻擊數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽；n、k為數(shù)據(jù)預(yù)處理后的維度。由于攻擊數(shù)據(jù)具有多個(gè)屬性，屬性中存在離散變量和連續(xù)變量，預(yù)處理中對(duì)所有的離散變量進(jìn)行獨(dú)熱編碼，對(duì)所有的連續(xù)變量進(jìn)行歸一化操作。

步驟2將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入編碼網(wǎng)絡(luò)，求得編碼網(wǎng)絡(luò)的概率分布參數(shù)(均值和方差)并從中采樣出低維隱變量z的采樣值。將采樣后的隱變量z及其相應(yīng)的標(biāo)簽輸入進(jìn)生成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的重構(gòu)。

步驟3根據(jù)模型的損失函數(shù)不斷優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，為了簡單處理，將網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)分解為多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)損失的總和。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)xi的損失函數(shù)lDCVAE(xi,ci,φ,θ)表示為

logp(xi|ci)≥lDCVAE(xi,ci,φ,θ)=

-DKL(qφ(z|xi,ci)‖pθ(z|ci))+

Eqφ(z|xi,ci)(logpθ(xi|z,ci))=

-DKL(qφ(z|xi,ci)‖pθ(z|ci))+

(3)

(3)式中，φ和θ為編碼網(wǎng)絡(luò)和生成網(wǎng)絡(luò)中需要學(xué)習(xí)的參數(shù)；qφ(z|xi,ci)為編碼網(wǎng)絡(luò)的概率分布；pθ(xi|z,ci)為生成網(wǎng)絡(luò)的概率分布，用于衡量通過隱變量z重建出原始樣本x的可能性。該損失函數(shù)包含2個(gè)部分：正則化和重構(gòu)損失項(xiàng)。第1項(xiàng)為近似概率qφ(z|xi,ci)和條件概率pθ(xi|z,ci)的KL散度(正則化)，用于衡量這2個(gè)不同分布的相似性。其中，qφ(z|xi,ci)為均值為μ，方差為δ2的正態(tài)分布，記為N(μ,δ2)，通過該分布在給定樣本及標(biāo)簽的情況下獲得重構(gòu)該樣本的隱變量z；pθ(xi|z,ci)是均值為μc，方差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，記為N(μc,1)。如果編碼網(wǎng)絡(luò)輸出的近似分布qφ(z|xi,ci)和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布pθ(xi|z,ci)不同，它在損失函數(shù)中將受到懲罰。第2項(xiàng)為生成網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)損失項(xiàng)，迫使生成網(wǎng)絡(luò)pθ(xi|z,ci)盡可能地將隱變量z重構(gòu)為原始樣本，否則將在損失函數(shù)中受到相應(yīng)的懲罰。

1.2.2 基于混合密度模型的DCVAE模型

DCVAE模型訓(xùn)練的損失函數(shù)越小，說明模型訓(xùn)練得越好，其中，損失函數(shù)的重構(gòu)損失項(xiàng)衡量了重構(gòu)樣本的準(zhǔn)確性。MDN可以通過對(duì)每個(gè)混合成分求取權(quán)重系數(shù)并進(jìn)行線性組合來建模目標(biāo)數(shù)據(jù)的條件概率分布，得到每個(gè)輸出值的概率，以獲得數(shù)據(jù)的完整表示[12-14]。本文提出生成網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合MDN來生成重構(gòu)樣本，利用混合密度模型優(yōu)化條件變分自編碼器的特征提取能力，提高重構(gòu)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，得到更準(zhǔn)確的重構(gòu)樣本，其貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在模型訓(xùn)練的損失函數(shù)中，具體的實(shí)施方法如下。

在給定輸入隱變量z時(shí)，通過生成網(wǎng)絡(luò)和混合密度模型得到重構(gòu)數(shù)據(jù)的概率密度函數(shù)，其具體定義為

(4)

(4)式中：m為高斯分布中混合成分的個(gè)數(shù)；αj為第j個(gè)成分的權(quán)重系數(shù)；μj和δj分別為混合高斯分布第j個(gè)成分的均值和方差。

為了確?；旌厦芏饶Ｐ偷妮敵鰠?shù)能夠形成有效的分布，需要將輸出參數(shù)通過適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)進(jìn)行處理以確保其值在有意義的范圍內(nèi)。(5)式使用softmax函數(shù)約束混合權(quán)重為正且和為1，(6)式約束標(biāo)準(zhǔn)差為正。具體的處理方式為

(5)

(6)

(7)

(5)—(7)式中，αj、δj、μj分別為混合密度模型輸出的第j個(gè)分布的混合權(quán)重、方差和均值。因此，基于混合密度模型的DCVAE的損失函數(shù)重新定義為

logp(xi|ci)≥lMDN-DCVAE(xi,ci,φ,θ)=

-DKL(qφ(z|xi,ci)‖pθ(z|ci))+

Eqφ(z|xi,ci)(logpθ(xi|z,ci))=

-DKL(qφ(z|xi,ci)‖pθ(z|ci))+

(8)

在網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程中，使用Adam算法訓(xùn)練MDN-DCVAE，最小化模型損失函數(shù)以得到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)φ和θ。由于梯度下降算法的反向傳播過程無法處理從中采樣得到的隱變量z，因此，對(duì)其采用重采樣操作將z重新參數(shù)化為確定性函數(shù)，具體方法為

z=μ+δζ，ζ～N(0,1)

(9)

(9)式中：μ為編碼器輸出的均值；δ為方差。

1.3 樣本的擴(kuò)充

采用訓(xùn)練好的生成網(wǎng)絡(luò)用于樣本擴(kuò)充，然而生成網(wǎng)絡(luò)生成的新攻擊樣本可能存在較大差異，新生成的樣本可能會(huì)偏離原來的攻擊樣本分布。為了更好地選擇新生成的攻擊樣本，該架構(gòu)根據(jù)類別計(jì)算每個(gè)訓(xùn)練樣本的重構(gòu)損失，然后以每個(gè)類的最大重構(gòu)損失作為篩選標(biāo)準(zhǔn)，挑選適合的樣本數(shù)據(jù)，其具體操作如下。

生成網(wǎng)絡(luò)pθ(xi|z,ci)聯(lián)合MDN，其概率密度函數(shù)為

(10)

數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)似然函數(shù)為

l(xi,ci)=logpθ(xi|z,ci)=

(11)

(4)式中，L為隱變量z的采樣個(gè)數(shù)，通常為1。

生成網(wǎng)絡(luò)輸出MDN的混合權(quán)重、方差和均值，然后求得該類別生成樣本的損失值。將損失值與訓(xùn)練模型時(shí)保存的每類攻擊樣本的最大重構(gòu)損失值進(jìn)行對(duì)比。假設(shè)某類別的最大重構(gòu)損失為

maxL=max(l(xi,ci))

(12)

以該類別的最大重構(gòu)損失值maxL作為選取新攻擊樣本的篩選標(biāo)準(zhǔn)。若新生成的樣本的重構(gòu)損失大于該類的最大損失，則丟棄此樣本，反之，將其融入新訓(xùn)練樣本集中對(duì)編碼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行微調(diào)。

1.4 樣本的分類

采用訓(xùn)練好的DCVAE網(wǎng)絡(luò)中的編碼網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，去掉最后一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用softmax網(wǎng)絡(luò)代替。作為一種有監(jiān)督的分類器，softmax網(wǎng)絡(luò)可以很好地學(xué)習(xí)類別同數(shù)據(jù)之間的特征關(guān)系，對(duì)編碼網(wǎng)絡(luò)提取到的低維態(tài)勢(shì)特征向量進(jìn)行分類并微調(diào)整個(gè)分類器。softmax將多個(gè)神經(jīng)元的輸出映射為(0,1)的實(shí)數(shù)，并保證它們的和為1，通過softmax函數(shù)就可以將多分類的輸出值轉(zhuǎn)換為(0,1)且和為1的概率分布。假設(shè)編碼網(wǎng)絡(luò)輸出的低維矢量為X，其類別為c，則屬于該類別的概率計(jì)算式為

yc=p(Y=c|X,W,b)=

(13)

式(13)中，W和b為最后邏輯回歸層的權(quán)重和偏置值；I為輸出節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，即分類的類別個(gè)數(shù)。

2 態(tài)勢(shì)要素獲取算法流程

本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為分類器對(duì)獲取的網(wǎng)絡(luò)安全樣本進(jìn)行分類識(shí)別。針對(duì)其高維性，采用條件變分自編碼網(wǎng)絡(luò)中的編碼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行降維處理，同時(shí)生成網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合混合密度模型用于擴(kuò)充樣本數(shù)量較少的攻擊數(shù)據(jù)，提高生成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，其貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在模型訓(xùn)練的損失函數(shù)中。算法流程如圖2所示，主要包含3個(gè)步驟。

圖2 態(tài)勢(shì)要素獲取算法流程

步驟1MDN-DCVAE模型訓(xùn)練。該模型主要由編碼網(wǎng)絡(luò)、生成網(wǎng)絡(luò)、混合密度模型3部分組成。

步驟2樣本的擴(kuò)充。利用生成網(wǎng)絡(luò)生成新的攻擊樣本，將符合的樣本與原始訓(xùn)練集合并形成新的訓(xùn)練集。

步驟3樣本的分類。訓(xùn)練好的編碼網(wǎng)絡(luò)去掉最后一層，然后加上一層softmax網(wǎng)絡(luò)組成分類器，通過反向傳播微調(diào)分類器，得到最優(yōu)的分類模型，將測(cè)試數(shù)據(jù)集輸入分類器得到分類結(jié)果。

3 仿真分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)的選取

本文實(shí)驗(yàn)使用的是NSL-KDD數(shù)據(jù)集，它是KDD-CUP99數(shù)據(jù)集的改進(jìn)版本。訓(xùn)練集主要由21種攻擊類型組成，并且測(cè)試集中額外有16種訓(xùn)練集不包含的攻擊類型，攻擊主要分為4大類：DOS攻擊、U2R攻擊、R2L攻擊和Probe攻擊，其余為正常數(shù)據(jù)，每類樣本都有相應(yīng)的標(biāo)簽。NSL-KDD訓(xùn)練集和測(cè)試集中每個(gè)類別的具體個(gè)數(shù)如表1所示。

表1 NSL-KDD數(shù)據(jù)集類別分布

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

NSL-KDD數(shù)據(jù)集有41個(gè)特征，其中有9維連續(xù)變量，32維離散變量。對(duì)所有的離散變量進(jìn)行獨(dú)熱編碼，對(duì)所有的連續(xù)變量進(jìn)行歸一化操作，然后將每條記錄擴(kuò)展為121維特征向量。采用下面的方法對(duì)連續(xù)變量進(jìn)行歸一化處理

(14)

(14)式中：x′為歸一化后的數(shù)據(jù)；xmin、xmax為輸入數(shù)據(jù)每個(gè)特征的最小值和最大值。

本文的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：Windows 10操作系統(tǒng)，python3.7環(huán)境下采用Keras深度學(xué)習(xí)框架進(jìn)行模型訓(xùn)練和測(cè)試。硬件配置為：64位操作系統(tǒng)，處理器為Inter(R)Core(TM)i5-8500 CPU 4.00 GHz。

3.3 最優(yōu)模型結(jié)構(gòu)的確定

基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的條件變分自編碼器，其降維效果依賴于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(deep neural network，DNN)的結(jié)構(gòu)。隨著層數(shù)的增加，編碼網(wǎng)絡(luò)對(duì)于原始數(shù)據(jù)的特征提取能力逐漸增強(qiáng)，但層數(shù)過多也可能會(huì)降低模型的泛化能力。同時(shí)通過文獻(xiàn)[15]可知，隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)于分類結(jié)果同樣非常重要。由于DNN具有自動(dòng)提取特征的能力，因此，隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)量以2的倍數(shù)遞減的方式進(jìn)行設(shè)置，其值為{100，80，60，40，10}。為了得到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)置不同深度和不同隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)的條件變分自編碼器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選取性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)置作為最終的模型結(jié)構(gòu)。由于本文模型使用的誤差函數(shù)是根據(jù)模型的優(yōu)化情況進(jìn)行改進(jìn)的，因此，本文采用計(jì)算得到的誤差函數(shù)來評(píng)價(jià)模型訓(xùn)練的好壞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)的模型分類精度

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，該模型在NSL-KDD數(shù)據(jù)集上的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為121-80-40-10-5，其中，訓(xùn)練數(shù)據(jù)通過預(yù)處理后的維度為121維，需要分類的攻擊類型為5類。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，輸入層有121個(gè)神經(jīng)元，低維輸出層有5個(gè)神經(jīng)元。5層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的DNN具有更小的訓(xùn)練誤差，層數(shù)過深或過淺都會(huì)導(dǎo)致誤差增加，因此，選取5層的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為條件變分自編碼器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)降維和分類。

分別訓(xùn)練具有以上4種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的MDN-DCVAE，并將訓(xùn)練好的編碼網(wǎng)絡(luò)作為分類器比較不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)攻擊的分類效果，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，模型在未進(jìn)行數(shù)據(jù)平衡之前，每種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)計(jì)算出來的攻擊的分類精度都不同。具有5層深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的模型具有更好的分類精度。隱含層較多會(huì)降低模型的泛化能力，提高模型的抽象能力，數(shù)據(jù)處理時(shí)反而會(huì)曲解原始信息，從而降低分類精度；隱含層過少，模型的抽象能力較差，無法高度概括數(shù)據(jù)的隱含特征，也會(huì)降低模型的分類精度。

圖3 各模型分類精度比較

3.4 降維效果分析

本文提出條件變分自編碼器用于高維數(shù)據(jù)的降維，同時(shí)迫使多類別的數(shù)據(jù)在低維空間根據(jù)類別聚類。為了更清楚地突出MDN-DCVAE的降維優(yōu)勢(shì)，將其同主成分分析(principal component analysis，PCA)法、傳統(tǒng)自編碼(auto-encoder，AE)網(wǎng)絡(luò)的降維效果進(jìn)行比較，得到的可視化效果圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中使用以上方法將輸入的高維數(shù)據(jù)降維并投影至2維空間。在圖4中，相同顏色的圓點(diǎn)為同一類別的數(shù)據(jù)。如果相同顏色的圓點(diǎn)靠得越近，能夠輕易地與其他顏色的圓點(diǎn)分開，則降維效果越好。

圖4 各模型降維效果對(duì)比圖

對(duì)比圖4的圖片可以看出，本文所提出的MDN-DCVAE相比其他模型具有更好的降維效果。由于MDN-DCVAE的方法為非線性降維，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以將高維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低維數(shù)據(jù)，隨著網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的增加，能夠提取更多數(shù)據(jù)的抽象特征，因此，提供了比主成分分析更強(qiáng)大的非線性泛化能力。而PCA是線性降維方法，將其用于非線性數(shù)據(jù)的特征提取將會(huì)損失大部分的特征信息，如果需要使用PCA用于非線性數(shù)據(jù)特征的提取，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)或與其他模型進(jìn)行結(jié)合，彌補(bǔ)其處理數(shù)據(jù)的缺陷。傳統(tǒng)的AE網(wǎng)絡(luò)相比深度自編碼網(wǎng)絡(luò)具有較少的隱藏層，因此，對(duì)數(shù)據(jù)抽象特征的提取能力遠(yuǎn)不及MDN-DCVAE，降維效果不理想。

3.5 MDN-DCVAE對(duì)小類樣本數(shù)據(jù)的影響

從表1可以看出，NSL-KDD數(shù)據(jù)集是不平衡的，其中U2R和R2L只有少量記錄。分別用MDN-DCVAE和DCVAE的生成網(wǎng)絡(luò)生成指定類別的多條記錄來平衡訓(xùn)練數(shù)據(jù)，使得每種類別的數(shù)據(jù)數(shù)量相同，結(jié)果如表3所示。

表3 NSL-KDD數(shù)據(jù)集平衡后的樣本數(shù)

平衡數(shù)據(jù)后微調(diào)模型再做分類處理，將數(shù)據(jù)輸入微調(diào)后的分類器進(jìn)行分類精度的比較，結(jié)果如圖5所示。

圖5 平衡數(shù)據(jù)前后精度對(duì)比圖

從圖5可以看出，在樣本擴(kuò)充前，由于U2R和R2L記錄較少，模型并未很好地提取到該類別的特征，導(dǎo)致分類精度較低，但MDN-DCVAE相對(duì)于DCVAE具有較高的分類精度，說明本文所提模型中混合密度模型的使用可以提高重構(gòu)數(shù)據(jù)的相似性，得到更準(zhǔn)確的重構(gòu)樣本。樣本擴(kuò)充后，每個(gè)類別數(shù)據(jù)的數(shù)量相同，模型可以公平地捕捉每個(gè)類別的特征，因此，較少數(shù)量樣本的分類精度有所提高。

3.6 分類器收斂性分析

本文采用MDN-DCVAE的編碼網(wǎng)絡(luò)作為分類器，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為3.3節(jié)確定下來的5層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖6為分類器的誤差變化情況，圖7為分類精度變化情況。從圖6、圖7可以看出，隨著迭代次數(shù)的增加，誤差逐漸降低，分類精度逐漸增大，網(wǎng)絡(luò)達(dá)到收斂。說明本文提出的模型框架具有較好訓(xùn)練效果和泛化能力。

圖6 誤差隨迭代次數(shù)的變化曲線

圖7 精度隨迭代次數(shù)的變化曲線

3.7 分類精度分析與比較

為了評(píng)估本文所提模型的攻擊分類能力，將本文方法同傳統(tǒng)AE、未做任何改進(jìn)的CVAE、基于支持向量機(jī)的核主成分分析法(kernelized principal component analysis-support vector machine，KPCA-AVM)[16]和DAN-BP[4]進(jìn)行比較，其中，AE和CVAE均采用本文網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定方法，采用3層感知機(jī)結(jié)構(gòu)，以交叉熵作為損失函數(shù)，激活函數(shù)為relu，迭代次數(shù)、學(xué)習(xí)率和本文方法相同；DAN-BP[4]使用DAN獲得新的低維特征數(shù)據(jù)集，利用BP算法對(duì)學(xué)習(xí)到的低維數(shù)據(jù)進(jìn)行分類識(shí)別；DAN采用5層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；BP采用4層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；KPCA-AVM[16]中，SVM的核函數(shù)采用高斯函數(shù)，正則化參數(shù)設(shè)置為1.35。將測(cè)試集輸入進(jìn)訓(xùn)練好的模型后得出分類結(jié)果，如表4所示。

表4 不同方案的態(tài)勢(shì)要素獲取精度

4 結(jié)束語

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)具有多維、異構(gòu)和冗余等問題，本文提出一種面向復(fù)雜樣本的態(tài)勢(shì)要素分類架構(gòu)，以深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為基本網(wǎng)絡(luò)框架，與傳統(tǒng)的多層感知器相比，具有更快的學(xué)習(xí)速度，可以從訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中自動(dòng)提取高級(jí)抽象數(shù)據(jù)。同時(shí)深度條件變分自編碼網(wǎng)絡(luò)的生成網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)指定的攻擊類別生成攻擊樣本，平衡訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。該分類架構(gòu)將特征提取、樣本擴(kuò)充和分類集成到一個(gè)無需大量啟發(fā)式規(guī)則和人工經(jīng)驗(yàn)即可自動(dòng)提取特征并分類的系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的效率。采用NSL-KDD數(shù)據(jù)集對(duì)本文所提模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該態(tài)勢(shì)要素分類架構(gòu)的有效性和準(zhǔn)確性。