基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)檢測(cè)方法

魏 丹，楊春琴，李國(guó)元，賈文龍，于興忠

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830011；2.南京天技通信技術(shù)實(shí)業(yè)有限公司，江蘇南京 210019）

遺傳算法不具備直接處理問(wèn)題空間參數(shù)的能力，因此，在求解過(guò)程中，需要轉(zhuǎn)化待求解問(wèn)題為既定遺傳空間內(nèi)的獨(dú)立個(gè)體，而該轉(zhuǎn)換操作常被稱為數(shù)據(jù)信息編碼。與其他執(zhí)行算法不同，遺傳算法具備完備性、健全性與非冗余性。完備性是問(wèn)題空間可以將所有候選解完全包含在內(nèi)[1]；健全性是每一個(gè)候選解能在原問(wèn)題空間中找到與之相關(guān)的編碼節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵；非冗余性是任何一個(gè)編碼節(jié)點(diǎn)只能與一個(gè)候選解保持對(duì)應(yīng)關(guān)系。為準(zhǔn)確編碼問(wèn)題空間內(nèi)的信息節(jié)點(diǎn)，在執(zhí)行遺傳算法時(shí)，建立完整的適應(yīng)度函數(shù)，一方面判斷編碼個(gè)體與候選解之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，另一方面按需評(píng)估求取目標(biāo)函數(shù)[2]。

在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，由初始節(jié)點(diǎn)指向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)反饋行為可稱為數(shù)據(jù)傳輸，而隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)一些表現(xiàn)行為明顯異于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的異常信息參量[3]。網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間存在一定的相對(duì)誤差，該誤差影響網(wǎng)絡(luò)主機(jī)對(duì)于傳輸異常數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)檢測(cè)能力，并且導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息的傳輸完整性下降。

為避免上述情況的發(fā)生，基于改進(jìn)生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別方法在分析異常數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間差異性的同時(shí)，分別統(tǒng)計(jì)兩種不同信息參量的目標(biāo)傳輸節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)比的方式，突出兩者之間的相對(duì)誤差水平[4]。但是該方法的實(shí)用能力有限，并不能完全滿足精準(zhǔn)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用需求。

為解決上述問(wèn)題，以遺傳算法為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)性檢測(cè)閾值等，設(shè)計(jì)一種新型的網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)檢測(cè)方法。以期提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅埽瑸榫W(wǎng)絡(luò)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)處理

網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)處理始終以遺傳網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在遺傳適應(yīng)度函數(shù)條件的支持下，定義數(shù)據(jù)編碼標(biāo)簽，具體操作流程如下。

1.1 遺傳網(wǎng)絡(luò)布局

遺傳網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)處理傳輸異常信息參量，并通過(guò)過(guò)渡節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)信息整合成滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求的輸出形式。為準(zhǔn)確檢測(cè)傳輸異常數(shù)據(jù)信息，在布置遺傳網(wǎng)絡(luò)時(shí)，選取過(guò)渡節(jié)點(diǎn)、輸出節(jié)點(diǎn)[5-6]。完整的遺傳網(wǎng)絡(luò)布局形式如圖1 所示。

為避免其他傳輸節(jié)點(diǎn)消耗網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)，在部署遺傳網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將過(guò)渡節(jié)點(diǎn)直接連接到輸出節(jié)點(diǎn)。

1.2 遺傳適應(yīng)度函數(shù)

遺傳適應(yīng)度函數(shù)決定了遺傳算法的應(yīng)用進(jìn)化方向，主要作用是評(píng)估網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中數(shù)據(jù)信息個(gè)體的優(yōu)劣程度。在遺傳網(wǎng)絡(luò)中，適應(yīng)度函數(shù)的選取影響網(wǎng)絡(luò)主機(jī)檢測(cè)和判別傳輸異常信息參量的能力[7-8]。

設(shè)計(jì)遺傳適應(yīng)度函數(shù)，計(jì)算遺傳算法中網(wǎng)絡(luò)傳輸各個(gè)個(gè)體的概率：

式中，fi表示網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)個(gè)體i的適應(yīng)度；N表示網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)種群的規(guī)模；計(jì)算各個(gè)體的累計(jì)概率為：

選擇操作后網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)群體中的最差個(gè)體，交叉操作其與最優(yōu)個(gè)體的副本，從而加速尋優(yōu)的速度,保證了設(shè)計(jì)算法的收斂性。設(shè)Q1和Q2為準(zhǔn)備交叉的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)個(gè)體，在Q1和Q2的第i位進(jìn)行交叉，則兩個(gè)體交叉運(yùn)算后所產(chǎn)生的新個(gè)體的第i位分別為：

式中，λ表示[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)。

設(shè)J1、J2表示兩個(gè)隨機(jī)選取的網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)定標(biāo)值，且J1≠J2的不等式條件恒成立。a表示遺傳適應(yīng)系數(shù)的初始值，ΔS表示遺傳應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)承載的數(shù)據(jù)信息傳輸總量，β表示遺傳算法的數(shù)據(jù)判別系數(shù)。聯(lián)立上述物理量，可將遺傳網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)度函數(shù)定義為：

在遺傳網(wǎng)絡(luò)中，以遺傳適應(yīng)度函數(shù)為基礎(chǔ)判別條件，定義傳輸異常數(shù)據(jù)編碼標(biāo)簽。

1.3 數(shù)據(jù)編碼標(biāo)簽

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)而言，數(shù)據(jù)編碼標(biāo)簽的定義需要同時(shí)具備信息編碼特征、數(shù)據(jù)篩選系數(shù)兩項(xiàng)物理?xiàng)l件[9-10]。信息編碼特征常表示為f，該項(xiàng)物理量的實(shí)際取值越大，表示定義標(biāo)簽的延伸能力越強(qiáng)。數(shù)據(jù)篩選系數(shù)表示為χ，該項(xiàng)物理量的最小取值始終大于自然數(shù)“1”。在上述物理量的支持下，聯(lián)立上述公式，定義遺傳算法的傳輸異常數(shù)據(jù)編碼標(biāo)簽為：

式中，δ表示網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)的編碼常值；dδ表示與δ相關(guān)的標(biāo)簽項(xiàng)目指標(biāo)；d0表示標(biāo)簽項(xiàng)目指標(biāo)的初始值表示待編碼的網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)傳輸均值。為實(shí)現(xiàn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)檢測(cè)，在提取傳輸異常數(shù)據(jù)參量時(shí)，需要遵循編碼標(biāo)簽定義原則。

2 異常數(shù)據(jù)檢測(cè)方法

在遺傳算法的支持下，按照異常簇點(diǎn)定義、數(shù)據(jù)傳輸密度確定、相關(guān)性檢測(cè)閾值計(jì)算的處理流程，完成網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2.1 異常簇點(diǎn)

異常簇點(diǎn)定義了傳輸異常數(shù)據(jù)在遺傳網(wǎng)絡(luò)所處的存儲(chǔ)位置。遺傳網(wǎng)絡(luò)異常簇點(diǎn)的分布密度水平越小，消耗的時(shí)間越長(zhǎng)[11-12]。設(shè)l1、l2表示兩個(gè)不相等的網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)遺傳特征向量，?表示遺傳網(wǎng)絡(luò)的異常數(shù)據(jù)信息參量差值，表示網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)的檢測(cè)校正系數(shù)，g表示網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)排列系數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式（5），可定義遺傳算法的異常簇點(diǎn)的表達(dá)式為：

規(guī)定在遺傳網(wǎng)絡(luò)中，異常簇點(diǎn)定義的表達(dá)式直接影響異常數(shù)據(jù)信息參量的實(shí)時(shí)傳輸密度水平。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸密度

待執(zhí)行檢測(cè)指令與信息參量一一對(duì)應(yīng)，因此，控制數(shù)據(jù)傳輸密度指標(biāo)的數(shù)值水平在既定標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間內(nèi)[13-14]。設(shè)φ表示檢測(cè)指令的初始執(zhí)行頻率，w表示網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)的傳輸定義系數(shù)，uw表示w條件下的數(shù)據(jù)信息檢測(cè)標(biāo)量，umax表示數(shù)據(jù)信息檢測(cè)標(biāo)量最大值，η表示網(wǎng)絡(luò)主機(jī)對(duì)于傳輸異常數(shù)據(jù)的感應(yīng)系數(shù)。聯(lián)立上述物理量，可定義網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)的傳輸密度表達(dá)式為：

在遺傳算法的作用下，數(shù)據(jù)傳輸密度指標(biāo)的取值始終處于(0,1] 的物理區(qū)間。

2.3 相關(guān)性檢測(cè)閾值

式中，R表示既定檢測(cè)向量；表示遺傳應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)對(duì)于傳輸異常數(shù)據(jù)的干預(yù)向量；表示遺傳應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)對(duì)于傳輸異常數(shù)據(jù)的檢測(cè)向量。在遺傳應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中，相關(guān)性檢測(cè)閾值將異常數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)間的相對(duì)誤差控制在既定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，以此保障網(wǎng)絡(luò)主機(jī)檢測(cè)傳輸異常數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。

3 實(shí)例分析

在Windows 10 系統(tǒng)中，利用Linux 虛擬機(jī)分流處理網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。首先，輸入混合信息參量至網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用主機(jī)；其次，分別分流處理異常傳輸數(shù)據(jù)、常規(guī)傳輸數(shù)據(jù)；然后，分別存儲(chǔ)異常傳輸數(shù)據(jù)、常規(guī)傳輸數(shù)據(jù)于不同的數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)；最后，屏蔽常規(guī)傳輸信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，將異常數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)中存儲(chǔ)的傳輸信息參量作為該次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。

表1 記錄了該次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用主機(jī)元件的設(shè)備名稱。

表1 實(shí)驗(yàn)用主機(jī)元件

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的公平性，除采用檢測(cè)方法不同外，實(shí)驗(yàn)組（基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)檢測(cè)方法）、對(duì)照組（改進(jìn)生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別方法）其他參數(shù)配置情況始終保持一致。具體實(shí)驗(yàn)流程如下：

步驟一：按需連接網(wǎng)絡(luò)主機(jī)、CPU 設(shè)備、外存設(shè)備、內(nèi)存設(shè)備等多個(gè)實(shí)驗(yàn)元件；

步驟二：提取存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)，作為實(shí)驗(yàn)待檢信息參量；

步驟三：將遺傳算法指令輸入實(shí)驗(yàn)主機(jī)中，并定義實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)組變量；

步驟四：輸入改進(jìn)生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法至實(shí)驗(yàn)主機(jī)，并定義實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為對(duì)照組變量。

異常數(shù)據(jù)校正誤差指標(biāo)的數(shù)值水平，能夠反映網(wǎng)絡(luò)主機(jī)檢測(cè)異常性傳輸數(shù)據(jù)的能力。異常數(shù)據(jù)校正誤差與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)校正誤差之間的物理差值越小，表示網(wǎng)絡(luò)主機(jī)對(duì)于異常性傳輸數(shù)據(jù)的檢測(cè)準(zhǔn)確性越強(qiáng)。

幾個(gè)周末過(guò)去后，一個(gè)中午，阿花在車上甩給我一個(gè)紅包，一千塊。我明白她的意思，卻裝著不懂，問(wèn)什么意思。阿花說(shuō)有付出就有回報(bào)，你每次來(lái)作指導(dǎo)，這是你的勞動(dòng)所得。我開(kāi)廠也是賺錢的，不能讓你白幫。我把紅包放在車上，我說(shuō)我只做你的朋友，收了錢，我就成你的員工了。她佯裝生了氣，說(shuō)你不收錢，以后就別來(lái)幫我了。她的眸子里流露幽怨的光。

圖2 反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組異常數(shù)據(jù)校正誤差指標(biāo)的數(shù)值變化情況。

圖2 異常數(shù)據(jù)校正誤差

實(shí)驗(yàn)組：對(duì)于實(shí)驗(yàn)組異常數(shù)據(jù)信息參量而言，校正誤差指標(biāo)數(shù)值呈現(xiàn)出先增大，再減小，最后來(lái)回波動(dòng)的變化情況。在數(shù)據(jù)傳輸量等于3.0 MB 時(shí)，實(shí)驗(yàn)組校正誤差指標(biāo)達(dá)到最大值1.87×10-3MB。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)組異常數(shù)據(jù)校正誤差與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)校正誤差之間的物理數(shù)值差的最大值達(dá)到了0.25×10-3MB。

對(duì)照組：對(duì)于對(duì)照組異常數(shù)據(jù)信息參量而言，校正誤差指標(biāo)數(shù)值呈現(xiàn)先上升再下降，然后連續(xù)上升，最后呈現(xiàn)小幅下降的變化狀態(tài)。在數(shù)據(jù)傳輸量等于7.0 MB 時(shí)，對(duì)照組校正誤差指標(biāo)達(dá)到其最大值2.42×10-3MB。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)照組異常數(shù)據(jù)校正誤差與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)校正誤差之間的物理數(shù)值差的最大值為0.80×10-3MB，與實(shí)驗(yàn)組極值差相比，上升了0.55×10-3MB。

綜合上述實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，可知該次實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

1）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)校正誤差指標(biāo)呈現(xiàn)出明顯波動(dòng)的數(shù)值變化狀態(tài)；

2）在基于改進(jìn)生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別方法的作用下，異常數(shù)據(jù)校正誤差指標(biāo)數(shù)值的變化趨勢(shì)并不能與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)校正誤差指標(biāo)數(shù)值的變化趨勢(shì)保持一致，且前者的均值水平明顯更高，不符合精準(zhǔn)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用需求；

3）在基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)檢測(cè)方法的作用下，異常數(shù)據(jù)校正誤差指標(biāo)數(shù)值的變化趨勢(shì)大體上與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)校正誤差指標(biāo)數(shù)值的變化趨勢(shì)保持一致，且二者均值水平相差較小，提高了網(wǎng)絡(luò)主機(jī)對(duì)異常性傳輸數(shù)據(jù)的檢測(cè)精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

新型網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，在基于改進(jìn)生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別方法的基礎(chǔ)上，聯(lián)合遺傳算法理論，建立完整的適應(yīng)度函數(shù)條件，通過(guò)數(shù)據(jù)編碼標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸密度指標(biāo)的具體數(shù)值。驗(yàn)證可知，該方法有效控制了異常數(shù)據(jù)校正誤差指標(biāo)的數(shù)值水平，并且對(duì)于網(wǎng)絡(luò)主機(jī)而言，有效提高了異常性傳輸數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)檢測(cè)能力。