集成異種分類器在數(shù)據(jù)流入侵檢測(cè)中的應(yīng)用

陳猛 洪偉

摘 要：本文提出了一種集成異種分類器的數(shù)據(jù)流入侵檢測(cè)模型EDKCDS（Ensemble of Different Kind of Classifiers on Data Stream），目的是在適應(yīng)概念漂移的前提下，利用多個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)生成異種分類器，并集成各個(gè)異種分類器，檢測(cè)入侵行為，使其能達(dá)到目標(biāo)類召回率和精度的平衡，并且能取得較高的分類準(zhǔn)確率。

關(guān)鍵詞：入侵檢測(cè);組合分類器;數(shù)據(jù)流

中圖分類號(hào)：TP393.08文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）29-0021-02

Abstract： This paper proposed a new integration approach， called EDKCDS （Ensemble of Different Kind of Classifiers on Data Stream）. The purpose is to generate heterogeneous classifiers based on multi-time data learning and integrate heterogeneous classifiers to detect intrusion behavior under the premise of adapting to conceptual drift. It can achieve a balance between recall and accuracy of target class， and achieve higher classification accuracy.

Keywords： intrusion detection;ensemble;data stream

1 研究背景

當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，如何保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全是尤為突出的問題。入侵檢測(cè)技術(shù)能保護(hù)系統(tǒng)免受攻擊，也能把給定數(shù)據(jù)分為正常數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，其本質(zhì)上是一個(gè)分類問題。

集成學(xué)習(xí)方法利用多個(gè)弱分類器的組合來改善算法的分類性能，同時(shí)數(shù)據(jù)流環(huán)境又有其特點(diǎn)，如在信用卡事務(wù)流等類似的應(yīng)用中，連續(xù)產(chǎn)生出海量的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)的分布會(huì)隨著時(shí)間的更迭而發(fā)生變化（概念漂移[1]）。如何在海量數(shù)據(jù)流中選擇出充分的數(shù)據(jù)并訓(xùn)練出分類模型以進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，正是數(shù)據(jù)流入侵檢測(cè)所要解決的難點(diǎn)。

本文提出一種集成異種分類器的數(shù)據(jù)流入侵檢測(cè)模型EDKCDS，該模型首先利用數(shù)據(jù)流中不同時(shí)間段的訓(xùn)練樣本構(gòu)造不同類型的分類器（稱為基分類器）。當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類預(yù)測(cè)時(shí)，EDKCDS取各個(gè)基分類器的預(yù)測(cè)結(jié)果加權(quán)投票，根據(jù)表決的結(jié)果進(jìn)行分類，從而發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。

2 入侵檢測(cè)的性能評(píng)價(jià)

在入侵檢測(cè)問題中，一般稱攻擊類為目標(biāo)類，正常類為非目標(biāo)類。評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)可使用召回率（recall）、精度（precision）。定義如下：

3 分類方法

3.1 決策樹分類

決策樹采用自頂向下的分治方法構(gòu)造。隨著樹的構(gòu)造，數(shù)據(jù)集集合空間被分割成兩個(gè)或多個(gè)塊。在樹結(jié)構(gòu)模型中，每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)類，而由根節(jié)點(diǎn)到一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)的路徑則構(gòu)成一類分類規(guī)則。決策樹分類模型被廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。本文構(gòu)造基分類器用的是C4.5算法。

3.2 樸素貝葉斯分類方法

貝葉斯分類是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)進(jìn)行分類的方法。由貝葉斯公式可知，可以利用先驗(yàn)概率（Prior Probability）來計(jì)算后驗(yàn)概率（Posterior Probability），而后驗(yàn)概率能提供更多的信息，可以作為分類的標(biāo)準(zhǔn)。在本文中，筆者利用樸素貝葉斯算法構(gòu)造基本分類器，其假定一個(gè)屬性值對(duì)給定類的影響?yīng)毩⒂谄渌麑傩缘闹?，這個(gè)假定稱作類條件獨(dú)立。

3.3 K-最臨近分類

K-最臨近分類用n維數(shù)值屬性描述一個(gè)訓(xùn)練樣本，對(duì)應(yīng)n維空間中一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)要分類一個(gè)未知樣本時(shí)，該算法會(huì)在n維空間中找出最接近未知樣本的K個(gè)訓(xùn)練樣本，也稱為K個(gè)“近鄰”，根據(jù)這K個(gè)最“近鄰”進(jìn)行分類。K-最臨近分類是基于類比學(xué)習(xí)的分類方法，也是一種懶散的學(xué)習(xí)法。

3.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括輸入層、隱藏層、輸出層。每一層由若干單元組成，網(wǎng)絡(luò)的輸入對(duì)應(yīng)元組的屬性，每個(gè)連接都與一個(gè)權(quán)值相關(guān)聯(lián)。在本文中，筆者使用后向傳播算法在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行學(xué)習(xí)構(gòu)造，迭代地得到一組權(quán)重用于元組類標(biāo)號(hào)預(yù)測(cè)。

3.5 基于eEP的分類方法

在基于顯露模式的分類方法中，EP是一個(gè)項(xiàng)集，其支持度從類A（B）到類B（A）顯著地增加，因此具有很好的區(qū)分能力。給定支持度和增長(zhǎng)率閾值，基于EP的分類方法挖掘滿足支持度和增長(zhǎng)率閾值的EP。若要對(duì)數(shù)據(jù)S進(jìn)行分類，基于EP的分類方法會(huì)聚合S中的[Ci]類EP的區(qū)分能力，計(jì)算出S屬于[Ci]類的得分，根據(jù)得分高低預(yù)測(cè)S類別。本文構(gòu)建基分類器采用的基于eEP的分類算法是對(duì)CAEP的改進(jìn)算法CEEP[2]。

4 算法基本思想

由于數(shù)據(jù)流是不斷流入的，不可能存儲(chǔ)所有的數(shù)據(jù)來建立模型，而是考慮使用距離最近的[SW]個(gè)窗口的數(shù)據(jù)，為此引入了滑動(dòng)窗口的機(jī)制：假設(shè)BW是一個(gè)基本窗口，對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)流子序列;SW是一個(gè)滑動(dòng)窗口，對(duì)應(yīng)一個(gè)連續(xù)的基本窗口序列，表示為SW=bw1，…，bwi，…，bwk，在基本窗口bwi訓(xùn)練得到對(duì)應(yīng)的基分類器為Ci。

本文提出的集成異種分類器的數(shù)據(jù)流入侵檢測(cè)模型EDKCDS（Ensemble of Different Kind of Classifiers on Data Stream）在滑動(dòng)窗口SW內(nèi)訓(xùn)練5個(gè)基分類器的集合E。假設(shè)初始時(shí)，EDKCDS分別使用決策樹（C4.5）、樸素Bayes（NB）、最近鄰（k-NN）、后向傳播（BP）和eEP構(gòu)造分類器C1…C5。當(dāng)滑動(dòng)到第K+1個(gè)基本窗口時(shí)，先讓每個(gè)基分類器Ci獨(dú)立地作出預(yù)測(cè)，然后，根據(jù)基分類器Ci的F-度量計(jì)算其權(quán)重，將權(quán)重最小的基分類器Ci移出集合E，在基本窗口K+1上按照Cl的算法學(xué)習(xí)得到分類器CK+1，加入集合E，以E中基分類器加權(quán)表決的方式確定待分類樣本所屬的類。算法如下：

EDKCDS（ D， E） //? 其中D：bwK+1的數(shù)據(jù);E：基分類器集合。方法如下：

①對(duì)基本窗口BW1，BW2，BW3，BW4，BW5分別按照C4.5、NB、k-NN、BP、eEP構(gòu)造基分類器C1、C2、C3、[Us]、R0。

②while （bwK+1數(shù)據(jù)到達(dá)） {

③for （Ci∈E ） { 計(jì)算Ci在[Tn2]上的F-度量;//公式（3）

計(jì)算[Ci]對(duì)應(yīng)權(quán)重[wi];}

④將權(quán)重最小的基分類器[Cl]移出集合E;

⑤在D上按照[Cl]的算法學(xué)習(xí)得到分類器[CK+1]，加入集合E;

[Ci]權(quán)重[wi]用式（4）計(jì)算：

5 結(jié)語

本文提出一種集成異種分類器的數(shù)據(jù)流入侵檢測(cè)模型EDKCDS（Ensemble of Different Kind of Classifiers on Data Stream）。該模型利用多個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)生成異種分類器，并集成各個(gè)異種分類器，檢測(cè)入侵行為。入侵檢測(cè)是現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域多、研究比較熱的方向，如何找到更好的方法在海量數(shù)據(jù)流上快速分析檢測(cè)是一個(gè)值得研究的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] Widmer G， Kubat M. Learning in the Presence of Concept Drift and Hidden Contexts[J]. Machine Learning，1996（1）：69-101.

[2]范明，劉孟旭，趙紅領(lǐng).一種基于基本顯露模式的分類算法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2004（11）：213-216.