基于人工智能的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全優(yōu)化算法研究

閆衛(wèi)剛

（陜西警官職業(yè)學(xué)院，陜西 西安 710021）

0 引 言

近年來，隨著全球信息化發(fā)展越來越快，人們依賴網(wǎng)絡(luò)的程度日漸提高，網(wǎng)絡(luò)安全隱患越發(fā)引人關(guān)注[1]。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)因具有隨機(jī)性、模糊性，以往的防御方式難以適應(yīng)目前的安全要求[2]。網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢通過預(yù)測和評估可確保網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運(yùn)行，并得到學(xué)者深入研究[3]。

目前，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)深入到社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家戰(zhàn)略部署、人民日常生活的方方面面[4]。人們在學(xué)習(xí)、工作、生活等方面均涉及到網(wǎng)絡(luò)，但現(xiàn)有防范措施的更新速度難以跟上相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全威脅的變化速度[5]。由于網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測在網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，所以逐漸成為了網(wǎng)絡(luò)安全研究的熱點(diǎn)之一[6]。整個預(yù)測過程是建立在對態(tài)勢進(jìn)行完整理解以及敏銳察覺的基礎(chǔ)之上[7]。在不斷接觸網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢期間，采集多種多樣的信息數(shù)據(jù)，也是分析網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢運(yùn)行方向的開端[8]。通過對其歷史數(shù)據(jù)觀測及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)分析，可對未來某段時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測[9]。因而，研究網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測會對其日后發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全運(yùn)行提供重要保障。在研究過程中會涉及到一些相關(guān)的算法和模型，但鑒于外部環(huán)境條件數(shù)量太多且難以參數(shù)化，所以無法將預(yù)測模型標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化，故以往的預(yù)測手段難以精確地對此類數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。因此，本文基于人工智能，對互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全優(yōu)化算法進(jìn)行研究。

1 智能優(yōu)化算法

常用的智能優(yōu)化算法分為以下幾類：差分進(jìn)化算法、遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法。差分進(jìn)化算法、遺傳算法的運(yùn)算過程均含有選擇、交叉、變異三個步驟。前者會使種群個體出現(xiàn)一個屬于自身的測試向量，然后對比原始和測試2個向量，選擇更合適的值進(jìn)行迭代，能夠很好地優(yōu)化處理傳統(tǒng)測試方程；而后者擅長確定最優(yōu)解范圍以及在全局范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，然而其在給定小范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解的能力有所欠缺，所得結(jié)果的精度并不高。粒子群算法的運(yùn)算過程含有位置以及速度更新2個步驟。其對遷徙動物尋找食物的場景進(jìn)行模擬，如果個體成功找到食物，便會告知其他種群成員，進(jìn)而導(dǎo)致群體產(chǎn)生運(yùn)動。粒子群算法擅長快速鎖定范圍并在其中迅速找出最優(yōu)解。

2 粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)一步發(fā)展，研究人員對人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特點(diǎn)研究日漸成熟。尤其是對權(quán)值的優(yōu)化，已研發(fā)出不同的優(yōu)化算法來確定其權(quán)值，其中最常用的是蟻群算法和遺傳算法等[10]。如何確定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值？本文主要考慮利用粒子群對其進(jìn)行優(yōu)化，能夠使其權(quán)值高效迅速地確定為全局最優(yōu)解。

2.1 粒子群優(yōu)化算法及原理

粒子群優(yōu)化算法的特點(diǎn)能將鳥群尋找食物時(shí)互助行為體現(xiàn)出來，通過同伴間信息交換，從而快速找到食物，將其引申到解決數(shù)學(xué)問題就是將最優(yōu)解問題快速解決。該算法屬于一種尋找最優(yōu)解算法，通過粒子間協(xié)作、交換將全局最優(yōu)解快速求出。在粒子群優(yōu)化算法中，將最優(yōu)解作為該算法中一個粒子，任意對每個粒子進(jìn)行初始化，然后在解的范圍中進(jìn)行尋找。每個粒子對應(yīng)一個適應(yīng)度方程，該方程的解即符合問題條件的最優(yōu)粒子值，通常由對象方程決定。當(dāng)粒子搜尋到一個解時(shí)，比較適應(yīng)度函數(shù)，若新的值比前一個值對目標(biāo)函數(shù)更適應(yīng)，則新位置為該粒子暫時(shí)最優(yōu)解；反之，則個體最優(yōu)解保持不變。個體確定最優(yōu)解后，對比粒子自身的適應(yīng)度方程，最恰當(dāng)?shù)木褪侨肿顑?yōu)解。再將這二者的適應(yīng)度方程解進(jìn)行比較，選擇更加符合條件的那一個。

2.2 粒子群算法的數(shù)學(xué)描述

假設(shè)在粒子群優(yōu)化算法中，有m個粒子群，且n為粒子最優(yōu)問題解空間維數(shù)，則每個粒子改變個體粒子位置的規(guī)則包括：在尋找到個體最優(yōu)位置時(shí)，每個粒子對自身位置進(jìn)行更新；每個粒子根據(jù)自身搜索方向搜索；比較全體粒子位置，根據(jù)粒子個體最優(yōu)解進(jìn)行全局最優(yōu)位置的更新。

2.3 粒子群優(yōu)化過程的算法流程

在粒子群優(yōu)化中，通過對粒子群中粒子速度、位置的更換獲得新種群，進(jìn)一步提高種群多樣性、遍歷性。離子群優(yōu)化算法流程需經(jīng)過如圖1所示的步驟完成。

圖1展現(xiàn)了粒子群優(yōu)化算法的大致過程，其步驟包括：

圖1 粒子群優(yōu)化過程

步驟1：確定粒子的搜索頻次、所處位置以及更新速度，并對這些參數(shù)一一進(jìn)行初始化。

步驟2：對全部粒子的適應(yīng)度值進(jìn)行一一求解。

步驟3：分析粒子自身個體最優(yōu)位置，將其與此次位置適應(yīng)度值展開比較，若后者更加接近問題最優(yōu)解，則用本次位置替換前者。

步驟4：依據(jù)前3步的更新數(shù)據(jù)信息，重新確定粒子群全局最優(yōu)位置。個體確定最優(yōu)解后，對比粒子自身的適應(yīng)度方程，最恰當(dāng)?shù)木褪侨肿顑?yōu)解。再將這二者的適應(yīng)度方程解進(jìn)行比較，選擇更加符合條件的那一個。

步驟5：對粒子位置、速度進(jìn)行確定。

步驟6：若未能達(dá)到終止條件，則返回步驟2。

2.4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。輸出層屬于線性結(jié)構(gòu)，可為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入產(chǎn)生對應(yīng)的輸出；隱含層能夠訓(xùn)練輸入層的樣本，并對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂；輸入層能夠識別從外面輸入的樣本集，訓(xùn)練樣本。

圖2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

粒子群神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的一種，其兼顧了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)和粒子群優(yōu)化算法的長處。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長模仿學(xué)習(xí)，而粒子群擅長進(jìn)行高效迅速地全局搜索，將二者有機(jī)結(jié)合，能夠大大提高算法的性能。如今，由于樣本數(shù)量不足，使用梯度法及線性最小二乘法時(shí)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值優(yōu)化難以接近最強(qiáng)性能。所以，轉(zhuǎn)而采用粒子群優(yōu)化算法來解決這一問題。

3.1 粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值

假定1臺服務(wù)器主機(jī)可能遭受的攻擊有以下幾個方面：CSRF漏洞、CGI漏洞、XSS漏洞、應(yīng)用漏洞、SQL注入，其風(fēng)險(xiǎn)等級賦值量化為W38，W48，W58，W68，W78。在權(quán)值優(yōu)化上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有求得一個適應(yīng)所有情況的最優(yōu)解，所以對其權(quán)值優(yōu)化進(jìn)行研究至關(guān)重要。本文將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成粒子群中粒子，在解空間中，讓粒子進(jìn)行全局最優(yōu)權(quán)值的尋找。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。

圖3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型

由圖3可知，需優(yōu)化最優(yōu)解問題解空間維度為五維。若將求解五維最優(yōu)空間解在粒子群求解最優(yōu)解進(jìn)行映射，需進(jìn)行RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值編碼。編碼方式一般來說有兩種：一是對向量進(jìn)行編碼；二是對矩陣進(jìn)行編碼。前者是將所有粒子一一對應(yīng)轉(zhuǎn)化為向量，在圖3中進(jìn)行權(quán)值優(yōu)化后，不同粒子所具有的編碼如下：

3.2 粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

采用基于粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢。在處理小樣本數(shù)據(jù)方面，粒子群優(yōu)化算法最大的特點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行粒子群優(yōu)化過程如圖4所示，優(yōu)化過程具體步驟如下：

圖4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行粒子群優(yōu)化過程

步驟1：對其權(quán)值編碼，并將編碼對應(yīng)到每一個粒子上；

步驟2：確定粒子的搜索頻次、所處位置以及更新速度，并對這些參數(shù)一一進(jìn)行初始化；

步驟3：對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中心、半徑使用K-均值聚類算法進(jìn)行計(jì)算；

步驟4：重新求解粒子群適應(yīng)度值，更新相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)；

步驟5：重新確認(rèn)不同粒子所處的位置以及自身的速度；

步驟6：從以下兩方面判斷是否符合終止條件，一是對全局最優(yōu)解是否在規(guī)定誤差范圍內(nèi)進(jìn)行判斷；二是對更新粒子群次數(shù)是否已達(dá)上限進(jìn)行判斷，若符合，則完成整個優(yōu)化過程，反之回到步驟4繼續(xù)以上流程，直至符合為止。

4 網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢的評估

在本研究中，網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢評估對象為6臺服務(wù)器主機(jī)，根據(jù)熵權(quán)理論風(fēng)險(xiǎn)評估模型、多維云模型將其他5臺服務(wù)器主機(jī)風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算出來，分別為0.682 0，0.653 1，0.650 2，0.680 1，0.541 5。因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主機(jī)全部為服務(wù)器主機(jī)，服務(wù)器上架設(shè)不同網(wǎng)站，具有同等重要作用，重要性權(quán)值均相等，且6個權(quán)值之和為1，則每個服務(wù)器主機(jī)重要性權(quán)值等于1/6，則進(jìn)行加權(quán)計(jì)算后風(fēng)險(xiǎn)值為0.648 2，表明本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢屬于較高風(fēng)險(xiǎn)。

4.1 網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢的預(yù)測

在預(yù)測時(shí)，選用粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用其對訓(xùn)練樣本進(jìn)行處理，最終通過訓(xùn)練獲得有效預(yù)測模型。預(yù)測模型的流程如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測流程

4.2 粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測

網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測研究可以從兩個方面入手，一是把每次遭受到的攻擊看作是獨(dú)立事件，進(jìn)行單次預(yù)估，同時(shí)還要評估不同攻擊的強(qiáng)度，將不同時(shí)刻對應(yīng)的態(tài)勢值預(yù)估出來，這樣做的弊端在于評估不同攻擊的強(qiáng)度時(shí)通常會受到評價(jià)者主觀認(rèn)知的左右；二是建立一個非線性時(shí)序的模型來進(jìn)行預(yù)估，匯總歷史數(shù)據(jù)，認(rèn)真分析其內(nèi)在聯(lián)系和共同影響因子，以便對日后網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方像向進(jìn)行預(yù)估。本文選用經(jīng)過粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一方式來進(jìn)行預(yù)測，對來自國家級網(wǎng)絡(luò)中心的海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理。綜合考量后選取以下影響因子作為規(guī)范性指標(biāo)來對網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢進(jìn)行預(yù)估：一是新增信息安全漏洞數(shù)量；二是被植入后門的網(wǎng)站數(shù)量；三是新增信息安全高風(fēng)險(xiǎn)漏洞；四是感染網(wǎng)絡(luò)病毒主機(jī)數(shù)量；五是網(wǎng)站仿冒頁面數(shù)量；六是網(wǎng)絡(luò)中被篡改網(wǎng)站數(shù)量。將網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢值進(jìn)行劃分，分別為危、差、中、良、優(yōu)5個級別。對6個指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，5個風(fēng)險(xiǎn)等級量化表見表1所列。

表1 安全等級表

通過本文方法對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，從而高效迅速地預(yù)測網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢。通過對比RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后預(yù)測的數(shù)值與實(shí)際值的差異，表明粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有準(zhǔn)確、快速的優(yōu)點(diǎn)，具體如圖6所示。

圖6 算法對應(yīng)的預(yù)測誤差圖

由圖6可知，采用本文方法預(yù)測網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢的收斂速度要比RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快。預(yù)測結(jié)果誤差圖曲線表明，在進(jìn)化次數(shù)小于10次時(shí)，本文方法預(yù)測誤差下降很快，隨后在較小誤差附近波動。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差圖曲線表明，其進(jìn)行樣本訓(xùn)練時(shí)產(chǎn)生的預(yù)測誤差較大，通常是由于訓(xùn)練次數(shù)或者樣本數(shù)量不足導(dǎo)致的。兩種方法預(yù)測誤差波動表明，相比于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用本文方法進(jìn)行預(yù)測，誤差出現(xiàn)的起伏更小。鑒于網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢數(shù)據(jù)具備以下三個性質(zhì)：復(fù)雜性、隨機(jī)性、模糊性，所以本文方法能夠更好地建立相應(yīng)預(yù)測模型，把誤差的波動控制在較小的程度內(nèi)。即便是在樣本量不足的情況下，本文方法也能夠在全局范圍內(nèi)高效迅速地鎖定最優(yōu)解。采用本文方法進(jìn)行權(quán)值優(yōu)化，能使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值快速收斂，訓(xùn)練出的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測模型更有效。算法對應(yīng)的預(yù)測輸出如圖7所示。

圖7 算法對應(yīng)的預(yù)測輸出

由圖7可看出，在訓(xùn)練次數(shù)較少的情況下，本文算法的預(yù)測結(jié)果快速且與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢值接近，比RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢更有效、更快速。表明本文算法預(yù)測結(jié)果更加擬合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢值。

5 結(jié) 語

本文基于人工智能對互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全優(yōu)化算法進(jìn)行研究，分析了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全優(yōu)化算法，得出如下結(jié)論：

（1）在網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測中，預(yù)測模型建立在粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，在處理信息數(shù)據(jù)量不多時(shí)，粒子群RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的運(yùn)算速度快、精度高，有利于粒子群RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的預(yù)測。

（2）通過對比粒子群優(yōu)化前后的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果表明，對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行粒子群優(yōu)化后，其預(yù)測誤差波動能夠很大程度的減小。利用這種方法進(jìn)行權(quán)值優(yōu)化，能使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值快速收斂，訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測模型更有效。

（3）比較粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測結(jié)果、實(shí)際網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢值以及RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果，表明在訓(xùn)練次數(shù)較少情況下，粒子群優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的預(yù)測結(jié)果快速且與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢值接近，比RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢更有效、更快速。