魏瑤+李紅信

摘 要：極限學習機（ELM）有著分類精度高、速度快等特性，被廣泛的應用和研究。本文提出了一種用于多分類問題的模糊單隱層神經網絡算法FELM，同時考慮分類器的模糊性和誤報率之間的關系。通過在入侵檢測數(shù)據(jù)集NSL-KDD上的實驗證明：本文提出的方法有著較好的有效性和穩(wěn)定性。

關鍵詞：極限學習機；多類分類；網絡入侵檢測；模糊性

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0036-01

1 引言

隨著網絡技術的日益發(fā)展，人們開始依賴于網絡進行工作、生活。安全就成為計算機系統(tǒng)面臨的重要問題，為保證計算機和網絡通信的安全，對入侵檢測技術的研究和發(fā)展成為人們工作的重點[1]。機器學習算法在入侵檢測領域得到了廣泛的應用，被應用的基本分類算法包括支持向量機、神經網絡BP、決策樹、極限學習機等等[2-4]，這些算法都有著各自的優(yōu)勢，并能保證一定的分類效果，但在算法的數(shù)據(jù)處理速度方面，現(xiàn)有的建模方法都有待改進。

在本文中，我們所提出的入侵檢測模型是一個多類分類器，它將網絡事件分區(qū)分為正?；蚬羰录?，有Normal、DoS、Probe、U2R和R2L五種。在本文的試驗中，這個新FELM分類器模型被應用到經典的NSL-KDD入侵檢測數(shù)據(jù)集上，并得到比傳統(tǒng)分類算法好的分類效果。我們的主要貢獻有：

（1）使用了ELM算法的思想，在保持一定可接受范圍內的分類精度下，加快了學習算法的的預測速度，并將其用于入侵檢測問題中，有效的提高了分類的精度和速度。

（2）通過模糊分治策略改進了極限學習機的學習方式，實現(xiàn)一種新穎的多分類算法FELM，打破了原本ELM算法的限制，可用于處理多類分類問題，并應用到入侵檢測系統(tǒng)中。

文章的其他部分內容如下：第二部分對模糊極限學習機算法進行簡要介紹，第三部分在NSL-KDD數(shù)據(jù)集上的實驗結果，第四部分總結和展望。

2 模糊極限學習機FELM

模糊理論很早被提出，它描述了一種不能被準確定義的事情的存在方式，不能歸于大多數(shù)定義的集合點。我們現(xiàn)在將模糊向量的模糊性與分類的預測輸出聯(lián)系起來，會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的分類器有著類似于模糊向量的輸出，向量的每個元素代表了測試樣本屬于某一類的成員隸屬度。這一類型的分類器包括：神經網絡，支持向量機，決策樹等等。本文中的極限學習機屬于神經網絡算法的一種，是一種單隱層神經網絡訓練的結構，可以用來產生樣本的模糊值的輸出。

給定一個訓練集，通過分類器能得到相應的預測概率值的輸出，得到的成員度矩陣U是由多個樣本的模糊度向量組成的，這些向量中每個元素的值在[0，1]范圍內，代表著樣本對每一類的隸屬度。針對于一個樣本的模糊性描述，可以通過計算模糊向量的平均值來得到。這個模型是依賴與訓練樣本的分布，稍復雜的模型在一定程度上會提高分類器的性能。

在本文的算法中，我們選用極限學習機ELM作為基礎的分類器，極限學習機是一種三層的前饋神經網絡，輸入層和隱藏層之間的權值矩陣R隨機選擇，隱藏層和輸出層之間的權值矩陣S是由轉置矩陣確定的。本分類器的學習目標是確定R和S的值，然而R是隨機選擇的，因此分類器的主要目標僅僅是如何確定輸出權值S。

所提出算法的實現(xiàn)主要包括七個步驟：（1）隨機劃分訓練樣本為類標數(shù)據(jù)和無類標數(shù)據(jù)，它們的比例保持9：1；（2）基于類標數(shù)據(jù)訓練ELM模型；（3）對于無類標數(shù)據(jù)的每個樣本，通過分類器的預測，我們獲得一個模糊向量；（4）計算每個輸出的模糊值；（5）根據(jù)模糊值的大小對樣本進行排序，分為低中高三類；（6）選擇模糊值高和模糊值低的樣本組加入到類標數(shù)據(jù)組，進行新的模型訓練，得到最終的分類器；（7）最后用測試集對模型進行有效性驗證，并得到每一類的精確度。

3 實驗分析

本文所用的NSL-KDD數(shù)據(jù)集是KDD Cup 99 數(shù)據(jù)集的修訂版，它消除了KDD99數(shù)據(jù)集中的多數(shù)冗余信息。這個數(shù)據(jù)集有41維的特征，每一個數(shù)據(jù)樣本可以被標記為正常類或者是攻擊類（包括Dos，Probe，U2R，R2L四種類型）。首先對原始數(shù)據(jù)進行了一些預處理：數(shù)值編碼和標準化的方法，將屬性數(shù)據(jù)標準化到[0，1]范圍內，分別用1-5表示五種類別，這些預處理措施會提高數(shù)據(jù)的一致性、分類準確性。本文通過使用指示變量技術，將數(shù)據(jù)集的維數(shù)從41維增加到51維。當某個特征的種類不是很多的情況下，這種處理方式有著較高的穩(wěn)定性。

對原始數(shù)據(jù)集預處理之后，為了驗證新算法的性能，我們從NSLtrain訓練數(shù)據(jù)集中抽取出三個子數(shù)據(jù)集（10%，20%，50%），根據(jù)每一類的比例進行抽取，并用同一個測試集NSLtest進行實驗。這樣可以保證我們所運行的實驗都使用完整的數(shù)據(jù)集。

為了顯示本文算法的性能，對每個數(shù)據(jù)集，從每類的精度，整體精度方面進行了實驗，F(xiàn)ELM算法的實驗結果如表1所示，在表中我們可以看出，提出的新方法有著一定的分類能力，可以達到一定的精度要求。

4 總結和展望

本文提出了一種新的多分類模型FELM，并將其應用在網絡入侵檢測中。通過在NSL-KDD的三個數(shù)據(jù)集進行實驗，通過對準確率指標的分析，可知基于改進的多分類FELM模型在進行網絡入侵檢測中應用效果較好，而且該方法在處理大批量數(shù)據(jù)分類時具有較低的時間復雜度。

在將來的研究工作中，一是要考慮加入特征選擇的方法，通過降低維度可以使網絡入侵檢測模型達到較好的精度。二是考慮如何提高少數(shù)類的分類精度，通過提高少數(shù)類的識別率可以使入侵檢測模型具有更好地有效性和穩(wěn)定性。

參考文獻

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