邱 鵬， 劉漢忠， 黃曉華

（南京工程學(xué)院a.計算機工程學(xué)院；b.先進工業(yè)技術(shù)研究院，南京 211167）

0 引 言

隨著工業(yè)控制系統(tǒng)越來越頻繁地連接到企業(yè)局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)管理變得更加便捷，維護成本大大降低，也更容易面臨各種網(wǎng)絡(luò)攻擊。例如工業(yè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA），它不同于傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)運行維護，安全軟件補丁和頻繁的軟件更新并不適合SCADA的安全維護，它通常要求高可用性、靜態(tài)拓撲和常規(guī)通信的運行模式。鑒于SCADA 的特殊性，如何快速檢測系統(tǒng)異常，如何采用高效的異常檢測方法確保系統(tǒng)的安全性，已成為目前工業(yè)控制系統(tǒng)異常檢測中所面臨的一個重要問題。

目前適用于SCADA的異常檢測方法主要有：

（1）監(jiān)督神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［1-3］。將訓(xùn)練數(shù)據(jù)標記為“正?！被颉爱惓！保缓笥?xùn)練系統(tǒng)區(qū)分“正?！被颉爱惓！辈⒂^察結(jié)果，將新的數(shù)據(jù)結(jié)果分類為“正?！被颉爱惓！鳖悇e，但是，對龐大的數(shù)據(jù)集采用人工標記的方法本身難以實現(xiàn)，并且會耗費大量時間，同時增加出錯的概率。

（2）流量異常檢測法［4-5］。使用技術(shù)手段學(xué)習(xí)系統(tǒng)的正常行為，并試圖識別流量中的異常，即區(qū)別于正常行為的流量。這種檢測方法準確率低，誤檢率高。

（3）基于模型或規(guī)范的檢測法［6］。創(chuàng)建一個獲得授權(quán)的工業(yè)控制系統(tǒng)模型并制定系統(tǒng)運行的相應(yīng)規(guī)則，當觀察到模型的行為與規(guī)則不匹配時發(fā)出警報。其缺點是在現(xiàn)實中很難百分之百模擬一個工業(yè)控制系統(tǒng)模型。

本文提出的混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常檢測方法，在SCADA遭到入侵攻擊或發(fā)生異常時，構(gòu)建棧式稀疏去噪自編碼器深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Stacked Sparse Denoising Auto-encoder-Deep Neural Network， SSDADNN）模型并為其添加監(jiān)督層，進行無監(jiān)督特征學(xué)習(xí)，使用分布式訓(xùn)練策略來加快異常檢測進程，可解決現(xiàn)有技術(shù)中異常檢測方法準確率低、誤檢率高以及需要消耗大量時間等問題。

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

基于混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常檢測模型如圖1 所示，由數(shù)據(jù)預(yù)處理引擎和異常檢測引擎組成。在進行異常檢測之前需要預(yù)處理特征數(shù)據(jù)，包括歸一化特征標準、數(shù)據(jù)拆分與均衡以及獨熱編碼等一系列預(yù)處理措施。

圖1 基于混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常檢測模型

1.1 歸一化特征數(shù)據(jù)

將數(shù)據(jù)集特征值按比例縮放，使得數(shù)據(jù)落在特定區(qū)間［0，1］之內(nèi)，即歸一化值［7］

式中：F為系統(tǒng)某一特征；x為描述F特征的數(shù)據(jù)集中的某一特征值；max（F）和min（F）分別為F的特征值的最大值和最小值。

1.2 數(shù)據(jù)拆分

將數(shù)據(jù)分割成互不相交的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集、驗證數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集，占比分別是60%、20%和20%；在訓(xùn)練集對模型進行訓(xùn)練并周期性使用驗證數(shù)據(jù)集對模型性能進行評估，以避免過度擬合，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生過度擬合，即當驗證數(shù)據(jù)集正確率持平或下降時，則停止訓(xùn)練并調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身的參數(shù)和超參數(shù)；利用測試數(shù)據(jù)集評估神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后的最終預(yù)測模型，且測試數(shù)據(jù)集只使用一次。

1.3 數(shù)據(jù)均衡和獨熱編碼

數(shù)據(jù)均衡預(yù)處理操作是依據(jù)數(shù)據(jù)分布，從占較少的一類樣本中重復(fù)隨機抽樣［8］，將所得樣本擴充至數(shù)據(jù)集，以改善由于建模產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集失衡，實現(xiàn)類別平衡。獨熱編碼操作是在表示特征分類時，編碼一組由位信息組成的向量表示，只設(shè)置一個列值為1，其余列值全為0，與輸出函數(shù)輸出的概率向量進行損失分數(shù)計算［9］。

2 混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)督分類器

圖1 中的異常檢測引擎模塊混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由SSDA-DNN構(gòu)建而成，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

2.1 構(gòu)建SSDA-DNN

步驟1 將系統(tǒng)數(shù)據(jù)集特征值作為第一個稀疏去噪自編碼器的輸入，用x＝（x1，x2，…，xn，n＞0）表示，該編碼器的隱藏層h1帶有一定數(shù)量的節(jié)點，同時丟棄該編碼器的解碼器部分。

步驟2 將第1 個稀疏去噪自編碼器隱藏層h1作為第2 個稀疏去噪自編碼器的輸入，用h2表示第2 個稀疏去噪自編碼器的隱藏層，同時丟棄該編碼器的解碼器部分。依此類推，一直進行堆棧處理至第d個稀疏去噪自編碼器，其輸入層是第d-1 個編碼器的隱藏層hd-1，其隱藏層是hd。輸出層節(jié)點用y＝（y1，y2，…，yn，n＞0）表示。SSDA-DNN的輸入層到隱藏層的權(quán)重矩陣和偏差項分別用wn×d和b＝（b1，b2，…，bd-1）表示。

步驟3 在設(shè)置深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)時，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)越深，則訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型需要的時間就越長［10］，在模型中利用稀疏參數(shù)，設(shè)置隱藏層的節(jié)點數(shù)大于輸入維度。

2.2 混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無監(jiān)督特征學(xué)習(xí)

對SSDA-DNN中每一個自編碼器的編碼部分進行單獨訓(xùn)練，重建其輸入特征值，進行混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無監(jiān)督特征學(xué)習(xí)。

使用均方差代價函數(shù)［11］優(yōu)化自編碼器模型的參數(shù)

式中：θ 為參數(shù)變量；m為訓(xùn)練樣本的個數(shù)；hw為連接輸入到隱藏層的權(quán)重；B是隱藏層的偏差向量；xi為訓(xùn)練樣本第i個輸入特征值；yi為訓(xùn)練樣本第i個網(wǎng)絡(luò)輸出值。（hw，B（xi））則為真實標簽。

只允許隱藏層的少量神經(jīng)元激活狀態(tài)稀疏參數(shù)

式中：g為隱藏層的神經(jīng)元數(shù)量；ρ 為模型學(xué)習(xí)隱藏層中輸入數(shù)據(jù)的稀疏參數(shù)所有訓(xùn)練樣本隱藏層第i個單元的平均激活值。

在式（2）的基礎(chǔ)上加入一個權(quán)值衰減進行正則化，加入稀疏參數(shù)后的代價函數(shù)：

式中，j、β為控制稀疏性懲罰因子的權(quán)重。

2.3 添加監(jiān)督分類器

為混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)添加監(jiān)督分類器［12］，主要是用來解決多元分類模型問題。將數(shù)據(jù)集按照多元分類標簽進行分類，其中正常行為記錄的分類標簽為0，異常攻擊記錄的分類標簽為（1，2，…，z，z＞0）；再將Softmax函數(shù)層作為一個監(jiān)督分類器，用于混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的激活函數(shù)。

2.4 多元分類模型

由Softmax 函數(shù)層計算出所有類的概率分布，換句話說就是通過Softmax函數(shù)層的argmax 函數(shù)獲得所有類中的最大概率值。具體方法是在給定輸入向量x中計算第u類的預(yù)測概率：

式中：W為權(quán)重向量；k為輸出類別數(shù)量；Wu、Wv分別為第u、v類的權(quán)重向量；bu、bv分別為第u、v類Softmax函數(shù)每一個輸出單元從輸入層到隱藏層的偏差項。模型的預(yù)測值（具有最大概率值的類）：

3 訓(xùn)練異常檢測引擎

異常檢測引擎模塊由混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)督分類器組成，如圖3 所示。通過訓(xùn)練異常檢測引擎模塊來完成異常檢測。

圖3 異常檢測引擎模塊

3.1 交叉熵代價函數(shù)

利用交叉熵代價函數(shù)［13］訓(xùn)練混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)督分類器，以最小化交叉熵。利用交叉熵代價函數(shù)D（L，Q）測量獨熱編碼標簽數(shù)據(jù)的真實分布概率L＝｛l1，l2，…，lN｝和Softmax函數(shù)輸出的分類數(shù)據(jù)的分布概率Q＝｛q1，q2，…，qN｝之間的相似性：

式中：N為樣本類別數(shù)；r為樣本中的第r類屬性。

3.2 訓(xùn)練混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

訓(xùn)練混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第1 個稀疏去噪自編碼器，第1 個隱藏層h1的編碼表示特征作為第2 個編碼器的輸入，訓(xùn)練第2 個稀疏去噪自編碼器，第2 個隱藏層h2的特征作為下一個編碼器的輸入抽象表示，訓(xùn)練最后一個自動編碼器d，第d—1 個隱藏層hd-1作為它的輸入特征抽象表示。

3.3 訓(xùn)練監(jiān)督分類器

對監(jiān)督分類器的Softmax 函數(shù)層進行監(jiān)督訓(xùn)練，Softmax函數(shù)層有n個節(jié)點，對應(yīng)著n個不同類型的記錄數(shù)據(jù)集，這一層作為輸出層附加在混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之后，訓(xùn)練該層時使用帶有標簽的數(shù)據(jù)集。

通過之前完成無監(jiān)督特征學(xué)習(xí)和分類訓(xùn)練確定混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如：權(quán)重、偏差項和標簽訓(xùn)練集。應(yīng)用梯度下降法，對異常檢測引擎實行進一步微調(diào)，使用標簽測試數(shù)據(jù)集評估系統(tǒng)的異常檢測能力，直至網(wǎng)絡(luò)收斂，最小化重建誤差，提高分類精度。

3.4 分布式訓(xùn)練

采用數(shù)據(jù)平行的分布式訓(xùn)練［14］來加快計算隨機梯度下降，以減少異常檢測時間。基于TensorFlow 框架，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集在變量服務(wù)器和工作點A、B和C之間來回傳輸。變量服務(wù)器保存權(quán)重向量W 并分配給工作點作為工作負荷，工作點則負責(zé)在反向傳播訓(xùn)練算法中計算梯度。把來自工作點的梯度計算結(jié)果c反饋給變量服務(wù)器，用于優(yōu)化權(quán)值并再次傳播給工作點，最終得到梯度加權(quán)平均值，用于更新整個模型的參數(shù)，以縮短梯度計算耗時，圖4 為混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)訓(xùn)練過程圖。

圖4 混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)訓(xùn)練過程

4 仿真分析

實驗平臺是通過Openstack 云計算管理平臺建立云基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)，設(shè)置一個海杜普（Hadoop）分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)集群，它包括1 個主節(jié)點和5 個工作節(jié)點，每個節(jié)點含8 核心虛擬CPU，8GB內(nèi)存，10GB硬盤，運行Ubuntu 18.04.2 LTS服務(wù)器操作系統(tǒng)，深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練由基于Python 2.7 語言的分布式TensorFlow 2.0 支持，主節(jié)點上的海杜普分布式文件系統(tǒng)用于存儲SCADA數(shù)據(jù)集。實驗數(shù)據(jù)使用某大學(xué)建立的實驗室規(guī)模的燃氣管道系統(tǒng)作為工業(yè)控制系統(tǒng)SCADA 數(shù)據(jù)集來源。燃氣管道系統(tǒng)使用PID控制器來保持管道中的空氣壓力，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集包含正常記錄和攻擊記錄，見表1。

表1 數(shù)據(jù)記錄分類表

表1 數(shù)據(jù)集按照多元分類方式分成了1 類正常行為（標簽是0）和5 類攻擊行為（標簽為1 ～5）。為避免不必要的訓(xùn)練偏差，對占比60%的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進行數(shù)據(jù)平衡處理，占比20%的測試數(shù)據(jù)集則使用原始系統(tǒng)數(shù)據(jù)。圖5 所示為將異常數(shù)據(jù)進行多元分類時燃氣管道數(shù)據(jù)訓(xùn)練集和測試集類型圖，使用獨熱編碼計算方法處理所有數(shù)據(jù)標簽。

圖5 分類燃氣管道數(shù)據(jù)訓(xùn)練集和測試集類型

設(shè)計SSDA-DNN 時，定義訓(xùn)練參數(shù)和超參數(shù)，其中學(xué)習(xí)率為1%，稀疏參數(shù)為0.05，噪聲水平為35%。采用多元分類劃分數(shù)據(jù)集，隱藏層數(shù)為2，設(shè)置的第1層隱藏層節(jié)點數(shù)是58，第2 層隱藏層節(jié)點數(shù)是34，輸入層節(jié)點數(shù)為24，輸出層節(jié)點數(shù)為6，訓(xùn)練迭代次數(shù)為50。

4.1 對比協(xié)調(diào)平均值及假陽性率

選用精度與召回率的協(xié)調(diào)平均值（F1-score）和假陽性率作為評估異常檢測方法的評價指標，精度表示衡量異常百分比的精確程度，召回率為正確檢測出異常的比例，由于精度和召回率是相互制約的兩項指標，所以使用精度與召回率的協(xié)調(diào)平均值綜合權(quán)衡精度和召回率，假陽性率是將正常行為錯誤地識別為異常行為的比例。

通過混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常檢測方法與其他異常檢測算法進行比較，用于對比的標準異常檢測算法包括決策樹算法［15］，樸素貝葉斯算法［16］以及隨機森林算法［17］。仿真結(jié)果如圖6 所示，所提異常檢測方法無論是在檢測正常行為特征還是在檢測5 種異常攻擊，獲得的精度與召回率的協(xié)調(diào)平均值百分比幾乎都高于其他幾種標準異常檢測算法，特別是相較于決策樹算法和樸素貝葉斯算法優(yōu)勢更加明顯。此外，圖7所示仿真結(jié)果進一步表明所提方法在檢測5 種異常攻擊特征方面，假陽性率指標基本低于其他標準異常檢測算法。

圖7 不同算法的假陽性率對比

4.2 對比檢測時間

圖8 所示為使用單機和分布式集群2 種方式訓(xùn)練混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)異常檢測模型，在不同訓(xùn)練迭代次數(shù)下的耗時。由圖8 可見，使用分布式訓(xùn)練混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用時明顯少于單機訓(xùn)練方式，提高了計算效率，加快了異常檢測進程。

圖8 單機訓(xùn)練與分布式集群訓(xùn)練耗時對比

5 結(jié) 語

為提高SCADA 中的異常檢測精度和效率，本文提出一種異常檢測方法，首先預(yù)處理數(shù)據(jù)集，然后構(gòu)建SSDA-DNN，再進行無監(jiān)督特征學(xué)習(xí)并為混合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)添加監(jiān)督分類器，完成異常檢測，此方法尤其適用異常行為呈現(xiàn)多類的情況。仿真結(jié)果表明，在精度與召回率的協(xié)調(diào)平均值以及假陽性率指標上都優(yōu)于其他傳統(tǒng)異常檢測方法，在異常檢測的時間效率上也有所提高，表明該方法可行且有效。未來將圍繞在擴大實驗數(shù)據(jù)集和進一步加快訓(xùn)練時間上進行優(yōu)化。