岳 川，王立德，閆海鵬

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

隨著列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）對(duì)通信速率及智能化需求的不斷增加，基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)（ETCN）因其帶寬高、兼容性強(qiáng)及開(kāi)放性好等優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為現(xiàn)今智能列車的首選網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1].但ETCN的應(yīng)用給列車帶來(lái)通信便利之時(shí)，也引入了諸多網(wǎng)絡(luò)安全隱患[2].作為基礎(chǔ)性公共設(shè)施，列車的網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要，應(yīng)當(dāng)采取有效的措施來(lái)提高其安全防護(hù)能力.

入侵檢測(cè)在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域扮演著重要的角色，可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)入侵行為并發(fā)出告警[3].近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)已成為入侵檢測(cè)方法的主流選擇，其優(yōu)勢(shì)發(fā)揮通常是以充足的數(shù)據(jù)樣本為基礎(chǔ)，但在入侵檢測(cè)領(lǐng)域，小樣本問(wèn)題（模型訓(xùn)練時(shí)攻擊樣本數(shù)量過(guò)少）仍然阻撓深度學(xué)習(xí)方法發(fā)揮其應(yīng)有的檢測(cè)能力.網(wǎng)絡(luò)攻擊多為偶發(fā)事件，攻擊報(bào)文數(shù)量往往有限，對(duì)于列車通信網(wǎng)絡(luò)，攻擊者更加追求“悄無(wú)聲息”地入侵，攻擊樣本往往數(shù)量更小，小樣本問(wèn)題更加凸顯，使模型沒(méi)有充足的信息可以學(xué)習(xí).同時(shí)，由于正常報(bào)文數(shù)量巨大，也會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致類不平衡問(wèn)題，即訓(xùn)練數(shù)據(jù)中各類別分布不均衡，導(dǎo)致深度學(xué)習(xí)模型傾向于學(xué)習(xí)正常樣本的特征，而輕視關(guān)鍵的攻擊樣本.

數(shù)據(jù)增廣是解決小樣本問(wèn)題的主流方法，即利用特定方法擴(kuò)充小樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量[4].傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)增廣方法主要為過(guò)采樣方法，例如：文獻(xiàn)[5]使用合成少數(shù)過(guò)采樣法（SMOTE）來(lái)擴(kuò)充小樣本數(shù)據(jù)，提升了入侵檢測(cè)的準(zhǔn)確率；文獻(xiàn)[6]提出一種基于聚類簇結(jié)構(gòu)特性的綜合采樣法，能夠生成樣本分布結(jié)構(gòu)特性保持的均衡數(shù)據(jù)樣本.上述方法在面對(duì)入侵檢測(cè)的小樣本問(wèn)題時(shí)取得了較好的效果，并且具有可解釋性強(qiáng)、機(jī)制簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但也正因?yàn)槠錂C(jī)制較為簡(jiǎn)單，生成樣本的質(zhì)量不夠突出，容易導(dǎo)致有效信息的丟失及模型過(guò)擬合.生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）[7]是一種生成模型，因其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)生成能力已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)增廣任務(wù)中.對(duì)于入侵檢測(cè)的小樣本問(wèn)題，一種更為新穎的解決思路是使用GAN 來(lái)生成高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)攻擊樣本：文獻(xiàn)[8]提出了一種基于GAN 的攻擊樣本生成方法，將生成的樣本應(yīng)用在基于CNN 的入侵檢測(cè)模型中，能夠有效地提升模型的準(zhǔn)度；文獻(xiàn)[9]對(duì)傳統(tǒng)GAN 進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于不平衡生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（IGAN）的攻擊樣本生成方法并應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式（ad-hoc）網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測(cè)任務(wù)中，有效提升了入侵檢測(cè)的檢測(cè)準(zhǔn)度.上述方法雖取得了優(yōu)異的表現(xiàn)，但皆有不同的適用場(chǎng)景.如何將GAN 有效地應(yīng)用于ETCN 場(chǎng)景仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要結(jié)合ETCN 中攻擊數(shù)據(jù)的實(shí)際特點(diǎn)對(duì)方法進(jìn)行適應(yīng)性的改進(jìn)設(shè)計(jì).

針對(duì)ETCN 入侵檢測(cè)的小樣本問(wèn)題，在傳統(tǒng)GAN 框架基礎(chǔ)上，本文提出一種改進(jìn)的生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GMCW-GAN），用于生成高質(zhì)量的ETCN 網(wǎng)絡(luò)攻擊樣本.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法能夠生成有效的ETCN 網(wǎng)絡(luò)攻擊樣本，可以在小樣本條件下提高基于深度學(xué)習(xí)的ETCN 入侵檢測(cè)的檢測(cè)準(zhǔn)度，進(jìn)而增強(qiáng)ETCN 的安全防御能力.

1 GMCW-GAN 樣本生成方法

首先，分析將傳統(tǒng)GAN 應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)攻擊樣本生成任務(wù)時(shí)存在的主要缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，介紹GMCW-GAN 的主要改進(jìn)內(nèi)容；其次，設(shè)計(jì)GMCWGAN 中生成器與判別器的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

1.1 對(duì)傳統(tǒng)GAN 的優(yōu)化改進(jìn)

GAN 是Goodfellow 等[7]于2014 年提出的一種基于可微生成器的生成式建模方法.GAN 由2 部分組成：生成器G與判別器D，通過(guò)對(duì)抗訓(xùn)練的方式使生成器產(chǎn)生的樣本服從真實(shí)數(shù)據(jù)分布.該訓(xùn)練過(guò)程是一個(gè)0 和博弈問(wèn)題，即生成器與判別器各自的收益等于對(duì)方的損失，當(dāng)訓(xùn)練接近納什均衡時(shí)，模型達(dá)到最優(yōu).其目標(biāo)函數(shù)如式（1），GAN 的整體優(yōu)化目標(biāo)可形式化表示為

傳統(tǒng)GAN 存在3 項(xiàng)缺點(diǎn)：1）生成器的輸入通常為符合高斯分布或均勻分布的隨機(jī)變量，然而，在實(shí)際應(yīng)用中，這2 類分布的表達(dá)能力較為單一，會(huì)從模型的初始采樣環(huán)節(jié)對(duì)生成樣本的初始數(shù)據(jù)形態(tài)產(chǎn)生約束，最終影響生成樣本的多樣性；2）生成過(guò)程中，生成樣本的類別不受控，表現(xiàn)為將GAN 應(yīng)用在多類別的生成任務(wù)中時(shí)，無(wú)法按需指定其生成特定類別的樣本；3）生成器的優(yōu)化目標(biāo)等價(jià)于最小化與pr(x) 之間的JS（Jensen-Shannon）散度[7]，當(dāng)分布之間沒(méi)有重疊部分時(shí)，將導(dǎo)致生成器梯度消失，從而無(wú)法通過(guò)訓(xùn)練進(jìn)一步優(yōu)化生成器.

對(duì)于ETCN 入侵檢測(cè)的攻擊樣本生成任務(wù)，缺點(diǎn)1 會(huì)導(dǎo)致生成樣本的多樣性不足，從而限制其在入侵檢測(cè)模型訓(xùn)練環(huán)節(jié)中的促進(jìn)作用；缺點(diǎn)2 會(huì)導(dǎo)致生成樣本的類別難以控制，從而增加樣本生成模型的訓(xùn)練難度與成本；缺點(diǎn)3 會(huì)導(dǎo)致生成樣本的真實(shí)性不足，不能夠充分模擬真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)入侵?jǐn)?shù)據(jù).

面向ETCN 入侵檢測(cè)的攻擊樣本生成需求，本文設(shè)計(jì)了一種樣本生成方法GMCW-GAN，其整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.該方法在傳統(tǒng)GAN 的基礎(chǔ)上從采樣策略、約束條件、損失密度3 個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，以克服上述缺點(diǎn).

圖1 GMCW-GAN 的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of GMCW-GAN

1.1.1 采樣策略改進(jìn)

傳統(tǒng)GAN 從高斯分布或均勻分布中采樣生成隨機(jī)變量作為其潛在空間的先驗(yàn)分布，這種采樣方式在一定程度上約束了生成樣本的多樣性.為解決這一問(wèn)題，GMCW-GAN 采用具備多模態(tài)特性的高斯混合模型（GMM）[10]來(lái)替代傳統(tǒng)的一元高斯分布，從而更好地契合真實(shí)訓(xùn)練樣本的內(nèi)生多模態(tài)特性，增加生成樣本的多樣性.

GMM 由N個(gè)高斯分量加權(quán)求和組成，每個(gè)分量為1 個(gè)一元高斯分布，可將GMM 形式化表述為

式中：g(x|μi,Ci) 為單個(gè)隨機(jī)潛變量依從的S元高斯分布的概率密度函數(shù)；μi為均值向量，μi∈RS；Ci為協(xié)方差矩陣；λ={ωi,μi,Ci} 為GMM的參數(shù)，ωi為第i個(gè)高斯分量的權(quán)值，且

對(duì)于ETCN 攻擊樣本生成任務(wù)，在沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)時(shí)，可認(rèn)為GMCW-GAN 潛空間中的高斯分量具有均等權(quán)值，則可令ωi=1/N，因此，潛空間需要計(jì)算的參數(shù)可約簡(jiǎn)為 λ={μi,Ci} .由于直接從GMM 中采樣得到隨機(jī)變量的過(guò)程不可導(dǎo)，無(wú)法參與反向梯度傳播來(lái)更新參數(shù) λ，因此，GMCW-GAN 通過(guò)重參數(shù)化技巧解決該問(wèn)題，即首先從正態(tài)分布N(0,1) 中采樣得到 ε，并按式（3）計(jì)算得到隨機(jī)變量z.

該過(guò)程在保持潛在變量隨機(jī)性的同時(shí)，將隨機(jī)性與參與訓(xùn)練的參數(shù)分離，確保GMM 的參數(shù) λ 可以通過(guò)反向傳播來(lái)動(dòng)態(tài)更新.

1.1.2 約束條件改進(jìn)

傳統(tǒng)GAN 的生成過(guò)程自由度過(guò)高，其生成的樣本不可控.為解決該問(wèn)題，GMCW-GAN 引入樣本條件約束技巧，通過(guò)給定相應(yīng)的樣本類別標(biāo)簽約束增強(qiáng)生成過(guò)程的可控性.

在GMCW-GAN 中，令真實(shí)目標(biāo)樣本的類別標(biāo)簽y為樣本條件約束，通過(guò)給生成器和判別器的輸入分別增加約束x|y與z|y來(lái)實(shí)現(xiàn).增加了樣本條件約束后的優(yōu)化目標(biāo)改寫(xiě)為

改進(jìn)后，可以通過(guò)改變輸入樣本的類別標(biāo)簽y來(lái)控制模型生成所需的網(wǎng)絡(luò)攻擊樣本.

傳統(tǒng)GAN 通過(guò)JS 散度來(lái)衡量

沃瑟斯坦距離可度量高維空間中的數(shù)據(jù)推動(dòng)距離.面對(duì)高維的網(wǎng)絡(luò)攻擊樣本，將數(shù)據(jù)從pr(x) 推向的過(guò)程存在多種移動(dòng)路徑，每種路徑下，將數(shù)據(jù)全部推至目的分布的總代價(jià)B(γ)，如式（5）所示.

將式（5）代入式（6），可以等價(jià)地將W(pr,pg) 表示為

求解式（7）的過(guò)程等同于求解一個(gè)線性規(guī)劃問(wèn)題，面對(duì)現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)攻擊數(shù)據(jù)分布，直接對(duì)其求解是難以實(shí)現(xiàn)的，因此，通過(guò)求解其對(duì)偶問(wèn)題[12]，等價(jià)地得到新的函數(shù)表達(dá)式為

式中：s up 表示取上確界，L≤1 表示函數(shù)應(yīng)服從1-Lipschitz 約束.

GMCW-GAN 引入梯度懲罰（gradient penalty）來(lái)保證函數(shù)服從1-Lipschitz 約束，即在判別器的優(yōu)化目標(biāo)中加入梯度懲罰項(xiàng)其表達(dá)式為

聯(lián)立式（4）、（8）、（9），即可得到GMCW-GAN最終的目標(biāo)函數(shù)為

1.2 生成器與判別器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本節(jié)基于具有強(qiáng)表示能力的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)設(shè)計(jì)生成器與判別器的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

1.2.1 生成器

生成器主要作用是將輸入的隨機(jī)變量轉(zhuǎn)變?yōu)楣魳颖荆珿MCW-GAN 中生成器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括全連接層（FC1）、重塑層（R2）、2 層轉(zhuǎn)置卷積層（TC3、TC4）與卷積層（C5），如圖2 所示.

圖2 生成器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Network structure of generator

從高斯混合模型中采樣得到的隨機(jī)分布z與樣本標(biāo)簽約束y的聯(lián)合嵌入表示生成器的輸入；通過(guò)FC1 將輸入進(jìn)一步表示為多神經(jīng)元隱層的輸出；通過(guò)R2 將FC1 的輸出重塑為三維結(jié)構(gòu)；通過(guò)TC3 與TC4 執(zhí)行轉(zhuǎn)置卷積；通過(guò)C5，以same padding（保持卷積前后張量的高與寬不變）的方式執(zhí)行卷積，得到與真實(shí)攻擊樣本同形狀的生成攻擊樣本.

為避免引入稀疏梯度，F(xiàn)C1、TC3 與TC4 中的非線性激活函數(shù)采用LeakyRelu[13]，同時(shí)因?yàn)镃5 的輸出為生成的攻擊樣本，為保證與輸入至判別器的真實(shí)樣本具備同樣的特征尺度（0～1），采用Sigmoid函數(shù)作為其非線性激活函數(shù).

1.2.2 判別器

判別器主要用于判斷其輸入樣本是否真實(shí)，其本質(zhì)上是一個(gè)二分類器，GMCW-GAN 中判別器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括2 層卷積層（C1、C2）、展平層（F3）與2 層全連接層（FC4、FC5），如圖3 所示.

圖3 判別器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Network structure of discriminator

判別器的輸入用真實(shí)攻擊樣本或生成器生成的攻擊樣本與樣本標(biāo)簽約束的聯(lián)合嵌入表示；通過(guò)C1 與C2 提取樣本特征；利用F3 將C2 的輸出展平為向量；進(jìn)一步用FC4 與FC5 提取特征，同時(shí)縮減向量長(zhǎng)度，最終得到單個(gè)元素的輸出.C1、C2 與FC4中的非線性激活函數(shù)采用LeakyRelu，應(yīng)用沃瑟斯坦距離作為優(yōu)化目標(biāo)，因此，F(xiàn)C5 的輸出無(wú)須進(jìn)行非線性激活.

2 實(shí)驗(yàn)與討論

為驗(yàn)證GMCW-GAN 的性能，首先，介紹ETCN半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，給出攻擊數(shù)據(jù)的獲取方式；其次，給出相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并介紹實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境與相關(guān)超參數(shù)配置；最后，通過(guò)多角度的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證GMCWGAN 的攻擊樣本生成能力.

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本文對(duì)照某型ETCN 列車的實(shí)車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，搭建ETCN 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)相關(guān)資料在平臺(tái)中模擬配置了車輛正常通信進(jìn)程，在此基礎(chǔ)上將安裝了攻擊模擬軟件的攻擊節(jié)點(diǎn)接入至交換機(jī)，從而開(kāi)展模擬攻擊實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4 所示.

圖4 ETCN 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Hardware-in-the-loop experimental platform of ETCN

本文提出的GMCW-GAN 生成樣本類型主要取決于輸入的真實(shí)樣本類型.為了驗(yàn)證其生成能力，本節(jié)采取的思路為：總結(jié)ETCN 可能面臨的典型攻擊，開(kāi)展模擬攻擊實(shí)驗(yàn)，從而獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證GMCW-GAN 的生成能力.

作者的前期研究中總結(jié)了ETCN 可能面臨的3 大類主要攻擊有探測(cè)類攻擊、拒絕服務(wù)類攻擊、中間人類攻擊[14]，因此，本文向?qū)嶒?yàn)平臺(tái)注入3 大類攻擊中的8 種典型攻擊來(lái)構(gòu)造訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，包括屬于探測(cè)類攻擊的IP 掃描、端口掃描與漏洞掃描，屬于拒絕服務(wù)類攻擊的UDP（user datagram protocol）泛洪，TCP（transmission control protocol）泛洪，屬于中間人類攻擊的ARP（address resolution protocol）欺騙、篡改與重放.

為便于比較GMCW-GAN 生成的樣本與真實(shí)樣本的質(zhì)量，通過(guò)2 個(gè)步驟構(gòu)建2 個(gè)ETCN 攻擊數(shù)據(jù)集.

步驟1通過(guò)攻擊模擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)造1 個(gè)樣本充足的基準(zhǔn)ETCN 攻擊數(shù)據(jù)集，稱為T(mén)ADS（train attack dataset），其數(shù)據(jù)分布見(jiàn)表1.

表1 TADS 的樣本分布Tab.1 Sample distribution of TADS

步驟2維持TADS 中正常報(bào)文數(shù)量不變，在其各類攻擊樣本中隨機(jī)抽取500 個(gè)樣本，構(gòu)造小樣本的ETCN 攻擊數(shù)據(jù)集，稱為T(mén)ADS-F，其數(shù)據(jù)分布見(jiàn)表2.

表2 TADS-F 的樣本分布Tab.2 Sample distribution of TADS-F

TADS 中，正常報(bào)文與攻擊報(bào)文均有上萬(wàn)個(gè)樣本，數(shù)量充足，同時(shí)其數(shù)量比約為5.5∶4.5，分布平衡.TADS-F 中，正常報(bào)文數(shù)量充足，但攻擊報(bào)文數(shù)量稀少，其數(shù)量比約為9.6∶0.4，分布不平衡.

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

生成樣本的目的是給入侵檢測(cè)模型的訓(xùn)練提供更多有效信息，因此，本節(jié)通過(guò)入侵檢測(cè)性能來(lái)評(píng)價(jià)GMCW-GAN 的攻擊樣本生成能力.小樣本條件下主要關(guān)注正類樣本（攻擊）是否能被正確檢測(cè).查準(zhǔn)率P是指所有檢測(cè)為攻擊的樣本中真正為攻擊的比例，反映了對(duì)攻擊樣本的檢測(cè)精準(zhǔn)度；查全率R是指所有攻擊樣本中被正確檢測(cè)為攻擊的比例，反映了對(duì)攻擊樣本的檢測(cè)完整度；F1分?jǐn)?shù)是P與R的調(diào)和平均，如式（11）所示，可綜合反映對(duì)攻擊樣本的檢測(cè)能力.

虛警率（FPR）是指被錯(cuò)誤檢測(cè)為攻擊的正常樣本占所有正常樣本的比例，虛警率越低，模型對(duì)正樣本的預(yù)測(cè)純度越高，性能越好，如式（12）.

式中：FP為被誤檢的正常樣本數(shù)量，TN為被正確檢測(cè)的正常樣本數(shù)量.

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

攻擊樣本生成實(shí)驗(yàn)與入侵檢測(cè)實(shí)驗(yàn)在以下配置環(huán)境中實(shí)施：1）硬件，AMD Ryzen 5 1600X CPU@3.60 GHz，32 GB RAM，NVIDIA GeForce GTX 1060 6 GB GPU；2）軟件，Windows 10 操作系統(tǒng)，Keras 2.5.0，CUDA 10.2.95.

GMCW-GAN 采用RMSProp 作為優(yōu)化器，學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.001，小批量大小為32 個(gè)，隨機(jī)變量設(shè)置為128 維向量，梯度懲罰項(xiàng)為10，μi與 σi賦以隨機(jī)初值（由于共有8 類攻擊樣本，因此i樣本標(biāo)簽為1～8 的整數(shù).

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）是一種具有代表性的深度學(xué)習(xí)方法，在入侵檢測(cè)領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果[15]，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5 所示.該模型的主要原理為：將入侵檢測(cè)任務(wù)轉(zhuǎn)化為深度學(xué)習(xí)中的分類任務(wù)，將模型視為實(shí)現(xiàn)函數(shù)關(guān)系擬合的分類器，通過(guò)從隱含層到輸出層的逐層擬合，建立輸入（樣本的特征表示）與輸出（預(yù)測(cè)的類別）之間的映射關(guān)系，通過(guò)該映射關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入樣本的類別預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè).所構(gòu)建的模型具有3 層隱含層，其神經(jīng)元數(shù)分別為512、256、128 個(gè)，激活函數(shù)為ReLU，損失函數(shù)為交叉熵?fù)p失，優(yōu)化器采用SGD，學(xué)習(xí)率為0.002，小批量大小為64，遍歷次數(shù)epoch 為30 次，檢測(cè)的總類別數(shù)C=9（包含正常類）.

圖5 入侵檢測(cè)模型的結(jié)構(gòu)Fig.5 Network structure of intrusion detection model

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

開(kāi)展實(shí)驗(yàn)之前，首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：提取TADS 中網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的主要報(bào)頭信息作為樣本特征，包括以太網(wǎng)頭、IP 頭、UDP 頭、TCP 頭、ICMP頭、ARP 頭以及TRDP 頭的各關(guān)鍵字段；用-1 填充樣本中的缺失值；使用獨(dú)熱碼（one-hot）將類別型特征轉(zhuǎn)換為數(shù)值型；使用最大最小歸一化對(duì)全部特征值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.基于預(yù)處理后的TADS，通過(guò)2.1 節(jié)中的方式構(gòu)造TADS-F.

為多角度驗(yàn)證GMCW-GAN 的性能，共開(kāi)展了下述4 類實(shí)驗(yàn).

2.4.1 樣本生成實(shí)驗(yàn)

訓(xùn)練GMCW-GAN 模型，按需生成少數(shù)類攻擊樣本從而構(gòu)造大樣本平衡攻擊數(shù)據(jù)集.

步驟1從高斯混合模型中生成128 維的隨機(jī)向量z，從TADS-F 中獲取真實(shí)攻擊樣本x，將z與x分別與樣本標(biāo)簽y進(jìn)行聯(lián)合嵌入，得到帶條件約束的輸入向量z|y與真實(shí)樣本x|y.

步驟2將z|y輸入生成器，得到一批生成的攻擊樣本G(z|y) .

步驟3固定生成器參數(shù)，將x|y與G(z|y) 輸入判別器，訓(xùn)練判別器.

步驟4固定判別器參數(shù)，將z|y輸入生成器，訓(xùn)練生成器，得到新的G(z|y) .

步驟5循環(huán)步驟3 與步驟4，對(duì)整體模型進(jìn)行對(duì)抗訓(xùn)練，直至收斂，從而完成訓(xùn)練.

步驟6按照y從1～8 的順序，將z|y輸入訓(xùn)練好的生成器，對(duì)每類攻擊各生成9 500 個(gè)樣本，得到大樣本數(shù)據(jù)集（TADS-L），其分布見(jiàn)表3.

表3 TADS-L 的樣本分布Tab.3 Sample distribution of TADS-L

數(shù)據(jù)集中的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文為高維樣本，無(wú)法直觀地觀察，使用t分布隨機(jī)鄰域嵌入（t-SNE）[16]，將真實(shí)樣本與生成樣本映射為三維空間中的點(diǎn)以觀察其分布，如圖6 所示.

圖6 真實(shí)樣本與生成樣本的三維空間表示Fig.6 3D representation of real and generated samples

圖6 中紅色散點(diǎn)與藍(lán)色散點(diǎn)分別代表真實(shí)攻擊樣本與生成樣本的三維表示，可以看到：GMCWGAN 生成樣本與真實(shí)樣本高度相似，這初步證明了GMCW-GAN 的生成能力.當(dāng)然，該結(jié)果是由初步的視覺(jué)觀察得到的，由于t-SNE 實(shí)現(xiàn)的是對(duì)空間特征的維度映射，并不完全反映數(shù)據(jù)在高維空間的真實(shí)情況，因此，仍需通過(guò)下述實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證生成樣本的質(zhì)量.

2.4.2 驗(yàn)證生成樣本對(duì)入侵檢測(cè)性能影響的實(shí)驗(yàn)

通過(guò)比較用TADS、TADS-F 與TADS-L 分別訓(xùn)練的DNN 入侵檢測(cè)模型在相同測(cè)試集上的性能差異，來(lái)驗(yàn)證GMCW-GAN 生成的攻擊樣本對(duì)入侵檢測(cè)性能的影響.從TADS 中對(duì)各類別均勻分層抽樣獲取測(cè)試集，每類1 000 個(gè)，共計(jì)7 000 個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù).用TADS、TADS-F 與TADS-L 分別訓(xùn)練DNN入侵檢測(cè)模型，3 個(gè)模型在測(cè)試集上測(cè)試得到的F1分?jǐn)?shù)見(jiàn)圖7，虛警率分別為12.7%、11.2%、12.4%.

圖7 TADS、TADS-F、TADS-L 數(shù)據(jù)集分別訓(xùn)練的DNN 入侵檢測(cè)模型的F1 分?jǐn)?shù)Fig.7 F1 score of DNN intrusion detection models trained by TADS,TADS-F,and TADS-L

對(duì)于TADS-DNN 在測(cè)試集上的測(cè)試結(jié)果，在其樣本分布均衡且數(shù)據(jù)量充足的情況下，不同類別攻擊的F1分?jǐn)?shù)是由其自身特性決定的，不在本文的討論范圍內(nèi).可將這一結(jié)果作為基準(zhǔn)參考，從而排除攻擊本身的檢測(cè)難度對(duì)比較結(jié)果的影響.

TADS-DNN 與TADS-F-DNN 對(duì)比發(fā)現(xiàn)：后者各類攻擊的F1分?jǐn)?shù)相較于前者有明顯下降，這是由攻擊樣本數(shù)量減少而導(dǎo)致的模型擬合能力下降引起的；與之相反的是，TADS-F-DNN對(duì)正常樣本的檢測(cè)能力略有提升，分析其原因可知，正常樣本數(shù)量沒(méi)有減少，模型可提取信息仍然充足，同時(shí)，由于攻擊樣本數(shù)量減少導(dǎo)致了類不平衡，模型會(huì)將其自身學(xué)習(xí)至擅于識(shí)別樣本量大的類別，因此導(dǎo)致了對(duì)正常樣本檢測(cè)能力的小幅上升；TADS-F-DNN 的虛警率略低于TADS-DNN，這同樣說(shuō)明訓(xùn)練時(shí)攻擊樣本的減少幾乎不會(huì)影響正常樣本的檢測(cè)，反而因?yàn)橐l(fā)的類不平衡現(xiàn)象，略微提高了對(duì)正常樣本的識(shí)別能力.

根據(jù)圖7 可知：TADS-L-DNN 對(duì)攻擊樣本的檢測(cè)能力相較于TADS-F-DNN 有明顯提升，對(duì)8 類攻擊樣本的F1分?jǐn)?shù)均有促進(jìn)作用，使其平均提升了4.23%，這證明GMCW-GAN 生成的攻擊樣本對(duì)入侵檢測(cè)的檢測(cè)準(zhǔn)度有明顯的促進(jìn)作用；TADS-LDNN 的F1分?jǐn)?shù)與虛警率均非常接近于TADS-DNN，由于TADS-L 與TADS 的數(shù)據(jù)分布相同，其唯一區(qū)別在于樣本真實(shí)性不同，這證明了生成的攻擊樣本與真實(shí)樣本非常相似；盡管兩者的檢測(cè)結(jié)果差距很小，但最好的檢測(cè)效果仍由TADS-DNN 取得，這表明生成樣本本質(zhì)上仍是對(duì)真實(shí)樣本的模擬，只能盡可能地向其逼近.

綜上可知，GMCW-GAN 可以生成非常接近真實(shí)攻擊樣本的高質(zhì)量樣本，可用于擴(kuò)充小樣本的攻擊數(shù)據(jù)，從而提高入侵檢測(cè)的檢測(cè)能力.

2.4.3 與其他生成方法的性能比較實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證GMCW-GAN 的生成能力，開(kāi)展與其他經(jīng)典方法及前沿方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其中，經(jīng)典方法包括隨機(jī)過(guò)采樣（ROS）、SMOTE 與傳統(tǒng)GAN；前沿方法包括文獻(xiàn)[8]與文獻(xiàn)[9]所提出的方法.利用上述多種方法從TADS-F 中生成新的網(wǎng)絡(luò)攻擊樣本，分別構(gòu)造多個(gè)大樣本數(shù)據(jù)集，其數(shù)據(jù)分布與TADS-L 相同.以TADS-L 與這多個(gè)數(shù)據(jù)集訓(xùn)練的DNN 入侵檢測(cè)模型的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8 與表4.

表4 不同生成方法對(duì)入侵檢測(cè)模型虛警率的影響對(duì)比Tab.4 Comparison of data generation methods affecting FPR of intrusion detection models %

圖8 不同生成方法對(duì)入侵檢測(cè)F1 分?jǐn)?shù)的影響對(duì)比Fig.8 Comparison of data generation methods affecting F1 score in intrusion detection

從圖8 可知：機(jī)制最為簡(jiǎn)單的ROS 所生成的攻擊樣本對(duì)入侵檢測(cè)的促進(jìn)最少；SMOTE 優(yōu)于ROS，這是由于其應(yīng)用了K 近鄰方法，使其比隨機(jī)采樣更具備信息提取能力；在IP 掃描、端口掃描、漏洞掃描、ARP 欺騙、UDP 泛洪與TCP 泛洪上，傳統(tǒng)GAN表現(xiàn)出比ROS 與SMOTE 更好的生成能力，這證明了傳統(tǒng)GAN 具備更強(qiáng)的樣本生成能力；但其篡改與重放樣本的生成效果劣于SMOTE，導(dǎo)致這一結(jié)果的可能原因是傳統(tǒng)GAN 訓(xùn)練中出現(xiàn)了模式崩塌，使得模型對(duì)篡改與重放的擬合能力較低；相比之下，GMCW-GAN 對(duì)篡改與重放樣本的生成效果最好，但與其他方法的差距并不突出，導(dǎo)致這一結(jié)果的可能原因是篡改與重放樣本同正常樣本在特征上非常相似，因此，入侵檢測(cè)模型對(duì)這2 類生成樣本并不敏感，表現(xiàn)為F1分?jǐn)?shù)的變化較小.

參與對(duì)比的2 個(gè)前沿方法表現(xiàn)出了比經(jīng)典方法更好的效果.GMCW-GAN 取得了全局最優(yōu)的表現(xiàn)，其生成的攻擊樣本所訓(xùn)練的模型在所有攻擊類別上均取得了最佳F1分?jǐn)?shù)，相較于其他方法，GMCWGAN 擁有最佳的攻擊樣本生成能力，將傳統(tǒng)GAN的幾種改進(jìn)方法、生成器與判別器的優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合在一起后，取得了明顯的優(yōu)化效果.

從表4 可知，不同生成模型生成的樣本對(duì)入侵檢測(cè)模型的虛警率影響很小，這一結(jié)果再一次驗(yàn)證了2.4.3 節(jié)中的結(jié)論，即生成的攻擊樣本主要用于促進(jìn)入侵檢測(cè)模型對(duì)攻擊樣本的檢測(cè)能力，在正常樣本數(shù)量較大的前提下，生成的攻擊樣本對(duì)正常樣本的檢測(cè)幾乎沒(méi)有影響.

2.4.4 類內(nèi)實(shí)驗(yàn)

上述實(shí)驗(yàn)從整體視角評(píng)估并驗(yàn)證了本文方法的有效性，本節(jié)則開(kāi)展類內(nèi)實(shí)驗(yàn)，具體對(duì)比所提出的不同改進(jìn)對(duì)生成樣本的影響，從而驗(yàn)證各項(xiàng)改進(jìn)的有效性.

本文共對(duì)傳統(tǒng)GAN 進(jìn)行了3 項(xiàng)改進(jìn)，其中第2 項(xiàng)改進(jìn)為約束條件改進(jìn)，其效果體現(xiàn)在增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)人員在樣本生成實(shí)驗(yàn)中的控制力，即能夠通過(guò)該改進(jìn)來(lái)控制模型按需生成特定類型的攻擊樣本，因此，該改進(jìn)對(duì)樣本的質(zhì)量無(wú)影響，不參與量化的評(píng)估.為評(píng)估其他2 項(xiàng)改進(jìn)，即采樣策略與損失函數(shù)的改進(jìn)，首先，在GMCW-GAN 中去除這2 項(xiàng)改進(jìn)，其次，去除一項(xiàng)、保留另一項(xiàng)，從而共建立3 個(gè)模型，利用這3 個(gè)模型，按照2.4.3 節(jié)的方式開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在入侵檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)1分?jǐn)?shù)結(jié)果如圖9 所示.由于不同生成模型對(duì)虛警率的影響已在上文實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證，因此不再進(jìn)行對(duì)比.

圖9 2 項(xiàng)類內(nèi)改進(jìn)方法對(duì)入侵檢測(cè)的影響對(duì)比Fig.9 Comparison of two in-class improvements affecting intrusion detection

通過(guò)圖9 可知：采樣策略改進(jìn)與損失函數(shù)改進(jìn)對(duì)各項(xiàng)攻擊的F1分?jǐn)?shù)均有促進(jìn)作用，驗(yàn)證了對(duì)生成樣本的多樣性與真實(shí)性的提升效果；對(duì)于除篡改與重放外的其他攻擊樣本，損失函數(shù)改進(jìn)對(duì)F1分?jǐn)?shù)的促進(jìn)比采樣策略改進(jìn)更明顯，樣本真實(shí)性的提升能夠比多樣性的提升在入侵檢測(cè)中帶來(lái)更明顯的促進(jìn)作用；對(duì)于篡改與重放，2 項(xiàng)改進(jìn)對(duì)F1分?jǐn)?shù)的提升較為接近，這2 類攻擊與正常樣本的相似度很高，因此，樣本真實(shí)性在其檢測(cè)過(guò)程中帶來(lái)的收益相對(duì)受限，表現(xiàn)為多樣性與真實(shí)性的促進(jìn)效果接近.整體而言，包含了2 項(xiàng)改進(jìn)的完整模型對(duì)各類攻擊樣本均具有最佳的F1分?jǐn)?shù)，2 項(xiàng)改進(jìn)能夠共同促進(jìn)入侵檢測(cè)的檢測(cè)準(zhǔn)度提升，進(jìn)一步驗(yàn)證了2 項(xiàng)改進(jìn)的有效性.

3 結(jié)論

針對(duì)基于深度學(xué)習(xí)的ETCN 入侵檢測(cè)領(lǐng)域面臨的網(wǎng)絡(luò)攻擊小樣本問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種攻擊樣本生成方法GMCW-GAN.該方法使用高斯混合模型、樣本條件約束與沃瑟斯坦距離改進(jìn)了GAN 的采樣策略、約束條件及損失函數(shù)，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了生成器與判別器.在ETCN 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行了模擬攻擊實(shí)驗(yàn)以獲取攻擊樣本，利用GMCW-GAN 生成了新的攻擊樣本，通過(guò)多角度的實(shí)驗(yàn)證明了GMCW-GAN 可以生成有效的網(wǎng)絡(luò)攻擊樣本，可用其擴(kuò)充模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)，進(jìn)而緩解ETCN 入侵檢測(cè)的小樣本問(wèn)題.