摘 要:針對(duì)入侵檢測(cè)系統(tǒng)中出現(xiàn)的局部特征提取能力不足問(wèn)題,提出了一種側(cè)抑制卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(LiCNN),即在已有的CNN模型中加入側(cè)抑制模塊增強(qiáng)局部特征提取能力;針對(duì)一般卷積網(wǎng)絡(luò)難以提取高維特征的問(wèn)題,在LiCNN結(jié)構(gòu)中引入逆殘差概念,進(jìn)一步提高模型高維特征的提取能力;針對(duì)傳統(tǒng)入侵檢測(cè)模型存在的無(wú)法處理長(zhǎng)距離依賴(lài)關(guān)系、難以并行化等問(wèn)題,采用雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(BiLSTM)提取時(shí)序特征,通過(guò)增強(qiáng)上下文信息捕捉能力來(lái)處理長(zhǎng)距離依賴(lài)關(guān)系,提高模型的預(yù)測(cè)精度。在公開(kāi)數(shù)據(jù)集CICIDS2017上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),經(jīng)過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)模型以及現(xiàn)有的入侵檢測(cè)方法表明,所提模型擁有較好的性能。模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率、召回率、F1值較高,證明了其有效性和可行性。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)安全;入侵檢測(cè)系統(tǒng);側(cè)抑制卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò);CICIDS2017數(shù)據(jù)集
中圖分類(lèi)號(hào):TP393.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2024)10-00-06
0 引 言
目前,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備逐漸趨于智能化,并且被廣泛應(yīng)用于家庭、教育、娛樂(lè)等領(lǐng)域,更加智能的出行和生活方式隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及逐漸成為常態(tài)。
然而無(wú)論是學(xué)術(shù)界還是商業(yè)界都很少關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性,這也使一些不法分子有機(jī)可乘,做出危及物聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)個(gè)人隱私安全、設(shè)備安全的行為,更嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)失衡[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的使用也愈發(fā)頻繁,這也使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)成為了網(wǎng)絡(luò)攻擊的主要目標(biāo),因此,增強(qiáng)入侵防范意識(shí)及其技術(shù)水平至關(guān)重要。入侵檢測(cè)系統(tǒng)(Intrusion Detection System, IDS)[2]旨在通過(guò)有效抵御安全威脅,從而提升物聯(lián)網(wǎng)安全水平。傳統(tǒng)的入侵檢測(cè)系統(tǒng)往往無(wú)法有效應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中復(fù)雜和多樣化的安全威脅。而深度學(xué)習(xí)技術(shù)通過(guò)其強(qiáng)大的模式識(shí)別和學(xué)習(xí)能力,可以更好地適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中不斷變化的網(wǎng)絡(luò)攻擊形式,提供更高效準(zhǔn)確的入侵檢測(cè)方法。
最早的研究方法大多為基于機(jī)器學(xué)習(xí)的入侵檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[3]中提出的LM-BP入侵檢測(cè)算法在更好地揭示物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)的同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)入侵檢測(cè)系統(tǒng)的性能優(yōu)化。文獻(xiàn)[4]中將SVM算法應(yīng)用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)方法中,得到了不錯(cuò)的檢測(cè)效果。文獻(xiàn)[5]在時(shí)序數(shù)據(jù)的分類(lèi)問(wèn)題上進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)K-means算法在提取和聚合時(shí)序特征方面有更優(yōu)的效果,實(shí)現(xiàn)了在物聯(lián)網(wǎng)入侵檢測(cè)方向上的突破。文獻(xiàn)[6]中提出了一種結(jié)合不同機(jī)器學(xué)習(xí)算法的混合分類(lèi)器模型,以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性。作者使用遺傳算法(GA)來(lái)優(yōu)化混合分類(lèi)器的參數(shù),并進(jìn)行特征選擇,以降低數(shù)據(jù)集的維度和復(fù)雜度。雖然機(jī)器學(xué)習(xí)在分類(lèi)檢測(cè)問(wèn)題中有著不錯(cuò)的研究成果,但是機(jī)器學(xué)習(xí)無(wú)法處理龐大數(shù)據(jù)、難以識(shí)別復(fù)雜入侵行為的弊端也逐漸顯現(xiàn),這也是深度學(xué)習(xí)技術(shù)逐漸代替機(jī)器學(xué)習(xí)被廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。文獻(xiàn)[7]中提出了一種基于混合模型的多通道智能攻擊檢測(cè)方法,該方法將數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、多通道訓(xùn)練和檢測(cè)無(wú)縫集成到一個(gè)端到端的檢測(cè)框架中,旨在解決數(shù)據(jù)安全問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法在攻擊檢測(cè)方面大大優(yōu)于使用特征檢測(cè)和貝葉斯或SVM分類(lèi)器的幾種攻擊檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[8]
中提出了基于DGRU的分類(lèi)器來(lái)實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè),該分類(lèi)器能夠有效處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)特征。作者還設(shè)計(jì)了一種基于包裝器的特征選擇算法,該算法能夠根據(jù)DGRU的性能自動(dòng)選擇最優(yōu)的特征子集。文獻(xiàn)[9]中提出了一種基于
ID-CNN模型的分類(lèi)器,該分類(lèi)器能夠?qū)r(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí),并從TCP/IP數(shù)據(jù)包中提取高層特征。作者為了解決分類(lèi)器泛化能力不足的問(wèn)題,還使用了歸一化技術(shù)來(lái)處理不平衡的數(shù)據(jù)集。文獻(xiàn)[10]中設(shè)計(jì)了一種基于流的入侵檢測(cè)模型SGM-CNN,該模型解決了不平衡類(lèi)處理問(wèn)題,研究了在特征提取過(guò)程中卷積核數(shù)量對(duì)模型性能的影響,作者使用UNSW-NB15和CICIDS2017公開(kāi)數(shù)據(jù)集來(lái)驗(yàn)證他們的方法,對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了其方法在不平衡入侵檢測(cè)方面的有效性和靈活性。文獻(xiàn)[11]中使用了一種類(lèi)別權(quán)重優(yōu)化方法來(lái)減少不同攻擊類(lèi)型在模型訓(xùn)練樣本中因樣本數(shù)量不平衡對(duì)模型性能產(chǎn)生的影響,提高了模型的魯棒性。文獻(xiàn)[12]中提出采用ID-RDRL模型篩選最優(yōu)的特征子集,隨后輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取特征信息,然后使用DRL訓(xùn)練分類(lèi)器識(shí)別網(wǎng)絡(luò)入侵。文獻(xiàn)[13]中提出了一種基于長(zhǎng)短期記憶自編碼器(LAE)和雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Bidirectional Long Shortterm Memory, BiLSTM)的混合深度學(xué)習(xí)模型,該模型能夠有效提取和分析網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)的特征,并識(shí)別出正常和異常的流量樣本,使用BoT-IoT數(shù)據(jù)集來(lái)驗(yàn)證其有效性。
當(dāng)前入侵檢測(cè)模型面臨著因堆疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致模型復(fù)雜度過(guò)大的問(wèn)題,雖然已有人在特征降維方面進(jìn)行了模型優(yōu)化,以此來(lái)達(dá)到降低模型復(fù)雜度的目的,但是也存在由于特征降維導(dǎo)致特征提取不全、模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率降低的問(wèn)題。為了使預(yù)測(cè)模型在提高特征提取能力的同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)參數(shù)過(guò)多、計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大的情況,本文采用基于LiCNN(Lateral Inhibition Convolution Neural Network)與BiLSTM的入侵檢測(cè)方法。使用改進(jìn)的輕量級(jí)LiCNN進(jìn)行特征提取和特征增強(qiáng)操作;然后將得到的特征向量傳入BiLSTM網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行時(shí)序特征的提取以及預(yù)測(cè)模型的訓(xùn)練;訓(xùn)練結(jié)束后使用訓(xùn)練好的模型來(lái)檢測(cè)異常數(shù)據(jù)并觀(guān)察其準(zhǔn)確率;最后通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的有效性,與不同的檢測(cè)方法比較后,證明該方法的準(zhǔn)確性較高,誤報(bào)率較低。
1 相關(guān)工作
1.1 檢測(cè)原理
入侵檢測(cè)系統(tǒng)能夠分析捕獲的數(shù)據(jù)包,以此判斷是否發(fā)生入侵檢測(cè)事件,其工作原理是系統(tǒng)首先在正常的網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)和建立一個(gè)正常模式下的模型或基準(zhǔn)。異常的網(wǎng)絡(luò)流量與正常的網(wǎng)絡(luò)流量存在差異,以此來(lái)判斷入侵情況。同時(shí),檢測(cè)系統(tǒng)還能根據(jù)不同攻擊產(chǎn)生的流量的差異性來(lái)建立異常模式下的模型或基準(zhǔn),以此來(lái)判斷攻擊的具體類(lèi)型。
1.2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network, CNN)是一種深度學(xué)習(xí)算法,被普遍應(yīng)用于數(shù)據(jù)的特征提取過(guò)程,例如圖像分割、語(yǔ)音識(shí)別和文本提取等。CNN結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
1.3 雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)
文獻(xiàn)[16]在1997年提出遞歸網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),BiLSTM由LSTM發(fā)展而來(lái)。BiLSTM門(mén)控結(jié)構(gòu)如圖2所示。
BiLSTM將輸入序列分別輸入到2個(gè)LSTM層中,并將它們的輸出拼接起來(lái),從而實(shí)現(xiàn)雙向信息傳遞。通過(guò)捕捉當(dāng)前時(shí)刻的上下文信息,增強(qiáng)模型對(duì)序列數(shù)據(jù)的理解能力。各層的計(jì)算公式如式(3)~式(5)所示:
2 基于LiCNN-BiLSTM的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)模型
2.1 改進(jìn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
本文使用了具有側(cè)抑制模塊的改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),側(cè)抑制是神經(jīng)系統(tǒng)中一種重要的信息處理機(jī)制。它指當(dāng)一個(gè)神經(jīng)元被激活時(shí),會(huì)抑制周?chē)徑窠?jīng)元的活動(dòng),從而產(chǎn)生對(duì)比增強(qiáng)的效果。在基礎(chǔ)的CNN網(wǎng)絡(luò)模型中加入側(cè)抑制模塊,通過(guò)抑制不重要的特征來(lái)突出重要特征,以此達(dá)到特征增強(qiáng)的效果。側(cè)抑制模塊由3個(gè)卷積網(wǎng)絡(luò)單元組成,每個(gè)單元由一維卷積層、Batch Normalization層和ReLU層組成。LiCNN結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
本文所提模型中引入了逆殘差結(jié)構(gòu),使得模型在特征提取過(guò)程中能夠提取不同維度的特征,同時(shí)還通過(guò)分組卷積技術(shù)降低了模型參數(shù),減少了模型計(jì)算開(kāi)銷(xiāo),達(dá)到了降低模型復(fù)雜度的目的。
數(shù)據(jù)傳入LiCNN后進(jìn)行的處理如下:
(1)將輸入數(shù)據(jù)使用分組卷積技術(shù)等分為xf1和xf2兩組,xf1做同等映射,將xf2傳入側(cè)抑制模塊進(jìn)行特征增強(qiáng);
(2)將特征圖xf2逐點(diǎn)卷積后,使其特征維度從低維映射到高維,得到特征圖xf2_h;
(3)借助卷積層對(duì)特征圖xf2_h進(jìn)行特征提取后,經(jīng)BN層加快收斂速度,最后由ReLU層進(jìn)行非線(xiàn)性化特征處理,使模型有更好的表達(dá)能力,得到特征圖xf2_h2;
(4)通過(guò)逐點(diǎn)卷積特征圖調(diào)整xf2_h2的維度,使其與xf1相同,得到特征圖xf2_out;
(5)使用Concat()函數(shù)對(duì)特征圖xf1和xf2_out進(jìn)行特征融合來(lái)增強(qiáng)模型的表達(dá)能力和靈活性,接著使用View()函數(shù)調(diào)整特征圖形狀得到最終的輸出xc_s,將其傳入BiLSTM網(wǎng)絡(luò)。
2.2 入侵檢測(cè)流程設(shè)計(jì)思路
為了使預(yù)測(cè)模型在保證預(yù)測(cè)精度的前提下還能提高特征提取能力,同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)參數(shù)過(guò)大、模型復(fù)雜度變大的情況,本文采用基于LiCNN與BiLSTM網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測(cè)方法,該方法主要包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型訓(xùn)練與數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。入侵檢測(cè)框架如圖4所示。
(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)清洗、均值填充、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化以及生成訓(xùn)練集和測(cè)試集4個(gè)部分。數(shù)據(jù)預(yù)處理的步驟:首先對(duì)數(shù)據(jù)集中的空值、缺失值或者inf值進(jìn)行剔除、空缺數(shù)據(jù)填充操作;隨后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理;最后將數(shù)據(jù)集劃分成為訓(xùn)練集和測(cè)試集,劃分系數(shù)設(shè)置為0.3。標(biāo)準(zhǔn)化的公式可以表示為:
3 實(shí) 驗(yàn)
3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境為Windows 11操作系統(tǒng),CPU為AMD Ryzen 7 5800H with Radeon Graphics,顯卡為Intel Iris Xe Graphics,固態(tài)硬盤(pán)為512 GB。
實(shí)驗(yàn)程序的編寫(xiě)環(huán)境為PyCharm集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,編程語(yǔ)言為Python 3.9。
3.2 數(shù)據(jù)集選取
本文使用公共數(shù)據(jù)集CICIDS2017作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。CICIDS2017是基于真實(shí)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集,共有80多個(gè)網(wǎng)絡(luò)流特征,包括6個(gè)基本特征和70多個(gè)功能特征,用于評(píng)估入侵檢測(cè)系統(tǒng)的性能。數(shù)據(jù)集中包含了正常網(wǎng)絡(luò)流量以及各種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)攻擊行為,有FTP-Patator、SSH-Patator、DoS、Heartbleed、Port Scan、Infiltration、Bot和DDoS共8種攻擊類(lèi)型。
原始數(shù)據(jù)分布見(jiàn)表1所列。
由表1可知,有些攻擊類(lèi)型如Infiltration、Heartbleed等數(shù)據(jù)量過(guò)小,導(dǎo)致數(shù)據(jù)分布不平衡,在模型預(yù)測(cè)中容易影響模型的預(yù)測(cè)精度,同時(shí)由于數(shù)據(jù)不平衡和噪聲的影響,會(huì)導(dǎo)致模型的泛化能力和魯棒性降低,因此數(shù)據(jù)集中僅保留數(shù)據(jù)量較大的幾種攻擊類(lèi)型,將較少數(shù)據(jù)量的攻擊類(lèi)型剔除。數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)處理后劃分為測(cè)試集和訓(xùn)練集,劃分系數(shù)為0.7,分布見(jiàn)表2所列。
3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)
選取準(zhǔn)確率、召回率、F1值作為評(píng)價(jià)本次實(shí)驗(yàn)的重要指標(biāo),以此來(lái)衡量本文提出模型的有效性。各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算公式如下所示:
3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
消融實(shí)驗(yàn)是一種重要的研究方法,用于驗(yàn)證不同模塊對(duì)模型性能的影響。在模型訓(xùn)練過(guò)程中,由圖5可知,LSTM、BiLSTM網(wǎng)絡(luò)變化趨于平穩(wěn)后的loss值比LiCNN-BiLSTM、CNN-BiLSTM網(wǎng)絡(luò)的值高,說(shuō)明混合網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)精確度更高,模型的訓(xùn)練效果比單一網(wǎng)絡(luò)好。同時(shí),根據(jù)圖中曲線(xiàn)可知,損失值函數(shù)loss與迭代次數(shù)呈負(fù)相關(guān),隨著迭代次數(shù)的增加,loss值逐漸減小,而且下降速率表現(xiàn)為先快后慢。LiCNN-BiLSTM網(wǎng)絡(luò)在前5次迭代過(guò)程中l(wèi)oss值快速下降,到第9次后loss值逐漸趨于平緩;而基于CNN-BiLSTM網(wǎng)絡(luò)的loss值在前6次迭代中快速下降,但是在第12次后才逐漸趨于平緩,說(shuō)明本文模型收斂速度更快,收斂效果更好。
圖6分別為L(zhǎng)STM網(wǎng)絡(luò)、BiLSTM網(wǎng)絡(luò)、CNN-BiLSTM網(wǎng)絡(luò)以及LiCNN-BiLSTM網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度曲線(xiàn)。由圖中數(shù)據(jù)可知,加入了反向時(shí)序信息的雙向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比單向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的效果好,同時(shí)相較于單一的網(wǎng)絡(luò)模型,混合模型的預(yù)測(cè)精度更高。這是由于在混合模型中CNN網(wǎng)絡(luò)能夠先行提取到局部的重要特征,抑制了不必要特征傳入BiLSTM網(wǎng)絡(luò),減少了BiLSTM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)序特征提取的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo),也提高了BiLSTM網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練精度。而本文所提網(wǎng)絡(luò)模型在CNN結(jié)構(gòu)中加入了側(cè)抑制模塊進(jìn)行特征增強(qiáng),進(jìn)一步提高了模型的特征提取能力。
表3是各種當(dāng)前較為流行的入侵檢測(cè)模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比表,由表3可知,在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中,本文所提模型各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均較高,這進(jìn)一步證明了本文所提模型的有效性和優(yōu)越性。
4 結(jié) 語(yǔ)
基于LiCNN-BiLSTM網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測(cè)模型是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。本研究構(gòu)建的混合網(wǎng)絡(luò)框架的實(shí)驗(yàn)?zāi)P徒?jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比,結(jié)果表明,該模型可以有效捕捉網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù),并在多種環(huán)境中表現(xiàn)出良好的性能和穩(wěn)健的特征。
首先,本文通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取,提取出了數(shù)據(jù)中的空間特征,能夠更好地捕捉到入侵行為中的關(guān)鍵信息,同時(shí)減少了模型的參數(shù),避免了計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)的增加,提高了模型的訓(xùn)練速度和性能。
其次,本文通過(guò)引入雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間序列模型來(lái)研究網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù),BiLSTM能夠有效捕捉數(shù)據(jù)中的時(shí)序依賴(lài)關(guān)系,通過(guò)將歷史信息與當(dāng)前信息相結(jié)合,更好地預(yù)測(cè)未來(lái)可能發(fā)生的入侵行為。
最后,本文對(duì)模型進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于LiCNN與BiLSTM網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測(cè)模型在各項(xiàng)指標(biāo)上均獲得了較好的表現(xiàn)。與傳統(tǒng)方法相比,該模型能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)出網(wǎng)絡(luò)中的入侵行為,并且具有較低的誤報(bào)率和漏報(bào)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和一致性也驗(yàn)證了該模型的有效性和可行性。
綜上所述,基于LiCNN與BiLSTM網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測(cè)模型在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但該模型仍有優(yōu)化的空間,可以通過(guò)繼續(xù)優(yōu)化來(lái)提高其在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的可擴(kuò)展性和魯棒性,以更好地應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全威脅。
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物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2024年10期