網絡入侵識別方法比較研究

陳洪泉

（海軍大連艦艇學院，大連116018）

0 引 言

計算機網絡安全已經越來越多地被人關注，作為網絡安全的一個重要組成部分，入侵檢測[1]受到越來越多的重視。目前的入侵檢測模型可以分為2類：誤用檢測和異常檢測，誤用檢測通過識別入侵特征來檢測入侵，如參考文獻[2]、[3]、[4]。誤用檢測能夠較為準確地檢測出已知模式的入侵，但在檢測未知入侵方面則無能為力。而異常檢測則基于對正常數據的建模，通過實際數據對正常輪廓的偏離來識別異常，它能檢測出未知入侵，但不能準確識別出是何種入侵，且具有一定的誤報率，異常檢測例子為參考文獻[5]和[6]。入侵識別需要綜合異常檢測和誤用檢測的優點，通過異常檢測來確定檢測樣本是否為異常數據，并通過誤用檢測技術來識別出該樣本對應的入侵類別。

目前，基于機器學習和數據挖掘的入侵識別方法成為研究的熱點，其中較為關鍵的一步是特征的選取，特征選取的方法主要集中在特征選擇和特征提取。目前公開的文獻主要集中在單獨利用特征選擇方法或特征提取方法來進行入侵識別，并沒有對基于2種特征選取方法的識別效果進行比較分析。本文利用同樣的訓練樣本集和檢驗樣本集對基于信息增益特征選擇的識別方法和基于主成分分析（PCA）特征提取的識別方法的識別效果進行比較分析，為入侵識別的進一步研究提供借鑒。

1 入侵識別方法

1.1 基于信息增益（IG）的特征選擇方法

信息熵是信息不純度的最佳評估方法，信息增益則是指信息熵的有效減少量。設特征A具有v個不同值｛a1，a2，…，av｝，訓練樣本被劃分為n類，S為訓練集中樣本的總數，可以用特征A把樣本S分成v 個子集｛S1，S2，…，Sv｝。其中，Sj包含S 中的這樣一些樣本，它們在A上具有值aj。設Sij是子集Sj中類為Ci（i＝1，2，…，n）的記錄個數。那么，這時根據A劃分成子集的熵或期望信息為：

熵值越小，子集劃分的純度越高。對于給定的子集Sj，有：

在A上將獲得的信息增益是：

1.2 基于主成分分析（PCA）的特征提取方法

主成分分析方法能夠較好地處理高維數據，使得低維數據能夠在平方和最小的意義下描述高維原始數據，它利用輸入樣本點空間的主成分元素，歸納和提取其中的結構信息，從而最終實現降維。給定樣本x1，x2，…，xn，每個樣本為m 維向量，則數據集合可以表示為矩陣Xn×m：

通過計算樣本協方差矩陣C的特征值和特征向量，依次選擇最大特征值對應的k個特征向量，就可以得到m×k的矩陣U，其列為k個特征向量，原始數據就可以通過公式：

向k維特征子空間投影得到，從而達到了降維的目的。

1.3 入侵識別的基本步驟

使用50近鄰的KNN算法來以離群點檢測的方式進行入侵識別。識別的基本步驟為：

（1）特征生成，將待識別數據通過IG特征選擇或PCA轉換到新的數據表示空間。

（2）異常檢測，用KNN方法判斷該樣本是否為normal類數據，區分其正常或異常性。

（3）誤用檢測，對于非normal類的樣本，通過KNN方法判斷其是否為具體的各種入侵樣式，此為具體的識別階段。

注意在基于PCA的識別方法中，在判斷其是否為各類數據時，待檢測樣本需要分別向相關類的特征空間進行投影。

2 實驗結果比較與分析

2.1 數據集

本文采用MIT林肯實驗室的KDD99數據集進行測試，此數據集為入侵檢測的標準數據集，已經被廣泛地應用到入侵檢測方法的評估中。數據包括41個特征，其中34個為數值特征，7個為符號特征。

2.2 入侵識別結果

為計算簡便，在特征選擇中，選擇了信息增益不為零的特征作為新的特征集合；在PCA特征提取中，選擇了大于零的特征值對應的特征向量作為新的特征空間。在KDD99的訓練樣本集中抽取出normal類數據1 000條、ipsweep類數據300條、portsweep類數據300條、satan類數據300條、smurf類數據800條、back類數據500條來作為訓練用數據樣本。測試數據集共4 172條，其中包括normal類1 000條、back類500條、ipsweep類306條、portsweep類354條、satan類500條、smurf類1 000條、neptune類500條、teardrop類12條。在選定新的特征空間后，使用weka工具對檢驗樣本進行入侵識別后的接收機操作特征（ROC）曲線繪制見圖1～圖6。

從實驗結果可以看出，基于信息增益的特征選擇方法在入侵識別方面較之PCA方法具有明顯的優勢，且由于其計算量大大低于基于PCA的識別方法，因此更適合于對KDD99數據集合的入侵識別。在試驗中也發現，PCA在閾值較小時即可達到較高的檢測率，但同時具有較高的虛警率，其對各類數據的區分性并不好，該識別結果同文獻[7]中得到的結果并不十分符合，值得進一步研究。

3 結束語

圖1 Normal類樣本識別ROC曲線

圖2 back類樣本識別ROC曲線

圖3 ipsweep類樣本識別ROC曲線

圖4 portsweep類樣本識別ROC曲線

總而言之，通過分析比較發現：基于信息增益的特征選擇方法在檢測率和虛警率方面有較好的表現，較之直接使用PCA特征提取的入侵識別方法在KDD99的各類數據之間具有更好的區分性能，在各類入侵的檢測識別中，均能夠達到檢測率96%以上且虛警率保持在0.5%以下的較好效果，下一步的主要工作是利用多種入侵識別方法進一步比較特征選擇和提取在KDD99數據集上的識別性能。

圖5 satan類樣本識別ROC曲線

圖6 smurf類樣本識別ROC曲線

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[5]Lunt T，Tamaru A，Gilham F，et al.A Real－time Intrusion Detection Expert System （IDES）[R].California：Computer Science Laboratory，SRI International，1992.

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