孫程,邢建春，楊啟亮，韓德帥

　?。ń夥跑娎砉ご髮W(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

       摘要：工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻，遭到的入侵威脅也越來(lái)越復(fù)雜。伴隨著網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性、復(fù)雜性不斷增強(qiáng),入侵威脅正在不斷加深。為了抵御愈趨復(fù)雜和多樣的入侵威脅,需要設(shè)計(jì)高效的入侵檢測(cè)方法。樸素貝葉斯分類算法是一種有效而簡(jiǎn)潔的分類算法，能較好地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測(cè)。但是它的屬性獨(dú)立性假設(shè)使得該方法無(wú)法表示屬性變量之間存在的關(guān)系，影響了它的分類效果。針對(duì)該缺陷，借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，提出了一種改進(jìn)綜合加權(quán)系數(shù)的樸素貝葉斯分類算法（Compositive Weighted Naive Bayes Classification，CWNBC）。該算法既考慮了不同屬性取值對(duì)分類結(jié)果的影響，又考慮了屬性值的內(nèi)容對(duì)分類的影響，巧妙地引入了綜合加權(quán)系數(shù)。將該算法與其他幾種算法比較，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該分類算法有較高的分類準(zhǔn)確率，能更好地適用于比較復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測(cè)。

　　關(guān)鍵詞：樸素貝葉斯；加權(quán)系數(shù)；屬性值

　　中圖分類號(hào)：TP31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.003

　　引用格式：孫程,邢建春，楊啟亮，等. 基于改進(jìn)樸素貝葉斯的入侵檢測(cè)方法［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（1）：8-10,14.

0引言

　　網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展在給人們的生活帶來(lái)極大便利的同時(shí)，也給人們帶來(lái)了較大的安全威脅。隨著網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性和復(fù)雜性不斷增強(qiáng)，工業(yè)控制系統(tǒng)（Industry Control System,ICS)面臨的安全問(wèn)題也日益凸顯，遭到的入侵威脅不斷增大。

　　入侵檢測(cè)是ICS的網(wǎng)絡(luò)安全防御中重要的組成部分,是保護(hù)系統(tǒng)安全的重要手段，一直被國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者所關(guān)注。入侵檢測(cè)技術(shù)是一種要找出能夠危害信息資源完整性、機(jī)密性和可用性的安全措施［1］。入侵檢測(cè)的目的是在海量的未知網(wǎng)絡(luò)事件數(shù)據(jù)中，將正常事件（Normal）和異常事件（Anomaly）精確分類，達(dá)到發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攻擊事件和降低誤報(bào)警率的目的［2］ 。入侵檢測(cè)技術(shù)一般可分為兩種:誤用檢測(cè)和異常檢測(cè)。誤用檢測(cè)指的是根據(jù)已知的攻擊方法來(lái)預(yù)先定義入侵模式,通過(guò)判斷這些入侵模式是否會(huì)出現(xiàn)來(lái)完成檢測(cè)任務(wù)。誤用檢測(cè)的缺點(diǎn)在于其局限于已有知識(shí)的檢測(cè)范圍,不能檢測(cè)出已有知識(shí)之外的攻擊行為。異常檢測(cè)指的是根據(jù)資源的使用狀況或使用者的行為來(lái)判斷是否遭到入侵,而不是依據(jù)具體的行為是否出現(xiàn)作為檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn),相對(duì)而言，異常檢測(cè)的適用性比較強(qiáng),可以檢測(cè)出陌生的攻擊行為,不像誤用檢測(cè)那樣受限于已知的攻擊手段，其主要的缺陷是誤檢率較高,尤其在用戶較多、工作條件、系統(tǒng)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等各種因素時(shí)常變化的環(huán)境中［35］。目前，有較多的有效的入侵檢測(cè)分類模型被提出。如文獻(xiàn)［6］提出了結(jié)合誤用檢測(cè)與異常檢測(cè)的混合入侵檢測(cè)模型，文獻(xiàn)［7］提出了結(jié)合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析技術(shù)和決策樹(shù)挖掘技術(shù)的一種新型模型，文獻(xiàn)［810］將其他學(xué)習(xí)算法運(yùn)用于入侵檢測(cè)中，如支持向量機(jī)、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

　　為了提高樸素貝葉斯分類器的性能，使其能更好地適用于ICS網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測(cè)，基于前人的研究，本文提出了一種改進(jìn)綜合加權(quán)系數(shù)的樸素貝葉斯分類算法（Competitive Weighted Naive Bays Classification，CWNBC）,該算法是在傳統(tǒng)的樸素貝葉斯分類模型的基礎(chǔ)上加入了綜合加權(quán)系數(shù)，該綜合加權(quán)系數(shù)融合了協(xié)方差理論與文獻(xiàn)［11］提出的加權(quán)系數(shù)，這彌補(bǔ)了文獻(xiàn)［11］僅考慮屬性的頻數(shù)關(guān)系，而忽略了屬性值的內(nèi)容對(duì)分類的影響這一不足之處，使文獻(xiàn)［11］中原本簡(jiǎn)潔高效的算法更加完善。

　1樸素貝葉斯分類算法

　　樸素貝葉斯分類算法是一種較為簡(jiǎn)單而且有效的分類方法，它以貝葉斯定理作為理論基礎(chǔ)，其性能與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹(shù)等應(yīng)用較廣的算法相當(dāng)，在某些領(lǐng)域中甚至可表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能［1213］。

　　樸素貝葉斯分類算法的分類原理是根據(jù)某個(gè)對(duì)象的先驗(yàn)概率計(jì)算出其后驗(yàn)概率，后驗(yàn)概率最大的類則為該對(duì)象所屬的類。其工作流程如下：

　　(1)用特征向量來(lái)表示每個(gè)數(shù)據(jù)樣本。

　　(2)對(duì)原始數(shù)據(jù)樣本X進(jìn)行分類, 一般把X劃分到后驗(yàn)概率值最大的類, 本質(zhì)上就是求P(Ci|X)的最大值。即:

　　(3)要求P(Ci|X)的最大值，只需使P(X|Ci)P(Ci)最大化即可。如果不知道先驗(yàn)概率,一般認(rèn)為它們是等概率的,即P(C1)= P(C2)=…=P(Cn)。否則，可根據(jù)概率學(xué)的知識(shí)由先驗(yàn)概率公式計(jì)算出:

　　其中，Si為訓(xùn)練樣本數(shù),S為訓(xùn)練樣本總數(shù)。

　　(4)在屬性集的屬性數(shù)比較多的情況下,為了減少計(jì)算時(shí)間，一般假設(shè)類條件相互獨(dú)立,即各個(gè)屬性值之間相互獨(dú)立。

　　若Ak是離散屬性，可由式(4)計(jì)算出概率:

　　其中,Sik表示屬性Ak的取值為xi且屬于類Ci的訓(xùn)練樣本的數(shù)目,而Si則表示類Ci中的訓(xùn)練樣本的總數(shù)。

　　若Ak為連續(xù)屬性,一般認(rèn)為它是屬于高斯分布的。

　　(5)對(duì)X進(jìn)行分類,需要計(jì)算每個(gè)類Ci的P(X|Ci)P(Ci)，如果樣本X被分到類Ci，則需滿足如下條件:

　　P(X|Ci)P(Ci) >P(X|Cj)P(Cj),1≤j≤m,j≠i(5)

　　其中m為類的總數(shù)。換言之，使P(X|Ci)P(Ci)獲得最大值的類Ci即為X所屬的類。

2加權(quán)樸素貝葉斯分類算法

　　雖然樸素貝葉斯分類算法應(yīng)用簡(jiǎn)單，分類準(zhǔn)確率相對(duì)較高，預(yù)測(cè)和學(xué)習(xí)的時(shí)間小于其他分類算法，但該算法有個(gè)理想的假設(shè)，其假設(shè)每個(gè)屬性對(duì)給定類的影響?yīng)毩⒂谄渌膶傩?，而在現(xiàn)實(shí)中此假設(shè)是很難滿足的。因此，為了彌補(bǔ)該不足之處，研究人員先后提出多種加權(quán)樸素貝葉斯分類算法［14］。

　　人們?cè)噲D將樸素貝葉斯分類算法與屬性加權(quán)算法相結(jié)合，根據(jù)各屬性對(duì)分類影響的大小賦予不同的權(quán)重系數(shù)，以此來(lái)提高樸素貝葉斯分類算法的準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)［15］提出基于分類概率的樸素貝葉斯分類算法，使用樸素貝葉斯分類成功的概率作為加權(quán)系數(shù)；文獻(xiàn)［16］提出基于粒子群算法的 WNBC 算法, 通過(guò)粒子群算法的自動(dòng)搜索功能對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行學(xué)習(xí), 以數(shù)據(jù)集中所有數(shù)據(jù)各自權(quán)重的平均值作為加權(quán)系數(shù)；文獻(xiàn)［11］ 提出根據(jù)不同的屬性取值對(duì)分類結(jié)果的影響來(lái)設(shè)定加權(quán)系數(shù)；文獻(xiàn)［14］中分別采用爬山算法、信息增益和蒙特卡羅技術(shù)來(lái)確定屬性的權(quán)值等。

3改進(jìn)綜合加權(quán)樸素貝葉斯算法

　　3.1協(xié)方差屬性加權(quán)系數(shù)

　　在實(shí)際應(yīng)用中,事物的不同屬性對(duì)事物分類的影響是不同的,根據(jù)屬性的影響程度分為條件屬性和決策屬性。決策屬性指的是對(duì)分類有顯著影響的屬性。條件屬性指的是剩余的其他屬性。此外，不同的條件屬性與決策屬性的相關(guān)程度也是不同的。由決策屬性X和條件屬性Y組成的系統(tǒng)ρ反映了屬性X和Y的相關(guān)緊密度,ρ越大表明條件屬性Y對(duì)決策屬性X的影響越大,反之亦然。屬性之間的相關(guān)系數(shù)公式為:

　　3.2改進(jìn)綜合加權(quán)系數(shù)

　　通過(guò)對(duì)比以上多種方法，結(jié)合文獻(xiàn)［11］中提出的根據(jù)不同的屬性取值對(duì)分類結(jié)果的影響來(lái)設(shè)定加權(quán)系數(shù)的思想，本文提出了一種新的權(quán)值計(jì)算方法。

　　設(shè)NAk表示屬性Ak的取值個(gè)數(shù),N(Ak=m)表示屬性Ak取值為m的樣本對(duì)象的個(gè)數(shù)， N(Ak=m∩Ci)表示屬性Ak取值為m且屬于類Ci的樣本對(duì)象個(gè)數(shù)。根據(jù)各屬性的不同取值對(duì)分類的影響設(shè)計(jì)權(quán)值, 加權(quán)系數(shù)公式表示為:

　　雖然式(8)根據(jù)每個(gè)屬性的不同取值對(duì)分類的影響計(jì)算權(quán)值, 但其考慮的是屬性值的頻數(shù)關(guān)系，沒(méi)有考慮屬性值的內(nèi)容對(duì)分類的影響。協(xié)方差理論主要利用屬性值的內(nèi)容來(lái)表達(dá)屬性之間的關(guān)聯(lián),因此把這兩種方法融合起來(lái)，會(huì)得到更加合理準(zhǔn)確的加權(quán)系數(shù)。

　　因此定義改進(jìn)的綜合加權(quán)系數(shù)為：α=α1+α22。

　　3.3基于CWNBC的入侵檢測(cè)算法

　　從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，入侵檢測(cè)的目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)分類器，把收集到的數(shù)據(jù)信息分為正常和異常兩大類，然后對(duì)異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理?；贑WNBC的入侵檢測(cè)流程如圖1所示。

　　該算法的具體步驟如下：

　　(1)獲取原始數(shù)據(jù)集，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，去除冗余屬性，對(duì)連續(xù)數(shù)值離散化；

　　(2)條件判斷：若是訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集，則進(jìn)行第（3）步，若是需要分類的樣本數(shù)據(jù)則直接進(jìn)行第（5）步；

　　(3)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)集中的條件屬性和決策屬性。計(jì)算在決策屬性下其他的條件屬性的概率P(Y|X),進(jìn)而計(jì)算Cov(X,Y)、D(X)、D(Y),然后計(jì)算出

　　(5)根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算出改進(jìn)的綜合加權(quán)系數(shù)：

　　α=α1+α22

　　(6)利用樸素貝葉斯分類器進(jìn)行結(jié)構(gòu)與參數(shù)學(xué)習(xí)，獲得改進(jìn)的綜合加權(quán)樸素貝葉斯模型；

　　（7）用新模型對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類，獲得分類結(jié)果。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　4.1入侵檢測(cè)數(shù)據(jù)集

　　本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用的是KDD’99入侵檢測(cè)數(shù)據(jù)集，該訓(xùn)練數(shù)據(jù)集包含7周的網(wǎng)絡(luò)流量，有5 000 000條連接記錄；測(cè)試訓(xùn)練集包含2周的網(wǎng)絡(luò)流量，有2 000 000條連接記錄。該研究共模擬了 5大類網(wǎng)絡(luò)攻擊［1718］。

　　4.2結(jié)果與分析

　　為了驗(yàn)證本文提出的算法的準(zhǔn)確性和高效性,進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析。為了保證執(zhí)行的效率，隨機(jī)選取20 000條記錄用于本次實(shí)驗(yàn)，并把20 000條連接記錄隨機(jī)分為5組，每組數(shù)據(jù)的30%作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，70%作為測(cè)試數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中搭建的環(huán)境平臺(tái)所使用的操作系統(tǒng)為Windows 8，處理器為Intel i5,CPU頻率為1.9 GHz，內(nèi)存為4 GB，軟件工具為Weka。

　　在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)Weka軟件自帶的工具對(duì)連續(xù)屬性進(jìn)行離散化和屬性約簡(jiǎn)，得到最終的條件屬性有：(1) service；(2) flag；(3) srcbytes；(4) dstbytes；(5) dsthostsrvcount；(6) diffsrvrate。

       應(yīng)用多種分類算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

　　　　本實(shí)驗(yàn)將改進(jìn)的樸素貝葉斯分類算法與其他分類算法在入侵檢測(cè)方面做了比較，從表1可以看出，本文提出的基于改進(jìn)樸素貝葉斯的分類算法相對(duì)于其他的分類算法在分類準(zhǔn)確率上有所提高，證明了本文提出的算法是有效可行的。

5結(jié)束語(yǔ)

　　本文借鑒前人的一些經(jīng)驗(yàn)和方法，針對(duì)不足之處做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，提出了一種基于綜合加權(quán)系數(shù)的樸素貝葉斯分類算法。該算法彌補(bǔ)了樸素貝葉斯分類算法假設(shè)屬性獨(dú)立的不足之處，既考慮了屬性值的頻數(shù)與分類的關(guān)系，又考慮了屬性值的內(nèi)容對(duì)分類的影響。最后經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的算法與其他分類算法相比，有效地提高了分類準(zhǔn)確率。但是，本算法仍然有待提高，加權(quán)系數(shù)仍然有待完善。下一步將繼續(xù)研究如何優(yōu)化加權(quán)系數(shù)，進(jìn)一步提高分類的準(zhǔn)確率，以便適應(yīng)于更復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

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