基于APDE-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測方法

李方偉, 張新躍, 朱 江, 黃 卿

(重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室, 重慶 400065)

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基于APDE-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測方法

李方偉, 張新躍, 朱 江, 黃 卿

(重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室, 重慶 400065)

為了提高徑向基函數(shù)(radical basis function, RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢的預(yù)測精度,提出了一種基于吸引力傳播(affinity propagation, AP)聚類和差分進化(differential evolution, DE)優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法。首先,利用AP聚類算法對樣本數(shù)據(jù)進行劃分聚類,從而獲得RBF的中心和網(wǎng)絡(luò)的隱含層節(jié)點數(shù);其次,利用AP聚類得出種群差異度,自適應(yīng)地改變DE算法的縮放因子和交叉概率,對RBF的寬度和連接權(quán)值進行優(yōu)化;同時為了避免陷入局部最優(yōu)以及跳出局部極值點,對每一代種群的精英個體和種群差異度中心進行混沌搜索。通過仿真實驗表明,此算法在泛化能力增強的同時,對網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢也達(dá)到了較高的預(yù)測精度。

徑向基函數(shù); 吸引力傳播聚類; 差分進化; 種群差異度; 混沌搜索

0 引 言

隨著各種網(wǎng)絡(luò)安全問題層出不窮,網(wǎng)絡(luò)安全問題越來越受到重視。網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測是目前網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的一個研究熱點,不同于以往的入侵檢測和防火墻等被動防御手段,網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測是主動防御機制[1]。網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測主要是為了在網(wǎng)絡(luò)受到攻擊損失前網(wǎng)絡(luò)管理員采取相對應(yīng)的措施,根據(jù)當(dāng)前和以往的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢值,建立合理的數(shù)學(xué)模型對未來一段時間的網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)進行預(yù)測。由于網(wǎng)絡(luò)攻擊是隨機和不確定的,所以對態(tài)勢值的預(yù)測是一個復(fù)雜的非線性過程[2]。

目前研究人員提出了很多預(yù)測的方法,如自回歸滑動平均(auto-regressive moving average, ARMA)模型、灰色預(yù)測模型(gray model, GM)、馬爾可夫鏈(Markov)、支持向量機(support vector machine, SVM)等[3-6]。但是大量研究發(fā)現(xiàn),上述方法都存在各自的缺點:ARMA模型會假設(shè)時間序列是平穩(wěn)線性的,但是網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢時間序列是非線性的;GM模型適用單調(diào)變化的時間序列,對于波動較大的時間序列難以預(yù)測;Markov模型需要大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo),難以建立準(zhǔn)確的預(yù)測模型;SVM對大規(guī)模訓(xùn)練樣本難以實施,收斂速度慢。

為更加精確地預(yù)測網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢,本文采用吸引力傳播(affinity propagation, AP)聚類和改進的差分進化(differential evolution, DE)對徑向基函數(shù)(radical basis function, RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行優(yōu)化。為了加強泛化能力,利用AP聚類可以依據(jù)樣本數(shù)據(jù)自適應(yīng)確定RBF網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu);為了避免陷入局部最優(yōu)解,根據(jù)種群差異度動態(tài)調(diào)整DE算法中的縮放因子和交叉概率,并對每代的精英個體和差異度中心進行混沌搜索。利用該方法對網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測仿真,并進行了誤差分析,結(jié)果表明本文方法有更好的泛化能力和預(yù)測準(zhǔn)確性。

1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種3層前向型網(wǎng)絡(luò),由第1層的輸入層、第2層的隱含層和第3層的輸出層組成,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 n-h-m結(jié)構(gòu)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 RBF neural network of n-h-m structure

由于輸入層到隱含層是非線性變換,隱含層到輸出層是線性變換,所以RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是通過非線性基函數(shù)的線性組合來實現(xiàn)輸入Rn到輸出Rm的映射關(guān)系。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示,具有n個輸入節(jié)點,h個隱含層節(jié)點和m個輸出節(jié)點。對于一個n維的網(wǎng)絡(luò)輸入矢量X=(x1,x2,…,xn)T∈Rn,第i個隱含層節(jié)點的輸出為

(1)

式中,Ci是隱含層節(jié)點中心;‖·‖2是2范數(shù),表示X與Ci的歐氏距離;σi是第i個基函數(shù)的寬度;h是隱含層節(jié)點個數(shù)。

RBF網(wǎng)絡(luò)輸出層中第j個神經(jīng)元的輸出為

(2)

式中,wji是隱含層第i個神經(jīng)元與輸出層第j個神經(jīng)元的連接權(quán)值;m是輸出神經(jīng)元個數(shù);bj是輸出層第j個神經(jīng)元的閾值。

2 基于APDE優(yōu)化的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

從RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以看出,影響預(yù)測精度和泛化能力的參數(shù)主要有4個:隱含層節(jié)點個數(shù)h;隱含層節(jié)點中心Ci;基函數(shù)寬度σi;隱含層到輸出層的連接權(quán)值wji。本文使用AP聚類對隱含層個數(shù)和節(jié)點中心進行優(yōu)化,利用改進的DE算法對基函數(shù)寬度和連接權(quán)值進行自適應(yīng)尋優(yōu),并用混沌搜索進行二次尋優(yōu),避免陷入局部最優(yōu)解。

2.1 AP聚類

對基函數(shù)中心的選取,無論是隨機選取還是自組織選取都要預(yù)先設(shè)定隱含層節(jié)點個數(shù)[7],這種人為設(shè)置隱含層節(jié)點個數(shù)的方法在樣本訓(xùn)練期間很容易導(dǎo)致RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過擬合或者欠擬合,從而影響網(wǎng)絡(luò)的泛化能力和后期的預(yù)測精度,所以本文采用了AP聚類的方法,根據(jù)數(shù)據(jù)樣本的實際情況,對隱含層節(jié)點個數(shù)和節(jié)點中心進行自適應(yīng)選取。

AP聚類是一種基于相似度矩陣的新型無監(jiān)督聚類算法[8],不同于以往的k-means和模糊C均值聚類算法,該算法不必預(yù)先設(shè)定聚類個數(shù),所有樣本數(shù)據(jù)點都被默認(rèn)為潛在的聚類中心,通過不斷地競爭迭代,達(dá)到最優(yōu)聚類結(jié)果。具體算法步驟如下。

步驟 1 計算相似度矩陣S

(3)

步驟 2 初始化吸引矩陣R,歸屬度矩陣A,R(i,k)=0,A(i,k)=0。

步驟 3 確定偏向參數(shù)pk(k=1,…,N)

(4)

步驟 4 計算與更新吸引度矩陣

R(i,k)=λ×R(i,k)old+(1-λ)×R(i,k)new

(5)

步驟 5 計算與更新歸屬度矩陣

A(i,k)=λ×A(i,k)old+(1-λ)×A(i,k)new

(6)

步驟 6 如果滿足以下條件之一:①選擇的類中心保持穩(wěn)定,②超過最大迭代次數(shù),轉(zhuǎn)步驟7;否則轉(zhuǎn)步驟4。

步驟 7 輸出聚類結(jié)果。

2.2 改進的DE算法

DE算法是一種基于群體差異的高效并行搜索方法[9],在收斂速度和穩(wěn)定性方面已被證明優(yōu)于其他進化算法[10],DE算法的參數(shù)包括種群規(guī)模、縮放因子和交叉概率。標(biāo)準(zhǔn)DE算法中縮放因子和交叉概率都是固定的,縮放因子過大或者交叉概率過小,雖然有助于種群的多樣性,增強全局搜索能力,但是在進化后期易導(dǎo)致收斂速度慢,最優(yōu)解精度低等問題;反之,縮放因子過小或者交叉概率過大,易對局部過度開發(fā),易出現(xiàn)早熟的現(xiàn)象。所以本文對DE算法進行改進,使得縮放因子和交叉概率可以根據(jù)當(dāng)前收斂情況進行動態(tài)調(diào)整。

2.2.1 初始化

1.檢驗假說1的模型。為驗證假說1，借鑒喻坤等人和Stein的研究方法，本文采用以下模型：[4][28]

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基函數(shù)寬度σi和隱含層到輸出層連接權(quán)值wji的同時優(yōu)化,本文采用實數(shù)編碼,種群中每個個體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 個體編碼結(jié)構(gòu)Fig.2 Individual coding structure

設(shè)初始種群S={X1,X2,…,XN},N是種群規(guī)模,Xi(Xi∈RD)是種群中的個體,具體初始化過程如下:

(7)

2.2.2 變異

DE算法差分策略來實現(xiàn)種群中個體的變異,通常是隨機選取3個個體,將其中兩個個體的差分縮放后與第3個個體進行合成,如式(8)所示:

Vi(g+1)=Xr1(g)+F×(Xr2(g)-Xr3(g)),

i≠r1≠r2≠r3

(8)

式中,Xi(g)是第g代種群中第i個個體;F為縮放因子,標(biāo)準(zhǔn)DE算法中設(shè)為固定值,但是F的設(shè)置不當(dāng)會導(dǎo)致種群的早熟和慢收斂,為了加快收斂速度以及求得全局最優(yōu)解,本文提出依據(jù)種群差異度動態(tài)調(diào)整F的策略。

種群差異度指對種群空間中所有個體進行聚類所得到的聚類個數(shù)。當(dāng)種群差異度越大時,個體在種群空間中分布越均勻,求得全局最優(yōu)解可能性越大。所以在進化前期,為了盡可能使種群個體多樣化,使用式(9)對F進行動態(tài)調(diào)整:

(9)

式中，F(xiàn)max和Fmin是縮放因子的上下界;τ1是設(shè)置的迭代閾值。

交叉操作也是DE算法的核心操作,對種群中目標(biāo)個體Xi和變異個體Vi進行交叉,生成新的個體Ui:

(10)

式中,rand是(0,1)間均勻分布的隨機數(shù);jrand是[1,n]間的隨機整數(shù),這是為了保證新個體一定會有變異成分;CR是交叉概率,控制個體各維度參量對交叉的參與程度,因為CR越小,收斂越快,所以為了平衡局部和全局搜索能力,使CR可以自適應(yīng)調(diào)整,在迭代前期減緩收斂速度,保持較大的種群多樣性,在后期加快收斂速度,加強局部搜索能力。

(11)

式中，CRmin和CRmax是交叉概率的上下界;τ2是設(shè)置的迭代閾值。

2.2.4 選擇

DE算法采用一對一競爭策略實現(xiàn)選擇。候選個體Ui(g+1)和對應(yīng)個體Xi(g)按照適應(yīng)度進行競爭,優(yōu)勝者進入下一代種群,即

(12)

式中,f(·)是個體的適應(yīng)度函數(shù),本文使用均方誤差(mean square error, MSE)作為適應(yīng)度函數(shù)。

2.3 混沌搜索

混沌是一種非線性現(xiàn)象, 具有隨機性和遍歷性,可在一定范圍內(nèi)進行不重復(fù)遍歷搜索,因此可以作為進化算法跳出局部最優(yōu)的一種方法[11-12]。本文采用的混沌搜索對每一代的最優(yōu)個體以及種群差異度中心進行T次搜索,如果搜索到更優(yōu)個體則進行取代,從而提高DE算法的全局搜索能力。

本文采用一維Logistic映射混沌模型,即

Zt+1=μZt(1-Zt)

(13)

(14)

2.4 算法步驟

本文主要利用AP聚類得到RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層節(jié)點數(shù)和節(jié)點中心,并用改進的DE算法對RBF的基函數(shù)寬度和連接權(quán)值進行尋優(yōu),同時為了提高全局搜索能力,使用混沌搜索對最優(yōu)個體和差異度中心進行二次搜索。本文算法流程如圖3所示。

圖3 基于APDE-RBF算法態(tài)勢預(yù)測流程圖Fig.3 Flow chart of situation prediction based on APDE-RBF algorithm

2.5 算法收斂性分析

文獻[13]證明了在縮放因子F限定的條件下DE算法能以概率1收斂,文獻[14]通過隨機壓縮應(yīng)映射定理論證了DE是漸近收斂的。在上述研究的基礎(chǔ)上,對APDE算法的收斂性進行分析。

引理 DE迭代形成的隨機映射Ψ:Ω×S→S為隨機壓縮算子,根據(jù)隨機壓縮定理可得Ψ具有唯一隨機不動點,即DE是漸近收斂的。

證明 參考文獻[14]。

從引理1可得DE算法具有漸近收斂性,APDE算法在DE算法方面的改進主要體現(xiàn)在F和CR的自適應(yīng)調(diào)整和混沌搜索。雖然F和CR是根據(jù)種群差異度動態(tài)變化,但最終是收斂的,沒有影響DE算法的收斂性,所以混沌搜索是影響DE算法的唯一因素。根據(jù)DE算法的漸近收斂性可以證明APDE算法的收斂性。

證畢

定理 DE算法具有漸近收斂性,則在1<μ<3的情況下,APDE算法也具有漸近收斂性。

證明 假設(shè)DE算法收斂的全局最優(yōu)解Xbest,則對第t次迭代的個體Xi(t)有:

(15)

(16)

z=f(z)=μz(1-z)

(17)

便可得到式(13)的平衡點為:z1=0和z2=1-1/μ,不論μ是何值,z1=0都是式(13)的不穩(wěn)定平衡點。對于z2=1-1/μ,由于f′(z2)=μ(1-2z2)=2-μ,根據(jù)穩(wěn)定性條件|f′(z2)|=|2-μ|<1可得到當(dāng)1<μ<3時,z2=1-1/μ才是差分方程式(13)的穩(wěn)定平衡點,由此可得式(16)是漸近收斂的,即APDE算法具有漸近收斂性。

證畢

2.6 算法復(fù)雜度分析

按照算法的流程步驟分析時間復(fù)雜度,最大迭代次數(shù)是gmax,種群規(guī)模是N,問題維度是D。每一迭代計算和更新PD和最優(yōu)適應(yīng)度分別為O(N×D),更新F和CR為O(1),交叉和變異的操作為O(N×D),對最優(yōu)個體和差異度中心的混沌搜索為O(DlogD)。綜上所述,本文算法的時間復(fù)雜度為O(N×D×gmax)。

表1 不同算法的復(fù)雜度對比

注:T是HMM的狀態(tài)數(shù)

3 實驗仿真

為了驗證APDE-RBF算法的有效性,采用某公司安全部門提供的數(shù)據(jù),并用文獻[15]的評估方法把原始的多源數(shù)據(jù)融合為網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢值,預(yù)測后與現(xiàn)有的算法進行對比。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

因為網(wǎng)絡(luò)攻擊的隨機性和連續(xù)性,預(yù)測時間跨度太小,會使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)程度不夠,如果時間跨度太大,則會影響網(wǎng)絡(luò)對近期安全態(tài)勢的學(xué)習(xí),所以本文使用前80組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集,后21組數(shù)據(jù)作為測試集,并采用滑動窗口方式(窗口為6,每次滑動為1個單元)對80組訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行重構(gòu),重構(gòu)結(jié)果如表2所示。

表2 訓(xùn)練數(shù)據(jù)重構(gòu)結(jié)果

為了提高收斂效率,加快網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度,本文按照式(18)對網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢值進行歸一化處理。

(18)

3.2 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

根據(jù)第3.1節(jié)的數(shù)據(jù)預(yù)處理,對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行和APDE算法進行初始化設(shè)置:

(1) RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量維度n=5,輸出向量維度m=1;通過AP聚類的結(jié)果得出隱含層節(jié)點數(shù)為h=10。

(2) APDE算法的種群設(shè)置為N=80,縮放因子的初始值F0=0.9,交叉概率的初始值CR0=0.3,最大迭代次數(shù)為gmax=500,誤差精度設(shè)置為1.2×10-3。

為了驗證APDE算法在收斂速度和全局搜索能力上比其他改進的DE算法有優(yōu)勢,將本算法與DE算法,jDE算法[16],SDE算法[17],EPSDE算法[18],CoDE算法[10]進行對比。從表3可以看出APDE不僅收斂速度快,而且均方誤差最小,從而證明了APDE算法的高效性。

表3 不同DE算法的誤差收斂對比

3.3 網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測

本文采用平均絕對誤差(mean absolute percent error,MAPE)、均方根誤差(root mean square error,RMSE)、相對均方誤差(relative mean square error,RE)作為各算法預(yù)測準(zhǔn)確度的指標(biāo)。3個指標(biāo)的公式如下:

(19)

(20)

(21)

3.3.1 泛化能力仿真分析

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的隱含層節(jié)點的個數(shù),對整個網(wǎng)絡(luò)的泛化能力有很大影響。當(dāng)隱含層節(jié)點過多時,雖然訓(xùn)練擬合的程度高,但是易產(chǎn)生“過擬合”的現(xiàn)象,泛化能力降低,預(yù)測誤差大;而當(dāng)隱含層節(jié)點過少時,雖然泛化能力強,但是易導(dǎo)致“欠擬合”的問題,預(yù)測誤差同樣變大。

從表4可以看出,本文算法可以使用較少的隱含層節(jié)點達(dá)到較高的預(yù)測精度,從而使其優(yōu)化過的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的泛化能力。

所以做不同隱含層節(jié)點個數(shù)對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)泛化能力影響的仿真，并以平均種群差異度、最大種群差異度和平均絕對誤差為評判指標(biāo)，仿真結(jié)果如表4所示。

表4 隱含層節(jié)點數(shù)和種群差異度對比

3.3.2 預(yù)測精度仿真分析

為了證明APDE-RBF的預(yù)測能力高于其他算法,本文分為縱向不同算法對比和橫向不同改進DE算法對比,從而驗證了本文所提算法的優(yōu)越性。

從圖4可以看出本文方法預(yù)測精度最高,其他方法都有不同程度的誤差。ARMA主要針對隨機平穩(wěn)的時間序列,但是因為網(wǎng)絡(luò)攻擊的隨機性和復(fù)雜性,網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢序列是非平穩(wěn)的;GM對于單調(diào)變化的時間序列預(yù)測效果好,反之誤差大;LSSVM的支持向量變成了所有數(shù)據(jù)點,失去了SVM的稀疏性特點;Kmeans-RBF需要預(yù)先設(shè)定隱含層節(jié)點,忽略了數(shù)據(jù)本身的特點,弱化了RBF的泛化能力;表5是不同算法預(yù)測的絕對誤差可以看出本文方法的預(yù)測絕對誤差全都控制在0.02以內(nèi),相比其他算法預(yù)測精度高。

圖4 不同算法態(tài)勢值預(yù)測的對比Fig.4 Comparison situation prediction of different algorithms

為了能夠從整體上評估不同算法預(yù)測的能力,計算不同算法的3種誤差,結(jié)果如圖5所示。

表5 不同算法各時間點的絕對誤差對比

Table 5 Absolute error comparison of different time points in different algorithms

序號算法ARMAGMLSSVMKmeansAPDE10．06940．06150．01570．15500．051320．08540．05120．01820．03520．033130．01060．10350．09090．17610．026240．11290．06800．03050．13770．005550．05530．01970．04680．07900．023060．07450．04590．01290．13780．026770．03580．03280．00570．13840．007480．28220．35970．19710．13990．020890．22990．01150．03750．07070．0298100．00420．06640．08780．00690．0178110．18090．05240．05250．02730．0140120．32160．13910．10150．06030．0039130．10930．01420．03310．05270．0272140．04240．11120．05990．02520．0324150．13190．24350．10460．06760．0095160．08150．08870．07040．11880．0378170．15780．13100．00570．07610．0166180．07020．02520．01190．07660．0169190．35130．20160．06230．15300．0335200．11660．21370．05910．07390．0252210．15270．04650．05900．07820．0472

圖5 不同算法的誤差對比Fig.5 Error comparison of different algorithms

從圖5可以看出不論是平均相對誤差、RMSE還是RE,本文方法都保持在較小的誤差水平,體現(xiàn)了較高的預(yù)測精度。

以上是不同算法之間的縱向?qū)Ρ?為了對比的完整性,將本文算法與不同改進的DE算法進行對比。

圖6顯示不同改進DE算法在不同時間點表現(xiàn)了不同的預(yù)測精度,但是從表6可以看出,APDE算法總體上維持了較低的絕對誤差。 DE算法是固定的F和CR,易陷入局部最優(yōu);SDE算法的F采用簡單的隨機數(shù);EPSDE算法利用變異策略池和參數(shù)池隨機組合進行迭代進化;jDE算法的F和CR依賴隨機數(shù)判別從而得到不同的結(jié)果;CoDE算法是利用3種不同的變異策略和參數(shù)設(shè)置競爭耦合進行迭代進化。上述方法雖然對DE算法的變異策略和參數(shù)設(shè)置進行自適應(yīng)改進,但是大多都是隨機數(shù)或依賴隨機數(shù)進行判別選取,導(dǎo)致進化不穩(wěn)定。本文算法依賴種群差異度和迭代進化程度對F和CR進行自適應(yīng)調(diào)整,使種群向有利方向進化,加快了算法的收斂速度。

圖6 不同改進DE算法預(yù)測對比Fig.6 Prediction comparison of different improved DE algorithms

×10-4

圖7 不同改進DE算法的誤差對比Fig.7 Error comparison of different improved DE algorithms

從圖7可以得出APDE算法在整體的誤差上較其他改進DE算法有較大的優(yōu)勢,從而說明了本文算法對DE算法的改進是有效的。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于APDE-RBF算法的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測算法,利用APDE算法對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行優(yōu)化。利用AP聚類加強網(wǎng)絡(luò)的泛化能力;利用改進的DE算法加快收斂速度,并用混沌搜索提高算法的全局搜索能力。通過實驗數(shù)據(jù)和仿真分析,不論是縱向的其他算法還是橫向的DE算法的不同改進,本文算法對網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢預(yù)測都達(dá)到了較高的預(yù)測精度,從而證明了本文算法的高效性和實用性

[1] Ajodia S, Liu P, Swarup V, et al.Cybersituationalawareness[M]. Germany: Springer, 2010.

[2] Xi R R, Jin S Y, Yun X C, et al. CNSSA: a comprehensive network security situation awareness system[C]∥Proc.oftheIEEEInternationalJointConference,2011, 11(3): 482-487.

[3] Box G E P, Jenkins G M, Reinsel G C.Timeseriesanalysisforecastingandcontrol[M]. 3rd ed. Beijing; Posts & Telecom Press, 2005: 19-180.

[4] Dong J F. The building of network security situation evaluation and prediction model based on gery theory[C]∥Proc.oftheInternationalConferenceonChallengesinEnvironmentalScienceandComputerEngineering, 2010: 401-404.

[5] Halilcevic S S, Gubina A F. The short term electricity prices forecasting using markov chains[C]∥Proc.oftheEnergyMarket, 2011:198-203.

[6] Xing Z, Zhang H. Support vector machine based aircraft ground icing type classification forecast[C]∥Proc.oftheIntelligentControlandAutomation, 2012:4541-4544.

[7] Wilamowski B M, Cecati C, Kolbusz J, et al. A novel RBF training algorithm for short-term electric load forecasting and comparative studies[J].IEEETrans.onIndustrialElectronics, 2015, 62(10):6519-6529.

[8] Frey B J, Delbert D. Clustering by passing messages between data points.[J].Science, 2007, 31(3):972-976.

[9] Storn R, Price K. Differential evolution: a simple and efficient adaptive scheme for global optimization over continuous spaces[J].JournalofGlobalOptimization, 1995, 23(4):341-359.

[10] Wang Y, Cai Z, Zhang Q. Differential evolution with composite trial vector generation strategies and control parameters[J].IEEETrans.onEvolutionaryComputation, 2011, 15(1):55-66.

[11] Caponetto R, Fortuna L, Fazzino S, et al. Chaotic sequences to improve the performance of evolutionary algorithms[J].IEEETrans.onEvolutionaryComputation, 2003, 7(3):289-304.

[12] Alatas B, Akin E, Ozer A B. Chaos embedded particle swarm optimization algorithms[J].ChaosSolitons&Fractals, 2009, 40(4):1715-1734.

[13] Zaharie D. Critical values for the control parameters of differential evolution algorithms[C]∥Proc.ofthe8thInternationalConferenceonSoftComputing, 2002: 62-67.

[14] He Y C, Wang X Z, Liu K Q, et al. Convergent analysis and algorithmic improvement of differential evolution[J].JournalofSoftware, 2010,21(5):875-855(賀毅朝, 王熙照, 劉坤起,等. 差分演化的收斂性分析與算法改進[J]. 軟件學(xué)報, 2010, 21(5):875-885.)

[15] Li F W, Zhang X Y, Zhu J, et al. Network security situational awareness model based on information fusion[J].JournalofComputerApplications, 2015,35(7):1882-1887.(李方偉, 張新躍, 朱江,等. 基于信息融合的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢評估模型[J]. 計算機應(yīng)用,2015,35(7):1882-1887.)

[16] Brest J, Greiner S, Boskovic B, et al. Self-adapting control parameters in differential evolution: a comparative study on numerical benchmark problems[J].EvolutionaryComputation, 2006, 10(6):646-657.

[17] Xie X F, Zhang W J, Zhang G R, et al. Empirical study of differential evolution[J].JournalofControlandDecision, 2004, 19(1): 49-52(謝曉鋒, 張文俊, 張國瑞,等. 差異演化的實驗研究[J]. 控制與決策, 2004, 19(1):49-52.)

[18] Mallipeddi R, Suganthan P N, Pan Q K, et al. Differential evolution algorithm with ensemble of parameters and mutation strategies[J].AppliedSoftComputing,2011,11(2):1679-1696.

Network security situation prediction based on APDE-RBF neural network

LI Fang-wei, ZHANG Xin-yue, ZHU Jiang, HUANG Qing

(ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,ChongqingKeyLabofMobileCommunicationsTechnology,Chongqing400065,China)

In order to improve the prediction accuracy of network security situation based on radical basis function (RBF) neural network, an optimization algorithm of RBF neural network based on affinity propagation (AP) clustering and differential evolution (DE) is proposed. Firstly, the AP clustering is used to optimize the center and the number of the hidden layer. Secondly, AP clustering is used to get the population diversity (PD), the scaling factor and the crossover probability of DE are adaptively changed with the PD for the optimized width and connection weights of RBF neural network. In order to avoid falling into the local optimum and jump out of the local extreme point, the elite individual and PD’ centers of each generation population are searched by chaotic search. The simulation results show that the APDE-RBF algorithm can enhance the generalization ability, and it also has high prediction accuracy for the network security situation.

radical basis function (RBF); affinity propagation (AP) clustering; differential evolution (DE); population diversity (PD); chaotic search

2015-01-15;

2016-07-28;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2016-08-31。

國家自然科學(xué)基金項目(61271260，61301122)；重慶市科委自然科學(xué)基金項目(cstc2015jcyjA40050)資助課題

TP 393

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.12.28

李方偉(1960-),男,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向為移動通信技術(shù)與理論、信息安全技術(shù)。

E-mail:huangq46@163.com

張新躍(1990-),男,碩士研究生,主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知。

E-mail:zhang_xin_yue@qq.com

朱 江(1977-),男,副教授,博士,主要研究方向為認(rèn)知無線電技術(shù)。

E-mail:juliuszhu@vip.qq.com

黃 卿(1990-),男,碩士研究生,主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知。

E-mail:2474692825@qq.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160831.1252.004.html