基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的智能網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)研究

周 云，劉月華

（1.78111 部隊(duì)，四川 成都 610011；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

2013 年深度思考（DeepMind）公司開發(fā)深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)結(jié)合構(gòu)建價(jià)值網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練智能體挑戰(zhàn)雅達(dá)利2600（Atari2600）中的游戲[1-2]。2016 年，阿爾法圍棋（AlphaGo）[3]在圍棋領(lǐng)域的成功是強(qiáng)化學(xué)習(xí)領(lǐng)域的里程碑事件，AlphoGo 將深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)結(jié)合構(gòu)建價(jià)值網(wǎng)絡(luò)和策略網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練智能體，在對弈階段采用蒙特卡洛樹搜索[4]。隨后推出的阿爾法元（AlphaGoZero）在AlphaGo 的基礎(chǔ)上將策略網(wǎng)絡(luò)和價(jià)值網(wǎng)絡(luò)合并成一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)，在不使用已有知識經(jīng)驗(yàn)的條件下自我訓(xùn)練3 天即擊敗AlphaGo[5-7]。Atari 游戲、圍棋、國際象棋都屬于完美信息博弈，每個(gè)參與者可以在任何時(shí)候看到已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生的游戲局勢。2019 年，阿爾法星（AlphaStar）[8]攻克即時(shí)戰(zhàn)略游戲星際爭霸，智能體可以戰(zhàn)勝99.8%的人類選手。星際爭霸是不完全信息下的博弈，主要使用了監(jiān)督學(xué)習(xí)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)、基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recursive Neural Network，RNN）的局部馬爾可夫決策，該智能體解決了不完全信息，需要遠(yuǎn)期計(jì)劃，實(shí)時(shí)性以及多主體博弈的難點(diǎn)問題。

DeepMind 團(tuán)隊(duì)取得的成績推動了人工智能從感知智能進(jìn)入認(rèn)知智能。感知智能以深度學(xué)習(xí)為代表，認(rèn)知智能以強(qiáng)化學(xué)習(xí)為代表。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)的基本思想是從與環(huán)境的不斷交互中學(xué)習(xí)[9]，根據(jù)從環(huán)境觀測到的信息，做出行動決策，然后觀察環(huán)境反應(yīng)調(diào)整行動，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)空間安全攻防對抗過程中，攻防雙方通過將攻擊行為和防護(hù)行為作用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢的變化調(diào)整對抗策略，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攻擊和網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的目的，而強(qiáng)化學(xué)習(xí)為網(wǎng)絡(luò)空間攻防對抗智能化提供了重要途徑和技術(shù)手段。

本文主要研究強(qiáng)化學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論，針對網(wǎng)絡(luò)空間安全防護(hù)如何應(yīng)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)智能防護(hù)的問題，提出初步解決方案。本文沒有考慮網(wǎng)絡(luò)攻擊智能化的問題。

1 深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論

強(qiáng)化學(xué)習(xí)[9]（Reinforcement Learning，RL）以試錯(cuò)的機(jī)制與環(huán)境進(jìn)行交互，通過最大化累積回報(bào)學(xué)習(xí)最優(yōu)策略。它是一種通過智能體Agent 與環(huán)境不斷交互，獲得最大累計(jì)期望回報(bào)，學(xué)習(xí)最優(yōu)狀態(tài)到行動映射關(guān)系的方法。強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)的原理如圖1 所示。

圖1 強(qiáng)化學(xué)習(xí)原理

強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)通常包含4 個(gè)元素[10]：狀態(tài)s，動作a，回報(bào)（Reward，又稱獎(jiǎng)懲/獎(jiǎng)勵(lì)）r，策略π(a|s)。

狀態(tài)空間S：s∈S，狀態(tài)集合。

動作空間A：a∈A，動作集合。

累計(jì)期望回報(bào)R的計(jì)算方式為：

式中：γ∈[0,1]為折扣因子表示未來某一時(shí)刻的獎(jiǎng)勵(lì)在累計(jì)獎(jiǎng)勵(lì)中所占的影響比重；E為r的數(shù)學(xué)期望。強(qiáng)化學(xué)習(xí)目標(biāo)是最大化累積回報(bào)期望，回報(bào)函數(shù)是關(guān)鍵。

策略π(a|s)：狀態(tài)空間到動作空間的映射函數(shù)，Agent 依據(jù)策略π(a|s)生成動作a。

時(shí)間序列T：t∈T，t表示當(dāng)前時(shí)刻，t+1 表示t時(shí)刻的下一時(shí)刻。

Agent 根據(jù)輸入的環(huán)境狀態(tài)st由策略π(a|s)選取動作at作用于環(huán)境，環(huán)境狀態(tài)轉(zhuǎn)移至st+1，新的環(huán)境狀態(tài)st+1和動作執(zhí)行回報(bào)rt再次輸入Agent，Agent 評估策略π(a|s)優(yōu)劣程度，進(jìn)一步調(diào)整做出新的決策。

如圖2 所示，強(qiáng)化學(xué)習(xí)分為基于值函數(shù)（Value-based）的強(qiáng)化學(xué)習(xí)和基于策略函數(shù)（Policy-based）的強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

圖2 強(qiáng)化學(xué)習(xí)分類

行動者-評論家（Actor-Critic）[11]算法結(jié)合了兩者優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)包括Actor 策略函數(shù)和Critic 值函數(shù)。Actor 產(chǎn)生動作，Critic 評價(jià)動作好壞，并生成時(shí)序差分（Temporal Difference，TD）誤差指導(dǎo)Actor 和Critic 更新。Actor 策略函數(shù)π(a|s)和Critic值函數(shù)(s,w)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)獲得。對于高維的狀態(tài)st和動作at數(shù)據(jù)，構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Neural Network，DNN）[12]提取數(shù)據(jù)特征，學(xué)習(xí)策略函數(shù)和值函數(shù)。

圖3 為Actor-Critic 邏輯架構(gòu)。圖中，Actor 網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)境狀態(tài)st作為輸入，輸出動作at。Critic網(wǎng)絡(luò)計(jì)算動作最優(yōu)價(jià)值，Actor 利用最優(yōu)價(jià)值迭代更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)θ，進(jìn)而選擇新的動作作用于環(huán)境。Critic 使用環(huán)境反饋的回報(bào)at和環(huán)境新狀態(tài)st+1更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)w，然后使用新的參數(shù)w計(jì)算Actor 輸出動作的最優(yōu)價(jià)值。Critic 的評估點(diǎn)基于TD 誤差，TD 誤差代表了估計(jì)值與目標(biāo)值的誤差大小，誤差越大樣本的價(jià)值就越大。

圖3 Actor-Critic 邏輯架構(gòu)

TD 誤差的表達(dá)式為：

Critic 網(wǎng)絡(luò)使用均方差損失函數(shù)作為參數(shù)w的更新梯度，表達(dá)式為：

Actor 網(wǎng)絡(luò)使用帶權(quán)重的梯度更新策略網(wǎng)絡(luò)參數(shù)θ，表達(dá)式為：

2 基于DRL 的智能網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)

基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Deep Reinforcement Learning，DRL）的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)智能體學(xué)習(xí)引擎使用虛擬化的網(wǎng)絡(luò)空間綜合靶場作為“環(huán)境（Environment）”，并通過Actor-Critic 算法和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建DRL 框架，如圖4 所示。

圖4 智能網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)DRL 框架

虛擬網(wǎng)絡(luò)空間綜合靶場基于云計(jì)算平臺構(gòu)建，作為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的仿真運(yùn)行環(huán)境[13-14]，環(huán)境中的數(shù)據(jù)支持從實(shí)際網(wǎng)絡(luò)引入，從而使Agent 的訓(xùn)練學(xué)習(xí)面向真實(shí)環(huán)境。當(dāng)把虛擬化網(wǎng)絡(luò)空間綜合靶場換做實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)，Agent 可以直接使用不需要再做遷移學(xué)習(xí)。

2.1 狀態(tài)集合設(shè)計(jì)

狀態(tài)集合S是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的集合，是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)已知信息的客觀描述數(shù)據(jù)，是強(qiáng)化學(xué)習(xí)的重要數(shù)據(jù)。組成狀態(tài)集合的狀態(tài)要素分類如表1 所示。

表1 狀態(tài)要素

表1 中的狀態(tài)要素是一個(gè)分類，每個(gè)分類有更詳細(xì)的原子狀態(tài)信息，所有的原子狀態(tài)信息共同構(gòu)成環(huán)境狀態(tài)集合形成狀態(tài)空間，例如：攻擊對象原子狀態(tài)信息有計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、系統(tǒng)、服務(wù)，安全設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等；計(jì)算機(jī)原子狀態(tài)信息有主機(jī)可訪問狀態(tài)，操作系統(tǒng)類型，操作系統(tǒng)版本、權(quán)限、漏洞、存在脆弱性的服務(wù)和進(jìn)程等[15]；攻擊來源原子狀態(tài)信息有IP 地址，域名，AS 號等。

2.2 動作集合設(shè)計(jì)

動作集合A是Agent 可以采取的操作的集合，策略st+1從動作集合中選取at執(zhí)行。組成動作集合的動作要素分類如表2 所示。

表2 動作要素

表2 中的動作要素是一個(gè)分類，每個(gè)分類有更詳細(xì)的原子動作，所有的原子動作共同構(gòu)成動作集合形成動作空間。

2.3 回報(bào)函數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 回報(bào)函數(shù)

回報(bào)函數(shù)對強(qiáng)化學(xué)習(xí)的每步?jīng)Q策選擇動作進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰，評判動作性能。回報(bào)函數(shù)對強(qiáng)化學(xué)習(xí)過程起著導(dǎo)向作用，回報(bào)函數(shù)引導(dǎo)Agent 在與環(huán)境交互的過程中不斷修正策略以選擇價(jià)值回報(bào)最大的動作。

回報(bào)函數(shù)為：

Agent 選擇動作at執(zhí)行后，環(huán)境給出t時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅度xt∈X。如果xt大于閾值Xthreshold，進(jìn)行正值反饋對Agent 進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)；如果xt小于閾值Xthreshold，進(jìn)行負(fù)值反饋對Agent 進(jìn)行懲罰；xt等于閾值Xthreshold，不獎(jiǎng)勵(lì)也不懲罰。此處閾值Xthreshold不做特別規(guī)定，視具體情況自行定義。

2.3.2 基于動態(tài)貝葉斯的網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅度評估

動態(tài)貝葉斯[16]網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅度評估，首先確定攻擊威脅各組成要素及其關(guān)系，按照要素間關(guān)系建立對應(yīng)的貝葉斯模型；其次確定貝葉斯模型中各節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率和條件概率；最后進(jìn)行模型推理。

靜態(tài)貝葉斯模型在時(shí)間維度上展開得到動態(tài)貝葉斯模型，如圖5 所示。

圖5 動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)威脅度評估模型

動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理使用濾波算法利用過去結(jié)果和當(dāng)前證據(jù)預(yù)測當(dāng)前結(jié)果的推理方法，推理公式為：

式中：E代表證據(jù)；X代表連接毗鄰時(shí)間片的節(jié)點(diǎn)；t-1 代表過去；t代表當(dāng)前；P(Et)和P(Xt)是當(dāng)前證據(jù)E和節(jié)點(diǎn)X的先驗(yàn)概率；P(Xt|Et)是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)濾波推理前的概率結(jié)果；P(Xt-1|E1∶t-1)和P(Xt-1|E1∶t)是過去和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)濾波推理后的概率結(jié)果；是當(dāng)前和過去間節(jié)點(diǎn)X的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率；是過去網(wǎng)絡(luò)濾波推理后最大的概率結(jié)果對應(yīng)的狀態(tài)；α是歸一化因子。

2.4 網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)智能體訓(xùn)練過程

圖6 為網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)智能體訓(xùn)練過程示意圖，訓(xùn)練部分包括網(wǎng)絡(luò)空間安全態(tài)勢狀態(tài)數(shù)據(jù)和安全防護(hù)動作相關(guān)的樣本數(shù)據(jù)集、虛擬網(wǎng)絡(luò)空間綜合靶場仿真環(huán)境、Actor 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Critic 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖6 中的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)智能體訓(xùn)練過程描述如下。

圖6 網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)智能體訓(xùn)練過程

步驟1：構(gòu)建Actor 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Critic 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，形成Actor 策略網(wǎng)絡(luò)和Critic 價(jià)值網(wǎng)絡(luò)。由于網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)動作數(shù)據(jù)是高維數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建采用深層的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、初始化訓(xùn)練次數(shù)、折扣因子、學(xué)習(xí)率等。

步驟2：引入實(shí)際網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，提取網(wǎng)絡(luò)安全攻擊數(shù)據(jù)，按照動作集合設(shè)計(jì)中的動作要素構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)動作數(shù)據(jù)集。

步驟3：將網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢數(shù)據(jù)作為模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入。

步驟4：Actor 策略網(wǎng)絡(luò)根據(jù)策略函數(shù)從動作空間A 中選擇actions 輸出給仿真環(huán)境。

步驟5：仿真環(huán)境執(zhí)行動作actions，動作執(zhí)行后的網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅度和新的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢做為Critic 價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的輸入。

步驟6：Critic 價(jià)值網(wǎng)絡(luò)計(jì)算TD 誤差（td_error），計(jì)算min(td_error2)，使用策略梯度算法更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)w，同時(shí)將TD 誤差反饋給Actor 策略網(wǎng)絡(luò)。

步驟7：Actor 策略網(wǎng)絡(luò)使用策略梯度算法更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)θ。

步驟8：重復(fù)步驟3 至步驟7，直至訓(xùn)練結(jié)束。

步驟9：訓(xùn)練結(jié)束后，Actor 策略網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和學(xué)習(xí)到策略函數(shù)、Critic 價(jià)值網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和學(xué)習(xí)到的價(jià)值函數(shù)共同構(gòu)成智能體Agent，訓(xùn)練過程獲得的目標(biāo)策略即是網(wǎng)絡(luò)安全攻擊與其相對應(yīng)的最優(yōu)安全防護(hù)策略。

3 結(jié)語

本文針對網(wǎng)絡(luò)空間安全防護(hù)如何智能化的問題進(jìn)行研究，探索了深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)解決問題的方法和過程。將深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)空間安全防護(hù)領(lǐng)域，使用深度學(xué)習(xí)提取網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢數(shù)據(jù)特征，構(gòu)建智能體，由回報(bào)函數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)決策導(dǎo)引，判斷策略和動作好壞，并通過在虛擬網(wǎng)絡(luò)空間綜合靶場訓(xùn)練學(xué)習(xí)獲得安全防護(hù)智能體和最優(yōu)安全防護(hù)策略集合。智能體在面對網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)根據(jù)模型和策略快速應(yīng)對，并且強(qiáng)化學(xué)習(xí)從環(huán)境交互過程中學(xué)習(xí)的特性可以使智能體在線學(xué)習(xí)新的策略。

網(wǎng)絡(luò)空間已成為領(lǐng)土、領(lǐng)海、領(lǐng)空、太空之外的“第五空間”，是國家主權(quán)的新疆域，國家安全的重要組成部分。信息網(wǎng)絡(luò)安全已成為國家信息化建設(shè)的重要基礎(chǔ)支撐。信息與通信技術(shù)（Information and Communications Technology，ICT）和人工智能技術(shù)不斷取得的新進(jìn)展，為網(wǎng)絡(luò)空間安全防護(hù)提供了新手段新措施。此外，網(wǎng)絡(luò)空間安全對抗也將更加智能化，對該領(lǐng)域的研究將會持續(xù)深入。