基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力無(wú)線終端安全接入測(cè)試

呂磅，韓嘉佳，孫歆，戴樺，李沁園，孫昌華

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

近年來(lái)，針對(duì)電力能源行業(yè)中國(guó)家級(jí)、集團(tuán)式網(wǎng)絡(luò)的安全攻擊事件頻發(fā)，電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全形勢(shì)異常嚴(yán)峻，已成為網(wǎng)絡(luò)安全的主戰(zhàn)場(chǎng)。據(jù)國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急中心統(tǒng)計(jì)，工控系統(tǒng)漏洞呈現(xiàn)連年高發(fā)態(tài)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)安全攻擊形式日漸多元，攻擊技術(shù)手段更加先進(jìn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全和能源行業(yè)造成了嚴(yán)重影響。2010年的伊朗布什爾核電站的離心機(jī)損毀事件，2019年的烏克蘭電網(wǎng)大規(guī)模停電事件，2019年的美國(guó)可再生能源電力公司通信中斷事件，2019年的委內(nèi)瑞拉電力系統(tǒng)大范圍停電事件，2020年的葡萄牙能源公司用戶數(shù)據(jù)加密勒索事件以及2022年俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)期間烏克蘭電網(wǎng)大規(guī)模癱瘓事件，表明了針對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的攻擊事件日益增加。

從上述攻擊事件可以看出，由于接入終端所處環(huán)境的開(kāi)放性，利用各類接入的外部無(wú)線終端設(shè)備、軟件、第三方交互接口作為滲透內(nèi)網(wǎng)的攻擊跳板成為關(guān)注重點(diǎn)。以聚合負(fù)荷云平臺(tái)為代表用戶側(cè)負(fù)荷控制的新型電力系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制接入終端，由于終端側(cè)缺乏必要安全防護(hù)，存在容易被攻擊者入侵控制的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何將傳統(tǒng)的多級(jí)內(nèi)部防御機(jī)制擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)末梢的接入終端處，是目前亟待解決的問(wèn)題。

新型電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)面臨來(lái)自終端設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的安全風(fēng)險(xiǎn)。在終端設(shè)備環(huán)節(jié)，海量物聯(lián)終端、分布式電源、電動(dòng)汽車(chē)、智能電表等源荷終端設(shè)備接入電力內(nèi)網(wǎng)雙向互動(dòng)，不完善的終端安全準(zhǔn)入，可能導(dǎo)致黑客偽造接入，惡意滲透或監(jiān)聽(tīng)，甚至對(duì)業(yè)務(wù)發(fā)起攻擊與控制。攻擊者一旦獲得信息內(nèi)網(wǎng)、公網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)通道接入權(quán)，將導(dǎo)致信息被非法截獲與業(yè)務(wù)控制指令被惡意篡改，特別是無(wú)線通信，更容易面臨通信內(nèi)容被竊聽(tīng)、內(nèi)容篡改和通信雙方身份被仿冒等問(wèn)題。針對(duì)無(wú)線接入終端的安全性測(cè)試可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的安全問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備安全測(cè)試一般包括基于誤用和基于異常的安全測(cè)試［1］。基于誤用的測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)匹配預(yù)定義的測(cè)試用例來(lái)實(shí)現(xiàn)安全性測(cè)試，通過(guò)觀察偏離預(yù)定義特征的流量，發(fā)現(xiàn)測(cè)試異常，在檢測(cè)已知攻擊方面很有效，并且具有較高的檢測(cè)精度和較低的誤報(bào)率，但在檢測(cè)未知或新的攻擊時(shí)，由于預(yù)先安裝在安全測(cè)試系統(tǒng)中的規(guī)則的限制，其性能會(huì)受到影響；基于異常的安全測(cè)試可能識(shí)別未知的入侵行為，非常適合檢測(cè)未知的和新的攻擊。盡管容易產(chǎn)生較高的假陽(yáng)率，但其在識(shí)別新的攻擊方面的理論潛力已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可。本質(zhì)而言，基于異常的安全測(cè)試可以看作是一個(gè)分類問(wèn)題，它通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)流量分為正常和異常來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)攻擊。因此，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的人工智能可以有效促進(jìn)安全測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展。另一方面，由于安全測(cè)試數(shù)據(jù)集特征多維，且特征大多冗余，因此，目前提出了許多基于冗余特征提取的安全測(cè)試方法。

Shone等［2］提出一種網(wǎng)絡(luò)安全測(cè)試模型，構(gòu)建深度非對(duì)稱自編碼網(wǎng)絡(luò)，提取到具有較強(qiáng)學(xué)習(xí)能力的網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)特征屬性，再與支持向量機(jī)方法結(jié)合，對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊行為進(jìn)行分類。Thing［3］構(gòu)建了稀疏自編碼器模型，并結(jié)合softmax分類器實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊行為的分類檢測(cè)。Aminanto等［4］采用稀疏自編碼器模型提取網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)原始特征的新特征表達(dá)，并通過(guò)對(duì)所有的原始特征和新特征進(jìn)行重要級(jí)排序，篩選出與網(wǎng)絡(luò)安全測(cè)試最相關(guān)的重要特征，然后結(jié)合SVM（支持向量機(jī)）方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊行為進(jìn)行識(shí)別與分類。Shon等［5］采用遺傳算法，對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征選擇，并使用SVM進(jìn)行安全測(cè)試。Srinoy［6］提出了一種安全測(cè)試模型，該模型使用SVM粒子群優(yōu)化算法提取特征，再采用SVM進(jìn)行分類。Fei等［7］提出了一種基于密度的增量聚類方法。Horng等［8］使用分層聚類算法為SVM提供更少、更高質(zhì)量的訓(xùn)練實(shí)例。為了克服安全測(cè)試系統(tǒng)中的不確定性問(wèn)題，Kavitha等［9］采用了一種被稱為中性邏輯的新技術(shù)。Wu和Banzhaf［10］提出了入侵中的計(jì)算智能的審查檢測(cè)和應(yīng)用數(shù)值評(píng)估措施來(lái)量化安全測(cè)試系統(tǒng)的性能。Kolias和Kambourakis［11］給出了安全測(cè)試中群智能的調(diào)查。Kuang等［12］提出了一種基于主成分分析和遺傳算法的模型，采用主成分分析提取入侵特征，利用遺傳算法優(yōu)化參數(shù)。Li等［13］在安全測(cè)試系統(tǒng)中提出了數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)挖掘流水線，并逐步采用特征去除法進(jìn)行特征約簡(jiǎn)分類。以上研究為高維數(shù)據(jù)的特征提取及入侵分類提供了思路，但它們多數(shù)采用數(shù)據(jù)集KDD CUP99、NSL-KDD進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文提出改進(jìn)的堆疊稀疏自編碼器和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線局域網(wǎng)的安全測(cè)試模型，并采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攻擊行為數(shù)據(jù)集-愛(ài)琴無(wú)線數(shù)據(jù)集［14］AWID進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，和未改進(jìn)的模型相比，提高了異常安全測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確率。

本文提出了一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線接入安全測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用堆疊稀疏自編碼器實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)集的特征降維，并選取合適的特征維數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，即將選取的特征作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，構(gòu)建高效測(cè)試用例并監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)。該系統(tǒng)可對(duì)電力移動(dòng)設(shè)備安全接入環(huán)境的安全異常進(jìn)行有效發(fā)現(xiàn)，提高了安全性能。

1 無(wú)線接入設(shè)備安全測(cè)試框架

1.1 安全測(cè)試框架概述

本文所述安全測(cè)試框架包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、訓(xùn)練模型及測(cè)試模型3個(gè)部分。數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊首先完成原始數(shù)據(jù)的數(shù)值化及歸一化處理；訓(xùn)練模型模塊使用預(yù)先準(zhǔn)備的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，得到訓(xùn)練完的模型并保存，然后利用模型對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。訓(xùn)練模型采用堆疊稀疏自編碼器進(jìn)行特征選擇，然后將其作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，進(jìn)行分類。為了得到較好的檢測(cè)效果，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含3層隱藏層和防止過(guò)擬合的dropout層，同時(shí)采用網(wǎng)格搜索法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)參數(shù)、方法進(jìn)行優(yōu)化，如圖1所示。

圖1 電力無(wú)線接入設(shè)備安全測(cè)試框架Fig.1 Security testing framework of wireless power terminal

1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)處理

測(cè)試數(shù)據(jù)一般正常流量數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于攻擊流量，訓(xùn)練集和測(cè)試集都為不平衡數(shù)據(jù)集，這樣會(huì)影響訓(xùn)練效果，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行平衡采樣。

數(shù)據(jù)集中不同特征的值域相差過(guò)大，為了消除這種差別對(duì)于模型的影響，對(duì)數(shù)值型數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。本文采用最值歸一化，將屬性值映射到［0，1］之間，如式（1）所示。

式中：yi為第i個(gè)特征值歸一化后的值；xi為第i個(gè)特征值；max（x）為某個(gè)特征列中最大值；min（x）為某個(gè)特征列中最小值。

1.3 基于堆疊稀疏自編碼器的特征選擇

原有測(cè)試數(shù)據(jù)存在特征維度過(guò)高問(wèn)題，嚴(yán)重影響訓(xùn)練模型的時(shí)長(zhǎng)以及測(cè)試模型的準(zhǔn)確率。本文采用了堆疊稀疏自編碼器進(jìn)行特征選擇。因此，首先分析單個(gè)稀疏自編碼器的結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)確定稀疏自編碼器的激活函數(shù)和損失函數(shù)，從而完成堆疊稀疏自編碼器的設(shè)計(jì)。

稀疏自編碼器是一種輸入維度等于輸出維度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，其由編碼器和解碼器兩部分構(gòu)成，將原始特征作為輸入層，經(jīng)過(guò)編碼器編碼，將原始高維特征經(jīng)過(guò)非線性轉(zhuǎn)換映射到低維特征集合上，再經(jīng)過(guò)解碼器重構(gòu)為原始維度。

圖2 單個(gè)稀疏自編碼器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of a sparse autoencoder （SAE）

從輸入層到隱藏層的編碼過(guò)程按式（2）進(jìn)行。

從隱藏層到輸出層的解碼過(guò)程按式（3）進(jìn)行，解碼完成了對(duì)特征的重建。

式中：wa、ba、wh、bh分別為輸入層的權(quán)重向量和偏置值以及隱藏層的權(quán)重向量和偏置值；X=（x1，x2，x3，…，xn），Y=（y1，y2，y3，…，ym），Z=（z1，z2，z3，…，zn），X，Z∈Rn，Y∈Rm，其中，n為輸入層和輸出層的維度，m為隱藏層的維度；ga和gh為激活函數(shù)。

本文通過(guò)比對(duì)各種激活函數(shù)的效果，發(fā)現(xiàn)tanh激活函數(shù)實(shí)現(xiàn)的效果較好，因此，ga和gh的計(jì)算如式（4）所示。

式中：xt為激活函數(shù)的輸入數(shù)據(jù)。

為了防止自編碼器模型過(guò)擬合，對(duì)模型添加正則化項(xiàng)，限制模型的復(fù)雜度，從而使模型在復(fù)雜度和性能之間達(dá)到平衡。采用L1正則化，表達(dá)如式（5）所示。

式中：α||w||1為L(zhǎng)1正則項(xiàng)，L1正則化是指權(quán)值向量w中各元素的絕對(duì)值之和。L1正則化對(duì)解空間添加的約束為：∑||w||1≤C，L1正則化可以產(chǎn)生稀疏權(quán)值矩陣，即產(chǎn)生一個(gè)稀疏模型，可以用于特征選擇，也可以防止過(guò)擬合。

L2正則化的表達(dá)如式（6）所示。

式中：為L(zhǎng)2正則項(xiàng)，L2正則化是指權(quán)值向量w中各元素的平方和。L2對(duì)解空間添加的約束為：≤C，L2可以防止模型過(guò)擬合。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇合適的激活函數(shù)與正則項(xiàng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，采用tanh作為激活函數(shù)以及L2正則項(xiàng)效果較好。

為了更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)降維，本文采用3個(gè)稀疏自編碼器進(jìn)行堆疊，3個(gè)自編碼器提取的維數(shù)逐層降低，從而實(shí)現(xiàn)特征降維的效果。如圖3所示，首先用第一個(gè)編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，將其隱藏層特征輸出作為第二個(gè)編碼器的輸入，再經(jīng)過(guò)第二個(gè)編碼器將特征進(jìn)行壓縮，將其隱藏層特征輸出作為第三個(gè)編碼器的輸入，最后輸出第三個(gè)編碼器提取到的低維特征。本文采用的堆疊編碼的結(jié)構(gòu)為第一層提取70維特征，第二維提取50層特征，第三層為最終特征20維，將提取到的20維特征輸出。

圖3 堆疊稀疏自編碼器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of stacked sparse autoencoders （SSAE）

1.4 基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常識(shí)別

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入為堆疊稀疏自編碼器模型降維后的20維特征。隱藏層包含3層，第1層為128個(gè)神經(jīng)單元，第2層為64個(gè)神經(jīng)單元，第3層為32個(gè)神經(jīng)單元，層與層之間全連接，即第i層的任意一個(gè)神經(jīng)元與第i+1層的任意一個(gè)神經(jīng)元都有連接。同時(shí)，為了防止模型過(guò)擬合，添加了dropout層，可以有效緩解過(guò)擬合，在一定程度上還可以達(dá)到正則化的效果。最后在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后面連接一個(gè)softmax分類器，用于解決多分類問(wèn)題。其架構(gòu)如圖4所示。

圖4 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of deep neural networks （DNN）

本文采用網(wǎng)格搜索法對(duì)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)，從而達(dá)到優(yōu)化模型的效果。網(wǎng)格搜索法采用窮舉的方法列出各種參數(shù)組合可能，基于性能最優(yōu)判斷，進(jìn)一步通過(guò)交叉驗(yàn)證獲取學(xué)習(xí)算法的函數(shù)參數(shù)。例如，對(duì)超參數(shù)epochs和batch_size進(jìn)行優(yōu)化，會(huì)將多組參數(shù)組合取得的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行比較，從而選擇效果較好的參數(shù)賦給模型來(lái)提高測(cè)試分?jǐn)?shù)。在本模型中進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)有activation（激活）、epochs（迭代次數(shù)）、batch_size（批量大小）、init_mode（初始化模式）和optimizer（優(yōu)化器），通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)來(lái)提高模型的性能。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)造

本文的訓(xùn)練模型自編碼器部分采用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中輸入層含有92個(gè)神經(jīng)元，輸出層與輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)相同，自編碼器又由3個(gè)編碼器和3個(gè)解碼器構(gòu)成，因?yàn)樽跃幋a器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，編碼器和解碼器分別為70：50：20和20：50：70。其中20為隱藏層的向量，可以看作是編碼器的最終壓縮向量，即為最后提取的特征，作為下一步訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入特征。圖5（a）和圖5（b）顯示了提取到不同特征對(duì)模型的影響，因此，壓縮維度對(duì)于模型測(cè)試有著重要的影響，其中維度壓縮在20維效果較好。

圖5 壓縮維度對(duì)測(cè)試模型性能的影響Fig.5 Effect of compressed dimension on test model performance

2.2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

DNN（深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的輸入為自編碼器隱藏層壓縮后的20維特征，且含有3層隱藏層，隱藏層神經(jīng)元結(jié)構(gòu)為128：64：32，以及防止過(guò)擬合的dropout層，輸出層為一個(gè)softmax分類器，將輸出4種類別。在此模型中，添加了GridSearchCV，用來(lái)查找每個(gè)參數(shù)的最優(yōu)狀態(tài)，從而提高模型的準(zhǔn)確率。從圖6和圖7可以看出，epochs和batch_size的改變對(duì)模型準(zhǔn)確率提高有影響，其中當(dāng)batch_size為40、epochs為50時(shí)效果較好；當(dāng)權(quán)重初始化方法為uniform時(shí)，模型的效果較好。

圖6 不同epochs和batch_size對(duì)模型的影響Fig.6 Effect of different epochs and batch_sizes on the model

圖7 不同的權(quán)值初始化方法對(duì)模型的影響Fig.7 Effect of different weight initialization methods on the model

從圖8和圖9可以看出，不同的激活函數(shù)activation和optimizer的改變對(duì)模型準(zhǔn)確率提高有影響。其中，當(dāng)activation為softmax、optimizer為RMSprop時(shí)效果較好。

圖8 輸出層激活函數(shù)activation對(duì)模型的影響Fig.8 Effect of activation functions in output layer on the model

圖9 optimizer對(duì)模型的影響Fig.9 Effect of optimizers on the model

分類模型最常用TP（真陽(yáng)性）、FP（假陽(yáng)性）、TN（真陰性）、FN（假陰性）來(lái)衡量模型的有效性。本文對(duì)安全性能的分析衡量指標(biāo)選取ROC（接收者操作特征）曲線，ROC曲線為以假正率為x軸，以真正率為y軸做出的曲線。AUC即ROC特征曲線下面的面積，AUC越大分類器性能越好。圖10顯示了本文模型的ROC曲線。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向電力移動(dòng)設(shè)備無(wú)線接入環(huán)境的安全測(cè)試系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了基于流量特征的安全異常發(fā)現(xiàn)。通過(guò)堆疊稀疏自編碼器和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，首先對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)特征降維，并選取合適的特征維數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，即將選取的特征作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，構(gòu)建高效測(cè)試用例并監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)。該系統(tǒng)可用于挖掘接入設(shè)備的安全問(wèn)題，具有一定的實(shí)用價(jià)值。