优文推荐 | 机器学习在WSN入侵检测中的应用研究

文摘   科技   2024-06-27 17:10   陕西  


NO.1 论文简介


随着计算机、通信技术的不断发展,网络经常面临各种各样的攻击。无线传感器网络的分布式和无线传输等特性使其易于遭受网络攻击,为WSN安全防护方案设计带来了严峻考验。入侵检测是一种积极主动的安全防护技术,是网络攻击检测的重要手段,是保障WSN网络环境安全的关键技术。近年来机器学习方法在许多领域都取得了巨大的发展,在WSN入侵检测领域取得了一定的应用研究成果。为了便于对WSN入侵检测技术进行深入研究,本文从WSN的特点和WSN入侵检测研究的独特性出发,对近些年该领域的相关研究进行分类综述。首先,简要介绍WSN所面临的挑战和发展现状。然后,根据WSN的特点分析了入侵检测在WSN中设计时面临的挑战。随后对WSN入侵检测相关研究进行文献综述与分类,重点对基于机器学习的应用研究方法进行分类论述与探讨。最后,讨论该研究方向未来发展前景与方向。

NO.2 主要贡献


(1)针对WSN特点和需求,分析入侵检测面临的挑战,指出设计考虑的主要因素。

(2)对近年来基于ML的WSN入侵检测相关研究进行文献综述与分类,从基于传统ML的WSN入侵检测、基于深度学习的WSN入侵检测和基于强化学习的WSN入侵检测三个角度分别展开论述。此外,还对不同类别入侵检测方法进行比较分析。
(3)探讨WSN入侵检测未来发展前景与方向,对入侵数据集的来源、特点、选择以及入侵检测性能评估指标中提高检测精度、降低能耗等开放性问题进行讨论,进而给出未来研究展望。

NO.3 研究结论


 相对于其他网络环境,WSN通常由大量传感器节点组成,数据的传输和通信都是在传感器节点之间进行,因此在WSN中进行数据的采集、处理等过程需要考虑到节点的数量、能耗、地理位置分布等因素。此外,WSN采用无线信道通信的方式进行信息传输,网络协议与其他网络有所不同,这也使得在开展WSN入侵检测时无法直接使用其他网络。因此,在设计WSN入侵检测方法时需要考虑的因素包括:减少能耗、优化检测性能、拥有大型流量网络的处理能力和能对各种入侵行为准确分类。

将机器学习应用于WSN可以提高无线网络的安全性,减少各种形式拥塞问题。此外,ML算法在WSN节点间传输报文分析和检测可疑节点方面具有很大的优势。ML算法也可以用于入侵检测系统,通过建立检测模式来预测入侵的模型,将行为分类为正常或异常。基于ML的IDS实现面临的主要挑战在于如何构建一个误报数量少且具有高准确性的模型。将ML应用于WSN主要面临两方面主要挑战:节点的资源和计算限制,以及需要大型数据集进行学习。
根据近年来基于ML的WSN入侵检测的调研,现有的相关研究可以分为基于传统ML的WSN入侵检测、基于DL的WSN入侵检测和基于RL的WSN入侵检测三大类。其中基于传统ML的WSN入侵检测可以分为基于监督学习的WSN入侵检测和基于无监督学习的WSN入侵检测。
传统ML算法是指基于人工设计函数的学习算法,通常需要先确定特征提取方法,然后在训练阶段使用监督或无监督学习方法构建模型。传统ML具有易于解释、训练速度快、适用于小样本的特点,但同时传统ML需要人工设计特征提取的方法,且对数据质量要求较高,泛化能力较弱。监督学习是指利用一组已知类别的样本调整分类器参数,使其达到所要求性能的过程。无监督学习是传统机器学习中的一种方法,指在没有标签或目标情况下从未标记的数据中发现潜在数据结构和关系。现实中很多数据集都是无标记的样本,但可以通过和有标记的样本结合从而把无标记样本变为有标记样本,因此无监督学习比有监督学习更难应用到现实场景,主要适用于聚类、降维等情况。DL是通过模仿人脑神经网络结构和功能对大规模数据进行分析和学习,通过多层处理逐步将初始的“低层”特征表示转化为“高层”特征表示,再用“简单模型”即可完成复杂分类等学习任务。DL具有学习能力强、覆盖范围广、适应性强、可以处理大量数据、移植性强等特点,但同时它也具有计算量大、对硬件需求高、模型设计复杂等缺点。RL用于描述和解决代理在与环境交互过程中通过学习策略以达成回报最大化或实现特定目标的问题。与监督学习不同,RL没有监督者,只有一个奖励信号。RL通常是延迟反馈而不是及时反馈,具有时间序列的性质,且后续数据会受到代理的行为影响。RL是一个通用框架,奖励机制灵活,一旦完成训练产生的策略通常是一个简单快速的神经网络。
基于上述对WSN入侵检测方法设计面临挑战的分析以及对现有的WSN入侵检测方法的综述,本文认为未来WSN入侵检测方法设计应关注的重要研究方向包括如何更好地优化WSN入侵检测方法检测性能和分类效果,并且更多地考虑减少能耗的问题。此外,如何将多种ML算法相结合进行优势互补、对数据集进行更好的处理等也是值得思考的问题。

NO.4 论文资助


天津市教委科研计划项目(2020KJ025)

NO.5 作者介绍


姜来为,女,中国民航大学讲师,硕士生导师,

E-mail:lwjiang@cauc.edu.cn。

顾海洋,男,中国民航大学硕士研究生,

E-mail:2022092097@cauc.edu.cn。

谢丽霞,女,中国民航大学教授,硕士生导师,

E-mail:lxxie@cauc.edu.cn。

杨宏宇,男,中国民航大学教授,博士生导师,

E-mail:yhyxlx@hotmail.com。




·引用格式·


姜来为, 顾海洋, 谢丽霞, 杨宏宇. 机器学习在WSN入侵检测中的应用研究(2023) [J/OL]. 西安电子科技大学学报, [2023-12-27]. https://doi.org/10.19665/j.issn1001-2400.20231202



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https://link.cnki.net/doi/10.19665/j.issn1001-2400.20231202

   编辑:许瀚樱

校对:杨   薇

   审核:牛姗姗


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