论文题目：基于神经网络的入侵检测相关技术研究
摘要：随着互联网规模的日渐增大,网络新兴服务逐步影响着人们的日常生活,同时,网络安全问题也倍受人们关注。面对攻击行为日益复杂化的发展趋势,入侵检测系统可以通过实时分析获取的计算机系统、网络和用户的事件信息,来评估计算机系统和网络的安全性。传统环境下的入侵检测技术一直都是各研究机构的研究热点,如何提高入侵检测系统的检测性能至关重要。同时,云计算作为新的计算模式,改变了传统计算机体系架构,但是其虚拟化、分布式和超大规模的特点给计算机系统、网络和用户带来了巨大的安全挑战。为了有效应对这些新的挑战,研究云环境下的入侵检测系统同样具有重要的现实意义。神经网络具有自学习、联想记忆和可高速并行计算的特点,使其在很多应用领域都取得了显著的效果。将神经网络技术应用于入侵检测领域,已经引起了国内外相关学者的普遍关注。本文利用神经网络理论,对传统环境和云环境下的入侵检测系统相关问题进行了研究。本文首先针对传统环境下的分布式入侵检测系统存在中央节点负载大,易造成单点失效等问题,研究可高速并行计算,易于硬件实现,检测精度高的完全分布式协同入侵检测系统（第二章）。然后为弥补传统环境下的入侵检测系统普遍存在缺乏主动防御能力的缺点,研究在目标主机或操作系统遭到破坏之前,可预测即将发生攻击行为的入侵预防系统（第三章）。随着云计算的发展,传统环境下的入侵检测系统在海量入侵数据检测率和检测速度方面都存在着局限性,已经不能满足云环境下入侵检测系统的需求,因此本文研究了可自主学习、动态拓展的基于网络的云入侵检测系统（第四章）。云计算的核心是虚拟化技术,针对虚拟机在迁移过程中容易因为系统存在的漏洞或后门缺陷遭受病毒或黑客攻击,造成虚拟机异常迁移等安全问题,本文最后研究了虚拟机迁移调度监控系统,保障虚拟计算环境的安全（第五章）。本文的主要创新工作如下：（1）通过对分布式入侵检测系统的研究提出了一种基于离散细胞神经网络（DTCNN）和状态控制细胞神经网络（SCCNN）的完全分布式协同入侵检测系统。其中,基于DTCNN的多层检测模型作为本地节点检测分类器,基于改进SCCNN的一维环形检测模型作为全局检测器。每个本地节点检测器负责独立地检测本地网络入侵行为,然后周期性地发送检测消息与其相邻节点交换本地检测信息,构成全局检测器。针对本地节点检测器的模板参数,提出了基于改进粒子群算法的参数选择算法,通过能量函数约束法构造新的适应度函数来避免粒子群算法陷入早熟收敛并寻找到参数最优解。针对全局检测器,提出了一种基于求解线性矩阵不等式的模板参数求解方法,使系统达到理想的稳定输出,实现检测应用。仿真实验结果表明本检测系统与其他分布式入侵检测系统相比具有更高的检测率。（2）通过对入侵预测系统的研究提出了基于神经网络改进时序分析方法的入侵预测模型。为降低入侵预测系统的误报率和漏报率,提高入侵预测模型预测精度,提出了基于灰色神经网络改进ARIMA的网络入侵预测模型,采用BP网络映射灰色预测模型的微分方程解,构造出新的灰色神经网络,对基于ARIMA的网络入侵预测模型预测残差进行修正。此外,为提高多尺度网络流量时序的预测精度,本文还提出基于小波分解和改进最小复杂度回声状态网络的网络入侵预测模型（IMCESN-WD）,首先对原始网络流量时序进行小波分解预处理,然后对分解后的各个尺度子序列建立最小均方误差和误差变化率改进最小复杂度回声状态网络的预测模型,最后利用权值因子将子序列预测结果进行整合。仿真实验证实上述方法可通过对网络流量数据进行建模来衡量网络的安全状况,对入侵行为进行预警,预测精度较高。（3）通过对基于网络的云入侵预测系统的研究提出了一种基于改进生长自组织神经网络的云网络入侵检测系统。该系统利用映射规约主成分分析算法对海量入侵数据进行降维,并将降维后的数据利用改进的生长自组织神经网络算法进行动态更新检测,利用遗传算法对基于生长自组织神经网络检测模型拓展出的自组织神经网络子网中的连接权值进行优化,加速检测网络收敛。仿真实验表明本方法可以实现对海量入侵数据的实时检测和新型攻击的扩展检测,检测算法与其他算法相比有较高的有效性和可拓展性。（4）通过对虚拟机迁移监控系统的研究提出了基于改进细胞神经网络的虚拟机迁移调度方法。迁移调度过程可等价于旅行商问题,通过改进细胞神经网络的能量函数使输出的平衡点为实时网络期望的特征值,系统达到稳定状态。本文在迁移调度局部规则和全局规则的基础上确定了参数关系,该网络模型参数关系可以转化为求解约束优化问题。然后,基于冒泡排序粒子群算法优化模板参数,避免求解参数过程陷入局部最优。仿真实验表明本文的方法可以制定出有效的虚拟机迁移调度策略,减少了迁移持续时间和迁移数据量。
关键词：入侵检测;神经网络;入侵预测;云入侵检测;虚拟机迁移监控
学科专业：通信与信息系统
摘要
Abstract
符号说明
缩略语简表
第一章 绪论
1.1 研究课题的背景和意义
1.2 基于神经网络的入侵检测技术研究现状
1.2.1 神经网络综述
1.2.2 基于神经网络入侵检测相关研究问题的研究现状
1.3 主要研究内容
1.4 论文组织结构
第二章 基于多层DTCNN和改进SCCNN的完全分布式协同入侵检测系统
2.1 概述
2.2 相关工作
2.3 设计基于多层DTCNN的本地节点入侵检测器
2.3.1 粒子群算法
2.3.2 基于多层DTCNN的本地节点检测器
2.3.3 基于能量约束PSO优化DTCNN模板参数
2.4 设计基于改进SCCNN的全局入侵检测器
2.4.1 基于改进SCCNN的全局检测器
2.4.2 基于线性矩阵不等式设计模板参数
2.5 仿真实验和结果分析
2.5.1 本地节点检测模型参数求解算法比较
2.5.2 本地节点检测模型性能分析
2.5.3 全局检测模型参数求解实验
2.5.4 全局检测模型性能分析
2.6 本章小结
第三章 基于神经网络改进时序分析方法的入侵预测方法
3.1 概述
3.2 相关工作
3.3 基于灰色神经网络改进ARIMA网络入侵预测方法
3.3.1 ARIMA模型
3.3.2 基于GNNM-ARIMA的网络入侵预测算法
3.4 基于改进回声状态网络的网络入侵预测方法
3.4.1 回声状态网络模型
3.4.2 基于改进最小复杂度ESN的预测模型
3.5 仿真实验与结果分析
3.6 本章小结
第四章 基于改进GHSOM的云网络入侵检测系统
4.1 概述
4.2 相关工作
4.3 基于改进GHSOM的云网络入侵检测系统
4.3.1 GHSOM模型简介
4.3.2 基于PCA算法的MapReduce数据降维
4.3.3 基于改进GHSOM的NCIDS检测算法
4.4 仿真实验和结果分析
4.5 本章小结
第五章 基于改进细胞神经网络的虚拟机迁移调度监控
5.1 概述
5.2 相关工作
5.3 基于改进CNN的虚拟机迁移调度监控机制
5.3.1 问题描述
5.3.2 基于改进CNN的虚拟机迁移调度算法
5.3.3 基于BSPSO算法设计改进CNN模板参数
5.4 仿真实验与结果分析
5.4.1 基于BSPSO的模板设计算法实验结果
5.4.2 基于改进CNN的迁移调度算法仿真结果
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 工作展望
参考文献
致谢
附件