基于孪生结构的对抗样本攻击动态防御方法

神经网络模型已被广泛应用于多个研究领域,但神经网络模型本身存在易受到对抗样本攻击的缺点,如在图像分类中,只需在原始图片中添加微小的对抗扰动生成对抗样本,就可以轻易欺骗神经网络分类模型,这给许多领域的应用安全带来严重的威胁。因此,研究如何提高神经网络分类模型对对抗样本攻击的防御能力成为深度学习安全领域的研究热点。目前常用的对抗样本攻击防御方法往往只侧重于提高模型对对抗样本分类的鲁棒性,或者只侧重于检测拦截对抗样本,而对抗训练需要收集大量对抗样本,且难以防御新类型的对抗样本攻击,对于使用额外的分类器去检测对抗样本的方法,则存在着易受到二次攻击等缺点。针对这些问题,提出一种基于孪生神经网络结构的对抗样本攻击动态防御方法,利用孪生结构可比较两个输入相似性的特点,从孪生神经网络两侧的预测差异着手,检测图片在动态滤波前后是否存在不同的攻击效果,从而筛选出带有动态扰动的对抗样本。实验结果表明,在没有收集特定种类的对抗样本进行训练的情况下,该方法对多种对抗样本攻击取得了良好的通用防御效果,其中在FGSM对抗样本测试集上的防御准确率达到95.35%,在DeepFool和JSMA对抗样本测试集上的防御准确...     

基于VAE-CGAN的牦牛等级评定算法

在牦牛高效养殖过程中, 牦牛等级评定是牦牛育种工作中的重要环节. 为了在牦牛等级评定研究中, 降低数据集分布不平衡对牦牛等级预测结果的影响, 提出一种基于改进条件生成对抗网络模型的牦牛等级评定模型VAE-CGAN. 首先, 为获取高质量生成样本, 模型通过引入变分自编码器取代条件生成对抗网络输入中的随机噪声, 降低了随机变量带来的不确定性. 此外, 模型将牦牛标签作为条件信息输入到生成对抗模型中来获取指定类别的生成样本, 生成样本及训练样本则会被用于训练深度神经网络分类器. 实验结果显示, 模型整体预测准确率达到了97.9%. 而且与生成对抗网络相比较, 在数量较少的特级牦牛等级预测上的精准率、召回率和F1值分别提升了16.7%、16.6%和19.4%. 实验结果表明该模型可以实现高精准度和低误分类率的牦牛等级分类.     

面向鲁棒学习的对抗训练技术综述

深度学习在众多领域取得了巨大成功。然而，其强大的数据拟合能力隐藏着不可解释的“捷径学习”现象，从而引发深度模型脆弱、易受攻击的安全隐患。众多研究表明，攻击者向正常数据中添加人类无法察觉的微小扰动，便可能造成模型产生灾难性的错误输出，这严重限制了深度学习在安全敏感领域的应用。对此，研究者提出了各种对抗性防御方法。其中，对抗训练是典型的启发式防御方法。它将对抗攻击与对抗防御注入一个框架，一方面通过攻击已有模型学习生成对抗样本，另一方面利用对抗样本进一步开展模型训练，从而提升模型的鲁棒性。为此，本文围绕对抗训练，首先，阐述了对抗训练的基本框架；其次，对对抗训练框架下的对抗样本生成、对抗模型防御性训练等方法与关键技术进行分类梳理；然后，对评估对抗训练鲁棒性的数据集及攻击方式进行总结；最后，通过对当前对抗训练所面临挑战的分析，本文给出了其未来的几个发展方向。     

针对卷积神经网络流量分类器的对抗样本攻击防御

随着深度学习的兴起,深度神经网络被成功应用于多种领域,但研究表明深度神经网络容易遭到对抗样本的恶意攻击。作为深度神经网络之一的卷积神经网络(CNN)目前也被成功应用于网络流量的分类问题,因此同样会遭遇对抗样本的攻击。为提高CNN网络流量分类器防御对抗样本的攻击,本文首先提出批次对抗训练方法,利用训练过程反向传播误差的特点,在一次反向传播过程中同时完成样本梯度和参数梯度的计算,可以明显提高训练效率。同时,由于训练用的对抗样本是在目标模型上生成,因此可有效防御白盒攻击;为进一步防御黑盒攻击,克服对抗样本的可转移性,提出增强对抗训练方法。利用多个模型生成样本梯度不一致的对抗样本,增加对抗样本的多样性,提高防御黑盒攻击的能力。通过真实流量数据集USTC-TFC2016上的实验,我们生成对抗样本的网络流量进行模拟攻击,结果表明针对白盒攻击,批次对抗训练可使对抗样本的分类准确率从17.29%提高到75.37%;针对黑盒攻击,增强对抗训练可使对抗样本的分类准确率从26.37%提高到68.39%。由于深度神经网络的黑箱特性,其工作机理和对抗样本产生的原因目前没有一致的认识。下一步工作对CNN的脆弱性机...     

基于特征分布差异的对抗样本检测

诸多神经网络模型已被证明极易遭受对抗样本攻击。对抗样本则是攻击者为模型所恶意构建的输入,通过对原始样本输入添加轻微的扰动,导致其极易被机器学习模型错误分类。这些对抗样本会对日常生活中的高要求和关键应用的安全构成严重威胁,如自动驾驶、监控系统和生物识别验证等应用。研究表明在模型的训练期间,检测对抗样本方式相比通过增强模型来预防对抗样本攻击更为有效,且训练期间神经网络模型的中间隐层可以捕获并抽象样本信息,使对抗样本与干净样本更容易被模型所区分。因此,本文针对神经网络模型中的不同隐藏层,其对抗样本输入和原始自然输入的隐层表示进行统计特征差异进行研究。本文研究表明,统计差异可以在不同层之间进行区别。本文通过确定最有效层识别对抗样本和原始自然训练数据集统计特征之间的差异,并采用异常值检测方法,设计一种基于特征分布的对抗样本检测框架。该框架可以分为广义对抗样本检测方法和条件对抗样本检测方法,前者通过在每个隐层中提取学习到的训练数据表示,得到统计特征后,计算测试集的异常值分数,后者则通过深层神经网络模型对测试数据的预测结果比较,得到对应训练数据的统计特征。本文所计算的统计特征包括到原点的范数距离L2和样本协方差矩阵的顶奇异向量的相关性。实验结果显示了两种检测方法均可以利用隐层信息检测出对抗样本,且对由不同攻击产生的对抗样本均具有较好的检测效果,证明了本文所提的检测框架在检测对抗样本中的有效性。     

面向漏洞检测模型的强化学习式对抗攻击方法

基于深度学习的代码漏洞检测模型因其检测效率高和精度准的优势,逐步成为检测软件漏洞的重要方法,并在代码托管平台Github的代码审计服务中发挥重要作用.然而,深度神经网络已被证明容易受到对抗攻击的干扰,这导致基于深度学习的漏洞检测模型存在遭受攻击,降低检测准确率的风险.因此,构建针对漏洞检测模型的对抗攻击,不仅可以发掘此类模型的安全缺陷,而且有助于评估模型的鲁棒性,进而通过相应的方法提升模型性能.但现有的面向漏洞检测模型的对抗攻击方法,依赖于通用的代码转换工具,并未提出针对性的代码扰动操作和决策算法,因此难以生成有效的对抗样本,且对抗样本的合法性依赖于人工检查.针对上述问题,提出了一种面向漏洞检测模型的强化学习式对抗攻击方法.本方法首先设计了一系列语义约束且漏洞保留的代码扰动操作作为扰动集合;其次,将具备漏洞的代码样本作为输入,利用强化学习模型选取具体的扰动操作序列.最后,根据代码样本的语法树节点类型寻找扰动的潜在位置,进行代码转换,从而生成对抗样本.本文基于SARD和NVD构建了两个实验数据集共14,278个代码样本并以此训练了四个具备不同特点的漏洞检测模型作为攻击目标.针对每个目标模型,训练了一个强化学习网络进行对抗攻击.结果显示,本文的攻击方法导致模型的召回率降低了74.34%,攻击成功率达到96.71%,相较基线方法,攻击成功率平均提升了68.76%.实验证明了当前的漏洞检测模型存在被攻击的风险,需要进一步研究提升模型的鲁棒性.     

基于矫正理解的中文文本对抗样本生成方法

自然语言处理技术在文本分类、文本纠错等任务中表现出强大性能,但容易受到对抗样本的影响,导致深度学习模型的分类准确性下降。防御对抗性攻击是对模型进行对抗性训练,然而对抗性训练需要大量高质量的对抗样本数据。针对目前中文对抗样本相对缺乏的现状,提出一种可探测黑盒的对抗样本生成方法 WordIllusion。在数据处理与计算模块中,数据在删除标点符号后输入文本分类模型得到分类置信度,再将分类置信度输入CKSFM计算函数,通过计算比较cksf值选出句子中的关键词。在关键词替换模块中,利用字形嵌入空间和同音字库中的相似词语替换关键词并构建对抗样本候选序列,再将序列重新输入数据处理与计算模块计算cksf值,最终选择cksf值最高的数据作为最终生成的对抗样本。实验结果表明,WordIllusion方法生成的对抗样本在多数深度学习模型上的攻击成功率高于基线方法,在新闻分类场景的DPCNN模型上相比于CWordAttack方法最多高出41.73个百分点,且生成的对抗样本与原始文本相似度很高,具有较强的欺骗性与泛化性。     

面向不平衡数据的分类算法

不平衡数据在分类时往往会偏向"多数"，传统过采样生成的样本不能较好的表达原始数据集分布特征.改进的变分自编码器结合数据预处理方法，通过少数类样本训练，使用变分自编码器的生成器生成样本，用于以均衡训练数据集，从而解决传统采样导致的不平衡数据引起分类过拟合问题.我们在UCI四个常用的数据集上进行了实验，结果表明该算法在保证准确率的同时提高了F_measure和G_mean.     

基于纹理特征约束的神经网络模型鲁棒性提升方法

深度学习模型可以从原始数据中自动学习到数据的纹理特征和形态特征,使得其在安全验证、识别分类、语音人脸识别等不同领域取得远远超过人工特征方法的性能。虽然深度学习在图像分类和目标检测等方向上取得了较好成效,但是通过在输入上添加难以察觉的微小扰动形成的对抗样本导致深度学习模型在实际使用中存在巨大的风险。因此,提高单个模型的鲁棒性是重要的研究方向。前人在时序数据分类模型的鲁棒性研究中,对抗样本的解释性研究较为欠缺。目前较为常见的防御对抗样本的方法是对抗训练,但是对抗训练有着非常高的训练代价。本文以时序数据分类模型为研究对象,定义了时序数据的纹理特征和形态特征,并基于理论证明和可视化特征层方式,说明了纹理特征是被攻击的关键因素。同时,提出了一种基于特征约束的模型鲁棒性提升方法。该方法结合多任务学习,通过在误差函数中增加特征的平滑约束项,引导模型在分类的同时尽可能学习到原始数据的形态特征。在保证分类精度的同时,降低对抗样本存在的空间,从而训练出更加鲁棒的模型。算法在经典分类模型和多个时序数据集进行了大量的实验,实验结果表明了本文方法的有效性,在多种对抗攻击下,能较好的提高单个模型的鲁棒性。     

深度生成模型综述

通过学习可观测数据的概率密度而随机生成样本的生成模型在近年来受到人们的广泛关注,网络结构中包含多个隐藏层的深度生成式模型以更出色的生成能力成为研究热点,深度生成模型在计算机视觉、密度估计、自然语言和语音识别、半监督学习等领域得到成功应用,并给无监督学习提供了良好的范式.本文根据深度生成模型处理似然函数的不同方法将模型分...     

图像分类模型的对抗样本攻防研究综述

深度学习模型在图像分类领域的能力已经超越了人类,但不幸的是,研究发现深度学习模型在对抗样本面前非常脆弱,这给它在安全敏感的系统中的应用带来了巨大挑战。图像分类领域对抗样本的研究工作被梳理和总结,以期为进一步地研究该领域建立基本的知识体系,介绍了对抗样本的形式化定义和相关术语,介绍了对抗样本的攻击和防御方法,特别是新兴的可验证鲁棒性的防御,并且讨论了对抗样本存在可能的原因。为了强调在现实世界中对抗攻击的可能性,回顾了相关的工作。在梳理和总结文献的基础上,分析了对抗样本的总体发展趋势和存在的挑战以及未来的研究展望。     

基于可攻击空间假设的陷阱式集成对抗防御网络

如今,深度神经网络在各个领域取得了广泛的应用.然而研究表明,深度神经网络容易受到对抗样本的攻击,严重威胁着深度神经网络的应用和发展.现有的对抗防御方法大多需要以牺牲部分原始分类精度为代价,且强依赖于已有生成的对抗样本所提供的信息,无法兼顾防御的效力与效率.因此基于流形学习,从特征空间的角度提出可攻击空间对抗样本成因假设,并据此提出一种陷阱式集成对抗防御网络Trap-Net. Trap-Net在原始模型的基础上向训练数据添加陷阱类数据,使用陷阱式平滑损失函数建立目标数据类别与陷阱数据类别间的诱导关系以生成陷阱式网络.针对原始分类精度损失问题,利用集成学习的方式集成多个陷阱式网络以在不损失原始分类精度的同时,扩大陷阱类标签于特征空间所定义的靶标可攻击空间.最终, Trap-Net通过探测输入数据是否命中靶标可攻击空间以判断数据是否为对抗样本.基于MNIST、K-MNIST、F-MNIST、CIFAR-10和CIFAR-100数据集的实验表明, Trap-Net可在不损失干净样本分类精确度的同时具有很强的对抗样本防御泛化性,且实验结果验证可攻击空间对抗成因假设.在低扰动的白盒攻击场景中, T...     

基于输入通道拆分的对抗攻击迁移性增强算法

深度神经网络已被应用于人脸识别、自动驾驶等场景中,但容易受到对抗样本的攻击。对抗样本的生成方法被分为白盒攻击和黑盒攻击,当对抗攻击算法攻击白盒模型时存在过拟合问题,导致生成对抗样本的迁移性降低。提出一种用于生成高迁移性对抗样本的对抗攻击算法CSA。在每次迭代过程中,通过对输入RGB图片的通道进行拆分,得到三张具有一个通道的输入图片,并对其进行零值填充,获得三张具有三个通道的输入图片。将最终得到的图片与原始RGB输入图片共同传入到模型中进行梯度计算,调整原始梯度的更新方向,避免出现局部最优。在此基础上,通过符号法生成对抗样本。在ImageNet数据集上的实验验证该算法的有效性,结果表明,CSA算法能够有效提高对抗攻击的迁移性,在四种常规训练模型上的攻击成功率平均为84.2%,与DIM、TIM结合所得DI-TI-CSA算法在三种对抗训练黑盒模型上的攻击成功率平均为94.7%,对七种防御模型的攻击成功率平均为91.8%。     

面向深度学习模型的对抗攻击与防御方法综述

深度学习作为人工智能技术的重要组成部分,被广泛应用于计算机视觉和自然语言处理等领域.尽管深度学习在图像分类和目标检测等任务中取得了较好性能,但是对抗攻击的存在对深度学习模型的安全应用构成了潜在威胁,进而影响了模型的安全性.在简述对抗样本的概念及其产生原因的基础上,分析对抗攻击的主要攻击方式及目标,研究具有代表性的经典对...     

预测不确定性与对抗鲁棒性的关系研究

对抗鲁棒性指的是模型抵抗对抗样本的能力,对抗训练是提高模型对抗鲁棒性的一种常用方法.然而,对抗训练会降低模型在干净样本上的准确率,这种现象被称为accuracy-robustness problem.由于在训练过程中需要生成对抗样本,这个过程显著增加了网络的训练时间.研究了预测不确定性与对抗鲁棒性的关系,得出以下结论:...     

基于Rectified Adam和颜色不变性的对抗迁移攻击

深度神经网络在物体检测、图像分类、自然语言处理、语音识别等众多领域上得到广泛应用.然而,深度神经网络很容易受到对抗样本(即在原有样本上施加人眼无法察觉的微小扰动)的攻击,而且相同的扰动可以跨模型、甚至跨任务地欺骗多个分类器.对抗样本这种跨模型迁移特性,使得深度神经网络在实际生活的应用受到了很大限制.对抗样本对神经网络的威胁,激发了研究者对对抗攻击的研究兴趣.虽然研究者们已提出了不少对抗攻击方法,但是大多数这些方法(特别是黑盒攻击方法)的跨模型的攻击能力往往较差,尤其是对经过对抗训练、输入变换等的防御模型.为此,提出了一种提高对抗样本可迁移性的方法:RLI-CI-FGSM. RLI-CI-FGSM是一种基于迁移的攻击方法,在替代模型上,使用基于梯度的白盒攻击RLI-FGSM生成对抗样本,同时使用CIM扩充源模型,使RLI-FGSM能够同时攻击替代模型和扩充模型.具体而言,RLI-FGSM算法将Radam优化算法与迭代快速符号下降法相结合,并利用目标函数的二阶导信息来生成对抗样本,避免优化算法陷入较差的局部最优.基于深度神经网络具有一定的颜色变换不变性,CIM算法通过优化对颜色变换图像集合...     

局部可视对抗扰动生成方法

深度神经网络极易受到局部可视对抗扰动的攻击.文中以生成对抗网络为基础,提出局部可视对抗扰动生成方法.首先,指定被攻击的分类网络作为判别器,并在训练过程中固定参数不变.再构建生成器模型,通过优化欺骗损失、多样性损失和距离损失,使生成器产生局部可视对抗扰动,并叠加在不同输入样本的任意位置上攻击分类网络.最后,提出类别比较法,分析局部可视对抗扰动的有效性.在公开的图像分类数据集上实验表明,文中方法攻击效果较好.     

基于生成对抗网络的目标检测黑盒迁移攻击算法

目标检测被广泛应用到自动驾驶、工业、医疗等各个领域. 利用目标检测算法解决不同领域中的关键任务逐渐成为主流. 然而基于深度学习的目标检测模型在对抗样本攻击下, 模型的鲁棒性存在严重不足, 通过加入微小扰动构造的对抗样本很容易使模型预测出错. 这极大地限制了目标检测模型在关键安全领域的应用. 在实际应用中的模型普遍是黑盒模型, 现有的针对目标检测模型的黑盒攻击相关研究不足, 存在鲁棒性评测不全面, 黑盒攻击成功率较低, 攻击消耗资源较高等问题. 针对上述问题, 提出基于生成对抗网络的目标检测黑盒攻击算法, 所提算法利用融合注意力机制的生成网络直接输出对抗扰动, 并使用替代模型的损失和所提的类别注意力损失共同优化生成网络参数, 可以支持定向攻击和消失攻击两种场景. 在Pascal VOC数据集和MS COCO数据集上的实验结果表明, 所提方法比目前攻击方法的黑盒迁移攻击成功率更高, 并且可以在不同数据集之间进行迁移攻击.     

数据失衡下基于WGAN和GAPCNN的轴承故障诊断研究

针对轴承故障数据严重失衡导致所训练的模型诊断能力和泛化能力较差等问题,提出基于Wasserstein距离的生成对抗网络来平衡数据集的方法。该方法首先将少量故障样本进行对抗训练,待网络达到纳什均衡时,再将生成的故障样本添加到原始少量故障样本中起到平衡数据集的作用;提出基于全局平均池化卷积神经网络的诊断模型,将平衡后的数据集输入到诊断模型中进行训练,通过模型自适应地逐层提取特征,实现故障的精确分类诊断。实验结果表明,所提诊断方法优于其他算法和模型,同时拥有较强的泛化能力和鲁棒性。     

面向恶意软件检测模型的黑盒对抗攻击方法

深度学习方法已被广泛应用于恶意软件检测中并取得了较好的预测精度,但同时深度神经网络容易受到对输入数据添加细微扰动的对抗攻击,导致模型输出错误的预测结果,从而使得恶意软件检测失效。针对基于深度学习的恶意软件检测方法的安全性,提出了一种面向恶意软件检测模型的黑盒对抗攻击方法。首先在恶意软件检测模型内部结构参数完全未知的前提下,通过生成对抗网络模型来生成恶意软件样本;然后使生成的对抗样本被识别成预先设定的目标类型以实现目标攻击,从而躲避恶意软件检测;最后,在Kaggle竞赛的恶意软件数据集上展开实验,验证了所提黑盒攻击方法的有效性。进一步得到,生成的对抗样本也可对其他恶意软件检测方法攻击成功,这验证了其具有较强的攻击迁移性。