基于云群的高维差分进化算法及其在网络安全态势预测上的应用.pdf
《基于云群的高维差分进化算法及其在网络安全态势预测上的应用.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于云群的高维差分进化算法及其在网络安全态势预测上的应用.pdf(10页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第46卷第2期 吉林大学学报(工学版) V0146 No22016年3月 Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition) Mar2016基于云群的高维差分进化算法及其在网络安全态势预测上的应用胡冠宇,乔佩利(哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院,哈尔滨150080)摘 要:提出了一种基于云群的高维差分进化算法(CPDE),并将其应用在网络安全态势预测领域。该算法所提出的云群和分布链概念增加了种群的多样性。算法中的入侵算子将获胜个体的分布植入给其他个体,使得在进化的过程中,个体的形态呈现多样性。协作算子在个体之间引入了
2、合作机制并执行差分操作。局部搜索算子增加了算法的搜索精度。实验结果显示CPDE是一个有效的高维进化算法,它在优化网络安全态势预测模型呻具有一定的优势。关键词:计算机应用技术;差分进化算法;云模型;云群;分布链;网络安全态势预测中图分类号:TPl8 文献标志码:A 文章编号:16715497(2016)02056810DoI:1013229jcnkijdxbgxb201602035High dimensional differential evolutionary algorithm based oncloud population for network security prediction
3、HU Guan-yu。QIAO Peili(School of Computer Science and Technology,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)Abstract:A novel differential evolutionary algorithm based on could population(CPDE)is proposed tosolve the network security situation predictionThe proposed concepts of cl
4、oud population and thedistribution chain promote the diversity of the populationIn this algorithm,first,the intrusionoperator is employed to introduce the competition among the cloud populations,where the winnerswill implant their distribution into other cloud individualsThen,cooperative operator iS
5、 used tointroduce the collaboration among the cloud individuals and perform the differential operationFinally,the accuracy of the algorithm is improved using the local search operatorExperiment resultsshow that the proposed CPDE is an efficient highdimensional evolutionary algorithm and possessescer
6、tain advantages in optimizing the prediction model of the network securityKey words:computer application technology;differential evolutionary algorithm;cloud model;cloudpopulation;distribution chain;network security situation prediction收稿日期:20140415基金项目:国家自然科学基金项目(61103149);黑龙江省自然科学基金项目(QC2013C060)作
7、者简介:胡冠宇(1 982一),男,博士研究生,讲师研究方向:智能计算,网络安全E-mail:huguanyu0708163com通信作者:乔佩利(1951一),男,教授,博士生导师研究方向:智能计算,网络安全E-mail:qiaopeili2014163com万方数据第2期 胡冠宇,等:基于云群的高维差分进化算法及其在网络安全态势预测上的应用 569o 引 言目前,业界已经提出了很多改进的进化算法用于解决高维优化问题口3。文献46利用云模型提出了一些新的进化算法,例如Zhang等n1在2008年提出了基于云模型的进化算法(CBEA),该算法利用正态云生成器生成种群,并定义最优个体向量,以最优
8、向量中的个体为种子生成新的种群,越优良的个体生成的种群越大。Dai等口1在2007年引入了基于云模型的遗传算法CGA,CGA采用正态云模型中的Y条件正态云发生器完成交叉操作。Dai等M1在2007年提出了云自适应遗传算法(CAGA)。该算法以条件云发生器自适应调整交叉变异概率。以上这些算法都利用了云模型在统计学和模糊数学上的特点,对传统的进化算法进行了改进,得到了良好的效果,为进化算法开辟了新的思路。但是这些算法在高维优化问题中容易陷入局部最优解。本文借鉴云模型提出了一种新的进化算法一基于云群的高维差分进化算法(以下简称CPDE)。所提算法在高维优化中表现良好。该算法把利用云模型7生成的小规模
9、种群当做云个体,在群体层面操作进化算子。CPDE包含入侵算子、协作算子和局部搜索算子三种基本操作。入侵算子体现了种群之间的竞争,保证了算法的多样性。协作算子采用差分操作8。3体现了物种之间的合作,保证了算法的启发性。局部算子保证了算法的精确性。CPDE具备了前述的三个必要特性,具有很好的全局搜索能力,在优化高维度多峰复杂函数时表现优异。因此,CPDE适用于解决网络安全态势预测这类高维复杂优化问题。1 CPDE的基本概念11云模型的基本概念云模型是由李德毅73提出的一种在定性与定量知识之间的不确定转换模型,可以用来描述模糊的不确定的信息。一个云模型有很多云滴构成,每个云滴都是某个概念的一次具体实
10、现。云的外观形态由三个参数决定:期望值(Expectedvalue)Ex、熵(Entropy)En和超熵(Hyperentropy)He,其中期望Eac是云模型中最能代表定性概念的取值,处于云的形心,决定了云的位置。熵En代表了概念可被接受的范围,决定了云的延展度。超熵He是熵的不确定性度量,它反映了云的厚度,即云滴的离散程度。某个定性概念的一维正态云如图1所示。l厂广一rLr醚 l噬1e 3凸图l一维正态云模型Fig1 One-dimensional normal cloud model图1中的横轴代表概念的取值,纵轴代表取值所对应的隶属度。设I为论域U上的语言值,映射CI(z):U一o,1
11、,存在aTE U,zCJ(T),则CI(x)在U上的分布称为I的隶属云,当CI(x)满足正态分布时,称为正态云模型,记为C(Eac,En,He),正态云模型可以由正态云发生器获得,多维正态云模型的生成算法如下。算法l:多维正态云生成算法(1)确定云模型的云滴个数N和维度D;(2)确定期望值(Eac】,Ex2,ExD);(3)确定熵值(Enl,En2,EnD);(4)确定超熵值(He,He:,HeD);(5)进入循环:while IN。以(E以。,En:,EnD)作为期望值,(He,He:,HeD)作为标准差,产生一个D维正态随机向量(E7l,En 7 2,En 7D)。以(Exl,Ex2,Ex
12、,)作为期望值,(En 71,En 7。,En 7D)作为标准差,产生一个D维正态随机向量(T,z。:,T皿),iE1,N。计算其隶属的“i:订D一(z。一出,)Ui一畎P刍及葛产JI+1End while12云个体的概念CPDE将云模型生成的种群当做个体。在进化过程中,云个体的形态可以根据环境做出相应的调整,一个二维的正态云个体如图2所示。图2描述了一个处于三维适应度景观中的二万方数据 570 吉林大学学报(工学版) 第46卷粼图2二维正态云个体Fig2 Two-dimensional normal cloud individual维云个体,其形态由Ez、En、He以及构成云个体的解个数N共
13、同决定。云个体本质上是一个围绕某个解生成的小种群。云个体是CPDE中的基本单元,它们由不同的分布模型在解空间中采样而成,所以云个体是由解构成的。我们扩展了正态云模型,使用不同的分布产生云个体,例如幂率分布,柯西分布和泊松分布。不同的个体有不同的特点,并且在搜索最优解时呈现了不同的特征。本文构造了如下云个体。(1)正态分布云个体中的解z从正态分布取样: zN(2,a2,m,一去exp掣(1)式中:肛代表均值;口代表标准差。设云个体中心点(分布的期望)为卢=(芦,pz,卢D),R一(,盯)表示以p为均值,仃2为方差的正态随机变量,正态云个体中解z的某个维度z。(il,2,D)可以通过下列方法计算1
14、 0|:zi一RP脚,i一 (2)Zi一 L二J1 R(tlD-(,1)X,1),2iD正态分布云个体大多数的解都集中在均值周围,远离中心的解会越来越稀疏。正态分布云个体在探索和开采性能上比较均衡。(2)柯西分布云个体中的解从柯西分布取样:一C(良曲m)-去F击霄(3)柯西分布没有均值和方差,0定义分布峰值位置的位置参数,口是最大值一半处的一半宽度的尺度参数。柯西分布云个体比正态分布云个体具有更广的尾部,可以产生更多不安分的解111,但是只有在候选解远离最优点时才有利121引。(3)泊松分布云个体中的解是从泊松分布取样的:z砌)f(x)一鲁 (4)泊松分布P(A)中的参数A既是均值也是方差,泊
15、松分布的云个体随机性较强,其解的分布呈现出扩散的状态,在进化过程中这样的分布有利于跳出局部最优解。(4)幂律分布云个体中的解从幂律分布取样:zP(r) ,(z)一CXl (5)幂律分布表现了一种很强的不平等性,因此幂律分布具有更好的探索能力。对上述云个体的特性可以总结为:正态分布云个体非常普通,大多数的解都集中在中心点周围。越远离中心的位置被搜索的概率就越低。幂率分布云个体极端且不平等,绝大多数的解都分散在中心点的周围,呈现出良好的局部搜索能力。柯西分布云个体没有期望和方差,它有一个良好的全局搜索能力。泊松分布云个体具有更强的随机性,所以它们有很好的跳出局部最优解的能力。这些云个体的二维形态如
16、图3所示。卜、警:1 _LJ1 JI1J J一【J L1【一(c)Cauchy distribution(d)Power laws distribution图3 四种不同分布形态的云个体Fig3 Four cloud individuals with different distributions13多态的混合云个体云个体最初是由一种分布生成的,这时它就属于该分布对应的云群(云群是指若干相同分布特性的云个体构成的种群)。随着进化的深入,云个体也可以由多种不同的分布共同生成,我们赋予云群一个描述每种分布所占比例的分布链,分布链的长度等于分布的种类数理,第i种云群的万方数据第2期 胡冠宇,等:基于
17、云群的高维差分进化算法及其在网络安全态势预测上的应用 571分布链为:LifP;,P;,P?,P7、 (6)式中:P表示云个体中的解服从某个分布的概率,P的上标表示分布的种类,下标表示云群的编号,第i种云群的初始分布链为:Lo一(P:一0,Prl0,P:一1,P,1=0,P?一O) (7)随着进化的深入,分布链也会发生变化,每种分布的比例也会此消彼长,按分布链生成的云个体会呈现多样化,称之为多态的混合云个体。需要注意的是,无论云个体最终由多少种分布构成,它属于哪个云群是在初始时就确定了的。多态的云个体使得种群具备多重特性,并且增加了种群的多样性,使得基于多态云个体的进化算法可以很大程度上避免个
18、体早熟和种群进化的停滞。分布链的想法来源于自然界中个体的基因链,基因链生成生物体,分布链构成云个体;在进化的过程中,基因链会发生改变,导致生物体具备某个特性,从而可以适应环境的变化。在接下来的进化操作算子中,分布链也会发生变化。2 CPDE的基本操作21入侵算子入侵算子引入了竞争机制,如果某个云个体找到了全局最优解,那么它所属的云群就会将自己的分布扩散给其他云群,扩散的程度取决于被入侵云群获得的惩罚度,定义惩罚度为:似一4虚生卫堕止口 (8)I gbestpbest,IJ=1式中:仍代表第i种云群的惩罚度,gbest代表全局最优值,pbest。代表第i种云群中的最优解,以代表缩小因子。如果云群
19、中的最优解离全局最优解远,则惩罚度大,被入侵的程度就高,被云群J入侵后的云群i的新分布链等于:L?”=(Pj一0,P。一Pi一,P;=P+吼,P?) (9)为了保证分布比例总和小于1,新的分布链还要做归一化处理: P:一善(10)只JI被入侵后的云群分布链不再是只有一种分布存在,经过多轮的入侵博弈,云群中的云个体越来越多样化,最终云个体会变成一种混合分布形式。例如,当分布的种类为4个时,分布链的长度行一4,设P1代表正态分布的云群;P2代表幂律分布的云群;P3代表柯西分布的云群;P4代表泊松分布的云群。那么4种云群的初始分布链分别为:Ll(f)一(P,P,P,P)一(1,0,0,0),L2()
20、一(残,P;,Pi,P;)一(O,1,0,0),L。(f)一(只,P;,P3,P;)一(O,0,1,0),L4()一(Pj,P;,Pi,P:)一(O,0,0,1)。假设在第一轮时,云群1中的云个体找到了全局最优值1,其他三种云群找到的本群中的最优值分别为04,07,05,设a一05,则第4个云群的惩罚度鼽等于:似一(I 105 I05)(1 104 I+107 l+l 105 I)一01786其分布链更新为:L。(一1)一(P:,P;,Pi,P:)一(01786,0,0,08214)可以看出第4个云群分布链中的正态分布增长了01786,而自己原有分布减少了01786,当按照此分布链生成云个体时
21、,其内部的解分布也会有1786是正态分布,而余下的8214则是泊松分布。当运行到第咒轮时,云个体将会处于一种混合的状态,第4个云群的云个体可能如图4所示。;Power(0 25):玲0Normal(O1 5Power(O35)Cauchy(01 5PoissOnfO35 :N蹦or。ma魏l(0Power(O 45引 黧Powor(O溪二ICauchy(015 Cauchy(025; ) t 51 P。i。(o25j f P。tss。n(o1 5 卜一业二k图4 4种混合云个体Fig4 Four hybrid cloud individuals图4描述了4种具备不同分布链的混合云个体,其中图4
22、(a)的分布链为L。(=,2)一(o25,025,025,025),云个体呈现平衡状态。图4万方数据 572 吉林大学学报(工学版) 第46卷(b)的分布链为L。(t一九)一(015,035,015,035)。图4(c)的分布链为L。(fn)一(o15,045,015,025),其中幂律分布占45,所以云个体呈现出长尾特性。图4(d)的分布链为L4(一卵)一(o45,015,025,015),云个体结合了正态分布和柯西分布的特征。22协作算子协作算子是一种变形的差分进化操作,新的云个体期望等于旧期望与四种差值之和,这4种差值分别是:云个体期望与云个体内部最优解的差值;云个体期望与本种类云群最优
23、解的差值;云个体期望与本代全局最优解的差值;任意两个云个体期望差值。假设在D维解空间中,第i个云群中的第伪个云个体的期望值为:Ex。(t)一(z二,z。2,z。3,工。D),那么在第t+1代,期望的更新如公式(11)所示,其中的F。F4表示扩大因子,调控各差分值的比例。gxbest代表全局的最优解,pxbest。代表第i种云群中的最优解,xbest。代表第m个云个体中的最优解,Ex。(t)和Ex。(f)分别代表在第t代中第h个云个体和第q个云个体。Ex。(t+1)一Ex。()+F1fgxbestEx。(f)、+F2(pxbest。一Ex。()+F3(xbest。一Ex。(t)+F4(Ex()一
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 高维差分 进化 算法 及其 网络安全 态势 预测 应用
限制150内