吉林大学学报(工学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (4): 1406-1411.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20240279

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基于MSE改进BiLSTM网络算法的工业互联网异常流量时空融合检测

程光1,2(),李沛霖1   

  1. 1.北京联合大学 北京市信息服务工程重点实验室,北京 100101
    2.北京联合大学 前沿智能技术研究院,北京 100101
  • 收稿日期:2024-03-22 出版日期:2025-04-01 发布日期:2025-06-19
  • 作者简介:程光(1964-),男,教授,博士. 研究方向:先进制造和工业工程.E-mail: chengguang@buu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2021YFB1715700)

Spatio temporal fusion detection of abnormal traffic in industrial Internet based on MSE improved BiLSTM network algorithm

Guang CHENG1,2(),Pei-lin LI1   

  1. 1.Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering,Beijing Union University,Beijing 100101,China
    2.Frontier Intelligent Technology Research Institute,Beijing Union University,Beijing 100101,China
  • Received:2024-03-22 Online:2025-04-01 Published:2025-06-19

摘要:

针对设备在通信传输过程中产生的大量数据信息容易成为黑客和恶意用户的攻击目标,从而产生异常流量,以及流量数据的稀疏性导致难以捕捉到全局特征之间的关联性,进而影响异常流量检测效果的问题,提出了基于均方误差(MSE)改进双向长短时记忆(BiLSTM)神经网络算法的工业互联网异常流量时空融合检测方法。首先,通过One-Hot编码将工业互联网流量数据转换为数值型数据,利用MSE中的挤压激励(SE)机制调整流量特征的权重,捕捉全局特征之间的关联性。其次,采用BiLSTM神经网络的正向与反向LSTM提取网络流量的时空融合特征。最后,将时空融合特征输入Softmax分类器中,对流量进行识别,实现异常检测。实验结果表明,当迭代次数达到30次时,本文方法的损失值可以降至0.4以下,当迭代次数达到60次时,F1与马修斯相关系数均可达到60,证明该方法具有良好的整体性能。

关键词: 多头挤压激励机制, BiLSTM神经网络, 特征融合, 异常流量检测, softmax分类器

Abstract:

Addressing the issue that the large amounts of data generated by devices during communication transmission are prone to becoming targets for hackers and malicious users, thereby generating abnormal traffic, and that the sparsity of traffic data makes it difficult to capture the associations between global features, which in turn affects the detection effectiveness of abnormal traffic, a spatiotemporal fusion detection method for abnormal traffic in industrial Internet of Things (IoT) based on the improved bidirectional long short-term memory (BiLSTM) neural network algorithm using mean squared error (MSE) is proposed. Firstly,the industrial Internet traffic data is converted into numerical data through the One-Hot coding method, and the SE mechanism in MSE is used to adjust the weight of traffic characteristics to capture the correlation between global characteristics.Secondly,using the forward and backward LSTM of BiLSTM neural network, the spatiotemporal fusion features of network traffic are extracted.Lastly, and the spatio temporal fusion features are input into the softmax classifier to identify traffic and achieve anomaly detection. The experimental results show that when the number of iterations reaches 30, the loss value of the proposed method can reach below 0.4, when the number of iterations reaches 60, both F1 and Matthews correlation coefficients can reach 60, proving that this method has good overall performance.

Key words: multi head squeezing incentive mechanism, BiLSTM neural network, feature fusion, abnormal traffic detection, Softmax classifier

中图分类号: 

  • TP393

图1

MSE结构"

图2

BiLSTM结构"

表1

实验环境与配置"

实验环境配 置
Python3.7.6
操作系统Win10 LTSC2019
Tensorflow2.0.0
处理器Intel Core i7-6800K CPU 3.40 GHz
Keras2.3.1
内存16GB PDRP 2666 MHz
显卡GTX 1080Ti

表2

测试数据集"

数据集数据量
U2R228
Normal60 560
R2L16 185
DoS229 855
Probe4 165

图3

不同模型的loss值"

图4

异常流量检测结果"

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