基于鱼群神经网络的信息安全性评价与分析

陈卓 杨卿

【摘要】 信息安全评估是保障和维护网络信息安全的重要环节。针对BP神经网络技术在对信息安全进行评估时存在的收敛速度慢、不易获得全局最优解、诊断精度低以及网络结构不确定等缺点，而人工鱼群算法具有较优的全局收敛能力及较快的寻优速度。因此，本文利用人工鱼群算法对BP神经网络的初始权值和阈值进行了优化，建立了一种新的网络信息安全评价模型，并将该模型应用到具体的评价实例中。结果表明，人工鱼群神经网络算法具有收敛速度快及泛化能力强的优点，为信息安全评估提供一种高效、准确及可靠的方法。

【关键词】 信息安全 BP神经网络 鱼群算法 评价 分析

引言

目前国内外常用的信息安全风险评价模型主要由层次分析法（AHP）、基于概率统计的ALE算法，模糊综合评价法等，也取得了一定的研究成果。但上述算法的基本思想是基于线性映射和概率密度分布的，即各风险指标与最终评价结果之间存在着线性关系[2]。然而，这种关系的存在是否科学至今也没有得到准确的答复，同时这些方法在实施时虽然给出了定量计算的算法，但操作较为繁琐，难以达到快速识别的要求。目前应用较广泛的BP神经网络评价算法存在着网络参数难确定、收敛速度较慢且易陷入极小值等问题。为了解决上述问题，本文应用鱼群算法对BP神经网络进行了改进，结合信息安全评价实例进行了测试，并将测试数据与标准BP神经网络进行了比较与分析，取得了理想的结果。

一、信息安全的概念

所谓的信息安全评估指的是通过分析信息系统所包含的资产总值、识别系统本身的防御机制以及所受到的危险性系数，利用数学模型综合判断出系统当前的风险值。信息安全风险评估主要包括三方面的内容，分别是资产总值识别、外部威胁识别以及脆弱性识别。资产总值识别是为了识别出系统所涉及的资产总值，外部威胁识别指的是识别当前状态下系统受攻击或威胁的程度，而脆弱性识别指的是系统自身的脆弱性程度。其中综合考虑外部威胁以及内部脆弱性可以得出发生风险事件的危害性，而自然总值识别再加上脆弱性识别就可以得到系统的易损性，基于上述过程可以得到信息安全系统的风险值。

二、基本BP神经网络算法

BP神经网络算法是一种采用误差反向传播的多层前馈感知器。其特点是具有分布式的信息存储方式，能进行大规模并行处理，并具有较强的自学习及自适应能力。BP网络由输入层（感知单元）、计算层（隐藏层）、输出层三部分组成。输入层神经元首先将输入信息向前传递至隐含层节点，经过激活函数预处理后，隐层节点再将输出信息传送至输出层得到结果输出。输入层与输出层节点的个数取决于输入、输出向量的维数，隐含层节点个数目前并没有统一的标准进行参考，需通过反复试错来确定。根据Kolmogorov定理，具有一个隐层的三层BP神经网络能在闭集上以任意精度逼近任意非线性连续函数，所以本文选择单隐层的BP神经网络。

三、人工鱼群算法

3.1基本原理

通过对鱼类觅食的观察可知，鱼类一般能自行或者尾随其他同伴找到食物数量相对充足的地方。因此，一般鱼类数量较多的地区即为食物相对充足的区域。人工鱼群算法是指通过长期对鱼类觅食行为的观察，构造人工鱼来模拟鱼类的觅食、群聚、尾随以及随机行为，从而完成全局最优值的寻找。算法所包含的基本过程如下：

觅食行为：鱼类会利用视觉或嗅觉来感知水中食物浓度的高低，以此来选择觅食的路线。

聚群行为：鱼类一般会以群体形式进行觅食，以此来躲避天敌的伤害并以最大概率获得准确的觅食路线。

尾随行为：当群体中的某条鱼或几条鱼寻找到食物后，其附近的其他同伴会立刻尾随而来，其他更远处的鱼也会相继游过来。

随机行为：鱼在水中的活动是不受外界支配的，基本上处于随机状态，这种随机性有利于鱼类更大范围的寻找食物及同伴。

3.2 鱼群算法优化BP神经网络的原理

BP神经网络在求解最优化问题时容易陷入局部极值，并且网络的收敛速度较慢。鱼群算法通过设定人工鱼个体，模拟鱼群在水中的觅食、尾随和群聚行为，通过个体的局部寻优，最终实

现全局寻优。人工鱼在不断感知周围环境状况及

同伴状态后，集结在几个局部最优点处，而值较大的最优点附近一般会汇集较多的人工鱼，这有

助于判断并实现全局最优值的获取。因此用人工鱼群算法来优化BP神经网络是一种合理的尝试。

3.3 具体工作步骤

人工鱼群算法用于优化神经网络时的具体步骤如下：

①设定BP神经网络结构，确定隐层节点数目；

②设定人工鱼参数，主要包括个体间距离、有效视线范围以及移动步长等；

③人工鱼进行觅食、群聚及尾随行为来优化BP神经网络；

④通过设定的状态参量，判断是否达到目标精度；

⑤若达到精度要求则输出网络优化权值，并执行网络循环，否则继续改化参数进行优化；

⑥输出最终优化参数并进行计算机网络安全评价。

四、仿真实验

将信息安全风险评估常用的3项评价指标的分值作为BP神经网络的输入，网络的期望输出只有一项，即安全综合评价分值。目前用于信息安全风险评价的数据还很少，本文采用文献[3]所列的15组典型信息安全单项指标评价数据，其中1-10项作为训练，11-15项用于仿真。通过实际实验分析，本文将权值调整参数α=0.1，阈值调整参数β=0.1，隐层神经元数目为6，学习精度ε=0.0001。网络经过2000次训练，收敛于所要求的误差，人工鱼群算法的相关参数： 种群大小为39；可视域为0.8；最大移动步长为0.6；拥挤度因子为3.782。然后对检验样本及专家评价样本进行仿真，结果如表1所示。可以看出，鱼群神经网络得到的仿真结果与期望值之间的平均误差为0.001，而标准BP神经网络为0.0052，所以鱼群神经网络的得到的仿真精度较高，取得了理想的实验结果。

五、结论

本文将鱼群算法和神经网络结合起来对信息安全评价进行了研究，得到了如下几个结论：

（1） 基于鱼群算法优化后的BP神经网络具有收敛速度快、拟合精度高等优点，克服了标准BP神经网络收敛速度慢、容易陷入局部极小值的缺点。同时，优化算法编码过程简单，并具有较强的鲁棒性。

（2） 本文采用的实验数据仅有15个，基于鱼群算法优化后的BP神经网络精度有明显提高，避免了由于样本数量少造成的拟合精度低等缺点。

（3） 通过将标准BP神经网络算法与鱼群神经网络算法进行对比发现，后者的收敛速度明显加快并且自组织能力也有一定提高，在实际的工程建设中可以将其代替传统的BP神经网络算法来进行信息安全的风险评估。

参 考 文 献

[1]冯登国，张阳，张玉清.信息安全风险评估综述[J].通信学报，2004，25（7）：10-18.

[2]戴群，陈松灿，王喆.一个基于自组织特征映射网络的混合神经网络结构[J].软件学报，2009，20（5）：1329-1336.

[3]李道伦.基于BP神经网络的隐式曲面构造方法[J].计算机研究与发展，2007，44（3）：467-472.