Новая гибридная модель обнаружения аномалий с использованием ансамблевого машинного обучения и федеративных графовых нейронных сетей для обеспечения сетевой безопасности

Традиционные системы обнаружения сетевых вторжений сталкиваются со все более сложными проблемами по мере роста сложности и частоты кибератак. В данном исследовании предлагается федеративная ансамблевая сеть на основе графов в качестве нового гибридного подхода к обнаружению аномалий, который повышает эффективность обнаружения при минимизации ложных срабатываний. Этот новый фреймворк основан на нейронных сетях на основе федеративных графов в сочетании с ансамблевыми подходами, использующими три признанных метода машинного обучения: Random Forest (случайный лес), XGBoost (экстремальный градиентный бустинг), LightGBM (легковесный градиентный бустинг) – для точного определения ожидаемых моделей трафика и выявления аномалий. Кроме того, в системе используется федеративное обучение, обеспечивающее децентрализованное обучение в соответствии с требованиями конфиденциальности для нескольких клиентов, одновременно изучающих одну и ту же модель без доступа к исходным данным. Фреймворк FEGB-Net был оценен на наборе данных CICIDS2017 и показал точность – 97,1 %, F1-оценку – 96,2 % и метрики оценки эффективности моделей – 0,98, что превосходит результаты как традиционных подходов машинного обучения, так и глубокого обучения. Опираясь на новые подходы к обработке графовых сигналов для формирования реляционного обучения и методы голосования на основе ансамбля для категоризации результатов, FEGB-Net может стать практической и эффективной системой для реального применения благодаря своей прозрачной интерпретируемости, относительной простоте использования и масштабируемости. Ключевые достижения включают приватную архитектуру федеративной графовой нейронной сети (Ф-ГНС) с ансамблевым подходом, новый алгоритм мета-слияния, воспроизводимую реализацию на языке Python и масштабное тестирование на CICIDS2017. Будущая работа включает в себя эксперименты по применению полученных результатов в реальном времени и последующие исследования с учетом новых векторов атак.

1. Singh N., Buyya R., Kim H. Securing Cloud-Based Internet of Things: Challenges and Mitigations. Sensors. 2025;25(1). https://doi.org/10.3390/s25010079

2. Neupane S., Ables J., Anderson W., et al. Explainable Intrusion Detection Systems (X-IDS): A Survey of Current Methods, Challenges, and Opportunities. IEEE Access. 2022;10:112392–112415. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3216617

3. Chinnasamy R., Subramanian M., Easwaramoorthy S.V., Cho J. Deep Learning-Driven Methods for Network-Based Intrusion Detection Systems: A Systematic Review. ICT Express. 2025;11(1):181–215. https://doi.org/10.1016/j.icte.2025.01.005

4. Garg I., Sharma P., Singh G., Sharma P., Sharma V. Network Intrusion Detection System: Machine Learning Approach. In: Proceedings of the 2nd International Conference on Advanced Computing & Communication Technologies (ICACCTech 2024), 16–17 November 2024, Sonipat, India. IEEE; 2024. P. 222–229. https://doi.org/10.1109/ICACCTech65084.2024.00045

5. Wettewa S., Hou L., Zhang G. Graph Neural Networks for Building and Civil Infrastructure Operation and Maintenance Enhancement. Advanced Engineering Informatics. 2024;62. https://doi.org/10.1016/j.aei.2024.102868

6. Bhavani T.T., Rao M.K., Reddy A.M. Network Intrusion Detection System Using Random Forest and Decision Tree Machine Learning Techniques. In: First International Conference on Sustainable Technologies for Computational Intelligence: Proceedings of ICTSCI 2019, 29–30 March 2019, Jaipur, India. Singapore: Springer; 2020. P. 637–643. https://doi.org/10.1007/978-981-15-0029-9_50

7. Zuo F., Zhang D., Li L., He Q., Deng J. GSOOA-1DDRSN: Network Traffic Anomaly Detection Based on Deep Residual Shrinkage Networks. Heliyon. 2024;10(11). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e32087

8. Wang Ya. Deep Learning-Based Network Intrusion Detection Systems. Applied and Computational Engineering. 2024;109:179–188. https://doi.org/10.54254/2755-2721/2024.18104

9. Fink O., Wang Q., Svensén M., Dersin P., Lee W.-J., Ducoffe M. Potential, Challenges and Future Directions for Deep Learning in Prognostics and Health Management Applications. Engineering Applications of Artificial Intelligence. 2020;92. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2020.103678

10. Sozol M.S., Saki G.M., Rahman M.M. Anomaly Detection in Cybersecurity with Graph-Based Approaches. International Journal of Scientific Research in Engineering and Management. 2024;8(8). https://doi.org/10.55041/IJSREM37061

11. Kalluri K. Federated Learning: A Privacy-Preserving Approach to Decentralized AI Systems. [Preprint]. ResearchGate. URL: https://www.researchgate.net/publication/388007124 [Accessed 13th March 2025].

12. Ennaji S., De Gaspari F., Hitaj D., Kbidi A., Mancini L.V. Adversarial Challenges in Network Intrusion Detection Systems: Research Insights and Future Prospects. arXiv. URL: https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.18736 [Accessed 13th March 2025].

13. Tarlow D., Moitra S., Rice A., et al. Learning to Fix Build Errors with Graph2Diff Neural Networks. In: ICSEW'20: Proceedings of the IEEE/ACM 42nd International Conference on Software Engineering Workshops, 27 June – 19 July 2020, Seoul, Republic of Korea. New York: Association for Computing Machinery; 2020. P. 19–20. https://doi.org/10.1145/3387940.3392181

14. Vinayakumar R., Alazab M., Soman K.P., Poornachandran P., Al-Nemrat A., Venkatraman S. Deep Learning Approach for Intelligent Intrusion Detection System. IEEE Access. 2019;7:41525–41550. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2895334

15. Zavrak S., İskefiyeli M. Anomaly-Based Intrusion Detection from Network Flow Features Using Variational Autoencoder. IEEE Access. 2020;8:108346–108358. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3001350

16. Gan G., Kong W. Research on Network Intrusion Detection Based on Transformer. Frontiers in Computing and Intelligent Systems. 2023;3(3):22–26. https://doi.org/10.54097/fcis.v3i3.7987

17. Yao R., Wang N., Chen P., Ma D., Sheng X. A CNN-Transformer Hybrid Approach for an Intrusion Detection System in Advanced Metering Infrastructure. Multimedia Tools and Applications. 2023;82(13):19463–19486. https://doi.org/10.1007/s11042-022-14121-2