滑动时窗条件下的希尔伯特变换快速算法及其在网络流量异常检测中的应用

论文摘要

网络流量异常是指网络的流量行为偏离其正常行为的情形,具有发作突然、先兆特征未知的特点,有可能在短时间内给网络及其设备带来极大的伤害。快速、准确的检测出网络异常流量并做出合理的响应已成为目前国内外学术界和工业界广泛关注的前沿科学问题之一,而流量异常检测的核心问题之一是如何提高检测的实时性。研究表明流量信号的时频特征分析是流量异常检测的有效手段,而时频特征分析的有效手段之一是对流量信号进行Hilbert变换以获得流量信号的瞬时参数（瞬时振幅、瞬时频率等）,同时使用这些参数有利于检测不同的网络流量异常,降低流量异常检测的误检率和漏检率。Hilbert变换通常在一定的时窗内进行,前后相邻的两个时窗通常会有重叠的部分（即数据相同的部分）,分别在这两个时窗内进行的Hilbert变换必然有重复计算的部分。针对该问题,本文提出滑动时窗条件下的Hilbert变换快速算法,并应用于流量异常检测,主要工作包括:（1）对Hilbert变换进行研究分析,根据流量信号的特点,为提高流量异常检测的抗噪能力,选择广义Hilbert变换进行时频分析;为能清晰地刻画信号能量随时间、频率的分布,还可选择Hilbert-Huang变换进行流量信号时频分析。（2）针对传统Hilbert变换需要在频率域进行大量计算,时间域窗口的重叠特性难以利用的缺陷,选择时间域加窗Hilbert变换进行研究。提出滑动时窗条件下时间域加窗Hilbert变换的快速算法,提高了流量异常检测过程中Hilbert变换的实时性。（3）对Hilbert-Huang变换进行研究,提出了滑动时窗条件下Hilbert-Huang变换的快速算法,提高了流量异常检测过程中Hilbert-Huang变换的实时性。（4）将我们提出的两种快速算法应用于网络流量异常检测,引入方差分析方法对历史窗口和检测窗口内流量信号的瞬时振幅进行方差分析,实现了对流量异常的快速检测,提高了流量异常检测的实时性。仿真实验证明了方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题研究背景及意义
• 1.2 网络流量异常概念及分类
• 1.3 网络流量异常检测算法研究概况
• 1.3.1 网络流量异常检测目的与关键问题
• 1.3.2 网络流量异常检测研究现状
• 1.3.3 网络流量异常检测模型
• 1.3.4 几种典型的异常检测方法
• 1.4 本文的研究思路与组织结构
• 第二章 Hilbert 变换和广义 Hilbert 变换
• 2.1 Hilbert 变换（HT）
• 2.1.1 连续时间信号的Hilbert 变换
• 2.1.2 离散时间信号的Hilbert 变换
• 2.1.3 Hilbert 变换的性质
• 2.2 短-时傅立叶变换（STFT）
• 2.2.1 短-时傅立叶变换的定义
• 2.2.2 短-时傅立叶变换的性质
• 2.3 广义HILBERT 变换（GHT）
• 2.3.1 广义Hilbert 变换的定义
• 2.3.2 广义Hilbert 变换的应用
• 2.3.3 广义Hilbert 变换的窗函数
• 2.4 本章小结
• 第三章 时间域加窗 Hilbert 变换快速算法及其在网络流量异常检测中的应用
• 3.1 时间域加窗 Hilbert 变换
• 3.1.1 时间域加窗Hilbert 变换的概念
• 3.1.2 时间域加窗Hilbert 变换的窗函数
• 3.2 时间域加窗 Hilbert 变换的快速算法
• 3.2.1 滑动窗口
• 3.2.2 基于滑动时窗的快速算法
• 3.2.3 时间域加窗Hilbert 变换快速算法
• 3.2.4 时间域加窗Hilbert 变换及其快速算法的实时性分析
• 3.3 流量异常检测方法设计
• 3.3.1 异常检测总体结构模型
• 3.3.2 两个假设
• 3.3.3 方差检测算法
• 3.4 时间域加窗 Hilbert 变换快速算法应用于流量异常检测
• 3.4.1 仿真实验环境
• 3.4.2 实验数据
• 3.4.3 仿真实验结果及分析1
• 3.4.4 仿真实验结果及分析2
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于滑动时窗的 Hilbert-Huang 变换快速算法及其在网络流量异常检测中的应用
• 4.1 Hilbert-Huang 变换（HHT）的基本原理
• 4.1.1 经验模态分解（EMD）
• 4.1.2 Hilbert 变换与瞬时参数
• 4.1.3 两个例子
• 4.2 基于滑动时窗 Hilbert-Huang 变换的快速算法
• 4.2.1 基于滑动时窗的快速算法
• 4.2.2 Hilbert-Huang 变换快速算法
• 4.2.3 基于滑动时窗的Hilbert-Huang 变换快速算法的实时性分析
• 4.3 流量异常检测方法设计
• 4.3.1 瞬时振幅的方差检测方法
• 4.3.2 异常检测总体结构模型设计
• 4.4 Hilbert-Huang 变换快速算法应用于流量异常检测
• 4.4.1 仿真实验环境
• 4.4.2 实验数据
• 4.4.3 仿真实验结果及分析1
• 4.4.4 仿真实验结果及分析2
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 硕士研究生期间的研究成果
• 在攻读硕士学位期间参加的科研项目