作者 | Ben Dickson
編譯 | 琰琰
機(jī)器學(xué)習(xí)在應(yīng)用程序中的廣泛使用，引起了人們對(duì)潛在安全威脅的關(guān)注。對(duì)抗性攻擊（ adversarial attacks）是一種常見且難以察覺的威脅手段，它通過操縱目標(biāo)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，可能會(huì)“悄悄”破壞許多數(shù)據(jù)樣本。基于此，對(duì)抗性機(jī)器學(xué)習(xí)（Adversarial machine learning）成為了人工智能領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究之一，越來越多的AI講座和研討會(huì)開始探討這一主題，防止機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)抗攻擊的新方法也在不斷推陳出新。近日，來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和KAIST網(wǎng)絡(luò)安全研究中心的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的技術(shù)方法，他們?cè)噲D引入無監(jiān)督學(xué)習(xí)來解決當(dāng)前對(duì)抗性攻擊檢測(cè)所面臨的一些挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)表明，利用模型的可解釋性和對(duì)抗攻擊之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以發(fā)現(xiàn)哪些數(shù)據(jù)樣本可能會(huì)受到了對(duì)抗干擾。目前，這項(xiàng)研究方法已受邀在2021 KDD （Knowledge Discovery and Data Mining）對(duì)抗性機(jī)器學(xué)習(xí)研討會(huì)（AdvML）上進(jìn)行了展示。假設(shè)對(duì)抗性攻擊的目標(biāo)是圖像分類器——使圖像標(biāo)簽從“狗”更改為“貓”。攻擊者會(huì)從未經(jīng)修改的“狗”圖像開始。當(dāng)目標(biāo)模型在處理該圖像時(shí)，它會(huì)返回所訓(xùn)練的每個(gè)類別的置信度分?jǐn)?shù)列表。其中，置信度最高的類代表圖像所屬的類別。為了使這一過程反復(fù)運(yùn)行，攻擊者會(huì)向圖像中添加少量隨機(jī)噪聲。由于修改會(huì)對(duì)模型的輸出產(chǎn)生微小的變化，攻擊者通過多次重復(fù)該過程可達(dá)到一個(gè)目的，即使主置信度得分降低，目標(biāo)置信度得分升高。如此一來，機(jī)器學(xué)習(xí)模型便可能將其輸出從一個(gè)類更改為另一個(gè)類。一般來講，對(duì)抗攻擊算法會(huì)有一個(gè)epsilon參數(shù)，這個(gè)參數(shù)可以限制模型對(duì)原始圖像的更改量。但epsilon參數(shù)的對(duì)抗干擾的程度，對(duì)人眼來說仍然難以察覺。圖注：向圖像添加對(duì)抗性噪聲會(huì)降低主類的置信度此外，保護(hù)機(jī)器學(xué)習(xí)模型免受對(duì)抗性攻擊的方法已經(jīng)有很多，但大多數(shù)方法在計(jì)算、準(zhǔn)確性或可推廣性方面會(huì)帶來相當(dāng)大的成本。例如，有些方法依賴于有監(jiān)督的對(duì)抗訓(xùn)練。在這種情況下，防御者必須生成大量的對(duì)抗性樣本，并對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行微調(diào)，才能正確分類修改后的示例。這種方法所生成的樣本和訓(xùn)練成本是相當(dāng)高的，而且在一定程度上會(huì)降低目標(biāo)模型在原始任務(wù)上的性能。更重要的，它也不一定能夠?qū)刮唇?jīng)訓(xùn)練的攻擊技術(shù)。另外，其他的防御方法需要訓(xùn)練單獨(dú)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型來檢測(cè)特定類型的對(duì)抗性攻擊。這樣雖然有助于保持目標(biāo)模型的準(zhǔn)確性，但不能保證對(duì)未知攻擊技術(shù)是有效的。機(jī)器學(xué)習(xí)中的對(duì)抗性攻擊與可解釋性在這項(xiàng)研究中，CMU和KAIST的研究人員發(fā)現(xiàn)了對(duì)抗性攻擊和可解釋性之間的內(nèi)在聯(lián)系。在許多機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，特別是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由于涉及大量參數(shù)，其推理和決策過程很難被追蹤。因此，我們常稱機(jī)器學(xué)習(xí)模型內(nèi)部就像是黑匣子，具有難以解釋性。這也導(dǎo)致其在應(yīng)用范圍在受到了一定的限制。為了克服這一挑戰(zhàn)，科學(xué)家們開發(fā)了不同的方法來理解機(jī)器學(xué)習(xí)模型的決策過程。其中，一種主流的可解釋性技術(shù)是生成顯著圖（saliency maps），它通過根據(jù)最終輸出的貢獻(xiàn)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的每個(gè)特征進(jìn)行評(píng)分。例如，在圖像分類器中，顯著性映射將根據(jù)每個(gè)像素對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型輸出的貢獻(xiàn)進(jìn)行評(píng)級(jí)。
圖注：Examples of 生成的顯著性圖借助該方法，CMU和KAIST研究人員提出的新技術(shù)的背后邏輯是：當(dāng)圖像受到對(duì)抗性擾動(dòng)時(shí)，通過可解釋性算法運(yùn)行圖像可產(chǎn)生異常結(jié)果。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)博士Gihyuk Ko表示，“我們的研究是從簡(jiǎn)單觀察開始的，即在輸入中加入小噪聲會(huì)導(dǎo)致它們的解釋產(chǎn)生巨大的差異”。對(duì)抗性示例的無監(jiān)督檢測(cè)根據(jù)解釋圖（explanation maps）檢測(cè)對(duì)抗性示例分為以下幾個(gè)步驟。首先，利用“檢查器網(wǎng)絡(luò)（inspector network）”和可解釋性技術(shù)為用于訓(xùn)練原始機(jī)器學(xué)習(xí)模型的數(shù)據(jù)示例生成顯著性圖。然后，使用顯著性映射來訓(xùn)練“重建網(wǎng)絡(luò)”，重建目標(biāo)模型將對(duì)每個(gè)決策給出解釋。目標(biāo)模型有多少輸出類，就有多少個(gè)重構(gòu)器網(wǎng)絡(luò)。例如，如果該模型是手寫數(shù)字的分類器，它將需要十個(gè)重建網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)數(shù)字一個(gè)。每個(gè)重構(gòu)器都是一個(gè)自動(dòng)編碼器網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)輸入的圖像都會(huì)生成一張對(duì)應(yīng)的解釋圖。例如，如果目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)將輸入圖像分類為“4”，則圖像將通過類“4”的重建器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，并生成該類“4”對(duì)應(yīng)輸入的顯著性映射。以上是構(gòu)造器網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練一個(gè)良性示例的過程。如果攻擊者向構(gòu)造器提供對(duì)抗性示例，可能會(huì)引起輸出的異常，而這會(huì)幫助研究人員發(fā)現(xiàn)受到攻擊干擾的圖像。如下圖所示，實(shí)驗(yàn)表明異常解釋圖在所有對(duì)抗性攻擊技術(shù)中都非常顯著。
圖注：對(duì)抗性示例顯著性圖與良性示例顯著性圖的對(duì)比CMU團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是不受攻擊的影響，而且不需要訓(xùn)練特定的對(duì)抗技術(shù)。“在我們的方法之前，有人建議使用SHAP簽名來檢測(cè)對(duì)抗性示例，”Gihyuk Ko表示，然而，所有現(xiàn)有的方法在計(jì)算上都是昂貴的，因?yàn)樗鼈円蕾囶A(yù)生成的對(duì)抗性示例來分離正常示例和對(duì)抗性示例的SHAP簽名。相比之下，無監(jiān)督方法不需要預(yù)訓(xùn)練生成對(duì)抗性示例，因而在計(jì)算成本上更有優(yōu)勢(shì)。此外，它還可以推廣到一些未知攻擊（即以前未訓(xùn)練過的攻擊）。例如，研究人員已經(jīng)在MNIST數(shù)據(jù)集上測(cè)試了該方法。MNIST是一個(gè)手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集，經(jīng)常用于測(cè)試不同的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。他們的發(fā)現(xiàn)，無監(jiān)督的檢測(cè)方法能夠檢測(cè)各種對(duì)抗攻擊，并且性能表現(xiàn)遠(yuǎn)超其他已知方法。“雖然MNIST數(shù)據(jù)集相對(duì)簡(jiǎn)單，但該方法也適用于其他復(fù)雜的數(shù)據(jù)集，”Gihyuk Ko說，不過他也承認(rèn)，從復(fù)雜數(shù)據(jù)集中訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型并獲得顯著性圖要困難得多。未來，他們將在CIFAR10/100、ImageNet等更多復(fù)雜的數(shù)據(jù)集和復(fù)雜的對(duì)抗性攻擊上測(cè)試該方法。總之，Gihyuk Ko認(rèn)為，模型的解釋性可以在修復(fù)脆弱的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面發(fā)揮重要作用。原文鏈接：https://bdtechtalks.com/2021/08/30/unsupervised-learning-adversarial-attacks-detection/雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)
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