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Enregistrement W4394571622 · doi:10.3390/electronics13071391

Using Ensemble Learning for Anomaly Detection in Cyber–Physical Systems

2024· article· en· W4394571622 sur OpenAlexaff
Nicholas Jeffrey, Qing Tan, José R. Villar

Notice bibliographique

RevueElectronics · 2024
Typearticle
Langueen
DomaineComputer Science
ThématiqueNetwork Security and Intrusion Detection
Établissements canadiensAthabasca University
Organismes subventionnairesUniversidad de Oviedo
Mots-clésAnomaly detectionCyber-physical systemEnsemble learningComputer scienceAnomaly (physics)Artificial intelligenceMachine learningData miningPhysicsOperating system

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

The swift embrace of Industry 4.0 paradigms has led to the growing convergence of Information Technology (IT) networks and Operational Technology (OT) networks. Traditionally isolated on air-gapped and fully trusted networks, OT networks are now becoming more interconnected with IT networks due to the advancement and applications of IoT. This expanded attack surface has led to vulnerabilities in Cyber–Physical Systems (CPSs), resulting in increasingly frequent compromises with substantial economic and life safety repercussions. The existing methods for the anomaly detection of security threats typically use simple threshold-based strategies or apply Machine Learning (ML) algorithms to historical data for the prediction of future anomalies. However, due to the high levels of heterogeneity across different CPS environments, minimizing the opportunities for transfer learning, and the scarcity of real-world data for training, the existing ML-based anomaly detection techniques suffer from a poor predictive performance. This paper introduces a hybrid anomaly detection approach designed to identify threats to CPSs by combining the signature-based anomaly detection typically utilized in IT networks, the threshold-based anomaly detection typically utilized in OT networks, and behavioural-based anomaly detection using Ensemble Learning (EL), which leverages the strengths of multiple ML algorithms against the same dataset to increase the accuracy. Multiple public research datasets were used to validate the proposed approach, with the hybrid methodology employing a divide-and-conquer strategy to offload the detection of certain cyber threats to computationally inexpensive signature-based and threshold-based methods using domain knowledge to minimize the size of the behavioural-based data needed for ML model training, thus achieving a higher accuracy over a reduced timeframe. The experimental results showed accuracy improvements of 4–7% over those of the conventional ML classifiers in performing anomaly detection across multiple datasets, which is particularly important to the operators of CPS environments due to the high financial and life safety costs associated with interruptions to system availability.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,003
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,008
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,004
Score d'incertitude au seuil0,016

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0030,008
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0020,002
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0010,002
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,017
Tête enseignante GPT0,262
Écart entre enseignants0,245 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations54
Publié2024
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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