I AE S  I nte rna t io na l J o urna l o f   Art if icia l In t ellig ence   ( I J - AI )   Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,   Dec em b er   2 0 2 4 ,   p p .   4 8 9 5 ~ 4 9 0 5   I SS N:  2 2 5 2 - 8 9 3 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijai.v 13 .i 4 . p p 4 8 9 5 - 4 9 0 5          4895     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij a i . ia esco r e. co m   A nov el deep  ano ma ly  det ection  appro a ch f o r in trusi o n  detec tion in  fut u r istic ne twork       Sa i   K rish na   L a k s hm ina ra y a na ,   P ra bh ug o ud   I .   B a s a rk o d   S c h o o l   o f   E l e c t r o n i c s  a n d   C o mm u n i c a t i o n   E n g i n e e r i n g ,   R EV A   U n i v e r si t y ,   B a n g a l o r e ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   3 ,   2 0 2 3   R ev is ed   Ma r   2 2 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Ap r   1 7 ,   2 0 2 4       In   a n   e ra   wh e re   n e two rk s  a re   in c re a sin g ly   h e tero g e n e o u s  a n d   m u lt i - d o m a in ,   e sta b li sh in g   r o b u st  se c u rit y   m o d e ls  t o   p ro tec t   d a ta  a n d   n e two r k   in fra stru c tu re   is  b e c o m in g   e v e r  m o re   c o m p lex .   Trad it i o n a l   in tru si o n   d e tec ti o n   sy ste m s  (IDS)   o ften   str u g g le  wit h   n o v e l  o r  v a rian t   a tt a c k s  t h a t  fa ll   o u tsi d e   p re d e fin e d   ru le   se ts,  re su lt in g   in   sig n ifi c a n t   d e tec ti o n   c h a ll e n g e s.   Th is  p a p e r  p r o p o se s  a   m e th o d o l o g ica ll y   re fin e d   a p p r o a c h   lev e ra g in g   d a ta - d riv e n   in si g h ts  a n d   sta ti stica ll y   ro b u st  fe a tu re   se lec ti o n   t o   e n h a n c e   th e   trai n in g   d a tas e t.   T h e   stu d y   p re se n ts  a   l o n g   sh o r t - term   m e m o ry - a u to e n c o d e r  (LS TM - AE)  b a se d   lea rn i n g   m o d e l  d e sig n e d   f o r  m u lt i - c las s  a n o m a ly   d e tec ti o n .   T h e   m o d e l' s  n o v e lt y   li e s  in   it s  a p p li c a ti o n   o f  d istan c e   m e tri c s  to   d e fin e   d isti n c t   th re sh o l d s  fo r   v a ried   a tt a c k   c las sifica ti o n s,  a   stra teg y   th a t   sig n ifi c a n t ly   a m p l ifi e s  d e tec ti o n   p re c isio n .   Ex p e rime n tal  re su lt s   v a li d a te  th e   su p e rio r  p e rfo rm a n c e   o f  t h e   p r o p o se d   sy ste m ,   a c h ie v in g   9 4 . 8 2 %   a c c u ra c y   ra te,  o u t p e rfo rm in g   sim il a r  e x i stin g   w o rk s.  T h e   stu d y   a lso   p ro a c ti v e ly   a d d re ss e s  c o m m o n   issu e s  o f  c las s  imb a lan c e   a n d   sk e we d   d a ta  re p r e se n tatio n   in   b e n c h m a rk   d a tas e ts  b y   stra teg i c a ll y   train i n g   t h e   m o d e l  o n   n o rm a l  traffic,   e n h a n c in g   it s c a p a b il it y   t o   g e n e ra li z e   a n d   i d e n ti f y   a n o m a li e s e ffe c ti v e ly .   K ey w o r d s :   An o m aly   d etec tio n     Fu tu r is tic   n etwo r k     I n ter n et  o f   th in g s   L o n g   s h o r t - ter m   m e m o r y - a u to en co d er   Secu r ity   attac k   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Sai   Kr is h n a   L ak s h m in ar ay a n a   Sch o o l   of   E lectr o n ics   an d   C o m m u n icatio n   E n g in ee r in g ,   R E VA   Un iv er s ity   B en g alu r u ,   I n d ia   E m ail:   s k ln ar ay an a@ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  ev o lu tio n   of   co m m u n icati o n   tech n o l o g y   f r o m   3G   to   4G   h as   alr ea d y   r ev o lu tio n ized   h o w   h u m an s   in ter ac t   with   d ig ital   tech n o lo g ies   [ 1 ] .   T h is   tr an s itio n   h as   also   f ac ilit ated   u n p r ec ed e n ted   in n o v atio n s   in   th e   ac tu al   r ea lizatio n   of   p r ac tical   ap p licatio n s   s u ch   as   s m ar t   h o m es,   s m ar t   cities,   s m ar t   h ea lth ca r e,   a u to n o m o u s   v eh icles,   an d   in d u s tr ial   au to m atio n .   W ith   th e   ad v en t   of   f if th - g en er atio n   5G   tech n o lo g y ,   we   ar e   on   th e   cu s p   of   an o th er   u ltra - m o d er n   tr a n s f o r m atio n   th at   will   d r am atica lly   ch an g e   how   h u m an s   liv e   a n d   wo r k   [ 2 ] .   T h e   ex p ec tatio n   f r o m   th e   5G   is   not   o n ly   lim ited   to   o f f e r in g   f a s ter   s p ee d   an d   s ea m less   co n n ec tiv ity .   B u t   it   will   u ltima tely   p r o life r ate   th e   cu r r en t   ec o s y s tem   of   co n n ec te d   d ev ices   to   th e   n ex t   lev el,   in cr ea s in g   th e   m atu r ity   of   cu r r en t   tec h n o lo g ies.   T h e   i n te g r atio n   of   5G   tech n o lo g y   with   th e   in te r n et   of   th in g s   ( I o T ) ,   clo u d   co m p u tin g ,   co g n itiv e   r ad io   n etwo r k s   ( C R N) ,   an d   s o f twar e - d ef in ed   n et wo r k in g   ( SDN)   s y s tem s ,   to g eth er   will   f o r m   t h e   f o u n d atio n   of   t h e   f u tu r is tic   n etwo r k   ec o s y s tem   [ 3 ] ,   [ 4 ] .   T h e   f u tu r is tic   n etwo r k   ca n   be   ch ar ac ter ized   by   ex em p lify in g   th e   in te r n et   of   e v er y th in g   ( I o E )   c o n ce p t,   w h ich   will   h av e   r eliab le   c o n n ec tiv i ty ,   ex p e d itio u s   d ata   tr an s m is s io n ,   an d   u tm o s t   ad ap tab ilit y .   In   th is   co n tex t,   not   o n ly   ev er y   d ev ice   but   m ay b e   ev er y   o b ject   will   be   v ir tu ally   co n n ec ted ,   in clu d in g   h o m e ,   o f f ice,   an d   ev e n   o u r   b o d y   will   g e n er ate   a n d   s h ar e   d ata,   th er eb y   tr an s f o r m in g   h u m an   life s ty le s   with   in f in ite   p o s s ib ilit ies   [ 5 ] ,   [ 6 ] .   Ho wev er ,   th is   tr an s itio n   to   th is   f u tu r is tic   n etwo r k   ec o s y s tem   will   also   r aise   s ig n if ican t   co n ce r n s   ab o u t   s ec u r ity   an d   p r iv ac y   is s u es.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,   Vo l.  13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  4 8 9 5 - 4 9 0 5   4896   As   tech n o lo g y   d ev elo p s   an d   a d v an ce s ,   it   also   o p en s   n ew   wa y s   f o r   attac k er s   to   ex p l o it   v u ln er ab ilit ies   r elate d   to   n etwo r k   s y s tem s .   T h e   co m p lex   n atu r e   of   f u tu r is tic   n etwo r k s   o p er atin g   on   th e   i n ter n et   an d   wir eless   co m m u n icatio n   ch a n n els   will   ca r r y   in h er en t   v u ln e r ab ilit ies,   wh ich   m ak es   it   o p en   to   i n v ite   p o ten tial   s ec u r ity   th r ea ts   [ 7 ] ,   [ 8 ] .   If   s ec u r ity   r e q u ir em en ts   ar e   n o t   en s u r e d   c o m p r eh e n s iv ely ,   it   will   h av e   a   s ig n if ican t   im p ac t   th at   can   tu r n   it   f r o m   a   p r o m is in g   b en e f it   to   a   p o ten tial   cu r s e.   As   I o E   ev o lv es,   we   will   f ac e   m an y   n ew   s ec u r ity   ch allen g es   th at   will   s ig n if ican tly   ex ce ed   t h e   ca p ab ilit ies   of   tr ad itio n al   s ec u r ity   s y s tem s .   T h e   wo r ld   h as   r ec en tly   s ee n   ca s es   of   m o d e r n   cy b er - attac k s ,   wh ich   h a v e   ca u s ed   ec o n o m ic   l o s s   an d   d am a g e   to   r ep u tatio n   a n d   liv es   [ 9 ] .   T h er ef o r e,   it   is   im p er ativ e   th at   we   lea r n   f r o m   p a s t   cy b er - attac k   i n cid en ts   an d   put   ef f o r ts   to war d s   d ev elo p in g   s o p h is ticated   s ec u r ity   s o lu tio n s   th at   m ee t   th e   s e cu r ity   r eq u ir e m en ts   of   a   f u tu r i s tic   n etwo r k   with   a   m ax im u m   lay e r   of   p r o tectio n .   Mu ch   r esear ch   h as   b ee n   d o n e   in   liter atu r e   to   ex p lo r e   th e   p o s s ib le   s ec u r ity   v u ln er ab ilit ies   ass o ciate d   wi th   th e   I o T   ec o s y s tem ,   an d   d if f er en t   co u n ter m ea s u r e   s ch em es   h av e   b ee n   in tr o d u ce d   to   p r o tect   n etwo r k s .   T h e   s ec u r ity   s o lu tio n s   b ased   on   th e   cr y p to g r ap h ic   p r i m itiv e   h av e   s h o wn   p r o m is in g   o u tco m es   in   en s u r in g   d ata   c o n f id e n tially ,   in teg r ity ,   an d   u s er   p r iv ac y   [ 1 0 ] .   B u t   with   s ig n if ican t   tech n o lo g ical   im p r o v em en ts ,   cy b er attac k s   h a v e   b ec o m e   c o m p lex   an d   in c r ea s in g ly   i n tellig en t.   T h e   ex is tin g   cr y p to g r ap h ic   s ch em es   p r im a r ily   f o cu s   on   s ec u r ity   d ata   r ath er   th an   m o n ito r in g   an d   p r o t ec tin g   th e   n etwo r k ,   wh ich   m ay   not   be   s u f f icien t   to   co u n ter   s o p h is ticated   an d   ev o lv in g   th r ea ts   ef f ec tiv el y   [ 1 1 ] .   T h er ef o r e,   to   p r o tect   th e   e n tire   n etwo r k   in f r astru ctu r e   a   h ig h ly   r esp o n s iv e,   d y n am ic,   a n d   in tellig en t   d ef en ce   s y s tem   is   r eq u ir ed   to   be   d esig n   an d   d e v elo p .   In   t h is   r eg ar d ,   with   th e   ad v en t   of   m ac h in e   lear n in g   tech n o lo g ies,   th e   d ev elo p m e n t   of   n etwo r k   in tr u s io n   d etec tio n   s y s tem   ( I DS)   is   one   of   th e   ac tiv e   ar ea s   in   t h e   cu r r en t   r esear ch   s ce n ar io   [ 1 2 ] .   In   liter atu r e,   t h e   I DS   b ased   s ec u r ity   s o lu tio n s   ar e   eith er   b ased   on   th e   s ig n atu r e - b ased   or   an o m aly - b ased   ap p r o ac h es.   Ho wev er ,   u n lik e   s ig n atu r e - b ased   I DS,   wh ich   r ely   on   p r ed ef in ed   p atter n s   to   id en tify   o n ly   k n o wn s   attac k s ,   an o m aly - b ased   I DS   ar e   in cr ea s in g ly   g ain in g   tr ac tio n   d u e   to   its   ab ilit y   to   m o n ito r   n etwo r k   a n d   f la g   an y   b eh av i o r   th at   d ev iates   f r o m   th e   estab lis h ed   n o r m   [ 1 3 ] .   T h is   I DS   s y s tem   is   q u ick   in   m a k in g   r esp o n s e   th a n   s ig n atu r e - b ased   I DS   an d   o wn s   ab ilit y   to   d etec t   ze r o - d a y   attac k s ,   a   cr itically   im p o r tan t   f ea t u r e   in   t h e   f ac e   of   ev o lv in g   s o p h is ticated   th r ea t s   in   th e   co n tex t   of   f u tu r is tic   I o T   n etwo r k .   Alza h r an i   an d   Alen az i   [ 1 4 ]   u s ed   X G B o o s t   class if ier s   to   cr ea te   in tr u s io n   d etec tio n   m o d els   f o r     h ig h - o r d er   n etwo r k   en v ir o n m en ts   th at   in teg r ate   SDN   an d   wir eless   s en s o r   n etwo r k s   ( W SN) .   T h e   au th o r s   ex tr ac ted   ap p r o x im ately   40   f e atu r es   f r o m   th e   NSL - KDD   d ataset   an d   tr ain ed   an   Xg B o o s t   class if ier   to   d etec t   m u ltip le   class es   of   in tr u s io n s .   E x p er im en tal   r esu lts   d em o n s tr ate   th e   ef f ec tiv en ess   of   th e   p r o p o s ed   s ch em e   r elativ e   to   v a r io u s   s im ilar   cl ass ical   lear n in g   m o d els   s u ch   as   d ec is io n   tr ee   ( DT ) ,   r an d o m   f o r est   ( R F),   a n d   ar tific ial   n eu r al   n etwo r k   ( ANN)   m o d els.   An o th er   r esear ch   ef f o r t   u s in g   tr ee - b ased   class if ier s   can   be   s ee n   in   th e   s tu d y   by   Sar k er   et   a l.   [ 1 5 ] ,   wh ich   ad d r ess es   th e   ch allen g e   of   h ig h   c o m p u tatio n al   co s t   in   d ev elo p in g   I DS.   T h ey   p r o p o s ed   a   d etec tio n   m e th o d   u s in g   a   DT   m o d el   th at   not   o n ly   p er f o r m s   class if icatio n   but   also   p r io r itizes   f ea tu r es   b ased   on   th eir   im p o r tan ce ,   th e r eb y   ef f ec tiv el y   r e d u cin g   p r o f ile   d im en s io n ality .   T h is   s tr ateg y   ca n   s h o r ten   tr ain in g   tim e   an d   p o te n tially   in cr ea s e   f u n ctio n al   g en er ality   to   d ev el o p   co s t - ef f ec tiv e   an d   r o b u s t   I DS.   R esear ch   ef f o r ts   to   r ed u ce   f al s e   p o s itiv es   d u r in g   attac k   d et ec tio n   ar e   s h o wn   [ 1 6 ] ,   wh e r e   th ey   s u g g ested   an   in tellig en t   f ilter in g   m eth o d   th at   u s es   ed g e   co m p u tin g   d ev ic es   with   th r ea t   d etec tio n   m o d u les   to   jo in tly   s o lv e   th e   p r o ce s s in g   b u r d e n   p r o b le m   an d   o b tain   b etter   d etec tio n   ac cu r ac y .   Alh ajjar   et   a l.   [ 1 7 ]   h ig h lig h ted   an   e x citin g   ar ea   of   r esear ch   ex p lo r in g   s u s ce p tib ilit ies   in   d if f e r en t   s u p er v is ed   lear n i n g   s ch em es   an d   th eir   wea k n ess   to   m a n ip u latio n   by   attac k er s   s ee k in g   to   ev ad e   in tr u s io n   d etec tio n .   T h ey   u s ed   d if f er e n t   n atu r e - i n s p ir ed   o p tim izatio n   alg o r ith m s   an d   g e n er ativ e   a d v er s ar ial   n etwo r k s   ( GAN)   to   g e n er ate   ad v er s ar ial   s am p les.   T h e   r esu lts   f o u n d   th at   m an y   lear n in g   m o d els   ex p er ien ce d   a   s ig n if ican t   in cr ea s e   in   f alse   p o s itiv e   r ates   wh en   ex p o s ed   to   th ese   ad v er s ar ial   p atter n s .   A   r esear ch   ef f o r t   to   en s u r e   th e   f air n ess   of   I DS   on   b iased   d atasets   was   co n d u cted   by   [ 1 8 ] ,   w h er e   th ey   a d o p ted   th e   s y n t h etic   m in o r ity   o v er s am p lin g   tech n iq u e   to   s o lv e   th e   class   im b alan ce   p r o b lem   in   n etwo r k   in tr u s io n   d atasets .   T h e   p r esen ted   s ch em e   f u r th er   u t ilized   th e   Gin i   i n d ex   to   s e lect   r elev an t   f ea tu r es   f o r   t r ain in g   th e   m o d el.   E x p er im en tal   r esu lts   on   th e   U NSW - N B 1 5   d ataset   im p r o v e   I DS   an d   en s u r e   its   s u itab ilit y   f o r   class   im b alan ce   p r o b lem s .   Me b aw o n d u   et   a l.   [ 1 9 ]   aim e d   to   im p r o v e   th e   ef f icien cy   of   n etwo r k   I DS   by   p r io r itizin g   ac cu r ac y   an d   f ast   r esp o n s e   tim e.   T h e   r esear ch er s   in tr o d u ce d   a   n eu r al   n etwo r k   m o d el   t h at   in teg r ates   an     u n ce r tain ty - awa r e   m ec h a n is m   to   id en tify   th e   m o s t   r elev an t   f ea tu r es   in   th e   lear n in g   p r o ce s s .   T h e   m o d el' s   p er f o r m an ce   was   v alid ated   u s in g   th e   UNSW - NB 1 5   d ataset.   T h e   r esu lts   d em o n s tr ate   th e   e f f ec tiv en ess   of   th e   p r o p o s ed   I DS   m o d el   in   ter m s   of   h ig h e r   d etec tio n   r ate   an d   co m p u tatio n al   ef f icien c y .   Ho wev er ,   th e   in h e r en t   ch allen g es   ass o ciate d   with   th e   m ajo r ity   of   s u p er v is ed   I DSs   ar e   p r o g r ess iv ely   g iv in g   r is e   to   in cr ea s in g   in ter est   in   an o m aly - b ased   ap p r o ac h es.   T h ese   ch allen g es   in clu d e   th e   n ee d   f o r   h u g e ,   lab elled   tr ain in g   d ata,   th e   n ee d   f o r   co m p lex   f ea tu r e   en g i n ee r in g   p r e - p r o ce s s in g   s tep s ,   an d   th e   d ep en d e n ce   on   la b el   ac cu r ac y   f o r   ef f ec tiv e   m o d el   tr ain in g .   On e   of   th e   m o s t   p r o m is in g   ap p r o ac h es   f o r   an o m aly - b ased   I DS   is   au to en co d er s   n eu r al   n etwo r k   m o d el   wh ich   is   an   u n s u p er v is ed   lear n in g   tech n iq u e.   Au to e n co d er s   lear n   co m p r ess ed   r ep r esen tatio n s   f r o m   a   s in g le   in p u t,   ty p ically   r ef lectin g   n o r m al   s y s tem   b eh av io r   [ 2 0 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8         A   n o ve l d ee p   a n o ma ly  d etec ti o n   a p p r o a ch   fo r   in tr u s io n   d ete ctio n   in   …   ( S a i Kr is h n a   La ksh min a r a ya n a )   4897   An y   s ig n if ican t   d e v iatio n s   f r o m   p r ev io u s ly   id en tifie d   an d   lear n ed   p atter n s   ar e   th en   f l ag g ed   as   p o ten tial   an o m alies.   In   r ec en t   y ea r s ,   m an y   r esear ch e r s   h a v e   s u cc ess f u lly   em p lo y ed   v a r io u s   au to e n co d er   m o d els   f o r   an o m aly - b ased   I D S   d ev elo p m en t   [ 2 1 ] .   L o p es   et   a l .   [ 2 2 ]   ex p lo r ed   th e   ef f ec tiv en ess   of   d e n o is in g   au to en co d er   f o r   a d d r ess in g   t h e   lim ited   lab elled   d ata   s am p les   r eq u ir ed   to   tr ain   d ee p   le ar n in g   f o r   b u ild i n g   ef f ec tiv e   I DS   f o r   I o T .   Her e,   th e   d en o is in g   au to en c o d er   was   tr ain ed   with   an   in p u t   s a m p le,   an d   o b tain e d   co m p ac t   f ea t u r es   wer e   t h en   u s ed   to   tr ain   th e   d ee p   lea r n in g   m o d els   in   a   s u p e r v is ed   m a n n er .   T h e   s im u latio n   r esu lts   claim   th e   u s ef u ln ess   of   th e   p r esen ted   a p p r o ac h   with   d ata   r ed u ctio n   to   o n e - ten th   of   th e   in p u t   tr ai n in g   s am p le   s ize,   alo n g   with   9 9 %   d etec tio n   ac cu r ac y .   R esear ch   wo r k   d o n e   to war d s   id en tify in g   b o th   k n o wn   an d   u n k n o wn   in tr u s io n s   u s in g   ad ap tiv e   v ar iatio n al   a u to en c o d e r   is   p r esen ted   [ 2 3 ] .   T h is   wo r k   u s es   an   ex tr em e   v alu e   to   d if f er en tiate   b etwe en   k n o wn   a n d   u n k n o wn   in tr u s io n s   u s in g   r ec o n s tr u ctio n   e r r o r s   o b tain e d   f r o m   th e   tr ain ed   m o d el .   T h e   ex p er im e n ts   wer e   co n d u cted   on   NSL - KDD   an d   C I C I DS2 0 1 7   d ataset,   an d   th e   o u tco m e   d em o n s tr ated   t h at   th e   p r ese n ted   m o d el   ac h ie v ed   a   m in im al   f alse   p o s itiv e   r ate   of   ap p r o x im ately   1 %.     Su n   et  a l .   [ 2 4 ]   p r esen te d   a   s p ar s e   f ea tu r e   r ep r esen tatio n   m o d el   b ased   on   ap p l y in g   th e   laten t   s p ac e   of   a   v ar iatio n al   a u to en co d er   to   le ar n   c o n tex tu al   attr ib u tes   in   co m p ac t   v ec to r   r ep r esen tatio n .   T h e   NSL - KDD   d ataset   was   u s ed   to   v alid ate   t h e   p er f o r m a n ce   of   th e   p r esen t ed   s ch em e.   T h e   s tu d y   o u tco m e   ex h ib ited   a   h ig h er   d etec tio n   r ate   an d   s ig n if ican t   tr ain in g ,   s to r ag e,   an d   m em o r y   co s t   m i n im izatio n .   Z a v r ak   an d   I s k ef iy eli  [ 2 5 ]   in v esti g ated   th e   u s e   of   au to e n co d er s   f o r   an o m al y   d etec tio n   in   n etwo r k   tr af f ic.   T h ey   em p lo y   v a r iatio n al   au to en co d er s   on   f ea t u r es   ex tr a cted   f r o m   n o r m al   tr a f f ic   d ata.   To   ass ess   th e   ef f ec tiv en ess   of   an o m aly   d etec tio n ,   th ey   co m p ar e   th e   a u to en co d er   m o d els   to   an   SVM   class if ier .   T h e   m o d els   wer e   ev alu ated   on   s ev er al   s tan d a r d   d atasets ,   an d   th e   r esu lts   d em o n s tr ate   th at   th e   v ar iatio n al   au to en co d er   ac h iev ed   lo wer   f alse - p o s itiv e   r ates   co m p ar ed   to   th e   SVM   an d   s tan d ar d   au to e n co d e r s .   Osad a   et  a l .   [ 2 6 ]   also   s ee   a   s im ilar   r e s ea r ch   ef f o r t   in   th e   s am e   r esear ch   d ir ec tio n   wh er e   v ar iatio n al   au to en co d er   is   u s ed   alo n g   with   L ap lacia n   r eg u la r ized   least   s q u ar es   m eth o d   to   ac h iev e   p r ec is e   f e atu r es   an d   r ed u ce   tr ain i n g   c o s ts .   T h er e   ar e   o th er   s im ilar   a p p r o ac h es,   s u ch   as     Dao   an d   L ee   [ 2 7 ] ,   th e   au th o r s   h av e   p r esen ted   a   lig h twei g h t   I DS   m o d el   u s in g   a   s tack ed   au to en c o d er   an d   n etwo r k   p r u n in g   m ec h an is m .   An   au to en co d er   lev er a g in g   r e cu r r en t   n eu r o n   u n it   is   u s ed   [ 2 8 ] ,  [ 2 9 ]   to   d ev elo p   r ea l - tim e   I DS   f o r   in d u s tr ial   n e two r k s   an d   au t o m o tiv e   i n d u s tr ies,   r esp ec tiv ely .   Ho wev er ,   th er e   ar e   s ev e r al   a p p r o ac h es   to   co u n ter   cy b er - a ttack s   in   I o T ,   to   ac h iev e   t h e   s ec u r ity   r eq u ir em e n ts   f o r   n etwo r k s   in   th e   f u tu r e ,   a   f ew   s ig n if ica n t   co n ce r n s   s till   n ee d   to   be   f ix ed .   C o n tr ar y   to   s ig n atu r e - b ased   I DS,   an o m aly - b ased   I DS   ar e   f o u n d   be   v er y   ef f ec tiv e   an d   h i g h ly   r esp o n s iv e   ag ain s t   m alicio u s   f lo w   in   th e   n etwo r k .   It   h as   b e en   f o u n d   th at   th e   m o s t   of   th e   ex is tin g   an o m aly   d etec tio n   s c h em es,   ar e   not   m u ch   ap p licab le   in   f u tu r is tic   n etwo r k   s in ce   en o r m o u s   am o u n t   of   d ata   g e n er ate   due   th ei r   h ig h - d im en s io n al   an d   h eter o g en e o u s   n atu r e.   Hen ce ,   th is   is   wh er e   au to en co d er   m o d els   ar e   ef f ec tiv e   at   ca p tu r in g   co m p lex   d ata   d is tr ib u tio n s   an d   r ed u cin g   d a ta   d im en s io n s   b o th   ess en tial   f o r   a n o m aly   d etec tio n   in   h ig h - d im en s io n al   d ata   s p ac es.   Desp ite   m an y   r ec en t   wo r k s ,   y et,   th e   ap p licatio n   of   au to en co d e r s   in   I DS   f o r   f u tu r is tic   n etwo r k s   h as   not   b ee n   m atu r ed   a n d   is   a   r elativ ely   n ew   ar ea   of   r esear ch .   T h e   d i v er s e   r an g e   of   d e v ice s   an d   d ata   in   th ese   n etwo r k s ,   alo n g s id e   th e   s o p h is ticatio n   of   m o d er n   c y b er   th r ea ts ,   n ec ess itates   a   more   r ef in ed   an d   n u an ce d   au to en co d er   m o d el.   Fu r th er m o r e,   th e   r ea l - tim e   n atu r e   of   t h ese   n etwo r k s   d em an d s   m o d els   th at   ar e   not   j u s t   ac cu r ate   b u t   h i g h ly   ef f icien t.   T h er ef o r e,   th e   p r o p o s ed   r esea r ch   wo r k   aim s   to   d esig n   a n d   d ev elo p   an   ef f ec tiv e   an o m aly - b ased   I DS   wh ich   is   ca p ab le   of   d etec tin g   d etec t   ze r o - d ay   with   h ig h   r esp o n s e   m e ch an is m   f o r   r a p id ly   ev o lv in g   d ig ital   lan d s ca p e.   T h is   p ap er   p r o p o s es   an   ad v an ce d   l o n g   s h o r t - te r m   m em o r y - a u to en co d er   ( L STM - AE )   b as ed   s y s tem   f o r   d etec tin g   an o m alies   in   n etwo r k   tr af f ic,   a   cr itical   co m p o n en t   f o r   s ec u r in g   f u tu r e   n etwo r k   in f r astru ct u r es.   By   in teg r atin g   lo n g   s h o r t - ter m   m em o r y   ( L STM )   u n its   in   t h e   au to en co d er ' s   ar ch itectu r e,   th e   m o d el   ca p tu r es   lo n g - ter m   d e p en d e n cies,   m ak i n g   it   ad ep t   at   id en tify in g   co m p lex ,   p er s is ten t   th r ea ts .   Utilizi n g   th e   NSL - KDD   d ataset   an d   f o cu s in g   on   HT T P   tr af f ic   f ea tu r es   alig n s   with   th e   p r e v alen t   u s e   of   i n ter n et   p r o to co ls   in   I o T   n etwo r k s ,   th u s   en h an cin g   th e   s y s tem ' s   p r ac tical   r elev an c e   f o r   r ea l - w o r ld   ap p licatio n s .   T h e   ap p r o ac h   is   d esig n ed   to   d is ce r n   an d   clas s if y   in tr icate   m alicio u s   tr af f ic   p atter n s   ef f ec tiv ely ,   en s u r i n g   r o b u s t   d ef en s e   m ec h an is m s   in   th e   e v o lv in g   la n d s ca p e   of   n etwo r k   s ec u r ity .   T h e   m ain   c o n tr ib u tio n s   of   th e   p r o p o s ed   s tu d y   a r e   h ig h lig h ted   as   f o llo ws:     –   T h e   s tr ateg ic   in teg r atio n   of   L STM   u n its   with in   b o th   th e   en co d er   an d   d ec o d e r   s eg m en ts   to   ca p tu r e     lo n g - ter m   d ep e n d en cies   in   n et wo r k   tr af f ic .   –   E m p lo y in g   s tatis tical   tech n iq u es   an d   s u p er v is ed   class if ic atio n   f o r   p r ec is e   f ea tu r e   s el ec tio n   f r o m   th e     NSL - KDD   d ataset   an d   HT T P   tr af f ic.   –   Dev elo p m en t   of   a   n o v el   ap p r o ac h   f o r   c o m p u tin g   d is tin ct   th r esh o ld s   f o r   v ar i o u s   attac k   cla s s es,   en h an cin g   th e   m o d el' s   s p ec if icity   in   an o m aly   d etec tio n .   –   Desig n in g   of   a   lig h tweig h t   a n d   in tellig en t   ar ch itectu r e   th a t   is   ad ap tab le   to   t h e   co m p lex ities   of   m o d er n ,   m u lti - d o m ain   n etwo r k   e n v ir o n m en ts   to   i d en tify   n o v el   th r ea ts   th at   h av e   not   b ee n   p r e v io u s ly   en co u n ter ed ,   ad d r ess in g   a   cr itical   n ee d   in   c y b er s ec u r ity .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,   Vo l.  13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  4 8 9 5 - 4 9 0 5   4898   2.   M E T H O D   T h e   p r o p o s ed   s tu d y   in tr o d u c es   a   n o v el   L STM - AE   b ased   an o m aly   d etec tio n   s y s tem   ( ADS)   to   ad d r ess   co m p lex ities   ass o ciat ed   with   ca p tu r in g   tem p o r al   d ep en d en cies   in   th e   n etwo r k   tr af f ic,   wh ich   is   a   is   in h er en tly   s eq u en tial,   with   d a ta   p o in ts   o cc u r r in g   at   s p ec if ic   tim estam p s .   L STM s   ar e   s p ec if ically   d esig n ed   to   h an d le   s u ch   tim e   s er ies   d ata,   ca p tu r in g   th e   tem p o r al   d ep e n d en cies   an d   r elatio n s h ip s   b e twee n   co n s ec u tiv e   o b s er v atio n s .   By   lear n in g   to   r ec o n s tr u ct   n o r m al   tr af f ic   s eq u en ce s ,   th e   L STM - AE   au t o m atica lly   ex tr ac ts   r elev an t   f ea tu r es   th at   ch ar ac te r ize   n o r m al   n etwo r k   b e h av io r .   T h is   f ea tu r e   ex tr ac tio n   ca p a b ilit y   is   cr u cial   f o r   an o m aly   d etec tio n ,   as   an o m al ies   o f ten   d ev iate   f r o m   th ese   lear n ed   p atter n s .   T h e   p r o p o s e d   L STM - AE   b ased   ADS   can   id en tif y   ze r o - d a y   att ac k s ,   d y n am ic   a n d   n o v el   th r e ats   th at   h av e   not   b ee n   en c o u n ter ed   b e f o r e,   u n lik e   s ig n atu r e - b ased   I DS   th at   d ep e n d   on   p r ed e f in ed   p atter n s .   T h is   is   cr u cial   in   th e   d y n am ic   a n d   e v o lv in g   th r ea ts   in   th e   f u tu r is tic   n etwo r k   lik e   I o E   ec o s y s tem ,   wh er e   n ew   v u l n er ab ilit ies   an d   attac k   m et h o d s   em er g e   f r eq u en tly   an d   n ec ess itates   ad v an ce d   d etec tio n   m ec h an is m s   th at   ar e   b o th   p r ec is e   an d   a d ap tab le.   T h e   p r o p o s ed     L STM - AE   b ased   ADS   is   d esig n ed   to   lear n   an d   id en tify   n o r m al   tr af f ic   p atter n s ,   th er e b y   d etec tin g   d ev iatio n s   th at   m ay   in d icate   s ec u r ity   b r e ac h es.   Fu r th er m o r e,   th is   s tu d y   en h a n ce s   th e   ADS   f r am ew o r k   by   en a b lin g   th e   m o d el   to   c o m p u te   d is tin ct   th r esh o ld s   f o r   v ar io u s   attac k   cl ass es.   T h er ef o r e,   th e   p r o p o s e d   L STM - AE   b ased   ADS   f u n ctio n s   s im ilar ly   to   an   I DS   but   with   e n h an ce d   ca p ab ilit ies.   I ts   p r im ar y   f u n ctio n   is   to   d etec t   a n o m alies   by   r ec o g n izin g   d ev iatio n s   f r o m   lear n ed   n o r m al   p atter n s .   M o r eo v e r ,   it   s u r p ass es   tr ad itio n al   I DS   by   not   o n ly   id en tify in g   an o m alies   b u t   also   class if y in g   th em   b ased   on   th e   s p ec if ic   ty p e   of   attac k ,   m ak in g   it   a   m o r e   ef f ec tiv e   an d   s o p h is ticated   ap p r o ac h   f o r   n etwo r k   s ec u r ity .   F ig u r e   1   p r esen ts   th e   s ch em atic   ar ch itectu r e   of   th e   p r o p o s ed   L STM - AE   b ased   A DS   f o r   f u tu r is tic   n etwo r k .           Fig u r e   1.   Flo w   d ia g r am   of   th e   p r o p o s ed   L STM - AE   b ased   A DS       T he   p r o p o s ed   L STM - AE   b ased   f r am ewo r k   co n s is ts   of   m u ltip le   co m p u tatio n al   b lo c k s   each   in   p r o g r ess iv e   an d   s eq u e n tial   m an n er   a s   s h o wn   in   Fig u r e   1 .   Fir s tly ,   th e   ad o p ted   d ataset   is   ex p lo r ed   an d   an al y ze d   to   ex tr ac t   s ig n if ican t   in s ig h ts   on   th e   d ataset   s am p les.   Seco n d ly ,   t h e   p r ep r o ce s s in g   o p er ati o n   is   ca r r ied   f o r   d ata   n o r m aliza tio n   a n d   f ea tu r e   v e cto r izatio n .   T h e n   o p tim al   f ea tu r es   ar e   s elec ted   an d   f ed   to   tr ain   L STM - AE   to   lear n   th e   n o r m al   tr af f ic   p atter n .   T h e   f r a m ewo r k   u s es   a   d is tan ce   f u n ctio n - b ased   to   co m p u tes   r ec o n s tr u ctio n   er r o r   a n d   u s in g   s tatis tical   an aly s is   a   s u itab le   th r esh o ld   is   d et er m in ed   f o r   a n o m aly   d etec tio n .   T h e   p er f o r m an ce   of   m o d el   is   v alid ated   in   ter m s   of   ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r ec all   r ate   an d   F1 - s co r e.     2 . 1 .    Da t a s et   T h e   p r o p o s ed   s tu d y   h as   ad o p ted   NSL - KDD   d ataset,   cr ea ted   b ased   on   s im u latio n   of   a   v ar iety   of   in tr u s io n s   with in   a   m ilit ar y   n etwo r k   en v ir o n m en t.   T h e   s tatis tics   of   th e   NSL - KDD   d ata s et   is   i llu s tr ated   in   T ab le   1.   It   in h er en tly   p r o v id es   p r e - s p lit   tr ain in g   a n d   test in g   s ets,   with   th e   class if icatio n   task   ca n ter ed   ar o u n d   a   r esp o n s e   v a r iab le.   A   u n iq u e   c h ar ac ter is tic   of   th e   NSL - KDD   d ataset   is   th e   in clu s io n   of   a   more   attac k   s am p les   in   th e   test   s et   co m p a r ed   to   t h e   tr ain in g   s et,   r ef lectin g   r ea l - wo r ld   s ce n ar io s   wh e r e   n ew   attac k   ty p es   o f ten   em er g es   af ter   d e v elo p m e n t   of   th e   m o d el.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8         A   n o ve l d ee p   a n o ma ly  d etec ti o n   a p p r o a ch   fo r   in tr u s io n   d ete ctio n   in   …   ( S a i Kr is h n a   La ksh min a r a ya n a )   4899   T ab le   1.   Statis tics   of   da taset   with   r esp ec t   to   n u m b er   of   class es   Tr a f f i c   c l a sses   Tr a i n i n g   se t   Te st i n g   s e t   To t a l   sam p l e   To t a l   sam p l e   N o r mal   6 7 3 4 3   9 7 1 1   D o S   4 5 9 2 7   5 7 4 1   P r o b e   1 1 6 5 6   1 1 0 6   R 2 L   9 9 5   5 9 4 9   U 2 R   52   37       2 . 2 .    P re pro ce s s ing     Pre p r o ce s s in g   is   one   of   th e   c r itical   s tep s   r eq u ir ed   in   an y   d ata - d r iv en   task   to   ac h iev e   ac c u r ate,   an d   un - b iased   class if icatio n   r esu lts .   T h e   p r o p o s ed   p r ep r o ce s s in g   o p er atio n s   ad o p te d   in   th e   p r o p o s ed   L STM - AE   b ased   ADS   f r am ewo r k   in v o l v es   clea n in g   th e   d ataset   to   r em o v e   n o is e,   o u tlier s ,   an d   ir r e lev an t   in f o r m atio n .   Fu r th er   d ata   tr an s f o r m atio n   t ec h n iq u es   s u ch   as   n o r m aliza t io n   an d   en c o d in g   a r e   ap p lied   to   en s u r e   th at   th e   L STM - AE   r ec eiv es   in p u t   th at   ac cu r ately   r ef lects   th e   u n d er l y in g   p atter n s   of   n etwo r k   b e h av i o r .     2 . 2 . 1 .   Da t a   clea nin g   T h e   in itial   d ata   clea n in g   o p e r atio n   f o cu s s es   on   id en tify in g   m is s in g   in s tan ce s ,   s u b s titu tin g   it   with   NaN   v alu es   an d   th en   r em o v al   of   th ese   NaN   to   ac h iev e   co m p leten ess   an d   en s u r es   th e   in teg r ity   of   th e   d ataset,   s u ch   th at   = { ∈ |   is   n otN A N } ,   wh er e     r ep r esen ts   th e   o r ig i n al   d ataset   an d     r ep r esen ts   th e   d ataset   af ter   r em o v al   of   Na N   v alu es.   T h e   n ex t   c o n s id er ed   in   th is   d ata   clea n in g   o p er atio n   is   r em o v al   of   o u tlier s   u s in g   m ed ian   ab s o lu te   d ev iatio n   esti m ato r   ( MA DE )   m eth o d   d ef in ed   as   f o llo ws:     =  ( | −  ( ) | )   ( 1 )     | −  ( ) | > ×   ( 2 )     W h er e   in   ( 1 ) ,    ( ∙ )   d en o tes   a   f u n ctio n   of   m ed ian   o p e r atio n   a n d   in   ( 2 ) ,     r ep r esen ts   a   co n s ta n t,   s et   to   1 . 3 6 9 3   f o r   n o r m ally   d is tr ib u ted   d ata   to   ac h iev e   ap p r o x i m ately   a   68%   co n s is ten cy   with   th e   s tan d ar d   d e v iatio n .     2 . 2 . 2 .   No rma liza t io n   a nd   s ca lin g   Data   n o r m aliza tio n   is   a   cr u cia l   p r o ce s s   in   d ata   p r ep r o ce s s in g   o p er atio n   to   en s u r e   th at   ea c h   f ea tu r e   of   th e   d ataset   co n tr ib u tes   eq u ally   to   th e   p r ed ictiv e   m o d ellin g .   T h e   p r o p o s ed   s tu d y   im p lem e n ts   m in - m ax   s ca lin g   to   tr an s f o r m   th e   f ea tu r e   v alu es   to   a   s tan d ar d   r an g e   of   [ 0 ,   1 ] .   T h e   s ca led   v alu e    ′   is   co m p u ted   u s in g   ( 3 ) :        ′ =  − m i n   ( ) m ax ( ) − m i n   ( )   ( 3 )     W h er e      is   th e   o r i g in al   d ata,   min ( )   is   th e   m in im u m   v al u e,   an d   m a x ( )   is   th e   m ax im u m   v al u e   of   th e   ℎ   f ea tu r e   ac r o s s   en tire   d ataset   in s tan ce s .   T h is   s ca lin g   tech n iq u e   en h an ce s   th e   ab ilit y   of   th e   L STM - AE   m o d el   to   lear n   an d   d etec t   an o m alies   ef f ec tiv ely .     2 . 2 . 3 .   E nco din g     C ateg o r ical   v ar iab les   ar e   co n v er ted   to   a   n u m er ical   f o r m at   u s in g   one - hot   e n co d in g .   Fo r   a   c ateg o r ical   v ar iab le     with     u n iq u e   v al u es,   one - hot   en co d in g   cr ea t es   n   b in a r y   { 1 , 2 , ⋯ , }   v ar iab les   ea c h   r ep r esen tin g   one   of   th e   v alu es   in .   T h e   en c o d in g   is   p er f o r m ed   as   ( 4 ) :     { 1   ,                               if   = j 0   ,                       othe r w ise   ( 4 )     In   ( 4 ) ,      is   th e   en co d ed   b in ar y   v ar iab le   f o r   th e   i th   in s tan ce   an d   j th   th e   ca teg o r y .   T h is   p r o ce s s   is   ess en tial   f o r   co n v er tin g   n o n - n u m er ic   d ata   in to   a   m ac h in e - r ea d a b le   f o r m at   an d   to   e n s u r e   th at   th e   L STM - AE   m o d el   ca n   f au ltles s ly   p r o ce s s   ca teg o r ical   d ata,   p r eser v in g   th e   in f o r m ati o n al   co n te n t   f o r   an o m al y   d ete ctio n .     2 . 3 .    F e a t ure   s elec t io n     T h e   f ea tu r e   s elec tio n   p lay s   an   im p o r tan t   r o le   in   th e   p r ed ictiv e   m o d ellin g   as   it   en h an ce s   th e   g en er aliza tio n   ca p ab ilit y   of   t h e   lear n in g   m o d el   by   r ed u ci n g   d im en s io n ality   an d   elim in atin g   r ed u n d an t   or   ir r elev an t   d ata.   T h e   p r o p o s e d   s tu d y   em p lo y s   d u al   ap p r o ac h   of   f ea tu r e   s elec tio n   c o n s id er in g   p ea r s o n   co r r elatio n   c o ef f icien t   ( PC C )   an d   RF   f o r   f ea t u r e   r a n k in g .   T h e   PC C   is   a   m ea s u r e   th at   r an g es   f r o m   - 1   to   +1 ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,   Vo l.  13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  4 8 9 5 - 4 9 0 5   4900   wh er e   +1   in d icate s   a   p er f ec t   p o s itiv e   lin ea r   r elatio n s h ip ,   - 1   in d icate s   a   p er f ec t   n eg ativ e   lin ea r   r elatio n s h ip ,   an d   0   s ig n if ies   no   lin ea r   c o r r el atio n ,   n u m er ically   g iv e n   as   ( 5 ) :       ( , ) = ∑ ( − ) ( − ) √ ∑ ( − ) 2 ∑ ( − ) 2   ( 5 )     W h er e,     ( in p u t   p r ed icto r s ) ,     ( tar g et   r esp o n s e) ,   a n d     is   m ea n   v alu e   of     an d   ,   r esp ec tiv ely   f e atu r es   with   a   PC C   clo s e   to   ±1   is   co n s id er ed   h ig h ly   co r r elate d   with   th e   o u tp u t   class .   Su b s eq u e n tly ,   t h e   s tu d y   im p le m en ts   RF   cla s s if ier   to   r an k   th e   f ea tu r es   b ased   on   th eir   im p o r tan ce ,   wh ich   is   d er iv ed   f r o m   how   we ll   th ey   im p r o v e   t h e   p u r ity   of   t h e   n o d e,   co n s id er i n g   th e   d ec r ea s e   in   im p u r ity   ac r o s s   all   tr ee s   in   th e   f o r est.   Fig u r e   2   illu s tr ates   th e   im p o r tan ce   of   f ea tu r e   b ased   on   th eir   r a n k in g   d eter m in e d   by   th e  RF   class if ier .           Fig u r e   2.   I ll u s tr atio n   of   t o p   f e atu r es   r an k ed   ac co r d in g   to   th e ir   im p o r tan ce       Fig u r e   2   illu s tr ates   th e   f ea tu r e   r an k i n g   with   t h eir   r elativ e   i m p o r tan ce   of   each   f ea tu r e   in   d escen d in g   o r d er .   B ased   on   th e   in s ig h ts   g ain ed   f r o m   PC C   an aly s is   an d   f ea tu r e   r an k in g   th e   s tu d y   s elec ted   th e   to p   30   f ea tu r es   f o cu s in g   on   th o s e   th at   co n s is ten tly   s h o w   a   h ig h   co r r elatio n   or   im p o r tan ce   ac r o s s   b o th   m eth o d s .   Af ter   f ea tu r e   s elec tio n ,   to   p r e p ar e   t h e   in p u t   d ata   f o r   th e   L STM - AE ,   th e   s tu d y   p er f o r m s   r esh ap in g   th e   d ata   to   r e f lect   th e   s eq u en tial   n atu r e   r eq u ir ed   f o r   L STM   p r o ce s s in g .   T h e   d ataset,   co n s is tin g   of   a   s er ies   of   tim e - s eq u en ce d   o b s er v atio n s   [ 1 , 2 , 3 , ⋯ , ] ,   is   o r g an ized   in to   s eq u en ce s     wh er e   each   s e q u en ce   h as   a   f ix ed   len g th   .   E ac h   s eq u en ce   is   a   win d o w   of     co n s ec u tiv e   tim e   s tep s   [ 1 , 2 , 3 ] ,   an d   each   tim e   s tep     is   a   v ec to r   in     r ep r esen tin g     f ea tu r es   at   tim e   .   T h e   r esh ap in g   p r o ce s s   in v o lv es   tr an s f o r m in g   th e   d ata   in to   2 - D   ar r ay s   wh er e   th e   f ir s t   d im en s io n   is   t h e   n u m b e r   of   s am p les   ( s eq u en ce s ) ,   an d   th e   s ec o n d   d im e n s io n   is   th e   n u m b er   of   tim e   s tep s   ,   with   ea c h   tim e   s tep   co n tain in g   th e   m   f ea tu r es.   T h is   r esu lts   in   an   ar r a y   s h ap e   of   [ s am p les,   tim e   s tep s × f ea tu r es],   wh ich   is   s u itab le   f o r   in p u t   in to   th e   L STM   lay e r   of   th e   au to en c o d er .     2 . 4 .    L o ng   s ho rt - t er m   m emo ry - a uto enco der  m o del   f o r   ne t wo rk   a no m a l y   det ec t io n     T h e   p r o p o s ed   L STM - AE   m o d el   in teg r ates   th e   s tr en g th s   of   L STM   n etwo r k s   an d   a u to e n co d er s   to   an aly ze   h ig h - d im en s io n al   tim e - s er ies   d ata   ef f icien tly .   In   th is   ar ch itectu r e,   th e   L STM   en co d er   co m p r ess es   th e   in p u t   s eq u e n ce   in to   a   lo w - d im en s io n al   laten t   v ec t o r ,   p r ese r v in g   tem p o r al   d ep e n d en cies   th r o u g h   its   m em o r y   ce lls .   T h is   p r o ce s s   tr an s f o r m s   th e   co m p lex   in p u t   d ata   in to   a   s im p ler   f o r m   th at   ca p tu r es   its   ess en tial   p atter n s .   Su b s eq u en tly ,   th e   L STM   d ec o d er   r ec o n s tr u cts   th e   o r ig in al   s eq u en ce   f r o m   th is   laten t   r ep r esen tatio n ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8         A   n o ve l d ee p   a n o ma ly  d etec ti o n   a p p r o a ch   fo r   in tr u s io n   d ete ctio n   in   …   ( S a i Kr is h n a   La ksh min a r a ya n a )   4901   em p lo y in g   r ec o n s tr u ctio n   er r o r   to   d eter m in e   an o m aly   d e tectio n   th r esh o ld s .   Fig u r e   3   d em o n s tr ates   th e   ar ch itectu r e,   h ig h lig h tin g   th e   en co d er - d ec o d er   m ec h an is m   a n d   th e   cr itical   r o le   of   L STM   u n its   in   m ain tain i n g   s eq u en ce   in teg r ity   wh ile   f ac ilit atin g   d im en s io n ality   r e d u ctio n .   T h e   L STM   u n it   is   an   ad v a n ce d   r ec u r r en t   n e u r al   n etwo r k   ( R NN)   m o d el   th at   ad d r ess es   th e   is s u es   of   v an is h in g   g r ad ien t   by   e f f ec tiv ely   ca p tu r in g   lo n g - ter m   d e p en d en cies   in   s eq u e n tial   d ata.   As   r ep r esen ted   in   Fig u r e   3 ( a) ,   th e   L STM - u n it   is   co m p o s ed   of   co m p lex   m ec h a n is m s   in v o lv in g   m u ltip le   g ates   th at   r eg u late   th e   f lo w   of   in f o r m atio n .   T h e   f ir s t   is   th e   f o r g et - g ate,   wh ich   d ete r m in es   wh at   in f o r m atio n   is   r ej ec ted   f r o m   t h e   ce ll   s tate.   It   lo o k s   at   th e   p r ev io u s   h id d en   s tate   − 1   an d   th e   cu r r e n t   i n p u t   an d   ap p lies   a   s ig m o id   f u n ctio n   to   d ec id e   wh ich   v alu es   ar e   allo wed   to   p ass ,   r an g in g   f r o m   0   ( co m p letely   f o r g o tten )   to   1   ( c o m p letely   r etain ed ) .   At   th e   s am e   tim e,   th e   in p u t   g ate   d eter m in es   wh at   n ew   in f o r m a tio n   is   ad d e d   to   th e   u n it   s tate.   It   u s es   a   s ig m o id   lay er   to   u p d ate   th e   ce ll   s tate,   an d   tan h   to   b u ild   a   v ec t o r   of   n ew   ca n d id ate   v al u es   to   ad d   to   th e   s tate.   T h e     ce ll - s tate     is   u p d ated   by   m u ltip ly in g   th e   o l d   s tate   − 1   by   t h e   o u tp u t   of   t h e   f o r g et   g ate   to   d is ca r d   u n n ec ess ar y   in f o r m atio n   an d   a d d   th e   o u tp u t   of   t h e   in p u t   g ate   as   n ew   in f o r m atio n .   T h e   f in al   g ate   in   th e   L STM   u n it   d eter m i n es   th e   n e x t   h id d en   s tate   ,   wh ich   co n tain s   in f o r m atio n   ab o u t   th e   p r e v io u s   in p u ts .   It   is   co m p u ted   b ased   on   th e   ce ll   s tate   p ass ed   th r o u g h   a   tan h - lay e r   ( to   n o r m alize   th e   v alu es)   an d   th en   m u ltip lied   by   th e   o u tp u t   of   th e   s ig m o id   g ate,   en s u r in g   th at   o n ly   th e   n ec ess ar y   in f o r m atio n   is   p ass ed   o n .   As   d ep icted   in   Fig u r e   3 ( b ) ,   th e   ar ch itectu r e   of   an   a u to en c o d er   co n s is ts   of   two   m ain   p ar ts   s u ch   as   th e   en co d er   a n d   th e   d ec o d e r .   T h e   en co d er   c o m p o n en t   of   th e   n e two r k   co m p r ess es   th e   in p u t     i n to   a   laten t - s p ac e   r ep r esen tatio n   ℎ .   T h e   in p u t   lay er ,   co n s is tin g   of   n eu r o n s   1 , 2 , 3 , ⋯ , ,   is   f u lly   co n n ec te d   to   th e   late n t   s p ac e,   wh er e   each   n eu r o n   hi   r ep r esen ts   an   en c o d ed   f ea tu r e.   T h e   en co d er   lear n s   to   p r eser v e   as   m u ch   r elev an t   in f o r m atio n   as   p o s s ib le   in   th i s   r ed u ce d   r ep r esen tatio n .   T h e   laten t   s p ac e   is   th e   ce n tr al   la y er   of   th e   n etwo r k   r ep r esen ts   th e   c o m p r ess ed   k n o wled g e   of   th e   in p u ts   an d   h o l d s   th e   m o s t   s ig n if ica n t   f ea tu r es   lear n ed   f r o m   th e   in p u t   d ata,   wh ic h   ar e   th e   cr iti ca l   co m p o n en ts   f o r   r ec o n s tr u ctio n   by   th e   d ec o d er .   In   th is   p h ase,   th e   n etwo r k   attem p ts   to   r ec o n s tr u ct   th e   in p u t   d ata     f r o m   th e   laten t   r ep r esen tatio n .   T h e   o u tp u t   lay er   m im ics   th e   in p u t   lay er   in   s ize,   with   n eu r o n s   1 ′ , 3 ′ , 3 ′ , ⋯ , n ′   r ep r esen tin g   t h e   r ec o n s tr u cte d   in p u t   d ata.   T h e   g o al   of   th e   d ec o d er   is   to   o u t p u t   ′   th at   is   as   clo s e   as   p o s s ib le   to   th e   o r ig in al   in p u t   .   In   th is   m an n er ,   t h e   au to en c o d e r   lear n s   to   ca p tu r e   t h e   m o s t   im p o r tan t   asp ec ts   of   th e   i n p u t   d ata   with in   th e   laten t   s p ac e.           ( a)   ( b )     Fig u r e   3 .  Neu r al   n etwo r k s   ar c h itectu r es :   ( a)   L STM   an d   ( b )   a u to en co d er       2. 5 .    L o ng   s ho rt - t er m   m emo ry - a uto enco der  m o del   t ra ini ng     T h e   en co d e r   in   p r o p o s ed   L ST M - AE   m o d el   co m p o s ed   of   s t ac k ed   L STM   lay er s ,   lear n s   to   co m p r ess   th e   h ig h - d im en s io n al   in p u t   s e q u en ce s   in to   a   lo wer - d im e n s io n al   laten t   r ep r esen tatio n ,   ca p tu r in g   th e   ess en tial   f ea tu r es   ess en tial   to   r ec r ea te   th e   in p u t.   T h e   m o d el   r ec ei v es   in p u t   with   a   s h a p e   co r r esp o n d in g   to   th e   ch o s e n   win d o w   len g th   a n d   n u m b er   of   f ea tu r es   ( e. g . ,   [ s am p les,   1 0 ,   30]   f o r   10   tim estep s   an d   30   f ea tu r es).   T h e   f i r s t   L STM   lay er   h as   128   n eu r o n s   an d   r etu r n s   s eq u en ce s ,   p ass in g   its   o u t p u t   to   th e   s ec o n d   L STM   lay er   with   64   n eu r o n s ,   also   r etu r n in g   s eq u e n ce s   to   m ain tain   th e   tem p o r a l   s tr u ctu r e.   T h e   th ir d   L STM   lay er   r ed u ce s   th e   d im en s io n ality   f u r th er   with   32   n eu r o n s   an d   p r e p ar in g   th e   d ata   f o r   th e   laten t   s p ac e   r ep r es en tatio n .   T h is   lay er   r ep licates   th e   32 - d im en s io n al   laten t   r ep r esen tatio n   ac r o s s   th e   s eq u en ce   le n g th   to   f ac i litate   th e   d ec o d in g   p r o ce s s .   Af ter war d s   a   R ep ea tVec to r   lay er   is   u s ed   to   d u p licate   th e   en co d er ' s   o u tp u t   a cr o s s   th e   tim estep s   r eq u ir ed   by   t h e   d ec o d er .   T h e   d ec o d in g   p r o ce s s   b e g in s   with   an   L STM   la y er   with   32   n eu r o n s   th at   r ec o n s tr u cts   th e   s eq u en ce   f r o m   th e   laten t   s p ac e   r ep r esen tatio n .   Su b s e q u en tly ,   a   s ec o n d   L STM   lay er   with   64   n eu r o n s   co n tin u es   th e   r ec o n s tr u ctio n   p r o ce s s ,   s till   r etu r n in g   s eq u en ce s .   T h e   th ir d   an d   f in al   L STM   d ec o d er   lay er   h as   128   n eu r o n s ,   an d   r ec o n s tr u c ts   th e   s eq u en ce   at   th e   o r ig in al   f ea tu r e   d im en s io n ality .   A   T im eDistrib u ted   wr ap p er   is   ap p lied   to   a   d en s e   lay er   with   a   n eu r alu n it   eq u al   to   th e   n u m b er   of   s elec ted   f ea tu r es   ( i.e . ,   30   n eu r al   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,   Vo l.  13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  4 8 9 5 - 4 9 0 5   4902   u n its   in   p r o p o s ed   co n te x t) ,   en s u r in g   th e   o u tp u t   h as   th e   s am e   s tr u ctu r e   as   th e   in p u t   d ata.   T h e   p r o p o s ed   m o d el   is   co m p iled   with   an   Ad am   o p tim izer   an d   ( m ea n   s q u ar e   er r o r )   MSE   as   th e   lo s s   f u n ctio n .   Fu r th er m o r e,   th e   tr ain in g   p r o ce s s   in v o lv es   f ee d i n g   th e   m o d el   b atch es   of   n o r m al   tr af f ic   d ata   an d   u s in g   b ac k p r o p ag atio n   th r o u g h   tim e   to   u p d ate   th e   m o d el   wei g h ts .   T h e   m o d el   is   tr ain ed   o v er   50   ep o c h s   u n til   th e   r ec o n s t r u ctio n   er r o r   on   th e   tr ain in g   s et   s tab ilizes.   Alg o r ith m   1   d escr ib es   th e   p r o ce s s   of   tr ain in g   L STM - AE   f o r   ADS.     Alg o r ith m   1 : T r ain in g   L STM -   AE   f o r   ADS   I n p u t:  ∈ ℝ × × a   ten s o r   o f   n o r m al  n etw o r k   tr af f ic  d ata,   wh e r e  n   is   th e  n u m b er   o f   s am p les,  t is   tim estep s   p er   s am p le,   an d   f   is   th e  n u m b er   o f   f ea tu r es ( 3 0   af ter   f ea t u r e  s elec tio n ) ,   an d   E   ( e p o ch s ) ,   B S ( b a tch   s ize)   Ou tp u t:    ( R ec o n s tr u ctio n   er r o r ) ,   T h   ( t h r esh o ld   f o r   n o r m al   tr a f f ic) ,     ( T r ain ed   m o d el  p ar am et er s )   Star t   1.   I n itialize  th e  L STM - Au to en co d er   m o d el  with   a  s p ec if ied   ar c h itectu r e   2.   Fo r   ea ch   lay er   in   th e  e n co d er :   Ad d   L STM   lay er   with   s p ec if ie d   n u m b er   o f   n eu r o n s ℎ , ∈ { 1 , 2 , ⋯ , }     wh er e    is   th e  n u m b er   o f   L ST M  lay er s   in   th e  en c o d er .   3.   Ad d   R ep ea tVec to r   lay er   to   r ep licate  th e  laten t r ep r esen tatio n .   4.   Fo r   ea ch   lay er   in   th e  d ec o d er :   Ad d   L STM   lay er   m ir r o r in g   th e  en co d er ' s   s tr u ctu r e  in   r e v er s e  o r d er .   5.   Ad d   T im eDistrib u ted   Den s e  l ay er   with f   n eu r o n s   to   r ec o n s tr u ct  th e  o r ig i n al  f ea tu r e   d im en s io n   6.   C o m p ile  th e  m o d el  with   th e  Ad am   o p tim izer   a n d   MSE   lo s s   f u n ctio n .   7.   R esh ap e  in p u t d ata  X  to   3 D  f o r m at  s u itab le  f o r   L STM   lay e r s : → ℎ ∈ ℝ × ×   8.   T r ain   th e  m o d el  f o r   th e  s p ec if i ed   n u m b er   o f   E   an d   B S.    9.   Af ter   tr ain in g ,   u s e  th e  tr ain ed   m o d el  to   r ec o n s tr u ct  th e  i n p u t  d ata: ′ = ( ℎ )   10.   C alcu late  th e  r ec o n s tr u ctio n   e r r o r   f o r   ea ch   s am p le  u s in g   th e   E u clid ea n   d is tan ce   = √ ∑ (  −  ′ ) 2 = 1 ,   f o r   = 1   to   n   11.   Ag g r eg ate  th e    to   d eter m in e  a  th r esh o ld ℎ   f o r   n o r m al  tr af f ic  u s in g   s tatis tical  an aly s is   ℎ =  ( ) + ×  ( ) wh er e  k   is   a  s ca lin g   f ac to r   ch o s en   u s in g   em p ir ical  an al y s is .     E n d     Up o n   th e   co m p letio n   of   Alg o r ith m   1,   a   tr ain ed   L STM - AE   m o d el   is   ca p ab le   of   r ec o n s tr u ctin g   n o r m al   n etwo r k   tr af f ic   with   m in im al   er r o r .   T h e   r ec o n s tr u ctio n   er r o r   ε   ca lcu lated   f o r   e ac h   s am p le   in   th e   n o r m al   tr a f f ic   d ataset,   s er v es   as   a   b aselin e   f o r   d etec tin g   d e v i atio n s   in d icativ e   of   d if f er en t   p o ten tial   an o m alies.   T h er ef o r e,   th e   p r o p o s ed   s tu d y   co n s id er s   a   s et   of   k n o wn   an o m alies,   = { 1 , 2 , … , } ,   wh er e   each     r ep r esen ts   a   d if f e r en t   class   of   attac k   an d   m   is   th e   to tal   n u m b er   of   attac k   ty p es,   t h e   s y s tem   f ir s t   co m p u tes   th e   r ec o n s tr u ctio n   e r r o r   f o r   each   a n o m aly   in s tan ce   u s in g   d is tan c e   f u n ctio n   ( DF)   f o r m u la   as   ( 6 ) :     = √ ∑ ( , − , ′ ) 2 = 1   ( 6 )     W h er e,   ,   is   th e   o r ig in al   d ata   f o r   attac k   ty p e     at   f ea tu r e   ,   an d   , ′   is   th e   r ec o n s tr u cted   d ata.   F o r   ea c h   attac k   ty p e     th e   p r o p o s ed   s y s tem   p er f o r m s   er r o r   d is tr ib u tio n   an aly s is   by   co n s id er in g   th e   d is tr ib u tio n   of     to   u n d er s tan d   h o w   it   d if f er s   f r o m   th e   n o r m al   tr af f ic   er r o r   d i s tr ib u tio n .   T h e   th r esh o l d   ℎ   f o r   d etec tin g   each   attac k   ty p e   is   d eter m in e d   b ase d   on   th e   s tatis tical   an aly s is   of   its   r ec o n s tr u ctio n   er r o r s ,   as   ( 7 ) :       ℎ = +   ∙   ( 7 )     W h er e     an d     ar e   th e   m ea n   an d   s tan d ar d   d ev iatio n   of   th e   r ec o n s tr u ctio n   er r o r s   f o r   attac k   ty p e     an d     is   a   co n s tan t   th at   ad ju s ts   th e   s en s itiv ity   of   th e   th r esh o ld .   Fig u r e   4   p r esen ts   th e   d is tr i b u tio n   of   id en tifie d   th r esh o ld   v al u es   f o r   d if f er e n t   n etwo r k   tr af f ic   class es.     T h e   Fig u r e   4   s h o ws   d is tr ib u tio n   of   th r esh o ld   v alu es   f o r   d if f er en t   n etwo r k   tr a f f ic   class es.   Fig u r e   4 ( a )   p r esen ts   v io lin   p lo t   d is p lay in g   th e   m ed ian   of   r ec o n s tr u ctio n   er r o r s   f o r   n o r m al   tr af f ic   an d   e ac h   attac k   ty p e.   A   h o r izo n tal   lin e   r ep r esen ts   th e   s et   th r esh o ld   v al u e,   wh ich   d e lin ea tes   n o r m al   b eh av io r   f r o m   p o ten tial   attac k s .   Fig u r e   4 ( b )   tab u lates   th e   th r es h o ld   v al u es   ℎ   co r r esp o n d i n g   to   each   tr af f ic   class   ,   d er iv ed   f r o m   s tatis tical   an aly s is   of   r ec o n s tr u ctio n   er r o r s   s er v in g   th e   cr iter ia   f o r   d y n a m ic   an o m aly   class if icatio n .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8         A   n o ve l d ee p   a n o ma ly  d etec ti o n   a p p r o a ch   fo r   in tr u s io n   d ete ctio n   in   …   ( S a i Kr is h n a   La ksh min a r a ya n a )   4903       ( a)   ( b )     Fig u r e   4.   T h r esh o ld   v alu es   f o r   n etwo r k   tr a f f ic   class es :   ( a)   v is u al  d ep ictio n   o f   id en tifie d   ℎ   v alu es  an d   ( b )   n u m er ical  d e p ictio n   o f   ℎ   v alu es       3.   RE SU L T S   AND   D I SCU SS I O N   T h e  ex p er im e n ts   wer e  co n d u c ted   o n   test - s et  o f   NSL - KDD  d atasets ,   an d   th e  r esu lts   wer e  co m p ar ed   with   th e  s im ilar   ex is tin g   wo r k s .   Fig u r e  5   p r o v id es  o u tco m e  an aly s is   o f   th e  p r o p o s ed   L ST M - AE   s y s tem   with   r esp ec t  to   two   s u b - f ig u r es:  i )   a  co n f u s io n   m atr ix   an d   ii )   a  r ec eiv er   o p e r atin g   c h ar ac ter is tic  ( R OC )   cu r v e.   I n   Fig u r e  5 ( a)   th e  co n f u s io n   m atr ix   s h o ws  th e  n u m b er   o f   c o r r ec t  an d   in c o r r ec t  class if icatio n s   m ad e  b y   th e   L S T M - A E   m o d e l .   B as e d   o n   t h e   c l o s e r   a n al y s is   i n   t h e   c a s e   o f   t r u e   n e g at i v e   ( n o r m a l ,   n o r m a l )   w it h   8 0 5 3   p r e d i c t e d   s a m p le s   i n d ic a t i n g   t h e   c o u n t   o f   n o r m a l   i n s t a n c es   a p p r o p r i a t e l y r e c o g n is e d   a s   n o r m a l ,   w h i l e   f a ls e  p o s i t i v es   ( n o r m a l ,   a t t a c k )   s h o w   1 6 5 7   i n s t a n c e s   i n c o r r e ct l y   i d e n t i f i e d   as   a t t a c k s .   I n   c a s e   o f   f a l s e   n e g a t i v es  ( a t t a c k ,   n o r m a l )   t h e   m o d e l   p r ed i c t e d   5 2 4   i n s t a n c es   r e p r e s e n t in g   t h e   n u m b e r   o f   a t t a c k s   t h at   w e r e   n o t   d e te c t e d   b y   t h e   m o d e l ,   w h i l e   t r u e   p o s it i v e   ( a t t a c k ,   a tt a c k )   w it h   1 2 3 0 9   e x h i b i t i n g   t h e   n u m b e r   o f   a t t a c k s   c o r r e c t l y   i d e n t i f i e d .   I n   F i g u r e   5 ( b )   t h e   a n a l y s i s   o f   R O C   c u r v e   s h o w s   d i a g n o s t i c   a b i l i t y   o f   t h e   c l a s s i f i e r   c o n c e r n i n g   t r u e   p o s i t i v e   r a t e   ( T P R )   V s   f a l s e   p o s i t i v e   r a t e   ( F P R ) .   T h e   g r a p h   t r e n d   i n d i c a t e s   a   h i g h   T P R   a n d   a   l o w   F P R   a s   a r e a   u n d e r   t h e   c u r v e   ( A U C )   w i t h   0 . 9 5 9   s u g g e s t s   e x c e l l e n t   m o d e l   p e r f o r m a n c e ,   w h e r e   a   v a l u e   o f   1 . 0   r e p r e s e n t s   a   p e r f e c t   m o d e l   a n d   0 . 5   r e p r e s e n t s   a   n o - s k i l l   c l a s s i f i e r .   F i g u r e   6   p r e s e n t s   t h e   e v a l u a t i o n   o f   t h e   L S T M - A E   m o d e l   c o n c e r n i n g   a n o m a l y   s c o r e s   o f   n e t w o r k   t r a f f i c   s a m p l e s   a n d   c o m p a r a t i v e   a n a l y s i s   w i t h   s i m i l a r   e x i s t i n g   a p p r o a c h e s .           ( a)   ( b )     Fig u r e   5.   Per f o r m an c e   an aly s i s   of   th e   L STM - AE   with   ( a)   co n f u s io n   m atr i x   an d   ( b )   R OC   c u r v e       B ased   on   th e   an aly s is   of   s ca tt er   p lo t   in   Fig u r e   6 ( a)   it   can   be   s ee n   th at   th e   an o m aly   s co r es   of   n etwo r k   tr af f ic   s am p les   wh er e   th e   n o r m al   tr af f ic   is   m ar k ed   in   g r ee n ,   an d   an o m alies   ar e   in d icate d   in   r ed .   A   d ash ed   b lu e   lin e   r ep r esen ts   th e   an o m aly   d etec tio n   th r esh o ld ;   an d   s co r es   ab o v e   th is   lin e   ar e   clas s if ied   as   an o m alies.   T h e   ch o s en   th r esh o l d   is   ef f ec tiv e   in   s ep ar atin g   a n o m alies   f r o m   n o r m al   s am p les.   Fig u r e   6 ( b )   p r o v id es   a   co m p ar ativ e   an aly s is   of   th e   p r o p o s ed   L STM - AE   m o d el   a g ain s t   s ev er al   s im ilar   k in d   of   t h e   ex is tin g   r esear ch   wo r k s   s u ch   as   n o n - s y m m etr ic   d ee p   a u to - en c o d er   ( NDAE )   p r o p o s ed   in   [ 6 ] ,   R NN   b ased   I DS   in   [ 3 0 ] ,   s elf - tau g h t   lear n in g   ( STL )   in tr o d u ce d   by   [ 3 1 ] ,   s eq u en tial   lear n in g   ac ce ler ato r   ( SLA)   s ch em e   f o r   attac k   d etec tio n   in   [ 3 2 ] ,   r estricte d   B o ltzm an n   m ac h in e   f o r   D o S   att ac k   by   [ 3 3 ] ,   L STM   an d   AE   b ased   I DS   p r esen ted   by   [ 3 4 ] .   B ased   on   th e   g r ap h   tr en d ,   t h e   p r o p o s ed   an o m aly - b ased   I DS   o u tp er f o r m e d   e x is tin g   m o d el   with   s ig n if ican t   im p r o v em en t   in   ac cu r ac y   s co r e .   T h e   r ea s o n   is   th at   th e   p r o p o s ed   s tu d y ,   em p lo y in g   s u itab le   p r ep r o ce s s in g   o p er atio n s   an d   l ev er ag in g   d ee p   L STM   ca p ab ilit ies   wi th in   th e   au to en co d er   f r am ewo r k ,   is   b etter   ab le   to   ca p tu r e   th e   u n d e r ly in g   an d   co m p lex   p atter n s   of   th e   i n p u t   d ataset   an d   r ec o n s tr u cts   n o r m al   i n p u t   s ig n al   with   v er y   less   r ec o n s tr u ctio n   e r r o r .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,   Vo l.  13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  4 8 9 5 - 4 9 0 5   4904       ( a)   ( b )     Fig u r e   6.   E v alu atio n   of   th e   p r o p o s ed   L STM - AE   with   ( a )   an o m aly   s co r e   f o r   n etwo r k   tr a f f i c   an d     ( b)   co m p ar ativ e   a n aly s is       4.   CO NCLU SI O N   T h is   p ap er   h as   p r esen ted   an   ad v an ce d   an d   r elia b le   n e two r k   ADS   by   in teg r atin g   L STM   in   au to en co d er   ar ch itectu r e   f o r   b o th   u n i - class   an d   m u lti - class   an o m aly   d etec tio n   f o r   f u tu r is tic   n etwo r k .   T h e   p r o p o s ed   L STM - AE   m o d el   d y n am ically   ca p tu r es   tem p o r al   d ep e n d en cies   in   th e   d ata   t h r o u g h   its   L STM   u n it   an d   ef f icien tly   co m p r ess es   an d   r ec o n s tr u cts   th e   in p u t   d ata,   en ab lin g   t h e   d etec tio n   of   b o th   k n o wn   an d   n o v el   attac k   p atter n s .   T h e   u tili za tio n   of   a   s tatis t ically - d r iv en   f ea tu r e   s elec tio n   p r o ce s s   en s u r es   th at   th e   m o d el   is   tr ain ed   on   th e   m o s t   r elev a n t   f ea tu r es,   en h an ci n g   its   p r ed icti v e   ac cu r ac y .   By   ex clu s iv ely   t r ain in g   on   n o r m al   tr af f ic   d ata,   th e   L STM - AE   m o d el   av o id s   th e   co m m o n   p itfa lls   ass o ciate d   wi th   class   im b alan ce   an d   u n r ea lis tic   d ata   r ep r esen tatio n   f o u n d   in   m an y   ex is tin g   d atasets .   Mo r eo v er ,   th e   in tr o d u ctio n   of   d is tin ct   th r esh o ld s   f o r   d if f er en t   class es   of   n etwo r k   in tr u s io n s   r ep r esen ts   a   k e y   a d v a n ce m en t   in   th e   f ield   of   cy b er s ec u r ity .   T h e   f u tu r e   wo r k   will   ex p lo r e   f u r th er   en h an ce m en ts   of   th e   p r o p o s ed   s y s tem   u s in g   r ein f o r ce m en t   le ar n in g   tech n iq u e   to   m ax im ize   th e   ef f ec tiv e n ess   of   th e   p r o p o s ed   ap p r o ac h .       ACK NO WL E DG E M E NT   T h e   au t h o r   th an k s   R E VA   Un iv er s ity   B an g alo r e   f o r   th e   m o r al   s u p p o r t,   h i g h lig h tin g   th at   th e   r esear ch   s tu d y   was   co n d u cte d   with o u t   ex ter n al   f in a n cial   s u p p o r t.       RE F E R E NC E S   [ 1 ]   Y .   A b u a d l l a ,   G .   K v a s c e v ,   S .   G a j i n ,   a n d   Z.   J o v a n o v i c ,   “ F l o w - b a s e d   a n o m a l y   i n t r u s i o n   d e t e c t i o n   s y st e m  u s i n g   t w o   n e u r a l   n e t w o r k   st a g e s, ”   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   I n f o r m a t i o n   S y s t e m s ,   v o l .   1 1 ,   n o .   2 ,   p p .   6 0 1 – 6 2 2 ,   2 0 1 4 ,   d o i :   1 0 . 2 2 9 8 / C S I S 1 3 0 4 1 5 0 3 5 A .   [ 2 ]   M .   Y .  A z a r ,   V .   V a r a d h a r a j a n ,   L.   H a mey ,   a n d   U .   Tu p a k u l a ,   “ A u t o e n c o d e r - b a se d   f e a t u r e   l e a r n i n g   f o r   c y b e r   se c u r i t y   a p p l i c a t i o n s , ”   i n   2 0 1 7   I n t e r n a t i o n a l   J o i n t   C o n f e re n c e   o n   N e u r a l   N e t w o r k s (I J C N N ) ,   2 0 1 7 ,   p p .   3 8 5 4 – 3 8 6 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I JC N N . 2 0 1 7 . 7 9 6 6 3 4 2 .   [ 3 ]   B .   Z h a n g ,   Y .   Y u ,   a n d   J .   L i ,   “ N e t w o r k   i n t r u s i o n   d e t e c t i o n   b a s e d   o n   st a c k e d   sp a r se   a u t o e n c o d e r   a n d   b i n a r y   t r e e   e n semb l e   m e t h o d , ”  i n   2 0 1 8   I EEE  I n t e rn a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   C o m m u n i c a t i o n s  Wo r k s h o p s ,   M a y   2 0 1 8 ,   p p .   1 – 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C C W . 2 0 1 8 . 8 4 0 3 7 5 9 .   [ 4 ]   B .   A b o l h a s a n z a d e h ,   “ N o n l i n e a r   d i me n si o n a l i t y   r e d u c t i o n   f o r   i n t r u si o n   d e t e c t i o n   u s i n g   a u t o - e n c o d e r   b o t t l e n e c k   f e a t u r e s , ”   i n   2 0 1 5   7 t h   C o n f e re n c e   o n   I n f o rm a t i o n   a n d   K n o w l e d g e   T e c h n o l o g y   ( I K T ) ,   M a y   2 0 1 5 ,   p p .   1 – 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I K T . 2 0 1 5 . 7 2 8 8 7 9 9 .   [ 5 ]   S .   N .   M i g h a n   a n d   M .   K a h a n i ,   “ D e e p   l e a r n i n g   b a s e d   l a t e n t   f e a t u r e   e x t r a c t i o n   f o r   i n t r u s i o n   d e t e c t i o n , ”   i n   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   ( I C EE),  I r a n i a n   C o n f e r e n c e   o n ,   M a y   2 0 1 8 ,   p p .   1 5 1 1 – 1 5 1 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C EE. 2 0 1 8 . 8 4 7 2 4 1 8 .   [ 6 ]   N .   S h o n e ,   T .   N .   N g o c ,   V .   D .   P h a i ,   a n d   Q .   S h i ,   “ A   d e e p   l e a r n i n g   a p p r o a c h   t o   n e t w o r k   i n t r u s i o n   d e t e c t i o n , ”   I EEE  T ra n s a c t i o n s  o n   Em e rg i n g   T o p i c s i n   C o m p u t a t i o n a l   I n t e l l i g e n c e ,   v o l .   2 ,   n o .   1 ,   p p .   4 1 – 5 0 ,   F e b .   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / T ETC I . 2 0 1 7 . 2 7 7 2 7 9 2 .   [ 7 ]   U .   Ç e k mez ,   Z.   Er d e m,   A .   G .   Y a v u z ,   O .   K .   S a h i n g o z ,   a n d   A .   B u l d u ,   “ N e t w o r k   a n o mal y   d e t e c t i o n   w i t h   d e e p   l e a r n i n g , ”   i n   2 0 1 8   2 6 t h   S i g n a l   Pr o c e ssi n g   a n d   C o m m u n i c a t i o n s   A p p l i c a t i o n s  C o n f e re n c e ,  2 0 1 8 ,   p p .   1 – 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / S I U . 2 0 1 8 . 8 4 0 4 8 1 7 .   [ 8 ]   R .   C .   A y g u n   a n d   A .   G .   Y a v u z ,   “ A   s t o c h a s t i c   d a t a   d i s c r i m i n a t i o n   b a s e d   a u t o e n c o d e r   a p p r o a c h   f o r   n e t w o r k   a n o m a l y   d e t e c t i o n , ”   i n   2 0 1 7   2 5 t h   S i g n a l   Pr o c e ssi n g   a n d   C o m m u n i c a t i o n s  Ap p l i c a t i o n s   C o n f e r e n c e ,   2 0 1 7 ,   p p .   1 – 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / S I U . 2 0 1 7 . 7 9 6 0 4 1 0 .   [ 9 ]   S .   N a s e e r   e t   a l . ,   “ E n h a n c e d   n e t w o r k   a n o ma l y   d e t e c t i o n   b a se d   o n   d e e p   n e u r a l   n e t w o r k s, ”   I EEE   Ac c e ss ,   v o l .   6 ,   p p .   4 8 2 3 1 – 4 8 2 4 6 ,   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / A C C ESS . 2 0 1 8 . 2 8 6 3 0 3 6 .   [ 1 0 ]   Z.   C h e n ,   C .   K .   Y e o ,   B .   S .   Le e ,   a n d   C .   T .   L a u ,   “ A u t o e n c o d e r - b a sed   n e t w o r k   a n o m a l y   d e t e c t i o n , ”   i n   2 0 1 8   Wi r e l e ss   T e l e c o m m u n i c a t i o n s   S y m p o si u m   ( WT S ) ,   A p r .   2 0 1 8 ,   p p .   1 – 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / W TS.2 0 1 8 . 8 3 6 3 9 3 0 .   [ 1 1 ]   “ K D D   c u p   1 9 9 9   d a t a , ”   U C I   K D D   Arc h i v e ,   1 9 9 9 .   A c c e sse d :   M a r .   3 0 ,   2 0 1 9 .   [ O n l i n e ] .   A v a i l a b l e :   h t t p : / / k d d . i c s. u c i . e d u / d a t a b a s e s/ k d d c u p 9 9 / k d d c u p 9 9 . h t m l   [ 1 2 ]   F .   F a r a h n a k i a n   a n d   J .   H e i k k o n e n ,   “ A   d e e p   a u t o - e n c o d e r   b a s e d   a p p r o a c h   f o r   i n t r u s i o n   d e t e c t i o n   s y s t e m , ”   i n   2 0 1 8   2 0 t h   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   A d v a n c e d   C o m m u n i c a t i o n   T e c h n o l o g y   ( I C A C T ) ,   F e b .   2 0 1 8 ,   p p .   1 7 8 – 1 8 3 ,   d o i :   1 0 . 2 3 9 1 9 / I C A C T . 2 0 1 8 . 8 3 2 3 6 8 8 .   [ 1 3 ]   “ N S L - K D D   d a t a se t , ”  U n i v e rs i t y   o f   N e w   Br u n sw i c k .   A c c e s sed :   Ja n .   3 0 ,   2 0 1 9 .   [ O n l i n e ] .   A v a i l a b l e :   h t t p s : / / w w w . u n b . c a / c i c / d a t a se t s/ n s l . h t ml .   [ 1 4 ]   A .   O .   A l z a h r a n i   a n d   M .   J .   F .   A l e n a z i ,   “ D e s i g n i n g   a   n e t w o r k   i n t r u s i o n   d e t e c t i o n   sy s t e m   b a se d   o n   ma c h i n e   l e a r n i n g   f o r   so f t w a r e   d e f i n e d   n e t w o r k s, ”   F u t u r e   I n t e r n e t ,   v o l .   1 3 ,   n o .   5 ,   A p r .   2 0 2 1 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / f i 1 3 0 5 0 1 1 1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.