李濤，郭淵博，琚安康

（信息工程大學密碼工程學院，河南 鄭州 450001）

1 引言

對威脅信息的持續(xù)跟蹤與分析，已成為增強網(wǎng)絡安全防護的一項重要舉措。以威脅情報為主的網(wǎng)絡威脅信息通常以網(wǎng)絡安全文本的形式披露，包括各類網(wǎng)絡安全社區(qū)發(fā)布的博客、白皮書；軟件廠商發(fā)布的安全公告等。然而，近年來層出不窮的網(wǎng)絡安全事件導致網(wǎng)絡威脅情報海量增長。由于非結構化形式的網(wǎng)絡威脅情報不能被機器所理解，繼續(xù)依靠人工方式從文本形式的威脅情報中識別、提取諸如新型漏洞信息、漏洞利用方式、網(wǎng)絡攻擊工具以及攻擊模式等關鍵威脅信息，并進行關聯(lián)分析已無法滿足網(wǎng)絡安全防御的現(xiàn)實需求。為此，利用信息抽取技術，從網(wǎng)絡安全文本中自動地抽取安全相關的實體、概念以及關系，將非結構化的數(shù)據(jù)轉換成易于共享和集成的結構化表達，形成網(wǎng)絡安全鏈接數(shù)據(jù)[1]，并構建網(wǎng)絡安全知識圖譜，賦予機器認知智能以實現(xiàn)網(wǎng)絡安全文本的挖掘與智能化分析，將在網(wǎng)絡安全主動防御體系的構建中發(fā)揮重要作用。

信息抽取作為文本挖掘的關鍵技術，已被廣泛應用于摘要生成、自動問答、知識圖譜等領域[2]。信息抽取可細分為命名實體識別、實體關系抽取和事件抽取3 個子任務，其中通過實體識別和實體關系抽取來獲取語義三元組，是構建知識圖譜、理解自然語言的重要前提。由于網(wǎng)絡安全領域所關注的實體包括攻擊者、攻擊方式、漏洞名、資產(chǎn)等特定類別，且關系抽取所針對的是此類與網(wǎng)絡威脅相關的特定實體間的語義表達，而現(xiàn)有的信息抽取系統(tǒng)無法適用于網(wǎng)絡安全領域實體與關系的抽取。為滿足應用的需求，需開發(fā)面向網(wǎng)絡安全領域的知識抽取系統(tǒng)。

相較于在通用領域以及金融、法律、生物醫(yī)學等領域的成功應用，面向網(wǎng)絡安全領域的知識抽取研究才剛起步。2018 年，第十二屆國際語義評測比賽中的任務8 旨在運用自然語言處理技術實現(xiàn)網(wǎng)絡安全文本的語義信息抽取[3]，其中包含了針對惡意軟件相關文本中實體、關系及其屬性進行標簽預測的子任務。當前面向網(wǎng)絡安全領域的知識抽取研究是通過流水線模式進行的，即首先通過命名實體識別來獲取網(wǎng)絡安全相關的實體[4]，在此基礎上再根據(jù)預定義的實體關系類別進行候選實體對間的關系預測[5]，進而得到網(wǎng)絡安全知識三元組。盡管流水線框架具有集成不同數(shù)據(jù)源和學習算法的靈活性，但也存在一定的問題[6]：1) 關系抽取依賴實體識別的結果，而實體識別階段產(chǎn)生的錯誤將傳播到關系預測階段，影響關系抽取效果；2) 將實體識別與關系抽取分開執(zhí)行，無法充分利用2 個任務間的語義聯(lián)系；3) 先識別實體，再進行關系預測，導致流水線框架下信息抽取效率較低。

不同于流水線框架，實體與關系的聯(lián)合抽取旨在對2 個任務同時建模，當前實體與關系的聯(lián)合抽取得到研究者的廣泛關注[7]。早期關于聯(lián)合抽取的研究依賴復雜的特征工程以及自然語言處理工具，隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡的廣泛應用，研究人員提出端到端的實體?關系聯(lián)合抽取模式?，F(xiàn)有的實體關系聯(lián)合學習方法包括基于參數(shù)共享的方法和基于序列標注的方法。前者對實體識別和關系抽取任務通過共享編碼層模型進行聯(lián)合學習，其在訓練時共享部分參數(shù)，此方法本質(zhì)上仍將2 個任務分開執(zhí)行，會產(chǎn)生冗余信息；后者將實體與關系聯(lián)合抽取任務轉換成序列標注問題，基于實體?關系的聯(lián)合標注策略進行建模，直接得到實體?關系三元組[2]。Zheng等[8]首次提出基于序列標注的實體與關系聯(lián)合抽取方法，并在通用領域的知識抽取中取得了較好的效果。但由于其假設一個實體只有一個關系標簽，無法適用于存在重疊關系的領域文本。為解決面向生物醫(yī)學文本實體與關系聯(lián)合抽取中的重疊關系問題，曹明宇等[7]改進Zheng 等[8]提出的聯(lián)合標注模式，在藥物?藥物關系抽取中取得了較好的效果。通過類比生物醫(yī)學文本發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡安全文本中同一個實體也可能參與多個語義關系，因此面向網(wǎng)絡安全領域的實體與關系聯(lián)合抽取中也存在重疊關系問題。

盡管端到端的神經(jīng)網(wǎng)絡模型在諸多任務中性能突出，但其在實際應用中依賴大規(guī)模的標簽數(shù)據(jù)。相較于通用領域大量可獲取的標注語料，網(wǎng)絡安全領域的標注語料極其缺乏，導致同一模型應用于網(wǎng)絡安全領域的實體識別與關系抽取任務時效果不佳。而不需要標簽數(shù)據(jù)的無監(jiān)督學習方法性能通常弱于監(jiān)督學習。為此，面向網(wǎng)絡安全領域的語料標注仍然是提升實體識別與關系抽取性能的一項關鍵任務。然而針對網(wǎng)絡安全文本的標注通常存在兩方面的問題：1) 需要網(wǎng)絡安全領域的專家或具備一定網(wǎng)絡安全知識的從業(yè)人員才能完成對網(wǎng)絡安全文本的標注；2) 相較于通用領域的文本語料，網(wǎng)絡安全文本中含有更多的對象實例，因此需要投入更多的人工成本去標注。為減輕人工標注數(shù)據(jù)的負擔，主動學習算法能夠從未標注數(shù)據(jù)池中增量地采樣出富有信息的樣本，由專家進行標注后補充到標簽數(shù)據(jù)集中，并通過迭代訓練提升模型學習的性能。然而，盡管現(xiàn)有的主動學習算法在數(shù)據(jù)分類任務中性能良好，但此類采樣策略應用于具有豐富標簽空間的序列標注任務時將變得極其復雜。

為解決網(wǎng)絡安全領域知識抽取中存在的上述問題，本文提出一種融合對抗主動學習的實體與關系聯(lián)合抽取方案?；诼?lián)合標注策略將實體識別與關系抽取任務轉化為序列標注問題，并通過對抗學習機制訓練一個判別器模型來篩選出富有信息量的樣本進行人工標注，實現(xiàn)以較低的數(shù)據(jù)標注代價完成聯(lián)合模型的訓練。本文的主要貢獻包含3 個方面。

1) 不同于流水線模式的網(wǎng)絡安全實體識別與關系抽取，本文將2 個子任務聯(lián)合起來建模為序列標注，提出一種基于端到端的網(wǎng)絡安全實體與關系聯(lián)合抽取框架。

2) 面向網(wǎng)絡安全文本知識抽取，基于長短時記憶（LSTM,long short-term memory neural）網(wǎng)絡和雙向長短時記憶（BiLSTM,bidirectional LSTM）網(wǎng)絡，提出一種融合動態(tài)注意力機制的BiLSTMLSTM 序列標注模型。

3) 針對網(wǎng)絡安全領域標注語料缺乏的問題，基于主動學習思想，并融合對抗學習機制，提出一種對抗主動學習框架下的待標注語料采樣方法。

2 相關工作

隨著網(wǎng)絡威脅的激增，詳細的威脅內(nèi)容以非結構化的自然語言文本形式存在，諸如安全報告、白皮書、博客、公告等。而針對此類威脅信息的分析與集成對于安全人員來說是煩瑣且復雜的工作。因此，對威脅信息的自動化提取是亟待解決的問題。Liao[9]開發(fā)了一套iACE 系統(tǒng)，用于自動地從威脅情報文本中提取威脅失陷指標（IoC,indicator of compromise）及其上下文關系。Panwar[10]基于IoC的提取框架，可以從Cuckoo 沙箱結果中生成結構化威脅信息表達（STIX,structured threat information expression）格式的IoC。Gasmi 等[11]將自然語言處理領域中的命名實體識別方法非結構化安全信息的抽取中，結合LSTM 模型和條件隨機場（CRF,conditional random field），提出一種基于LSTM-CRF的模型，對安全領域文檔中相關實體，如產(chǎn)品、版本以及攻擊名稱等進行識別。Chambers 等[12]基于自然語言處理（NLP,natural language processing）的思想，通過訓練前饋神經(jīng)網(wǎng)絡和文檔主題生成（LDA,latent Dirichlet allocation）模型，從社交媒體數(shù)據(jù)中提取表征攻擊行為的實體，進而實現(xiàn)分布式拒絕服務（DDoS,distributed denial of service）攻擊的檢測。Zhou 等[13]和Long 等[14]運用端到端的神經(jīng)網(wǎng)絡并結合注意力機制，針對威脅情報語料建立模型，訓練得到IoC 提取器，在實際的IoC 抽取效果上表現(xiàn)出較高的準確率。由于對威脅情報的利用不僅限于IoC，威脅情報報告中提供了更多有關網(wǎng)絡攻擊的詳細信息，尤其是有關攻擊者、攻擊技術、攻擊工具等的語義信息。秦婭等[15]在對威脅情報語料分析的基礎上，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN,convolutional neural network）獲取語料字符嵌入特征，提出一種融合特征模板的CNN-BiLSTM-CRF 的網(wǎng)絡安全實體識別方法，在對網(wǎng)絡安全文本數(shù)據(jù)涉及的人名、地名、組織名、軟件名、網(wǎng)絡相關術語以及漏洞編號的識別上取得了不錯的效果。張若彬等[16]針對安全漏洞領域的命名實體，提出一種基于BLSTM-CRF 的識別模型，并結合領域詞典對識別結果進行校正，實現(xiàn)對漏洞編號、漏洞名、漏洞類型、漏洞利用條件（軟件供應商、操作系統(tǒng)、應用軟件）、攻擊方式共7 類漏洞相關命名實體的有效識別。此外，Pingle 等[5]開發(fā)了一套基于深度學習的威脅情報語義關系抽取系統(tǒng)，從開源威脅情報中獲取語義三元組，并與安全運營中心結合進一步提升網(wǎng)絡安全防御能力。上述研究均屬于流水線模式，而目前尚未出現(xiàn)面向網(wǎng)絡安全領域的知識聯(lián)合抽取研究。

主動學習算法旨在逐步選擇用于標注的樣本，從而以較低的標記成本實現(xiàn)模型較高的分類性能。當前主動學習領域的研究包括基于樣本生成的主動學習和基于池的主動學習?；跇颖旧傻闹鲃訉W習方法屬于生成模型范疇，通過生成富有信息的樣本，再由專家進行樣本標記。Zhu 等[17]首次通過生成式對抗網(wǎng)絡（GAN,generative adversarial network）來合成待標注樣本，建立主動學習模型。但由于GAN模型存在訓練困難以及模式崩壞的情況，生成的樣本可能不滿足真實樣本的數(shù)據(jù)分布，當生成無意義的樣本時，很難對其進行人工標注。因此，此類方法依賴于生成樣本的質(zhì)量和多樣性。

基于池的主動學習是從數(shù)據(jù)池中篩選樣本進行人工標注，當前基于池的主動學習算法是主動學習的主要研究領域，并已在圖像分類、語音識別、文本分類以及信息檢索等諸多實際場景中得到廣泛應用?；诔氐闹鲃訉W習方法中具有代表性的采樣策略包括基于不確實性的方法、基于集成的方法以及基于核心集的方法等。Culotta 等[18]利用最小置信度準則評估線性CRF 模型在序列預測任務上的不確定性，實現(xiàn)主動學習算法在序列標注任務上的應用。Houlsby 等[19]提出了一種貝葉斯不一致主動學習算法，其中采樣函數(shù)通過訓練樣本關于模型參數(shù)的互信息來進行不確定性度量。Gal 等[20]通過揭露不確定性和正則化之間的關系來度量神經(jīng)網(wǎng)絡預測中的不確定性，并將其應用于主動學習。Sener 等[21]提出基于核心集的主動學習算法，該算法使采樣數(shù)據(jù)點和訓練模型的特征空間中未采樣點間的歐幾里得距離達到最小化。Kuo 等[22]提出一種基于集成的主動學習算法來表示不確定性，但該算法容易造成對樣本的冗余采樣。此外，Shen 等[23]將深度主動學習算法運用于命名實體識別任務中，并比較了最小置信度算法、貝葉斯非一致主動學習和最大歸一化對數(shù)概率這3 類采樣策略的性能。

3 方法描述

3.1 模型架構

本節(jié)對所提模型進行詳細描述，模型整體架構如圖1 所示。模型由2 個模塊組成：實體?關系聯(lián)合抽取的序列標注模塊和對抗主動學習模塊，其中聯(lián)合抽取模塊包含表示層、編碼層、動態(tài)注意力層、解碼層。

對于三元組聯(lián)合抽取模塊，首先，在表示層利用word2vec 基于所收集的網(wǎng)絡安全文本訓練得到詞向量表，將輸入序列映射成對應的詞向量表示，此外，獲取每個詞所對應的字符特征向量，并將其與詞向量進行拼接，組成模型的輸入；然后，利用BiLSTM 作為編碼層，得到輸入數(shù)據(jù)的特征編碼，并結合動態(tài)注意力機制進一步捕獲序列的上下文依存特征，將所得注意力向量輸入LSTM 解碼層得到標簽序列的向量表示；最后，根據(jù)softmax 分類器的標簽得分來輸出文本的標簽序列。在對抗主動學習模塊，基于BiLSTM 得到標注語句與未標注語句的特征向量，將其輸入判別網(wǎng)絡通過比較數(shù)據(jù)分布的相似性，篩選出需要標記的數(shù)據(jù)交由專家進行標記，并將標記后的數(shù)據(jù)加入標簽訓練集中，以此對聯(lián)合抽取模型迭代進行訓練。

3.2 標注策略及匹配規(guī)則

圖1 模型整體架構

本節(jié)對所采用的標注策略進行詳細闡述。Zheng 等[8]首次將實體與關系的聯(lián)合抽取問題轉換成序列標注任務，提出了實體與關系的聯(lián)合標注策略。然而，由于其無法解決重疊關系問題，曹明宇等[7]在其基礎上改進了聯(lián)合標注策略，能夠較好地解決部分情形下的重疊關系問題。在類比網(wǎng)絡安全文本與生物醫(yī)學文本的領域特性基礎上，本文采用曹明宇等[7]提出的標注策略及三元組匹配規(guī)則，在實現(xiàn)網(wǎng)絡安全實體?關系聯(lián)合抽取的同時，解決聯(lián)合抽取中部分情形下的重疊關系問題。

參照曹明宇等[7]的聯(lián)合標注策略，本文在進行網(wǎng)絡安全文本序列標注時，標簽由實體邊界、實體類別、關系類別、實體位置共4 個部分組成，具體表示如下。

1) 實體邊界。針對當前句子序列，采用“BIOES（B-begin，I-inside，O-outside，E-end，S-single）”模式來標識單詞在實體中的位置信息，即B 表示對應單詞為實體的開始位置，I 表示對應單詞為實體的內(nèi)部，E 表示對應單詞為實體的結束位置，S表示對應單詞為單個實體，O 表示對應單詞為非實體。

2) 實體類別。分析網(wǎng)絡安全語料并結合網(wǎng)絡安全本體UCO2.0[5]，給出10 種實體類別：Organization，Location，Software，Malware，Indicator，Vulnerability，Course-of-action，Tool，Attack-pattern，Campaign。

3) 關系類別。分析網(wǎng)絡安全語料并結合UCO2.0，給出9 種網(wǎng)絡安全實體語義關系類別：comes-from，hasProduct，hasVulnerability，mitigates，uses，indicates，attributed-to，related-to，located-at。此外，增加一個M 標簽來表示當前單詞所屬的實體參與了多種不同類型的關系[7]。

4) 實體位置。實體位置由數(shù)字“1”“2”來標識，“1”表示該實體為三元組中的頭實體，“2”表示該實體為三元組中的尾實體。

圖2 給出了該標注策略下的一個示例。輸入序列中包含2 個三元組：（OceanLotus，Comes-From，Vietnam）和（OceanLotus，Uses，watering hole attack），其中Comes-From 和Uses 為預定義的關系類別。根據(jù)上述標注策略，序列中每個單詞都被賦予相應的標簽，非實體用O來標注。如單詞OceanLotus 為單個詞表示的實體，實體類別為Organization，其同時參與了Comes-From 和Uses 2 種關系，此類情形屬于重疊關系。此外，由于OceanLotus 實體在兩類關系中都處于頭實體的位置，因此其標簽為S-Org-M-1。

在對網(wǎng)絡安全文本輸入序列完成標注的基礎上，本文根據(jù)文獻[7]中提出的匹配規(guī)則實現(xiàn)實體與關系的組合。首先根據(jù)標注結果中的實體邊界和類別得到網(wǎng)絡安全實體，進而再根據(jù)實體關系類別和實體位置形成知識三元組。對于實體關系的確定，則根據(jù)最鄰近原則。當實體關系類別為非M 時，若實體位置標識為“1”，則其向后查找與之距離最近、具有相同關系類別且實體位置標識為“2”的實體來組成三元組；若實體位置標識為“2”，則其向前查找實體位置標識為“1”的能與之匹配的實體。當實體關系類別標注為M 時，該實體查找前后2 個方向上能與之匹配的實體，來組成知識三元組。

3.3 表示層和BiLSTM 特征編碼層

本文利用BiLSTM 模型實現(xiàn)對輸入序列的特征編碼，而在此之前需先在表示層將網(wǎng)絡安全文本轉化為低維、稠密的向量表示。為此，本文收集了大量網(wǎng)絡安全文本語料，包括AlienVault 威脅情報博客、welivesecurity 網(wǎng)絡安全博客、思科安全威脅類博客、CVE 漏洞描述以及近年來的APT 報告等，并利用word2vec 訓練得到100 維的詞向量表示，用于獲取輸入序列詞級別的特征。此外，為進一步加強序列的輸入特征表示，本文采用與文獻[24]中相同結構的CNN 模塊來抽取所輸入的網(wǎng)絡安全句子序列的字符特征，最后將其與前述所得的詞級別特征拼接后共同輸入模型中。

在此基礎上，利用BiLSTM 模型實現(xiàn)對輸入序列的特征抽取。假設當前時刻輸入向量xt，上一時刻所得隱藏狀態(tài)為ht?1，則在當前時刻根據(jù)上下文信息學習到的特征可簡要表示為

圖2 標注策略示例

進一步地，H={h1,h2,…,hT}作為BiLSTM 層的輸出，表示對輸入文本序列的特征編碼。

3.4 動態(tài)注意力機制

自注意力機制能夠直接學習句子中任意2 個詞之間的依存關系，并捕獲句子的內(nèi)部結構信息，其在機器翻譯和語義角色標注中已得到成功應用。Cao 等[25]將自注意力機制用于中文命名實體識別任務中，使模型性能得到較大提升。具體地，文本序列經(jīng)過 BiLSTM 層編碼后，得到特征向量H={h1,h2,…,hT}，則自注意力機制計算過程為

盡管上述注意力機制在序列建模過程中有助于捕獲詞之間的依存性，但對句子中的不同詞而言，其注意力在對序列的上下文權重影響分配時保持不變，未考慮注意力分布的實際差異。本文借鑒文獻[26]的思路，結合前述自注意力機制，提出一種動態(tài)注意力機制，以準確捕獲詞之間的相互影響。在動態(tài)注意力層，t時刻，將BiLSTM 層輸出的特征編碼th與自注意力機制對應輸出ta的拼接結果[ht,at]通過sigmod 函數(shù)進行濾波得到γt，接著進行點乘操作得到εt，并將其作為門控循環(huán)單元（GRU,gated recurrent unit）的輸入，具體計算過程為

其中，Ws和θ為超參數(shù)矩陣。將G={g1,g2,…,gt}記作動態(tài)注意力層的最終輸出結果，并將其輸入下層進行解碼。

3.5 LSTM 解碼層

相比于采用CRF 作為標簽解碼器，采用LSTM作為解碼器能夠顯著加快模型訓練速度，且能夠達到與CRF 相當?shù)男阅躘23]。面對序列標注時存在的豐富的標簽空間，本文參考Zheng等[8]使用的LSTM網(wǎng)絡作為解碼層以得到標簽序列，解碼層LSTM 單元結構如圖3 所示。

圖3 解碼層LSTM 單元結構

對于當前時刻單詞xt，使用LSTM 解碼獲得其標簽時，gt表示當前時刻從動態(tài)注意力層獲得的向量表示，Tt?1表示上一時刻詞的預測標簽向量，表示上一時刻標簽解碼輸出隱狀態(tài)，表示上一時刻解碼所得細胞狀態(tài)，則LSTM 解碼單元可形式化表示為

其中，σ和tanh 表示非線性激活函數(shù)，分別表示LSTM 解碼單元的輸入門、遺忘門和輸出門，表示t時刻的細胞狀態(tài)，表示輸出的隱狀態(tài)向量，則tT表示當前單詞對應的預測標簽的向量。

在獲得預測標簽向量的基礎上，進一步運用softmax 分類器計算標簽概率，得到當前單詞tx對應第i個類別標簽的概率為

其中，St=WsTt+bs表示當前單詞xt在所有標簽類別上的評分值，Ws表示softmax 分類器的權重矩陣，bs表示其偏置項。最終，得到對當前單詞xt的預測標簽為

3.6 對抗主動學習

不同于傳統(tǒng)的基于不確定性采樣的主動學習方式，本文融合對抗學習思想來評估標記數(shù)據(jù)和未標記數(shù)據(jù)間的相似性，提出對抗主動學習模式，以此增量地篩選出數(shù)據(jù)進行標記。

假設現(xiàn)有少量已標記的數(shù)據(jù)構成集合SL，未標記的數(shù)據(jù)構成集合SU。用sL和sU分別表示標記數(shù)據(jù)和未標記數(shù)據(jù)，則從標記數(shù)據(jù)集中選擇樣本記作sL～SL，從未標記數(shù)據(jù)集中選擇樣本記作sU～SU。在對抗主動學習模塊中，標記樣本sL和未標記樣本sU首先依次經(jīng)過表示層和BiLSTM 特征編碼層，得到隱層空間的特征向量表示HL和HU。通過訓練一個判別器來評估隱空間中特征向量的相似性，而BiLSTM 特征編碼模型則與判別器模型構成一個對抗網(wǎng)絡。在該對抗網(wǎng)絡中，編碼器BiLSTM 通過特征編碼，盡可能地使判別器誤認為特征向量均來自標記數(shù)據(jù)集，而判別器則盡可能地對隱空間中特征向量進行區(qū)分。完成訓練后，對于輸入的未標記樣本，判別器輸出一個概率值來表示樣本來自兩類數(shù)據(jù)集合的概率，將其記作與標記樣本的相似性得分。相似性得分高，表明未標記樣本所包含的信息量已經(jīng)在標記樣本中有所表達；相似性得分低，表明未標記樣本所包含的信息量標記樣本未曾包含，該樣本需交專家進行標注。將標注后的樣本加入標簽訓練集中，并對前述的聯(lián)合抽取模型重新進行訓練。

在對抗主動學習模塊中，BiLSTM 特征編碼器類似于對抗網(wǎng)絡中的生成器模型，其目標函數(shù)為最小化如式(18)所示的損失函數(shù)。

判別器的目標函數(shù)為最小化如式(19)所示的損失函數(shù)。

綜合考慮前述聯(lián)合抽取模塊和對抗主動學習中編碼器模塊，引入超參數(shù)λ調(diào)整兩類損失函數(shù)，可得其在整個模型中的目標函數(shù)為

上述對本文模型中聯(lián)合抽取模塊和對抗主動學習模塊分別進行了詳細的描述。基于對抗主動學習算法增量地篩選出需要標注的數(shù)據(jù)，將其標注后加入標簽訓練集，并對模型重新進行訓練。本文模型實現(xiàn)算法如算法1 所示。

算法1對抗主動學習下的網(wǎng)絡安全知識三元組抽取算法.

輸入初始標注訓練集SL，未標注數(shù)據(jù)集SU

輸出實體?關系三元組聯(lián)合抽取模型

epoch 從1 到N循環(huán)

1) 選擇標記樣本sL～SL

2) 計算式(16)中的目標函數(shù)LJE

3) 選擇未標記樣本sU～SU

4) 計算式(18)中的目標函數(shù)LG

5) 最小化式(20)中的目標函數(shù)L來更新參數(shù)θJE和θG

6)最小化式(19)中的目標函數(shù)LD來更新參數(shù)θD

7)計算所選樣本sU和sL間的相似性得分，并標注得分較低的樣本

8) 將新標注樣本添加到標注訓練集SL

結束循環(huán)

4 實驗

4.1 實驗設置

本文實驗所使用的數(shù)據(jù)語料采集自兩部分：1)針對SemEval 2018 Task 8 發(fā)布的網(wǎng)絡安全語料，從中篩選得到500 條涉及惡意軟件行為和屬性的句子作為初始訓練語料，另外篩選出1 464 條句子作為測試語料，并按照前文所述聯(lián)合標注策略進行標注；2) 從AlienVault 社區(qū)、welivesecurity 社區(qū)、Amazon 安全博客以及近兩年的APT 報告中篩選得到7 425 條威脅情報語句，標注后添加到訓練集，用于對抗主動學習模型的性能測試。此外，為比較聯(lián)合抽取模型與流水線模型的性能，針對上述所采集的語料，單獨構建了流水線模式中用于命名實體識別和實體關系抽取的標簽數(shù)據(jù)集。

本文在評價網(wǎng)絡安全實體?關系三元組聯(lián)合抽取結果時，類比文獻[7]中對藥物實體?關系三元組識別結果的判斷方式可得，若網(wǎng)絡安全實體邊界及其類別均被模型標記正確，則認為實體識別結果正確；若網(wǎng)絡安全實體邊界、實體類別及所屬關系類別均被模型標記正確，則判定關系抽取結果正確。針對網(wǎng)絡安全實體?關系聯(lián)合抽取性能的評價，本文采用信息抽取任務中通用的評價指標，即通過準確率P（precision）、召回率R（recall）以及F1 值（F1-score）3 項指標來評價聯(lián)合抽取模型的性能，并將F1 值作為評價模型性能的綜合性指標。本文模型涉及的主要超參數(shù)如表1 所示。

表1 本文模型涉及的主要超參數(shù)

4.2 序列標注模型性能對比實驗

由于本文將實體與關系的抽取聯(lián)合建模為序列標注任務，本節(jié)將所提聯(lián)合標注模型與NLP 領域典型的序列標注模型進行比較，包括CRF 模型、BiLSTM-CRF 模型、基于自注意力機制的BiLSTMCRF 模型、基于自注意力機制的BiLSTM-LSTM 模型，并查看使用字符特征與否對模型性能的影響。將上述所列模型在完整的標簽訓練集上訓練后評估模型性能，實驗結果如表2 所示。表2 中“○”表示對應模型使用了字符級的嵌入特征，“×”表示模型未使用該特征。

在完整標簽訓練集上完成訓練后，相比幾類典型的序列標注模型，本文所提融合動態(tài)注意力機制的BiLSTM-LSTM 模型在實體與關系聯(lián)合標注任務上性能最優(yōu)，取得了64.57%的F1 值。通過比較可以看出，相較于單一使用CRF模型，在增添BiLSTM網(wǎng)絡進行特征獲取后，模型性能得到提升，其原因可能是BiLSTM 在一定程度上解決了序列建模過程中的長距離依賴問題，在識別過程中能夠有效利用上下文信息。從表2 中可以看出，由于字符更關注詞本身的特征，在添加字符級別的嵌入特征后，BiLSTM-CRF 模型性能得到進一步的提升，其F1值增加了1.6%，表明增加字符向量對于序列標注的重要性。在此基礎上，再向BiLSTM-CRF 模型添加自注意力機制Self-att，BiLSTM-CRF 模型性能進一步得到提升。通過對比可以得出，模型性能得到提升的原因可歸結為Self-att 機制的運用，其通過捕獲詞之間的依存性，使所抽取的文本特征進一步得到增強，進而使模型識別性能得到提升。此外，再將自注意力機制下BiLSTM-CRF 模型中的解碼器由CRF 更換為LSTM 網(wǎng)絡。可以看出，兩者性能基本保持一致，表明LSTM 解碼能夠達到與傳統(tǒng)CRF 模型相當?shù)男Ч?。且由于在復雜標簽空間中，LSTM 解碼優(yōu)于CRF 模型，模型F1 值有0.13%的微小提升。最后，將自注意力機制替換為本文的動態(tài)注意力機制，由于考慮了自注意力權重分布的差異性，模型性能在F1 值上增加了1.46%，同時也證明本文所設計的動態(tài)注意力機制是有效的。

表2 模型性能比較

4.3 三元組抽取方法對比

如前文所述，當前知識三元組的抽取主要分為基于先識別實體、后抽取關系的流水線框架，以及實體與關系的聯(lián)合抽取方法。本節(jié)利用典型的流水線框架與聯(lián)合抽取方法對網(wǎng)絡安全知識三元組的抽取性能進行比較。

針對傳統(tǒng)的流水線框架，首先需要識別網(wǎng)絡安全語料中的命名實體，采用傳統(tǒng)方法中廣泛使用的BiLSTM-CRF 模型作為序列標注工具來識別實體。在獲得實體識別結果的基礎上，對于網(wǎng)絡安全語義關系抽取任務，本文分別采用端到端的 Att-PCNN_BiLSTM 模型[28]以及融合句法特征的SDP-LSTM 模型[29]進行關系分類。針對聯(lián)合抽取方法，除本文提出的聯(lián)合抽取模型外，還采用傳統(tǒng)基于參數(shù)共享的聯(lián)合抽取方法，包括性能較好的BiLSTM_Bi-TreeLSTM 模 型[30]以 及 BiLSTMCRF-Multi_head 模型[31]。實驗對比結果如表3 所示。

表3 三元組抽取方法比較

通過表3 可以看出，本文提出的融合了動態(tài)注意力機制的BiLSTM-LSTM 模型在知識三元組抽取任務上表現(xiàn)出最優(yōu)的性能，取得了64.57%的F1 值。本文方法直接實現(xiàn)實體與關系端到端的聯(lián)合抽取，其有效利用了實體識別和關系抽取任務間的語義聯(lián)系，相較于流水線方式中性能較好的關系分類模型，模型性能有較大提升，表現(xiàn)為F1 值增加了3.7%。相較于基于參數(shù)共享的聯(lián)合抽取模型，本文的聯(lián)合抽取方法性能也更優(yōu)，評估后發(fā)現(xiàn)F1 值比BiLSTM-CRF-Multi_head 模型提升了1.37%。雖然基于參數(shù)共享的聯(lián)合抽取方法也取得了不錯的效果，但由于其本質(zhì)上還是先識別實體、后識別關系，仍然存在一定程度的錯誤傳播與冗余信息。而本文提出的聯(lián)合抽取模型，基于對實體與關系的聯(lián)合標注策略，隱式地考慮了實體識別與關系抽取任務間的聯(lián)系，表現(xiàn)出更優(yōu)的性能。

4.4 三元組抽取實例分析

4.3 節(jié)對比了幾類知識三元組抽取方法，相較于流水線模式以及傳統(tǒng)的聯(lián)合抽取方法，本文模型整體上表現(xiàn)更佳。本節(jié)進一步查看傳統(tǒng)流水線的Att-PCNN_BiLSTM 模型、BiLSTM-CRF-Multi_head聯(lián)合抽取模型以及本文聯(lián)合抽取模型對網(wǎng)絡安全知識三元組的抽取效果。示例結果如表4 所示，“[]”加粗表示能夠正確識別的實體，“”下劃線表示未能被識別的實體，實體下標標識了該實體所屬的關系類別。

針對示例1 中的網(wǎng)絡安全句子序列，相較于標準的抽取結果，所用的三類模型均能夠正確識別出相應的實體及其類別。然而，對于流水線框架，基于此實體識別結果進行關系預測時，其將實體對間原本的語義關系“hasVulnerability”錯誤地分類為關系“uses”，此結果可能由于未考慮實體識別與關系抽取任務間的聯(lián)系所致。而兩類聯(lián)合抽取模型則準確地表達了其語義關系。

表4 三元組抽取結果示例

針對示例2，標準抽取結果應該含有3 個實體，且實體“APT 28”參與了多重關系，對于此標注結果，本文模型在準確識別實體的同時還能準確表達所有實體的關系類別。在流水線框架中，其未能識別出實體“spear phishing emails”。而基于參數(shù)共享的聯(lián)合抽取模型，對于實體“spear phishing emails”的識別出現(xiàn)邊界錯誤，且其無法處理重疊關系問題。

針對示例3，標準抽取結果理應包含4 個相關實體，而三類模型均未能準確識別出這些實體。對于流水線框架，其在實體識別時就產(chǎn)生較大的誤差，相應地也只表達了惡意軟件及其指示器之間的“indicates”關系。對于基于參數(shù)共享的聯(lián)合抽取模型，其未能識別實體“.7z”，且實體“spear phishing email”邊界識別有誤，其三元組抽取結果也只表達了“indicates”關系。對于本文模型，雖然只遺漏了實體“.7z”，但其對實體“spear phishing email”的實體位置標注錯誤，導致其在組成三元組時未能被匹配，由此說明本文方法在實體與關系的聯(lián)合識別中還有待改進與優(yōu)化。

4.5 對抗主動學習算法性能評估

為驗證本文所提對抗主動學習模塊的有效性，分別以完整的標簽訓練集和通過對抗主動學習篩選獲得的訓練集來評估本文實體與關系聯(lián)合抽取模型的性能，評估結果如表5 所示?？梢钥闯?，隨著標注數(shù)據(jù)量的增加，模型整體性能不斷提升。當獲得全部標注數(shù)據(jù)的45%，并對模型重新進行訓練時，模型性能與使用完整標簽訓練集訓練后的模型性能已經(jīng)非常接近，證明了本文所提對抗主動學習算法的有效性。

此外，將本文提出的對抗主動學習，與常規(guī)的主動學習算法進行比較，包括最小置信度（LC,least confidence）算法、貝葉斯非一致主動學習（BALD,Bayesian active learning by disagreement）以及最大歸一化對數(shù)概率（MNLP,maximum normalized log-probability）算法。運用各模型逐次篩選得到不同規(guī)模的標簽數(shù)據(jù)，并評估模型性能，結果如圖4所示。相比之下，本文所提對抗主動學習模型表現(xiàn)出最優(yōu)的性能。而基于LC 的主動學習算法性能最差，其原因是LC 算法在采樣時通過序列標注模型的輸出來計算不確定性，而復雜的標簽空間導致其采樣準確性較差。MNLP 算法和BALD 算法雖然在主動采樣時對模型不確定性的計算進行了一定的優(yōu)化，但其性能仍受到標簽空間的影響。不同于復雜的不確定性計算，本文所提對抗主動學習算法通過直接比較未標記數(shù)據(jù)和標記數(shù)據(jù)的相似性進行采樣，在降低計算復雜度的同時提高了模型采樣的準確率，其可實現(xiàn)以相對較低的數(shù)據(jù)標注代價來逐步提升三元組抽取效果。

表5 不同規(guī)模標注數(shù)據(jù)下的性能比較

圖4 主動學習算法性能對比

5 結束語

為實現(xiàn)面向網(wǎng)絡安全領域知識三元組的抽取，本文提出了一種融合對抗主動學習的網(wǎng)絡安全實體與關系聯(lián)合抽取模型。對于當前網(wǎng)絡安全領域知識抽取流水線模式存在的問題，提出基于聯(lián)合標注策略將實體識別與關系抽取同時建模為一個序列標注任務，通過BiLSTM 網(wǎng)絡對輸入序列進行特征編碼，并基于動態(tài)注意力機制準確捕獲詞之間的影響權重，在此基礎上利用LSTM 對標簽進行解碼預測。此外，針對網(wǎng)絡安全領域標簽數(shù)據(jù)缺乏的問題，提出基于對抗主動學習框架，評估標記樣本與未標記樣本間的相似性得分，篩選出高質(zhì)量的樣本進行標注，實現(xiàn)以較低的標注代價來提升模型性能。實驗驗證了本文所提對抗主動學習框架的有效性，并對比已有網(wǎng)絡安全實體與關系抽取模型，表明本文所提序列標注模型的性能更優(yōu)。