Оптимізація XAI для швидкодійних нейромережевих систем виявлення аномалій у трафіку
DOI:
https://doi.org/10.26565/2304-6201-2025-66-02Ключові слова:
кібербезпека, системи виявлення вторгнень, глибоке навчання, пояснюваний штучний інтелект, виявлення аномалій, нейронні мережі, оптимізація XAIАнотація
Актуальність. У сучасних мережевих середовищах системи виявлення вторгнень (IDS), що базуються на технологіях глибокого навчання, демонструють значні переваги у виявленні складних і динамічних кіберзагроз. Однак їх широке практичне застосування суттєво обмежене обчислювальною складністю, високими затримками та низькою інтерпретованістю ухвалених рішень, відомою як проблема «чорної скриньки». Інтеграція методів пояснюваного штучного інтелекту (XAI) у нейромережеві системи IDS є необхідною умовою для забезпечення прозорості ухвалення рішень, довіри операторів та ефективності оперативного реагування на кіберінциденти в режимі реального часу.
Мета. Основною метою дослідження є розроблення та оптимізація методів XAI для нейромережевих систем виявлення аномалій у мережевому трафіку, що здатні функціонувати з низькими затримками в реальному часі, забезпечуючи баланс між прозорістю ухвалених рішень, обчислювальною ефективністю та точністю класифікації загроз.
Методи дослідження. У роботі здійснено системний огляд і порівняльний аналіз сучасних моделей глибокого навчання (CNN, LSTM, GRU, автоенкодери, гібридні моделі CNN-LSTM) та найбільш поширених методик XAI (SHAP, LIME, Integrated Gradients, DeepLIFT, Grad-CAM, Anchors). Розроблено оптимізаційні підходи, які включають апаратне прискорення, застосування спрощених методів пояснення на основі градієнтів, створення гібридних архітектур із вбудованими механізмами інтерпретації (наприклад, CNN-LSTM із механізмами уваги) та вибіркове пояснення рішень. Емпірична перевірка запропонованих рішень проведена на загальновідомих наборах даних (CICIDS2017, NSL-KDD, UNSW-NB15).
Результати. За результатами аналізу встановлено, що градієнтні методи пояснення (Integrated Gradients, DeepLIFT) найбільш придатні для інтеграції у високошвидкісні IDS завдяки мінімальному часу генерації пояснень і високій точності. Гібридні архітектури з вбудованими механізмами пояснення (ELAI framework на основі CNN-LSTM із механізмами уваги) продемонстрували високу ефективність: точність виявлення перевищила 98%, а час прийняття рішення не перевищував 10 мс. Оптимізовані методики дозволили істотно підвищити ефективність виявлення атак типу «нульового дня» до рівня 91,6%.
Висновки. У результаті проведеного дослідження запропоновано практичні підходи щодо інтеграції пояснюваності в нейромережеві системи IDS, які функціонують у режимі реального часу, що дозволяє суттєво підвищити якість виявлення загроз, прозорість рішень та довіру до систем з боку операторів кібербезпеки. Перспективи подальших досліджень пов’язані зі стандартизацією оцінювання пояснюваності, вдосконаленням архітектур на основі механізмів уваги та розширенням цих підходів на інші завдання кібербезпеки.
Посилання
Otoum Y., Nayak A. AS-IDS: Anomaly and Signature Based IDS for the Internet of Things. Journal of Network and Systems Management. 2021. Vol. 29, no. 3. URL: https://doi.org/10.1007/s10922-021-09589-6 [in English] (date of access: 14.06.2025).
Securing financial data storage: A review of cybersecurity challenges and solutions / Chinwe Chinazo Okoye et al. International Journal of Science and Research Archive. 2024. Vol. 11, no. 1. P. 1968–1983. URL: https://doi.org/10.30574/ijsra.2024.11.1.0267 [in English] (date of access: 15.06.2025).
Federated Learning for intrusion detection system: Concepts, challenges and future directions / S. Agrawal et al. Computer Communications. 2022. URL: https://doi.org/10.1016/j.comcom.2022.09.012 [in English] (date of access: 16.06.2025).
Deep Learning vs. Machine Learning for Intrusion Detection in Computer Networks: A Comparative Study / M. L. Ali et al. Applied Sciences. 2025. Vol. 15, no. 4. P. 1903. URL: https://doi.org/10.3390/app15041903 [in English] (date of access: 16.06.2025).
Deep Learning Approach for Intelligent Intrusion Detection System / R. Vinayakumar et al. IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 41525–41550. URL: https://doi.org/10.1109/access.2019.2895334 [in English] (date of access: 19.06.2025).
Gaspar D., Silva P., Silva C. Explainable AI for Intrusion Detection Systems: LIME and SHAP Applicability on Multi-Layer Perceptron. IEEE Access. 2024. P. 1. URL: https://doi.org/10.1109/access.2024.3368377 [in English] (date of access: 19.06.2025).
Federated XAI IDS: An Explainable and Safeguarding Privacy Approach to Detect Intrusion Combining Federated Learning and SHAP / K. Fatema et al. Future Internet. 2025. Vol. 17, no. 6. P. 234. URL: https://doi.org/10.3390/fi17060234 [in English] (date of access: 21.06.2025).
Arreche O., Guntur T., Abdallah M. XAI-IDS: Toward Proposing an Explainable Artificial Intelligence Framework for Enhancing Network Intrusion Detection Systems. Applied Sciences. 2024. Vol. 14, no. 10. P. 4170. URL: https://doi.org/10.3390/app14104170 [in English] (date of access: 21.06.2025).
Enhancing intrusion detection: a hybrid machine and deep learning approach / M. Sajid et al. Journal of Cloud Computing. 2024. Vol. 13, no. 1. URL: https://doi.org/10.1186/s13677-024-00685-x [in English] (date of access: 24.06.2025).
Stacking Ensemble Deep Learning for Real-Time Intrusion Detection in IoMT Environments / E. Alalwany et al. Sensors. 2025. Vol. 25, no. 3. P. 624. URL: https://doi.org/10.3390/s25030624 [in English] (date of access: 25.06.2025).
Laxmi, Chauhan K. AI-Based Intrusion Detection Systems for Novel Attacks in IoT and APTs: A Deep Learning-Centric Review. International Journal of Computer Science and Information Security (IJCSIS), Vol. 23, No. 3, May-June. URL: https://www.academia.edu/130243382/AI_Based_Intrusion_Detection_Systems_for_Novel_Attacks_in_IoT_and_APTs_A_Deep_Learning_Centric_Review?bulkDownload=true [in English] (date of access: 25.06.2025).
A high performance hybrid LSTM CNN secure architecture for IoT environments using deep learning / P. Sinha et al. Scientific Reports. 2025. Vol. 15, no. 1. URL: https://doi.org/10.1038/s41598-025-94500-5 [in English] (date of access: 27.06.2025).
Ribeiro M. T., Singh S., Guestrin C. "Why Should I Trust You?". KDD '16: The 22nd ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining, San Francisco California USA. New York, NY, USA, 2016. URL: https://doi.org/10.1145/2939672.2939778 [in English] (date of access: 27.06.2025).
Lundberg S. M., Lee S.-I., ”A unified approach to interpreting model predictions,” in Advances in Neural Information Processing Systems (NIPS), vol. 30, 2017. URL: https://arxiv.org/abs/1705.07874v2 [in English] (date of access: 27.06.2025).
Mohale V. Z., Obagbuwa I. C. A systematic review on the integration of explainable artificial intelligence in intrusion detection systems to enhancing transparency and interpretability in cybersecurity. Frontiers in Artificial Intelligence. 2025. Vol. 8. URL: https://doi.org/10.3389/frai.2025.1526221 [in English] (date of access: 04.07.2025).
Explainable Intrusion Detection Systems (X-IDS): A Survey of Current Methods, Challenges, and Opportunities / S. Neupane et al. IEEE Access. 2022. Vol. 10. P. 112392–112415. URL: https://doi.org/10.1109/access.2022.3216617 [in English] (date of access: 04.07.2025).
Alomari Y., Andó M. SHAP-based insights for aerospace PHM: Temporal feature importance, dependencies, robustness, and interaction analysis. Results in Engineering. 2024. Vol. 21. P. 101834. URL: https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.101834 [in English] (date of access: 06.07.2025).
Explainable Artificial Intelligence for Intrusion Detection System / S. Patil et al. Electronics. 2022. Vol. 11, no. 19. P. 3079. URL: https://doi.org/10.3390/electronics11193079 [in English] (date of access: 06.07.2025).
Visani G. LIME: explain Machine Learning predictions. Medium. URL: https://medium.com/data-science/lime-explain-machine-learning-predictions-af8f18189bfe [in English] (date of access: 07.07.2025).
Leveraging Grad-CAM to Improve the Accuracy of Network Intrusion Detection Systems / F. P. Caforio et al. Discovery Science. Cham, 2021. P. 385–400. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-030-88942-5_30 [in English] (date of access: 08.07.2025).
Evaluating Explainable AI for Deep Learning-Based Network Intrusion Detection System Alert Classification / R. Kalakoti et al. 11th International Conference on Information Systems Security and Privacy, Porto, Portugal, 20–22 February 2025. 2025. P. 47–58. URL: https://doi.org/10.5220/0013180700003899 [in English] (date of access: 09.07.2025).
Ribeiro M. T., Singh S., Guestrin C. Anchors: High-Precision Model-Agnostic Explanations. Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence. 2018. Vol. 32, no. 1. URL: https://doi.org/10.1609/aaai.v32i1.11491 [in English] (date of access: 11.07.2025).
Explainable AI for Comparative Analysis of Intrusion Detection Models / P. M. Corea et al. 2024 IEEE International Mediterranean Conference on Communications and Networking (MeditCom), Madrid, Spain, 8–11 July 2024. 2024. P. 585–590. URL: https://doi.org/10.1109/meditcom61057.2024.10621339 [in English] (date of access: 13.07.2025).
Bhagyashree D Shendkar. Explainable Machine Learning Models for Real-Time Threat Detection in Cybersecurity. Panamerican Mathematical Journal. 2024. Vol. 35, no. 1s. P. 264–275. URL: https://doi.org/10.52783/pmj.v35.i1s.2313 [in English] (date of access: 13.07.2025).
Rahmati M. Towards Explainable and Lightweight AI for Real-Time Cyber Threat Hunting in Edge Networks. URL: https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.16118 [in English] (date of access: 14.07.2025).
Yagiz M. A., Goktas P. LENS-XAI: Redefining Lightweight and Explainable Network Security through Knowledge Distillation and Variational Autoencoders for Scalable Intrusion Detection in Cybersecurity. URL: https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.00790 [in English] (date of access: 15.07.2025).