如何阻止針對AI模型的對抗性攻擊
責編：gltian ｜2023-04-18 10:08:40人工智能（AI）技術的進步已對人類社會產生了重大影響，但也引起了研究人員的擔憂，因為隨著AI技術的深入應用，與之相應的對抗性攻擊也變得越來越普遍。這些攻擊可能會對AI系統的安全性和可靠性造成威脅，甚至產生破壞性的后果。本文將對AI模型應用中的對抗性攻擊及其威脅進行分析，并探討一些有效的防御方法。
對抗性攻擊的類型
對抗性攻擊是指利用AI模型中的不足和漏洞，破壞AI模型用來學習的數據，并生成能夠欺騙模型的對抗樣本。這些樣本看起來與正常數據非常相似，但是卻能夠導致模型產生錯誤的輸出結果。目前，對抗性攻擊已經成為了人工智能技術應用領域中一個非常重要的研究方向。
在對抗性攻擊中，攻擊者會用多種方法生成對抗樣本，例如快速梯度符號方法（FGSM）、基于梯度的優化方法（BIM）、投影算法攻擊（PGD）等。這些方法都是通過對原始數據進行擾動，從而欺騙AI模型。根據威脅分子了解AI模型的不同方式，我們可以將AI對抗性攻擊分為以下兩類：
1.白盒攻擊
在白盒攻擊中，威脅分子已經充分了解AI模型的內部工作原理，知道其規格、訓練數據、處理技術和詳細參數，能夠設計專門針對該模型的對抗性攻擊。
白盒攻擊的第一步是改變原始訓練數據，修改后的數據仍將與原始數據非常相似，但足以導致AI模型生成不準確的結果。在攻擊之后，威脅分子還會通過為模型反饋對抗性示例（旨在導致模型出錯的失真輸入）來評估模型的有效性，并分析輸出。結果越不準確，攻擊就越成功。
2. 黑盒攻擊
如果攻擊者只能獲取AI模型的輸入和輸出，無法獲取其內部結構和參數，就會使用黑盒攻擊方法。在這種攻擊場景下，攻擊者需要使用一些基于元模型或遷移學習的技術來生成對抗性樣本。黑盒攻擊的第一步是選擇AI模型的輸入目標。然后，通過為數據添加精心設計的干擾信號來生成惡意輸入，這些干擾信號是人眼看不見的，卻能導致AI模型功能失靈。模型生成的結果可以幫助攻擊者不斷修改版本，直到模型會反饋他們希望實現的對抗性結果。
對抗性攻擊的手段
惡意攻擊者可以使用不同的技術來執行對抗性攻擊，主要包括：
1.? 投毒
攻擊者可以操縱（毒化）AI模型的一小部分輸入數據，以破壞其訓練數據集和準確性。最常見的投毒形式是后門投毒，即使極少一部分訓練數據受到影響。在很長時間里，AI模型仍然可以繼續給出高度準確的結果，直到它在接觸特定的觸發器時被“激活”而功能失靈。
2. 逃避
這種技術的攻擊危害較大，因為它可以通過規避AI的安全系統來避免被發現。大多數AI模型配備了異常檢測系統。而逃避技術充分利用了針對這些系統的對抗性實例。對自動駕駛汽車或醫療診斷模型等應用領域，使用逃避攻擊帶來的不準確結果可能會釀成嚴重后果。
3. 傳遞
使用這種技術的威脅分子不需要事先了解AI模型的參數。他們使用在過去成功攻陷的模型來發起對抗性攻擊。如果一個AI系統被訓練用于處理對抗性樣本，那么它可能會將正常數據也誤分類為對抗性樣本。這種情況下，一個已經被攻破的模型可能會成為其他模型的威脅。
4. 代理
攻擊者也可以使用代理模式來規避AI模型的安全防護系統。通過使用這種技術，威脅分子可以創建與目標模型非常相似的版本，即代理模型。代理模型的結果、參數和行為與被復制的原始模型高度相似。這種攻擊多被用于針對原始目標AI模型。
阻止對抗性攻擊的方法
解決對抗性攻擊問題是非常必要的。研究人員提出了一些技術性方法來提高模型的魯棒性。同時，也需要加強安全意識和技術防范措施，在實際應用中保障AI系統的安全和可靠性。
1.對抗性訓練
對抗性訓練是指使用對抗性示例來訓練AI模型，提高了模型的穩健性，讓模型能夠適應各種惡意輸入。對抗訓練是目前應用最廣泛的一種防護方法。在對抗訓練中，模型會被迫學習如何處理對抗性樣本，從而提高其魯棒性。但是，對抗訓練也存在一些問題，例如需要大量的計算資源和時間，并且可能會導致模型過度擬合等。
2.定期安全審計
通過定期檢查AI模型異常檢測系統，可以有效識別和過濾對抗性樣本。這需要有意為模型饋送對抗性示例，并密切關注模型面對惡意輸入時的行為。此外，開展安全審計通常需要額外的檢測工具和模塊，可能會影響系統效率。
3.數據凈化/干擾
這個方法指使用輸入驗證來識別模型中的惡意輸入。當識別惡意軟件后，必須立即清除。使用輸入驗證來識別。同時，也可以在輸入數據中添加一些隨機噪聲或擾動，以增加攻擊者生成對抗性樣本的難度。
4.模型融合
可以將多個深度學習模型進行融合，以提高整體系統的魯棒性和安全性。不過在多個AI模型的融合過程中，可能會增加系統的復雜度和計算成本。
5.安全更新
實施高效的安全更新管理和補丁更新也很重要，不是防火墻、反惡意軟件程序、入侵檢測防御系統，這類多層安全措施有助于阻止攻擊者對AI模型應用造成外部干擾。
參考鏈接：
https://www.makeuseof.com/what-are-adversarial-attacks-ai-models-and-how-to-stop-them/