西安电子科技大学网信院

智能终端实验

实验报告（一）

班级：2018XX

学号：20009XXXX

日期：2023.4.24

一、实验摘要

研究不断推动机器学习模型更快，更精确，更有效。然而，设计和训练模型的一个经常被忽视的方面是安全性和鲁棒性，特别是在面对希望欺骗模型的对手时。向图像添加不可察觉的扰动可以导致完全不同的模型性能。我们将通过一个图像分类器的例子来探讨这个主题。具体来说，我们将使用第一个和最流行的攻击方法之一，快速梯度符号攻击(FGSM) ，以欺骗 MNIST 分类器。（摘自https://pytorch.org/tutorials/beginner/ fgsm_tutorial.htm l?highlight=a dversarial% 20example%20generation）

二、实验内容

a) 实验思路

####  简述

有许多类别的对抗性攻击，每种攻击都有不同的目标和对攻击者知识的假设。然而，一般来说，总体目标是向输入数据添加最少量的扰动，从而导致所需的错误分类。有几种假设攻击者的知识，其中两个是: 白盒和黑盒。白盒攻击假设攻击者对模型有完整的知识和访问权限，包括体系结构、输入、输出和权重。黑盒攻击假设攻击者只能访问模型的输入和输出，并且对底层架构或权重一无所知。还有几种类型的目标，包括错误分类和源/目标错误分类。错误分类的目标意味着对手只希望输出分类是错误的，而不关心新的分类是什么。源/目标错误分类意味着对手想要更改原来属于特定源类的图像，以便将其归类为特定目标类。在这种情况下，FGSM 攻击是以错误分类为目标的白盒攻击。有了这些背景信息，我们现在可以详细讨论这次攻击了。

快速梯度

原理简述

快速梯度符号攻击（FGSA），是通过基于相同的反向传播梯度来调整输入数据使损失最大化，简言之，共计使用了丢失的梯度值w.r.t输入数据，然后调整输入使数据丢失最大化。下图是实现的例子：

可以看出x是正常“熊猫”的原始输入图像，y是真实的图片输入，
θ表示模型参数，J(θ,x,y)是损失函数，∇xJ(θ,x,y)是攻击将梯度反向传播回要计算的输入数据。然后，它通过一个小步骤调整输入数据，如0.007倍的sign(∇xJ(θ,x,y))添加到里面会最大化损失函数。然后得到扰动图像x’，然后被目标网络错误地归类为“长臂猿”，而它显然仍然是一只“熊猫”。

b) 实现过程

1.输入

只有三个输入

Epsilons-运行时使用的 epsilon 值列表。在列表中保留0很重要，因为它表示原始测试集上的模型性能。此外，直观地，我们期望更大的 ε，更明显的扰动，但更有效的攻击方面的退化模型的准确性。因为这里的数据范围是 [ 0 , 1 ] [0,1] ，ε 值不应超过1。
Pretrain _ model-path加载预训练的模型
Use _ CUDA-boolean 标志来使用 CUDA，如果需要的话。

1
2
3

epsilons = [0, .05, .1, .15, .2, .25, .3]
pretrained_model = "mnist_cnn.pt"
use_cuda=True

2.模型建立

a)训练模型

我們用了一層 convolution layer 和 pooling layer 來擷取 image 的 feature，之後要把這些 feature map 成 10 個 node 的 output（因為有 10 個 class 要 predict），所以用 flatten 把 feature 集中成 vector 後，再用 fully-connected layer map 到 output layer。b 是 batch size，一次 train 幾張 image。

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(1, 32, 3)
        self.dropout = nn.Dropout2d(0.25)
        self.fc = nn.Linear(5408, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.conv(x)
        x = F.relu(x)
        x = F.max_pool2d(x, 2)
        x = self.dropout(x)
        x = torch.flatten(x, 1)
        x = self.fc(x)
        output = F.log_softmax(x, dim=1)
        return output

b)训练函数

def train(model, train_loader, optimizer, epochs, log_interval):
    model.train()
    for epoch in range(1, epochs + 1):
        for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
            # Clear gradient
            optimizer.zero_grad()

            # Forward propagation
            output = model(data)

            # Negative log likelihood loss
            loss = F.nll_loss(output, target)

            # Back propagation
            loss.backward()

            # Parameter update
            optimizer.step()

            # Log training info
            if batch_idx % log_interval == 0:
                print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                    epoch, batch_idx * len(data), len(train_loader.dataset),
                    100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item()))

c)训练中的测试

def test(model, test_loader):
    model.eval()
    test_loss = 0
    correct = 0
    with torch.no_grad(): # disable gradient calculation for efficiency
        for data, target in test_loader:
            # Prediction
            output = model(data)

            # Compute loss & accuracy
            test_loss += F.nll_loss(output, target, reduction='sum').item() 
            pred = output.argmax(dim=1, keepdim=True) 
            correct += pred.eq(target.view_as(pred)).sum().item() 

    test_loss /= len(test_loader.dataset)

    # Log testing info
    print('\nTest set: Average loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.0f}%)\n'.format(
        test_loss, correct, len(test_loader.dataset),
        100. * correct / len(test_loader.dataset)))

d)训练的主函数（把模型保存）

def main():
    # Training settings
    BATCH_SIZE = 64
    EPOCHS = 2
    LOG_INTERVAL = 10

    # Define image transform
    transform=transforms.Compose([
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,)) # mean and std for the MNIST training set
    ])

    # Load dataset
    train_dataset = datasets.MNIST('./data', train=True, download=True,
                       transform=transform)
    test_dataset = datasets.MNIST('./data', train=False,
                       transform=transform)
    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=BATCH_SIZE)
    test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset, batch_size=BATCH_SIZE)

    # Create network & optimizer
    model = Net()
    optimizer = optim.Adam(model.parameters())

    # Train
    train(model, train_loader, optimizer, EPOCHS, LOG_INTERVAL)

    # Save and load model
    torch.save(model.state_dict(), "mnist_cnn.pt")
    model = Net()
    model.load_state_dict(torch.load("mnist_cnn.pt"))

    # Test
    test(model, test_loader)

训练参数储存

e)训练结果

3.FGSM攻击

a)模型加载

加载模型

# MNIST Test dataset and dataloader declaration
transform = transforms.Compose([
            transforms.ToTensor(),
            ])
train_dataset = datasets.MNIST('./data', train=True, download=True,
                    transform=transform)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset,batch_size=1, shuffle=True)
# Define what device we are using
print("CUDA Available: ",torch.cuda.is_available())
device = torch.device("cuda" if (use_cuda and torch.cuda.is_available()) else "cpu")

# Initialize the network
model = Net().to(device)

# Load the pretrained model
model.load_state_dict(torch.load("mnist_cnn.pt", map_location='cpu'))

# Set the model in evaluation mode. In this case this is for the Dropout layers
model.eval()

b)攻击函数创建

现在，我们可以通过扰动原始输入来定义创建对抗性示例的函数。Fgsm 攻击函数有三个输入，图像是原始清晰图像(xx) ，ε 是像素级扰动量(εε) ，data _ grad 是损失的梯度，输入图像(∇xJ(θ,x,y))。然后，该函数创建扰动图像
$$
perturbed_image=image+epsilon∗sign(data_grad)=x+ϵ∗sign(∇
x

J(θ,x,y))
$$

# FGSM attack code
def fgsm_attack(image, epsilon, data_grad):
    # Collect the element-wise sign of the data gradient
    sign_data_grad = data_grad.sign()
    # Create the perturbed image by adjusting each pixel of the input image
    perturbed_image = image + epsilon*sign_data_grad
    # Adding clipping to maintain [0,1] range
    perturbed_image = torch.clamp(perturbed_image, 0, 1)
    # Return the perturbed image
    return perturbed_image

c)开始攻击

accuracies = []
examples = []

# Run test for each epsilon
for eps in epsilons:
    acc, ex = test(model, device, test_loader, eps)
    accuracies.append(acc)
    examples.append(ex)

d) 实验结果截图

第一个结果是精度对 ε 图。正如前面提到的，随着 ε 的增加，我们预计测试的准确性会降低。这是因为更大的 ε 意味着我们在将损失最大化的方向上迈出了更大的一步。注意曲线中的趋势不是线性的，即使 ε 值是线性间隔的。例如，ε = 0.05 ε = 0.05的准确性仅比 ε = 0ε = 0低约4% ，但是 ε = 0.2 ε = 0.2的准确性比 ε = 0.15 ε = 0.15低25% 。另外，请注意模型的精度在 ε = 0.25 ε = 0.25和 ε = 0.3 ε = 0.3之间的随机精度。

打印上述数据

# Plot several examples of adversarial samples at each epsilon
 cnt = 0
 plt.figure(figsize=(8,10))
 for i in range(len(epsilons)):
     for j in range(len(examples[i])):
         cnt += 1
         plt.subplot(len(epsilons),len(examples[0]),cnt)
         plt.xticks([], [])
         plt.yticks([], [])
         if j == 0:
             plt.ylabel("Eps: {}".format(epsilons[i]), fontsize=14)
         orig,adv,ex = examples[i][j]
         plt.title("{} -> {}".format(orig, adv))
         plt.imshow(ex, cmap="gray")
 plt.tight_layout()
 plt.show()

打印几个代表性的例子

三、实验结果分析

分析

从结果来看，随着 ε 的增加，测试精度下降，但扰动变得更容易察觉。实际上，在攻击者必须考虑的精确度下降和可感知性之间存在权衡。在这里，我们展示了一些成功的对抗例子在每个 ε 值。图的每一行显示不同的 ε 值。第一行是 ε = 0 ε = 0的例子，它表示原始的“干净”图像，没有扰动。每张图片的标题都显示了“原始分类-> 敌对分类”注意，当 ε = 0.15 ε = 0.15时，扰动开始变得明显，当 ε = 0.3 ε = 0.3时，扰动非常明显。然而，在所有情况下，人们仍然能够识别正确的类别，尽管增加了噪音。

大三网络安全智能终端实验一