Preview

Труды учебных заведений связи

Расширенный поиск

Графовые нейронные сети для классификации трафика в каналах спутниковой связи: сравнительный анализ

https://doi.org/10.31854/1813-324X-2023-9-3-14-27

Аннотация

В данной статье представлено всестороннее сравнение графовых нейронных сетей (GNN), в частности ‒ графовых сверточных сетей (GCN) и сетей внимания к графам (GAT), для классификации трафика в спутниковых коммуникационных каналах. Производительность этих методов, основанных на GNN, сравнивается с традиционными алгоритмами многослойного персептрона (MLP). Результаты показывают, что GNN обладают превосходной точностью и эффективностью по сравнению с MLP, что подчеркивает их потенциал для применения в системах спутниковой связи. Кроме того, в рамках исследования изучается влияние различных факторов на производительность алгоритма GNN, предоставляя информацию о наиболее эффективных стратегиях реализации GNN в задачах классификации трафика. Это исследование предлагает ценные знания о преимуществах и потенциальных применениях GNN в системах спутниковой связи.

Об авторах

Ф. Х. До
Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Россия

аспирант кафедры программной инженерии и вычислительной техники Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. Бонч-Бруевича



Ч. Д. Ле
Университет науки и технологий – Университет Дананга
Россия

кандидат технических наук, преподаватель кафедры сетей и коммуникаций Университета науки и технологий ‒ Университет Дананга



А. А. Берёзкин
Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Россия

кандидат технических наук, доцент кафедры программной инженерии и вычислительной техники Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. Бонч-Бруевича



Р. В. Киричек
Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Россия

доктор технических наук, доцент, ректор Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича



Список литературы

1. Rahmat-Samii Y., Densmore A. C. Technology trends and challenges of antennas for satellite communication systems // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 63. Iss. 4. PP. 1191‒1204.

2. Kodheli O., Lagunas E., Maturo N., Sharma S.K., Shankar B., Montoya J.F.M., et al. Satellite Communications in the New Space Era: A Survey and Future Challenges // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2020. Vol. 23. Iss. 1. PP. 70‒109. DOI:10.1109/COMST.2020.3028247

3. Yastrebova A., Kirichek R., Koucheryavy Y., Borodin A., Koucheryavy A., et al. Future Networks 2030: Architecture & Requirements // Proceedings of the 10th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT, Moscow, Russia, 05‒09 November 2018). IEEE, 2018. DOI:10.1109/ICUMT.2018.8631208

4. Umar S., Eshiguike E.C., Anye V.C., Mamman T.V. Reliable Delivery of Point-To-Multi Point Services via Satellite (Multicast & Broadcast): Requirements and Solutions // International Research Journal of Advanced Engineering and Science. 2019. Vol. 4. Iss. 2. PP. 482‒486.

5. Wang P., Zhang J., Zhang X., Yan Z., Evans B.G., Wang W. Convergence of Satellite and Terrestrial Networks: A Comprehensive Survey // IEEE Access. 2019. Vol. 8. P. 5550‒5588. DOI:10.1109/ACCESS.2019.2963223

6. Chen S., Sun S., Kang S. System integration of terrestrial mobile communication and satellite communication—the trends, challenges and key technologies in B5G and 6G // China Communications. 2020. Vol. 17. Iss. 12. PP. 156‒171. DOI:10.23919/JCC.2020.12.011

7. Abdu T.S., Kisseleff S., Lagunas E., Chatzinotas S. Flexible Resource Optimization for GEO Multibeam Satellite Communication System // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2021. Vol. 20. Iss. 12. PP. 7888‒7902. DOI:10.1109/TWC.2021.3088609

8. Niephaus C., Kretschmer M., Ghinea G. QoS Provisioning in Converged Satellite and Terrestrial Networks: A Survey of the State-of-the-Art // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2016. Vol. 18. Iss. 4. PP. 2415‒2441. DOI:10.1109/COMST.2016.2561078

9. Zhou J., Cui G., Hu S., Zhang Z., Yang C., Liu Z., et al. Graph neural networks: A review of methods and applications // AI Open. 2020. Vol. 1. PP. 57‒81. DOI:10.1016/j.aiopen.2021.01.001

10. He S., Xiong S., Ou Y., Zhang J., Wang J., Huang Y., et al. An Overview on the Application of Graph Neural Networks in Wireless Networks // IEEE Open Journal of the Communications Society. 2021. Vol. 2. PP. 2547‒2565. DOI:10.1109/OJCOMS.2021.3128637

11. Suárez-Varela J., Almasan P., Ferriol-Galmes M., Rusek K., Geyer F., Cheng X., et al. Graph Neural Networks for Communication Networks: Context, Use Cases and Opportunities // IEEE Network. 2022. DOI:10.1109/MNET.123.2100773

12. Ji X., Meng Q. Traffic Classification Based on Graph Convolutional Network // Proceedings of the International Conference on Advances in Electrical Engineering and Computer Applications (AEECA, Dalian, China, 25‒27 August 2020). IEEE, 2020. PP. 596‒601. DOI:10.1109/AEECA49918.2020.9213630

13. Wang C., Tian R., Hu J., Ma Zhongyu, et al. A trend graph attention network for traffic prediction // Information Sciences. 2023. Vol. 623. PP. 275‒292. DOI:10.1016/j.ins.2022.12.048

14. Wenjuan J., Peng Z. QoS routing algorithm based on traffic classification in LEO satellite networks // Proceedings of the Eighth International Conference on Wireless and Optical Communications Networks (Paris, France, 24‒26 May 2011). IEEE, 2011. DOI:10.1109/WOCN.2011.5872957

15. Pacheco F., Exposito E., Gineste M. A Wearable Machine Learning Solution for Internet Traffic Classification in Satellite Communications // Proceedings of the 17th International Conference on Service-Oriented Computing (ICSOC 2019, Toulouse, France, 28–31 October 2019). Cham: Springer, 2019. PP. 202‒215. DOI:10.1007/978-3-030-33702-5_15

16. Pacheco F., Exposito E., Gineste M. A framework to classify heterogeneous Internet traffic with Machine Learning and Deep Learning techniques for satellite communications. Computer Networks. 2020. Vol. 173. P. 107213. DOI:10.1016/j.comnet.2020.107213

17. Pham V.D., Do P.H., Le D.T., Kirichek R. LoRa Link Quality Estimation Based on Support Vector Machine // Proceedings of the 24th International Conference on Distributed Computer and Communication Networks: Control, Computation, Communications (DCCN 2021, Moscow, Russia, 20–24 September 2021). Lecture Notes in Computer Science. Vol. 13144. Cham: Springer, 2021. PP. 92‒102. DOI:10.1007/978-3-030-92507-9_9

18. Pang B., Fu Y., Ren S., Wang Y., Liao Q., Jia Y. CGNN: Traffic Classification with Graph Neural Network. arXiv:2110.09726. 2021. DOI:10.48550/arXiv.2110.09726

19. Luksha I., Dinh T.D., Karelin E., Glushakov R., Kirichek R. Method for filtering encrypted traffic using a neural network between an Industrial Internet of things system and Digital Twin // Proceedings of the 5th International Conference on Future Networks & Distributed Systems (ICFNDS 2021, Dubai, United Arab Emirates, 15‒16 December 2021). New York: Association for Computing Machinery, 2021. PP. 595‒601. DOI:10.1145/3508072.3508193

20. Huoh T.L., Luo Y., Li P., Zhang T. Flow-based Encrypted Network Traffic Classification with Graph Neural Networks // IEEE Transactions on Network and Service Management. 2022. DOI:10.1109/TNSM.2022.3227500

21. Pang B., Fu Y., Ren S., Jia Y. High-performance Network Traffic Classification Based on Graph Neural Network // Proceedings of the 6th Information Technology, Networking, Electronic and Automation Control Conference (ITNEC, Chongqing, China, 24‒26 February 2023). IEEE, 2023. PP. 800‒804. DOI:10.1109/ITNEC56291.2023.10082049

22. Do P.H., Le T.D., Vishnevsky V., Berezkin A., Kirichek R. A Horizontal Federated-Learning Model for Detecting Abnormal Traffic Generated by Malware in IoT Networks // Proceedings of the 25th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT, Pyeongchang, Republic of Korea, 19‒22 February 2023). IEEE, 2023. PP. 28‒36. DOI:10.23919/ICACT56868.2023.10079624

23. Vladimirov S., Kirichek R., Vishnevsky V. Network Coding for the Interaction of Unmanned Flying Platforms in Data Acquisition Networks // Proceedings of the 4th International Conference on Future Networks and Distributed Systems (ICFNDS, Saint-Petersburg, Russian Federation, 26‒27 November 2020). New York: Association for Computing Machinery, 2020. DOI:10.1145/3440749.3442622

24. Abdrakhmanova M., Kuzdeuov A., Jarju S., Khassanov Y., Lewis M., Varol H.A. Speakingfaces: A Large-Scale Multimodal Dataset of Voice Commands with Visual and Thermal Video Streams // Sensors. 2021. Vol. 21. Iss. 10. P. 3465. DOI:10.3390/s21103465

25. Labayen V., Magaña E., Morató D., Izal M. Online classification of user activities using machine learning on network traffic // Computer Networks. 2020. Vol. 181. P. 107557. DOI:10.1016/j.comnet.2020.107557

26. Du B., Cai S., Wu C. Object Tracking in Satellite Videos Based on a Multiframe Optical Flow Tracker // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2019. Vol. 12. Iss. 8. PP. 3043‒3055. DOI:10.1109/JSTARS.2019.2917703

27. Naas M., Fesl J. A novel dataset for encrypted virtual private network traffic analysis // Data in Brief. 2023. Vol. 47. P. 108945. DOI:10.1016/j.dib.2023.108945

28. Hosseini N., Jamal H., Haque J., Magesacher T., Matolak D.W. UAV Command and Control, Navigation and Surveillance: A Review of Potential 5G and Satellite Systems // Proceedings of the IEEE Aerospace Conference (Big Sky, USA, 02‒09 March 2019). IEEE, 2019. DOI:10.1109/AERO.2019.8741719

29. Mahfouz A., Abuhussein A., Venugopal D., Shiva S. Ensemble Classifiers for Network Intrusion Detection Using a Novel Network Attack Dataset // Future Internet. 2020. Vol. 12. Iss. 11. P. 180. DOI:10.3390/fi12110180

30. Do P.H. Dinh T.D., Le D.T., Pham V.D., Myrova L., Kirichek R. An Efficient Feature Extraction Method for Attack Classification in IoT Networks // Proceedings of the 13th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT, Brno, Czech Republic, 25‒27 October 2021). IEEE, 2021. PP. 194‒199. DOI:10.1109/ICUMT54235.2021.9631726

31. Ji X., Meng Q. Traffic Classification Based on Graph Convolutional Network // Proceedings of the International Conference on Advances in Electrical Engineering and Computer Applications (AEECA, Dalian, China, 25‒27 August 2020). IEEE, 2020. PP. 596‒601. DOI:10.1109/AEECA49918.2020.9213630

32. Pham T.D., Ho T.L., Truong-Huu T., Cao T.D., Truong H.L. Mappgraph: Mobile-App Classification on Encrypted Network Traffic Using Deep Graph Convolution Neural Networks // Proceedings of the Annual Computer Security Applications Conference (ACSAC, 6‒10 December 2021). New York: Association for Computing Machinery, 2021. PP. 1025‒1038. DOI:10.1145/3485832.3485925

33. Marín G., Caasas P., Capdehourat G. Deepmal-Deep Learning Models for Malware Traffic Detection and Classification // Proceedings of the 3rd International Data Science Conference on Data Science–Analytics and Applications (iDSC2020). Wiesbaden: Springer Vieweg, 2021. PP. 105‒112. DOI:10.1007/978-3-658-32182-6_16

34. Kipf T.N., Welling M. Semi-Supervised Classification with Graph Convolutional Networks // arXiv:1609.02907. 2016. DOI:10.48550/arXiv.1609.02907

35. Berezkin A., Kukunin D., Kirichek R. Neural Network Coding in Data Compression Systems in Communication Channels // Proceedings of the International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT, Astrakhan, Russian Federation, 03‒07 October 2022). IEEE, 2022. DOI:10.1109/ICCT56057.2022.9976532


Рецензия

Для цитирования:


До Ф.Х., Ле Ч.Д., Берёзкин А.А., Киричек Р.В. Графовые нейронные сети для классификации трафика в каналах спутниковой связи: сравнительный анализ. Труды учебных заведений связи. 2023;9(3):14-27. https://doi.org/10.31854/1813-324X-2023-9-3-14-27

For citation:


Do P.H., Le T.D., Berezkin A., Kirichek R. Graph Neural Networks for Traffic Classification in Satellite Communication Channels: A Comparative Analysis. Proceedings of Telecommunication Universities. 2023;9(3):14-27. https://doi.org/10.31854/1813-324X-2023-9-3-14-27

Просмотров: 668


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1813-324X (Print)
ISSN 2712-8830 (Online)