对抗性攻击的分类体系

了解对抗性攻击需要一种结构化的方式来归类它们。鉴于我们已经讨论了威胁模型以及训练与推理 (inference)期间可用的不同攻击面，我们现在可以建立一个分类体系。这种归类有助于分析薄弱点，比较攻击效果，并制定合适的防御策略。对抗性攻击通常根据几个主要方面进行归类：

用于归类对抗性攻击的主要维度包括：

让我们更详细地查看这些维度。

攻击目标对其设计有显著影响：

错误分类（完整性攻击）： 最常见的目的是使模型对给定输入产生错误输出。对于分类任务，这意味着导致 $f(x_{adv}) \neq y_{true}$ ，其中 $x_{adv}$ 是对抗性输入， $f$ 是模型， $y_{true}$ 是正确标签。攻击者不关心错误的输出具体是什么，只要它不正确即可。
降低置信度： 攻击者可能不直接造成完全错误分类，而是旨在降低模型对其特定输入预测的置信度。这可能使模型显得不可靠，或更容易在后续攻击中被愚弄。
源/目标错误分类（定向攻击）： 一个更具体的目标是，攻击者希望模型将特定输入 $x$ (源) 分类为一个特定的错误目标类别 $t$ 。目标是 $f(x_{adv}) = t$ ，其中 $t \neq y_{true}$ 。这些通常比非定向错误分类更难实现。
可用性攻击： 攻击者旨在降低模型的整体性能，通常通过增加其计算时间（例如，拒绝服务）或使其在大量输入上失效。这通常与训练期间的投毒攻击有关。

攻击者对目标模型的了解程度决定了可行的攻击策略：

白盒攻击： 攻击者拥有模型的完整信息，包括其架构、参数 (parameter)（权重 (weight)和偏置 (bias)）、激活函数 (activation function)，以及可能的训练数据或其分布。这使得能够进行直接利用模型结构和梯度的有效攻击。例子包括快速梯度符号法（FGSM）、投影梯度下降 (gradient descent)（PGD）和Carlini & Wagner (C&W) 攻击，这些方法常利用梯度信息来优化扰动。
黑盒 (black box)攻击： 攻击者对模型的内部运作了解有限或一无所知。交互通常仅限于向模型查询输入并观察输出。
- 基于分数的攻击： 攻击者可以获得与模型预测相关的置信分数、概率或逻辑值。这些部分信息可以用于估计梯度（例如，使用有限差分）或采用依赖分数反馈的优化技术。
- 基于决策的攻击： 攻击者每次查询只收到最终预测标签（硬分类输出）。这是最严格的设置，通常需要大量查询才能找到对抗样本，例如通过界定决策边界（例如，边界攻击）。
- 迁移攻击： 一种常见的黑盒策略是针对本地替代模型（该模型经过训练以模仿目标模型或标准预训练 (pre-training)模型）生成对抗样本，然后将这些样本迁移到目标黑盒模型。这表明对抗样本通常在不同架构之间表现出可迁移性。

这个维度与攻击者目的有重叠，但更侧重于错误分类的定向性：

非定向攻击： 目的仅仅是使模型错误分类输入 $x_{adv}$ ，不关心产生的错误类别是什么。从数学角度看，攻击者试图找到 $x_{adv}$ ，使得 $f(x_{adv}) \neq y_{true}$ ，同时最小化扰动（例如， $||x_{adv} - x||_p$ ）。
定向攻击： 目标是使模型将 $x_{adv}$ 分类为特定的目标类别 $t$ ，其中 $t \neq y_{true}$ 。目标是找到 $x_{adv}$ 使得 $f(x_{adv}) = t$ ，同时最小化扰动。定向攻击通常更具挑战性，但在某些情况下也更具恶意（例如，强制自动驾驶汽车的感知系统将停车标志分类为限速标志）。

这种归类与前面讨论的攻击面直接相关：

规避攻击（测试时/推理 (inference)时）： 这些攻击发生在模型训练并部署之后。攻击者在推理时操作单个输入以引起错误分类。这是研究最广泛的攻击类型，并假设模型参数 (parameter)是固定的。我们将在第2章中详细讨论这些内容。
投毒攻击（训练时）： 这些攻击发生在训练阶段。攻击者将精心制作的恶意数据点（毒药）注入训练数据集。目标是破坏学习到的模型参数，无论是为了降低其整体性能（可用性攻击），还是为了安装后门，使其在推理时对某些输入产生特定错误行为（完整性攻击）。这些将在第3章中进行介绍。
信息获取攻击： 这些攻击不一定旨在立即引起错误分类，而是为了获取有关模型或其训练数据的信息。例子包括成员推断（判断特定数据点是否用于训练）、属性推断（从训练数据推断敏感属性）和模型窃取（复制专有模型的功能）。这些隐私和安全影响将在第4章中讨论。

"> 对抗性机器学习 (machine learning)攻击主要归类维度的可视化。攻击常常是这些类别（例如，白盒、定向规避攻击）的组合。"

理解此分类体系非常重要。它提供了一个分析机器学习系统所面临威胁的体系，并有助于选择或设计合适的对策。在评估模型的安全性或提议的防御措施时，重要的是要考虑正在处理哪些类型的攻击（由这些类别定义）。随后的章节将介绍具体攻击和防御，通常会参考此分类方案。

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参考文献

Explaining and Harnessing Adversarial Examples, Ian J. Goodfellow, Jonathon Shlens, and Christian Szegedy, 2015 International Conference on Learning Representations (ICLR) DOI: 10.48550/arXiv.1412.6572 - 提出了快速梯度符号法 (FGSM)，并讨论了对抗性样本的基本特性，为白盒规避攻击奠定了基础。
Towards Evaluating the Robustness of Neural Networks, Nicholas Carlini and David A. Wagner, 2017 IEEE Symposium on Security and Privacy (SP) (IEEE) DOI: 10.1109/SP.2017.49 - 介绍了强大的基于优化的白盒对抗性攻击 (C&W 攻击)，并详细说明了生成有目标和无目标对抗性样本的方法。
Practical Black-Box Attacks against Machine Learning Systems using Adversarial Examples, Nicolas Papernot, Patrick McDaniel, Arjund Sinha, Z. Berkay Celik, 2017 ACM Asia Conference on Computer and Communications Security (ASIACCS) (ACM) DOI: 10.1145/3052973.3053009 - 展示了对抗性样本的迁移性，并介绍了使用替代模型的黑盒攻击策略。
Decision-Based Adversarial Attacks: Reliable Attacks Against Black-Box Machine Learning Models, Wieland Brendel, Jonas Rauber, and Matthias Bethge, 2018 International Conference on Learning Representations (ICLR) DOI: 10.48550/arXiv.1712.04248 - 介绍了边界攻击，这是一种高效的基于决策的黑盒攻击，只需访问模型的最终标签预测。