使用fuzz testing模块测试模型安全性

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概述

传统软件的决策逻辑由代码逻辑决定，传统软件通过代码行覆盖率来判断当前测试是否充分，理想情况下覆盖率越高，代码测试越充分。然而，对于深度神经网络而言，程序的决策逻辑由训练数据、网络模型结构和参数通过某种黑盒机制决定，代码行覆盖率已不足以评估测试的充分性。需要根据深度网络的特点选择更为适合的测试评价准则，指导神经网络进行更为充分的测试，发现更多的边缘错误用例，从而确保模型的通用性、鲁棒性。

MindArmour的fuzz_testing模块以神经元覆盖率作为测试评价准则。神经元覆盖率，是指通过一组输入观察到的、激活的神经元数量和神经元输出值的范围。我们通过神经元覆盖率来指导输入变异，让输入能够激活更多的神经元，神经元值的分布范围更广，从而探索不同类型的模型输出结果、错误行为。

这里以LeNet模型，MNIST数据集为例，说明如何使用Fuzzer。

本例面向CPU、GPU、Ascend 910 AI处理器，目前仅支持GRAPH_MODE。你可以在这里下载完整的样例代码：https://gitee.com/mindspore/mindarmour/blob/r1.5/examples/ai_fuzzer/lenet5_mnist_fuzzing.py

实现阶段

导入需要的库文件

下列是我们需要的公共模块、MindSpore相关模块和fuzz_testing特性模块，以及配置日志标签和日志等级。

这里用的覆盖率指标是k分神经元覆盖率KMultisectionNeuronCoverage也可以选择支持的其他覆盖率指标：NeuronCoverage，TopKNeuronCoverage，NeuronBoundsCoverage，SuperNeuronActivateCoverage。

import numpy as np
from mindspore import Model
from mindspore import context
from mindspore import load_checkpoint, load_param_into_net

from mindarmour.fuzz_testing import Fuzzer
from mindarmour.fuzz_testing import KMultisectionNeuronCoverage
from mindarmour.utils import LogUtil

from examples.common.dataset.data_processing import generate_mnist_dataset
from examples.common.networks.lenet5.lenet5_net_for_fuzzing import LeNet5

LOGGER = LogUtil.get_instance()
TAG = 'Fuzz_testing'
LOGGER.set_level('INFO')

参数配置

配置必要的信息，包括环境信息、执行的模式。

context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE, device_target="Ascend")

详细的接口配置信息，请参见context.set_context接口说明。

运用Fuzz Testing

  1. 建立LeNet模型，加载MNIST数据集，操作同模型安全

    ...
# Lenet model
model = Model(net)
# get training data
mnist_path = "../common/dataset/MNIST/"
batch_size = 32
ds = generate_mnist_dataset(os.path.join(mnist_path, "train"), batch_size, sparse=False)
train_images = []
for data in ds.create_tuple_iterator():
    images = data[0].asnumpy().astype(np.float32)
    train_images.append(images)
train_images = np.concatenate(train_images, axis=0)

# get test data
batch_size = 32
ds = generate_mnist_dataset(os.path.join(mnist_path, "test"), batch_size, sparse=False)
test_images = []
test_labels = []
for data in ds.create_tuple_iterator():
    images = data[0].asnumpy().astype(np.float32)
    labels = data[1].asnumpy()
    test_images.append(images)
    test_labels.append(labels)
test_images = np.concatenate(test_images, axis=0)
test_labels = np.concatenate(test_labels, axis=0)

  2. Fuzzer参数配置。

    设置数据变异方法及参数。支持同时配置多种方法，目前支持的数据变异方法包含三类：

    • 图像仿射变换方法：Translate、Scale、Shear、Rotate。

    • 基于图像像素值变化的方法： Contrast、Brightness、Blur、Noise。

    • 基于对抗攻击的白盒、黑盒对抗样本生成方法：FGSM、PGD、MDIIM。

    数据变异方法中一定要包含基于图像像素值变化的方法。

    前两种类型的图像变化方法，支持用户自定义配置参数，也支持算法随机选择参数。用户自定义参数配置范围请参考:https://gitee.com/mindspore/mindarmour/blob/r1.5/mindarmour/fuzz_testing/image_transform.py 中对应的类方法。算法随机选择参数，则params设置为'auto_param': [True]，参数将在推荐范围内随机生成。

    基于对抗攻击方法的参数配置请参考对应的攻击方法类。

    下面是变异方法及其参数配置的一个例子：

    mutate_config = [{'method': 'Blur',
                  'params': {'radius': [0.1, 0.2, 0.3],
                             'auto_param': [True, False]}},
                 {'method': 'Contrast',
                  'params': {'auto_param': [True]}},
                 {'method': 'Translate',
                  'params': {'auto_param': [True]}},
                 {'method': 'Brightness',
                  'params': {'auto_param': [True]}},
                 {'method': 'Noise',
                  'params': {'auto_param': [True]}},
                 {'method': 'Scale',
                  'params': {'auto_param': [True]}},
                 {'method': 'Shear',
                  'params': {'auto_param': [True]}},
                 {'method': 'FGSM',
                  'params': {'eps': [0.3, 0.2, 0.4], 'alpha': [0.1]}}
                ]

    初始化种子队列，种子队列中的每个种子，包含2个值：原始图片、图片标签。这里取100个样本作为初始种子队列。

    # make initial seeds
initial_seeds = []
for img, label in zip(test_images, test_labels):
    initial_seeds.append([img, label])
initial_seeds = initial_seeds[:100]

  3. 实例化k分神经元覆盖率指标类，并计算Fuzz测试前的k分神经元覆盖率。

    coverage = KMultisectionNeuronCoverage(model, train_images, segmented_num=100, incremental=True)
kmnc = coverage.get_metrics(test_images[:100])
print('KMNC of initial seeds is: ', kmnc)

    结果：

    KMNC of initial seeds is:  0.3152149321266968

  4. Fuzz测试。

    model_fuzz_test = Fuzzer(model)
fuzz_samples, true_labels, fuzz_preds, fuzz_strategies, metrics_report = model_fuzz_test.fuzzing(mutate_config, initial_seeds, coverage, evaluate=True, max_iters=10,mutate_num_per_seed=20)

  5. 实验结果。

    fuzzing的返回结果中包含了5个数据：fuzz生成的样本fuzz_samples、生成样本的真实标签true_labels、被测模型对于生成样本的预测值fuzz_preds、 生成样本使用的变异方法fuzz_strategies、fuzz testing的评估报告metrics_report。用户可使用这些返回结果进一步的分析模型的鲁棒性。这里只展开metrics_report，查看fuzz testing后的各个评估指标。

    if metrics:
    for key in metrics:
        LOGGER.info(TAG, key + ': %s', metrics[key])

    Fuzz测试后结果如下：

    Accuracy:  0.445
Attack_success_rate:  0.375
coverage_metrics:  0.43835972850678734

    Fuzz测试前种子的KMNC神经元覆盖率为31.5%，Fuzz后，KMNC神经元覆盖率为43.8%，神经元覆盖率提升，样本的多样性提升。Fuzz后，模型对于Fuzz生成样本的准确率为44.5%，使用了对抗攻击方法的样本，攻击成功率为37.5%。由于初始化种子、变异方法和相应的参数均为随机选择的，结果有一定的浮动是正常的。

    原始图片：

    fuzz_seed

    Fuzz生成的变异图片：

    fuzz_res