Machine-learning-based anomaly detection in optical fiber monitoring

异常检测 计算机科学 窃听 自编码 异常(物理) 净流量 断层(地质) 实时计算 深度学习 数据挖掘 计算机网络 人工智能 凝聚态物理 物理 地质学 地震学
作者
Khouloud Abdelli,Joo Yeon Cho,Florian Azendorf,Helmut Grießer,Carsten Tropschug,Stephan Pachnicke
出处
期刊:Journal of Optical Communications and Networking [The Optical Society]
卷期号:14 (5): 365-365 被引量:40
标识
DOI:10.1364/jocn.451289
摘要

Secure and reliable data communication in optical networks is critical for high-speed Internet. However, optical fibers, serving as the data transmission medium providing connectivity to billons of users worldwide, are prone to a variety of anomalies resulting from hard failures (e.g., fiber cuts) and malicious physical attacks [e.g., optical eavesdropping (fiber tapping)]. Such anomalies may cause network disruption, thereby inducing huge financial and data losses, compromising the confidentiality of optical networks by gaining unauthorized access to the carried data, or gradually degrading the network operations. Therefore, it is highly required to implement efficient anomaly detection, diagnosis, and localization schemes for enhancing the availability and reliability of optical networks. In this paper, we propose a data-driven approach to accurately and quickly detect, diagnose, and localize fiber fault anomalies, including fiber cuts and optical eavesdropping attacks. The proposed method combines an autoencoder-based anomaly detection and an attention-based bidirectional gated recurrent unit algorithm, whereby the former is used for fault detection and the latter is adopted for fault diagnosis and localization once an anomaly is detected by the autoencoder. We verify the efficiency of our proposed approach by experiments under various attack anomaly scenarios using real operational data. The experimental results demonstrate that (i) the autoencoder detects any fiber fault or anomaly with an F1 score of 96.86%, and (ii) the attention-based bidirectional gated recurrent unit algorithm identifies the detected anomalies with an average accuracy of 98.2% and localizes the faults with an average root mean square error of 0.19 m.
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