为什么训练时测试准确率大幅度波动_基于机器学习的流量波动趋势预测实践
1. 概述
本实践数据是基于电商网站——“苏宁易购”的业务访问流量，进行的深入数据挖掘。在此基础上，建立机器学习或统计算法模型，进行离线分析，选取最优模型，对流量波动趋势进行实时预测，实现智能化的异常流量预警。
1.1. 流量预测的价值
流量预测，是流控的重要环节，也是流控迈向智能化的关键一步。对苏宁易购而言，业务系统流量趋势的预测、异常流量的及时预警极为重要，它能够及时提醒用户验证是否有CC攻击、黄牛刷单、爬虫等危害企业网络正常经营活动的行为。
1.2. 流量预测的几大难点
对于流量波动趋势预测、异常流量检测，存在以下难点：
l 需要检测的流量系统种类繁多流量特征各不相同。苏宁易购业务系统众多，每一个系统每分钟产生的流量大小、流量趋势不同，每一分钟的访问业务系统个数不同。
l 流量受业务系统经营活动影响较大。活动力度大、活动频繁，则流量大且稳定；活动力度大、活动稀疏，则流量波动大。面向易购的销售系统，则流量大且稳定；面向内部用户系统，则流量小且波动大。
l 不同用户对流量异常的关注点不同，流量预测难以满足所有场景需求。促销、CC攻击、黄牛刷单、爬虫等，都有可能带来流量的暴增异常。不同人员的关注点不同：运维人员关注流量的暴增是否带来了系统压力；用户则关注流量的异常是否存在某种刷单，是否会带来经济损失；安全人员则关心是否存在某种攻击及信息泄露。要做到一种检测，多方满足，实则难度很大。
l 流量预测需要较高的实时性、有效性。及时感知异常流量，方能及时的进行有效的流控。易购业务总流量TPS大，大促期间流量暴增。需要一种实时高效的计算框架，进行流量的实时计算、在线训练，及时发出异常预警，流量的预测检测才有实际意义。
2. 应用系统流量趋势特征分析
2.1. 横向流量的按天规律性波动
流量受到不同时间段的用户行为影响较大。不同时间段的流量阈值、峰值不同。白天08-18点用户多、流量大，夜间00-08流量下降。
2.2. 横向阶段性流量规律分析
a. 夜间流量小，波动大，如下图所示夜间00-06点流量图(按分钟统计)：
b. 白天流量大，波动小。如下图所示白天11-18点流量图(按分钟统计)：
2.3. 纵向按分钟周特征分析
取某系统每天同时刻流量数据，取一周数据(按分钟统计)：
由上图可知，同系统按天同时刻流量，一周时间内，波动很大，无明显时间规律，因此不利于进行未知流量预测。
2.4. 纵向按分钟月特征分析
取某系统每天同时刻流量数据，取一个月数据(按分钟统计)：
由上图可知，同系统按天同时刻流量，一个月时间内，波动很大，无明显时间规律，因此不利于进行未知流量预测。
3. 异常流量预测算法
对于业务域名系统流量的研究，本质是基于时间序列的研究。我们分别使用ARMA(自回归滑动平均模型)/LSTM(长短期记忆网络)/MAD(绝对中位差)+Mean(均值)进行了深入探索。
3.1. ARMA模型
l 算法简介
自回归滑动平均模型(Autoregressive moving average model)，是自回归模型(简称AR模型)与移动平均模型(简称MA模型)的组合模型。
将预测指标随时间排列而形成的数据序列看作是一个随机序列，这组随机变量所具有的依存关系体现着原始数据在时间上的延续性。一方面，影响因素的影响，另一方面，又有自身变动规律，假定影响因素为 ， ，…， ，由回归分析：
其中Y是预测对象的观测值，Z为误差。作为预测对象 受到自身变化的影响，其规律可由下式体现：
误差项在不同时期具有依存关系，由下式表示，
由此，获得ARMA模型表达式：
l 拟合误差方程
其中t时刻的准确率ratio，真实值 ，预测值 。
l 特征工程
a. 取某业务系统域名某一天08-10点的按分钟统计的流量总量时序数据进行训练，流量趋势如下：(时序数据的统计时间间隔可以为天/小时/分钟/秒等，按分钟统计及预测是最符合系统流量预测场景需求的，以下研究都是基于按分钟统计的时序数据)
b. 平稳性判断及处理，对序列进行一阶差分处理，序列处于平稳状态，处理后的流量趋势图如下(判断/处理平稳性方法略)：
l 效果查看
按分钟预测，不同时间长度后的预测拟合效果如下：
l 优缺点分析
优点：
a) 存在成熟的预测接口，可直接预测多步时间间隔数据
b) 距离当前时间越近，准确率越高
缺点：
a) 距离当前时间越久，准确性越差
b) 波动较大的序列经过二阶差分后仍然不平稳，序列平稳性处理有误差，导致模型预测出现误差
c) 模型训练耗时长，不适合大规模批量实时预测
d) 不同系统的流量趋势不同，存在众多域名系统，难以训练某一个模型可以全部满足所有的流量系统
3.2. LSTM模型
l 算法简介
长短期记忆网络(LSTM，Long Short-Term Memory)是一种时间循环神经网络。它是RNN的优化模型，可以解决RNN模型的梯度消失与不可记忆长时间依赖问题，是目前解决序列问题最常用的方式。
l 拟合误差方程
其中t时刻的准确率ratio，真实值 ，预测值 。
l 特征工程
同ARMA模型一致，选取某业务域名系统某一天08-10点的按分钟统计的流量总量时序数据进行训练，并切割训练集、测试集，流量序列趋势不再赘述，特征工程处理步骤如下：
a. 差分处理：基于平稳性的考虑，进行一阶差分处理
b. 监督式转换：使用pandas shift操作，进行1位位移，X为序列的一阶差分结果(a中的结果)，Y为一阶差分后的shift(1)，如下所示
c. 数据集切割：略
d. 标准化转换：MinMaxScaler将数据处理至[-1,1区间]
l 效果查看
a. 将数据集转换成有监督学习后，测试集数据的预测结果表现如下：
b. 一次训练，多步叠加预测结果：(注：LSTM无多步预测接口，可讲新预测数据添加到原始数据序列最后，又作为原始数据进行预测，如此反复循环，得到多步预测结果)
l 优缺点分析
优点：
a) 距离当前时间越近，准确率越高
缺点：
a) 距离当前时间越久，准确性越差
b) 无多步预测接口。需以新预测数据为新的时序数据，不断叠代方可预测完成
c) 模型训练耗时长，不适合大规模批量实时预测
d) 不同系统的流量趋势不同，存在众多域名系统，难以训练某一个模型可以全部满足所有的流量系统
3.3. MAD估计值模型
l 算法简介
采用统计学习方法对流量进行预测，计算MAD(绝对中位差)估计值，算法原理如下：
k 为比例因子常量(可视为流量预测的波动系数)，值取决于分布类型，流量预测具体值为离散型随机变量。流量序列繁多，统一按正态分布数据计算，对于正态分布，k值为：
也就是标准正态分布 的分位函数的倒数(也称为逆累积分布函数)。数值3/4是为了 包含标准正态累积分布函数的50%(从1/4到3/4的范围值)
l 误差方程
其中t时刻的准确率ratio，真实值 ，预测值 。
l 特征工程
l 效果查看
a. 预测2min的数据拟合情况：
b. 预测4min的数据拟合情况：
c. 预测8min的数据拟合情：
a/b/c三幅图分别为预测2min/4min/8min以后的拟合曲线，通过开始时间、峰值等时间点可以看出，时间步长越长，拟合效果越差。
l 优缺点分析
优点：
a) 特征工程简单
b) 支持实时快速计算，可进行所有流量序列的实时预测
缺点：预测步长距离当前时间越久，准确性越差。因为后2min的预测强依赖当前总量，步长越长，当前总量的关联性越弱
4. 分析总结
本篇主要介绍了流量预测的横向分析，因为横向数据与当前时间点的流量关联最为密切。纵向数据时间跨度大，具有一定的规律性，但是实时关联性不高。比如大促期间流量较平时会成倍增长。因此纵向数据波动性大，不确定因素众多，不利于进行流量预测。
易购的众多业务系统流量存在两大普遍特征：1.白天流量趋势稳定，数据量大；夜间流量趋势波动大，数量量小；2.以天为单位，业务系统呈现规律性波动。
算法最终选择了统计模型，原因为特征工程简单、时效性强、拟合准确率高。ARMA、LSTM均不能满足时效性要求。不论是选择机器学习算法、深度学习神经网络，或者统计模型，在多步长预测问题上，预测效果均会变差。
本例中未使用RMSE、MAE、MSE等方差类统计指标进行模型评估，原因为不同的业务系统，流量趋势、总量不一致，计算出的均方误差等结果差别大，难以确定统一的阈值评判预测结果的好坏。本篇采用了自定义的误差结果计算方法：
对单用户的预测结果进行误差判别，实践中可以取得良好效果。
5. 展望
正如开篇所讲流量预测的几大难点之一，不同用户对流量波动的关注点不同，流量预测难以满足所有场景需求。促销、CC攻击、黄牛刷单、爬虫、用户轨迹异常等，都有可能带来流量的暴增异常。针对异常行为做机器学习分类判断、建立统计学模型等，借助与flink、spark等大数据分析框架，实现快速异常定位，是流量预测的下一阶段——异常检测的重要研究方向。
作者信息：
苏宁科技集团云计算研发中心算法工程师脱利锋，毕业于江西理工大学信息安全专业，目前致力于苏宁AI方向的web安全防护工作，主要研究方向为异常流量的预