探究嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)抗毀性設(shè)計(jì)

高鵬程

摘要：嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)控制領(lǐng)域具有重要作用。本文構(gòu)建整個(gè)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。依據(jù)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)抗毀指標(biāo)以及成本的最小化目標(biāo)，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)抗毀性模型。在此基礎(chǔ)上構(gòu)造嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)的自愈模型，增強(qiáng)遭受攻擊后網(wǎng)絡(luò)的自愈能力，提高網(wǎng)絡(luò)抗毀性能。

關(guān)鍵詞：嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)；抗毀性；設(shè)計(jì)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)控制領(lǐng)域具有重要作用。當(dāng)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)中斷時(shí)會(huì)給用戶帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性進(jìn)行分析，成為網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性的關(guān)鍵，也成為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重點(diǎn)。

目前，網(wǎng)絡(luò)抗毀性分析方法取得了如下進(jìn)展：當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)抗毀性分析方法存在較多問(wèn)題，符修文對(duì)不同類型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在不同攻擊下的最大連通分支節(jié)點(diǎn)數(shù)同網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)數(shù)的比例進(jìn)行調(diào)整，對(duì)網(wǎng)絡(luò)抗毀性進(jìn)行調(diào)整；李文鋒提出一種在光網(wǎng)絡(luò)中支持優(yōu)先級(jí)的備用路由算法，為優(yōu)先級(jí)較高的光路塑造請(qǐng)求獲取更多的備用路由，降低高優(yōu)先級(jí)的光路連接的阻塞率，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性。為了有效處理上述問(wèn)題，構(gòu)建整個(gè)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。依據(jù)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)抗毀指標(biāo)以及成本的最小化目標(biāo)，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)抗毀性模型。在此基礎(chǔ)上構(gòu)造嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)的自愈模型，增強(qiáng)遭受攻擊后網(wǎng)絡(luò)的自愈能力，提高網(wǎng)絡(luò)抗毀性能。

1嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用PHILIPS的LPC2290芯片作為微控制器，并且融合以太網(wǎng)模塊、CAN模塊、電壓模塊和相關(guān)外圍接口模塊，構(gòu)建整個(gè)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)硬件電路融合子板和母板的相關(guān)功能，將子板當(dāng)成關(guān)鍵模塊，子板由LPC2290（ARM7TDM）微控制器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、以太網(wǎng)控制器CS8900A等構(gòu)成；母板是核心板的外圍電路，主要包括電源模塊、設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路需要的5V電壓模塊、以太網(wǎng)設(shè)計(jì)模塊，母板采用LPC2290微控制器控制CS8900A網(wǎng)絡(luò)芯片，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳遞和控制；CAN模塊用于實(shí)現(xiàn)CAN接收以及輸出接口電路設(shè)計(jì)。

以下對(duì)嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的模塊進(jìn)行詳述：

微處理器LPC2290：ARM7系列嵌入式微處理器具有ARM7TDMI內(nèi)核，具備較高的數(shù)據(jù)處理性能和較低的能耗。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制器采用PHILIPS公司生產(chǎn)的LPC2290芯片，該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的仿真和定位。LPC2290芯片不僅可總體控制相關(guān)的控制器，還可對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制、對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中的異種協(xié)議數(shù)據(jù)格式進(jìn)行變換，并與同網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的傳遞和交換。電源模塊設(shè)計(jì)：系統(tǒng)通過(guò)多用低電壓供電方式，降低LPC2290芯片的功耗，將TI公司生產(chǎn)的直流電壓變換TPS767D318芯片作為電源輸入芯片，提升芯片的通電效率和抗噪性能。以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)：采用CS8900A為以太網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和控制。

該控制器能耗低、集成度高，同時(shí)具有10Base-T遞端口，能夠自主進(jìn)行CRC檢測(cè)，在遭受攻擊后能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行自主重發(fā)。

該控制器主要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的采集和發(fā)送，對(duì)攻擊情況下的數(shù)據(jù)沖突進(jìn)行檢測(cè)，并產(chǎn)生驗(yàn)證CRC驗(yàn)碼等，提升系統(tǒng)處理沖突數(shù)據(jù)的能力。

1.2嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)對(duì)嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要集中在系統(tǒng)通信程序的編寫。

為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高可靠性和穩(wěn)定性的要求，要設(shè)計(jì)通信選用基于協(xié)議的流套接字，創(chuàng)建各自的套接字并建立和獲取各自的連接，然后對(duì)客戶機(jī)和服務(wù)器進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，部分系統(tǒng)通信程序代碼如下：

建立通信連接后，Protocol_TCP協(xié)議采用sackling（）函數(shù)采集obtion的連接狀態(tài)。如果客戶端向服務(wù)器發(fā)送Protocol申請(qǐng)，則服務(wù)器可解析采集的Protocol數(shù)據(jù)幀，獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。在Protocol數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中采用recv（）函數(shù)獲取來(lái)自指定連接的數(shù)據(jù)信息，再使用send（）函數(shù)將數(shù)據(jù)信息反饋到相應(yīng)的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，完成數(shù)據(jù)傳輸后，采用over（）函數(shù)斷開連接，完成全部任務(wù)后，采用overoutlet（）函數(shù)過(guò)濾outlet 套接字。以上步驟實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)通信程序的編寫，為嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗毀性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗毀性設(shè)計(jì)

2.1抗毀性網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)將通信網(wǎng)絡(luò)的各子網(wǎng)、路由交換設(shè)備、調(diào)度模塊等描述，兩點(diǎn)間塑造鏈路的開銷用邊集E描述，進(jìn)而塑造通信網(wǎng)絡(luò)的成本開銷網(wǎng)絡(luò)G（V，E）。嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)的抗毀性設(shè)計(jì)，需要滿足抗毀性指標(biāo)所設(shè)定的條件，并且確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成本的最低化。其中的抗毀性指標(biāo)要求為：（1）網(wǎng)絡(luò)連通度不低于2，可確保網(wǎng)絡(luò)在任意單條鏈路中斷時(shí)可順利通信；（2）任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)最小跳數(shù)小于K，確保兩點(diǎn)間最小跳數(shù)鏈路遭遇破壞情況下，用戶對(duì)時(shí)延的增加不關(guān)心，而對(duì)信息的順利傳遞感興趣。在滿足條件的前提下，構(gòu)造的抗毀性網(wǎng)絡(luò)模型為：minijs.t.ij表示節(jié)點(diǎn)間塑造鏈路的成本消耗矩陣W中的元素，用于描述節(jié)點(diǎn)的成本開銷；N用于描述節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；k表示節(jié)點(diǎn)連通度；Dij用于描述節(jié)點(diǎn)短路徑的跳數(shù)；xij表示設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鄰接矩陣X的元素，滿足：

2.2嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)的自愈模型在2.1節(jié)中抗毀性網(wǎng)絡(luò)模型建立的基礎(chǔ)上，進(jìn)行嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)的自愈模型的構(gòu)建。嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)的自愈模型采用集中式控制方法，包括通信網(wǎng)絡(luò)控制模塊、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊、以及可及時(shí)反饋網(wǎng)絡(luò)面臨干擾的抗干擾方案智能化專家模塊。

以下對(duì)自愈模型的三大關(guān)鍵進(jìn)行詳述：

（1）通信網(wǎng)絡(luò)控制模塊：塑造綜合調(diào)控系統(tǒng)，采用方案自主產(chǎn)生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能化調(diào)控。

（2）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、干擾辨識(shí)、信息融合和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度組成，用于監(jiān)測(cè)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境參數(shù)以及干擾數(shù)據(jù)，將干擾數(shù)據(jù)反饋給干擾辨識(shí)模塊、非干擾數(shù)據(jù)反饋給信息融合模塊；干擾辨識(shí)模塊分析監(jiān)測(cè)模塊反饋的干擾數(shù)據(jù)，生成干擾結(jié)果，并傳送到信息融合模塊；信息融合模塊分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和干擾結(jié)果，提出抗干擾解決方案，再將該方案反饋給專家模塊；網(wǎng)絡(luò)調(diào)6616度模塊基于專家模塊生成的抗干擾方案結(jié)果，對(duì)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)控，并生成網(wǎng)絡(luò)調(diào)整結(jié)果。抗干擾方案支持專家模塊用于分析系統(tǒng)反饋的監(jiān)測(cè)信息以及干擾信息，采用網(wǎng)絡(luò)抗毀模型對(duì)信息進(jìn)行分析，獲取最佳的網(wǎng)絡(luò)抗干擾方案。

3仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢測(cè)所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能，采用仿真工具GloMoSim2.03對(duì)本文方法和優(yōu)先備用路由方法進(jìn)行仿真檢測(cè)。模擬的嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)選用MEU流，各MEU流中存在512B。隨機(jī)選擇6對(duì)節(jié)點(diǎn)（其中包含一個(gè)源節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)），源節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送MEU流，并且設(shè)置存在4個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)。

3.1嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行性能評(píng)價(jià)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)通過(guò)FTP將可執(zhí)行文件傳送到本文設(shè)計(jì)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)硬件平臺(tái)上，對(duì)各文件進(jìn)行10次傳送，對(duì)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表1所示。可知，本文系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，最高傳送速度可達(dá)702.4KB/s，能夠滿足嵌入式通信要求。

3.2不同方法下網(wǎng)絡(luò)吞吐量與時(shí)延的比對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)存在惡意節(jié)點(diǎn)攻擊的通信網(wǎng)絡(luò)，分別采用本文方法和優(yōu)先備用路由方法進(jìn)行抗毀性分析。可知，本文方法下的嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)在受到攻擊后，采用抗毀性防備具有較高的吞吐量和較低的時(shí)延，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)的抗毀性是有效的。而優(yōu)先備用路由方法下的通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法避開惡意節(jié)點(diǎn)，使得惡意節(jié)點(diǎn)隨意過(guò)濾數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)通信中斷，數(shù)據(jù)平均端到端時(shí)延高，系統(tǒng)開銷增加。

結(jié)論

嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，降低了信息采集效率和通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制任務(wù)性能。為了增強(qiáng)系統(tǒng)在復(fù)雜對(duì)抗環(huán)境下的協(xié)同性能，應(yīng)提高系統(tǒng)的抗毀性。依據(jù)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)抗毀指標(biāo)以及成本的最小化目標(biāo)，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)抗毀性模型。將該抗毀性模型融入嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)自愈模型中，增強(qiáng)遭受攻擊后網(wǎng)絡(luò)的自愈能力，提高網(wǎng)絡(luò)抗毀性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的抗毀性，系統(tǒng)的吞吐量和平均時(shí)延性能較高。

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