嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗毀性設(shè)計方法研究

摘 要： 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)雜對抗環(huán)境下的協(xié)同性能，應(yīng)提高系統(tǒng)的抗毀性。因此，采用LPC2290芯片作為微控制器，融合以太網(wǎng)模塊、CAN模塊、電源模塊和相關(guān)外圍接口模塊，構(gòu)建整個嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路結(jié)合子板和母板共同實現(xiàn)相關(guān)功能，提高系統(tǒng)的協(xié)同處理性能；采用基于Protocol_TCP協(xié)議的流套接子完成數(shù)據(jù)通信，增強(qiáng)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。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。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計系統(tǒng)具有較高的抗毀性，系統(tǒng)的吞吐量和平均時延性能較高。

關(guān)鍵詞： 嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)； 抗毀性； 愈模型； 數(shù)據(jù)通信

中圖分類號： TN915?34； TP393.05 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）16?0064?04

Abstract： The running environment of the embedded communication network is complex， which may reduce the efficiency of information collection and performance of communication network coordination control task. In order to enhance the system collaboration performance in complex confrontation environment， the system invulnerability should be improved. The chip LPC2290 is taken as the microcontroller， and the Ethernet module， CAN module， power supply module and related peripheral interface modules are integrated to construct the whole embedded communication network system. The daughter board and mother board are combined in the system hardware circuit to realize the related function together， and improve the coordination treatment performance of the system. The stream socket based on Protocol_TCP is used to accomplish the data communication， and improve the stability of the communication system. On the basis of the invulnerability index of the embedded communication network and the target of cost minimization， the network invulnerability model was designed. The invulnerability model is integrated into the self?healing model of the embedded communication network to enhance the self?healing ability of the attacked network， and improve the network invulnerability. The experimental results show that the designed system has high invulnerability， high system throughput and high average delay performance.

Keywords： embedded communication network； invulnerability； self?healing model； data communication

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)在計算機(jī)以及自動控制領(lǐng)域具有重要作用[1?2]。當(dāng)嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)中斷時會給用戶帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對通信網(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[3?5]。

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題，符修文對不同類型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在不同攻擊下的最大連通分支節(jié)點數(shù)同網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點數(shù)的比例進(jìn)行調(diào)整，對網(wǎng)絡(luò)抗毀性進(jìn)行調(diào)整[6]；李文鋒提出一種在光網(wǎng)絡(luò)中支持優(yōu)先級的備用路由算法，為優(yōu)先級較高的光路塑造請求獲取更多的備用路由，降低高優(yōu)先級的光路連接的阻塞率，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性[7]；吳俊分析了基于網(wǎng)絡(luò)連通性和通信效率的網(wǎng)絡(luò)抗毀性設(shè)計，將連通分支以及平均最短路徑當(dāng)成測量隊連通系數(shù)進(jìn)行定義，塑造符合連通度的網(wǎng)絡(luò)抗毀模型[8]；于磊磊依據(jù)跳數(shù)以及連通度塑造網(wǎng)絡(luò)抗毀性模型，通過優(yōu)化的充分割集算法求解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9] 。但這些傳統(tǒng)算法同時出現(xiàn)了容易受到外界惡劣環(huán)境的干擾、成本消耗高、算法復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載性能較低的問題。

為了有效處理上述問題，構(gòu)建整個嵌入式通信網(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

1.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計

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)建整個嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖1所示。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)計系統(tǒng)電路需要的5 V和3 V電壓模塊、以太網(wǎng)設(shè)計模塊，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模塊用于實現(xiàn)CAN接收以及輸出接口電路設(shè)計。

以下對嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的總體設(shè)計中關(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CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行控制、對通信網(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)點完成數(shù)據(jù)的傳遞和交換。以LPC2290芯片為微處理器的核心板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

電源模塊設(shè)計：系統(tǒng)通過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，TPS767D318轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

以太網(wǎng)模塊設(shè)計：采用CS8900A為以太網(wǎng)控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和控制。

該控制器能耗低、集成度高，同時具有10Base?T傳遞端口，能夠自主進(jìn)行CRC檢測，在遭受攻擊后能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行自主重發(fā)。CS8900A以太網(wǎng)控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該控制器主要實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的采集和發(fā)送，對攻擊情況下的數(shù)據(jù)沖突進(jìn)行檢測，并產(chǎn)生驗證CRC校驗碼等，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

對嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要集中在系統(tǒng)通信程序的編寫。

為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)的高可靠性和穩(wěn)定性的要求，要設(shè)計通信選用基于協(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，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)傳輸過程中采用recv（）函數(shù)獲取來自指定連接的數(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，部分代碼為：

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

2.1 抗毀性網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計

將通信網(wǎng)絡(luò)的各子網(wǎng)、路由交換設(shè)備、調(diào)度模塊等用點集V描述， 兩點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，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可順利通信；

（2） 任意兩個節(jié)點最小跳數(shù)小于K，確保兩點間最小跳數(shù)鏈路遭遇破壞情況下，用戶對時延的增加不關(guān)心，而對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：

[minW=i=1N-1j=i+1Nxijwij s.t. k≥2；（i，j）∈EDij≤K] （1）

式中：[wij]表示節(jié)點間塑造鏈路的成本消耗矩陣W中的元素，用于描述節(jié)點[vi]，[vj]的成本開銷；N用于描述節(jié)點的數(shù)量；[k]表示節(jié)點連通度；[Dij]用于描述節(jié)點[vi]同[vj]最短路徑的跳數(shù)；[xij]表示設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鄰接矩陣X的元素，滿足：

[xij=1， 若vi與vj直連0， 若vi與vj不直連] （2）

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、以及可及時反饋網(wǎng)絡(luò)面臨干擾的抗干擾方案智能化專家模塊，如圖5所示。

以下對自愈模型的三大關(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、干擾辨識、信息融合和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度組成，用于監(jiān)測嵌入式通信網(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)反饋給干擾辨識模塊、非干擾數(shù)據(jù)反饋給信息融合模塊；干擾辨識模塊分析監(jiān)測模塊反饋的干擾數(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)度模塊基于專家模塊生成的抗干擾方案結(jié)果，對嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)控，并生成網(wǎng)絡(luò)調(diào)整結(jié)果?？垢蓴_方案支持專家模塊用于分析系統(tǒng)反饋的監(jiān)測信息以及干擾信息，采用網(wǎng)絡(luò)抗毀模型對信息進(jìn)行分析，獲取最佳的網(wǎng)絡(luò)抗干擾方案。

3 仿真實驗結(jié)果分析

為了檢測所設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能，采用仿真工具GloMoSim 2.03對本文方法和優(yōu)先備用路由方法進(jìn)行仿真檢測。模擬的嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)選用MEU流，各MEU流中存在512 B。隨機(jī)選擇6對節(jié)點（其中包含一個源節(jié)點和一個目標(biāo)節(jié)點），源節(jié)點向目標(biāo)節(jié)點發(fā)送MEU流，并且設(shè)置存在4個惡意節(jié)點。

3.1 嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行性能評價

嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行性能評價實驗通過FTP將可執(zhí)行文件傳送到本文設(shè)計的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)硬件平臺上，對各文件進(jìn)行10次傳送，對嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行評價，結(jié)果如表1所示。

表1 檢測結(jié)果

由表1可知，本文系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題，最高傳送速度可達(dá)702.4 KB/s，能夠滿足嵌入式通信要求。

3.2 不同方法下網(wǎng)絡(luò)吞吐量與時延的比對

實驗對存在惡意節(jié)點攻擊的通信網(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，兩種方法下的通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量和平均端到端時延情況見圖6、圖7。

由圖6、圖7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延，說明本文設(shè)計的嵌入式通信網(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)，無法避開惡意節(jié)點，使得惡意節(jié)點隨意過濾數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)通信中斷，數(shù)據(jù)平均端到端時延高，系統(tǒng)開銷增加。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建整個嵌入式通信網(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。仿真實驗結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)具有較高的抗毀性，系統(tǒng)的吞吐量和平均時延性能較高。

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