探究嵌入式通信网络系统抗毁性设计

高鹏程

摘要：嵌入式通信网络在计算机以及自动控制领域具有重要作用。本文构建整个嵌入式通信网络系统。依据嵌入式通信网络抗毁指标以及成本的最小化目标，设计网络抗毁性模型。在此基础上构造嵌入式通信网络的自愈模型，增强遭受攻击后网络的自愈能力，提高网络抗毁性能。

关键词：嵌入式通信网络；抗毁性；设计

随着网络技术的发展，嵌入式通信网络在计算机以及自动控制领域具有重要作用。当嵌入式通信网络通信业务中断时会给用户带来重大经济损失。因此，对通信网络抗毁性进行分析，成为网络可靠性和安全性的关键，也成为网络规划的重点。

目前，网络抗毁性分析方法取得了如下进展：当前的网络抗毁性分析方法存在较多问题，符修文对不同类型的复杂网络在不同攻击下的最大连通分支节点数同网络总節点数的比例进行调整，对网络抗毁性进行调整；李文锋提出一种在光网络中支持优先级的备用路由算法，为优先级较高的光路塑造请求获取更多的备用路由，降低高优先级的光路连接的阻塞率，增强了网络的抗毁性。为了有效处理上述问题，构建整个嵌入式通信网络系统。依据嵌入式通信网络抗毁指标以及成本的最小化目标，设计网络抗毁性模型。在此基础上构造嵌入式通信网络的自愈模型，增强遭受攻击后网络的自愈能力，提高网络抗毁性能。

1嵌入式网络通信系统的总体设计

1.1嵌入式网络通信系统的硬件设计采用PHILIPS的LPC2290芯片作为微控制器，并且融合以太网模块、CAN模块、电压模块和相关外围接口模块，构建整个嵌入式通信网络系统。为了提高系统的稳定性，系统硬件电路融合子板和母板的相关功能，将子板当成关键模块，子板由LPC2290（ARM7TDM）微控制器、存储器系统、以太网控制器CS8900A等构成；母板是核心板的外围电路，主要包括电源模块、设计系统电路需要的5V电压模块、以太网设计模块，母板采用LPC2290微控制器控制CS8900A网络芯片，完成网络数据的传递和控制；CAN模块用于实现CAN接收以及输出接口电路设计。

以下对嵌入式网络通信系统的总体设计中关键的模块进行详述：

微处理器LPC2290：ARM7系列嵌入式微处理器具有ARM7TDMI内核，具备较高的数据处理性能和较低的能耗。所设计系统的控制器采用PHILIPS公司生产的LPC2290芯片，该芯片能够实现系统的仿真和定位。LPC2290芯片不仅可总体控制相关的控制器，还可对CAN网络节点进行控制、对通信网络中的异种协议数据格式进行变换，并与同网络中的节点完成数据的传递和交换。电源模块设计：系统通过多用低电压供电方式，降低LPC2290芯片的功耗，将TI公司生产的直流电压变换TPS767D318芯片作为电源输入芯片，提升芯片的通电效率和抗噪性能。以太网模块设计：采用CS8900A为以太网控制器，实现数据的传递和控制。

该控制器能耗低、集成度高，同时具有10Base-T递端口，能够自主进行CRC检测，在遭受攻击后能够对数据进行自主重发。

该控制器主要实现以太网数据帧的采集和发送，对攻击情况下的数据冲突进行检测，并产生验证CRC验码等，提升系统处理冲突数据的能力。

1.2嵌入式网络通信系统的软件设计对嵌入式网络通信系统的软件设计主要集中在系统通信程序的编写。

为了实现控制系统的高可靠性和稳定性的要求，要设计通信选用基于协议的流套接字，创建各自的套接字并建立和获取各自的连接，然后对客户机和服务器进行通信和数据传输，部分系统通信程序代码如下：

建立通信连接后，Protocol_TCP协议采用sackling（）函数采集obtion的连接状态。如果客户端向服务器发送Protocol申请，则服务器可解析采集的Protocol数据帧，获取相关的数据信息。在Protocol数据传输过程中采用recv（）函数获取来自指定连接的数据信息，再使用send（）函数将数据信息反馈到相应的连接，实现数据的传递，完成数据传输后，采用over（）函数断开连接，完成全部任务后，采用overoutlet（）函数过滤outlet 套接字。以上步骤实现了系统通信程序的编写，为嵌入式通信网络系统的抗毁性设计提供理论依据。

2嵌入式通信网络系统的抗毁性设计

2.1抗毁性网络模型设计将通信网络的各子网、路由交换设备、调度模块等描述，两点间塑造链路的开销用边集E描述，进而塑造通信网络的成本开销网络G（V，E）。嵌入式通信网络的抗毁性设计，需要满足抗毁性指标所设定的条件，并且确保网络设计成本的最低化。其中的抗毁性指标要求为：（1）网络连通度不低于2，可确保网络在任意单条链路中断时可顺利通信；（2）任意两个节点最小跳数小于K，确保两点间最小跳数链路遭遇破坏情况下，用户对时延的增加不关心，而对信息的顺利传递感兴趣。在满足条件的前提下，构造的抗毁性网络模型为：minijs.t.ij表示节点间塑造链路的成本消耗矩阵W中的元素，用于描述节点的成本开销；N用于描述节点的数量；k表示节点连通度；Dij用于描述节点短路径的跳数；xij表示设计的网络拓扑结构的邻接矩阵X的元素，满足：

2.2嵌入式通信网络的自愈模型在2.1节中抗毁性网络模型建立的基础上，进行嵌入式通信网络的自愈模型的构建。嵌入式通信网络的自愈模型采用集中式控制方法，包括通信网络控制模块、网络监控模块、以及可及时反馈网络面临干扰的抗干扰方案智能化专家模块。

以下对自愈模型的三大关键进行详述：

（1）通信网络控制模块：塑造综合调控系统，采用方案自主产生技术，实现网络的智能化调控。

（2）网络监控模块由网络监测、干扰辨识、信息融合和网络调度组成，用于监测嵌入式通信网络的环境参数以及干扰数据，将干扰数据反馈给干扰辨识模块、非干扰数据反馈给信息融合模块；干扰辨识模块分析监测模块反馈的干扰数据，生成干扰结果，并传送到信息融合模块；信息融合模块分析监测数据和干扰结果，提出抗干扰解决方案，再将该方案反馈给专家模块；网络调6616度模块基于专家模块生成的抗干扰方案结果，对嵌入式通信网络进行调控，并生成网络调整结果。抗干扰方案支持专家模块用于分析系统反馈的监测信息以及干扰信息，采用网络抗毁模型对信息进行分析，获取最佳的网络抗干扰方案。

3仿真实验结果分析

为了检测所设计网络的抗毁性能，采用仿真工具GloMoSim2.03对本文方法和优先备用路由方法进行仿真检测。模拟的嵌入式通信网络选用MEU流，各MEU流中存在512B。随机选择6对节点（其中包含一个源节点和一个目标节点），源节点向目标节点发送MEU流，并且设置存在4个恶意节点。

3.1嵌入式通信网络系统的运行性能评价嵌入式通信网络系统的运行性能评价实验通过FTP将可执行文件传送到本文设计的嵌入式网络通信系统硬件平台上，对各文件进行10次传送，对嵌入式通信网络系统的运行性能进行评价，结果如表1所示。可知，本文系统运行平稳，未出现数据丢失问题，最高传送速度可达702.4KB/s，能够满足嵌入式通信要求。

3.2不同方法下网络吞吐量与时延的比对实验对存在恶意节点攻击的通信网络，分别采用本文方法和优先备用路由方法进行抗毁性分析。可知，本文方法下的嵌入式通信网络在受到攻击后，采用抗毁性防备具有较高的吞吐量和较低的时延，说明本文设计的嵌入式通信网络的抗毁性是有效的。而优先备用路由方法下的通信网络，无法避开恶意节点，使得恶意节点随意过滤数据包，网络通信中断，数据平均端到端时延高，系统开销增加。

结论

嵌入式通信网络的运行环境复杂，降低了信息采集效率和通信网络协同控制任务性能。为了增强系统在复杂对抗环境下的协同性能，应提高系统的抗毁性。依据嵌入式通信网络抗毁指标以及成本的最小化目标，设计网络抗毁性模型。将该抗毁性模型融入嵌入式通信网络自愈模型中，增强遭受攻击后网络的自愈能力，提高网络抗毁性能。实验结果表明，该设计系统具有较高的抗毁性，系统的吞吐量和平均时延性能较高。

参考文献：

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