CN104022895B

CN104022895B - 互联网级联故障诊断分析系统

Info

Publication number: CN104022895B
Application number: CN201410199000.9A
Authority: CN
Inventors: 徐野; 王红霞
Original assignee: Shenyang Ligong University
Current assignee: Shenyang Ligong University
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2034-05-13
Also published as: CN104022895A

Abstract

互联网级联故障诊断分析系统，是对现有互联网的体系结构、鲁棒性能以及故障诊断进行分析。根据现有的互联网矩阵数据，对互联网进行随机性攻击和确定性攻击，分析当网络受到攻击时的相继故障传播和鲁棒性能，提出改善网络自愈性的方案，提高网络的鲁棒性；并在硬件平台上实现故障传播的预测，可发送探针监测节点故障，通过对故障节点的定位，返回节点的位置信息以及相继故障的传播情况，返回的信号通过ARM处理器进行分析处理，最后ARM通过向串口发送AT命令实现与GSM模块的通信，并且经由GSM网络将信息发送到管理员的手机上，实时检测网络故障并及时做出处理的方法。本发明具有结构简单，可操作性强，试用方便，成本低等优点。

Description

互联网级联故障诊断分析系统

技术领域

本发明涉及互联网技术，特别是涉及互联网级联故障诊断分析系统。

背景技术

互联网是当今信息科学重大前沿研究领域，也是信息产业经济发展的重要依托平台。对互联网骨干网络进行宏观拓扑测量并在此基础上进行鲁棒研究，是进一步认识互联网规律，有效地发现并利用互联网资源和高效而安全地开发互联网应用的基石。在网络鲁棒性研究方面，根据人们对网络故障分析，发现互联网中对少数路由节点的攻击会导致节点过载并发生故障。但故障并未就此停止，故障节点迫使网络中数据包重新路由，从而可能引起其他路由节点的过载故障。有理由怀疑，互联网中的一个或少数几个节点或链接发生的故障，通过节点之间的耦合关系引起其他节点和链接发生连锁故障，最终导致区域网络节点甚至整个网络崩溃，可能成为互联网整体鲁棒性能的主要威胁。

目前根据互联网络拓扑特性要求的逐渐增多，研究各种复杂网络与互联网之间的关系，相继故障传播对互联网安全性和鲁棒性的影响，探索复杂网络拓扑的相继故障与网络鲁棒性能的相互作用规律和影响机制，从而理解能否在改进网络度分布的特性提高网络鲁棒性，探索大规模网络结构与改善网络鲁棒性能的内在关联。最终，提出改善网络整体鲁棒性能的网络对抗策略，并通过大尺度实测互联网数据进行科学验证。对这些问题进行深入研究具有很高的理论研究价值和广阔的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对互联网中产生的相继故障问题，提供一种操作简单、成本低的改善网络鲁棒性，从而降低相继故障发生的概率，适用于经典复杂网络以及大规模互联网的互联网级联故障诊断分析系统。

采用的技术方案是：

互联网级联故障诊断分析系统，包括如下步骤：

步骤一设软件仿真系统

（1）拓扑分析，对现有的互联网拓扑进行拓扑测量和分析；

（2）网络攻击，对网络节点或边进行不同类型的攻击，可分为确定性攻击和随机性攻击；

（3）鲁棒性分析，对网络进行不同类型的攻击之后，通过对网络相继故障的产生进行分析，从而分析互联网的鲁棒性；

（4）自愈分析，针对攻击后的网络处于分裂状态，通过对网络节点和边的恢复，使网络拓扑实现自愈，增强网络的鲁棒性。

步骤二故障分析系统

（1）故障检测，在网络中选择一些节点部署为具有发送探测能力的监测探针，监测探针通过发送探针包探测网络故障节点及故障节点的负荷重分配引发的相继故障，返回包括分析定位网络中出现故障的节点的位置信息和相继故障产生的节点位置信息；

（2）信息处理，信息经由探针首先进行A/D转换，输出数字信号存放在存储器中，可使用SPI总线读取数据，ARM处理器定时采集存储器中的数据，对ARM芯片进行编程，ARM通过串口连接GSM模块，再通过向串口发送AT命令与GSM模块实现相互通信；

（3）短信模块，利用支持短消息业务的GSM引擎模块发送节点故障信息，利用现有的900M或者1800M的GSM网络，将经过处理的信息通过GSM模块发送到管理员的手机上，短信模块发送短信是有AT指令控制，采用PDU格式或者文本格式。

本发明具有结构简单，可操作性强，试用方便，成本低等优点，适用于研究大规模网络的相继故障传播对互联网安全性和鲁棒性的影响。

附图说明

图1是复杂网络拓扑分析总体结构图。

图2是鲁棒性分析流程图。

图3是故障分析总体框图。

图4是软件设计流程图。

图5是手机收发短信流程图。

具体实施方式

互联网级联故障诊断分析系统，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一设软件仿真系统

（1）拓扑分析，通过互联网数据分析模块1对现有的互联网拓扑进行拓扑测量和分析；

（2）网络攻击，对网络节点或边进行不同类型的攻击，可分为确定性攻击4和随机性攻击3；

（3）鲁棒性分析，对网络进行不同类型的攻击之后，通过鲁棒性分析模块2连接相继故障的测量模块5对网络相继故障的产生进行分析，从而分析互联网的鲁棒性；

（4）自愈分析，针对攻击后的网络处于分裂状态，通过自愈分析模块6对网络节点和边的恢复，使网络拓扑实现自愈，增强网络的鲁棒性。

步骤二故障分析系统

（1）故障检测，通过故障分析模块7在网络中选择一些节点部署为具有发送探测能力的探针监测模块8，监测探针通过数据收发模块9发送探针包探测网络故障节点及故障节点的负荷重分配引发的相继故障，返回包括分析定位网络中出现故障的节点的位置信息和相继故障产生的节点位置信息；

（2）信息处理，在设备终端平台10上信息经由探针首先进行A/D转换，输出数字信号存放在存储器中，可使用SPI总线读取数据，ARM处理器定时采集存储器中的数据，对ARM芯片进行编程，ARM通过串口连接GSM模块，再通过向串口发送AT命令与GSM模块实现相互通信；

软件仿真工作原理

结合图2的鲁棒性分析流程图例进一步说明本发明的方案和工作流程：说明网络相继故障产生与网络鲁棒性的分析方法，以现有的互联网数据进行互联网拓扑矩阵初始化模块11，对互联网所有节点的度值进行计算，找到网络拓扑的最大连通子图，设置网络的初始状态，即在加上备份的情况下网络所能承受的最大负荷；然后进入拓扑初始节点确定模块12，根据判定条件，如果满足随机产生判定条件20，则进入节点随机选定模块13，随机产生一个初始节点；否则满足用户指定判定条件21，进入节点指定模块14，根据用户要求指定一个度最大的节点（或一部分节点）。之后进入硬摧毁模块15，对互联网拓扑节点进行硬摧毁，根据所选择的不同节点进行随机性攻击和确定性攻击；然后进入网络重置模块16，对当前受到攻击的网络进行重置网络矩阵拓扑数据集、度分布、最大连通子图，计算当前网络的实际负载；然后进入连通子图比较模块17，如果此时网络的最大连通子图只有原图的0.1大小时，则进入网络自愈模块18，否则重新进入硬摧毁模块15，重复实验，直至满足条件；进入网络自愈模块18后针对受到攻击后的网络处于分裂状态，提出一种网络鲁棒性增强方案，使网络拓扑连接实现自愈，有效的增强互联网的鲁棒性，实验结束19。

如图2所示，本发明的工作流程包括以下步骤：

I.首先进入互联网拓扑矩阵初始化模块11对现有的互联网数据

集进行拓扑测量和分析，对互联网所有节点的度值进行计算，得到互联网拓扑中度最大的节点或是那一部分节点，得到网络拓扑的最大连通子图；设置网络的初始负荷，即在加上备份的情况下网络所能承受的最大负荷。

II.进入拓扑初始节点确定模块12，确定拓扑抽样的第一个起始节点。根据判定条件，如果满足随机产生判定条件20，则进入节点随机选定模块13，随机产生一个初始节点；否则满足用户指定判定条件21，进入节点指定模块14，根据用户要求指定度最大的节点或是那部分节点为初始节点；将初始节点加入队列。

III.进入硬摧毁模块15

i)如果是随机模块13产生的初始节点，则进行随机性攻击；

ii)如果是节点指定模块14产生的初始节点，则进行确定性攻击；

iii)改变网络的宏观参数，即网络的负载和网络的冗余，根据网络参数的改变，进一步探究网络参数对于网络鲁棒性的影响。

IV.进入网络重置模块16。重新遍历攻击后的网络，对当前受到攻击的网络进行重置网络矩阵拓扑数据集、度分布情况，重新分配被硬摧毁后的节点负荷。当被硬摧毁后的网络节点实际负荷大于网络节点所能承受的最大负荷时，发生相继故障。

V.进入连通子图比较模块17 。当被硬摧毁后的网络最大连通子图为原图的10%时，认为网络完全崩溃，进入网络自愈模块18，否则返回硬摧毁模块15，重复步骤Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，直至满足条件。

VI.进入网络自愈模块18。针对攻击后的网络处于分裂状态，通过对网络节点和边的恢复，提出一种网络鲁棒增强方案，如找到一种方法使网络的最大连通子图增大，从而使鲁棒性得到增强，有效的增强互联网的鲁棒性。增强后网络的鲁棒性能增强10%以上。

VII.实验结束19。

通过上述工作流程，本发明将对现有的互联网数据进行分析测量，并对其进行网络攻击，用网络的相继故障传播及网络自愈情况作为评价标准，为用户提供一种即可反映大规模网络拓扑的鲁棒性能，又可用计算机程序实现算法直观分析鲁棒性方法。

故障分析工作原理

图3所示，硬件系统主要由数据采集模块，数据接收和发送模块，终端接收模块等三个模块组成。数据采集模块首先主要通过发送具有探测能力的监测探针对节点进行故障探测，并且对故障节点进行定位分析。其次探测故障节点的负荷重分配是否会导致与其直接相连的节点的相继故障，并且返回会引起相继故障节点的位置信息。然后对探针返回的信号进行A/D转换后，将输出的数字信号存放在存储器中。数据收发模块模块采用单片机和ARM芯片共用E²PROM的方式，单片机1控制数据从存储器转存入E²PROM中；ARM芯片负责将数据从E²PROM中读出，并经过GSM模块通过GSM网络将数据发送出去。在这里E²PROM是数据临时存储和上传的中转站。

系统中模块与模块之间相互独立又相互依赖，共同完成数据的传输。数据的收发模块是系统的核心模块。该模块以ARM模块为核心，以RS232通信接口，在物理层上实现与GSM模块的连接。

具体实施方案如下：

I.系统初始化。打开串口，测试通信模块与开发板的连接以及短信模块与手机模块的连接受否正常。测试短信模块中的SIM卡是否可用。一切正常，系统准备就绪。

II.故障监测。首先选取网路中度值大的节点部署为具有发送探测能力的监测探针。监测探针s向网络中的目标节点t沿着探测路径P_s.t发送探针包进行探测，根据探测返回的结果分析定位出现故障的节点。其次探测由于故障节点的负荷重分配将引发的相继故障的节点，返回该节点的位置信息。

i)探针通过发送数据包，监测节点的收发率，吞吐量等信息分析节点是否故障。由于探针是周期性发送的，为了避免探针给系统带来过大负载，应当尽量减小探针开销。发送路径的选择通过建立概率依赖模块，赋予较短路上的节点以更高的概率。

ii)节点发生故障必将引发其上的负荷重分配，将负荷平均的分配给与之相连的其他节点，这些节点接收到这些额外负荷之后可能会导致负荷超过其安全阈值，从而引发相继故障。探针探测到故障节点，首先对故障节点进行定位分析，返回地址信息。其次分析将产生相继故障的节点，并返回其地址信息。这里节点的定位可选用建立贝叶斯网络进行测量分析。

III.数据的采集。基站数据采集主要是对故障节点位置以及相继故障信息的检测和实时更新。信号通过探针首先进行A/D转换，输出数字信号存放在存储器中。这里的信号主要包括故障节点的地址信息以及由于故障节点所引发的相继故障的节点地址信息。这里可使用SPI总线读取数据。

IV.数据的处理。单片机1通过内部定时器定定时的控制数据从存储器中转存入E²PROM;ARM处理器负责将数据从E²PROM中读出，并且对数据进行处理。对ARM处理器进行编程，将读入的数据进行分类处理，实时的将故障信息与故障的预测信息发送出去。

V.短信的发送。ARM处理器和GSM短信模块通过串口进行通信，串口通讯遵循RS232标准。这里短信模块可选择西门子TC35i模块。处理器通过向串口发送AT命令把处理的数据信息发送到TC35i模块上。最后TC35i模块借助GSM网络发信息到目标管理员的手机上。

VI.短信的接收。

硬件工作原理说明：

采集与处理装备主要由单片机和GSM模块组成。以单片机89C52为主控制器，外围电路主要有UART通信模块，电源模块，复位模块，FLASH存储模块和短信模块。

单片机与GSM模块采用串行异步通信接口，串口通讯遵循RS232标准。RS232接口方式连接，通过串行接口集成电路和电平转换电路与GSM模块连接，所设计芯片包括单片机89C52和电平转换芯片MAX232。这里接口通过I²C总线扩展一个E²PROM存储器芯片（可选AT24C64），主要是存储采集到的数据。该芯片能够反复擦/写，持久保存数据，并且断电信息不丢失。防止因为网络崩溃造成连接失败导致数据丢失现象的发生。

GSM的短信息业务SMS利用信令信道传输，这是GSM通信网所特有的。它不用拨号建立连接，把要发的信息加上目的地址发送到短信息服务中心，经短信服务中心完成存储后再发送给最终的信宿。所以当目的GSM终端没开机时信息不会丢失。每个短信的信息量限制为160字节。现在市场上大多数手机均支持GSM07.05规定的AT指令集。该指令集是ETSI（欧洲通信技术委员会）发布的，其中包含了对SMS的控制。利用GSM手机的串行接口，单片机向手机收发一系列的AT命令，就能达到控制GSM模块收发SMS的目的。必须注意的是，用单片机实现时，编程必须注意它发送指令与接收到的响应都是字符的ASCII码。

由于不同厂商对AT指令集的解释代码和响应信息不一样，所以单片机首先要确认是否与手机建立通信，一般用ATE指令完成确认；然后用AT+CMGF指令选定短消息的数据格式；在收到手机的正确回答后以AT指令完成读出功能。设计一个PDU模式的应用，单片机发送和接收（手机回答）均为ASCII码。

Claims

1.互联网级联故障诊断分析系统，其特征在于包括软件仿真系统，用于执行：

(1)拓扑分析，对现有的互联网拓扑进行拓扑测量和分析；

(2)网络攻击，对网络节点或边进行不同类型的攻击，可分为确定性攻击和随机性攻击；

(3)鲁棒性分析，对网络进行不同类型的攻击之后，通过对网络相继故障的产生进行分析，从而分析互联网的鲁棒性；

(4)自愈分析，针对攻击后的网络处于分裂状态，通过对网络节点和边的恢复，使网络拓扑实现自愈，增强网络的鲁棒性；

包括故障分析与传输系统，用于执行：

(1)故障检测，在网络中选择一些节点部署为具有发送探测能力的监测探针，监测探针通过发送探针包探测网络故障节点及故障节点的负荷重分配引发的相继故障，返回包括分析定位网络中出现故障的节点的位置信息和相继故障产生的节点位置信息；

(2)信息处理，信息经由探针首先进行A/D转换，输出数字信号存放在存储器中，可使用SPI总线读取数据，ARM处理器定时采集存储器中的数据，对ARM芯片进行编程，ARM通过串口连接GSM模块，再通过向串口发送AT命令与GSM模块实现相互通信，所述AT命令是ETSI发布的，其中包含了对SMS的控制，利用GSM手机的串行接口，单片机向手机收发一系列的AT命令，就能达到控制GSM模块收发SMS的目的；

(3)短信模块，利用支持短消息业务的GSM引擎模块发送节点故障信息，利用现有的900M或者1800M的GSM网络，将经过处理的信息通过GSM模块发送到管理员的手机上，短信模块发送短信由AT指令控制，采用PDU格式或者文本格式。