CN109977567B - 基于同异步分析的一体化装备网络弹性建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同异步分析的一体化装备网络弹性建模方法，利用拜占庭弹性协议来对网络的同异步问题进行分析，提供了保证系统正常工作时所允许的叛变节点的数量，对系统的同步问题提供了新的评估方法，并将系统弹性和节点抗扰度结合起来判断节点的重要程度，使得网络具有弹性，最终降低在任意故障下网络效能和一致性所受到的不利影响。

Description

基于同异步分析的一体化装备网络弹性建模方法

技术领域

本发明属于装备体系网络的分析领域，具体涉及一种基于同异步分析的一体化装备网络弹性建模方法。

背景技术

随着机械化作战逐渐被信息化作战取代，信息化作战已经成为了一种新的战场对抗形式。体系对抗作为信息化作战的集中体现。所谓“体系”,是指若干有关事物互相联系、互相制约而构成的一个整体。作战体系是为达成一定的战略、战役目的，按一定的编配方案、组织结构和流程将各军兵种的不同种类、不同数量的系统或建制单位通过各种通信网络系统有机组织起来的一个整体。网络作战体系是作战体系的一个分支，它包含了与战场环境、作战任务相关联的特征，同时，更加侧重于研究各个通信网络之间的互联、互通、互操作问题。横向上，着重考虑由战场的前方和后方共同构成的全纵深战场中信息的有效传递；纵向上，由于各个层次的通信能力不同，则主要研究在立体战场空间中空、天、地一体的信息资源的共享与分发。所以，网络作战体系的构建及其效能评估问题是作战体系研究中的一个关键问题，也是未来信息化条件下体系作战获取信息优势的前提条件。

网络一体化战斗，就是指通过以计算机为核心的信息网络实现陆、海、空多维战场空间的诸军，兵种作战部队、武器系统、信息系统之间的相互紧密协调，形成统一整体，充分发挥作战效能，与敌进行体系对抗的一种战斗方式。一体化数据从物理域、信息域、认知域和社会域这四个领域进行分析。一体化数据主要包括系统信息管理和网络质量管理，网络质量管理包括互联管理和节点管理。在网络质量管理中，网络的同异步问题是一个热点问题。对于一体化网络，网络中的节点极易受到攻击，特别是协议攻击。对于陆海空一体化的作战系统，受到协议攻击后，可能会发生节点叛变。当一体化网络失去同步，会在很大程度上破坏作战系统。

对于一体化网络的同异步分析，从复杂网络的同步这一方向出发，将分析复杂网络同异步问题的方法运用到一体化网络的同异步分析。

谱分析方法是通过分析拉普拉斯矩阵的特征值、特征向量来研究复杂网络结构和动力学特征的一种方法。在以往的研究中人们发现网络的拉普拉斯矩阵的特征值和特征向量可以反映出网络的很多特征。在非线性动力学中，一个系统的稳定性常常用李亚普诺夫指数(Lyapunov Exponent)来度量。李亚普诺夫指数是指相空间中相互靠近的两个轨迹随时间其指数分离的平均变化速率，体现了系统对初值的敏感性。将系统耦合矩阵的特征值代入主稳定函数，可算出最大李雅普诺夫指数。指数小于零代表系统在该方向上是收缩的，此方向上的运动是稳定的。

系统的行为由性能和组件组成决定。因此，节点上的故障会影响网络，甚至可能导致整个网络的崩溃。由于节点上的故障是难以避免的，因此“弹性”(resilience)得到了越来越多的关注。“弹性”指的是系统承受破坏并迅速恢复正常状态的能力。对网络的弹性研究，是研究网络同异步的一个重要方向。关于复杂网络弹性的研究也越来越多。网络弹性也称为运维弹性，是指网络在遇到灾难事件时快速恢复和继续运行的能力。美国国防部(DoD)将弹性定义为“在敌对行动或不利条件下，架构支持任务成功所需功能的能力”。战术网络体系结构的可量化和规范的任务弹性指标并不存在。我们认为，这些指标对于战术系统的比较分析非常重要，可以让指挥官了解战术网络恢复关键任务功能的能力。研究人员从不同的角度分析了复杂网络的弹性行为。通常，复杂网络的恢复能力是通过网络拓扑相关参数来测量的，如节点度、节点间性和网络聚类系数。利用这些弹性度量，可以对网络拓扑的弹性进行评估。

集群系统的同步为影响弹性模型的重要因素。集群系统同步量化指标有空间同步和时钟同步。空间同步包括在空间维度上建立同步，单元所处位置、运动速度、多单元的紧密度和系统稳定度都是空间同步的量度指标，需对多个体进行路径规划控制，行为保持一致性。时钟同步分为物理时钟同步和逻辑时钟同步，物理时钟同步始终为统一协调时间；逻辑时钟同步指系统内部一致时钟，保证事件发生顺序一致。

拜占庭问题是构建可靠的分布式计算体系的基本问题，通常我们希望在分布式单元中的其中几个成员给出错误讯息的条件下，还能使分布式单元达到一致。拜占廷将军问题是要让爱国的将军达成一致，而不是找叛国的将军。在这类问题中，有3f+1个执行体，其中，最多有f个可能失效(拜占庭错误或被破坏)，拜占庭问题的目标是让所有正常执行体在即便系统中有拜占庭错误的情况下也能达成一致。共识问题是一个重要的分布式计算问题，无论在理论上还是在实践中都是如此。问题在于制定一组流程来使每个流程提出的一个值达成一致。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于同异步分析的一体化装备网络弹性建模方法。能够克服现有技术的不足，使得网络具有弹性，最终降低在任意故障下网络效能和一致性所受到的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于同异步分析的一体化装备网络弹性建模方法，包括以下步骤：

步骤一：根据网络维度进行判断，网络维度|G|与同步系统网络弹性R_U之间的关系如下式所示：

步骤二：计算出网络的同步集合弹性R_U和异步集合弹性R_V；

步骤三：根据系统是静态或者动态的，计算出部分同步系统的弹性函数R_UV，可得到系统正常工作条件下，所允许的最大节点叛变数目；

步骤四：由Z_i＝AE_iW_i计算各个节点的抗扰度Z，其中A为效能矩阵；E_i可靠度指标矩阵，为节点i所承载所有路径的综合可靠度；W_i为权重矩阵；

步骤五：不同节点的抗扰度对弹性的影响不同，根据系统的弹性和各节点的抗扰度，来判断节点的重要性。

进一步，所述步骤二中，考虑系统效能矩阵A，同步集合U的弹性R_U上限为：R_U＝G→(|A||G|-1)/3。

进一步，所述步骤二中，对于异步集合V，仅能部分单元p|V|达到同步，P为同步概率，则异步集合V的弹性上限为：R_V＝G→(p|A||G|-1)/3。

进一步，所述步骤二中，对于部分同步系统，在得到同步和异步系统的弹性函数R_U和R_V后，通过两子空间之间耦合分析，得到混合空间下的弹性上限函数R_UV。

本发明的有益效果是：

本发明利用拜占庭弹性协议来对网络的同异步问题进行分析，提供了保证系统正常工作时所允许的叛变节点的数量，对系统的同步问题提供了新的评估方法，并将系统弹性和节点抗扰度结合起来判断节点的重要程度，使得网络具有弹性，最终降低在任意故障下网络效能和一致性所受到的不利影响。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为同步与异步共存模式示意图；

图2为动态同异步转换示意图；

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明给出了系统弹性与网络维度之间的关系，同步集合和异步集合的弹性上限，并提供了部分同步系统弹性的分析方法。用抗扰度衡量关键模体对弹性的影响，最后给出了拜占庭故障下的关于网络同异步的分析方法。

设U为同步单元集合，V为异步单元集合；浅灰色代表处于同步状态的网络和单元，深灰色代表网元收到攻击后网络和单元处于异步状态部分，灰色代表协议攻击孔洞。图1a的网络G大部分处于同步状态，只有少部分单元处于异步状态。然而，由于图1a中处于异步态的网元缺乏与其他网元的同步协调，其异步集合出现协议攻击孔洞，异步单元集合部分被攻击协议孔洞所覆盖，易于被协议攻击(如图1b)。在被攻击后系统未进行重构操作的情况下，协议攻击孔洞增大直到网络G的边缘，异步单元集合基本被攻击协议孔洞所覆盖，整个网络失去同步(图1c)。为了避免异步集合扩大，必须合理设计系统冗余资源。

根据拜占庭故障模型，t弹性协议要求既要想容忍t个叛国者，必须保证总的将军的个数大于3t。将弹性定义为系统中的同步或异步集合中节点的个数。

则同步集合U的弹性R_U和网络维度|G|的关系有：|G|＝3R_U+1。

当网络维度小于2时，若要系统正常工作，则不能有节点异步；当网络维度大于等于2且小于4时(即最多有3个节点)，最多能容忍一个节点异步；当网络维度大于等于4时，异步节点的个数与网络维度的关系要满足拜占庭故障模型。

故同步系统弹性与网络维度之间的关系如下式所示：

考虑系统效能矩阵A，同步集合U的弹性R_U上限为：R_U＝G→(|A||G|-1)/3。

对于异步集合V，仅能部分单元p|V|达到同步，P为同步概率，则异步集合V的弹性上限为：R_V＝G→(p|A||G|-1)/3。

对于部分同步系统，在得到同步和异步系统的弹性函数R_U和R_V后，通过两子空间之间耦合分析，得到混合空间下的弹性上限函数R_UV。

如图2所示，在该动态系统中，对于部分同步系统，在得到同步和异步系统的弹性函数r_U和r_V后，通过两子空间之间耦合分析，得到混合空间下的弹性函数R(r_U,r_v)：

在时刻t基于效能矩阵A约束下逼近弹性上限。

每个模体或模体组合对网络弹性影响程度不同，关键模体对弹性影响较大，影响程度用抗扰度Z来衡量，可抽象化为系统内第i个节点承载的路由数目，即Z_i＝AE_iW_i，其中A为效能矩阵；E_i可靠度指标矩阵，为节点i所承载所有路径的综合可靠度；W_i为权重矩阵。

网络同异步分析方法如下：

Step1:根据网络维度，计算出网络的同步集合弹性R_U和异步集合弹性R_V。

Step2:根据系统是静态或者动态的，计算出部分同步系统的弹性函数R_UV。可得到系统正常工作条件下，所允许的最大节点叛变数目。

Step3:由Z_i＝AE_iW_i计算各个节点的抗扰度。

Step4:不同节点的抗扰度对弹性的影响不同，可根据系统的弹性和各节点的抗扰度，来判断节点的重要性。也就是说，根据

可判断出节点对网络同步的影响程度，即在R处Z有强突变则抗扰度大，突变越强抗扰度越大，则节点越重要。

根据上述方法，可以计算出在保证系统正常工作的情况下，允许叛变的节点数。同时可以对计算判断出来的重要节点采取保护措施，减少重要节点受到攻击后叛变的可能性。

本发明的创新之处在于利用拜占庭弹性协议来对网络的同异步问题进行分析，提供了保证系统正常工作时所允许的叛变节点的数量，对系统的同步问题提供了新的评估方法。并将系统弹性和节点抗扰度结合起来判断节点的重要程度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.基于同异步分析的一体化装备网络弹性建模方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：根据网络维度进行判断，网络维度|G|与同步系统网络弹性R_U之间的关系如下式所示：

步骤二：计算出网络的同步集合弹性R_U和异步集合弹性R_V；

步骤三：根据系统是静态或者动态的，计算出部分同步系统的弹性函数R_UV，可得到系统正常工作条件下，所允许的最大节点叛变数目；

步骤四：由Z_i＝AE_iW_i计算各个节点的抗扰度，其中A为效能矩阵；E_i可靠度指标矩阵，为节点i所承载所有路径的综合可靠度；W_i为权重矩阵；

步骤五：不同节点的抗扰度对弹性的影响不同，根据系统的弹性和各节点的抗扰度，来判断节点的重要性。

2.根据权利要求1所述的基于同异步分析的一体化装备网络弹性建模方法，其特征在于：所述步骤二中，考虑系统效能矩阵A，同步集合U的弹性R_U上限为：R_U＝G→(|A||G|-1)/3。

3.根据权利要求1所述的基于同异步分析的一体化装备网络弹性建模方法，其特征在于：所述步骤二中，对于异步集合V，仅能部分单元p|V|达到同步，P为同步概率，则异步集合V的弹性上限为：R_V＝G→(p|A||G|-1)/3。

4.根据权利要求1所述的基于同异步分析的一体化装备网络弹性建模方法，其特征在于：所述步骤二中，对于部分同步系统，在得到同步和异步系统的弹性函数R_U和R_V后，通过两子空间之间耦合分析，得到部分同步系统的弹性函数R_UV。

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