一种用于移动Adhoc网络故障传播的抑制方法与流程

本发明提出一种用于移动adhoc网络故障传播的抑制方法，属于网络科学与控制科学交叉领域。

背景技术：

移动adhoc网络(mobileadhocnetwork，manet)作为一种支持终端用户移动、具有高度自组织能力、组网方式灵活、系统整体抗毁性强、不依赖于固定基础设施的通信网络，是下一代移动通信网络的关键技术之一。在战术互联网络、环境监测、灾难现场紧急救援、远程医疗、野外科学考察等领域有着广泛的应用。

由于移动adhoc网络的无线通信带宽受限，安全性差等不足，相比于固定网络，它更加易于遭受恶意程序的攻击而故障。随着移动adhoc网络应用的增大，尤其是网络中路由节点规模越来越大时，一个内部或者外部的故障，就可能使故障“有点及面”全面爆发。由于移动adhoc网络中路由节点之间的信息传输关系，网络中产生的故障会在网络中传播，最终将导致网络丧失通信能力，严重时将造成难以挽回的经济影响。因此，当网络遭遇随机失效或者蓄意攻击后，制定有效的故障传播抑制策略来降低其相继故障传播的范围和影响，对保障移动adhoc网络的可靠、安全运营具有很大价值。构建新的方法去保护移动adhoc网络并防止相继故障传播是很必要的，研究在何种代价下使一个重建的网络针对随机失效和恶意攻击更具鲁棒性具有重要意义。

移动adhoc网络的终端节点以一定的方式分布，必须自行组织形成网络，各终端节点的运行自由度很高，需要根据情况进行自适应调整通信，以局部终端节点之间的相互作用，完成整个网络的通信功能，所以它的整体功能大于局部子网功能之和，这和复杂网络的典型特性----涌现特性相符合。所以，可以将移动adhoc网络看作一种复杂动态网络。目前，在动态网络的故障传播研究中，一般复杂网络中关于故障传播的研究方法已经取得了一定的研究成果，主要集中在复杂供电网络、internet网络、抽象复杂网络。但研究仍缺少针对移动adhoc网络故障传播过程的抑制方法，现有的网络修复方法对具有动态特性的移动adhoc网络效果差，需要制定新的抑制方法抑制移动adhoc网络故障传播。

技术实现要素：

本发明针对移动adhoc网络现有研究的不足，提出了一种用于移动adhoc网络故障传播的抑制方法。发明的目的是通过移动adhoc网络故障传播抑制方法，控制存在网络中的传播型故障，防止故障传播对移动adhoc网络造成进一步损害，有助于及时开展网络事后修复工作。

本发明提出一种用于移动adhoc网络故障传播的抑制方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：构建初始移动adhoc网络拓扑，将实际移动adhoc网络抽象为网络拓扑模型；以移动adhoc网络中的移动终端作为节点，设定移动adhoc网络通信半径r，在通信半径内的终端之间相互连接，将连接抽象为节点连接边，在一定的空间内建立网络拓扑；

步骤二：基于移动adhoc网络的网络拓扑，利用随机路点模型，以节点停留时间为单位，赋予网络中节点移动属性，建立网络节点动态移动过程，在每一单位时间根据节点移动属性移动节点空间位置，构建移动adhoc网络的动态网络拓扑模型；

步骤三：选择移动adhoc网络初始感染状态节点，计算网络中节点的初始负载，初始负载为节点的介数，对节点容量进行分配，采用预防性分配方法，加强节点承受负载的能力；通过预防性的容量分配，减少因移动adhoc网络自身带宽受限等原因造成的过载故障，抑制的网络故障传播；

步骤四：根据初始感染状态节点(i态)，针对病毒等恶意程序导致的移动adhoc网络故障，利用sir模型建立故障状态传播过程，感染状态节点在单位时间内，以一定的概率λ感染相邻的正常状态节点(s态)，在完成感染后，将移动adhoc网络中原感染状态节点判定为故障节点(r态)，并将其移出网络；

步骤五：根据定义的初始负载和节点容量，建立容量负载模型下的故障传播过程，重新计算步骤三中剩余节点的新负载，将负载超过节点容量的节点判定为过载故障(f态)，将其作为故障节点移出网络；循环步骤四和步骤五形成故障传播过程，直至网络无新的故障节点出现，进入稳态网络；

步骤六：在移动adhoc网络的故障传播过程中，在设定时间内对网络中的r态节点进行修复，修复概率为p，通过随机修复r态节点的方法对故障传播过程进行抑制；减少因被植入恶意程序等原因造成故障传播。

通过以上步骤，达到了对移动adhoc网络的故障传播过程的抑制效果，解决了网络内节点故障传播问题，适用于发生故障时控制移动adhoc网络内设备状态防止大面积故障发生，减小故障传播范围，最小化经济损失。

其中，在上述步骤一中所述的“构建初始移动adhoc网络拓扑”，其具体作法有：首先确定移动adhoc网络区域大小，将网络中移动终端抽象为节点，编号从1开始排序到n，确定初始网络的位置信息；确定网络内移动通信半径r，任意节点i和节点j在t时刻的距离为：

式中：(xi(t),yi(t))为t时刻节点i的几何位置，(xj(t),yj(t))为t时刻节点j的几何位置，dij(t)是节点i和节点j的几何距离；

对dij(t)≤r的节点建立抽象连接边，形成初始移动adhoc网络拓扑。

其中，在上述步骤二中所述的“基于移动adhoc网络的网络拓扑，利用随机路点模型，以节点停留时间为单位，赋予网络中节点移动属性，建立网络节点动态移动过程”，其具体过程有：对网络中节点i赋予三个运动参数：当前位置pi，速度vi和路标点wi；此外，每个节点停留的单位时间为t0，随机路点模型的移动过程为：初始时刻，节点是静止的，停留单位时间t0后，节点随机选择一个目的路标点p，并以速度vi(vi值随机从区间[vmin,vmax]上选取)经过最短路径达到路标点p，在到达路标点位置后，每个节点会短暂停顿t时间后，再次选择新的目的路标，再停顿，周而复始。

其中，在上述步骤三中所述的“选择移动adhoc网络初始感染状态节点，计算网络中节点的初始负载，初始负载为节点的介数，对节点容量进行分配，采用预防性分配方法，加强节点承受负载的能力”，其节点初始负载具体计算公式有：

其中li是节点i的介数，即节点i的初始负载，gpq(i)为节点p与q间通过节点i的最短路径条数，gpq为节点p与q之间所有的最短路径条数；

预防性分配节点容量计算公式有：

ci＝(1+α)gmax(li)

其中是ci节点的容量，α表示冗余系数，α≥0，li是节点的初始负载；以初始时刻网络中节点负载的最大值的倍数来分配网络容量，减少因节点通信过载带来的过载故障传播，达到对故障传播过程抑制的目的。

其中，在上述步骤四中所述的“利用sir模型建立故障状态传播过程”，其作法如下：sir模型(susceptibleinfectedrecoveredmodel)是一种传染病模型；在移动adhoc网络中，将节点划分为s(易感状态)、i(感染状态)和r(免疫状态)三种状态；正常状态时节点为s态，在单位时间内，存在于网络中的i态节点会以一定概率λ将相连的s节点感染为i态；i态节点在一定时间内以一定概率μ转换为r态，在移动adhoc网络模型中，r态节点是因被植入恶意程序或者感染恶意程序后被移除的故障状态节点；当故障传播结束时，移动adhoc网络中只存在s态节点与r态节点，网络处于稳定状态。

其中，在上述步骤五中所述的“根据定义的初始负载和节点容量，建立容量负载模型下的故障传播过程”，其具体作法有：故障传播以单位时间为每一次传播过程，在故障传播过程中，每一次移除网络节点需要重新计算网络内所有节点的负载，负载计算方式与步骤三中一致；当li＞ci时，节点负载超出其容量，节点作为过载节点转换为f态，f态为过载故障状态，将f态节点移出网络进行下一步故障传播，直至网络稳定。

其中，在上述步骤六中所述的“随机修复r态节点的抑制方法通过随机修复r态节点的方法对故障传播过程进行抑制”，其具体作法有：在所构建的移动adhoc网络故障传播过程中，在适当时机以修复概率为p对r态节点进行修复；这种修复是可行的，因为被植入恶意程序的能够通过一定技术或者手段删除掉，使得失活的节点重新发挥作用，抑制故障的传播过程，增强网络的连通性。

本发明提供一种用于移动adhoc网络故障传播的抑制方法，本发明具有如下优点与积极效果如下：

1、充分的考虑了移动adhoc网络的动态特性，综合考虑了各类故障特点，提出了动态网络情况下故障传播抑制方法。

2、针对移动adhoc网络的故障传播过程，在步骤三采用了预防性容量分配策略，在步骤六中采用修复r态节点的控制策略，可抑制网络初始故障发生后故障的扩散，在实际应用中可避免灾难性事故发生。

附图说明：

图1为本发明所述的方法流程图。

图2为移动adhoc网络拓扑模型。

图3为未采取抑制措施时，故障传播过程中各状态节点数量变化。

图4为合理分配网络节点容量时，各状态节点数量变化。

图5为修复r态节点时，各状态节点数量变化。

图中代号说明如下：

s态节点为网络易感节点，及正常节点

i态节点为网络感染节点，及被传染节点

r态节点为因感染恶意程序而被移除的故障状态节点

f态节点为因负载过大而被移除的过载故障节点

numofs表示s态节点数量

numofi表示i态节点数量

numofr表示r态节点数量

numoff表示f态节点数量

具体实施方式：

本发明提出一种用于移动adhoc网络故障传播的抑制方法，下面结合附图对本发明进行详细描述：

本发明一种用于移动adhoc网络故障传播的抑制方法，见图1所示，其具体实施步骤如下：

步骤一：构建初始移动adhoc网络拓扑，将实际移动adhoc网络抽象为网络拓扑模型。

首先确定移动adhoc网络区域大小，设定区域大小为30*30，将网络中移动终端抽象为节点，编号从1开始排序到200，确定初始网络的位置信息。确定网络内移动通信半径r＝10，计算任意节点i和节点j在t时刻的距离为：

对dij(t)≤r的节点建立抽象连接边，形成初始移动adhoc网络拓扑。如附图2所示。

步骤二：基于移动adhoc网络的网络拓扑，利用随机路点模型，以节点停留时间为单位，赋予网络中节点移动属性，建立网络节点动态移动过程，在每一单位时间根据节点移动属性移动节点空间位置，构建移动adhoc网络的动态网络拓扑模型。

分别对网络中各节点i赋予三个运动参数：当前位置pi，速度vi和路标点wi，其中节点平均移动速度为此外，每个节点停留的单位时间为t0，在故障传播仿真中取t0＝1。节点的移动过程为：初始时刻，节点是静止的，停留单位时间t0后，节点随机选择一个目的路标点p，并以速度vi经过最短路径达到路标点p，在到达路标点位置后，每个节点会短暂停顿t时间后，再次选择新的目的路标，再停顿，周而复始。

步骤三：选择移动adhoc网络初始感染状态节点，计算网络中节点的初始负载，初始负载为节点的介数，初始负载具体计算公式有：

其中li是节点i的介数，即节点i的初始负载，gpq(i)为节点p与q间通过节点i的最短路径条数，gpq为节点p与q之间所有的最短路径条数。

对节点容量进行分配，采用预防性分配方法，加强节点承受负载的能力。预防性分配节点容量计算公式有：

ci＝(1+α)gmax(li)

其中是ci节点的容量，α表示冗余系数，取α＝0.5，li是节点的初始负载。以初始时刻网络中节点负载的最大值的倍数来分配网络容量，减少因节点通信过载带来的过载故障传播，达到对故障传播过程抑制的目的。附图3为未采取抑制措施时，整个故障传播过程中各状态节点数量变化，附图4为合理分配网络节点容量时，各状态节点数量变化。

步骤四：根据初始感染状态节点(i态)，针对病毒等恶意程序导致的移动adhoc网络故障，利用sir模型建立故障状态传播过程，将节点划分为s(易感状态)、i(感染状态)和r(免疫状态)三种状态。正常状态时节点为s态，在单位时间内，存在于网络中的i态节点会以一定概率λ将相连的s节点感染为i态，取λ＝0.1。i态节点在一定时间内以概率μ转换为故障状态r态，取μ＝1。当故障传播结束时，移动adhoc网络中只存在s态节点与r态节点，网络处于稳定状态。

步骤五：根据定义的初始负载和节点容量，建立容量负载模型下的故障传播过程。故障传播以单位时间为每一次传播过程，在故障传播过程中，每一次移除网络节点需要重新计算网络内所有节点的负载，负载计算方式与步骤三种一致。当li＞ci时，节点负载超出其容量，节点作为过载节点转换为f态，f态为过载故障状态，将f态节点移出网络进行下一步故障传播，直至网络稳定。

步骤六：在所构建的移动adhoc网络故障传播过程中，在适当时机以修复概率为p对r态节点进行修复，取修复时间t＝100，取修复概率p＝0.5。图5为修复r态节点时，各状态节点数量变化。根据仿真可知这种修复是可行的，因为被植入恶意程序的能够通过一定技术或者手段删除掉，使得失活的节点重新发挥作用，抑制故障的传播过程，增强了网络的连通性。