航空自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)失效分析方法

謝麗霞，嚴(yán)莉萍，楊宏宇,2

（1. 中國(guó)民航大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300300；2. 中國(guó)民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300）

1 引言

隨著航空自組網(wǎng)（AANET，aeronautical Ad Hoc network）[1-3]在民用航空空中通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其面臨的網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻。當(dāng)發(fā)生AANET的網(wǎng)絡(luò)攻擊或設(shè)備損壞時(shí)，易引起節(jié)點(diǎn)失效波及反應(yīng)[4]，從而對(duì)AANET的網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。因此，研究AANET中節(jié)點(diǎn)失效波及反應(yīng)，對(duì)提高AANET的應(yīng)急處理能力和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全具有重要意義。

面向AANET的網(wǎng)絡(luò)安全研究包括安全路由機(jī)制[5-6]、安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)[7]、依賴網(wǎng)絡(luò)建模[4,8-9]、波及影響分析方法[10-13]等領(lǐng)域。在依賴網(wǎng)絡(luò)建模方面，Buldyrev等[4]提出一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的依賴網(wǎng)絡(luò)模型，Shao等[8]提出多重對(duì)應(yīng)關(guān)系的依賴網(wǎng)絡(luò)模型，Ma等[9]提出基于網(wǎng)絡(luò)間邏輯映射關(guān)系的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模方法。以上依賴網(wǎng)絡(luò)建模的方法僅關(guān)注節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，并未考慮節(jié)點(diǎn)本身的屬性。在波及影響分析方法方面，Li等[10]提出具有固定失效概率的經(jīng)典失效傳播模型，但未考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效概率的動(dòng)態(tài)變化性。Wang等[11]提出傳統(tǒng)負(fù)載－容量模型并設(shè)定失效流量沿最短路徑傳輸，但未考慮AANET實(shí)際流量傳輸情況。負(fù)載－容量模型在網(wǎng)絡(luò)失效研究中的應(yīng)用，為網(wǎng)絡(luò)信息傳輸節(jié)點(diǎn)失效引起的波及反應(yīng)分析提供了可行的方法。Shen等[12]提出基于可變負(fù)載的依賴網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效波及影響分析模型，通過(guò)定義流量損失參數(shù)來(lái)計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有資源相關(guān)的流量損失并分析實(shí)際相互依賴系統(tǒng)中失效傳播特性。韓麗等[13]提出基于加權(quán)無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的波及影響分析方法，按照節(jié)點(diǎn)權(quán)值再分配失效流量，但未考慮通信鏈路對(duì)網(wǎng)絡(luò)波及反應(yīng)的影響。上述節(jié)點(diǎn)失效波及影響分析方法廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的節(jié)點(diǎn)失效波及影響分析，但針對(duì)不同時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)的失效概率不唯一，且對(duì)于節(jié)點(diǎn)初始流量和節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)處理能力不同的AANET，上述方法的節(jié)點(diǎn)失效波及影響分析效果不夠理想。

針對(duì)上述節(jié)點(diǎn)失效分析方法中存在的網(wǎng)絡(luò)建模不完全，未考慮網(wǎng)絡(luò)流量重分配對(duì)網(wǎng)絡(luò)波及影響等不足，本文提出一種AANET節(jié)點(diǎn)失效分析方法。

2 節(jié)點(diǎn)失效分析方法

AANET節(jié)點(diǎn)失效分析方法由非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)建立模塊（ADNEM，asymmetric dependent network establish module）和波及影響分析模塊（AIAM，affecting impact analysis module）組成，該方法流程如圖1所示。

圖1 AANET節(jié)點(diǎn)失效分析方法流程Figure 1 The process of AANET node failure analysis method

兩個(gè)模塊的處理過(guò)程設(shè)計(jì)如下。

（1）ADNEM

首先，將AANET中傳輸數(shù)據(jù)的航空器節(jié)點(diǎn)作為實(shí)體節(jié)點(diǎn)，基于節(jié)點(diǎn)凝聚度計(jì)算節(jié)點(diǎn)權(quán)值，得到無(wú)向加權(quán)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)。然后，將AANET通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)抽象為業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，基于節(jié)點(diǎn)影響力計(jì)算節(jié)點(diǎn)權(quán)值，得到有向加權(quán)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。最后，根據(jù)雙層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的映射關(guān)系，建立節(jié)點(diǎn)依賴矩陣，得到非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)模型。

（2）AIAM

按照AANET特性分析受到波及影響的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，根據(jù)實(shí)時(shí)AANET數(shù)據(jù)計(jì)算鏈路生存性，并將鏈路生存性用于改進(jìn)失效流量再分配算法，在所建非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)模型上應(yīng)用該算法，獲取失效節(jié)點(diǎn)集合和業(yè)務(wù)降級(jí)節(jié)點(diǎn)集合并用于網(wǎng)絡(luò)波及影響分析。

3 非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

本文以AANET為研究對(duì)象，將AANET抽象為實(shí)體網(wǎng)絡(luò)，將該網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程抽象為業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)間映射關(guān)系建立一個(gè)非對(duì)稱依賴模型。網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建過(guò)程如下。

（1）實(shí)體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

首先，構(gòu)建實(shí)體網(wǎng)絡(luò)。實(shí)體網(wǎng)絡(luò)為無(wú)向帶權(quán)網(wǎng)絡(luò)，用GE=(VE,EE,WE)表示。VE表示實(shí)體節(jié)點(diǎn)集合，節(jié)點(diǎn)為各類民用航空器，共nE個(gè)節(jié)點(diǎn)；EE表示邊的集合，即實(shí)體節(jié)點(diǎn)之間存在的通信鏈路；WE表示實(shí)體節(jié)點(diǎn)權(quán)值的集合，節(jié)點(diǎn)權(quán)值由節(jié)點(diǎn)凝聚度決定。

然后，計(jì)算節(jié)點(diǎn)權(quán)值WE。權(quán)值W的計(jì)算方法設(shè)計(jì)如下。

設(shè)GE存在節(jié)點(diǎn)i，將i凝聚后的網(wǎng)絡(luò)表示為凝聚指用一個(gè)新節(jié)點(diǎn)表征節(jié)點(diǎn)和其所有鄰居節(jié)點(diǎn)[14]。因此，GE的凝聚度Φ用總節(jié)點(diǎn)數(shù)nE的倒數(shù)和網(wǎng)絡(luò)平均最短路徑長(zhǎng)度ˉdE乘積表示。

其中，nE≥2，節(jié)點(diǎn)i和j間最短距離為di,j。節(jié)點(diǎn)凝聚度越大，失效后對(duì)網(wǎng)絡(luò)正常業(yè)務(wù)運(yùn)行影響越大。由此，求得實(shí)體節(jié)點(diǎn)i的權(quán)值為

最后，用矩陣表示實(shí)體網(wǎng)絡(luò)。實(shí)體網(wǎng)絡(luò)由矩陣AE=[aij]nE×nE表示，對(duì)角線元素aii為實(shí)體節(jié)點(diǎn)權(quán)值，非對(duì)角線元素aij表示節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路。若實(shí)體節(jié)點(diǎn)間存在通信鏈路，aij=1，否則，aij=0。

（2）業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

首先，將業(yè)務(wù)流程抽象為業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。在AANET中，實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)運(yùn)行的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)通過(guò)確定的執(zhí)行順序關(guān)聯(lián)生成AANET業(yè)務(wù)流程，因此關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)之間存在嚴(yán)格前后關(guān)系。將業(yè)務(wù)流程抽象為業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為有向帶權(quán)網(wǎng)絡(luò)，用GB=(VB,EB,WB)表示。VB表示業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)集合，節(jié)點(diǎn)為通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)，共nB個(gè)節(jié)點(diǎn)；EB表示邊的集合，即業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的有向關(guān)聯(lián)關(guān)系；WB表示業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)權(quán)值的集合。

然后，計(jì)算業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)權(quán)值WB。權(quán)值WB的計(jì)算方法如下。

AANET業(yè)務(wù)包括空中交通管制、飛行數(shù)據(jù)傳輸、航空器位置追蹤和機(jī)內(nèi)娛樂(lè)。根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求的不同，可依次將業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)（BP，business priority）劃分為1、2、3、4，其中1為最高級(jí)。AANET用戶包括管制人員、飛行人員、服務(wù)人員和乘坐人員，根據(jù)用戶身份不同，可依次將用戶影響力等級(jí)（UI，user impact）劃分為1、2、3、4。綜合考慮BP和UI因素，本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)固有影響力θi如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)固有影響力Table 1 Node inherent impact

對(duì)節(jié)點(diǎn)固有影響力進(jìn)行歸一化，得到節(jié)點(diǎn)對(duì)AANET網(wǎng)絡(luò)的固有影響力Inhi。Inhi可表示為

在AANET中，不同時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的流量不同，因此，量化節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)影響力時(shí)應(yīng)考慮不同時(shí)刻節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)流量。節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)影響力Dyni由單位時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)流量占網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)總流量的比例表示，即

其中，F(xiàn)B表示單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)處理業(yè)務(wù)流量，F(xiàn)i表示節(jié)點(diǎn)i的業(yè)務(wù)流量，根據(jù)節(jié)點(diǎn)固有和動(dòng)態(tài)影響力，業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)權(quán)值由式(5)計(jì)算得到。

最后，用矩陣表示業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

AANET中的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)由矩陣BB=[bij]nB×nB表示，AANET業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)權(quán)值即為bii，i=1,2,...,n，AANET業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)間有向關(guān)聯(lián)關(guān)系即為bij，i=1,2,...,nB，j=1,2,...,nB，若業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，bij=1，否則，bij=0。

（3）非對(duì)稱依賴模型構(gòu)建

在AANET中，不同類型節(jié)點(diǎn)之間具有不同的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此，可將AANET抽象為業(yè)務(wù)－實(shí)體非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)模型（如圖2所示）。

圖2 業(yè)務(wù)－實(shí)體非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)模型Figure 2 Business-physical interdependent network model

AANET中通信業(yè)務(wù)依靠航空器搭載的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能，航空器為業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供實(shí)體基礎(chǔ)，一旦航空器搭載的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備失效，則相應(yīng)通信業(yè)務(wù)也將失效。因此，必須明確業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)和實(shí)體節(jié)點(diǎn)間的邏輯映射關(guān)系。將節(jié)點(diǎn)間映射關(guān)系表示為CR=[cij]nE×nB，若AANET中的實(shí)體節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)流程中的業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)存在邏輯映射關(guān)系，則cij=1，否則cij=0。

通過(guò)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建3個(gè)過(guò)程，即可建立面向AANET的業(yè)務(wù)－實(shí)體非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)模型，該模型用多元組EB=(GE,GB,CR)表示，其中，CR表示業(yè)務(wù)－實(shí)體網(wǎng)絡(luò)映射關(guān)系。

4 波及影響分析

4.1 相關(guān)定義

本文研究做出以下定義。

1) 正常節(jié)點(diǎn)W：符合系統(tǒng)要求并能正常完成相應(yīng)功能的節(jié)點(diǎn)。

2) 業(yè)務(wù)降級(jí)節(jié)點(diǎn)D：不符合系統(tǒng)要求且僅能完成部分功能的節(jié)點(diǎn)，如帶寬降低、時(shí)延增大的節(jié)點(diǎn)。

3) 失效節(jié)點(diǎn)F：無(wú)法正常完成相應(yīng)功能且會(huì)引起波及反應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。

4) 節(jié)點(diǎn)波及影響概率ρ：正常節(jié)點(diǎn)受到波及影響轉(zhuǎn)變?yōu)闃I(yè)務(wù)降級(jí)節(jié)點(diǎn)或失效節(jié)點(diǎn)的概率，轉(zhuǎn)換關(guān)系為

其中，W(ti)表示ti時(shí)刻正常節(jié)點(diǎn)集合，F(xiàn)(ti)表示失效節(jié)點(diǎn)集合，D(ti)表示業(yè)務(wù)降級(jí)節(jié)點(diǎn)集合。

4.2 節(jié)點(diǎn)失效影響分析

在AANET中，部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和骨干鏈路具有故障應(yīng)急或?yàn)?zāi)備能力。因此，當(dāng)AANET中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或骨干鏈路發(fā)生故障或失效時(shí)，由冗余備份組件或?yàn)?zāi)備組件接管節(jié)點(diǎn)或鏈路的核心業(yè)務(wù)功能。對(duì)于沒(méi)有配置冗余備份組件或?yàn)?zāi)備組件的節(jié)點(diǎn)和鏈路，需要對(duì)各節(jié)點(diǎn)和鏈路上的業(yè)務(wù)流量進(jìn)行重新分配，這樣易引起節(jié)點(diǎn)失效波及反應(yīng)。因此，對(duì)AANET中節(jié)點(diǎn)初始流量、節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)處理能力和失效流量再分配方式進(jìn)行特性分析，可有效提高AANET節(jié)點(diǎn)失效波及影響分析的準(zhǔn)確性。具體分析方法及其過(guò)程設(shè)計(jì)如下。

（1）節(jié)點(diǎn)初始流量和業(yè)務(wù)處理能力計(jì)算

AANET中，節(jié)點(diǎn)i在網(wǎng)絡(luò)中的位置不同，初始流量則不同，處于中心位置的節(jié)點(diǎn)一般具有較高流量。節(jié)點(diǎn)初始流量ξi由式（7）計(jì)算其中，α為可調(diào)參數(shù)，可調(diào)整節(jié)點(diǎn)度與鄰居節(jié)點(diǎn)度對(duì)波及效應(yīng)的影響程度（α=0.5[15]），i的度由ki表示，鄰居節(jié)點(diǎn)j的度由kj表示，i的鄰居節(jié)點(diǎn)集合由Γi表示，ε用于控制節(jié)點(diǎn)度對(duì)初始流量的影響（ε=1）[16-17]。節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)處理能力capi表示節(jié)點(diǎn)可處理業(yè)務(wù)量的最大值，可由式(8)計(jì)算得到。

其中，γ為容錯(cuò)系數(shù)（γ=0.06）[16]，表示節(jié)點(diǎn)流量過(guò)載后的容錯(cuò)能力。

（2）改進(jìn)流量再分配算法

AANET中不同通信鏈路在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)安全事件后，對(duì)失效流量的容錯(cuò)能力不同，故本文提出使用鏈路生存性[18]量化網(wǎng)絡(luò)鏈路的生存能力。根據(jù)鏈路生存性改進(jìn)失效流量再分配算法，該算法設(shè)計(jì)如下。

1) 在集合N= {ni|n1,n2,…,nn}中存儲(chǔ)所有鄰居節(jié)點(diǎn)。

2) 計(jì)算AANET中的鏈路持續(xù)時(shí)間。節(jié)點(diǎn)i坐標(biāo)（x,y,z）表示為

其中，Nlon表示節(jié)點(diǎn)經(jīng)度，Nlat表示節(jié)點(diǎn)緯度，Nalt表示節(jié)點(diǎn)高度，R表示地球半徑（R=6 371 km）。在Δt時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)表示為

其中，v表示節(jié)點(diǎn)速度，Ψ表示航跡角。同理可得鄰居節(jié)點(diǎn)j的坐標(biāo)，則t0時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i，j之間的距離為

當(dāng)Δt=1時(shí)，AANET中的節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的相離速度，則AANET中節(jié)點(diǎn)間的相離距離Δdi,j為

其中，r表示通信半徑，因此，節(jié)點(diǎn)i，j之間的鏈路持續(xù)時(shí)為

3)計(jì)算AANET中的鏈路剩余容量。用鏈路剩余容量表示AANET中鄰居節(jié)點(diǎn)i的剩余業(yè)務(wù)處理能力。

4) 計(jì)算AANET中的鏈路生存性Ri。

5)計(jì)算AANET中可用鏈路的平均鏈路生存性ˉR。

6) 根據(jù)AANET的鏈路生存性R，在AANET中選擇最優(yōu)的備用鏈路。若Ri>ˉR，則認(rèn)為該鏈路的生存性較高，為其分配流量；反之，則不分配流量。

7)根據(jù)式(17)的計(jì)算結(jié)果，將AANET中的失效流量ξ分配到AANET中的各可用節(jié)點(diǎn)[19]

其中，Δξi表示鄰居節(jié)點(diǎn)i的增加流量。

8)若因波及反應(yīng)導(dǎo)致某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效，則將新生成的失效節(jié)點(diǎn)加入失效節(jié)點(diǎn)集合F并轉(zhuǎn)至1)，直至AANET中沒(méi)有新失效節(jié)點(diǎn)的增加，停止循環(huán)。若因波及反應(yīng)導(dǎo)致AANET中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)降級(jí)，則將此節(jié)點(diǎn)加入降級(jí)節(jié)點(diǎn)集合D。

（3）節(jié)點(diǎn)波及影響分析

當(dāng)AANET中某個(gè)節(jié)點(diǎn)流量不超過(guò)該節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)處理能力時(shí)，由式(17)推理可得其鄰居節(jié)點(diǎn)i可能接連失效的波及影響概率ρ為

AANET節(jié)點(diǎn)失效形式的不同，其對(duì)AANET的波及影響不同。根據(jù)失效模型與影響分析方法[20]和節(jié)點(diǎn)波及影響概率，本文確定了AANET節(jié)點(diǎn)波及影響等級(jí)（如表2所示）。

表 2 AANET節(jié)點(diǎn)波及影響等級(jí)Table 2 AANET node impact degree

依據(jù)表2中的量化指標(biāo)ρ和對(duì)應(yīng)的影響等級(jí)判斷AANET節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，當(dāng)?shù)燃?jí)為“嚴(yán)重/S”或“高/H”，即0.6 <ρ< 1時(shí)，AANET節(jié)點(diǎn)為業(yè)務(wù)降級(jí)節(jié)點(diǎn)；當(dāng)?shù)燃?jí)為“失效/F”，即ρ= 1時(shí)，AANET節(jié)點(diǎn)為失效節(jié)點(diǎn)；其余等級(jí)，即ρ≤0.6時(shí)，AANET節(jié)點(diǎn)均為正常節(jié)點(diǎn)。

（4）波及影響分析

AANET節(jié)點(diǎn)失效并產(chǎn)生波及反應(yīng)后，受到影響的AANET其他節(jié)點(diǎn)的權(quán)值越高，則對(duì)AANET的波及影響越大，故AANET的網(wǎng)絡(luò)波及影響值為

其中，NB代表全部業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，NE代表全部實(shí)體節(jié)點(diǎn)。f值越高，表示AANET的網(wǎng)絡(luò)安全狀況越差。

之后，確定f值與AANET的波及影響對(duì)應(yīng)關(guān)系（如表3所示），依據(jù)表3判定AANET節(jié)點(diǎn)失效對(duì)AANET的波及影響程度。

表3 AANET波及影響關(guān)系Table 3 AANET impact relationship

5 實(shí)驗(yàn)與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源

為驗(yàn)證本文方法的有效性，利用網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[21]，仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的關(guān)鍵參數(shù)如表4所示，仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下。

表4 參數(shù)設(shè)置Table 4 Parameter settings

1) 編寫(xiě)Otcl腳本，生成網(wǎng)絡(luò)初始場(chǎng)景并設(shè)置trace文件保持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息。

2) 分別使用AODV（Ad Hoc on-demand distance vector routing）和SMURF（stochastic multipath UAV routing for FANET）[5]協(xié)議作為仿真網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

3) 根據(jù)攻擊方式設(shè)置初始失效節(jié)點(diǎn)。在隨機(jī)攻擊場(chǎng)景下，使用random函數(shù)選擇節(jié)點(diǎn)；在蓄意攻擊場(chǎng)景下，選擇權(quán)值最大的節(jié)點(diǎn)。

4) 利用gawk分析trace文件并統(tǒng)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)中各時(shí)刻節(jié)點(diǎn)失效流量。

5.2 網(wǎng)絡(luò)模型建立

以基于AODV協(xié)議的仿真場(chǎng)景為例，建立非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)模型。

（1）實(shí)體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

依據(jù)表4可知，此時(shí)AANET中共有20個(gè)實(shí)體節(jié)點(diǎn)和25條數(shù)據(jù)流，計(jì)算實(shí)體節(jié)點(diǎn)權(quán)值，結(jié)果如表5所示。構(gòu)建20×20實(shí)體網(wǎng)絡(luò)鄰接矩陣AE為

表5 實(shí)體節(jié)點(diǎn)權(quán)值Table 5 Physical node weight

（2）業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

由于每條通信鏈路傳輸一個(gè)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)流傳輸信息具有固定方向，故可抽象出25個(gè)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)和24條有向關(guān)聯(lián)邊，計(jì)算得到業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)權(quán)值如表6所示。

表6 業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)權(quán)值Table 6 Business node weight

構(gòu)建25×25的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)鄰接矩陣BB為

（3）非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

根據(jù)雙層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的映射關(guān)系，建立初始非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)模型。構(gòu)建20×25的業(yè)務(wù)－實(shí)體節(jié)點(diǎn)依賴矩陣CR為

5.3 AANET節(jié)點(diǎn)失效波及影響分析

以針對(duì)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)的蓄意攻擊為例，在5.2節(jié)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型上對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為：當(dāng)蓄意攻擊發(fā)生后，AANET中的節(jié)點(diǎn)1失效，并對(duì)節(jié)點(diǎn)1的失效流量進(jìn)行再分配（如圖3所示）。

由圖3可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)1失效后，計(jì)算所有鄰居節(jié)點(diǎn)鏈路生存性，其中節(jié)點(diǎn)14和節(jié)點(diǎn)18鏈路生存性大于平均鏈路生存性0.5，因此節(jié)點(diǎn)14和節(jié)點(diǎn)18按照規(guī)則分配失效流量。

圖3 算法實(shí)例Figure 3 Algorithm example

此時(shí)，節(jié)點(diǎn)14和節(jié)點(diǎn)18的流量超過(guò)自身業(yè)務(wù)處理能力，引起自身失效，故開(kāi)始新一輪失效流量再分配，繼續(xù)執(zhí)行本文所提的改進(jìn)流量再分配算法。在該實(shí)驗(yàn)中，算法總迭代次數(shù)為6次，具體波及影響情況如圖4所示。

由于AANET面臨多種安全威脅，從實(shí)體層面分析，節(jié)點(diǎn)失效按故障原因可分為過(guò)應(yīng)力性失效和耗損性失效。從網(wǎng)絡(luò)層面分析，攻擊者的惡意行為可能導(dǎo)致業(yè)務(wù)降級(jí)或節(jié)點(diǎn)失效。為提高波及影響分析的全面性，本文分別從兩個(gè)層面對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊，在基于AODV協(xié)議和SMURF協(xié)議2種仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，使用本文方法、WR模型[9]、FP模型[7]、ML模型[8]對(duì)不同攻擊方式下的NS2仿真網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，得到節(jié)點(diǎn)失效波及影響結(jié)果，結(jié)果如圖4～圖8所示。

圖4 AODV協(xié)議場(chǎng)景下蓄意攻擊網(wǎng)絡(luò)波及影響情況Figure 4 The impact of deliberate attack networks in AODV scenario

圖8 SMURF協(xié)議場(chǎng)景下蓄意攻擊網(wǎng)絡(luò)波及影響情況Figure 8 The impact of deliberate attack networks in SMURF scenario

（1）業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)攻擊

由圖5～8可知，實(shí)際波及影響等級(jí)為“嚴(yán)重/S”，只有本文方法與WR模型的定性分析結(jié)果與實(shí)際情況一致。在業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)蓄意攻擊場(chǎng)景下，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)全部失效造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，故實(shí)際波及影響等級(jí)為“嚴(yán)重/S”，且具有最大波及影響值。同時(shí)無(wú)論采用何種攻擊方式，本文方法得到的AANET波及影響定量分析結(jié)果和NS2仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為相近。原因分析如下。

圖5 AODV協(xié)議場(chǎng)景下隨機(jī)攻擊網(wǎng)絡(luò)波及影響情況Figure 5 The impact of random attack networks in AODV scenario

1）失效傳播模型各節(jié)點(diǎn)失效概率固定不變，但AANET具有高動(dòng)態(tài)的特性，各時(shí)刻節(jié)點(diǎn)失效概率不同，故模型分析準(zhǔn)確性低。

2）負(fù)載－容量模型優(yōu)先沿最短路徑傳輸失效流量，但實(shí)際AANET傳輸流量時(shí)根據(jù)路由規(guī)則不同，擇優(yōu)選擇路徑，故模型分析效果不佳。

3）WR模型優(yōu)先考慮節(jié)點(diǎn)權(quán)值對(duì)失效流量進(jìn)行再分配，欠缺鏈路對(duì)實(shí)際流量影響方面的考量，造成分析結(jié)果與實(shí)際情況有所偏離，分析效果不夠理想。

圖6 AODV協(xié)議場(chǎng)景下蓄意攻擊網(wǎng)絡(luò)波及影響情況Figure 6 The impact of deliberate attack networks in AODV scenario

圖7 SMURF協(xié)議場(chǎng)景下隨機(jī)攻擊網(wǎng)絡(luò)波及影響情況Figure 7 The impact of random attack networks in SMURF scenario

4）本文方法在分析AANET特性的基礎(chǔ)上，建立AANET非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)模型，在考慮網(wǎng)絡(luò)各時(shí)刻節(jié)點(diǎn)波及影響概率不同的前提下，對(duì)負(fù)載－容量模型進(jìn)行改進(jìn)，采用鏈路生存性作為選擇分配路徑的依據(jù)，符合網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況，從而提高網(wǎng)絡(luò)波及影響分析的準(zhǔn)確性。

（2）實(shí)體網(wǎng)絡(luò)攻擊

由圖4和圖9～圖11可知，仿真AANET由于蓄意攻擊導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)波及影響等級(jí)已達(dá)“嚴(yán)重/S”，在5個(gè)分析方法中，本文方法的分析結(jié)果與實(shí)際情況更為接近，表明本文方法具有更好的有效性與準(zhǔn)確性，其原因分析如下。

圖9 AODV協(xié)議場(chǎng)景下隨機(jī)攻擊網(wǎng)絡(luò)波及影響情況Figure 9 The impact of random attack networks in AODV scenario

圖10 SMURF協(xié)議場(chǎng)景下隨機(jī)攻擊網(wǎng)絡(luò)波及影響情況Figure 10 The impact of random attack networks in SMURF scenario

圖11 SMURF協(xié)議場(chǎng)景下蓄意攻擊網(wǎng)絡(luò)波及影響情況Figure 11 The impact of deliberate attack networks in SMURF scenario

1）本文使用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)模擬AANET，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先將失效流量分配至鏈路質(zhì)量?jī)?yōu)的路徑。以運(yùn)行SMURF路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)為例，該協(xié)議為AANET專有協(xié)議，根據(jù)民用航空飛行器位置信息計(jì)算鏈路存在概率，并將此作為路由選擇指標(biāo)。本文方法采用基于節(jié)點(diǎn)空間位置與鏈路剩余容量的鏈路生存性作為分析方法中失效流量分配路徑的依據(jù)，符合實(shí)際情況，因此分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2）在不同場(chǎng)景下，蓄意攻擊對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的波及影響均大于隨機(jī)攻擊。在通常情況下，AANET中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是蓄意攻擊方式的首要攻擊對(duì)象，而此類節(jié)點(diǎn)通常承擔(dān)較大的網(wǎng)絡(luò)流量，其失效后會(huì)產(chǎn)生令鄰居節(jié)點(diǎn)難以負(fù)荷的失效流量，從而對(duì)AANET造成更為嚴(yán)重的波及影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種AANET節(jié)點(diǎn)失效分析方法，通過(guò)構(gòu)建AANET非對(duì)稱依賴網(wǎng)絡(luò)模型和改進(jìn)流量再分配算法獲取受影響節(jié)點(diǎn)集合，通過(guò)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)波及影響值，得到AANET節(jié)點(diǎn)失效導(dǎo)致的波及影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法能有效地分析AANET的節(jié)點(diǎn)失效對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的波及影響。

隨著AANET的應(yīng)用普及和系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，需要考慮對(duì)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的重要性和連續(xù)性的影響因素變化情況。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)AANET節(jié)點(diǎn)失效波及影響的分析結(jié)果更為客觀、準(zhǔn)確的目標(biāo)，未來(lái)應(yīng)在建立業(yè)務(wù)重要性和業(yè)務(wù)連續(xù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，對(duì)AANET的節(jié)點(diǎn)失效波及影響分析方法進(jìn)行改進(jìn)和完善。