分布式網(wǎng)絡中基于群智計算的拓撲變化感知與拓撲維護新型機制研究.pdf

1、分布式網(wǎng)絡已經(jīng)廣泛應用于互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的多個領域，去中心化和節(jié)點區(qū)域自治是其核心思想。本文針對目前分布式網(wǎng)絡中的拓撲變化感知和拓撲維護的去中心化/本地化問題，以及克隆攻擊檢測的本地化問題進行研究，提出了一系列本地化方法，目標在于
　　1.采用去中心化的維護方式，使得每個節(jié)點能夠以本地化通信的方式和近常數(shù)量級的計算開銷來實現(xiàn)骨干網(wǎng)維護，避免集中式方法所帶來的可觀的全局通信/存儲開銷;
　　2.將物理空間中（長度，寬度，高度，時

2、間構成的4維空間）任意兩個不相關的節(jié)點在編碼空間中構建出因果關聯(lián)，將拓撲變化信息以計算映射的方式反映在全局每個節(jié)點的編碼中;
　　3.構建出一種去中心化的感知方式（非定域感知），使得每個節(jié)點能夠僅依賴于自己局域信息（一跳以內(nèi)的局部信息），不做轉發(fā)和中繼，通過本地化計算，具備獲知全局拓撲變化的能力，即以本地化的計算范式獲得全局視角（非定域感知）。
　　首先，本文針對去中心化網(wǎng)絡中的拓撲變化所引起的骨干網(wǎng)連通性問題，提出了一個具

3、有低計算量、低通信量、本地化的骨干網(wǎng)重建算法(LBR)，理論分析證明該算法可以對骨干網(wǎng)進行有效維護，并能保證虛擬骨干網(wǎng)的持續(xù)連通性和工作效率。該部分的主要貢獻如下
　　1.提出了一個虛擬骨干網(wǎng)本地化維護方法(LBR)，其中本地化體現(xiàn)在消息的傳遞僅限于“事發(fā)地點”（即失效或新增的邊/節(jié)點所在局部區(qū)域），并且其通信開銷和計算開銷為常數(shù)量級;
　　2.理論分析證明該算法(LBR)能夠保證修復后的骨干網(wǎng)（連通支配集）的連通性:除非網(wǎng)

4、絡拓撲本身不連通，否則LBR總是可以保證修復后的骨干網(wǎng)是連通的，
　　3.該算法(LBR)能夠以本地化的處理方式應對和處理任意數(shù)量的節(jié)點失效或新增，
　　4.實驗數(shù)據(jù)表明.LBR算法可以有效地修復骨干網(wǎng)，對比于相關工作，LBR可保持適中的骨干網(wǎng)規(guī)模，并能夠保證修復后的骨干網(wǎng)具有連通性。
　　本文第二部分針對分布式網(wǎng)絡（包括骨干網(wǎng)節(jié)點和非骨干網(wǎng)節(jié)點）中可能出現(xiàn)的邊/節(jié)點增加、失效的情況，不同于傳統(tǒng)的“感知+匯總”的中心化

5、檢測方式，提出一種本地化方法來實現(xiàn)全局拓撲變化信息的獲知。特別的，本文基于本地化計算，首先將物理空間中（長度，寬度，高度，時間構成的4維空間）任意兩個不相關的節(jié)點在編碼空間中構建出因果關聯(lián)，構造了本地節(jié)點拓撲變化與相空間中全局拓撲狀態(tài)點的一一映射，繼而將拓撲變化信息以計算映射的方式反映在全局每個節(jié)點的編碼中，同時保證該分布式網(wǎng)絡具有確定性、傳遞性，以及基于李雅普諾夫指數(shù)穩(wěn)定性（收斂性）和一一映射的因果性。一旦網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化，將在全網(wǎng)引

6、發(fā)蝴蝶效應。當每個節(jié)點在具有初態(tài)拓撲先驗知識時，將具備全局視角和持續(xù)監(jiān)測全局拓撲變化的能力。同時，每個節(jié)點的計算/通信/存儲只為自己服務，不為其他節(jié)點作信息轉發(fā)，因此其開銷僅限于本地與自身相關的計算/通信/存儲開銷。本部分的主要貢獻如下:
　　1.建立物理空間(4D空間)到計算空間（編碼空間）的因果關聯(lián)映射關系，構造一種具有傳遞性、收斂性、確定性和因果性的去中心化的編碼計算方法;
　　2.構建出一種去中心化的感知方式（非定域

7、感知），使得每個節(jié)點能夠基于定域信息（一跳以內(nèi)的局部信息），以本地化計算的方式實現(xiàn)非定域感知，繼而實現(xiàn)全局拓撲信息變化的感知，以本地化的計算范式獲得全局視角（非定域感知），達到“窺一斑而知全豹”的效果，
　　3.本文提出的方法不同于傳統(tǒng)的周期性/事件驅動的拓撲變化感知方式，該方法能夠以近似常數(shù)量級的通信/存儲開銷和輕量級的計算開銷持續(xù)監(jiān)測全局拓撲變化，是一種無需遠距信息匯集的新型非定域感知機制。
　　在應用層面，考慮去中心化

8、網(wǎng)絡中的克隆攻擊會對分布式網(wǎng)絡的整體結構和功能產(chǎn)生較大安全威脅，目前已有的克隆攻擊檢測機制有其各自的使用場景和優(yōu)勢與劣勢，或者受限于全局信息難以收集，或者產(chǎn)生高額通信開銷，或者檢測成功率較低，或具有較高的隱私泄露風險。本文在低通信、計算、存儲開銷下，無需傳輸位置或鄰居列表信息，基于定域內(nèi)的感知信息（編碼）來實現(xiàn)非定域的拓撲感知，提出一種去中心化的確定性的而非概率性的克隆攻擊魯棒檢測方法。本文從節(jié)點本身的局域拓撲特性入手，給每個節(jié)點賦予”

9、社交指紋”（編碼），并周期性更新迭代編碼信息，基于編碼信息的變化即可確定性的推斷是否遭受克隆攻擊，并定位克隆節(jié)點所在位置。本部分的主要貢獻如下
　　1.本文所提出的基于非定域拓撲感知的克隆攻擊檢測機制，不同于傳統(tǒng)檢測方式，是一種確定性而非概率性的檢測方法，即檢出率100％，
　　2.本文所提出的本地化檢測方法，在網(wǎng)絡節(jié)點時鐘弱同步的前提下，具有連續(xù)監(jiān)測能力，在檢測的時效性上比傳統(tǒng)的間歇性檢測方法和概率性檢測方法有優(yōu)勢;