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摘要 基于云计算和免疫计算的嵌入式系统可重构网络研究 摘要 可重构技术是当今信息处理领域研究的热点之一，其应用己经从 电子信息处理领域拓展到了许多行业。在敏捷制造技术、重构生产系 统、飞行器的重构设计等方面都显示出了重构技术的优越之处。在嵌 入式系统的设计中引入可重构技术，具有重大的理论研究意义和实用 价值。 本文主要工作是建立并分析了嵌入式网络可重构的模型。在研究 嵌入式网络可重构的过程中，首先就需要建立合适的模型，在此之后， 再对所建模型进行分析。利用基于云的数据平台，把数据服务放在云 端，依靠强大的云端操作系统和硬件平台处理数据，将监控点获得的 数据无线传输到嵌入式系统网络可重构系统的云计算数据库中，再对 所获得的数据进行预处理。本文介绍了实验所用到的硬件模块，并对 s z 0 5 z b e e 嵌入式z i 曲e e 无线通信模块的原理、功能和使用方法进 行阐述，同时也对a r m l1 的w i f i 功能进行说明，然后主要利用实 验室的资源对嵌入式免疫网络进行试验，得出实验结果，最后使用 n s 2 网络仿真软件对免疫网络进行模拟。根据网络实验与网络模拟的 结果可知，免疫网络模型是一种有效而有用的新技术，它可对损坏的 网络重新进行网络优化，使网络恢复正常工作。 关键字：嵌入式系统云计算免疫计算可重构网络n s 2 a b s t r a c t 一一 r e s e a r c ho nr e c o n f i g u r a b l en e t w o r k o f e m b e d d e ds y s t e m sb a s e d o nc l o u dc o m p u t i n g a n di m m u n eco m p u t a t i o n a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fr e c o n f i 零i r a b l et e c h n o l o g yi so n eo fm ep o p u l a ra r e a so ft h e l n f o m a t l o np i d c e s s i n gn o w d a y s i t sa p p l i c a t i o n sh a v eb e e ne x p a n d e d 舶mt h ef i e l d o fe l e c t r 0 m ci n f o 吼a t i o n p r o c e s s i n g t 0 m a i l yi n d u s t r i e s ， s u c ha s 让屺 a 西l e m a n u f a c t l l r i n gt e c l l i l o l o g y ，r e c o n f i g l l r a b l ep r o d u c t i o ns y s t 锄a l l dr e c o n f i g u r a b l e a i r c r a rd e s i 驴a 1 1 ds oo n a l lm e yh a v es h o w nt h ea d v a i l t a g e so fr e c o n f i g u r a b l e t e c h n 0 1 0 9 y i th a s i m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i 弘i f i c a i l c ea i l dp r a c t i c a lv a l u et h a t r e c o n f i g u r e a b l et e c l l i l o l o g ya p p l i e di nt h ed e s i 盟o fe i l l b e d d e ds y s t e m t h em a i nt a s k so ft h i st h e s i sa r et h a tw ee s t a b l i s ha i l da i l a l y zt l l er e c o n f i g u r a b l e m o d e lo fe n l b e d d e dn e t w o r k i nt h er e s e a r c hp r o 掣e s so fr e c 0 蚯g u r a b l ee i 】曲e d d e d n e t w o r k ，i t sn e c e s s a 巧t os e tu par i 曲tm o d e lf i r s ta i l da n a l y z ei tw eh a v ej u s tb u i l t t h e n u s i n gm ec l o u d - b a s e dd a t ap l a t f o 肌a n dp l a c i n gm ed a t as e r v i c e so nt h ec l o u d s ， w er e l yo nt h es t r o n gc l o u do p e r a t i n gs y s t e ma n dh a r d w a r ep l a t f o mt op r o c e s sd a t a t r a n s m i tt h ed a t at h a tm o n i t o ro b t a i n e di n t ot h ec l o u dd a t a b a s e so fr e c o n 6 9 u r a b l e e m b e d d e dn e t w o r ks y s t e m sb yw i r e l e s sn e t w o r ka n d p r e - p r o c e s si tt h e n i ti n t r o d u c e s t h eh a r d w a r em o d u l e su s e di ne x p 砥m e n t sa n di l l u s t r a t e st h ep 曲c i p l e ，如n c t i o na n d u s em e t h o d so ft h ee m b e d d e dz i 曲e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l es z 0 5 。z b e e ， g i v e st h ei n t r o d u c t i o no ft h ea r m 11w i f i 如n c t i o n ，t o o t h e nu s et h er e s o u r c e so f t h el a b o r a t o r yt ot e s tt h ee m b e d d e di m m u n en e t w o r ka n do b t a i nt h ee x d 甜m e n t a l r e s u l t s f i n a l l y u s et h en s 2n e t w o r ks i m u l a t i o ns o r w a r et os i m u l a t et h en e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h ei m m u n e n e t o r km o d e li sa ne f f e c t i v ea n du s e 凡ln e w t e c h n o l o g y i tc a no p t i m i z ed a m a 2 e d 丝塑 n e t w o r ka n dm a k et h en e t w o r kr e s u m ew o r kn o 衄a 1 1 y z h o uj i aj i a ( s i 朗a la n di n f o m a t i o n p r o c e s s i n 曲 s u p e r v i s e db y k e yw o r d s ：e m b e d d e d s y s t e i l l s ，c l 。u dc 。m p u t i n g ，r e c 。n 矗g u r a b l en e t w 。r k ， i m m u n e c o m p u t a t i o n ，n s 2 第一章绪论 一 1 1 引言 第一章绪论 随着无线通信迅速发展，已经逐渐形成了多种异构网络并存的无线通信环 境，如无线接入网络( r a n ：r a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 包括蜂窝网、数字视频网( d v b ) 、 无线城域网( w m a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、家庭网络、个人网络( p a n ) 等。而 且上述各类网络本身又有很多的标准，例如蜂窝网络就包括w 二c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 、g p r s 等无线接入技术( 凡盯：r a d i oa c c e s st e c l l i l o l o g y ) 【l 】 标准。这些具有不同标准的各类网络大部分都是独立工作的，彼此之间缺乏合作。 这样不仅造成通信系统在地域上的分割局面，为用户带来不便，还导致各种无线 通信资源的浪费，有时甚至都无法满足用户需求。未来一代的移动通信系统目标 是以人为中心【2 】，要求各种网络技术都能适应人的活动，用户能够简单、方便地 使用相应的技术来达到通信需求。但，在全球范围建立一个功能完善的新型无线 通信网络是不现实的。所以，目前通信的发展需求是在各种各样的网络间建立一 个平台，使其能够相互协调工作，实现资源的共享，共同为用户提供多方面、透 明化的服务1 3 巧j 。 嵌入式系统出现于6 0 年代晚期，它最初被用于电话交换机，如今已被广泛 的应用于工业制造、通讯、航空、军事、消费类产品等众多领域。i t 技术的飞 速发展把人们带进了后p c ( p o s t p c ) 时代，与m t e m e t 相结合的、便携的、实时 嵌入式信息处理设备将饱受人们的青睐【6 】。嵌入式系统与i n t e n l e t 完美结合，可 以方便、低廉地将信息传送到世界任何一个地方。 目前大部分嵌入式还处于独立应用的阶段，如以m c u 为核心的系统与一些 监测、伺服、指示设备配合实现各自的功能。在一些工业应用和各种消费类电子 产品中，为了实现m c u 之问的信息交流，常用c a n 、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等组成 “轻”网络【7 j 。这种网络的有效半径比较有限，通讯协议简单，并且是孤立于 i n t e m e t 的，这难以满足复杂、远程和较大范围的监控任务的需求。 人们生活水平的提高和信息技术的飞速发展，数字化、智能化且远程可监控 的嵌入式设备将饱受青睐，它演绎的舞台从信息家电到工业控制【引。由于被控对 象、测控装置等设备的地域分散性，以及监控任务的实时性要求，基于i n t e m e t 远程信息处理和控制是一个很好的解决方案。 嵌入式系统的i n t e m e t 接入技术是嵌入式领域研究的热点之一。嵌入式系统 的i n t e m e t 接入有如下几种技术模型： ( 1 ) 通过专用的w e b 服务器实现。在现有的嵌入式系统中并非要求每个设 第一章绪论 备都直接连到i i l t e m e t 上，用户可以通过i n t e m e t 接近设备，然后再用轻量级网 络扩展到多个设备上。 ( 2 ) 通过嵌入式网关( e m g a t e w a y ) 连接。嵌入式网关运行t c p i p 协议，与 嵌入式设备轻量级网络( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，现场总路等) 相连接，提供与i n t e m e t 或局域网的协议转换及路由功能。 ( 3 ) 对于3 2 6 4 位微处理器的嵌入式系统来讲，是通过在嵌入式系统本身添 加网络接口硬件，结合操作系统自带的t c p i p 网络协议栈，并应用相应的接入 方案而实现的【9 1 。 ( 4 ) 对于使用8 位的处理器，添加网络控制器，编写程序实现系统所需的 网络协议。 1 2 嵌入式系统可重构网络研究背景及意义 1 2 。1 可重构技术定义 可重构性是指在一个系统中，其硬件模块或( 和) 软件模块均能根据变化的 数据流或控制流对系统结构和算法进行重新配置( 或重新设置) 。可重构系统最 突出的优点就是能够根据不同的应用需求，改变自身的体系结构，以便与具体的 应用需求相匹配。可重构技术是指利用可重复使用的软硬件资源，根据不同的应 用需求，灵活地改变系统自身的体系结构以适应系统需要的一种设计方法。对一 般系统来说，可重构技术可以分为软件可重构和硬件可重构两类【l0 1 。 重构的出现不仅提供了用于改变网络流量而动态重构网络的能力，而且还可 以动态、实时地处理设备或链路故障。通过网络重构，可以在发生故障时，旁路 掉失效或已失去自愈能力的网络设备或节点，当通信链路或网络节点发生故障 时，具有重构能力的网络就能及时地处理问题，恢复正常的通信或工作，从而最 大限度地保证网络的可靠性和安全性。 1 2 2 嵌入式系统概述 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可裁剪，适应对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统【1 1 1 。从广义上讲， 凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。从狭义上讲，嵌入 式系统强调的是那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统， 具有特定功能，用于特定场合的专用计算机系统。 嵌入式系统的三个基本要素【l n j ：嵌入性、专用性和计算机系统。 ( 1 ) 嵌入性。嵌入式系统需要嵌入到对象系统中，实现对被控对象的智能 第一章绪论 化控制，必须满足被控对象系统的环境要求。 ( 2 ) 专用性。嵌入式系统专用性很强，软件和硬件结合紧密，通常进行系 统的移植时根据产品的具体情况不断修改系统的应用软件和硬件配置资源，因此 嵌入式系统必须具有软硬件的可裁剪性，满足被控对象的最小软硬件配置要求。 ( 3 ) 计算机系统。嵌入式系统作为能够满足对象系统控制要求的计算机系 统必须配置与对象系统相适应的接口电路。 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，其中硬件包括嵌入式处理器和外围 硬件设备，软件包括嵌入式操作系统及用户应用软件【l3 1 。由于嵌入式系统是由 硬件和软件两大部分组成的，所以其分类也可从硬件和软件两方面进行划分。 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心部分， 流行的体系结构包括嵌入式微控制器( m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( d s p ) 、入式微 处理器( m p u ) 、嵌入式片上系统( s o c ) 。 从软件方面来讲，主要可以根据操作系统的类型来划分。目前嵌入式系统的 软件主要有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为硬实时系统和软 实时系统。 从嵌入式系统的定义和基本组成可看出嵌入式系统有如下一些重要特征【1 4 】： ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般使应用于小型电子装置，系统资源 相对有限，所以内核比传统的操作系统要小得多，一般内核只有几k 字节。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合 非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使是在同一品牌、同一系列的产 品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不 要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面有利于控制系统成本，同时也有 利于实现系统安全。 ( 4 ) 高实时性。高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求，软件 代码要求高质量和高可靠性。 ( 5 ) 多任务实时操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直 接在芯片上运行，但为了合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家 库函数接口，并使软件开发走向标准化，用户必须自行选配实时操作系统 ( r e a l 一t i m eo p e r a t i o ns y s t 锄，即r t o s ) ，这样才能保证程序执行的实时性、可 靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 ( 6 ) 专门的开发工具和开发环境。由于嵌入式系统本身不具备自主开发能 力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套 开发工具和开发环境刊能进行开发。开发时一般分为主机和目标机，主机用于程 序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 第一章绪论 1 3 云计算与免疫计算研究的概念及现状 “云计算”一词用来同时描述一个系统平台或者一种类型的应用程序。一个 云计算的平台按需进行动态地部署( p r o v i s i o n ) 、配置( c o n f i g u r a t i o n ) 、重新配置 ( r e c o n f i g u r e ) 以及取消服务( d 印r o v i s i o n ) 等。在云计算平台中的服务器可以是物理 的服务器或者虚拟的服务器。高级的计算云通常包含一些其他的计算资源，例如 存储区域网络【l5 i ，网络设备，防火墙以及其他安全设备等云计算在描述应用方 面，它描述了一种可以通过互联网1 1 1 t 锄e t 进行访问的可扩展的应用程序。“云 应用”使用大规模的数据中心以及功能强劲的服务器来运行网络应用程序与网络 服务。任何一个用户可以通过合适的互联网接入设备以及一个标准的浏览器就能 够访问一个云计算应用程序【l 引。 在此给出云计算两个方面的含义：一方面描述了基础设施，用来构造应用程 序，其地位相当于p c 机上的操作系统：另一方面描述了建立在这种基础设施之 上的云计算应用。在与网格计算的比较上，网格程序是将一个大任务分解成很多 小任务并行运行在不同的集群以及服务器上，注重科学计算应用程序的运行。而 云计算是一个具有更广泛含义的计算平台，能够支持非网格的应用，例如支持网 络服务程序中的前台网络服务器、应用服务器、数据库服务器三层应用程序架构 模式，以及支持当前w e b 2 0 模式的网络应用程序 1 7 】。云计算是能够提供动态资 源池、虚拟化和高可用性的下一代计算平台。现有的云计算实现使用的技术体现 了以下3 个方面的特征【l 副： 1 ) 硬件基础设施架构在大规模的廉价服务器集群之上。与传统的性能强劲 但价格昂贵的大型机不同，云计算的基础架构大量使用了廉价的服务器集群，特 别是x 8 6 架构的服务器。节点之间的网络一般也使用普遍的千兆以太网。 2 ) 应用程序与底层服务协作开发，最大限度地利用资源。传统的应用程序 建立在完善的基础结构，如操作系统之上，利用底层提供的服务来构造应用。而 云计算为了更好地利用资源，采用了底层结构与上层应用共同设计的方法来完善 应用程序的构建。 3 ) 通过多个廉价服务器之问的冗余，使用软件获得高可用性。由于使用了 廉价的服务器集群，节点的失效将不可避免，并且会有节点同时失效的问题。为 此，在软件设计上需要考虑节点之间的容错问题，使用冗余的节点获得高可用性。 在整个自然免疫系统中，由于自身机制的自然衰退或异体抗原的侵害，不同 种类的免疫细胞持续发挥作用的过程是遵循进化规律的。同种类型的免疫细胞， 在抗原侵入体内选择并激活具有相应受体的免疫细胞克隆，使之活化、增值和分 化的过程，同样也遵从进化规律。嵌入式系统的重构系统的结构化网络中免疫算 法的运行也同样具有进化特性，效用明显的抗体将被复制以发挥更大的作用，而 第一章绪论 作用并不明显的抗体将在结构化网络的进化过程中慢慢被淘汰。人工免疫系统是 继人工神经网络、进化计算之后新的智能计算研究方向，是生命科学和计算机科 学相交叉而形成的交叉学科研究热点【1 9 2 2 1 。 目前，人工免疫系统的主要研究内容与研究范围包括以下几个方面。 1 ) 免疫智能计算 从计算的观点看，生物免疫系统是一种并行分布式自适应系统。免疫系统用 学习、记忆和联想去解决识别和分类任务。目前研究人员已经开发了许多基于免 疫系统的算法、人工免疫网络以及其它混合免疫算法。 ( 1 ) 根据生物免疫系统原理发展新的智能计算方法，即免疫算法。主要有非 选择算法、克隆选择算法、动态克隆选择算法、免疫a g e n t 算法以及其他用于优 化等方面的免疫算法等。 ( 2 ) 根据生物免疫系统原理建立免疫计算系统模型，包括人工免疫网络模型 和人工免疫系统模型。有代表性的人工免疫网络有：免疫p d p 网络和免疫多值网 络等。人工免疫系统模型有：二进制免疫系统模型、骨髓模型等。 ( 3 ) 与人工神经网络、模糊系统、遗传算法、遗传编程等结合建立混合智能 系统。如利用人工免疫系统、人工神经网络、模糊系统建立新型智能计算系统； 利用免疫系统抗体多样性的遗传机制以及免疫学习机制来改进遗传算法和遗传 编程算法的搜索性能。 2 ) 免疫工程应用 免疫工程应用主要是指利用生物免疫系统某一特性或某些特性来解决特定 的工程问题。目前已基于免疫学原理发展出了保安系统、疾病诊断系统、计算机 安全和网络入侵检测系统以及各种工业生产中的故障诊断、异常检测系统等。 3 ) 免疫理论研究 免疫理论研究主要是指借助数学、非线性、复杂、混沌、计算智能、智能主 体等理论深入研究人工免疫系统的机制、免疫计算原理等。目前免疫算法几乎都 是针对特定问题而提出的，对算法时间复杂度和空间复杂度估计、收敛性证明等 深刻而具有普遍意义的研究成果还很少，需要进一步的研究。 1 4 本课题的研究目标和研究工作 本课题研究了嵌入式系统发展历程和发展趋势，借鉴了目前世界嵌入式领域 研究的热点之一，嵌入式系统的i n t e m e t 接入技术。以i n t e m e t 为代表的技术的 出现以及它与其它相关技术的相互结合，不仅已开始将智能互联网产品带入现代 生活，而且也为远程监控技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化监控技 术以及具备网络功能的各种新型仪器便应运而生。当前，i n t e m e t 已成为社会重 第一章绪论 要的基础信息设备之一，是信息流通的重要渠道。将嵌入式系统连接到i n t e n l e t 上面，则可以方便低廉地将信息传送到世界的任何一个角落。因此，顺应“网络 服务”与“网络应用”的大潮已成为嵌入式系统发展的必然【2 3 】。 本课题将可重构的概念引入到嵌入式网络设计中，分析了不同架构的嵌入式 网络的优缺点，提出了一种新的嵌入式可重构网络系统模型，该嵌入式可重构网 络在技术上有着诸多优势： ( 1 ) 稳定性高，没有对资源的过多占用，没有其他不相关硬件的干扰，从 而使系统很纯粹的用于所需的加工控制。 ( 2 ) 嵌入式微处理器的集成度高，片上集成多种功能模块，网络支持进一 步完善，集成了更多种类的网络接口和工业接口。 ( 3 ) 微控制器和处理器开发手段和调试平台越来越完善。许多微控制器和 处理器的开发商，包括专门的第三方软件平台制造商，提供的微处理器开发手段 和调试平台越来越先进，使用也越来越方便，而且具有良好的性能价格比，这可 以保证所建构系统的低成本性。 ( 4 ) 嵌入式实时操作系统( i 玎0 s ) 的广泛应用，对于微控制系统的开发提供 了良好的任务管理平台和底层驱动平台，这为上层软件模块的可靠简便地开发和 管理提供了有力保证。 ( 5 ) 人工免疫算法继承了遗传算法“优胜劣汰”的自我淘汰机制。研究免 疫计算中的记忆识别理论之间的关系，建立分布式存储的数据库、具有记忆能力 的受损嵌入式系统节点检测机制和基于免疫算法的可重构网络结构。 目前尚不存在一种在不同问题都表现最优的算法，即根据问题的不同，往往 需要选择不同的算法来解决。对本文来说，也就是利用免疫算法对传感器所测得 的数据具有良好的收敛和判断能力，当节点损坏，所测数据明显与实际值不吻合 时，我们需要尽快判断出那个节点出现问题，并对网络节点进行重构，且保证这 种重构方式是最优的。 1 5 论文结构及章节安排 本论文的主要内容安排如下： 第一章“绪论主要介绍了嵌入式系统的发展、免疫计算的定义、可重构的 定义、今后嵌入式可重构的发展趋势以及本人对嵌入式网络平台构建的设想。 第二章主要对嵌入式网络可重构的模型建立与分析，研究嵌入式网络可重构 首先就要对其模型的建立，网络可重构模型是智能网络可重构系统的重要组成部 分。在嵌入式重构网络模型建立以后，再对模型进行分析。 第三章主要介绍了实验平台所使用的a r m 9 芯片和e d u k i t i v 开发板，介绍 第一章绪论 了实验所用到的硬件模块，由d s l 8 b 2 0 芯片和m q 2 芯片所组成的温度气体传 感器和s z 0 5 z b e e 嵌入式z i 曲e e 无线通信模块的原理，功能和使用方法，并且 也对a r m l l 的w i f i 功能进行说明。 第四章先设计嵌入式系统可重构网络的免疫算法并对其分析，并利用基于云 的数据平台，把数据服务都放在云端，依靠强大的云端操作系统和硬件平台处理 数据，将监控点获得的数据无线传输到云计算数据库中的嵌入式系统网络可重构 系统，再对所获得的数据进行预处理。然后主要利用实验室的资源对嵌入式免疫 网络进行试验。首先搭建实验平台，再用虫洞黑洞病毒对网络进行攻击，然后观 察网络是否具有防御性。 第五章主要内容是用n s 2 网络仿真软件分别对其进行正常状态下的模拟，节 点受到损坏或病毒攻击链路时的网络模拟。并且也对其进行了重构前后的网络性 能进行比较。 第六章“结论与展望”主要是对本章内容做出总结，嵌入式系统免疫网络可 重构性必然将在未来众多领域发挥重大作用。 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 嵌入式系统网络可重构的模型建立是整个研究的第一步，网络可重构模型是 智能网络可重构系统的重要组成部分。在嵌入式重构网络模型建立以后，对模型 进行分析。 2 1a 蹦嵌入式网络节点模型建立 采用建模的方法对网络性能分析。首先建立一个免疫计算模型，研究此模型 在遇到攻击时是否会有记忆识别功能。然后将其融合到嵌入式可重构网络的研究 中去建立模型，分析结果。基于所研究网络的特点，如何在短时间内智能完成网 络重构是本文研究的重点。所以尽量通过智能的方式王成网络重构也是我们建立 参数优化选择库的最终目的。 a r m 嵌入式网络作为单个节点，执行各自的结点功能，并且能够在结点受 到破坏时，进行自组重构，其节点网络模型如图2 1 所示，本文主要研究a 1 w 嵌入式网络节点功能与免疫算法。 图2 1 嵌入式网络节点模型 本系统以a r m 嵌入式系统作为单个节点，因此本文首先探讨a r m 嵌入式 系统通用模型。 在探讨嵌入式通用模型之前，首先要了解什么是嵌入式系统。i e e e ( 国际 电气和电子工程师协会) 对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作 机器和设备的装置”。目前，国内普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算 机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功 耗严格要求的专用计算机系统【24 l 。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、 嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。用于实现对其它设备的控制、监 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 视和管理等功能，它通常嵌入在主要设备中运行。一个最小的嵌入式系统的基本 组成为：一个用作引导的可用设施( 工具) ；一个具备内存管理，进程管理 和定时器服务的l i n u x 微内核；一个初始进程；硬件的驱动程序； 个或几个应用进程以提供必要的应用功效【2 5 】 2 6 1 。嵌入式系统具有诸多特征如： 系统内核小；专用性强；系统精简；高实时性、多任务的操作系统；嵌入式系统 开发具有专门的开发工具和环境。嵌入式系统具有非常广泛的应用前景，其应用 领域包括：工业控制、交通管理、信息家电、家庭管理系统、o s 网络及电子商 务、环境监测及机器人。其中工业控制是嵌入式系统技术的一个典型应用领域 【2 7 】 o 一个嵌入式系统装置一般由嵌入式计算机系统和执行装置组成，如图2 2 。 图2 2 删系统典型结构与模型 在图2 2 中，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间 层、系统软件层和应用软件层组成。 2 2 嵌入式网络的免疫计算模型 基于相关识别特性的免疫网络模型用于故障诊断的方法，通过构造大规模独 特型免疫网络来建立用于再现服务的故障诊断系统。 2 2 。l 免疫网络系统的正常模型构建算子 假设免疫网络系统s 由n 个网络节点构成，该系统在f ，时刻处于正常状态， 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 那么系统s 在f 。时刻的正常模型可以用免疫静态系统的正常模型构建算子创 建，如图2 3 。 s t 印1 对系统s 进行备份，初始化存储器，读取系统s 的所有节点的配置信 息，即架构信息： s t 印2 如果当前系统中仍有未处理的节点信息，则依次读取当前选定网络节 点的配置信息 ，否则进入s t 印5 ； s t 印3 将该网络节点的配置信息记忆到自体存储器中； s t 印4 如果该网络节点存在子系统，则递归构建子系统的正常模型； s t e p 5 如果已处理的网络节点有n 个，则结束算子；否则重复s t e p 2 。 对免疫网络系统s 进行备份，并初始化存储器 获取系统s 架构信息 备份系统的架构信息 前系统是否存在未处理的网络节点信 、， y | n 读取当前选定的网络节点配置信息 将读取到的配置信息记忆到自体存储器中 图2 3 嵌入式系统网络静态系统的正常模型构建算子 在t ：时刻，免疫网络动态系统s 中有些网络节点发生了改变，设节点c ；的状 态由( b ， ，1 ) 变为( 只，2 ，r ) 。如果j 么j ，( ( b ，f 2 ，r ) ，r ) = 彳j ( p f ， 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 ，1 ) ，并且r = 1 ，那么，节点信息改变后的状态仍为正常状态。如果酗，( ( 肼， 乞，r ) ，r ) = 彳，( p ，1 ) ，并且f 0 ，那么，节点信息改变后的状态为异常 状态。如果节点状态是由算子新增的，那么新节点信息为正常状态。如果节点的 状态不是由任何免疫算子引起的，那么节点改变后的状态为异常状态。根据节点 状态改变的判定规则，提出免疫网络动态系统的正常模型构建算子，如图2 4 所示。 s t 印1 依次监视系统s 中要改变的节点，读取这些节点改变后的配置信息； s t 印2 如果该节点存在子系统，那么依次监视该子系统中要改变的节点，读 取这些节点改变后的配置信息； s t 印3 如果这些节点改变后的状态均为正常状态，则用静态系统正常模型构 建算子创建新的正常模型，如果为异常状态，则进入s t e p 4 ； s t e p 4 结束算子。 依次监视系统s 中要改变的节点信息，读取节点改变后的配置信息 | n 一 依次监视该子系统中要改变的节点信息，读取节点改变后的配置信息 n 翎适垂至多 用静态系统正常模型构建算子创建新的正常模型 图2 4 嵌入式系统网络动态系统的正常模型构建算子 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 2 2 2 免疫算法应用于网络重构的可行性分析 免疫识别是免疫系统的主要功能，同时也是a i s 的核心之一，而识别的本质 是区分自体和异体【3 0 1 。免疫识别过程同时也是一个学习的过程，学习的结果是 免疫细胞的个体亲和度提高、群体规模扩大，并且最优个体以免疫记忆的形式得 到保存。 当机体重复遇到同一抗原时，由于免疫记忆机制的作用，免疫系统对该抗原 的应答速度大大提高，并且产生高亲和度的抗体去除病原，这个过程是一个增强 式学习过程。而且可以对结构类似的抗原进行识别。当知道网络遭到类似病毒攻 击后，那为后续的网络重构阶段提供了很好的参考数据，这样更加方便网络重构 工作，因此意义重大。 2 - 3 嵌入式网络可重构系统的模型 嵌入式网络可重构系统即能够在重要网络结点损坏的情况下，通过人机协同 方式来调节结点间的工作。本文在嵌入式系统通用模型基础上，提出了嵌入式网 络可重构系统单个节点系统模型。以删9 处理器为核心，d a d ，g p i o 为输 入输出从而以外界交互数据，r o m ，r a m 作为系统存储器，在这些应用程序基 础上选择适于重构网络任务的操作系统。其模型示意如图2 5 所示： 图2 5 嵌入式网络可重构系统节点系统模型【2 3 】 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 2 3 1 正常状态下的网络模型 正常状态下，根据网络结点的功能或物理位置被划分为若干级别、范围不等 的区域，形成了一种层次性的网络分布式管理控制，如图2 6 。互为上下级的父 结点通过与子节点通信，获得其子节点网络的运行情况，进行实时网络控制，即 a 作为父节点，管理其子节点b 1 等构成的网络区域，b 1 作为父节点管理其子节 点c 1 、c 2 等负责的网络区域，即多级的分簇结构。在这样的网络环境中，信息 流向的变化依赖于网络结构的变化，基于信息流向的网络重构按产生故障的不同 位置，分为链路故障引发的信息流重构和节点故障引发的信息流重构【3 1 | 。 图2 6 网络层次结构图 2 3 2 由链路故障引发的信息流重构 图2 7 由链路故障引发的信息流重构 进行直接通信的父子两级节点问通信链路失效或者通信链路性能超过预先 规定的阈值后，可以通过启用备份链路来恢复正常的通信，也指通过重构路由， 选择节点进行信息的 中继转发来保证两节点问的通信业务，信息流的重定向也随之发生。例如： 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 a 与b 1 间发生通信故障后，可以通过备份链路来恢复，也可以通过结点b 2 、 b 3 和b 4 等进行各个级别信息的中继转发，见图2 7 。 在启用备份链路的模式下，备用链路全部用于a 与b 1 问的数据传输，信息 流向没有变化，信息还是在a 与b 1 间流动；在重构路由模式，即选择节点进行 中继转发模式下，新的链路由于担负着自身和重构节点的双重通信任务，链路负 担加重，为了保证重构后通信链路的性能，保证重要的信息能安全到达目的地， 对原来a 与b 1 间的数据流进行重新划分，在信息的流向上重新定义重构。 在进行通信的时候，在发送方定义信息的级另u ，越重要的信息级别越高； 同时发送方通过网络监测得到各个节点接口的综合性能数据，综合性能数据包括 链路预定义转发级别、通信流量、时廷、包丢弃率、出错率等。在得到各个节点 接口的性能数据后，按照发送信息的级别对数据流进行划分，最重要的信息通过 接口性能最好的链路发送，次重要的信息通过接口性能次好的链路发送，以此类 推。例如a 与b 1 间的数据链路失效后，由a 向b 1 发送的信息分为高中低3 个 级别。经过a 的检测，链路的综合性能由高到低分别为a b 2 、a b 3 、a b 4 ，高 级别的信息由链路a b 2 中继传输，中级别的信息由链路a b 3 中继传输，低级别 的信息由链路a b 4 中继传输，这样就能最大限度地保证重要的信息能够得到最 大的传输保障，而且划分了数据流后的分别传输也在很大程度上保证了总体网络 的传输性能。 各条链路的性能是在动态变化的，在t l 时刻链路a b 2 的性能可能最高，到 了t 2 时刻可能是链路a b 3 的性能最高，对各条数据传输链路进行定时轮训，定 时获得其接口综合性能数据，及时调整信息流向。这样才能保证重要的信息能够 可靠地传输，总体网络的传输性能也能保持在一个较高的水平。 2 3 3 由节点故障引发的信息流重构 图2 8 由节点故障引发的信息流重构 改变原有的网络等级管理和通信方式而引发的信息流的重定向，见图2 8 。 例如：当节点b 2 失效后，其所有的子节点可以直接从属于其父节点a ，成为节 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 点a 的越级子节点，即发生越级通信，也可以全部或部分转隶于其他节点，成 为转隶子节点，即发生转隶通信。这样引发的信息流重构在诱因、组织层次结构 上都与由链路故障引发的信息流重构有本质的不同。这样的重构主要有以下3 种重构方式： 1 ) 相似节点进行战位接替网络中相同级别的节点具有类似的功能和完全相 同的硬件结构和软件平台，当节点失效时，其兄弟节点可以接管其所有子节点， 使其所有子节点成为其兄弟节点的转隶子节点。 2 ) 越级通信重构模式当节点完全失效时，其子节点通过备用链路直接与其父 节点进行通信，成为其父节点的越级子节点。 3 ) 降级工作模式当节点失效或故障时，要在其子节点中找出一个可以接替该 节点，完成上级节点部分指挥功能的节点。下级为上级节点的部分重要功能充当 临时执行者的角色。 在组织重构方式下，信息的流向按照开启的重组链路流动，如果有哪一个c 级的节点在正常工作的情况下，与上一级或上上级的父辈节点通信链路发生故 障，再按照信息流链路重构的方法进行信息流的重新划分和传输。 2 4 嵌入式网络可重构系统的免疫计算模型 传统的软件故障检测方法【3 2 彤】是按照正面思维的方式直接检测软件故障的 特征或与故障相关的因素，这也是传统异常检测方法的思路，也是这些检测方法 的弱点。由于软件故障的未知性和复杂性，传统检测方法从理论上不可能达到非 常高的软件故障检测率，从而降低了后续软件故障诊断的准确率和诊断效率。当 其中一个嵌入式网络节点出现故障，且在整个系统中此节点采集的数据很重要， 则嵌入式网络节点间必须具有自我重构的能力。即用系统中其他辅助的结点代替 此节点的功能。因此，从反向思维的角度研究了智能网络的软件故障诊断问题， 提出了利用正常软件组件的建模与检测来检测软件故障的方法。根据这种新思路 以及软件系统自身的特点，提出了软件系统的动态正常模型，用正常软件组件的 时空属性唯一确定了软件系统的正常状态，设计了基于正常模型的软件故障检测 算法【2 圳。由于正常模型确保了所有的自体都是已知的，从而在时间属性正确的 条件下自体检测算法的检测率比传统检测方法高一些。另外，受损的自体都会在 软件故障消除算法中标记出来，这些标记和正常模型有助于实现网络重构。 软件系统是种文件系统，由一些文件和文件夹组成。假设软件系统s 由行 个文件和m 个文件夹组成，其中文件c ，的绝对路径名用b 表示，该文件的最后修 改时间用t 表示，该文件的状态用s ( q ) 表示，这里s ( ) 表示状态函数。在软件系 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 统 s ，中，由于文件c ；的时空属性二元组( p ，) 唯一确定了该文件的状态s ( q ) ，所 以在时间属性正确的条件下该系统的所有文件都能用各自的时空属性二元组唯 一确定各个文件的正常状态，而该系统的正常状态就由其所有文件的时空属性共 同唯一确定。 在时间属性正确的条件下，当软件系统5 中所有文件都处于正常状态时，其 各个文件的时空属性二元组 ( p ，f 洲( j ( c f ) ) = 1 ，江1 ，2 ，刀) 唯一确定该系统的正 常状态s ( s ) ，( s ( s ) ) = 1 【3 0 】。其中，函数( ) 的值1 表示正常状态。 可以将嵌入式网络可重构系统s 处于正常状态时其各个文件的时空属性二 元组存储在自体数据库中，用来检测待测对象是否为该系统的自体，实现基于自 体时空属性的自体异体检测方法，如图2 9 所示。 免疫对 图2 9 嵌入式系统可重构网络的正常免疫计算模型 2 5 嵌入式免疫网络的自适应调节与重构模型【2 3 】 人工免疫系统s 的状态是由人工免疫组件的状态以及这些组件之间的组成 状况确定的，如果两个人工免疫系统的组建状况和组件之间结构相同，则这两个 免疫系统的状态也是相同的，但是当组件状况或任何一个组件构成的结构发生变 化，那么系统的状态也就随之发生改变了。我们假设人工免疫网络系统s 的基本 功能节点表示为c ，七= 1 ，2 ，f ，其中，t 表示基本功能节点的总数，并且f 刀。 如果人工免疫网络系统s 的所有基本功能节点都是正常的，那么系统s 的基本功 能就都能正常运转，此时，称系统s 的状态为亚正常状态。如果处于亚正常状态 的系统s 中非基本功能节点也都是正常的，那么系统s 的状态就是正常状态。 嵌入式系统免疫网络重构的目标是维护系统的亚正常状态，并在此基础上尽 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 力保持系统的正常状态。假设网络基本功能节点白受损，如果系统中还存在替 补网络节点，则用此替补网络节点来代替已经损坏的网络节点c 。，如果系统中 没有替补网络节点，则可将不是基本功能节点的节点代替c 。假设网络链路出 现故障的话，则依赖于相连的网络节点经过其它链路将信息传送出去。 人工免疫网络的自重构算法根据受损节点的类型自调整网络的结构和相应 节点的重要度，以维持受损网络的最大功能，该算法流程图如2 1 0 所示。 s t 印1 判断受损网络节点是否为基本功能节点，如果该受损节点不是基本功 能节点，则进入s t 印4 ； s t e p 2 如果该受损节点是基本功能节点，则判定该受损节点是否有替补节点； s t e p 3 如果受损的基本功能节点存在替补节点，则用替补节点部分替代该受 损节点的位置，调整该节点的重要度； s t e p 4 重新优化人工免疫网络的配置； s t 印5 受损节点修复后，将该节点再加到其原来的位置，并回复原来的网络 优化配置。 图2 1 0 嵌入式免疫网络的自适应调节与重构模型 自重构算法有3 个关键操作，一是用替补节点c ；替换受损节点c 。，二时重新 优化人工网络s 的配置，三是对受损节点进行修复。显然，替补节点c ：的功效 1 7 第二章嵌入式网络可重构的模型建立与分析 比受损节点。的功效要大，因此，替换操作增强了人工免疫网络s 的功效