手機藍牙病毒傳播的多主體仿真研究

張亞周，李香宇，高德華

（1.海軍航空工程學院 電子信息工程系，山東 煙臺 264001；2.山東工商學院 管理科學與工程學院，山東 煙臺 264005）

近年來，隨著智能手機的發展和普及，手機安全問題正日益引起人們的廣泛關注。藍牙、紅外、短信、彩信、Wi-Fi無線聯網技術等在給手機用戶帶來便捷服務的同時，也為手機病毒的傳播提供了途徑。文獻[1]對手機病毒傳播的方式及主要防范措施作了系統地梳理和歸納。已有的研究表明，在智能手機提供的多種數據連接方式中，藍牙（BlueTooth）技術的應用最為廣泛，基于藍牙的病毒傳播也因此成為手機病毒傳播的重要方式之一。尤其是當某種手機操作系統的智能手機市場份額超過10%之后，這些病毒將為手機用戶的通訊和信息安全帶來了十分嚴峻的威脅[2]。

文獻[3]在一個真實的環境中，通過探測手機等無線設備，研究了蠕蟲病毒（Worms）在藍牙環境下傳播的可行性及其傳播動力學特性。文獻[4-6]在傳染性疾病傳播的經典SIR模型的基礎上，綜合考慮手機病毒的傳播方式以及藍牙網絡的復雜動力學特征，分別建立了相應的SIQRD、SEIR、SIRD等數學模型，對手機藍牙病毒的傳播過程和相關影響因素進行分析，并探討有效的預防策略和措施。但總體來說，現有的研究仍主要是基于以數學模型為核心工具。當需要考慮的參數過多、模型規模增大、復雜性提高時，這種基于微分方程的處理方法的難度將迅速增加。在這種情況下，基于計算機手段的多主體仿真方法則有著無可比擬的優越性，可以作為一種有效的技術工具，對手機病毒的傳染途徑、傳播規律以及手機病毒大規模爆發的“涌現”（Emergence）現象進行研究。手機藍牙病毒屬于網絡主動傳播類型病毒中的一種。文獻[7]對應用多主體仿真方法開展流行病研究的相關文獻進行了系統地梳理和綜述。但截至目前，國內外對智能手機基于藍牙的病毒傳播問題的研究尚處于起步階段，運用多主體仿真的方法進行手機藍牙病毒的研究成果更是鮮有報道。

1 多主體仿真模型的構建

1.1 多主體仿真方法

多主體仿真中的主體（Agent），是指在一定的環境下能獨立自主地運行，作用于自身生成的環境也受到外部環境的影響，并能不斷地從環境中獲取知識以提高自身能力，且將推理和知識表示相結合的智能實體。它具有自治性、反應性、自適應性、可通信性以及自學習性等特點。多主體仿真方法就是按照“自底向上”的建模思想，將所研究系統的宏觀現象看作微觀個體相互作用的結果，從微觀個體的行為及相互作用入手，基于對主體、主體所處于其中的環境，以及主體與主體之間、主體與環境之間的交互作用規則的定義，通過進行仿真實驗來揭示宏觀現象的微觀機理。

文獻[8]給出了運用多主體仿真方法的3個主要階段如下：

首先，通過實際系統的觀察，獲取系統的微觀和宏觀數據，通過抽象、提出假設等，從多主體的視角建立實際系統的概念模型。這一過程具體又可劃分為識別微觀個體、建立主體模型和建立主體交互模型等3個子階段。

其次，借助于計算機手段和特定的技術途徑，將概念模型轉換為仿真模型。仿真模型是由計算實體形成的一個虛擬世界。在實際研究中往往以仿真模型為核心，再加上一些輔助功能如實驗管理、數據分析等組成一個仿真實驗平臺。借助仿真實驗平臺運行仿真模型，得到仿真結果。

最后，對仿真運行的結果進行分析，得到對實際系統的認識，并給出研究結論。

但需要說明的是，在這一過程中通常需要多次地反復，以驗證多主體仿真模型的準確性和有效性。

1.2 手機藍牙病毒傳播的特征分析

作為無線數據和語言傳輸的開放式標準，藍牙是一種支持設備短距離通信的無線電技術。它擁有全球通用的統一架構，通信的距離大約在10～30 m以內。當手機遭受病毒感染后，就會自動地搜索附近的藍牙信號并與之建立連接。文獻[6]總結了手機病毒在藍牙網絡中進行傳播的基本特征，主要包括：

1）藍牙的信號覆蓋范圍是有限的；

2）藍牙終端設備（手機）具有移動性；

3）病毒成功復制自己到另一部手機，需要一定的時間；

4）藍牙病毒能夠不停地通過已感染的手機來搜索附近可見的藍牙信號，因此可導致已感染病毒手機耗電量的急劇增加，以至于電量耗盡而暫時不能繼續傳播病毒；

5）藍牙網絡具有小世界性（Small world）的特征。

1.3 多主體仿真模型的建立

本仿真模型中，主要涉及兩類主體：一是環境，即虛擬一個二維的“人工社區”，我們用一個n×n的二維柵格區域來表示；另一類主體就是智能手機終端。假定手機主體在“人工社區”中以某一給定的概率Pd隨機分布。手機主體可以隨手機用戶一起在“人工社區”中以給定概率PrndWalk隨機地游走，并以一個較小地概率PrndTrans進行遠距離地遷移。任一手機主體可以具有以下四種狀態，即：

①不具備免疫能力的易感染狀態（S）；②已經受到病毒感染的已感染狀態（I）；③手機用戶通過采取安裝或者升級殺毒防護軟件等措施而使手機主體獲得抵抗病毒感染能力的免疫狀態（R）；

④手機主體電量耗盡后的臨時關閉狀態（D）。

本文基于文獻[5－6]的工作，設置手機主體之間的行為交互規則如下：

1）仿真初始時，“人工社區”中的所有手機主體均處于易感染狀態（S）且不具有免疫能力。

2）假定“人工社區”內的手機主體總數量保持不變。處于已感染狀態（I）的手機主體，以較小的給定概率PrndTrans從外界進入“人工社區”，同時伴隨有社區內某一手機主體的離開。

3）處于已感染狀態（I）的手機主體，在以自身位置為中心、以r為半徑的藍牙信號覆蓋區域內，對易感染的手機主體（S）進行搜索，并以給定的概率Pinfect實現手機病毒的復制和傳播。

4）任一仿真時刻，處于易感染狀態的手機主體能夠以給定的一個較小概率Pimmu1通過諸如采取安裝或者升級殺毒防護軟件等措施而獲得抵抗病毒感染的免疫能力，進入免疫狀態（R）；并以概率Pdie1耗盡電量，而轉變成為“臨時關閉”狀態（D）。

5）任一仿真時刻，處于已感染狀態（I）的手機主體，以給定的概率Pcure通過專業修復而得到恢復，重新成為易感染狀態（S）；以給定概率Pimmu2獲得抵抗病毒感染的免疫能力而轉變為免疫狀態（R）；以給定的概率Pdie2耗盡電量而進入臨時關閉狀態（D）。 不是一般性，這里假定有 Pimmu1＜Pimmu2，Pdie1＜Pdie2。

6）任一仿真時刻，處于“臨時關閉”狀態（D）的手機主體以給定的概率Ppower通過充電重新恢復到工作狀態（包括“易感染”狀態（S）或者“已感染”狀態（I））。

手機藍牙病毒傳播的基本原理和過程，可描述如圖1所示。

圖1 手機藍牙病毒傳播的基本原理和過程Fig.1 The basic principle of mobile virus spreading via Bluetooth

2 仿真實現及仿真結果的分析

2.1 基于Swarm平臺的多主體仿真實現

Swarm是由美國圣塔菲研究所 （Santa Fe Institute）的Swarm 開發組（Swarm Development Group，SDG）于 1994年提出并研究推出的用于多主體仿真和建模分析的一組標準計算機軟件工具集，迄今已經在社會科學及自然科學的多個領域得到了廣泛的應用。它采用“自底向上”（Bottom－up）的建模思想，讓一系列獨立的主體通過獨立事件進行交互，幫助研究由多個主體組成的復雜適應系統的整體行為。通過為研究者提供統一的模型框架，一方面，Swarm可以減輕模型設計的技術負擔，讓建模者能夠集中精力專攻自己的專業領域，而不必從最低層代碼開始、把大量精力耗費在編寫軟件上；另一方面，統一的框架還能夠規范模型的設計，從而便于對模型的理解和交流。

本文基于Swarm平臺，在Eclipse集成開發環境下，對上述手機藍牙病毒傳播的多主體仿真模型進行編程實現。

2.2 仿真輸入參數設置與仿真結果分析

綜合現有手機藍牙病毒傳播的研究成果，在對仿真輸入參數進行靈敏度分析的基礎上，設置各仿真輸入參數如下：n=200，Pd=0.08，PrndWalk=0.45，PrndTrans=0.07，r～U （10，30），Pinfect=0.032，Pimmu1=0.001，Pimmu2=0.18，Pdie1=0.015，Pdie2=0.1，Pcure=0.1，Ppower=0.18。

在上述參數設置下，對多主體仿真模型進行仿真運行t=150個仿真周期，得到手機藍牙病毒傳播過程的仿真結果，如圖2所示（圖中t為仿真時間）。處于各不同狀態手機主體的數目隨時間的變化曲線，如圖3所示。

圖2 手機藍牙病毒的傳播過程仿真結果Fig.2 Simulation results of the mobile virus spreading process via Bluetooth

圖3 各狀態手機主體數量隨時間的變化曲線Fig.3 Variation curves with time of the numbers of mobile agents with different states

圖2 和圖3所示的仿真運行結果揭示了基于藍牙的手機病毒在智能手機主體之間進行復制和傳播的微觀動態過程及其在宏觀層次上所體現的內在規律性。根據這一仿真運行結果可以看出，手機藍牙病毒的傳播大概經歷了以下幾個不同的階段：

1）在仿真初始的一段時期（0＜t≤20），伴隨部分已感染的手機主體從外界進入社區，病毒開始向周圍的易感染手機主體進行復雜和傳播。但與此同時，這些手機主體在對周圍易感染手機主體進行搜索的過程中，將很快耗盡電量而進入臨時關閉狀態。這在一定程度上來說，也抑制了手機病毒復制和傳播的速度。

2）第二階段（20＜t≤30），隨著藍牙病毒在易感染手機主體之間的迅速擴散，處于易感染狀態的手機主體數目（SNum）迅速減少，而遭受病毒感染的手機主體數目（INum）則急劇增加，直至t=30時，達到極限值。在這一期間，因獲得免疫能力而處于免疫狀態的手機主體數目（RNum）以及因耗盡電量而進入臨時關閉狀態的手機主體數目（DNum）也將持續增加，但其增加過程在時間上要相對滯后于已感染狀態手機主體數目（INum）的增加。

3）第三階段（30＜t≤75），隨著因獲得免疫能力而進入免疫狀態的手機主體的數目（RNum）的持續增加，一方面，遭受病毒感染的手機主體數目在t=30時刻經歷一個極限值（1484）之后，開始逐漸減少。而因耗盡電量而進入臨時關閉狀態的手機主體的數目也在t=34時刻經歷一個極限值（500）之后也開始減少。另一方面，進入免疫狀態的手機主體數目的增速也逐漸放緩，直至趨于穩定。

4）第四階段（75＜t），處于各不同狀態的手機主體的數目逐漸趨于保持不變，整個“人工社區”系統達到一種相對穩定的狀態。

3 結 論

手機病毒的傳播途徑有許多種。本文中，作者選取較具有代表性的藍牙病毒為研究對象，基于對其傳播特征的分析，引入多主體仿真方法，在Swarm平臺上對其復制和傳播的具體過程進行了仿真[9]實現。在對現有模型作進一步的完善和功能擴充之后，可以進而構建手機病毒應對策略研究的“人工實驗室”，借助于計算機技術與手段，通過仿真試驗研究來深入分析各類手機病毒傳播的一般過程及其內在機理與規律，為現實中手機病毒的預測、分析和有效應對等提供切實可行的最佳方案和必要的策略制訂及決策依據。這對于有效控制手機病毒的傳播、保障廣大手機用戶的通信安全等，具有十分重要的現實意義。

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