網絡入侵后的最佳安全節點定位系統設計與實現

王紅霞+劉麗

摘 要： 為了保護電路元件、維持系統持續高效的工作狀態，系統利用穩壓電路對CC2530和節點優化電路進行穩壓。節點優化電路將網絡節點的干擾排除，以供CC2530進行定位操作。系統將最佳安全節點定位算法輸入到網絡節點， CC2530利用該算法對最佳安全節點進行精準定位。軟件選用統計模擬法作為最佳安全節點定位算法，并給出其計算流程圖和概率函數。經實驗驗證，所設計的系統能夠較強地對入侵節點進行驗證，并擁有較小的最佳安全節點定位誤差。

關鍵詞： 網絡入侵； 安全節點； 定位系統； CC2530

中圖分類號： TN711?34； TP914.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0049?04

Design and implementation of best safety node positioning system after network intrusion

WANG Hongxia， LIU li

（Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450015）

Abstract： In order to protect the circuit components and keep the efficient working state of the system， the voltage stabilizing circuit is used in the system to ensure voltage stability of CC2530 and node optimization circuit. The node optimization circuit is adopted to exclude the interference of network nodes to support the positioning operation of CC2530. The best security node localization algorithm is input to the network node by the system. The algorithm is utilized by CC2530 to pinpoint the best security node. The statistical simulation method is selected by the software as a best security node localization algorithm， whose calculation flow chart and probability function are given in this paper. The experimental verification result indicates the system can verify the intrusion node well， and have small positioning error for the best security node.

Keywords： network intrusion； security node； positioning system； CC2530

0 引 言

隨著科技的不斷發展，網絡已成為人們工作和生活中必不可少的通信工具和娛樂項目，數據在網絡中的傳輸安全更受到人們的廣泛關注。近年來，科研組織不斷研究網絡入侵后節點的定位技術，希望尋找出其中的最佳安全節點，以供人們使用[1?3]。然而，網絡節點所處的環境往往過于開放，給網絡入侵安全節點定位系統的研究帶來了挑戰。以往研究出的網絡入侵最佳安全節點定位系統，往往無法精準檢測網絡中是否存在入侵節點，對最佳安全節點的定位誤差較大[4?6]。目前，科研組織正重點修正網絡入侵后安全節點定位系統的以上問題。文獻[7]設計出基于DRBTS的網絡入侵最佳安全節點定位系統，該系統為網絡各節點設計了算法標準，節點利用該標準檢測附近節點，以實現節點間的自報警。這種設計為該系統提供了相對簡便的操作，其對入侵節點的驗證效果較高；但該系統對最佳安全節點的定位誤差較大。文獻[8]設計出基于聲譽機制的網絡入侵最佳安全節點定位系統。該系統的聲譽機制虛擬模型能夠有效增強其對入侵節點的驗證效果，實現了系統對最佳安全節點的精準定位；但該系統的算法復雜、操作不方便，致使其后期維護費用較大。文獻[9]設計出基于Rmdmn的網絡入侵最佳安全節點定位系統。該系統利用Rmdmn探測網絡節點行為并構建虛擬模型，進而查找出其中的最佳安全節點；整個系統對最佳安全節點的定位誤差較小，但其對入侵節點的驗證效果仍有待提高。

為了解決以上系統的問題，設計出入侵節點驗證效果強、最佳安全節點定位誤差小的網絡入侵最佳安全節點定位系統。經實驗驗證，所設計的系統能夠實現其對入侵節點的準確驗證，減少最佳安全節點定位誤差。

1 網絡入侵最佳安全節點定位系統設計

網絡入侵最佳安全節點定位系統設計了穩壓電路、定位芯片和節能優化電路，以實現系統對入侵節點的準確驗證，減少最佳安全節點定位誤差。節點優化電路將網絡節點的干擾排除，以供定位芯片進行定位操作。系統一旦開始工作，穩壓電路即對定位芯片和節點優化電路實施全面穩壓控制，以保護電路元件、維持系統的持續高效工作狀態。

1.1 穩壓電路設計

由于網絡節點數據轉發量過大且節點數目過多，故在網絡入侵最佳安全節點定位系統工作的同時，穩壓電路為其提供穩壓控制。穩壓電路不但可以穩壓定位芯片，也可以為節點優化電路穩壓，如圖1所示。

由圖1可知，C1，C2分別是信號輸入過濾電容和數字控制固態電容，在穩壓電路中起到濾波和緩沖的作用。穩壓電路能夠為定位芯片中的射頻收發器和中央處理器分別提供3.3 V和5 V的電壓，此種供電方式要求穩壓電路中的穩壓器擁有較高的穩定性，且其供電方式應是可調控的。

TPS76933是一種能耗非常低的線性穩壓器，其響應能力較高，能夠實現可調控供電。選用TPS76933的穩壓電路擁有較高的電路轉換能力，即能夠利用交流適配器和鋰電池進行單獨或共同供電。

1.2 節點優化電路設計

在網絡入侵最佳安全節點定位系統的設計中，網絡節點對系統性能的影響較大。因此，系統在定位芯片進行定位操作前，設計了節點優化電路，以提高系統對入侵節點的驗證效果，縮減系統定位誤差。

節點優化電路有兩種，分別是網絡協調器節點優化電路和射頻收發器節點優化電路，如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，由于電磁干擾對網絡節點的影響較大，故網絡協調器節點優化電路和射頻收發器優化電路并未給用戶配備數據傳輸接口，經兩電路優化后的網絡節點會直接受定位芯片控制，這有效增強了網絡入侵最佳安全節點定位系統的穩定性。

在網絡協調器節點優化電路中配備的液晶顯示器能夠顯示優化數據，搖桿電路能夠降低網絡節點中的電磁干擾，行為測試電路會對網絡節點行為進行測試，將安全隱患較大的節點直接隱藏，以減輕定位芯片的定位壓力。射頻收發器優化電路進行網絡節點中鋰電池的管控操作，排除供電干擾。

由于射頻收發器優化電路的優化數據無顯示必要，為節省網絡入侵最佳安全節點定位系統成本，因此未在其中配備液晶顯示器。

1.3 定位芯片設計

網絡入侵最佳安全節點定位系統選用CC2530實現系統對最佳安全節點的有效定位。CC2530的價格低廉，其擁有性能超高的射頻收發器和可編程存儲器，能夠塑造出性能優越的網絡節點，并對其進行精準定位。CC2530的結構圖如圖4所示。

圖4中，CC2530的中央處理器選用加強式8051中央處理器，該中央處理器下達的操作命令呈現周期性，因此需要對其進行實時計時校準。加強式8051中央處理器與網絡調試接口直接相連，這使得CC2530能夠直接進行最佳安全節點的定位操作。網絡入侵最佳安全節點定位系統將最佳安全節點的定位算法輸入到CC2530中，CC2530中的加強式8051中央處理器便能夠根據該算法對網絡節點進行識別和定位。

射頻收發器通過射頻數據接口將加強式8051中央處理器的運算結果傳至射頻寄存器，并對其進行加密解密和選址過濾。睡眠控制器和調制解調器進行定位信息的控制和修改，進而得到最終的最佳安全節點定位結果。

2 網絡入侵最佳安全節點定位系統軟件設計

所設計的網絡入侵最佳安全節點定位系統，利用統計模擬法實現系統對最佳安全節點進行精準定位。統計模擬法是一種利用隨機數字構建概率模型，將計算機強大的運算能力納入概率模型實現最佳安全節點統計的方法。網絡入侵最佳安全節點定位系統利用統計模擬法首先給予網絡入侵概率模型一項隨機數據群組，利用計算機運算獲取的定位數據群組，進而得到隨機數據群組的權值和節點定位的概率分布函數。根據概率分布函數即可得出網絡入侵最佳安全節點的定位數據。

統計模擬法構建的概率模型適用于二維和三維網絡中安全節點的選取，其應用簡便，且準確度較高，其計算流程圖如圖5所示。

由圖5可知，統計模擬法能夠依照網絡入侵后網絡節點的特性，對網絡入侵最佳安全節點定位系統進行環境參數設置。由此產生的概率模型更為準確，保證了系統對入侵節點的驗證效果。

概率模型根據概率論為網絡節點提供隨機變量樣本的分布信息，經由計算機運算后產生的結果，統計模擬法會對其進行實時驗證，最終給出最佳安全節點的數學期望值。

在數學期望值中引入隨機數據組進行驗證，能夠得出最佳安全節點的定位估計權值。再經由極限定理對該定位估計權值進行調整，最終實現網絡入侵最佳安全節點定位系統對最佳安全節點的精準定位。

假設統計模擬法中概率模型的分布時間為，在該時間下節點的定位信息為；時間內的計算機運算結果為；計算機運算出的初始概率分布模型函數用表示，此時有：

（1）

（2）

式中，為統計模擬法運算出的權值數量。

在網絡入侵最佳安全節點定位系統為網絡節點進行定位的初期狀態，將首先假設一個最佳安全節點，此時該節點的定位信息未知。統計模擬法會在概率模型中為其隨機選取定位信息，該定位信息會在系統運行中不斷更新，直至選取出最佳安全節點的精確定位信息。

3 實驗驗證

實驗對本文所設計的網絡入侵最佳安全節點定位系統進行性能驗證，主要驗證本文系統對入侵節點的驗證效果以及最佳安全節點的定位誤差。實驗構建了一個網絡模型，在該網絡模型的正常運行狀態下，引入干擾數據對其進行多種入侵，利用本文系統對網絡模型中的最佳安全節點進行定位。

3.1 系統對入侵節點的驗證效果驗證

網絡入侵最佳安全節點定位系統對入侵節點的驗證，是系統應具備的基礎性能，該性能是系統能夠準確定位節點的保證。雖通過其他方式也能夠減少系統對最佳安全節點的定位誤差，但入侵節點驗證效果仍是最有效的保證。標準規定，網絡入侵最佳安全節點定位系統應具有60%以上的入侵節點驗證效果。在入侵節點驗證效果驗證中，實驗給予的入侵類型分別是網絡通信范圍增減、角度增量增減和區域邊長增減，實驗結果如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可知，本文系統對入侵節點的驗證效果與入侵節點類型有關，與入侵類型的增減量關系不大。區域邊長增減入侵對本文系統入侵節點驗證效果影響最小，這是由于網絡區域較大，邊長增減對網絡節點的轉發能力幾乎無影響所致。此時的入侵節點驗證效果曲線最為穩定，維持在[85%，100%]范圍內。

網絡通信范圍增減入侵對本文系統入侵節點驗證效果的影響呈現波動式向下發展趨勢，但向下趨勢并不明顯。在此條件下，本文系統入侵節點驗證效果始終維持在75%以上，該數值較高，并滿足預設標準。角度增量增減入侵對本文系統入侵節點驗證效果的影響也呈現波動式，較比網絡通信范圍增減曲線來說，角度增量增減入侵的波動更大，但波動范圍始終維持在[70%，100%]范圍內。這是由于網絡節點對角度增量的敏感性較高所致。基于以上結論可知，本文系統在多種網絡入侵情況下的入侵節點驗證效果均高于預設標準，驗證了本文系統具有較強的入侵節點驗證效果。

3.2 系統對最佳安全節點定位誤差驗證

網絡入侵最佳安全節點定位系統對最佳安全節點的定位是系統最重要的性能，如果最佳安全節點定位誤差很大，本文系統的設計則無任何意義。根據上述實驗結果，能夠知道區域邊長增減入侵對本文系統入侵節點驗證效果幾乎無影響，故在系統對最佳安全節點定位誤差的驗證中，實驗選擇的網絡入侵類型為網絡通信范圍增減和角度增量增減。圖9是網絡通信范圍增減入侵下本文系統對最佳安全節點的定位誤差，圖10是角度增量增減入侵下本文系統對最佳安全節點的定位誤差。

由圖9和圖10可知，兩種入侵下的安全節點定位誤差曲線均呈現出較大的下降趨勢，證明本文系統性能在應用過程中是能夠不斷提升的。且本文系統在網絡通信范圍增減入侵和角度增量增減入侵下的安全節點定位誤差波動范圍較為一致，均維持在0.1%～2.1%之間，該范圍的最高值低于國際標準。以上結果驗證了本文系統具有擁有較小的最佳安全節點定位誤差。

4 結 論

本文設計入侵節點驗證效果強、最佳安全節點定位誤差小的網絡入侵最佳安全節點定位系統。為了保護電路元件、維持系統持續高效的工作狀態，系統利用穩壓電路對CC2530和節點優化電路進行穩壓。節點優化電路將網絡節點的干擾排除，以供CC2530進行定位操作。系統將最佳安全節點定位算法輸入網絡節點中， CC2530利用該算法對最佳安全節點進行準確定位。軟件選用統計模擬法作為最佳安全節點定位算法，并給出其計算流程圖和概率函數。經實驗驗證，所設計的系統能夠較強地對入侵節點進行驗證，并擁有較小的最佳安全節點定位誤差。

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