基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由

羅婷婷 鄒航菲

摘 ?要： 提出基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由優(yōu)化方法，根據(jù)認(rèn)證、接入控制和加密機(jī)制，多方向量化鏈路安全，結(jié)合服務(wù)質(zhì)量參數(shù)構(gòu)建多目標(biāo)安全路由模型。根據(jù)公共緩沖池與最小預(yù)留帶寬的分配，選取多目標(biāo)安全路由模型優(yōu)化目標(biāo)為：可行路徑平均時(shí)延最低、三類安全度量最低以及最大帶寬利用率最低等。采用自適應(yīng)遺傳算法，以求解最優(yōu)染色體編碼問題替代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由問題;設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由的目標(biāo)函數(shù)最小化問題變換成最大化問題;選取算子進(jìn)行交叉與變異，通過遺傳算法求解確定適應(yīng)度值最優(yōu)的個(gè)體，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示：該方法確定路徑的平均時(shí)延為135 ms左右，平均最大帶寬利用率在0.5%左右，三類安全度量數(shù)值均低于其他兩種對比方法，說明該方法更能保障計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通暢與資源使用安全性。

關(guān)鍵詞： 遺傳算法; 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò); 安全路由; 安全度量; 帶寬鏈路; 適應(yīng)度函數(shù)

中圖分類號(hào)： TN915.08?34; TP393.08 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）07?0078?04

Computer network security routing based on genetic algorithm

LUO Tingting1， ZOU Hangfei2

（1. Department of Scientific Research and Development Planning， Jiangxi Police Institute， Nanchang 330103， China;

2. Department of Human Resource， Jiangxi Police Institute， Nanchang 330103， China）

Abstract： It is a new research idea in the field of computer network security routing to take security metrics as service quality parameter when optimizing network routing. An optimization method of computer network security routing based on genetic algorithm is proposed. According to the authentication， the access control and the encryption mechanism， the link security is quantified in multiple directions， and a multi?objective secure routing model is constructed with the reference of the service quality parameters. According to the allocation of common buffer pool and the minimum reserved bandwidth， the optimization goals of multi?objective security routing model is to achieve the lowest average delay of feasible path， the lowest security metrics of the three types and the lowest maximum bandwidth utilization rate. The adaptive genetic algorithm is adopted to make the optimal chromosome coding instead of the computer network security routing; the fitness function is set to transform the objective function minimization of computer network security routing into the objective function maximization; the operator is selected for crossover and mutation， and individuals with the best fitness value are determined by genetic algorithm to realize the optimization of computer network security routing. The simulation results show that the average delay of the path determination by the proposed method is about 135 ms， the average maximum bandwidth utilization rate is about 0.5%， and the three types of security metrics are lower than the other two methods. It is verified that the method can better guarantee the computer network access and resource security.

Keywords： genetic algorithm; computer network; security routing; security metrics; bandwidth link; fitness function

0 ?引 ?言

當(dāng)代社會(huì)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)在全球范圍內(nèi)普遍使用，網(wǎng)絡(luò)資源合理利用是確保網(wǎng)絡(luò)資源暢通的基礎(chǔ)[1]。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源合理利用的前提條件之一是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由選擇，將安全作為路由選取指標(biāo)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由研究的新方向[2]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由的安全性通過單一的安全度量難以準(zhǔn)確描述，需要根據(jù)多種安全因素綜合確定[3]。因此，本文提出基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由優(yōu)化方法，通過求解多目標(biāo)安全路由模型為使用者提供安全性能更好的路由。

1 ?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由

1.1 ?多目標(biāo)安全路由模型

將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)鏈路安全度量劃分為三類[4]：第一類安全度量根據(jù)認(rèn)證機(jī)制定義;第二類安全度量根據(jù)接入控制定義;第三類安全度量根據(jù)加密機(jī)制定義。依照上述網(wǎng)絡(luò)鏈路安全度量的量化定義，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由內(nèi)引入安全度量定義[5]，構(gòu)建多目標(biāo)約束最優(yōu)化模型。作為應(yīng)用范圍較廣的區(qū)分服務(wù)模型之一，俄羅斯玩偶模型具有Inter?Serv的可擴(kuò)展性、IP服務(wù)質(zhì)量好、無需信令、簡單有效等優(yōu)勢[6]，因此采用該模型構(gòu)建多目標(biāo)約束最優(yōu)化模型。

多目標(biāo)約束最優(yōu)化模型內(nèi)，以[K]描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對負(fù)載提供的服務(wù)種類，[P1，P2，…，PkkPk=1]表示各服務(wù)種類對應(yīng)帶寬比例，優(yōu)先級別根據(jù)下標(biāo)判斷，下標(biāo)值與優(yōu)先級別呈反比。不同帶寬部分由最小預(yù)留帶寬和公共緩沖池共同組成[7]，分別用[xi]和[yi]表示，各級劃分路由帶寬中[xi]所占比例為[w]，由此得到：

[xi=Pi?w?Cijyi=Pi?1-w?Cij] （1）

式中[Cij]為鏈路[i，j]的帶寬。在第[i]類負(fù)載有數(shù)據(jù)流到達(dá)的條件下，由[xi]作為第一批次傳輸服務(wù)提供者，若[xi]無法達(dá)成傳輸目的，則公共緩沖池內(nèi)的帶寬資源提供協(xié)助。為反映服務(wù)質(zhì)量的差異，在模型中加入搶占制度，優(yōu)先級別高的負(fù)載進(jìn)行傳輸時(shí)可征用優(yōu)先級別較低負(fù)載的公用緩沖池[8]。俄羅斯玩偶模型帶寬分配模型如圖1所示。

將圖1中的模型用[T]表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋?。在[T=V，E，D，C]內(nèi)，[V]和[E]分別表示節(jié)點(diǎn)和邊的集合，[D]和[C]分別表示鏈路上的時(shí)延和帶寬。到達(dá)第[k]類服務(wù)業(yè)務(wù)流所需帶寬、鏈路[i，j]上承載的第[k]類服務(wù)業(yè)務(wù)量所需帶寬和鏈路[i，j]上的整體負(fù)載分別用[δk]，[fkij]和[rij]表示。由上述描述確定鏈路[i，j]上的帶寬利用率，也就是鏈路[i，j]上已占用帶寬加上服務(wù)請求帶寬占用量同鏈路[i，j]整體帶寬間的比值為：

[a=rij+δkCij] （2）

到達(dá)的[k]類數(shù)據(jù)流占用的整體鏈路帶寬和其在鏈路上分配的帶寬分別用[δk+fkij]和[Pk?Cij]描述，由此得到到達(dá)的[k]類數(shù)據(jù)流在優(yōu)先級別較低的公用緩沖池帶寬中所占比例為：

[β=maxi，j∈Pdδk+fkij-Pk?CijCij] （3）

由于服務(wù)等級有所差異，用[δkmax]表示各服務(wù)等級負(fù)載占用帶寬最大值，若服務(wù)等級為三級，則：

[δ1max=P1?Cij+1-w?P2+P3?Cij] （4）

[δ2max=P2?Cij+1-w?P3?Cij] （5）

[δ3max=P3?Cij] （6）

各鏈路上每一服務(wù)等級所用帶寬需小于等于上述公式中的上限。同時(shí)，優(yōu)先級別較低負(fù)載無法占用優(yōu)先級別較高負(fù)載的公用緩沖池帶寬[9]，公式描述為：

[rij+δk∈0，minδkmax，Cij-rij] （7）

基于上述分析，結(jié)合常規(guī)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，選取多目標(biāo)安全路由模型優(yōu)化目標(biāo)：可行路徑的平均時(shí)延最低;三類安全度量最低;最大帶寬利用率最低;到達(dá)[k]類數(shù)據(jù)流所占低優(yōu)先級別公用緩沖池帶寬比值最低;設(shè)定安全閾值，確保三類安全度量低于安全閾值;為確保服務(wù)請求實(shí)現(xiàn)，且計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)順暢，需滿足鏈路帶寬大于到達(dá)的[k]類數(shù)據(jù)流帶寬加上已有負(fù)載的值。

1.2 ?遺傳算法

針對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由多目標(biāo)優(yōu)化問題，需采用高效的優(yōu)化策略確定最優(yōu)解。遺傳算法是一種全局優(yōu)化搜索算法，不受搜索空間限制，不限定所求解的連續(xù)性，具有較強(qiáng)魯棒性與并行性[10]。因此，在求解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由時(shí)，利用自適應(yīng)遺傳算法，遺傳過程內(nèi)各代中不同個(gè)體均依照其適應(yīng)度高低自主確定有所差異的交叉概率與變異概率自適應(yīng)規(guī)則[11]，使群體內(nèi)不同個(gè)體具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，適應(yīng)環(huán)境波動(dòng)。

1.2.1 ?問題編碼

依照遺傳算法，各染色體均能描述一個(gè)[n]位（bit）二進(jìn)制編碼符號(hào)串，代表一個(gè)優(yōu)化指標(biāo)，染色體內(nèi)每一位同一個(gè)指標(biāo)狀態(tài)相對應(yīng)：1和0分別表示該指標(biāo)已優(yōu)化和該指標(biāo)未優(yōu)化。由此，以利用自適應(yīng)遺傳算法求解最優(yōu)染色體編碼問題替代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由問題[12]。

1.2.2 ?確定適應(yīng)度函數(shù)

根據(jù)式（8）設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由的目標(biāo)函數(shù)最小化問題變換成最大化問題[13]：

[F=γ-Z=γ-αi=1mαiεi+βj=1nhjhmaxsj] （8）

式中：[F]為適應(yīng)度函數(shù);[γ]為大于1的常數(shù);[α]與[β]為權(quán)重;[Z]為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù);[εi]為不安全性;[hmax]為不同優(yōu)化目標(biāo)費(fèi)用中的最大值;優(yōu)化目標(biāo)[sj]需要費(fèi)用[hj]。

1.2.3 ?確定遺傳算子

選取優(yōu)異個(gè)體確定方法，用[N]和[Pe]分別表示種群規(guī)模和優(yōu)異個(gè)體確定比例。判斷當(dāng)前代內(nèi)全部個(gè)體的適應(yīng)度值，依照該值高度排列個(gè)體，確定排列靠前的[N×Pe]個(gè)個(gè)體，以這些個(gè)體作為下一代內(nèi)的個(gè)體。在當(dāng)前代剩余個(gè)體內(nèi)通過賭輪選擇方式確定一對個(gè)體作為下一代個(gè)體[14]，不同個(gè)體的選擇概率同其適應(yīng)度值成比例。循環(huán)個(gè)體確定過程至下一代個(gè)體數(shù)量為[N]時(shí)結(jié)束。

用[Pc]表示交叉概率，將賭輪選擇方式確定的各對個(gè)體依照[Pc]實(shí)施交叉，以個(gè)體符號(hào)串中點(diǎn)為交叉位。用[Pc0]和[Pc1]分別表示優(yōu)先等級較低個(gè)體的交叉概率和優(yōu)先等級較高個(gè)體的交叉概率，且[Pc0>Pc1]，那么自適應(yīng)交叉概率[Pc]為：

[Pc=Pc0，f≤favePc1Pc0Pc1fmax-ffmax-fave，f>fave] （9）

式中：[f]，[fave]和[fmax]分別表示兩個(gè)實(shí)施交叉的個(gè)體內(nèi)適應(yīng)度較低的一個(gè)、群體的平均適應(yīng)度和群體內(nèi)適應(yīng)度最高值。

各對個(gè)體交叉操作后需實(shí)施基本位概率變異，用[Pm]表示變異概率，根據(jù)[Pm]在個(gè)體1～[n]位的范圍中任意生成若干變異位實(shí)施變異。[Pm0]和[Pm1]分別表示優(yōu)先等級較低和優(yōu)先等級較高個(gè)體的變異概率，那么自適應(yīng)變異概率[Pm]為：

[Pm=Pm0， ? ? ?f≤favePm1Pm0Pm1fmax-ffmax-fave， ? ? f>fave] ? （10）

式中[f]表示實(shí)施變異個(gè)體的適應(yīng)度。根據(jù)式（10）可知，在群體內(nèi)個(gè)體基本一致條件下，個(gè)體的適應(yīng)度同群體平均適應(yīng)度相似度越高，各個(gè)體的變異概率較高，能夠較快確定新個(gè)體，確保群體多樣性的同時(shí)避免早熟現(xiàn)象發(fā)生[15]。以初代為起始，循環(huán)上述過程獲取新的子代至獲取數(shù)個(gè)連續(xù)穩(wěn)定的子代為止，這些子代的內(nèi)適應(yīng)度值最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)度不存在明顯變化。

2 ?仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 ?實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證本文提出的基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由優(yōu)化方法的性能，采用Transit?Stub模型實(shí)施仿真。Transit類與Stub類共同促成該模型的AS域，其中，Transit節(jié)點(diǎn)相互連接形成節(jié)點(diǎn)群，數(shù)個(gè)Transit節(jié)點(diǎn)群可構(gòu)建拓?fù)鋱D，Transit節(jié)點(diǎn)周圍分布Stub節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)彼此相連。實(shí)驗(yàn)證明Transit?Stub模型可最大限度地描述實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。

選取仿真對象為河北省祥龍貨運(yùn)有限公司計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等級為最高，不同時(shí)刻各鏈路均存在一定初始負(fù)載。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 ?結(jié)果與分析

采用本文方法與基于WSP的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由優(yōu)化方法和基于BSP的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由優(yōu)化方法對仿真對象實(shí)施安全路由優(yōu)化，結(jié)果如圖3～圖5所示。

由圖3可知，通常情況下，本文方法確定路徑的平均時(shí)延低于其他兩種對比方法，平均時(shí)延為135 ms左右，說明本文方法在確定安全路由時(shí)，以時(shí)延較小的鏈路為目標(biāo)。少數(shù)情況下，本文方法確定路徑的平均時(shí)延稍高于BSP方法，主要是受安全約束影響。

分析圖4可得：當(dāng)?shù)竭_(dá)流帶寬持續(xù)上升時(shí)，三種方法確定的路徑最大帶寬利用率也隨之持續(xù)上升，其中，本文方法確定的路徑最大帶寬利用率平均在0.5%左右，顯著低于其他兩種方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法確定的路徑與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的需求匹配度更高，更能保障計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通暢。

分析圖5可得：在第一等級流到達(dá)的條件下，本文方法確定的路徑所占用公共緩沖池帶寬比例低于另外兩種方法，這說明在服務(wù)質(zhì)量等級較高時(shí)，本文方法通過降低低優(yōu)先級別公共緩沖池的帶寬占用比例，來保障計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用的公平性，可防止“類間效應(yīng)”與均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載現(xiàn)象的發(fā)生。

分析表1得到，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全參數(shù)出現(xiàn)數(shù)次變化的條件下，本文方法確定的路徑三類安全度量數(shù)值均顯著低于其他兩種方法確定的路徑，這說明本文方法確定的路徑中安全性能更好。

綜合圖3～圖5和表1的結(jié)論可知，本文方法與其他兩種方法相比，更能保障計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通暢與資源使用的公平性，且確定的路徑滿足三類安全性能要求，由此可知，本文方法具有較好的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由優(yōu)化性能。

3 ?結(jié) ?語

在網(wǎng)絡(luò)路由領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由是一個(gè)值得研究的課題，在服務(wù)質(zhì)量框架中引入安全度量是一個(gè)新的研究思路。當(dāng)前現(xiàn)有的安全度量多著重一個(gè)目標(biāo)或一種策略，路由安全性能無法保障。本文提出基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由優(yōu)化方法，在服務(wù)質(zhì)量框架中引入三類安全度量，同一般服務(wù)質(zhì)量參數(shù)共同構(gòu)建多目標(biāo)安全路由模型，利用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)求解。由于本文方法可顯著提升計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源利用率，保障網(wǎng)絡(luò)通暢，滿足三類安全性能要求，因此具有較高的實(shí)際應(yīng)用意義。

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