一种DOS攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法

一种dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法
技术领域
1.本发明属于自动化技术与现代控制领域，涉及一种t-s模糊正多智能体系统的建模以及在dos攻击下基于pid控制协议的智慧通信网络系统的一致性问题。


背景技术：

2.互联网所具有的开放性、交互性和分布式特性，使得人们对信息的共享、开放、灵活、快速的要求得以实现。互联网为信息共享、交流与服务创造了一个理想的空间，互联网技术的快速发展与广泛应用为人类的发展带来了强大的推动力量。网络上的日常交流已成了人们生活、工作不可或缺的一部分。然而，由于网络中数据传输的频次和数目越来越多，数据通信安全问题的危害性越发严重，一旦通信网络出现安全事故，不只是成千上万人之间的沟通出现障碍，更会带来社会价值和经济价值的无法预料的损失。所以，通信网络的安全性具有十分重要的意义。只有对其安全性和可靠性进行全面的保证，才能让通信网络的价值最大限度地发挥出来，进而推动我国的经济和社会的发展。
3.通信网络安全问题现如今已成为自动控制领域中的重要问题，智慧通信网络系统是一种控制技术，对未来减少网络受到攻击，降低安全事故的发生，提升通信网络的抗干扰能力，具有显著的效果。通信网络安全指的是通过硬件、软件、操作系统和其他防护性手段展开的保护通信数据不受侵害的相关措施。通信网络安全问题主要指的就是通信网络数据安全，一般情况下出现网络安全问题通常是指通信网络系统受到外界的攻击(如dos攻击)，对通信数据进行泄露、偷窃、更改和删除，或是影响数据通信的连续性从而造成的传输中断、数据丢包等情况。多智能体的一致性就是多智能体系统中的各个智能体的状态通过一个合适的控制律最终达到一致，本发明使用具有比例-积分-微分控制规律的控制器称为pid控制器。pid控制器(比例-积分-微分控制器)就是通过设定比例单元p、积分单元i、微分单元d，对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。pid控制器中的p部分可以减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度，i部分可以提高系统稳态性能，d部分可以改善系统的动态性能，pid控制器目前已用于正多智能体系统的研究当中。在通信网络系统中，将每个通信子网传输的数据包当作智能体，形成通信拓扑进行信息的交互。如图1所示的以五个通信子网为例的智慧通信网络系统，通信子网之间的连线代表这两个通信子网之间传输数据包，可以相互通信，没有连线代表这两个子网之间没有通信信息交互。
4.在通信网络系统中，通信子网传输的数据包的数量总是非负的，通信网络安全控制主要是通过调节通信子网的结构，使得自身与周围的通信子网之间保持相对稳定的传输结构，按需改变传输数据包的速率，提高抗干扰能力，保证正常通信。现在的通信网络系统多数是采用无线通信技术，利用lte、5g等移动通信技术，以及wifi等局域网来实现通信。在遇到外界干扰或恶意攻击时，通信网络系统的安全性难以得到保障。因此，如何借助智慧网络通信系统，即使在外界dos攻击下，能够正常通信，显得尤为重要。本发明采用正系统构建通信网络系统，利用具有非负特点的系统建模，模型更为精确。在智慧通信网络系统中，同
一时段在不同子网受到的dos攻击频率不一样，子网呈现出来的结构变化不同，传输数据包的速度有区别，在建模时，呈现明显的非线性特征。原则上，可以用非线性正系统描述数据包流量变化的非线性过程。但非线性系统不容易处理，即便设计出非线性通性网络系统的控制方法，也难以实现。本发明借助ts模糊模型将非线性系统近似建模为具有线性特征的系统，处理起来更为方便，设计的相关控制方法更易实现。智慧通信网络系统由多个子网和大量数据包构成，将子网传输的数据包视为多智能体建立正多智能体系统模型更为恰当。利用pid控制器可以提高系统的稳态性能和动态性能，以控制子网结构和传输数据包的速度。最终，基于传输数据包流量信息，构造模糊智能控制协议，达到所有子网能够正常传输数据包，保持一致性运行，提高抗dos攻击的能力。
5.基于以上分析，本发明采用正ts模糊多智能体系统对通信网络数据包运行过程建立数学模型，提出一种基于分布式pid控制器的一致性方法。这个一致性控制方法可以提高智慧通信通信系统的稳态性能和动态性能，保证系统状态达到一致性以及通信顺利完成。


技术实现要素：

6.本发明针对智慧通信网络系统数据包运行过程，建立了正ts模糊多智能体系统模型，并提出了一种基于分布式pid控制器的一致性方法。具体技术方案如下：
7.一种dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法，如下步骤：
8.步骤1、建立智能通信网络数据传输过程数据包数量的状态空间模型；
9.步骤2、建立智能通信网络系统的分布式pid控制协议；
10.步骤3、设计分布式pid控制协议的比例；
11.步骤4、设计dos攻击次数n(k0,k)；
12.步骤5、根据有dos攻击和没有dos攻击两种情形，分别设计通信网络系统的分布式pid控制协议和pid增益矩阵；
13.步骤6、构建智能通信网络系统平稳运行的条件；
14.步骤7、构建智能通信网络系统的正性验证过程；
15.步骤8、构建智能通信网络系统的一致性验证过程。
16.进一步的，步骤1具体方法是：分析通信网络数据传输动态过程并采集模型数据，建立系统状态空间模型,形式如下：
[0017][0018][0019]
其中，xi(k)∈rn为智能通信网络数据传输的数据包，n代表智能通信网络中子网络的数量；yi(k)∈rq表示数据终端测量到接受的数据包个数，q表示测量输出传感器个数；
[0020]
表示k时刻对第i个子网接下来运行状态的控制输入，p表示测量输入传感器个数；hr(θ(k))表示通信系统中网络的使用情况，a∈rn×n，b∈rn×
p
，c∈rq×n是系统矩阵，rn，rq，r
p
，rn×n，rn×
p
，rq×n，分别表示n维向量、q维向量、p维向量、n
×
n维、n
×
p维、q
×
n维矩阵。
[0021]
进一步的，步骤2中分布式pid控制协议的构建形式如下：
[0022][0023]
其中，和均是要设计的pid控制协议的增益矩阵；是一个与智能体间的通信拓扑相关的矩阵，若第i个智能体与第j个智能体可以通信，则否则，其维数与多智能体系统中智能体的个数相关。
[0024]
进一步的，步骤3中ei(k)和δyi(k)分别是分布式pid控制协议的积分和微分部分，其中积分部分ei(k)＝yi(k-1)+(1-α)ei(k-1)，微分部分δyi(k)＝yi(k)-yi(k-1)，α是调优参数且α＞0。
[0025]
进一步的，步骤4、n(k0,k)满足以下条件：
[0026][0027]
进一步的，步骤5包括如下步骤：
[0028]
步骤5.1当通信网络系统中没有dos攻击时,即k∈θ(k0,k)：
[0029]
pid增益矩阵:
[0030][0031][0032][0033][0034]
分布式pid控制协议:
[0035][0036]
步骤5.2当通信网络系统中有dos攻击时,即k∈γ(k0,k)：
[0037]
pid增益矩阵:
[0038][0039][0040][0041][0042]
分布式pid控制协议:
[0043][0044]
进一步的，步骤6中智能通信网络系统平稳运行的条件的构建方法如下：
[0045]
设计常数λ＞1，0＜α≤1,μ2＞1,向量和向量向量
[0046]
使得
[0047][0048][0049][0050][0051][0052][0053][0054][0055][0056][0057][0058][0059][0060]
其中1-[d]
ii
＝∑
i≠j
[d]
ij
，那么，在步骤2中的分布式pid控制协议下，所述的智能通信网络系统实现了正性和一致性，增益矩阵为
[0061][0062][0063]
其中1
p
表示所有元素均为1的p维列向量，表示第l个元素为1其余元素为0的p维列向量，并且dos攻击持续时间满足：
[0064][0065]
进一步的，步骤7、智能通信网络系统的正性验证过程的构建形式如下：
[0066]
步骤7.1根据步骤1中建立的智能通信网络的状态空间模型、步骤2中构建的pid控
制协议，步骤3中构造的pid控制协议的积分部分，和步骤5中根据有无dos攻击分为两种情况，可以得到
[0067]
当没有dos攻击时k∈θ(k0,k),
[0068][0069][0070]
当有dos攻击时k∈γ(k0,k),
[0071][0072]
其中，im和iq分别是m
×
m维和q
×
q维的单位矩阵，是一个克罗内克积运算符，且
[0073][0074][0075]
步骤7.2定义结合步骤6和步骤7.1可以得到当无dos攻击时
[0076][0077]
其中，
[0078][0079][0080][0081][0082][0083]
当有dos攻击时
[0084][0085]
其中，
[0086]
[0087][0088][0089][0090][0091]
令矩阵和的对角线矩阵和非对角线矩阵分别为：
[0092][0093][0094][0095][0096]
步骤7.3、根据步骤6中前五个条件，设计增益矩阵和和
[0097]
得到：
[0098][0099][0100]
因此两种情况下的智能通信网络系统是正的。
[0101]
进一步的，步骤8中智能通信网络系统的一致性验证过程如下：
[0102]
步骤8.1根据有无dos攻击，选择线性余正lyapunov函数
[0103]
当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
)时,
[0104][0105]
当k∈[k
2f-1
,k
2f
),
[0106][0107]
其中，
[0108][0109][0110][0111]
步骤8.2构造的差分，当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
)时,
[0112][0113]
当k∈[k
2f-1
,k
2f
)时，
[0114][0115]
步骤8.3结合步骤8.1和步骤8.2得到当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
),
[0116][0117]
其中
[0118][0119]
当k∈[k
2f-1
,k
2f
)时，
[0120][0121]
其中
[0122][0123]
步骤8.4由步骤6中的条件可以得到:当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
),
[0124][0125][0126]
[0127][0128]
进一步得到：
[0129][0130][0131][0132]
当k∈[k
2f-1
,k
2f
)时，
[0133][0134][0135][0136][0137]
进一步得到：
[0138][0139][0140][0141]
8.5根据步骤8.1和步骤8.4的结论，得到两种情况下都满足条件
[0142]
因此，智慧通信网络系统是一致的，即实现了无论是否有dos攻击，智慧通信网络系统中每个子网与周围的子网之间能够正常运行。
[0143]
本发明的有益效果如下：
[0144]
本发明方法首先利用t-s模糊正多智能体系统建立通信网络系统的状态空间模型。借助通信拓扑图以及图论知识实现不同子网传输数据包之间的信息交互。借助所构造的线性余正lyapunov函数和矩阵分解技术设计了一类分布式pid控制协议，并分析了其正性和一致性，实现了通信网络系统中每个子网传输的数据包之间保持相对稳定运动状态。
附图说明
[0145]
图1是本发明应用的通信网络系统过程图；
[0146]
图2是本发明的基于智慧通信网络系统原理图。
具体实施方式
[0147]
本发明的目的是针对智慧通信网络系统中子网传输的数据包一致性控制问题，利用分布式pid控制协议对通信网络系统进行研究，提供了一种基于t-s模糊正多智能体系统建模的智慧通信网络系统的分布式pid控制协议方法。
[0148]
如图2所示，本发明的dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法，包括如下步骤：
[0149]
步骤1、建立智能通信网络数据传输过程数据包数量的状态空间模型，具体方法是：分析通信网络数据传输动态过程并采集模型数据，建立系统状态空间模型,形式如下：
[0150][0151][0152]
其中，xi(k)∈rn为智能通信网络数据传输的数据包，n代表智能通信网络中子网络的数量；yi(k)∈rq表示数据终端测量到接受的数据包个数，q表示测量输出传感器个数；表示k时刻对第i个子网接下来运行状态的控制输入，p表示测量输入传感器个数；hr(θ(k))表示通信系统中网络的使用情况，a∈rn×n，b∈rn×
p
，c∈rq×n是系统矩阵，rn，rq，r
p
，rn×n，rn×
p
，rq×n，分别表示n维向量、q维向量、p维向量、n
×
n维、n
×
p维、q
×
n维矩阵。
[0153]
步骤2、建立智能通信网络系统的分布式pid控制协议，其构建形式如下：
[0154][0155]
其中，和均是要设计的pid控制协议的增益矩阵；是一个与智能体间的通信拓扑相关的矩阵，若第i个智能体与第j个智能体可以通信，则否则，其维数与多智能体系统中智能体的个数相关。
[0156]
步骤3、设计分布式pid控制协议的比例，积分，微分部分，ei(k)和δyi(k)分别是分布式pid控制协议的积分和微分部分，其中积分部分ei(k)＝yi(k-1)+(1-α)ei(k-1)，微分部分δyi(k)＝yi(k)-yi(k-1)，α是一个小的调优参数且α＞0。
[0157]
步骤4、设计dos攻击次数n(k0,k),满足以下条件：
[0158][0159]
步骤5、根据实际情况存在两种情况有dos攻击和没有dos攻击，分别设计通信网络系统的分布式pid控制协议和pid增益矩阵。
[0160]
步骤5.1当通信网络系统中没有dos攻击时,即k∈θ(k0,k)：
[0161]
pid增益矩阵:
[0162][0163][0164][0165]
[0166]
分布式pid控制协议:
[0167][0168]
步骤5.2当通信网络系统中有dos攻击时,即k∈γ(k0,k)：
[0169]
pid增益矩阵:
[0170][0171][0172][0173][0174]
分布式pid控制协议:
[0175][0176]
步骤6、智能通信网络系统平稳运行的条件，其构建方法如下：
[0177]
设计常数λ＞1，0＜α≤1,μ2＞1,向量和向量向量
[0178]
使得
[0179][0180][0181][0182][0183][0184][0185][0186][0187]
[0188][0189][0190][0191][0192]
其中那么，在步骤2中的分布式pid控制协议下，所述的智慧通信网络系统实现了正性和一致性，增益矩阵为
[0193][0194][0195]
其中1
p
表示所有元素均为1的p维列向量，表示第l个元素为1其余元素为0的p维列向量，并且dos攻击持续时间满足：
[0196][0197]
步骤7、智慧通信网络系统的正性验证过程，其构建形式如下：
[0198]
步骤7.1根据步骤1中建立的智能通信网络的状态空间模型、步骤2中构建的pid控制协议，步骤3中构造的pid控制协议的积分部分，和步骤5中根据有无dos攻击分为两种情况，可以得到
[0199]
当没有dos攻击时k∈θ(k0,k),
[0200][0201][0202]
当有dos攻击时k∈γ(k0,k),
[0203][0204]
其中，im和iq分别是m
×
m维和q
×
q维的单位矩阵，是一个克罗内克积运算符，且
[0205][0206][0207]
步骤7.2定义结合步骤6和7.1可以得到当无dos攻击时
[0208][0209]
其中，
[0210][0211][0212][0213][0214][0215]
当有dos攻击时
[0216][0217]
其中，
[0218][0219][0220][0221][0222][0223]
令矩阵和的对角线矩阵和非对角线矩阵分别为：
[0224][0225][0226][0227][0228]
步骤7.3、根据步骤6中前五个条件，设计增益矩阵和和
[0229]
可以得到：
[0230][0231]
[0232]
因此从而，两种情况下的智慧通信网络系统是正的。
[0233]
步骤8、智慧通信网络系统的一致性验证过程如下：
[0234]
步骤8.1根据有无dos攻击，选择线性余正lyapunov函数
[0235]
当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
)时,
[0236][0237]
当k∈[k
2f-1
,k
2f
),
[0238][0239]
其中，
[0240][0241][0242][0243]
步骤8.2构造的差分，
[0244]
当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
)时,
[0245][0246]
当k∈[k
2f-1
,k
2f
)时，
[0247][0248]
步骤8.3结合步骤8.1和8.2，可以得到当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
),
[0249][0250]
其中
[0251]
[0252]
当k∈[k
2f-1
,k
2f
)时，
[0253][0254]
其中
[0255][0256]
步骤8.4由步骤6中的条件可以得到:当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
),
[0257][0258][0259][0260][0261]
进一步得到：
[0262][0263][0264][0265]
当k∈[k
2f-1
,k
2f
)时，
[0266][0267][0268][0269]
[0270]
进一步得到：
[0271][0272][0273][0274]
步骤8.5根据步骤8.1和8.4的结论，得到两种情况下都满足条件δv(x(k))＜0
[0275]
因此，智慧通信网络系统是一致的，即实现了无论是否有dos攻击，智慧通信网络系统中每个子网与周围的子网之间能够正常运行。

技术特征：
1.一种dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法，其特征在于如下步骤：步骤1、建立智能通信网络数据传输过程数据包数量的状态空间模型；步骤2、建立智能通信网络系统的分布式pid控制协议；步骤3、设计分布式pid控制协议的比例；步骤4、设计dos攻击次数n(k0,k)；步骤5、根据有dos攻击和没有dos攻击两种情形，分别设计通信网络系统的分布式pid控制协议和pid增益矩阵；步骤6、构建智能通信网络系统平稳运行的条件；步骤7、构建智能通信网络系统的正性验证过程；步骤8、构建智能通信网络系统的一致性验证过程。2.根据权利要求1所述的dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法，其特征在于：步骤1具体方法是：分析通信网络数据传输动态过程并采集模型数据，建立系统状态空间模型,形式如下：间模型,形式如下：其中，x
i
(k)∈r
n
为智能通信网络数据传输的数据包，n代表智能通信网络中子网络的数量；y
i
(k)∈r
q
表示数据终端测量到接受的数据包个数，q表示测量输出传感器个数；表示k时刻对第i个子网接下来运行状态的控制输入，p表示测量输入传感器个数；h
r
(θ(k))表示通信系统中网络的使用情况，a∈r
n
×
n
，b∈r
n
×
p
，c∈r
q
×
n
是系统矩阵，r
n
，r
q
，r
p
，r
n
×
n
，r
n
×
p
，r
q
×
n
，分别表示n维向量、q维向量、p维向量、n
×
n维、n
×
p维、q
×
n维矩阵。3.根据权利要求2所述的dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法，其特征在于：步骤2中分布式pid控制协议的构建形式如下：其中，和均是要设计的pid控制协议的增益矩阵；是一个与智能体间的通信拓扑相关的矩阵，若第i个智能体与第j个智能体可以通信，则否则，其维数与多智能体系统中智能体的个数相关。4.根据权利要求3所述的dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法，其特征在于：步骤3中e
i
(k)和δy
i
(k)分别是分布式pid控制协议的积分和微分部分，其中积分部分e
i
(k)＝y
i
(k-1)+(1-α)e
i
(k-1)，微分部分δy
i
(k)＝y
i
(k)-y
i
(k-1)，α是调优参数且α＞0。5.根据权利要求4所述的dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法，其特征在于：步骤4、n(k0,k)满足以下条件：6.根据权利要求5所述的dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法，其特征在于：
步骤5包括如下步骤：步骤5.1当通信网络系统中没有dos攻击时,即k∈θ(k0,k)：pid增益矩阵:pid增益矩阵:pid增益矩阵:pid增益矩阵:分布式pid控制协议:步骤5.2当通信网络系统中有dos攻击时,即k∈γ(k0,k)：pid增益矩阵:pid增益矩阵:pid增益矩阵:pid增益矩阵:分布式pid控制协议:7.根据权利要求6所述的dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法，其特征在于：步骤6中智能通信网络系统平稳运行的条件的构建方法如下：设计常数λ＞1，0＜α≤1,μ2＞1,向量和向量向量使得使得使得
其中1-[d]
ii
＝∑
i≠j
[d]
ij
，那么，在步骤2中的分布式pid控制协议下，所述的智能通信网络系统实现了正性和一致性，增益矩阵为网络系统实现了正性和一致性，增益矩阵为其中1
p
表示所有元素均为1的p维列向量，表示第l个元素为1其余元素为0的p维列向量，并且dos攻击持续时间满足：8.根据权利要求7所述的dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法，其特征在于：步骤7、智能通信网络系统的正性验证过程的构建形式如下：步骤7.1根据步骤1中建立的智能通信网络的状态空间模型、步骤2中构建的pid控制协议，步骤3中构造的pid控制协议的积分部分，和步骤5中根据有无dos攻击分为两种情况，可以得到当没有dos攻击时k∈θ(k0,k),
当有dos攻击时k∈γ(k0,k),其中，i
m
和i
q
分别是m
×
m维和q
×
q维的单位矩阵，是一个克罗内克积运算符，且是一个克罗内克积运算符，且步骤7.2定义结合步骤6和步骤7.1可以得到当无dos攻击时其中，其中，其中，其中，其中，当有dos攻击时其中，其中，其中，
令矩阵和的对角线矩阵和非对角线矩阵分别为：的对角线矩阵和非对角线矩阵分别为：的对角线矩阵和非对角线矩阵分别为：的对角线矩阵和非对角线矩阵分别为：步骤7.3、根据步骤6中前五个条件，设计增益矩阵和和得到：得到：因此两种情况下的智能通信网络系统是正的。9.根据权利要求8所述的dos攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法，其特征在于：步骤8中智能通信网络系统的一致性验证过程如下：步骤8.1根据有无dos攻击，选择线性余正lyapunov函数当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
)时,当k∈[k
2f-1
,k
2f
),其中，其中，其中，步骤8.2构造的差分，当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
)时,
当k∈[k
2f-1
,k
2f
)时，步骤8.3结合步骤8.1和步骤8.2得到当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
),其中当k∈[k
2f-1
,k
2f
)时，其中步骤8.4由步骤6中的条件可以得到:当k∈[k
2f-2
,k
2f-1
),),),),进一步得到：
当k∈[k
2f-1
,k
2f
)时，)时，)时，)时，进一步得到：进一步得到：进一步得到：步骤8.5根据步骤8.1和步骤8.4的结论，得到两种情况下都满足条件

技术总结
本发明考虑通信网络系统中系统受到DOS攻击时带来的问题，利用T-S模糊正多智能体系统建立智慧通信网络系统的状态空间模型。借助T-S模糊规则来近似线性系统，利用李雅普诺夫函数和矩阵分解技术，提出了一种基于分布式PID控制器的一致性控制方法，使得智慧通信网络系统无论是否有DOS攻击情况下都可以有效避免了出现故障等问题。该方法在建模时充分考虑了实际通信网络系统中正性和非线性的问题，基于此设计了一种DOS攻击下智能通信网络的模糊控制协议方法。协议方法。协议方法。


技术研发人员：黄梦醒 付仁杰 张俊锋 毋媛媛
受保护的技术使用者：海南大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/8/1