分布式WSN系统中的拜占庭故障算法研究

在分布式WSN系统中,簇内有相当多的无线传感器节点,这些节点可能会部署在各种环境中,采用从单个传感器上所获取信息可靠性不高。为了提高系统的可靠性,需要对多个传感器节点采集数据进行综合,这样就可以有效地提高所获得数据的精度和可信度。研究了在系统节点发生拜占庭故障的情况下,利用现有WSN的数据融合方法以及安全系统中的拜占庭将军问题,提出了一种新的基于OM算法与贝叶斯检测算法的容错检测算法,合理而有效的进行数据融合,减小拜占庭故障对系统的影响,从而使所有节点做出一致决定。通过仿真得出该算法可以保证节点决策具有较高一致性的情况下仍有较高的故障节点减少率。

基于拜占庭故障模式的空天飞行器GNC系统架构研究

针对空天飞行器对GNC系统的高可靠性需求,开展了基于拜占庭故障模式的GNC系统架构研究,采用四机三总线架构设计方案,通过系统内总线实现输入数据及输出数据多机冗余比对,防止拜占庭故障的发生,提升了系统可靠性,实现了系统自检测和故障的准确定位及隔离,并具有在线故障诊断、故障自修复功能,同时解决了高动态、强干扰环境下系统自主性较差的问题,提升了GNC系统可靠性和容错性;经分析,该系统架构能够满足空天飞行器在轨、再入复杂任务需求。

FlexRay时钟同步拜占庭故障容错算法研究

为了解决FlexRay分布式实时系统中时钟同步可能出现拜占庭故障,从而导致系统时钟崩溃的问题,提出一种有效的解决算法FlexRayBFT(FlexRay Byzantine-Fault-Tolerant)。该算法在传统拜占庭容错算法基础上引入消息认证码技术,对报文进行加密处理,相比指数型算法,其性能提高了3个数量级。FlexRayBFT执行分为准备阶段与回复执行阶段,分析不同阶段的消息具体通信过程,同时证明了算法的一致性与正确性。通过使用Truetime工具箱搭建FlexRay线控转向分布式实时系统,对系统使用FlexRayBFT算法前后分别进行仿真实验验证。结果表明,FlexRayBFT算法可以有效克服FlexRay分布式实时系统中时钟同步的拜占庭故障,保障时钟同步的稳定性。

Nova-BFT:一种支持多种故障模型的副本状态机协议

云计算在简化用户访问资源方式的同时导致了支撑系统开发部署的复杂,软件错误、部署管理失误导致的拜占庭故障已经成为影响系统可靠性的重要原因.对于在大部分运行周期都满足良性故障模型的系统,拜占庭容错协议在通信复杂度、安全等方面的开销以及其在攻击场景下性能鲁棒性方面的缺陷都限制了其在实际系统中的使用.如何满足实际系统对多种故障模型的需求,已经成为系统设计的一个重要问题.针对这一现状,设计了Nova-BFT,一种有效支持多种故障模型的副本状态机协议,通过牺牲部分峰值吞吐率的方式满足拜占庭容错协议对性能鲁棒性的要求,采用配置参数方式自适应满足良性故障的性能需求.实验表明,Nova-BFT在拜占庭故障模型下吞吐率为4～5kop/s,同时其对良性故障模型的支持可以有效满足大多数实际应用的需求.

时间触发以太网拜占庭容错方法的形式化验证

对于时间触发以太网的拜占庭容错方法,已有的推理性论证表明网络的分布式时钟同步机制有利于容错过程中实现交互一致性。为对该容错方法的正确性进行严格验证,进一步采用模型检查的形式化分析手段,通过符号分析实验室(SAL)形式化工具,构建了网络节点模型,建立了时间触发体系结构下的拜占庭容错场景,设定了容错操作活性、一致性和有效性等属性的形式化定理。模型检查的结果表明:在三冗余独立路径条件下,该方法可以容忍一个拜占庭故障,且在存在指令/监视对(COM/MON pair)的条件下可以容忍2个高完整性配置节点的"不一致遗漏"故障。与推理论证手段相比,SAL模型检查为时间触发交换式网络在航空航天高安全关键等级系统中的容错配置提供了更规范的依据。

基于灰色预测容错时钟同步算法

针对分布式实时系统中无主式时钟同步存在时钟拜占庭故障和节点通信链路丢失故障的问题,文中提出一种基于灰色预测容错时钟同步算法。该算法基于广播式通信网络LL模型,使用GM(1,1)的灰色预测方法对前轮次的校正偏差值进行分析,从而预测出该节点在故障伦次中的校正偏差值,再通过计算得到修正值。实验结果表明,文中提出的灰色预测算法能够容忍拜占庭故障,同时可克服节点通信链路丢失故障带来的问题,提升了FTA算法的普适性。通过数据对比分析结果表明,该算法的时钟同步精密度相比于原始算法提高了24.3%;相较于其他算法,文中算法在复杂度上也有一定的优势。

RTEthernet中改进的FTA时钟同步算法研究

针对以太网存在节点时钟漂移、网络链路延迟、同步能力差等问题,文中基于RTEthernet协议的通信原理,构建了时钟同步系统的模型。文中研究了RTEthernet的组成、工作原理,考虑了影响实时以太网时钟同步精密度的三大因素:漂移率、网络传输延迟和时钟拜占庭故障,并基于此分析了原始的FTA时钟同步算法,发现它在拜占庭故障增多的情况下容错性能明显降低,进而引入“容错中值”的思想进行改进并提出了RTE-FTM算法。通过CANoe仿真平台,对系统(7个节点)中存在2个拜占庭故障与不存在拜占庭故障进行对比分析。结果表明系统的精密度损失率降低了3.1%,并由此验证了该算法的收敛性和有效性。

纠删码分片验证技术研究

纠删码分片验证技术在拜占庭环境中非常重要。分析了现有的纠删码分片验证技术。基于同态指纹技术提出了一种新的验证方法。分析结果表明，新的方法具有更好的效率。

处理器Lockstep技术研究

文章介绍了处理器Lockstep技术的概念和包含的内容,分析了该技术对计算机系统的故障检测、隔离、以及余度管理的影响,最后对三种Lockstep实现方式的差异进行了分析和研究。

时间触发分布式实时系统容错时钟同步算法设计

分布式实时系统应用越来越广。为解决时间触发分布式实时系统的时钟同步问题,首先提出一种基于LL模型的确定性容错算法——容错最值算法,该同步算法不局限于某一种具体的总线通信结构,理论上可适用于所有满足LL模型假设的系统;然后对提出的算法容错性和有效性进行理论证明,求出其同步精密度的理论值;最后通过CANoe工具搭建符合LL模型的仿真系统,对容错最值算法和基于该模型的FTM算法进行对比仿真实验。实验结果表明,容错最值时钟同步算法可以克服时钟拜占庭故障,具有容错性,保证了系统在拜占庭故障情况下仍能维持理论精密度下的同步。

基于RTEthernet改进的时钟同步算法

以太网其庞大的网络系统在复杂的环境中存在网络链路延迟,节点时钟的漂移,同步能力差等问题;通过研究RTEthernet协议的起源和工作原理,考虑到影响实时以太网时间同步精密度的时钟拜占庭故障、网络传输延迟和漂移率等3个因素,建立了符合RTEthernet协议的通信模型;对FTA时钟同步算法在故障下时钟同步精密度损失率提升较少的问题进行了研究,引入了滑动窗口技术,提出了容错滑动窗口(FTSW,fault tolerant sliding window)算法;容错滑动窗口算法能进一步提高分布式系统在进行时钟同步是对故障节点的容错能力;最后,使用CANoe仿真工具对FTSW算法进行仿真验证,FTSW算法的容错性优于FTA时钟同步算法算法,且在系统(7个节点)中存在两个拜占庭故障的情况下,同步后的精密度损失率降低了7.1%。

支持完整性检测的安全日志

随着大数据处理系统日趋复杂,软件错误、软件兼容性、管理失误甚至恶意入侵等导致的拜占庭故障对系统可用性影响日趋严重。拜占庭故障节点可能采用含糊行为欺骗正确节点,因此检测节点是否存在含糊行为是兼顾安全性和效率的一种有效手段。该文提出了一种支持完整性检测的安全日志Log-Keeper,通过创建完整性证据支持存在性和一致性检测,证明状态的完整性。为了支持分布式环境下的频繁检测,基于IndexTree实现了Log-Keeper,支持O（lbn）规模证据。测试表明,Log-Keeper创建的证据规模是AASL（authenticated append-only skip list）的25%~50%。