國(guó)家自然科學(xué)基金面上青年基金項(xiàng)目進(jìn)展報(bào)告項(xiàng)目的主要任務(wù)1.免疫計(jì)算的分層計(jì)算與負(fù)載平衡基于正常模型，人工免疫系統(tǒng)的3層是指固有免疫計(jì)算層、適應(yīng)性免疫計(jì)算層和并行免疫計(jì)算層。對(duì)一種基于文件的人工免疫系統(tǒng)建立正常模型，用其正常組件文件的時(shí)空屬性唯一確定該人工免疫系統(tǒng)的正常狀態(tài)。正常模型為人工免疫系統(tǒng)的可信建模奠定基礎(chǔ)，可提高人工免疫系統(tǒng)的性能。人工免疫系統(tǒng)的正常模型圖1

基于文件人工免疫系統(tǒng)的正常模型文件的空間屬性是其絕對(duì)路徑名，文件的時(shí)間屬性是其最后修改時(shí)間。人工免疫系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)(圖2)在圖2中，第1層是固有免疫計(jì)算層，用來(lái)檢測(cè)所有的自體和異體，并識(shí)別所有已知的異體；第2層是適應(yīng)性免疫計(jì)算層，用BP網(wǎng)絡(luò)、RBF網(wǎng)絡(luò)等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)未知的異體進(jìn)行識(shí)別、學(xué)習(xí)和記憶，然后消除所有被人工免疫系統(tǒng)看作威脅的異體；第3層是并行免疫計(jì)算層，這一層為人工免疫系統(tǒng)提供了改善效率的輔助工具，是受自然免疫系統(tǒng)中用作生物基礎(chǔ)組織的并行免疫細(xì)胞和分子啟發(fā)而來(lái)的。

自體數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為正常模型的數(shù)據(jù)集，該自體數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)在人工免疫系統(tǒng)中100%檢測(cè)自體和異體。所有已知異體的特征存儲(chǔ)在異體數(shù)據(jù)庫(kù)中，該異體數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)識(shí)別所有已知的異體和大多數(shù)未知的異體。對(duì)于未知的異體，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)它們。與該未知異體最相似的已知異體將用作學(xué)習(xí)的樣本，以選擇該未知異體的最佳類(lèi)似物。人工免疫系統(tǒng)中所有受損的文件在被識(shí)別為異體并要被刪除時(shí)，將記錄在臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)該臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和所述自體數(shù)據(jù)庫(kù)，受損的人工免疫系統(tǒng)能最大可能地自動(dòng)被修復(fù)。

并行免疫計(jì)算層的節(jié)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)主機(jī)，其中表示節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，并行節(jié)點(diǎn)為人工免疫系統(tǒng)提供了高性能的計(jì)算基礎(chǔ)組織。有關(guān)人工免疫系統(tǒng)正常模型的定理定理1

文件的時(shí)空屬性二元組唯一確定了該文件的狀態(tài)

。定理2

人工免疫系統(tǒng)

中所有文件都處于正常狀態(tài)時(shí)，其各個(gè)文件的時(shí)空屬性二元組

唯一確定了該系統(tǒng)的正常狀態(tài)

。定理3

基于人工免疫系統(tǒng)的正常模型，對(duì)其自體的檢測(cè)率從理論上可以達(dá)到100%，對(duì)其異體的檢測(cè)率從理論上也可以達(dá)到100%。定理4基于人工免疫系統(tǒng)的正常模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同等誤差條件下對(duì)異體的識(shí)別率將比不采用正常模型更高。人工免疫系統(tǒng)的并行免疫計(jì)算層為固有免疫計(jì)算層和適應(yīng)性免疫計(jì)算層提供高性能的計(jì)算基礎(chǔ)組織，解決有限計(jì)算和負(fù)載平衡的問(wèn)題。一臺(tái)主機(jī)的計(jì)算能力和資源總是有限的，高負(fù)荷的計(jì)算是不可靠的、易摧毀的并且高風(fēng)險(xiǎn)的。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人等系統(tǒng)的免疫信息處理量超過(guò)單個(gè)處理器的負(fù)載能力時(shí)，便調(diào)用并行免疫計(jì)算層，并行免疫計(jì)算層還能用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多備份和系統(tǒng)恢復(fù)。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人等系統(tǒng)的每個(gè)功能模塊，其相應(yīng)的免疫子系統(tǒng)監(jiān)視和保護(hù)這個(gè)模塊，來(lái)維護(hù)每個(gè)功能模塊的局部免疫和移動(dòng)機(jī)器人的整體免疫。免疫計(jì)算模塊建立在移動(dòng)機(jī)器人等系統(tǒng)的功能模塊上，成為一系列相對(duì)獨(dú)立的免疫計(jì)算體。移動(dòng)機(jī)器人的并行免疫計(jì)算(圖3)并行免疫計(jì)算的復(fù)雜度定理定理5

假設(shè)并行計(jì)算機(jī)有d個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有2個(gè)處理器，那么，并行計(jì)算機(jī)解決導(dǎo)航問(wèn)題的時(shí)間復(fù)雜度與單機(jī)解決此問(wèn)題的時(shí)間復(fù)雜度之間的關(guān)系如下：

。定理6

假設(shè)并行計(jì)算機(jī)有d個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有2個(gè)處理器，那么，并行計(jì)算機(jī)解決抗病毒問(wèn)題的時(shí)間復(fù)雜度與單機(jī)解決此問(wèn)題的時(shí)間復(fù)雜度之間的關(guān)系如下：。定理7

假設(shè)移動(dòng)機(jī)器人的軟件系統(tǒng)由n個(gè)文件和m個(gè)文件夾組成，異體數(shù)據(jù)庫(kù)nonselfdb中共有K個(gè)已知異體，發(fā)生故障的機(jī)器人軟件系統(tǒng)中有k1個(gè)異體文件，其中k3個(gè)異體文件是該系統(tǒng)中正常文件的異常狀態(tài)。假設(shè)并行計(jì)算機(jī)有d個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有2個(gè)處理器，那么，并行計(jì)算機(jī)解決抗病毒問(wèn)題的時(shí)間復(fù)雜度與單機(jī)解決此問(wèn)題的時(shí)間復(fù)雜度之間的關(guān)系如下：。2.免疫計(jì)算的算法設(shè)計(jì)基于正常模型和3層免疫計(jì)算模型，人工免疫系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)包括人工免疫系統(tǒng)的正常模型構(gòu)建算法設(shè)計(jì)、基于正常模型的自體/異體檢測(cè)算法設(shè)計(jì)、基于異體數(shù)據(jù)庫(kù)的異體識(shí)別算法設(shè)計(jì)、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的未知異體識(shí)別算法設(shè)計(jì)、基于臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的異體消除算法設(shè)計(jì)、基于正常模型的系統(tǒng)恢復(fù)算法設(shè)計(jì)和基于Java多線程技術(shù)的并行免疫計(jì)算算法設(shè)計(jì)。2.1人工免疫系統(tǒng)的正常模型構(gòu)建算法第1步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行備份，提供該備份系統(tǒng)的根目錄路徑；第2步讀取系統(tǒng)的根目錄，從其根目錄中查找文件；第3步如果當(dāng)前目錄中至少存在一個(gè)未讀取的文件或子文件夾，那么依次讀取當(dāng)前選定文件或子文件夾的絕對(duì)路徑名和最后修改時(shí)間，否則進(jìn)入第9步；第4步建立到自體數(shù)據(jù)庫(kù)的JDBC連接，對(duì)自體數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行初始化；第5步將該文件或子文件夾的絕對(duì)路徑名和最后修改時(shí)間添加到該自體數(shù)據(jù)庫(kù)中；第6步關(guān)閉自體數(shù)據(jù)庫(kù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)連接；第7步如果剛處理的是子文件夾，那么遞歸構(gòu)建該文件夾所對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)的正常模型；第8步重復(fù)第3步；第9步如果已處理的文件有個(gè)，且已處理的文件夾有個(gè)，就結(jié)束算法。圖4用自體數(shù)據(jù)庫(kù)selfdb存儲(chǔ)的正常模型數(shù)據(jù)2.2

基于正常模型的自體/異體檢測(cè)算法第1步讀取系統(tǒng)的根目錄，從其根目錄中查找文件；第2步如果在當(dāng)前目錄中至少存在一個(gè)未讀取的文件或文件夾，那么依次讀取當(dāng)前選定文件或文件夾的絕對(duì)路徑名和最后修改時(shí)間，否則進(jìn)入第9步；第3步建立到自體數(shù)據(jù)庫(kù)的JDBC連接；第4步用該文件或文件夾的絕對(duì)路徑名和最后修改時(shí)間查詢(xún)自體數(shù)據(jù)庫(kù)；第5步如果存在相匹配的記錄，那么該文件或文件夾標(biāo)識(shí)為自體，否則標(biāo)識(shí)為異體，并把其中的異體文件交由異體識(shí)別算法進(jìn)行識(shí)別；第6步關(guān)閉自體數(shù)據(jù)庫(kù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)連接；第7步如果剛檢測(cè)的是子文件夾，那么遞歸檢測(cè)該文件夾所對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)中的各個(gè)文件；第8步重復(fù)第2步；第9步如果已處理的文件有個(gè)，且已處理的文件夾有個(gè)，就結(jié)束算法。圖5正常網(wǎng)頁(yè)系統(tǒng)的自體檢測(cè)2.3基于異體數(shù)據(jù)庫(kù)的異體識(shí)別算法第1步依次選定被檢測(cè)的異體文件，讀取其文件擴(kuò)展名；第2步建立到異體數(shù)據(jù)庫(kù)的JDBC連接；第3步用該文件的擴(kuò)展名查詢(xún)異體數(shù)據(jù)庫(kù)；第4步如果在異體數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在與該異體文件的擴(kuò)展名相匹配的記錄，那么該異體文件是未知的異體，需要用未知異體識(shí)別算法對(duì)它識(shí)別，否則從異體數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取與之匹配的記錄，包括特征串、文件復(fù)制行為、對(duì)注冊(cè)表的行為和對(duì)郵件的調(diào)用等字段數(shù)據(jù)；第5步關(guān)閉異體數(shù)據(jù)庫(kù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)連接；第6步讀取該文件的數(shù)據(jù)，尋找與異體數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄相匹配的特征串、文件復(fù)制行為、對(duì)注冊(cè)表的行為和對(duì)郵件的調(diào)用等信息，如果找到一致的特征匹配，那么該異體文件被識(shí)別為已知異體，在異體數(shù)據(jù)庫(kù)中已有其記錄，否則需要用未知異體識(shí)別算法對(duì)它識(shí)別；第7步關(guān)閉文件讀取器，結(jié)束算法。圖6已知異體識(shí)別算法的測(cè)試結(jié)果2.4基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的未知異體識(shí)別算法第1步，依次選定已知異體識(shí)別算法所不能識(shí)別的未知異體文件，讀取其第個(gè)特征；第2步建立到異體數(shù)據(jù)庫(kù)的JDBC連接；第3步查詢(xún)異體數(shù)據(jù)庫(kù)中所有已知異體的第個(gè)特征，計(jì)算查到的特征與未知異體的特征之間的相似度，選擇其中最大的相似度及其對(duì)應(yīng)的特征編碼；第4步根據(jù)最大相似度及其對(duì)應(yīng)的特征編碼，計(jì)算未知異體的第個(gè)特征所對(duì)應(yīng)的不確定編碼；第5步關(guān)閉異體數(shù)據(jù)庫(kù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)連接，結(jié)束算法。圖7BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練結(jié)果圖8BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)未知異體的識(shí)別結(jié)果2.5基于臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的異體消除算法第1步如果存在未消除的異體文件，就依次讀取選定異體文件或文件夾的絕對(duì)路徑名，否則進(jìn)入第8步；第2步如果該異體是文件，就建立到自體數(shù)據(jù)庫(kù)的JDBC連接，否則進(jìn)入第7步；第3步用該異體文件的絕對(duì)路徑名查詢(xún)?cè)撟泽w數(shù)據(jù)庫(kù)；第4步如果找到與之匹配的記錄，就推斷該異體文件是原來(lái)的正常文件受異體感染而產(chǎn)生的，然后根據(jù)其絕對(duì)路徑名、系統(tǒng)的根目錄路徑和其備份系統(tǒng)的根目錄路徑生成該異體文件的備份文件路徑，并將該異體文件的絕對(duì)路徑名和備份文件路徑存入臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)usefulfile中；第5步如果該異體文件處于打開(kāi)狀態(tài)，就關(guān)閉該異體文件，然后刪除該異體文件；第6步關(guān)閉自體數(shù)據(jù)庫(kù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)連接；第7步如果該異體是子文件夾，并且該子文件夾非空，那么遞歸消除該文件夾中的異體文件；否則刪除該異體文件夾；第8步重復(fù)第1步；第9步如果已處理的異體有個(gè)，并且臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)usefulfile中有個(gè)記錄，就結(jié)束算法。圖9異體消除算法的測(cè)試結(jié)果圖10在臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中添加了受異體感染的正常文件信息2.6基于正常模型的系統(tǒng)恢復(fù)算法第1步建立到自體數(shù)據(jù)庫(kù)的JDBC連接，并查詢(xún)?cè)撟泽w數(shù)據(jù)庫(kù)；第2步如果在自體數(shù)據(jù)庫(kù)中存在未讀取的記錄，依次讀取當(dāng)前選定記錄的空間屬性，否則進(jìn)入第5步；第3步如果該空間屬性所對(duì)應(yīng)的文件不存在，就計(jì)算該文件的備份文件路徑，并用其備份文件恢復(fù)；第4步重復(fù)第2步；第5步關(guān)閉到自體數(shù)據(jù)庫(kù)的JDBC連接，并建立到臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的JDBC連接；第6步如果在臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中存在記錄，依次讀取當(dāng)前選定的記錄，否則進(jìn)入第9步；第7步根據(jù)該記錄的絕對(duì)路徑名和備份文件路徑，將相應(yīng)的備份文件拷貝到該絕對(duì)路徑名所指定的位置；第8步重復(fù)第6步；第9步關(guān)閉臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)連接，結(jié)束算法。圖11系統(tǒng)恢復(fù)算法的測(cè)試結(jié)果3.免疫計(jì)算的測(cè)不準(zhǔn)特征在自然免疫系統(tǒng)中，抗體、免疫細(xì)胞和抗原都是納米量度的微觀世界事物，現(xiàn)有的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量抗體識(shí)別未知異體的位置和時(shí)間，這和量子物理的盧森堡測(cè)不準(zhǔn)原理類(lèi)似，表現(xiàn)為微觀世界的測(cè)不準(zhǔn)特征。這種生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的測(cè)不準(zhǔn)特征也影響到了人工免疫系統(tǒng)領(lǐng)域，因?yàn)槿斯っ庖呦到y(tǒng)是根據(jù)生物醫(yī)學(xué)的免疫學(xué)說(shuō)靈感啟發(fā)而設(shè)計(jì)的。在基于正常模型的人工免疫系統(tǒng)中，對(duì)未知異體的特征識(shí)別不可能是完全準(zhǔn)確的，測(cè)量誤差和未知異體的復(fù)雜性是直接原因。因此，對(duì)未知異體的識(shí)別屬于非精確推理，這里采用相似度推理，尋找和未知異體最相似的已知異體。這種推理建立在概率和可信度的基礎(chǔ)上。所述未知異體的特征提取是和對(duì)已知異體的識(shí)別同步進(jìn)行的，在讀取并通過(guò)異體數(shù)據(jù)庫(kù)匹配待識(shí)別異體的特征時(shí)，計(jì)算該異體的特征信息與異體數(shù)據(jù)庫(kù)中最相似的已知異體特征之間的相似度。該相似度是一種概率值，用來(lái)表示對(duì)待識(shí)別異體計(jì)算特征值的可信度。例如，蠕蟲(chóng)病毒特征字符串的相似度是指在異體數(shù)據(jù)庫(kù)中和該特征串最相似的特征串與該特征串匹配的長(zhǎng)度，除以最相似特征串的長(zhǎng)度的比率，待識(shí)別蠕蟲(chóng)病毒的特征字符串為“happybirthday”，在異體數(shù)據(jù)庫(kù)中和該特征串最相似的是已知蠕蟲(chóng)病毒“歡樂(lè)時(shí)光”病毒的特征串“happytime”，這兩個(gè)特征串匹配的長(zhǎng)度為6，歡樂(lè)時(shí)光”病毒的特征串長(zhǎng)度為10，這樣其相似度為。因此，相似度必定為大于或等于0、小于或等于1的小數(shù)，是一種概率，表示未知異體特征提取的不確定性。未知異體的特征編碼就是由在異體數(shù)據(jù)庫(kù)中與之最相似的特征所對(duì)應(yīng)的編碼值和這兩個(gè)特征之間的相似度決定的。4.分布式人工免疫系統(tǒng)的魯棒性分析自然免疫系統(tǒng)是天然的并行、分布式生物信息處理系統(tǒng)，人工免疫系統(tǒng)也具有分布式信息處理的特征。因此，根據(jù)已提出的多真體魯棒性歸約模型，可以用分布式系統(tǒng)的魯棒性分析方法分析人工免疫系統(tǒng)的魯棒性。問(wèn)題歸約法是一種把問(wèn)題由繁化簡(jiǎn)、由多元轉(zhuǎn)化為一元的有效分析方法，用問(wèn)題歸約法分析人工免疫系統(tǒng)的魯棒性，就能建立人工免疫系統(tǒng)的魯棒性歸約模型，并分析實(shí)際人工免疫系統(tǒng)的魯棒相關(guān)性。4.1人工免疫系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)人工免疫系統(tǒng)主要包括幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算模塊：正常模型生成模塊、自體/異體檢測(cè)模塊、已知異體識(shí)別模塊、未知異體學(xué)習(xí)模塊、異體消除模塊和系統(tǒng)修復(fù)模塊。在理想情況下各個(gè)計(jì)算模塊完全獨(dú)立，該人工免疫系統(tǒng)是一種對(duì)等型的分布式