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SIRA计算机病毒模型的修订和分析
时间:2020-11-05 20:15 | 栏目:计算机论文 | 浏览:次
硕士论文网第2020-11-05期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇计算机论文文章《SIRA计算机病毒模型的修订和分析》，供大家在写论文时进行参考。
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本篇论文是一篇计算机硕士论文范文，考虑到病毒的传播与用户意识息息相关，计算机病毒的破坏性越强，人们的防范意识就会随之提高，越会主动采取防御措施保护计算机免遭病毒破坏。基于这种认识，在 SIRA 计算机病毒模型的基础上引入线性用户意识强度的函数，建立了带有用户意识的 SIRA 计算机病毒传播模型。
第一章 绪论
1.1 研究背景
互联网、大数据、云计算等新一代信息技术的飞速发展正改变着人们的生产生活方式，人们对网络的依赖程度越来越高。根据中国互联网络信息中心（CNNIC）的数据可知，截至 2019 年 6 月我国互联网用户数量已达 8.54 亿，较 2018 年底增加了 2598万，互联网普及率达到 61.2%，较 2018 年底提升了 1.6 个百分点。继而互联网市场也越来越庞大，如网络购物用户规模达 6.39 亿，网络视频用户规模达 7.59 亿，在线教育用户规模达 2.32 亿等。简而言之，互联网已经渗透到人们生产生活的各个领域，影响着我们的购物、娱乐、教育等各个方面，满足了人们足不出户可尽知天下的愿望。 与此同时，方便快捷的互联网潜在的安全隐患也是暗潮涌动，如许多黑客会制造计算机病毒攻击企业或个人计算机来获取有用数据，给企业或个人带来巨大的经济损失，甚至还会影响到社会的稳定性。计算机病毒通常是人为在计算机程序中插入的能够自我复制且破坏计算机数据以及性能的程序代码或计算机指令。计算机感染病毒后，轻则影响机器运行速度，重则导致数据丢失、系统崩溃等。我们要“战胜”计算机病毒，首先要深入了解其几大特征：①传染性。计算机病毒可以在短时间内进行大量复制，并通过软盘、U 盘、网络等途径入侵计算机。②可执行性。计算机病毒与其他合法程序一样，是一段可执行的程序，其一旦被激活，就会进行大范围的传播。③破坏性。病毒入侵计算机后不仅会破坏数据信息，还会造成大面积的计算机瘫痪，给计算机用户造成巨大的损失。④隐蔽性。计算机病毒往往以隐含文件或程序代码的方式存在，在普通的病毒查杀中，难以实现及时有效的查杀。⑤潜伏性。病毒通常会潜伏在计算机中并随文件进行传播，潜伏性越好，计算机病毒在系统中存在的时间就越长，该病毒的感染范围就会越大。⑥不可预见性。病毒种类不同，其代码也千差万别、层出不穷，而且病毒制造者的技术也越来越“高超”，现实中反病毒软件的研发也一直落后于病毒技术。由于计算机病毒的这六个重要特征，我们知道对病毒的防御不能仅仅依靠微观层面的反病毒查杀软件，还需从宏观层面加深对计算机病毒行为的研究，以便为计算机病毒的防御提供更多的理论支持。 早期人们把研究计算机病毒的重点放在微观层面上，究其原因是早期计算机病毒的破坏力较弱，且网络技术远不如现在发达，病毒的传播范围有限，仅仅依靠技术人员解剖病毒的程序结构就可以清除计算机病毒从而保障网络系统的安全。但随着互联网技术的快速发展，病毒的制作技术也在不断的提高，数次爆发的计算机病毒已经造成了巨大的经济损失和社会恐慌，也让人们意识到杀毒软件并不是万能的，具有一定的滞后性。因此仅从微观层面研究计算机病毒是远远不够的，具有一定的局限性。 相对于计算机病毒的微观研究，从宏观上研究计算机病毒要滞后很多。直到上世纪 90 年代，人们才依据计算机病毒与生物流行病毒在传播机制上的相似性，在生物病毒传播模型的基础上进行适当修改，建立了计算机病毒传播模型。用数学模型来研究计算机病毒的传播规律，从宏观上加深对计算机病毒的认识来预测病毒的演化趋势，以期其为控制病毒的广泛传播提供理论指导，从而更好的维护我们的网络环境。因此从宏观层面研究计算机病毒是对微观层面研究的重要补充。
1.2 研究意义
凡事有利必有弊，随着互联网技术的不断发展，计算机病毒也随之不断进化，针对性和隐蔽性越来越强的计算机病毒也在逐年增多，其攻击方式也越来越具有多样性和综合性，给社会带来不可控制的网络安全问题。 1986 年初，一对经营电脑公司的巴基斯坦兄弟巴锡特(Basit)和阿姆杰德(Amjad)编写了世界上第一个在个人电脑上广泛流行的“大脑”病毒，又称之为“巴基斯坦”病毒，该病毒是为了防止他人盗用其公司软件而开发的，且只在盗拷软件时才会发作。1988 年，美国康奈尔大学研究生罗伯特·莫里斯（Robert Morris）将一个仅仅只有 99行的程序上传到互联网，这导致美国六千多台计算机被病毒感染，造成的直接经济损失约达 9600 万美元。经过 30 余年的发展，计算机病毒的种类和数量也随之不断增加，如 CIH 病毒、“爱虫”病毒、熊猫烧香病毒等等。下表统计了部分计算机病毒给社会造成的直接经济损失（按病毒出现的时间排序）。计算机病毒具有很强的破坏性，不仅给社会造成巨大的经济损失，还易伤害人们
身心健康，影响社会稳定。在利益的驱使下，病毒的制造者和传播者使病毒的种类和传播途径更加多样化。信息泄露、敲诈勒索病毒等重大网络安全事件多有发生。对于病毒产生和流行的原因，虽然追求经济效益成为其主要原因，但总结起来也包括以下几个方面：①病毒制造者个人的好奇心。其编制出的计算机程序，可以让别人的计算机出现一些动画、声音以及图像等，通常这种程序演变成计算机病毒后的破坏性相对不大。②商业软件公司避免软件被非法复制和使用，在软件上编写了一些特殊程序附在上面，如软件遇到非法使用，则会对盗用者的计算机系统进行干扰和破坏，如巴基斯坦病毒。③病毒制造者的报复心理。如台湾学生陈盈豪编写的破坏力极强的CIH 病毒只是为了报复厂家的杀毒软件性能不够好，却给全球的计算机用户造成了巨大灾难和损失。④政治、经济和军事等特殊目的，制造者编制病毒的主要目的在于攻击敌方系统，给敌方造成灾难或经济损失。如 2010 年爆发的震网病毒，使伊朗核电站五分之一的离心机报废，核电站发电延迟，导致放射性物质的严重泄漏。因此，计算机病毒可能是引发新时代信息战的诱因之一。多次爆发的计算机病毒给全世界带来了巨大的恐慌和损失，我国网民也深受计算机病毒的威胁。图 1-1 显示了从 2001 年到 2018 年我国计算机遭受病毒感染的情况，从图表中可以看出，我国计算机用户遭受网络安全事件的比例还是比较高的。2018 年，我国计算机病毒感染率为 64.59%，比上年上升了 32.85%，更多犯罪分子因利益问题投入到挖矿病毒与勒索病毒领域，病毒持续更新迭代，病毒数量持续增长，感染率不断提升，计算机病毒的危害程度变得越发严重。
第二章 预备知识
动力系统是为了探索事物动态演化规律所产生的一个数学分支，计算机病毒传播动力学亦属于这一范畴，故本文在 SIRA 病毒模型的基础上，结合当下计算机病毒传播的特性，对其传播行为进行动力学分析。为了便于后文阐述，本章介绍动力系统的基本知识和稳定性的基本定理，内容主要取自文献。
2.1 动力系统
世间万物都处于运动发展之中，故事物的静止是相对的、有条件的、暂时的。动力系统是用来描述空间中点随时间变化规则的集合。我们现实生活中的各种现象如钟摆的摆动，植物的生长，河水的流动，病毒的数量等等都可以用相应的规则来描述，这些规则就是我们所说的动力系统，它能很好的描述研究对象要素随时间的变化。科研的核心任务是使用动态相通的方法来揭示事物之间的内在规律和本质联系。动力系统的演化规则可以研究系统未来的发展状态，为人们的活动提供更多的理论依据。
2.2 稳定性理论
众所周知，稳定性问题是研究各种系统所面临的最基本也是最重要的问题之一，指的是动力系统的初始状态在受到细微扰动作用后，其运动轨迹随着时间的增长可否返回或者趋近到原平衡状态的一种性质。 平衡点是动力系统的主要特征，它是系统中所有状态变量对时间的导数都为零的点。通常情况下，动力系统的状态可以表示为向量的形式，每个时刻系统的状态变化为光滑的，所以动力系统的演化规则可以表述为光滑的微分动力学方程。
第三章 带有用户意识的 SIRA 计算机病毒模型
3.1 带有用户意识的 SIRA 模型
3.2 解的非负性
3.3 稳定性分析
3.4 数值仿真
3.5 本章小结
第四章 带有分级免疫率的 SIRA 计算机病毒模型
4.1 带有分级免疫率的 SIRA 模型
4.2 解的非负性
4.3 稳定性分析
4.4 数值仿真
4.5 本章小结
第五章 总结与展望
“互联网+”时代的到来，在极大的提高人们工作效率和改善人们生活质量的同时，也给计算机病毒的传播提供了温床。病毒的危害性越来越大，甚至会危及人的生命。探索计算机病毒传播的内在机理，尽可能减少病毒给人们造成的损失是一项非常重要的课题。本文采用传播动力学建模方法对 SIRA 计算机病毒模型进行修正与分析，主要考虑到用户意识和分层免疫效应对计算机病毒传播的影响，提出了两个修正模型。本文的主要工作和结论如下： （一）考虑到病毒的传播与用户意识息息相关，计算机病毒的破坏性越强，人们的防范意识就会越强。故在 SIRA 病毒模型的基础上引入线性用户意识强度的函数，建立了带用户意识的 SIRA 计算机病毒模型。首先分析了模型解的非负性，系统的两类平衡点与其稳定性，其次通过数值仿真验证理论分析的结果，分析并验证了用户意识及相关参数的变化对已感染计算机的影响，研究结果表明提高用户意识有利于提高系统的稳定性，从而可有效抑制计算机病毒的传播。 （二）考虑到未感染病毒计算机和已感染病毒计算机都可在一定程度上获得免疫，且后者免疫性更强一些。基于这种观点，本文探索了分级免疫效应在 SIRA 病毒模型中的作用，提出了带分级免疫率的 SIRA 计算机病毒传播模型。我们研究了新模型解的非负性，两类平衡点的稳定性，并通过数值仿真验证了理论分析的结果和对原模型和修正后模型进行对比分析，研究结果表明系统在分层免疫效应下会更加稳定。 本文在 SIRA 计算机病毒模型的基础上，从新的角度提出了两个修正模型，取得了一些成果。但是由于本人的时间和精力有限，研究工作中仍存在一些不足，有待进一步改善。未来研究的方向主要有以下两点： （一）本文提出的模型仅考虑了线性用户意识强度函数，但在实际生活中，用户意识强度函数不只是呈现出简单的线性变化。因此，在接下来的研究中要考虑非线性分段用户意识强度函数，使模型更贴近计算机病毒的传播规律。 （二）本文研究的模型假设病毒发生率与已感染病毒计算机成正比。然而当病毒计算机数量增加很多时，仅考虑线性发生率会人为扩大病毒的危害。因此接下来会考虑非线性发生率和饱和发生率对计算机病毒传播的影响。
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