張 超, 張鳳鳴, 王 瑛, 吳虎勝
(1.空軍工程大學(xué)裝備管理與安全工程學(xué)院,陜西西安710051;2.武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院,陜西西安710086)
基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)視角的航空通信網(wǎng)絡(luò)魯棒性分析
張 超1, 張鳳鳴1, 王 瑛1, 吳虎勝2
(1.空軍工程大學(xué)裝備管理與安全工程學(xué)院,陜西西安710051;2.武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院,陜西西安710086)
針對軍事航空通信網(wǎng)絡(luò)會遭敵攻擊的實際情況,引入了一種不完全信息條件下的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)攻擊模型,分析了該模型在航空通信網(wǎng)絡(luò)上的級聯(lián)失效原理,并給出了航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性度量方法。最后,通過設(shè)置不同的不完全信息攻擊模型參數(shù)和級聯(lián)失效參數(shù),對航空通信網(wǎng)絡(luò)魯棒性進行了仿真分析,驗證了所提方法的可行性和有效性。
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò);航空通信網(wǎng)絡(luò);魯棒性;不完全信息;級聯(lián)失效
航空電子系統(tǒng)作為空中作戰(zhàn)平臺火控、顯控、制導(dǎo)、導(dǎo)航、通信、電子對抗等先進電子裝備的集成平臺,是現(xiàn)代空中作戰(zhàn)平臺的“中樞神經(jīng)”,在很大程度上決定著平臺的作戰(zhàn)效能。隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展,空中作戰(zhàn)平臺之間的軍事航空通信網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱航空通信網(wǎng)絡(luò))也得到了長足進步,性能不斷提升。在未來分布式網(wǎng)絡(luò)化的空中戰(zhàn)場中,航空通信網(wǎng)絡(luò)將廣域分散的空中作戰(zhàn)平臺連成了一個整體[1],為空中作戰(zhàn)平臺實施協(xié)同作戰(zhàn)奠定了基礎(chǔ)。
航空通信網(wǎng)絡(luò)在敵我對抗中可能遭受外部攻擊,其內(nèi)部系統(tǒng)也可能出現(xiàn)故障,航空通信網(wǎng)絡(luò)能否在人為破壞、隨機性破壞和部件失效時保障空中作戰(zhàn)平臺之間的信息交互和協(xié)同作戰(zhàn),即航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性問題,成為軍事領(lǐng)域研究的熱點。航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性是決定整個空中作戰(zhàn)體系協(xié)作威力發(fā)揮的重要因素之一,具有十分重大的研究意義。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)作為觀察系統(tǒng)復(fù)雜性的全新視角和有力工具,已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)通信、作戰(zhàn)指揮、后裝保障等軍事領(lǐng)域[23],而魯棒性正是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題之一。許多學(xué)者從不同角度研究了軍事領(lǐng)域復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的魯棒性,如文獻[4]對保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和要素進行了分析,提出了提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性和抗毀性的方法;文獻[5]探討了多層結(jié)構(gòu)的艦艇編隊作戰(zhàn)系統(tǒng)的魯棒性;文獻[6]考察了隨機攻擊和蓄意攻擊對指揮控制系統(tǒng)魯棒性的影響。此外,還有一些對一般復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)魯棒性和級聯(lián)失效的研究[7-14],其中,文獻[7]比較了隨機攻擊和蓄意攻擊對不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響,該研究表明對于隨機攻擊,無標度網(wǎng)絡(luò)的抗毀性比隨機網(wǎng)絡(luò)強,而對于蓄意攻擊,無標度網(wǎng)絡(luò)則十分脆弱。
本文將空中作戰(zhàn)平臺抽象成節(jié)點、將平臺之間的信息交互關(guān)系抽象成邊,運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型,對航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性進行研究??紤]“戰(zhàn)爭迷霧”對敵方攻擊策略的影響,引入一種不完全信息條件下的攻擊策略,并考慮級聯(lián)失效對航空通信網(wǎng)絡(luò)魯棒性的影響,設(shè)計航空通信網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效模型,最后給出航空通信網(wǎng)絡(luò)魯棒性的度量方法。
節(jié)點vi表示空中作戰(zhàn)體系內(nèi)的各種作戰(zhàn)實體,作戰(zhàn)實體可以描述為各種空中作戰(zhàn)平臺,集合V={v1,v2,…,vN}為所有作戰(zhàn)實體的集合,其數(shù)量為N=|V|。
邊ej表示作戰(zhàn)實體之間的通信連接關(guān)系,若兩個作戰(zhàn)實體存在通信鏈路,則認為這兩個節(jié)點有邊相連,否則無邊。由于航空通信網(wǎng)絡(luò)中任意兩個作戰(zhàn)實體之間的通信具有雙向性,因此本文所建立的航空通信網(wǎng)絡(luò)模型為無向網(wǎng)絡(luò),并且任意兩個作戰(zhàn)實體之間最多存在一條邊相連。集合E={e1,e2,…,eM}為航空通信網(wǎng)絡(luò)中所有連接關(guān)系的集合,其數(shù)量為M=|E|。
點權(quán)值pvi表示航空通信網(wǎng)絡(luò)中單個作戰(zhàn)實體的通信工作屬性,如:作戰(zhàn)實體的通信容量。點權(quán)集為Pv={pv1,pv2,…,pvN}。
邊權(quán)值pej表示航空通信網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)實體間通信鏈路的屬性,如:通信時延、通信帶寬、通信量等。邊權(quán)集為Pe={pe1,pe2,…,peM}。
在本文研究中,用作戰(zhàn)實體的通信容量表征點權(quán)值pvi,用作戰(zhàn)實體之間的通信時延表征邊權(quán)值pej。
航空通信網(wǎng)絡(luò)面臨的攻擊模式一般可以分為隨機攻擊和蓄意攻擊(選擇性攻擊)兩種樣式。對于攻擊者來說,隨機攻擊和蓄意攻擊實質(zhì)上是兩種極端的攻擊模式:隨機攻擊是指攻擊者對航空通信網(wǎng)絡(luò)“一無所知”,是一種“零信息攻擊模式”,只能采取隨機方式攻擊整個航空通信網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)實體;而蓄意攻擊是指攻擊者掌握了完整的航空通信網(wǎng)絡(luò)信息,依據(jù)重要度準則,按優(yōu)先等級依次選擇重要的作戰(zhàn)實體進行攻擊,是一種“完全信息的攻擊模式”。然而,處于實際對抗中的航空通信網(wǎng)絡(luò),絕大多數(shù)情況下面臨的既不是“零信息攻擊”,也不是“完全信息攻擊”,而是“不完全信息”攻擊,即攻擊者只能夠獲取通信網(wǎng)絡(luò)的部分信息。因此,本文從航空通信網(wǎng)絡(luò)的實際出發(fā),構(gòu)造了一種不完全信息條件下的攻擊策略。
在不完全信息條件下,其攻擊策略主要取決于兩個要素:一是攻擊者所獲得的敵方網(wǎng)絡(luò)的已知區(qū)域Ω;二是明確節(jié)點的攻擊方式,即攻擊模式。
2.1 計算已知區(qū)域
本文將確定已知區(qū)域Ω的過程轉(zhuǎn)化成一個不等概率的抽樣問題[15]。不等概率抽樣的關(guān)鍵是確定每個節(jié)點的入樣概率,其與該節(jié)點的某一輔助變量(即航空通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的某些自身屬性)的大小成正比。確定已知區(qū)域的計算步驟如下。
2.1.1 參數(shù)計算
(1)Ω的廣度參數(shù)α∈[0,1],表征在整個航空通信網(wǎng)絡(luò)中,已知區(qū)域內(nèi)節(jié)點數(shù)量占所有節(jié)點數(shù)量的比例,α值越大表示已知區(qū)域越大。當(dāng)α=0時,E=?,表示攻擊者對航空通信網(wǎng)絡(luò)的信息一無所知,對應(yīng)隨機攻擊模式;當(dāng)α=1時,表示攻擊者獲得了整個航空通信網(wǎng)絡(luò)的全部信息,對應(yīng)蓄意攻擊模式。
(2)Ω的精度參數(shù)δ∈[0,∞),反映已知區(qū)域總體隨機抽樣到重點節(jié)點的精度。抽樣的總體對應(yīng)航空通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的集合V,樣本容量為αN對應(yīng)已知區(qū)域Ω的大小。
2.1.2 節(jié)點入樣概率
本文中航空通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點越重要,入樣概率越大。而節(jié)點的重要度與攻擊者攻擊航空通信網(wǎng)絡(luò)的目的有關(guān),通常設(shè)定節(jié)點價值越高越重要,節(jié)點層次越高越重要,節(jié)點交換信息程度越高越重要。因此,本文不是根據(jù)航空通信網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)屬性直接計算每個節(jié)點的入樣概率,而是給出了一個基于節(jié)點重要性排序的入樣概率計算方法。具體計算方法如下。
首先根據(jù)節(jié)點重要度由高到低的順序?qū)?jié)點進行排序,li代表節(jié)點vi的次序,li∈{1,2,…,N}。然后,構(gòu)造節(jié)點vi的輔助變量ωi=l。則入樣概率可定義為
顯然,當(dāng)δ越大,節(jié)點重要度排名靠后的節(jié)點的輔助變量ωi=的值越小,該節(jié)點的入樣概率相比于排名靠前的節(jié)點的入樣概率所占份額就越小,因此,節(jié)點重要度越大的節(jié)點入樣概率越大。
綜上,假設(shè)Ωij表示設(shè)定的第i種廣度和精度參數(shù)條件下,通過第j次抽樣得到攻擊者的已知區(qū)域,則生成一個攻擊者的已知區(qū)域Ωij的過程如下:
步驟1 設(shè)定攻擊者已知區(qū)域的廣度和精度參數(shù)αi和δi;
步驟2 根據(jù)節(jié)點的重要度判定準則,對節(jié)點進行排序,得到節(jié)點的次序li;
步驟3 計算每個節(jié)點的入樣概率Pi;
步驟4 根據(jù)節(jié)點的入樣概率,從V中抽取m=[αN]個系統(tǒng)單元。
通過設(shè)定f組廣度和精度參數(shù),每組參數(shù)在仿真實驗時進行g(shù)次抽樣,可以得到f·g組作為攻擊者的已知區(qū)域
其中,θi=θi(αi,li)={Ωi1,Ωi2,…,Ωig}。
2.2 確定攻擊模式
本文采用的航空通信網(wǎng)絡(luò)的蓄意攻擊模式為:先攻擊已知區(qū)域中的節(jié)點,對于該區(qū)域的節(jié)點,按照航空通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點重要度從大到小依次打擊;待已知區(qū)域所有節(jié)點都遭受攻擊后,再攻擊未知區(qū)域內(nèi)的節(jié)點,對于該區(qū)域的節(jié)點,采用隨機攻擊模式。節(jié)點遭受攻擊時,分別移除該節(jié)點,以及與該節(jié)點相連接的所有邊。
3.1 航空通信網(wǎng)絡(luò)失效模型
當(dāng)航空通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生級聯(lián)失效時,其過程包括3個階段:
(1)穩(wěn)定工作階段。航空通信網(wǎng)絡(luò)的所有作戰(zhàn)實體的通信負載都在其工作負載范圍內(nèi)正常運行。
(2)負載傳播階段。當(dāng)航空通信網(wǎng)絡(luò)中的某個作戰(zhàn)實體遭到外部攻擊時,通往該實體的信息必須重新選擇通信路徑,這種信息分流將給新通信路徑上的作戰(zhàn)實體的通信能力造成壓力。一旦某作戰(zhàn)實體的信息總量超出其信息處理能力時,該節(jié)點的工作效率會迅速下降,并可能造成節(jié)點失效,使得新失效節(jié)點的通信負載需要分配到其他節(jié)點。
(3)失效終結(jié)階段。在以下兩種情況下,航空通信網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)失效將結(jié)束:一是作戰(zhàn)實體相繼失效,并造成整體通信網(wǎng)絡(luò)遭到嚴重破壞,失去工作能力;二是作戰(zhàn)實體失效造成的影響范圍有限,航空通信網(wǎng)絡(luò)達到一種自組織平衡狀態(tài)。
基于上述分析,針對信息流動的結(jié)構(gòu)特征,定義航空通信網(wǎng)絡(luò)中,作戰(zhàn)實體的通信負載為在單位時間內(nèi)通過該節(jié)點的信息總量,其值設(shè)定為節(jié)點的介數(shù)[16],并定義作戰(zhàn)實體的通信容量與其初始通信負載成正比,即
式中,Ci為節(jié)點vi的負載容量;β為容忍系數(shù),β≥0;Li(0)為節(jié)點vi的初始負載,設(shè)定為節(jié)點vi在初始網(wǎng)絡(luò)中的介數(shù)。本文用節(jié)點負載容量表征節(jié)點權(quán)值pvi,則pvi=Ci。
航空通信網(wǎng)絡(luò)中一個作戰(zhàn)實體遭敵攻擊并發(fā)生失效,會導(dǎo)致經(jīng)過該節(jié)點的通信負載的重分配。假設(shè)當(dāng)前失效重分配次數(shù)為T,節(jié)點vs為未失效節(jié)點,則vs新的負載更新為
式中,ΔLs為節(jié)點vs的本輪負載增量,它受自身負載能力和與失效節(jié)點間的距離兩個因素影響。
定義距離dij表示航空通信網(wǎng)絡(luò)G中任意兩個作戰(zhàn)實體vi和vj之間的最短路徑上所有邊權(quán)值之和,這里的邊權(quán)值主要是指航空通信網(wǎng)絡(luò)中兩個作戰(zhàn)實體之間的通信時延。如果vi到vj不可達,則dij→∞。
距離dij表示節(jié)點vi和節(jié)點vj之間進行正常通信的難易情況,dij值越大,節(jié)點間通信時延越長,通信難度越大。
則ΔLs可定義為
式中,ΦT為失效重分配次數(shù)T時的失效節(jié)點集合;ΓT為失效重分配次數(shù)T時的未失效節(jié)點集合。
在負載重分配后,需要判斷調(diào)整負載的節(jié)點vs是否失效。若Ls(T+1)≤Cs,則節(jié)點vs此輪不失效;若Ls(T+1)>Cs,則節(jié)點vs此輪失效,并觸發(fā)負載重分配。如果所有節(jié)點的負載不超過其通信容量,則級聯(lián)失效結(jié)束。
3.2 魯棒性度量方法
為衡量級聯(lián)失效對整個網(wǎng)絡(luò)G的破壞力,本文借鑒文獻[17]的方法,用網(wǎng)絡(luò)效率度量航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。
定義網(wǎng)絡(luò)效率E(G)為所有通信鏈路通信時延的平均值,用來表示網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點對之間的平均接近程度[17],即
式中,N為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目;dij為節(jié)點i與節(jié)點j之間的距離。
對航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性進行分析,本文構(gòu)造節(jié)點規(guī)模為100、邊數(shù)取值范圍為[300,400]的無權(quán)無向網(wǎng)絡(luò),運用Matlab對本文模型進行仿真(整個網(wǎng)絡(luò)沒有孤立節(jié)點)。在設(shè)置攻擊模式時只考慮航空通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的移除。
仿真實驗1 廣度參數(shù)α對航空通信網(wǎng)絡(luò)魯棒性的影響
本文首先對在不同攻擊信息廣度參數(shù)α條件下航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性進行仿真,設(shè)定精度參數(shù)δ=1,節(jié)點容忍系數(shù)β=0.4,仿真結(jié)果如圖1所示,圖中橫坐標為移除節(jié)點占所有節(jié)點的比例,縱坐標為網(wǎng)絡(luò)效率。
圖1 不同廣度參數(shù)下網(wǎng)絡(luò)效率隨節(jié)點移除比例變化圖
從圖1中可以看出,隨著移除節(jié)點數(shù)量的增加,航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性呈現(xiàn)下降趨勢,其下降速度隨廣度參數(shù)α的增大而增大。也就是說,在隨機攻擊下,航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性下降速度最慢;而在蓄意攻擊下,航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性下降速度最快。
仿真實驗2 精度參數(shù)δ對航空通信網(wǎng)絡(luò)魯棒性的影響
本文對在不同攻擊信息精度參數(shù)δ條件下航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性進行仿真,設(shè)定廣度參數(shù)α=0.5,節(jié)點容忍系數(shù)β=0.4,仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2 不同精度參數(shù)下網(wǎng)絡(luò)效率隨節(jié)點移除比例變化圖
從圖2中可以看出,隨著δ值的增加,航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性在下降。綜合圖1和圖2可知,δ值的改變使得網(wǎng)絡(luò)效率E(G)下降更快,因此,攻擊信息精度δ比攻擊信息廣度α對網(wǎng)絡(luò)魯棒性影響更大。進而可知,隱藏部分重要節(jié)點信息將大幅度提高復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的魯棒性,獲取少量重要節(jié)點的信息可以大幅度降低復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。因此,相對于對所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供代價較高的同等全覆蓋保護,對重要節(jié)點提供重點保護的成本和實際效果要更好。
仿真實驗3 容忍系數(shù)β對航空通信網(wǎng)絡(luò)魯棒性的影響
該仿真實驗主要考察容忍系數(shù)(即節(jié)點容量)對節(jié)點負載、級聯(lián)失效和網(wǎng)絡(luò)魯棒性的影響。設(shè)定攻擊信息參數(shù)組合(α=0.5,δ=1),仿真結(jié)果如圖3和圖4所示,圖中橫坐標為時間步,縱坐標分別為移除節(jié)點占所有節(jié)點的比例和網(wǎng)絡(luò)效率。
圖3 不同容忍系數(shù)下節(jié)點移除比例隨時間步變化圖
從圖3和圖4中可以看出,當(dāng)β值較小時,節(jié)點級聯(lián)失效嚴重。而隨著β的增大,網(wǎng)絡(luò)整體上應(yīng)對級聯(lián)失效的魯棒性得到增強,其原因是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的容量越高,網(wǎng)絡(luò)容納局部失效的潛能越強,從而應(yīng)對級聯(lián)失效的能力越強。但當(dāng)β較大時(如圖4中β=2時),繼續(xù)增大β值,并不能明顯增強網(wǎng)絡(luò)魯棒性;而當(dāng)β值很大時(如圖4中β=10時),網(wǎng)絡(luò)效率E(G)也會隨著節(jié)點遭受攻擊而逐漸下降,并產(chǎn)生級聯(lián)失效。因此,追求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的高容量并不一定能使網(wǎng)絡(luò)避免級聯(lián)失效。
圖4 不同容忍系數(shù)下網(wǎng)絡(luò)效率隨時間步變化圖
本文對航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性問題進行了研究,針對航空通信網(wǎng)絡(luò)會遭敵攻擊的實際情況,引入了一種不完全信息條件下的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)攻擊模型,給出了不完全信息條件下的攻擊模型的具體步驟和參數(shù)設(shè)置。在航空通信網(wǎng)絡(luò)中,由于某個節(jié)點失效可能會影響到其他正常節(jié)點,設(shè)計了一種航空通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點級聯(lián)失效模型,并給出了航空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性度量方法。最后,通過仿真實驗,分析了不完全信息條件下的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)攻擊模型和級聯(lián)失效模型中的各個參數(shù)對航空通信網(wǎng)絡(luò)魯棒性的影響,結(jié)果表明,對重要節(jié)點提供重點保護的實際效果要明顯好于對所有節(jié)點同等全覆蓋保護,但是一味增強重要節(jié)點的負載能力,并不一定能使網(wǎng)絡(luò)避免級聯(lián)失效。本文的研究成果為軍事系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)魯棒性度量和分析提供了一種新的研究思路。
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Method to analyse the robustness of aviation communication network based on complex networks
ZHANG Chao1,ZHANG Feng-ming1,WANG Ying1,WU Hu-sheng2
(1.Equipment Management and Safety Engineering College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China;2.Materiel Engineering College,Armed Police Force Engineering University,Xi’an 710086,China)
In order to deal with the problem that the actual military aviation communication network suffers the enemy attack,an attack model for complex network with incomplete information is proposed.The cascading failure principle is analyzed,and the method for robustness measure is proposed.At last,the simulation analysis result of the aeronautical communication network’s robustness is provided,which is under different parameter conditions of the incomplete information attck model and the cascading failure model.The result shows that the proposed method is feasible and valid.
complex network;aeronautical communication network;robustness;incomplete information;cascading failure
N 949
A
10.3969/j.issn.1001-506X.2015.01.29
張 超(1986-),男,博士研究生,主要研究方向為信息系統(tǒng)工程與智能決策、復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
E-mail:armstrong1027@163.com
張鳳鳴(1963-),男,教授,博士研究生導(dǎo)師,博士,主要研究方向為信息系統(tǒng)工程與智能決策、復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
E-mail:25728042@qq.com
王 瑛(1967-),女,教授,博士研究生導(dǎo)師,博士,主要研究方向為信息系統(tǒng)工程與智能決策、復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
E-mail:15029007368@163.com
吳虎勝(1986-),男,博士研究生,主要研究方向為進化計算、智能數(shù)據(jù)挖掘、信息系統(tǒng)工程與智能決策。
E-mail:wuhusheng0421@163.com
1001-506X(2015)01-0180-05
網(wǎng)址:www.sys-ele.com
2014- 04- 08;
2014- 06- 17;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2014- 07- 29。
網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址:http://w ww.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20140729.1116.002.html
國家自然科學(xué)基金(71171199)資助課題