國外軍事網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究新進展

曾憲釗

1．軍事科學(xué)院 北京100091

2010年5月,美國政府的安全專家R.Clarke在《網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)》(Cyber War)一書中將“網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)”定義為:“民族國家通過入侵別國的計算機或網(wǎng)絡(luò),以達到造成損失或破壞的行為”[1].網(wǎng)絡(luò)百科全書Wikipedia的“Cyberwarfare”條目指出,網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)“還包括非國家行為者,例如恐怖組織、企業(yè)、極端組織、黑客和跨國犯罪組織.”

許多專家認為:今后的戰(zhàn)爭將更多是在網(wǎng)絡(luò)域中在多種、多方參戰(zhàn)者之間持續(xù)進行的攻防戰(zhàn)；其間也穿插著在物理域中各種暴力沖突的戰(zhàn)爭.

J.Garstka和D.Alberts在文獻[2]中談及美軍實施網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)時指出,“最重要的不是制造更好的衛(wèi)星、坦克,而是組織上百萬人參加情報搜集、物資供應(yīng)并在全球范圍內(nèi)地理條件和政治制度不同的各個地區(qū)贏得戰(zhàn)爭”,“這可能是美國政府歷史上最復(fù)雜的任務(wù).它可以和第二次世界大戰(zhàn)及對前蘇聯(lián)的冷戰(zhàn)相比,是長期、困難、高費用和高風險的任務(wù)”.文獻[3]指出,這一任務(wù)“豈止是非常復(fù)雜,所需的知識甚至還不存在.這類似當年美國的‘曼哈頓’原子彈工程及‘阿波羅’登月工程,需要長期的、動員全國力量的創(chuàng)新”.

早在1988年,美國國防大學(xué)就成立了信息資源管理學(xué)院[4],并于1995年培養(yǎng)選拔出美軍的第一代網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)骨干人才.該院不斷發(fā)展和完善了網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)教學(xué)的理論、模型、實驗,出版了多種教科書.至今已開設(shè)了大約40門研究生課程.現(xiàn)在該院已經(jīng)建立了3個網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)實驗室:

1)交互式的網(wǎng)絡(luò)攻擊/防御實驗室.

2)交互式的危機管理/監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集實驗室,可模擬對國家基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制系統(tǒng)(例如電力、石油、天然氣、水及交通運輸網(wǎng)絡(luò))的各種攻擊和保護方法.

3)交互式的創(chuàng)新中心,將學(xué)院學(xué)習和“在線”學(xué)習相組合,創(chuàng)建了新型的交互式學(xué)習模式.該中心由于利用虛擬世界實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)教育和學(xué)習技術(shù)而多次獲獎.

該學(xué)院累計培養(yǎng)了超過16000名學(xué)生,其中大約70%是國防部人員,其余來自美國政府機構(gòu)、美國私營企業(yè)和外國留學(xué)人員.

2002年,西點軍校建立了網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)靶場(Cyber Range),為網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)教學(xué)提供仿真環(huán)境.在此,學(xué)生可使用多種網(wǎng)絡(luò)(與外界網(wǎng)絡(luò)隔離),包括目前使用的所有計算機操作系統(tǒng),有多種網(wǎng)絡(luò)的防御設(shè)施,可以模擬針對國家大型基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的攻防對抗并評估效果,還可以研究網(wǎng)絡(luò)武器[5].學(xué)生還參與國家高層的網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)演習.從2010年起,學(xué)生每年參加美國國家安全局(National Security Agency,NSA)的網(wǎng)絡(luò)防御演習[6].

2008年1月,美國布什總統(tǒng)批準了《國家網(wǎng)絡(luò)安全綜合計劃》[7],要求建立國家專門的試驗平臺,為軍隊和國家安全機構(gòu)等政府機構(gòu)服務(wù),對信息安全系統(tǒng)進行驗證,共享研究數(shù)據(jù),提高國家信息安全水平.該計劃直接促成了“國家網(wǎng)絡(luò)靶場”(National Cyber Range)立項,號稱 “網(wǎng)絡(luò)曼哈頓計劃”并由國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）負責實施.

2010年5月,美軍成立網(wǎng)絡(luò)司令部[8].

2012年6月1日,《紐約時報》刊登了D.Sanger的報道,“早在上任頭幾個月,美國總統(tǒng)奧巴馬就密令加緊使用網(wǎng)絡(luò)武器攻擊伊朗核設(shè)施的計算機系統(tǒng)”.“據(jù)知情者披露,該計劃開始于J.W.布什政府,代號為‘奧運會’”[9].美國和以色列為此專門研制了“震網(wǎng)”病毒.2012年8月24日,R.Satter披露:美國海軍陸戰(zhàn)隊中將R.Mills在一次集會上說:美軍“已經(jīng)在阿富汗對敵軍采用了網(wǎng)絡(luò)攻擊的戰(zhàn)術(shù)”.“我們能進入他們的網(wǎng)絡(luò),用病毒感染其指揮控制網(wǎng)絡(luò),防止他們幾乎是隨時可能發(fā)動的襲擊”[10].從2010年至2011年,Mills曾任阿富汗西南部美軍及其盟軍的指揮官.

2014年10月21日,美軍對外公開發(fā)布了《網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)聯(lián)合條令》[11].

2015年4月23日,美國國防部發(fā)布了新版的《網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略》[12],提出“網(wǎng)絡(luò)威懾”及“先發(fā)制人”的網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略.

1 軍事網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究的典型成果

1.1 美國科學(xué)院的論文集《動態(tài)社會網(wǎng)絡(luò)建模與分析》

2001年9月11日發(fā)生在美國的恐怖襲擊事件,促進了利用動態(tài)社會網(wǎng)絡(luò)方法分析恐怖組織網(wǎng)絡(luò).2002年11月,美國科學(xué)院國家研究委員會應(yīng)美國海軍研究辦公室的提議召開了動態(tài)社會網(wǎng)絡(luò)建模和分析學(xué)術(shù)會議.2003年,美國科學(xué)院出版了此次會議的文集《動態(tài)社會網(wǎng)絡(luò)建模與分析:綜述與論文》[13].這次學(xué)術(shù)會議對于促進科技界為反對恐怖主義作貢獻及發(fā)展網(wǎng)絡(luò)社會學(xué)具有重要作用.

1.2 美國科學(xué)院的研究報告《網(wǎng)絡(luò)科學(xué)》

2005年11月1日,美國科學(xué)院出版研究報告《網(wǎng)絡(luò)科學(xué)》[3].主要內(nèi)容是:網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的定義、研究內(nèi)容、應(yīng)用領(lǐng)域,對科研人員就網(wǎng)絡(luò)科學(xué)相關(guān)問題進行問卷調(diào)查,就“如何利用多學(xué)科和領(lǐng)域的交叉來發(fā)展創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的理論、方法和知識,提高陸軍網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)能力”的問題及將來應(yīng)投資的重點項目,向美國政府及軍方提出了建議.

1.3 美國科學(xué)院的研究報告《陸軍網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)與實驗中心的政策》

2007年7月20日,美國科學(xué)院又出版研究報告《陸軍網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)與實驗中心的政策》,討論了網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)與實驗的定義及內(nèi)容,提出了未來陸軍網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)與實驗中心的任務(wù)和組織機構(gòu),建議實施多階段規(guī)劃來建設(shè)世界一流的網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)與實驗中心[14].此后,美國陸軍開始在馬里蘭州的阿伯丁市建立網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究中心.

1.4 學(xué)術(shù)報告《陸軍網(wǎng)絡(luò)科學(xué)》

2009年4月21日,在美國國防工業(yè)協(xié)會主辦的第10屆年度科學(xué)與工程技術(shù)會議/國防科技展覽會上,美國陸軍研究辦公室主任D.Skatrud作了題為《陸軍網(wǎng)絡(luò)科學(xué)》的學(xué)術(shù)報告[15],介紹了近年來陸軍積極響應(yīng)文獻[3]與文獻[14]的計劃項目的進展.他從陸軍的實際情況討論了軍事網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的若干特殊問題.

2 國外研究和應(yīng)用軍事網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的新進展

2.1 有組織、持久的情報、監(jiān)視和偵察項目

2011年9月,美國霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的D.Scheidt在阿富汗試驗了“有組織、持久的情報、監(jiān)視和偵察系統(tǒng)”(Organic Persistent Intelligence,Surveillance and Reconnaissance,OPISR).利用該系統(tǒng),前線指揮所、無人機、無人值守地面?zhèn)鞲衅骷白鲬?zhàn)部隊除了使用傳統(tǒng)的指揮控制/通信網(wǎng)絡(luò),還可使用OPISR云組建的新型指揮控制/通信網(wǎng)絡(luò),顯著減少了收發(fā)情報和通信時間.

Scheidt發(fā)表的介紹OPISR項目的論文《優(yōu)化指揮控制結(jié)構(gòu)》[16],在2011年第16屆國際指揮控制研究與技術(shù)研討會(ICCRTS)上獲最佳論文獎.他于2013年獲得霍普金斯大學(xué)“最佳開發(fā)項目獎”和“杰出特別出版物獎”.他驗證了信息理論是優(yōu)化軍事指揮控制網(wǎng)絡(luò)(Command and Control,C2)的關(guān)鍵之一,還用計算機模擬證明了信息理論參數(shù)決定不同通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的效能[17].

著名網(wǎng)絡(luò)科學(xué)家Barab′asi認為因特網(wǎng)是無標度網(wǎng)絡(luò),可用“超節(jié)點”(Hub)來快速連接鄰節(jié)點,可高效連接大量并行分布式網(wǎng)絡(luò).他認為非集中和分散的網(wǎng)絡(luò)能勝過集中和準集中的網(wǎng)絡(luò)[18].Scheidt在文獻[16]中指出,C2要求通過集中指揮最大限度地提高各單位之間的協(xié)同,要求各分散的單位能“敏捷”地響應(yīng)不斷變化的戰(zhàn)場態(tài)勢.他還指出,Barab′asi的上述論述與美軍在阿富汗作戰(zhàn)的經(jīng)驗不符.具有大型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和超強情報、監(jiān)視及偵察裝備的美軍,并不總是比采用傳統(tǒng)人工通信的敵軍具有信息優(yōu)勢,原因是無法迅速處理和傳遞信息給適當?shù)?、現(xiàn)時尚未執(zhí)行其他繁重作戰(zhàn)任務(wù)的部隊.Barab′asi沒有考慮到因特網(wǎng)與C2需求之間的差異.因特網(wǎng)便于任意用戶之間的信息交流,而C2特別關(guān)注瞬息萬變的作戰(zhàn)態(tài)勢的影響.與民用網(wǎng)絡(luò)相比,C2需要更高效的文傳,其信息的價值對時間的變化更敏感.

2.2 網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)態(tài)勢感知

2006年,美國科學(xué)院國家研究委員會在“網(wǎng)絡(luò)安全和信息保障聯(lián)邦規(guī)劃”中,把網(wǎng)絡(luò)空間態(tài)勢感知(Cyberspace Situation Awareness,CSA)定義為“一種輔助安全分析人員進行決策的能力,通過對IT基礎(chǔ)設(shè)施安全狀況的可視化,區(qū)分關(guān)鍵與非關(guān)鍵部件,掌握攻擊者可能采用的行動,調(diào)整防御策略”[19].

近年來,英國國防科學(xué)技術(shù)實驗室(Defence Science and Technology Laboratory,DSTL)與英國MooD公司聯(lián)合開展了網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知、顯示及預(yù)測的研究項目,可利用因果建模方法來支持軍隊指揮員采取適當主動行動來應(yīng)對敵方網(wǎng)絡(luò)攻擊.在2014年的第19屆國際指揮與控制研究與技術(shù)研討會上,DSTL的技術(shù)主管A.Barnett與MooD的S.Smith發(fā)表了相關(guān)的論文[20]并獲得最佳論文獎.

2.3 動態(tài)社會網(wǎng)絡(luò)分析方法在軍事訓(xùn)練中的應(yīng)用

從2006年以來,Ian McCulloh在西點軍校網(wǎng)絡(luò)科學(xué)中心和美軍中央司令部開展了社會網(wǎng)絡(luò)變化檢測研究[21].2013年,他出版了《社會網(wǎng)絡(luò)分析及應(yīng)用》一書[22].他獲得了美國情報和國家安全聯(lián)盟(Intelligence and National Security Alliance,INSA)2013年第4屆學(xué)術(shù)成就獎[23].

McCulloh利用基于多智能體的模型,構(gòu)建了美國陸軍最基本的單位——步兵連的訓(xùn)練模型,模擬了步兵連100個節(jié)點的人際關(guān)系網(wǎng)絡(luò),該模型可在某個時間點插入人際關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的4種變化:1)指揮機構(gòu)與部屬失去聯(lián)絡(luò)；2)損失一支下屬部隊；3)增加一支下屬部隊；4)增減通信任務(wù).他用社會網(wǎng)絡(luò)社區(qū)發(fā)現(xiàn)(Social Network Community Discovery,SNCD)算法來分析評估這些變化的原因及后果,幫助軍隊上級領(lǐng)導(dǎo)人分析這些變化的深層次原因,預(yù)測未來網(wǎng)絡(luò)變化并發(fā)出預(yù)警.

McCulloh的上述研究成果有利于促進深入研究組織行為學(xué)和社會動力學(xué),推進基于大數(shù)據(jù)和云計算的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計學(xué)(Network Statistics)這一新研究領(lǐng)域的發(fā)展.

2.4 國家基礎(chǔ)設(shè)施和軍事指揮控制網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)故障

國家基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)和軍事指揮控制網(wǎng)絡(luò)大多是相互依存網(wǎng)絡(luò)(Interdependent Networks).例如,電網(wǎng)為水網(wǎng)提供電源,水網(wǎng)為電網(wǎng)提供冷卻水,輸油網(wǎng)為電網(wǎng)發(fā)電機提供燃油,電網(wǎng)為輸油網(wǎng)泵站提供電源.運輸網(wǎng)為電信網(wǎng)、電網(wǎng)和輸油網(wǎng)運輸燃料和物資.許多國家的電網(wǎng)和通信網(wǎng)都曾經(jīng)發(fā)生過大面積的級聯(lián)故障(Cascade of Failures,也稱為連鎖故障).此類網(wǎng)絡(luò)的部分節(jié)點經(jīng)常依賴于其他網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點.當某一個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點出現(xiàn)故障時,常會導(dǎo)致其他網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點損壞,反過來又導(dǎo)致前面的網(wǎng)絡(luò)受到進一步損壞,從而產(chǎn)生級聯(lián)故障及災(zāi)難性后果.

1998年5月,美國總統(tǒng)克林頓簽署了保護關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的PDD-63命令,成立了國家基礎(chǔ)設(shè)施保障局.該命令指出關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施包括:電子商務(wù)信息和通信、銀行與金融、航空運輸、公路運輸、地鐵交通、地下管線、鐵路、供水、司法、公安、消防、政府服務(wù)、公共衛(wèi)生服務(wù)、能源電力、石油和天然氣生產(chǎn)和儲存等,還涉及情報、警察、國內(nèi)安全、中情局國外情報、國家對外事務(wù)及國防部等.

2009年,美國國防威脅降低局(Defense Threat Reduction Agency,DTRA)派員到波士頓大學(xué)物理系,向該局資助項目“入侵單一網(wǎng)絡(luò)”的研究團隊負責人S.Havlin[24]提出了一個新課題:當級聯(lián)故障出現(xiàn)時,多個相互依存網(wǎng)絡(luò)如何迅速恢復(fù).由此,人們自然會聯(lián)想到電腦黑客喬納森·詹姆斯,從1999年8月23日至1999年10月27日,曾多次入侵該局的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和電腦,竊取到三千多員工的用戶名和密碼,及大量敏感的文件[25],該局負責減少對美國及其盟友的核、生物、化學(xué)、常規(guī)和特殊武器的威脅.

2010年,Havlin研究團隊的S.Buldyrev等5人在Nature雜志發(fā)表了一篇論文[26],用簡單的數(shù)學(xué)模型來模擬由滲流引發(fā)兩個相互依存網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)故障,分析了2003年在意大利由于電力網(wǎng)絡(luò)級連故障造成的大停電過程,構(gòu)建了“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”(Network of Networks,NetONets)的理論基礎(chǔ)和框架.曾對單一網(wǎng)絡(luò)的研究做出重大貢獻的著名網(wǎng)絡(luò)科學(xué)家Barab′asi高度評價他們實際上為NetONets問題確立了一個全新框架[27].2011年,該團隊研究生高建喜(Jianxi Gao)等為n個相互依存網(wǎng)絡(luò)NetONets構(gòu)建了一般性框架[28].他們利用此框架提出了n個相互依存網(wǎng)絡(luò)的新滲流規(guī)律,指出了過去50年滲流研究的局限性,它只是n個耦合網(wǎng)絡(luò)滲流一般性規(guī)律的特例.2015年,在維基百科全書條目“Network Science”的35篇參考文獻中,特別引用了Buldyrev[26]和高建喜[28]有關(guān)上述問題的兩篇論文.

1987年,Per Bak、湯超(Chao Tang)和Kurt Wiesenfeld提出了“自組織臨界性”的新理論及第一個具有自組織臨界特性動態(tài)系統(tǒng)的實例,后來被稱作Bak-Tang-Wiesenfeld沙堆模型[29].2012年,C.Brummitt研究了抑制電力網(wǎng)絡(luò)和其他基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)過載[30].他們利用了上述沙堆模型,分析了2003年發(fā)生的北美歷史上大面積的連鎖停電事故.

2014年,G.D’Agostino與 A.Scala編輯出版了專著《網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò):復(fù)雜性的最前沿領(lǐng)域》(Network of Networks:The Last Frontier of Complexity Science),他們在前言中評價Brummitt在NetONets領(lǐng)域中的研究“分析了北美相互連接的電力系統(tǒng),旨在減少該系統(tǒng)的全局脆弱性,是實際應(yīng)用的一個重要步驟”[31].

2.5 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

C.McCabe在文獻[32]中指出,自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)是因為最近對于“狀態(tài)-拓撲結(jié)構(gòu)協(xié)同演化”重要性的認識出現(xiàn)的一個新術(shù)語.許多此類研究均圍繞著一個相同的主題:基于簡單局部規(guī)則的復(fù)雜的動力學(xué)機制,及魯棒的拓撲結(jié)構(gòu)的自組織.這些研究促進了利用網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究和建設(shè)能在故障和蓄意攻擊等情況下自動恢復(fù)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò).

美國國防部的多學(xué)科大學(xué)研究倡議(Multidisciplinary University Research Initiative,MURI),是國防部贊助的基礎(chǔ)科學(xué)研究計劃[33].2013財年MURI項目招標指南提出了23個重點選題[34].其中由陸軍研究辦公室(ARO)分管的選題7“控制復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的集體現(xiàn)象”選題指南指出,“令人鼓舞的是在過去幾年中,自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同演化行為的研究取得了顯著進展”,并向申請人首先推薦了T.Gross于2008年發(fā)表的論文《自適應(yīng)協(xié)同演化網(wǎng)絡(luò)綜述》[35].Gross是德國馬克斯-普朗克研究所(Max-Planck)從事復(fù)雜系統(tǒng)物理學(xué)的生物網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)研究團隊的負責人.上述選題與自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同演化(Coevolutionary)研究密切相關(guān),是軍事網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究重點之一.

2.6 量子網(wǎng)絡(luò)

量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的原理是量子糾纏(Quantum Entanglement),一個粒子可以傳遞有限的信息,而億萬個粒子聯(lián)手,就形成了量子網(wǎng)絡(luò)(Quantum Networks),可在物理上獨立的量子系統(tǒng)之間傳送量子信息.該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以通過量子邏輯門處理信息和進行量子計算,還可以利用量子密鑰分配算法(QKD)實現(xiàn)安全通信.長期以來,美國軍方非常關(guān)注量子科技發(fā)展及其軍事應(yīng)用,主要涉及量子計算機、量子通信網(wǎng)絡(luò)、量子密碼及量子算法等領(lǐng)域.

從2001年起,DARPA開始支持美國BBN科技公司以實現(xiàn)安全保密通信為目標的量子網(wǎng)絡(luò)研究開發(fā),項目名稱為“DARPA量子網(wǎng)絡(luò)”.在2003年底,該項目的首個具有量子密鑰分配功能的網(wǎng)絡(luò)開始在BBN公司的實驗室運行；在2004年,利用地下光纖網(wǎng)增加了在哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)的節(jié)點.在2005年,由美國國家標準技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)設(shè)計和建造的兩個節(jié)點可在自由空間(通過大氣或真空)發(fā)射或接收量子信息并與上述網(wǎng)絡(luò)連接[36?37].

2003年,美國麻省理工學(xué)院的刊物MIT Technology Review評選出將改變世界的10項新技術(shù),就包括“量子密碼技術(shù)”[38].

3 結(jié)束語

我從2006年到2010年,先后編著出版了《網(wǎng)絡(luò)科學(xué)》一、二、三卷.在中國指揮與控制學(xué)會的資助下,第四卷(副標題是“國家基礎(chǔ)設(shè)施和軍事網(wǎng)絡(luò)”)也將近期內(nèi)出版.如果讀者希望對本文作進一步的了解,可以看一下第四卷.在我國實施“網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略”、鼓勵創(chuàng)新之際,我寄語從事網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究的青年朋友:一定要注意網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與多學(xué)科交叉融合,還要注意將網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的普遍規(guī)律與特殊規(guī)律相結(jié)合.