面向网电空间物理域信息域的相依网络鲁棒性研究

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网电空间是随着信息技术的发展诞生的新的人类活动域,在这个空间内存在多种多样的网络化系统。随着信息技术的进步,这些网络化系统之间逐渐产生着愈来愈复杂的依赖关联,构成了所谓的相依网络。这种关联在提高各个分系统运行效率的同时,也增加了整个相依系统在面临部分网络组件故障时发生大规模失效甚至完全崩溃的风险。
  总的来说,正文针对相依网络系统,研究其面临不同失效情况时的失效过程和鲁棒性表现,目的在于更深入地了解此类网络化系统的运行和失效特点。该研究不仅有助于在社会经济领域设计更加健壮的网络化基础设施系统,也有利于加深对于网电空间作战行动机理的理解,保障未来在网电空间内可能发生的作战行动,抢占网电空间战的制高点。
  具体地,正文在明确网电空间和网电空间战概念内涵和研究现状的基础上,进一步通过对网电空间的组织层次分析,明确了网电空间内相依系统所在的层次——物理域与信息域,从实体和流程两个方面阐述了网电空间战内存在的相依关系,并建立了相应的双层相依网络模型对此进行定量化描述,然后从以下几方面对这种相依网络模型的拓扑鲁棒性开展了理论与仿真分析。
  一、无反馈相依网络建模与鲁棒性分析。基于依赖边的就近构建原则,正文构建了依赖关系无反馈的相依网络模型,然后从理论和仿真两个角度分析了此类相依网络的鲁棒性特点。利用渗流理论对这类网络的失效过程进行分析后,用仿真的方法从相依耦合强度、依赖边强度和攻击信息广度三个角度对相依网络的级联失效过程进行了仿真。结果表明无反馈相依网络鲁棒性与这三个指标都呈反比例关系,意味着提高相依系统鲁棒性的角度考虑降低耦合强度、设计冗余降低依赖边强度或隐藏部分节点都是可行的方法。此外正文还证明了耦合强度与依赖边强度两个指标在相依网络中传播失效的作用是等价的。
  二、失效概率退化的局部攻击下相依网络级联失效分析与鲁棒性仿真。通过对现有级联失效分析方法对应物理涵义的分析,正文提出了一种新的相依网络鲁棒性分析方法。基于此方法,对几种由人工网络构造的相依网络模型进行级联失效仿真和鲁棒性分析,并与传统的蓄意攻击、随机攻击等失效方式下的结果对比,这种节点失效方式下相依网络的鲁棒性表现较好,此外,相依网络在面临这种局部失效时,子网络间构造相依关系时的耦合方式对鲁棒性的影响并不大。
  三、加权相依网络的建模与级联失效仿真。在分析节点加权的物理含义基础上,正文提出了加权相依网络的鲁棒性分析方法,即同时考虑负载与相依失效的级联失效分析方法,负载失效时采用负载局部重分配的原则对失效节点负载进行分配。在此方法基础上,主要分析了节点负载容忍度参数对加权相依网络鲁棒性的影响,进一步对影响该参数的因素进行了初步探讨。基于对负载容忍度的讨论,提出了一种提高加权相依网络鲁棒性的策略并进行了定量分析。
  为验证以上几种分析方法的可用性,正文最后在网电空间中的两类相依网络系统对上述方法进行了应用仿真。一类是网电空间作战行动中的指挥控制和通信网络构成的相依体系,另一类是网电空间物理域及信息域内的基础设施相依网络。通过应用仿真,证明了正文研究涉及到的相关模型和方法的可用性和有效性。
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