基于波次攻击的预警情报网络动态抗毁性分析

Vol.33 No.2基于波次攻击的预警情报网络动态抗毁性分析刘凤增I，2肖兵1（1.空军预警学院，湖北武汉430019 ；2.国防科技大学信息通信学院，湖北武汉430010）摘 要:分析发现预警情报网络抗毁性与影响因素之间的关联关系，对于提高网络生存能力具有重要

价值。针对已有研究对系统外部作用和攻击时序过程考虑不足的问题，构建了包含预警情报网、目标网和

情报用户网的超网络模型，基于不完全网络信息和攻击成功概率提出了 一种新的攻击模式，设计了网络调 整和修复的规则，给出了多波次攻击的仿真流程。通过蒙特卡洛仿真实验，定量分析了网络结构、探测概

率、节点容量、网络重组和修复能力等因素与网络生存波次的关系，发现了影响网络抗毁性的关键因素和

实现网络恢复的临界值。量化分析结果验证了模型的可行性，并能为预警情报网络建设及运用方案优化

提供支撑。关键词：预警情报网络;动态抗毁性；波次攻击；超网络中图分类号：E917；TP391空 文献标志码:A 文章编号：1672-8211 （2019） 02-0021-081引言在信息化战争中,预警情报网络往往是被攻击

是在网络建模方面，大多关注功能网络本身的拓扑

结构，没有考虑网络与外部对象（如攻击者）之间 的耦合作用关系；二是在攻击模式方面，大多基于

的首要目标，分析发现影响网络抗毁性的因素,对

静态结构选择节点或边进行毁伤，而很少考虑攻击

于提升网络生存能力、保持网络作战效能具有重要

的时序过程。在作战过程中，预警情报网络往往面 对多个波次的攻击,攻防对抗呈现动态变化的态

势。作为整个作战体系的一部分，预警情报网络获

的现实意义。复杂网络作为刻画复杂系统相互作 用的有力工具，在作战网络抗毁,性、系统鲁棒性研 究领域得到广泛应用'1-5］）例如，谭东风等'6（基于

网络整体效能和Albert网络攻击模式提出了一种 战斗毁伤模型，对作战体系的抗毁性进行了分析; 李际超等'7（基于有向自然连通度提出了衡量作战 网络抗毁性的指标。考虑网络上的动力学过程，朱 涛等'劭分析了指挥控制网络上的级联失效现象,

取目标情报信息并传递给情报用户，其作战效能的

发挥依赖于目标环境和所保障的对象。因此，利用

上述模型难以对预警情报网络的动态抗毁性进行

有效的分析。针对存在的问题，本文将超网络理论［12'15（引

警情 网络建 ， 虑 环境和情 用 的沈迪等⑼研究了军事信息栅格的级联失效模型并 作用影响，构建了以预警情报网络为中间层的超网 络模型）然后,根据预警情报网络作战特点，提出

提出了增强网络鲁棒性的建设策略。张超'10（、崔

文岩'11 （等通过设计网络修复措施,对复杂网络的

抗毁性进行了优化。了基于不完全网络信息和攻击成功概率的攻击模

式，设计了网络调整和修复的规则，给出了多波次 攻击的仿真流程和动态抗毁性的度量指标。通过

蒙特卡洛仿真实验，分析了不同因素对预警情报网

上述研究对作战网络的抗毁性进行了有益探

索，但在应用到预警情报网络时仍存在局限性:一

收稿日期：2018-11-28；修回日期：2019-04-30基金项目：国家自然科学基金项目（61502522）作者简介:刘凤增（1987-），男，讲师，博士研究生，主要研究方向为作战体系建模；肖兵（1966-），女，教授，博士，博士 生导师，主要研究方向为军事信息系统综合集成）—21《军事运筹与系统工程》2019年第2期络动态抗毁性的影响，验证了模型的可行性)为边， 情 用户网； 抽 为节点，目的

系抽象为边， 网络。将预2超网络模型构建警情报网络与情报用户网、

依 系 抽 为 ，

网 个网络 的网 的 网络2.1 的，概念视图如图2所示。的情报警情报网络的任务是及时获

2.2 模型的递给

情 ，然

的情报用户，情为 化描述，对 网络

定义，

节、 ，网络

进行准确的数学如图1所示。各类情报获

理中

情 ，情

获 的原始网络和相依关系的定义。的节点可分为4类：到情 理中心;情 ：定义1 :节 是各类作战实体的抽象。依据节，进行融合、比对 理，形成给情报用 用。(1) 情获取节点S。具有 ，获 的空间位置、、电 号 ， 递给情

理节点，对的作战实体 雷达、 、光电 备等。用\"s表示情报获取节点集。(2) 情 理节点是对汇集的目标 进行处理，与 情 理节点进行 协作， 形 情

给情 用 ， 对 的作图1预警情报流程图战实体是各类情报处理中心。用\"#表示情报处理 节点集)(3) 情报用户节点根据获得的情报进行决 策和对 进行处置，对应的作战实体是指挥机

构、行动分队、武器平台等。用\"表示情报用户节 点集。(4) 目标节点几目标节点代表敌方的各类威，对的作战实体 、导弹、 。用\"表示目标节点集。定义2: 网络是各类节点按 系或则 形成的具有特定 的网络，可以指物理域的 网，也可 域的业务网络。这

考虑 交 系，定义3类 网络：( 1 ) 警情 网 是 情 获 节 和 情图2超网络模型的概念视图理节 按 情 交 系 的， 够 情的网络。用二元组&S# ' ( Vsp，Esp)表示 警情

警情报网络与

和情报用户都存在 作用关系,其作战效能不仅与自

，与外部的交互对

和 相报网络，其中\"s# '\"s U \"#，(s# # \"sU ) \"#是边的集合，任意边(*1，*2 ) $(S#表示节点*1

。超网络 同时关与节点*2 在情 递关系。进 行 置 的 网层网络的内 系和网络间的相依关系，能够和作用关系进行描述。抽象为节点，将情警情报网;将情( 2) 情 用 网 是 情 用 节 按 情更准确

情 理 交

复杂系统。这 采用超网络理论对和情报获

递 系 的， 够 对

警情报网络的内外

络。用二 &$'( \"$,($)示情报用户网，其中

是边的集合。任 (*］，*2 ) $($表

示用户节点*与用户节点*2 在情 递关系。情 用户网 上是指挥控制网，指控网中需

系抽象为边，

用户抽象为节点，将情 用户间的情 递关系抽—22 —基于波次攻击的预警情报网络动态抗毁性分析要情报保障的各类作战单元都可被认为是情报用

户。上级对下级的指挥控制关系、同级之间的协同

+ —$ + N%)(2) 生成预警情报网。以ER网络模型为基础 模拟生成预警情报网络。①设定S节点与P节点

间的连接概率Ps#、P节点相互间的连接概率P#P、P 节点的连接容量<0。②对Np个P节点对,以概率

Ppp连接;对N)Np个SP节点对，以概率Pp连

关系以及下级向上级的情况报告关系都可承载情

报信息的传递，因此可将指控网映射为情报用户之 间的信息交互网。(3)目标网是由目标节点构成的，能够对预警

情报网络实施攻击的网络。用二元组G% = ( \"%, Et)表示目标网，其中(％ # \")\"是边的集合。 目标网是对敌方作战体系的刻画，可认为是敌方的

接。③限制条件为每个P节点最多连接Cp个S节 点。指挥控制网络。当(% =0时，表示一组孤立目标

(3) 生成情报用户网。以组织结构网模型为 基础模拟生成情报用户网。①设定指挥层级、指挥

跨度和连接概率P$$)②指定一个根节点,层级为

对我方造成威胁;当(％ &0时，表示敌方目标对我

方进行协同攻击。1;按照指挥跨度限制向根节点添加子节点,层级为 2；逐层类推，直到所有节点加入网络。③标记所有

定义3 ：相依关系是指某一功能网络为实现特 定功能或达到相应目的，与其他功能网络产生的依

的叶子节点。④对于没有直接连接的$节点对，以 概率P$$连接。P$$=0表示情报用户网为传统的树

赖和交互关系。超网络模型中包含3类相依关系：探测关系(％ =\")\":预警情报网络为实现

预警功能必须探测到目标的位置、状态等信息。任 意边(* ,*2 ) $( T!表示目标节点*可被情报获取

节点*探测到。状结构,P$$ = 1表示完全网络化结构,0 情报用户网。在不考虑目标协同的情况下，目标网

情报服务关系= \"#)\":情报用户依赖情 的结构可为隐性的，即为一组孤立节点。(5) 生成探测关系连边。①设定连接概率p%s

报处理节点提供目标信息以进行作战决策或火力 打击。任意边(* ,*) $表示情报处理节点* 为情报用户节点*提供情报服务。打击关系($% = \"$)\":情报用户为达成作战

和每个S节点的容量Cs。②对N%)N个TS节点

对,以概率Pts连接。③限制条件为每个S节点最

多连接Cs个％节点。(6) 生成情报服务关系连边。①设定连接概率 p$。②对Np)N$个戸$节点对，以概率/$连接。(7) 生成打击关系连边。①设定连接概率 P$%。②N$\"表示情报用户网中叶子节点的数量,对

目的，对目标进行驱逐或火力打击。任意边(* ,

*) $($%表示情报用户节点*对目标节点*进行 火力打击。定义4：超网络模型是一个三元数组G=( V,E,

+),其中V = V U V# U V$ U V是节点的集合,E =

N$\")N%个$%节点对，以概率p%连接。Esp U E$ U E% U E%s U E#$ U E$% 是边的集合,F =

+\" U Fe,F\"是节点属性函数,Fe是边属性函数，根

3 波次攻击过程在实际作战中，预警情报网络往往遭受多波次

据应用场景需要可为节点和边设置相应的属性和

状态。2.3 超网络模型的实例化预警情报网的超网络模型可采取基于数据生

攻击。在遭受一次攻击后，会引发一系列连锁反

应，如节点的毁损致使情报保障能力下降,导致作

战体系对威胁目标的处置能力降低,进而使下一波

成、基于规则生成等方式进行实例化。由于实战数

据缺乏，这里通过分析实际网络结构提炼生成规

次攻击成功概率增高。同时,预警情报网络能够通

过结构调整或修复节点等措施恢复部分自身能

则，结合ER网络模型、组织结构网络模型［16］等生 成模型进行实例化。生成规则如下：力。为描述这一演化过程，下面设计一种动态攻击

(1)设定网络规模。分别设定情报获取节点 S、情报处理节点#、情报用户节点$、目标节点％的

模式和网络调整修复规则，并给出波次攻击的仿真

流程。3 31

23 —数量—、-#、-$、-%，超网络的总规模为N = NS+N#模《军事运筹与系统工程》2019年第2期假设敌方最

次为6次。在一个次中，岀的

，每个

均为-%个作战 ，即-%个进行一次

。

的对象为警情报网络中的情报获取节点和情 理节)当警情报网节

一个节点；当

时，多个 可同时一个节点。时,每个警情报网节 :图3 作战环(1) 节 选择。在一个波次的 中，选不同的 节 不同的 效果。在复杂网络

和

的研究中,A6cW7(首次提岀 机针对目标%的拦截概率P可定义为：两种 ，

的

是在对网络 一，后者p (式3中,> 表示

知的 上 是在已知网络完全

选择网络节点进行

' T?，

J = 1?$> 厂;(3)：个 节点的作战环上按照节点重要度知,也不是警情报网集合，-> 表示 > 中环的数量，丨？表示第丿个作战 环长 。依次选择节点进行 。在实际作战中，敌方对于既不是一 可知。为，假

警情报网络的

全知晓，而是

根据预警情报网络的时效性特点，将作战环厂

的长 定义为 上 的时 和 节 和，假每 载的工作 工作 为

个节点的处理时间与其负载

理时络中的节 全 ，网络中的 网间的到的边的时间是一定的，记为！;假每，/为 观测的概率，

，节 当 在承够正常工作的最大集合为($ ES# U ETs U EPU, ( '几 Es# U

(%s U(#$ |o当pd = 1时，表示敌方掌握预警情报网 的完全

为负载厶，节

@,则节点上的处理时间为：；当Pd=0时，表示敌方完全不掌握网络进行

r! 2* ) @的 。敌方根据掌握的网络 ，：最

这里2*用节点的

即按照重要

进行攻击。采用度中

E 选 -%个S和#类节点对节点进行

：： $ s U #

进行，当节 作在9 ' ;1' f(*，3#，*概率。

内时，处理时间为!；当超岀最—?-1\"\"(1)量时，处理时间与超岀量成正比，则有：丨？’( — - 2)! + 式(1)中，当节点*在边3上时，/(*，3)' 1，

否则5(*，3)' °。:=1' %

(5)(2)

率取决于自

对节 用

的概3.2

(5)中,-:和—分别表示作战环厂中边和节。网络调整与修复规则我方作战体系对其的处置。 的自 精度p来 ，的概率为：(2)作战体系对

。

的处置能力可用拦截概率p度P： 'p X (1 -p)

警情报网在

或补充节

过调 、修复％在一个波次中

(2)中,P与

和恢复网络 。的作战环 。现敌方目(1)网络调整。当警情报网络中的节 :，节 上的负载进行重 ，规则为:①情报获节 效 ， 与 的

代循环作战理论认为由侦察、决策、

的

路是

到 情 获网络化效能的源泉。如情节点上，

情

理节

情报获取节

效 ， 与

情

理节点，

；#的 情 获 节 和3示,作战环表示预警情报网络获

递给情报用户,情用户对

，，长情报用户重连到 用P表示，

情作战目的。

短，对

％的作战环

的拦截概率越高。理节 进行 理和 。 效 重 的概 率网络 的重组能力。—24 —基于波次攻击的预警情报网络动态抗毁性分析(2)网络

按

复。预警情报网络通过修复次数为50，参照某作战区域设置模型网络的初 参数为 Ns = 40、Np = 10、N$ = 30,N% = 30、p

=0.1、pP = 0.1、卩“ =0.1 ,pPU = 0.1、卩$% = 0.1、p$$ =

备 用备 备 加网络中的节点,新节。网络动则建立与已有节点的

复的 与时 ，假 复节点的能力为c?个/波次,1个/波次表示在1个攻击波次时

0.1。为避免 1000次特 4.1

为

系对

的影响，针对每组参数进行。的影响间内能够修复1个节点;0.5个/波次表示2个波次

结构

的时间才能够修复1个节点。3.3

过

进行分析，

警情报网络的内 和外部交互的 概率。程及动态抗毁性度量对预警情报网络的如4所示。「开始 设置网络参数 和攻击波次生成网络的影响，通过调整节

来 不同的网络 ， 进行波次

J征预警情报网络内 的参数为Pp、Pp ,分别示情报获取节 网 和情 理节 网;征警情报网络外部交 为Ps、P$,

示情报获

系的参 别和情 务能参力。四类参数的

0.15,0.20,0.254。当

均设置为3 0.05,0.1 ,中一个参数时，

开始一个波次的攻击 <置为 。蒙特 均值如图5所示。从5中可以看到，通过加节点

的 均 网络的 , 是 的

有所不同。Ps的影响最为明显，相对p%s =0.05 , 当ps二0.25时网络能够 的 次从11个提高到45个;其次是p$,从13个

次 到36个。Pp的影响不够明显，从13个 次 到20个 次。pp的影响最才、， 3个次。图5明，相对 警情报网络内 网,高情报获 和情 务 够更显著地改善网络的

图4 波次攻击仿真流程。4.2 概 的影响观测概率P体现了敌方对预警情报网络结构

警情报网络的

是自 与时和 的 波的掌握 。图6给岀了不同p下网络抗毁

间的函数,这里用 次进行

节点的

的变化。可以看到，当P=0时，攻同 ，网络 个波次时岀现 ，

最

。假 NSp表示预警情报网络 的节 ，节

E波次 比例为：在前期下降 ，在 13速下降，网络 的同。网络次为21次。当p = 1时， ，网络 有

够 9个波次的

下降的过程,而是当E—定时,Q

当Q —定时,E 4

则网络的

；快速下降，最

则网络 。的

时， P7降低而提升，在把P从0.5调 为0.25最。 ，当采 避免网络仿真实验与结果分析Matlab实现3.3节的

，开展仿真敌方探知，尽可

，以有效提高网络 4.3

网络中50%以上的。的。图7给概

网络遭受攻击后的重

来分析不同 对预警情报网络:节点容量@反映了节点自身的能力，重连概 率/.

的影响。假设一次作战中敌方能够发起的最

—25 —《军事运筹与系统工程》2019年第2期0. 8%i? A----条——Psp = 0.05------[3- - - PSP = 0.10——i* — — Psp = 0.15PSP = 0.20--4 ——Psp = 0.250. 8-----

-,

-pp-pp-pp-pp pp p-

pO..05 一-O..10p一

p-O..15 O..20P- .25 O.0. 60. 60.40. 2a \\ \\::3 h嵇4 1in

0.40. 2t10

20

304050A30

00 10 2040 50 6060攻击波次(a)Ps#的影响1 f-Pts-Pts-Pts-Pts-Pts攻击波次(E) P## 的*

0.050.100.150.200.250.8 -龙

-[3-—Ppu=0.10-X-—Ppu= 0.15—Ppu= 0.05—Ppu= 0.20—Ppu=0.250. 6 -0.4 -0.2 -10 2060攻击波次 攻击波次(c)p%s的影响

图5 不同网络结构对抗毁性的影响(d)p#$的影响不发生节点重连时,提高节

*

够提高网络的0.8我冲V

-a=0= 0.25= 0.5= 0.75=1.0，不过最

即节

高8个 次。当p'1时,的边全部重连到 节点上，此次。p二0且为最大节点时不同节 下的网络 均得到 高,0.6最大可提高约15个

0.4时，网络 的 次为21 ；p ' 1且为最小

节 时，网络 的

网络重 比提高节

0. 2次为22)这明提更为有效，同时提。高二 够

10

改善网络

20 30 40504.4 修 的从 、节

改善网络

攻击波次上述 方面

次

、网络重 ：图6 观测概 的影响的方法，但面对最时都没有避免网络走向 。为岀了在不同 和重连概率下的网络抗毁,网络能够在最 次 依然存在，赋 网络动

的变化，其中Cs表示S节 的最 C#表示P节点的最大容量。当P ' 0时，即网络遭受攻击后复节点的 。图8给岀了不同修复 下网络 的变化。可以看到,通过赋予网络26 —基于波次攻击的预警情报网络动态抗毁性分析当c? 为2.0时， 网络。通过的最低修复

可找到避免网络 战中备用节

5结束语，可为作置和 备提供参考。文考虑预警情报网络的内外部作用关系和

作战

过程，构建 含预警情报网、

，通过次网和的关系。情报用户网的超网络

化分析了各影响

攻击波次% 4)P? = 0与网络

发现，相比警情报网络的内 网 ，情够获 和情 务 对网络 的影响

更大;相比高节 ，提高网络重

更显著地改善网络

络中50%以上的边时能够明

；在 护网络时， 网高网络的 。过 修复。

可找到避免网络 向 的最低对资

下的预警情报网络建设方

置

计、作战运用方案优化、装备 ：作具有一定的参考价值。的文构建了更贴近实际作战体系的超网络模，析发现了影响预警情报网络 律。但研究中

攻击波次(E / = 1在一些不足，如在进行网络修安

复时， 选 节点进行恢复。实际中，一般根

据节点的重要 复次序，且 优选取节点复的效果会更好。这些是下一步要研究的重点)参考文献'1(李德毅，王新政,胡钢锋•网络化战争与复杂网络'J] •中国军

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,c?取值为0.5、1.0、1.5时仍不

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要素内容的

战 研究需作战理论支撑，需军事需，就是在充 握联合战役静态战要弓I。本文从作战研究人员的视角，运用对立统

上，运用 对抗、实证观察、条件一规律，剖析 战役的 内涵、 以一哲学可控、 析作战 方法，

战

要 的 系,形“战

与战 、战 与 战 的 的

辨一战 认知

一 抽象一科学具体”的军事研究确立作战理论证关系。通过

行 ) 战

,

，研究形成最优战役结，从而为联合战

过程中，需对一系列

理论原理的

战斗行动过程和效果进战

，必须在正确领析战役要素计和实支撑。参考文献[1] 中共中央马恩列斯编译局空列宁选集'M] •北京:人民出版社，1972.上，充

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军事、概念

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学的 运

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