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基于級(jí)聯(lián)失效的艦船通信網(wǎng)絡(luò)抗毀模型構(gòu)建與分析

2023-12-18 18:13:49凌非
計(jì)算機(jī)時(shí)代 2023年11期
關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)安全

凌非

關(guān)鍵詞:艦船通信網(wǎng)絡(luò);級(jí)聯(lián)失效;復(fù)雜網(wǎng)絡(luò);抗毀性;網(wǎng)絡(luò)安全

中圖分類號(hào):TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-8228(2023)11-151-05

0 引言

艦船通信能力對(duì)于在海上航行的艦船來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。一旦受到電磁干擾或攻擊,可能對(duì)艦船網(wǎng)絡(luò)的信息安全或自身安全造成不良影響。艦船通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜[1],由多個(gè)元件組成,網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包都通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳輸,即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都承擔(dān)著負(fù)載。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)遭受隨機(jī)故障或惡意攻擊(如拒絕服務(wù)攻擊)時(shí),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載會(huì)相應(yīng)變化,進(jìn)而重新分配整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。若網(wǎng)絡(luò)無(wú)法保持一定的連通性,網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓和失能。因此,為提升艦船通信網(wǎng)絡(luò)安全與穩(wěn)定性,對(duì)艦船通信網(wǎng)絡(luò)的彈性和恢復(fù)能力的建模和分析研究具有非常重要的意義。

由于網(wǎng)絡(luò)中的級(jí)聯(lián)故障失效通常會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失,因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)網(wǎng)絡(luò)抗毀性能的研究[2-4]都有廣泛關(guān)注。為避免網(wǎng)絡(luò)故障,傳統(tǒng)方法有從網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的角度入手,結(jié)合信道均衡及抗干擾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行復(fù)雜艦船網(wǎng)絡(luò)的路由拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[5],例如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸安全性評(píng)估方法[6]、基于最短路徑的路由探測(cè)方法[7]等。本文借鑒電力系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征模型[8],構(gòu)建艦船通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒模型,即將具有通信能力的艦船看成網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn),將艦船間的通信看作連邊,從而構(gòu)建艦船通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D,并利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行建模,再模擬針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的確定性攻擊。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析艦船通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性,得出有效結(jié)論并提出相應(yīng)的保護(hù)方案。

1 艦船通信網(wǎng)絡(luò)的抗毀模型構(gòu)建

1.1 網(wǎng)絡(luò)的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性能的分析及提升,需要對(duì)艦船通信網(wǎng)絡(luò)建模。可以將具有通信能力的艦船看作網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),艦船之間的通信看作網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的雙向傳輸。由于多艘艦船在協(xié)同作業(yè)或編隊(duì)出行時(shí)承擔(dān)的職責(zé)各不相同,因此網(wǎng)絡(luò)中的艦船節(jié)點(diǎn)可以被視為帶有權(quán)重的節(jié)點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō),權(quán)重代表節(jié)點(diǎn)之間通信的頻率或通信的重要性,可以根據(jù)艦船的通信需求和通信質(zhì)量來(lái)確定權(quán)重的值。因此,將艦船通信網(wǎng)絡(luò)抽象為一個(gè)加權(quán)圖G=(V,E),其中V 表示網(wǎng)絡(luò)中的艦船節(jié)點(diǎn)集,E 表示網(wǎng)絡(luò)中的連邊集,即節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生的通信。

1.2 抗毀模型的構(gòu)建

初始狀態(tài)下,作為具有通信能力的艦船均有一定的通信負(fù)載能力,網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)艦船節(jié)點(diǎn)i 將被分配一個(gè)初始負(fù)載Li,代表其初始的通信負(fù)載能力。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的初始負(fù)載與節(jié)點(diǎn)的度值有關(guān),即設(shè)定初始負(fù)載Li 為:

因此,本仿真實(shí)驗(yàn)采用介數(shù)中心性和度中心性這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn),并以這些節(jié)點(diǎn)作為最初的失效節(jié)點(diǎn),模擬網(wǎng)絡(luò)中針對(duì)重要節(jié)點(diǎn)發(fā)起的確定性攻擊。在計(jì)算和排序網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的介數(shù)中心性和度中心性之后,發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)5 的介數(shù)中心性最大,而節(jié)點(diǎn)3 的帶權(quán)度中心性最大。考慮節(jié)點(diǎn)重要性,選擇節(jié)點(diǎn)5 和節(jié)點(diǎn)3 作為最初的失效節(jié)點(diǎn),并依次進(jìn)行了確定性攻擊的級(jí)聯(lián)失效仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)抗毀性能的仿真結(jié)果

相對(duì)于隨機(jī)攻擊的偶然性,針對(duì)重要節(jié)點(diǎn)的確定性攻擊具有極強(qiáng)的針對(duì)性和破壞性,類似于網(wǎng)絡(luò)安全中的黑客攻擊。為了清晰地展現(xiàn)級(jí)聯(lián)失效的過(guò)程和趨勢(shì),本仿真實(shí)驗(yàn)中選擇了初始負(fù)載系數(shù)α 的取值范圍從1.0 開(kāi)始,間隔0.2,直到1.8,以及容量系數(shù)β 則依次從0 開(kāi)始,以0.2 的間隔遞增至1.4。通過(guò)比較網(wǎng)絡(luò)在不同條件下的抗毀程度,研究網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能及其變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖2 和圖3 所示,以下給出具體分析。

從圖2 可以看出,當(dāng)節(jié)點(diǎn)的容量小于初始負(fù)載的1.2 倍時(shí),即容量系數(shù)β 小于0.2,度中心性最大的節(jié)點(diǎn)3 引起的級(jí)聯(lián)失效具有非常廣泛的影響。隨著容量系數(shù)的增加,級(jí)聯(lián)失效的影響范圍逐漸減小,直至到達(dá)可以修復(fù)節(jié)點(diǎn)故障的閾值(即節(jié)點(diǎn)容量在節(jié)點(diǎn)初始負(fù)載的1.4 到2.0 倍之間)。當(dāng)容量大于或等于初始負(fù)載的1.9 倍時(shí),節(jié)點(diǎn)3 引起的故障產(chǎn)生的影響很小,級(jí)聯(lián)失效也不會(huì)發(fā)生。此外,隨著初始負(fù)載系數(shù)α 的增大,CF 的增長(zhǎng)斜率在減小,即在相同容量系數(shù)β 的情況下,初始負(fù)載系數(shù)α 越大,恢復(fù)級(jí)聯(lián)失效的難度也越大。換句話說(shuō),節(jié)點(diǎn)的初始負(fù)載過(guò)重會(huì)對(duì)級(jí)聯(lián)失效的發(fā)生起到加劇的作用。

而對(duì)于介數(shù)中心性最大的節(jié)點(diǎn)5,從圖3 可以看出,當(dāng)容量系數(shù)β 小于0.2 時(shí),級(jí)聯(lián)失效傳播得最廣。隨著節(jié)點(diǎn)容量的增加,介數(shù)中心性指標(biāo)CF 值均有所增加,這意味著級(jí)聯(lián)失效的影響范圍在減小。值得注意的是,在初始負(fù)載系數(shù)α 較高的情況下,介數(shù)中心性最大的節(jié)點(diǎn)5 的CF 值在容量達(dá)到閾值之前的增長(zhǎng)階段,增長(zhǎng)速度比節(jié)點(diǎn)3 快。也就是說(shuō),當(dāng)面臨確定性攻擊時(shí),介數(shù)中心性較大的節(jié)點(diǎn),即使初始負(fù)載較高,由于其容量的增加,能夠比度中心性較大的節(jié)點(diǎn)更快地從級(jí)聯(lián)失效中恢復(fù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的仿真結(jié)果

為了研究級(jí)聯(lián)失效與艦船網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量之間的內(nèi)在關(guān)系,本仿真實(shí)驗(yàn)將初始負(fù)載系數(shù)α 選定為1.2,容量系數(shù)β 從0 開(kāi)始,以0.2 的間隔遞增至1.4。通過(guò)比較在不同失效節(jié)點(diǎn)數(shù)量下網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的變化過(guò)程,探究級(jí)聯(lián)失效對(duì)艦船通信網(wǎng)絡(luò)的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖4 和圖5 所示,具體的分析如下。

從圖4 可以發(fā)現(xiàn),在初始負(fù)載系數(shù)α 為1.2 的情況下,容量系數(shù)β等于0.0 和0.1 時(shí),度中心性最大的節(jié)點(diǎn)3 可以將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量降至0 附近,即網(wǎng)絡(luò)中幾乎所有的節(jié)點(diǎn)都失去了通信能力。此外,隨著容量系數(shù)β從0.0 增加到0.1,網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量下降最快的失效節(jié)點(diǎn)數(shù)量從22 個(gè)增加到40 個(gè),且網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的下降幅度也減小了,這說(shuō)明增加節(jié)點(diǎn)的容量可以延緩級(jí)聯(lián)失效的發(fā)生。當(dāng)容量系數(shù)β增加到0.3 時(shí),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有33 個(gè)節(jié)點(diǎn)失效,通信質(zhì)量也達(dá)到了0.65,即級(jí)聯(lián)失效的影響范圍大大減小。隨著容量系數(shù)β增加到0.5 以上,網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量達(dá)到了0.89 以上,且沒(méi)有產(chǎn)生級(jí)聯(lián)失效和故障傳播。

在圖5 中觀察到,介數(shù)中心性最大的節(jié)點(diǎn)5 的總體下降趨勢(shì)與節(jié)點(diǎn)3 類似。需要注意的是,當(dāng)容量系數(shù)β為0.0 和0.1 時(shí),網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量在失效節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的情況下(分別為三個(gè)和五個(gè))下降最快。這表明,在級(jí)聯(lián)失效初期,與度中心性較大的節(jié)點(diǎn)相比,介數(shù)中心性較大的節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的危害更大。此外,隨著容量系數(shù)β 的增加,網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的提升幅度逐漸減緩,在容量系數(shù)β 達(dá)到0.9 時(shí),繼續(xù)增加已無(wú)法提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。因此,節(jié)點(diǎn)容量的無(wú)限增加對(duì)本仿真的確定性攻擊無(wú)任何保護(hù)意義。

3.3 結(jié)論

根據(jù)艦船通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性能的仿真結(jié)果,我們可以總結(jié)出如下結(jié)論:

⑴ 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的通信性能,甚至?xí)绊懚鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)之間通信的結(jié)果,特別是發(fā)起針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中重要節(jié)點(diǎn)確定性攻擊的場(chǎng)景。

⑵ 艦船通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的初始負(fù)載過(guò)重,會(huì)對(duì)因該節(jié)點(diǎn)失效而引發(fā)的級(jí)聯(lián)失效起到加劇的不良作用;而增加節(jié)點(diǎn)容量可以有效遏制級(jí)聯(lián)失效的進(jìn)一步蔓延。

⑶ 對(duì)于度中心性較大的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),級(jí)聯(lián)失效過(guò)程中的影響范圍更廣,但此時(shí)增加節(jié)點(diǎn)容量也能快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信。對(duì)介數(shù)中心性較大的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),由于其在級(jí)聯(lián)失效初期的危害較大,應(yīng)該及早進(jìn)行相應(yīng)的干預(yù)(如增加一定量的節(jié)點(diǎn)容量)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文旨在艦船通信網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和穩(wěn)定性,并構(gòu)建了相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和抗毀模型。對(duì)級(jí)聯(lián)失效的過(guò)程進(jìn)行了理論分析,選取了抗毀性能CF 和網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量Q 作為評(píng)估指標(biāo),并采用通過(guò)對(duì)度中心性和介數(shù)中心性識(shí)別出的重要節(jié)點(diǎn)發(fā)起確定性攻擊的方法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)抗毀性能分析,最終得出有效結(jié)論并提出了相應(yīng)的保護(hù)方案。對(duì)保障艦船通信安全、防范大規(guī)模艦船通信事故的發(fā)生具有重要意義。

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