战场通信网络战时抗毁性初探

战场通信网络战时抗毁性初探 2006年4月 第20卷第2期 装甲兵工程学院学报 JournalofAcademyofArmoredForceEngit Apr.2006 VoI.20No.2 战场通信网络战时抗毁性初探 潘丽君 (装甲兵工程学院装备指挥与管理系,北京100072) 摘要:以战时应用为背景研究了战场通信网络的战时抗毁性定义,分析了影 响抗毁性的可能因素,提出了基于干线节点密度变化,网络可通性度量及网络流量 变化等的战场通信网络战时抗毁性评价指标,并提出了提高军用通信网络战时抗毁 性的可能措施和方法. 关键词:网络;抗毁性;网络连通度 中图分类号:TP391.9 文献标志码:A文章编号:1672—1497(2006)02一O021—05 ResearchonSurvivabilityforCommunicationNetworkinBattleSpace PANLi-jun (DepartmentofEquipmentCommandandManagementoftheAcademyofArrnorcdForcesEngineerin g,Beijing100072,China) Abstracts:Thispaperprovidesandillustratesthedefinitionforcommunicationnetwork’Ssurvivability inbattle space,andanalyzesitspossiblefactorsforthissurvivability.Then,itputforwardstheevaluatingmeasure s andalgorithmssuchaschangesofbackbonenodes’distributingdensity,measuresofnetworks’connecti vity, instantaneousorstatisticaltrafficloads.Lastly,italsogivessomesuggestionsforsomestepsandmethods to improvesurvivability. Keywords:communicationnetworks;survivability;measuresofconnectivity 0引言 战场通信网络作为现代战场信息系统的基 础网络,承担着电话,数据,图像等大量信息业务 的传送任务,是信息传输的物理平台.随着不同 传输媒介(如光纤,HF,VHF,微波,卫星)的普遍 采用,WDM,ATM等通信新技术的引入,无线对 等组网(MANET),动态路由等网络新技术的广泛 应用,信息传输网络的传输质量和容量已得到极 大提高,网络性能和战时可用性也大大增强.有 矛就有盾.随着作战人员,武器装备对信息系统 依赖程度的大幅度增强,信息流在作战中的主导 和控制作用日益明显,制信息权已成为作战双方 争夺的焦点,信息系统成为双方首选的打击目 标,信息部队的作战指挥与对抗也由”后台”走向 了”前台”,破坏信息流的有序流动(信息的获取, 传递和处理)成为双方对抗的重点.战场信息系 收稿日期:2005-09-05 作者筒介:潘丽君(1970.),女,江苏无锡人,副教授,博士 统,特别是情报侦察系统,通信网络系统随时面 临软,硬杀伤. 战场信息系统的安全性,可靠性,抗毁性(有 时也称存活性,顽存性)问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 已成为系统规划,论 证, 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计与优化的重要考虑内容之一. 1战场通信网络战时抗毁性定义 战场通信网络的战时抗毁性(survivability) 是指:当网络中出现确定性或随机性故障,部分 组成要素或局部子网遭受人为或自然的软压制, 硬摧毁时,网络维持及恢复其性能,效能到一个 可接受程度的能力.该能力的量化表示,可以从 网络组成各部分的随机毁损出发给出抗毁度量, 也可从网络拓扑结构的组成及动态变化出发给 出确定性度量. 由于网络组成复杂,要素众多,网络抗毁度 量计算量大.不同的抗毁性度量模型对应不同 22装甲兵工程学院学报第20卷 的指标集和度量算法.文献[1]针对抗毁性算法 复杂问题,在分析网络结构,评估抗毁性时,对网 络分层研究,突出骨干网的重要性,将下层网络 看作一个整体,引入了网团,网团权重等概念,提 出利用网团间可能建立的路径总数P与网团间要 求建立的链路s之比作为网络拓扑抗毁性度量. 对网络进行抗毁性分析研究,有助于寻找网络中 的关键节点和关键链路,网络瓶颈所在以及动态 重组后的不合理之处,从而可及时进行有针对性 地备份设计,路由修改及网络管理.网络的战时 抗毁性分析已成为现代作战环境下指挥控制,联 络畅通无阻的有力后盾. 2影响战时通信网络抗毁性的可能 因素 与民用通信网络(如手机网络,Internet等) 不同,军事通信网由于其特殊的使用背景和使用 环境,其效能评估除了与网络相关的基本性能, 效能及可用性之外,一项重要的评价内容就是战 时网络的抗毁性.用抗毁性一词而非可靠性,是 为了强调战场环境下通信网络在确保工作可靠 性前提下的抗毁和抗干扰能力,以示与侧重装备 保障与维修实效性相关的可靠性的区别. 影响战场通信网络战时抗毁性的因素较多, 主要包括: (1)随机或突发的战场硬杀伤.战场硬毁伤 是影响战场通信网络抗毁性的首要因素.原因 有:?现代战争条件下,集中打击和摧毁敌方指 控系统已成为作战的基本原则.作为指挥”神 经”的通信网络是对方首选的重要打击目标.? 各指挥机构,指挥控制车辆,干线节点射频辐射 较为密集,使得在作战过程中通信网络系统暴露 的机会加大,特征明显,隐蔽非常困难.?大量 精制导武器,定向能武器,压制武器,反辐射弹的 使用,使得通信网络及其主要组成部件一旦被发 现,直接被摧毁的可能性较大.若被摧毁,只能 通过冗余备份或适用的动态重组功能进行恢复, 有时甚至很难恢复正常工作. (2)随机或突发的战场软杀伤.由战前,战 时的电子战信息战决定,主要包括电磁压制和网 络攻击,这是影响战时网络抗毁性的重要因素之 一 .由于战场上信息系统的主要配置场所辐射 密集,较容易暴露,从而被对方侦察到,成为对方 电子战(干扰,网络攻击,定向能武器等)的主要 攻击对象.软杀伤后系统易失去正常工作能力, 恢复时间也较长,严重影响网络的战时抗毁性. (3)系统或设备的自然损伤或故障(可靠 性).造成可靠性下降的原因有元器件失效,设 计生产原因,软件控制系统不稳定,外界环境变 化,辅助设备及机房的不可靠工作等.系统或设 备的可靠性一般以平均故障间隔时间MTBF和平 均故障修复时间MTrR表示. (4)战术转移与快速机动.移动无线通信与 固定状态下的无线电通信相比,存在2项技术特 殊性:其一是移动通信的多径传播衰落,多径时 延扩散和多普勒频移造成的信道恶劣传输特性; 其二是用户的移动性造成通信网络的动态拓扑 和寻址要求.这2个问题对基于数字移动通信 的战场通信网络有很大的影响.随着战线的推 移和作战进程的发展,部分战术通信网络根据战 事需要会实施战术转移或替换,导致网络的持续 工作能力和重组能力发生变化,网络维持可接受 业务质量的能力或多或少会受到影响. (5)战时无线通信网络数据传输的不可靠. (6)无线通信网络数据传输速率有限. (7)无线网络通信中的终端遮蔽问题.由于 无线系统随着距离的增加,信号有很大的衰落, 终端之间因相对位置关系,存在遮蔽终端问题, 不可能与其它的全部终端实现两两通信. (8)人为操作失误及自然灾害.由于组成战 场通信网络的设备基本属于高度集成化,软件化的 产品,人为操作失误可导致通信系统或其组件不能 正常工作,严重时甚至导致装备毁损或系统瘫痪, 系统恢复时间较长.自然灾害等偶然因素可使通 信网络系统,网络组件丧失部分或全部战斗力. 其中,(1),(3)主要描述软硬摧毁对通信网 络战时抗毁性的影响,一旦遭受摧毁或压制,网 络核心节点或终端会失效,直接的影响是节点间 部分或全部的联系中断,网络的连通度下降,变 坏.(5),(7)主要考虑无线传输机制对网络可 靠性的影响.(1)(2)(3),(4),(8)都会使网络 拓扑结构发生变化,而这些变化将直接影响到网 络传输的可靠性. 3战场通信网络战时抗毁性评价方 法与评价指标 20世纪70年代以来,关于通信网可靠性的 研究进入了新阶段,发展了许多理论,提出了不 少通信网可靠性的评估方法及相应的指标测度 方法,常用的测度方法有:确定性测度,概率性测 第2期潘丽君:战场通信网络战时抗毁性初探23 度和完成性测度.各种测度方法都是围绕通信 网的可靠性,抗毁性和网络服务性能的评估展开 研究.在给定网络拓扑结构前提下,确定性测度 在节点和链路完全可靠时评估拓扑结构抗毁的 能力;概率性测度在节点和链路以一定概率失效 时评估网络节点间的可靠连通能力;完成性测度 在节点和链路处于不可靠工作状态时评估网络 完成通信业务的能力. 战场通信网络战时可靠性评估涉及的因素 较多,各因素间彼此相关,主要有网络拓扑结构 及其动态变化情况,节点或链路等组网设备的可 靠性,软压制硬毁伤的随机性,通信业务流量的 随机性与突发性,网络路由技术及控制管理策略 等,使得网络可靠性,顽存性的评估算法较为复 杂,许多评估算法计算复杂度都属于NP—Hard问 题.为此,人们开展了许多近似评估网络可靠性 的算法研究,如网络可靠性的上下界评估研究. 这些方法在应用到网络拓扑的可靠性设计中仍 存在计算量大的缺点. 战场通信系统的抗毁性,可靠性指标应当与 其承担的具体军事任务相挂钩,如接收预警信息 后做好出动准备的部队兵力百分比,部队兵力隐 蔽百分比;在敌进攻后仍保持连通的最大节点子 集;初始攻击后与信号源保持连接的传输线路物 理可达性百分比及其随时间的变化情况;网络遭 受攻击后的自愈重构能力;遭受软硬摧毁后网络 容量的变化情况等. 通常,基于作战仿真的战场通信网络的抗毁 性分析应围绕下列几点展开:(1)在敌火,自然灾 害等情况下,部组件,链路,节点等被毁伤后,网 络能力的下降程度;(2)在网络及其设备故障条 件下,网络能力的下降程度;(3)在网络遭受病 毒,电磁干扰等软攻击下,网络能力的下降程度; (4)在网络管理及使用人员操作失误下,网络能 力的下降程度. 因此,战时通信网络的抗毁性问题部分可归 结到网络拓扑的可靠性和抗毁性问题中,作为网 络可靠性研究的一个方面.具体相关指标最终 可落实到一些质量参数上,如遭受摧毁,压制后 网络的最小最大连通度变化,干线节点密度的变 化,网络中最大可靠路,最大容量路,最大期望容 量集的变化等J. 与作战效能相关的指标包括:通信系统遭敌 破坏后导致的指挥中断或情报中断后果,具体表 现为:?指挥机构的缺失及指挥链的中断;?情 报信息更新缓慢;?不能及时地在恰当的地点集 中足够的兵力,形成有利的交战态势;?错过目 标打击最佳时机;?目标打击失误;?因无法及 时撤离导致的毁损等. 3.1基于干线节点密度变化的抗毁性分析 干线节点是战场上的通信枢纽,是确保指挥 流与信息流相隔离的重要基础.伊拉克战争给 我们带来的一条宝贵经验就是与通信枢纽剥离 的指控机构具有更强的生存能力.干线节点的 相对密度高,分散在不同作战地域的指控机构要 求入网实施通信联络,信息共享更为容易.但密 度不易过大,毕竟通信枢纽已成为现代信息战中 的首要压制和摧毁目标.剩余有效干线节点密 度和失效干线节点密度变化等指标可用于评估 网络抗毁性能. 定义:有效(失效)干线节点密度等于某一覆 盖地域内有效(失效)干线节点数除以该区域面 积.度量单位为干线节点数/km. K=N ,(1) 式中K为有效(失效)干线节点密度;N为指定 区域内的干线节点数(含冗余备份节点),一般给 定;为指定区域的面积.评定时也可比较有效/ 失效干线节点密度的变化情况. 3.2基于网络可通性的网络抗毁性分析 任何设备和由这些设备组成的系统都有一 个可靠性问题.评价网络抗毁性,存活能力的主 要可靠性指标有:节点连通度,链路或边连通度, 网络平均连通度等. 由图论知识可知:一个几何图形的连通 度可以用节点连通度和边连通度来描述.New— port等人也针对该2项指标提出了自己的网络 抗毁性和可靠性分析算法.同样,我们可以用连 通度来描述网络拓扑结构的强度及它的抗毁性. 下面分别给出节点连通度和边连通度的基本定 义. 定义1:节点连通度:是指使,节点不连 通所需移去的最少节点数. 定义2:边连通度:是指使,节点不连通 所需移去的最少边数. 图1概括的是一个简化的低梯队坦克连战 术互联网网络,包含连,排,单车3级.其中节点 ,日分别代表连长车和连保障车,C,D,E分别代 表3辆排长车,而X1,X2,X3(X=C,D,)则分别 代表每个排的坦克序列号. 24装甲兵工程学院学报第20卷 D1D2E1 图1典型坦克连战术互联网 如图1所示,欲使节点A与节点c1不连通, 可以有几条不同的途径,但移去节点C是移去最 少节点而达到目的的途径.因此,可认为A,G1 间的节点连通度C=1(1个节点).从边连通度 的角度来看,移去CC1是移去最少边数而达目的 的路径,因此其边的连通度C=1(一条边).而 对于两两互连的连排一层网络来说,由于采用了 网状网,每个节点都有直达其它节点的网络,其 连通度比到单连一层网的连通度要大得多. 从连通度定义看,连通度愈大,则使节点对 间断开难度增加,反之,节点对间容易断开.将 这个论点运用于战场信息网络拓扑结构图,可得 到网络的连通度大,则网络的抗毁性大,反之则 小.因此,为了提高网络抗毁性,应该在资金许 可情况下,尽量构建连通度大的网络拓扑结构, 而对已有的或正在建设中的信息网通过连通度 分析,明确连通度较小的薄弱节点和链路,采取 适当措施加以保护,避免传输重要信息,对重要 节点,链路进行必要的备份. 通常情况下,在考虑网络抗毁性时,不仅要 考虑关键节点对间,或关键边的连通度,而且要 考虑全网各个节点对间的平均连通度,即网络的 平均抗毁性. 定义3:网络的平均抗毁性是指整个网络所 有节点对间的平均连通度.其抗毁性指标定义 为网络中所有节点对之间不相交通路数的平均 数,用F表示. 对于一个由凡个节点,m条边组成的战场通 信网络,F表示如下. F:??c(i,j)/(2N),(2)l=1J=1 J?’ C(i?):min[d(i),d(j)],(3) 其中c(i?)代表节点对间连通度,即节点间不 相交通路数,可利用最大流量一最小割量定理计 算;d(i),d()分别表示节点i,j关联的节点 数;?为网络中节点对的数量. 平均连通度是一个很好的指标,遗憾的是, 面对类似战役级战场通信网络这样的大型综合 性网络时,任一节点对间都存在大量的迂回路 由,平均连通度仅能反映网络节点间可靠连通的 能力,不能反映出网络拓扑结构的抗毁能力,文 献[7]中针对这一问题,提出了一种快速评价野 战地域网可靠性的方法.对于有针对性的两节 点(如师基指至前沿某一攻击直升机,坦克等)抗 毁性分析,链路连通度和节点连通度更有说服 力. 对于几种常见的典型拓扑结构网络,网状网 (节点两两互连)的连通度最大,抗毁性最好.环 状网的抗毁性不高,而适用于业务量非集中分布 的多环网来说,其中的互连接点是环网的关键节 点,也是薄弱点,确保其抗毁性的最简单最可靠 方法是增加备份节点和路由. 在进行基于连通性的抗毁性分析时,节点或 边失效的原因可能是软压制,硬毁伤,自然减员, 也可能是由于节点或链路等每一类设备的可靠 性(指标有故障概率F(f),失效率A(t)或平均无 故障工作时间MTBF,平均修复时间MTTR,维修 度等)决定.前者依据战事的发展过程进行确 定,后者则需根据相应的指标属性引入随机因子 进行必要的判断. 3.3基于网络流量变化的网络抗毁性分析 网络的作用就是将业务流从源端(source)传 送至宿端(sink).为了充分利用网络资源,应合 理分配流量,以使从源到宿的流量尽可能大,传 输代价尽可能小.流量分配的优劣将直接关系 到网络的使用效率和抗毁性. 通信网内的流量通常是指传信率,其分配主 要受限于网络拓扑结构,链路,转接节点和端节 点的容量.通信流量具有随机性.通过分析最 大容量路集的变化,流经各转接节点(含干线节 点)的最大流变化,最佳流或最小代价流的变化 情况等,可进行基于网络流量的抗毁性分析. 用有向图G=(,)来表示所研究的战场通 信网络,端(节点)集V={V,V,…V},边(链路) 集是有向的,代表节点间来往的信息流,用e 表示从到vj的边.每条边能通过的最大流量 称为边的容量,用c表示;边上的实际传输流量 记为.若边eE,则cf:0,f/i也必定为0.一 组流量的安排{}称为网内的一个流.若这个流 使从源端到宿端有总流量,,且该流为可行流. 不同的流量分配可得到不同的可行流.最大流 第2期潘丽君:战场通信网络战时抗毁性初探 优化问题可归结为变更某一可行流中的值,使 F最大的线性规划问题.这在网络重组的决策过 程中非常有用.仿真过程中可根据仿真流量的 变化逐帧逐路由统计. 最佳流或最小代价流问题可归结为寻求占 用关键节点最少,威胁等级最小的流.每条边除 容量c/j和流量之外,还考虑代价O/,可表示费 用,重要等级或威胁度,在给定F的条件下,选择 路由,分配流量,调整每一段的,使总代价= ?最小.这也是一个线性规划问题.仿真 EE 设计过程中只需设定每一中间链路的费用,重要 等级或威胁度,计算总代价,即可寻找出最小代 价流. 有线链路的容量通常由线路本身属性决定, 而无线链路的容量则取决于源和宿装备的性能. 链路中实际的流量则由仿真过程仿真实体产生 的需求决定.由于仿真体系中考虑了所有仿真 实体,结合所用的各层 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ,数据封包形式,加解 密算法,纠错编码方式等,可获得由各端节点的 信息流大小.当然,在统计所有源至宿的流量 时,必须考虑途经的所有转接节点的分组缓存处 理能力,分组数不得超过最长可能队列,否则网 络会发生拥塞,崩溃. 4提高战场通信网络战时抗毁性的 可能措施与方法 提高战场通信网络战时抗毁性的措施很多, 针对不同的应用主要有:(1)提高通信网络的生 存能力,增加分布性.可采用介于树形网和全通 网之间的分布式栅格状网,综合使用多种通信手 段和多重线路设置,关键节点或设备进行必要的 冗余备份,重用和复用.(2)提高通信枢纽和指 挥中心的生存能力.现代高技术战争中,通信, 指挥中心是敌方打击的首选目标,海湾战争证明 了远离天线工作的机动指挥具有更强的生命力. (3)引入更大的容量和更小的传输时延.(4)提 高兼容性.使战略网与战术网,军网与民用公网 间能实现互连互通.(5)加强保密性.有效防止 敌方的侦听和入侵.(6)增强系统稳定性.对于 一 些重要军事目标,还可增加其它一些提高其抗 毁能力的措施,如增强隐蔽性,增强防护性,防电 磁泄露,增加必要的核辐射防护. 从提高网络的整体抗毁能力出发,在规划, 设计,建设以及应用与维护时,既要考虑如何提 高器件,设备,建筑物和线路设施的抗毁能力,更 要考虑到如何充分发挥网络的整体优势,把有效 防护和快速恢复结合起来,确保战场通信网络在 局部受损的情况下具有较强的再生恢复能力,从 而以较低的投入赢得较高的军事效益. 参考文献: [1]钟联炯,徐锋.通信网络拓扑抗毁性算法[J].火力与指 挥控制,2003,28(6):ll3一ll4. [2]谢政.网络算法与复杂性理论[第二版][M].长沙:国防 科技大学出版社,2003. [3]Wing0,DemetrionP.AnalysisofProbabilistieNetworks[J]_ IEEETrans.OnCommunicationTechnology,1964,12(3). [4]王朝瑞.图论[第三版][M].北京:北京理工大学出版社, 2004. [5]NewportKT.DesignofSurvivableCommunicationNetworks underPerformanceConstraints[J].IEEETransonReliabili. ty,1991,40(4):433-.440. [6]周炯盘.通信网理论基础[M].北京:人民邮电出版社, 1991. [7]郭伟.野战地域通信网可靠性的评价方法[J].电子学报, 2000,28(1):3-6.