以高抗毁度为导向的通信网络修复策略

2020-12-08

魅力中国 2020年18期

（中国人民武装警察部队警官学院，河北廊坊 102800）

抗毁性能够促使通信网络在遭到破坏和攻击后，依然能够维持信息的传输。提高通信网络的信息保障能力，研发合理、高效的修复策略是主要途径。在节点受到攻击前，要对薄弱环节进行监测、风险评估，并准备充分的预修复方法，考察节点修复概率、连通成本以及加边策略，为实战中指挥控制组织完成命令提供保障。

一、通信网络的修复基础

（一）通信网络的基本结构

通信网络是指挥控制组织完成作战指挥的重要途径，它拥有众多节点，例如卫星、地球中继站等通信实体。提高通信网络抗毁性，要从网络保护和网络修复两方面入手。

（二）通信网络薄弱环节的识别方法

要确保通信网络可靠、有针对性地设计受损网络修复策略，首先要掌握识别通信网络薄弱环节的方法。在拓扑网络中，通信网络受到攻击会产生节点和边的两种损失。理论上讲，度数最大的节点损失代价最大，随着关联度的增加，节点损失代价增加，而边损失代价会减少。依照这两种拓扑网络的规律，可以设计出两种有针对性的算法研究不同损失对应的修复模型。

二、可恢复节点的修复策略

在被敌方攻击的受损节点处在可恢复的前提下，基于拓扑图论的最短路径算法、最小割最大流量算法、搜索算法等都能够为修复通信网络节点提供帮助。以最短路径算法为例，修复过程以节点之间的跳数为计量基础，拓展成为路由算法，将会在某节点到目标节点的信息传输错误时，以跳数等参数作为权重，寻找到最优化的路径，通过替代原路径的方式修复信息网络。

实际应对信息网络受损时，完整的修复算法大致分为基于拓扑分割子网和基于拓扑结构的路径修复算法两大类。前者从拓扑结构的角度出发、结合流量特征分割信息网络资源，目的是在分割后的子网中快速确定有效修复路径，同时避免节点故障邻域的范围增大。后者是在源节点受损后，对故障节点到目标节点的路径进行重新选择，这种方法不仅要考虑拓扑结构，更要结合链路的空闲带宽进行计算。尽管路径修复算法不如前者将信息网络高度保护，对受损节点极具针对性地提供修复，但可以减少网络资源的浪费。由于在现有的通信网络中，多个子网的资源同时遭遇攻击的可能性较低，采取修复路径的方法能够大大降低网络的成本。

三、不可恢复节点的加边修复模型

当受损的节点处在不可恢复的阶段、或者是恢复至连通状态所需时间较长，可以采取的修复措施将会发生变化。为了及时恢复通信网络，保障指挥、控制、决策等信息的有效传达，在修复路径等基础上可以选择加边的方式维持信息网络的连通与运转。在实施加边方式修复通信网络时，首先是定义通信网络抗毁度为目标函数，其次是敲定各类参数、影响因素，并结合拓扑结构与加边算法，最终获得函数的最大值时对应的修复模型。

（一）确定目标函数，寻找通信网络抗毁度最大值

首先确定与通信网络抗毁度相关的几项表达式：一是通信网络对信息流的保护程度，根据指挥控制组织中的决策层、平台层和任务层三个实体之间的执行协作关系，定义三种通信网络所保障的信息流，再根据实际上得到保障的信息流数量与全体信息流数量之间的比值，获得这一项对应的数学表达式。二是信息传输过程中信息流的抗毁度，基于通信实体遭受破坏其有效数量会减少这一事实，参考网络对信息流的保护程度，列出某个节点损坏后信息流的抗毁度。三是拓扑结构自身的抗毁度，将以上三种抗毁度综合考量，便能得到通信网络的综合抗毁度，从而确立目标函数，并建立以寻找函数最大值为核心的修复模型。

（二）信息修复抗毁度的约束条件

在建立了抗毁度这一基本模型后，要考虑的是几项函数约束条件。过去的研究中对待加边约束条件和连通约束条件都有较为统一的观点，一方面，恢复网络连通性在增加边的选择上，倾向于还未曾建立连接的通信实体之间。而另一方面，修复最终要确保网络中任意两个实体之间都实现良好的连通性，避免下次受到攻击时信息流仍然受到损毁。除此之外，在面对网络修复成本约束这一条件上，不同的加边方法采取的策略具有差异性，相比把总条数作为修复成本而言，更合理的途径是考虑冗余边和必须边，以全连通网络为最高标准，寻找经济、准确的修复方法。

（三）确立信息网络的加边方法

现在研究的加边方法有随机加边、低度数或低介数加边等，在考虑网络连接成本和提出保护关键节点的策略后，加边恢复网络连通性的途径更加多样。在过去各种组合优化问题研究中，离散型人工蜂群算法得到了充分应用。将其引进通信网络修复模型，结合拓扑网络结构，能够获得有效的算法。具体的抗毁程度、修复效果，需要借助仿真实验得出结论。

分析通信网络被攻击和修复的案例可知，对通信网络节点进行打击的方式有两种，分别是随机攻击和故意攻击。应对每种攻击，修复算法会产生不同的效果，而不同加边方式在修复具体的节点受损问题时也会显现出各自的优势。