基于級聯失效的艦船通信網絡抗毀模型構建與分析

凌非

關鍵詞：艦船通信網絡；級聯失效；復雜網絡；抗毀性；網絡安全

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2023）11-151-05

0 引言

艦船通信能力對于在海上航行的艦船來說至關重要。一旦受到電磁干擾或攻擊，可能對艦船網絡的信息安全或自身安全造成不良影響。艦船通信網絡結構非常復雜[1]，由多個元件組成，網絡中的數據包都通過節點傳輸，即網絡節點都承擔著負載。當網絡遭受隨機故障或惡意攻擊（如拒絕服務攻擊）時，網絡節點的負載會相應變化，進而重新分配整個網絡的負載。若網絡無法保持一定的連通性，網絡級聯故障會導致整個通信網絡癱瘓和失能。因此，為提升艦船通信網絡安全與穩定性，對艦船通信網絡的彈性和恢復能力的建模和分析研究具有非常重要的意義。

由于網絡中的級聯故障失效通常會造成嚴重損失，因此國內外學者對網絡抗毀性能的研究[2-4]都有廣泛關注。為避免網絡故障，傳統方法有從網絡通信協議的角度入手，結合信道均衡及抗干擾設計方法進行復雜艦船網絡的路由拓撲和網絡設計[5]，例如基于神經網絡的傳輸安全性評估方法[6]、基于最短路徑的路由探測方法[7]等。本文借鑒電力系統的復雜網絡特征模型[8]，構建艦船通信網絡的魯棒模型，即將具有通信能力的艦船看成網絡中的節點，將艦船間的通信看作連邊，從而構建艦船通信網絡的拓撲圖，并利用復雜網絡的動力學理論進行建模，再模擬針對當前網絡的確定性攻擊。最后通過仿真實驗分析艦船通信網絡的魯棒性，得出有效結論并提出相應的保護方案。

1 艦船通信網絡的抗毀模型構建

1.1 網絡的初始拓撲結構

為實現對艦船通信網絡抗毀性能的分析及提升，需要對艦船通信網絡建模?？梢詫⒕哂型ㄐ拍芰Φ呐灤醋骶W絡的節點，艦船之間的通信看作網絡中節點之間的雙向傳輸。由于多艘艦船在協同作業或編隊出行時承擔的職責各不相同，因此網絡中的艦船節點可以被視為帶有權重的節點。具體來說，權重代表節點之間通信的頻率或通信的重要性，可以根據艦船的通信需求和通信質量來確定權重的值。因此，將艦船通信網絡抽象為一個加權圖G=（V，E），其中V 表示網絡中的艦船節點集，E 表示網絡中的連邊集，即節點之間發生的通信。

1.2 抗毀模型的構建

初始狀態下，作為具有通信能力的艦船均有一定的通信負載能力，網絡中的每個艦船節點i 將被分配一個初始負載L_i，代表其初始的通信負載能力。假設節點的初始負載與節點的度值有關，即設定初始負載L_i 為：

因此，本仿真實驗采用介數中心性和度中心性這兩個指標來識別網絡中的重要節點，并以這些節點作為最初的失效節點，模擬網絡中針對重要節點發起的確定性攻擊。在計算和排序網絡中節點的介數中心性和度中心性之后，發現節點5 的介數中心性最大，而節點3 的帶權度中心性最大?？紤]節點重要性，選擇節點5 和節點3 作為最初的失效節點，并依次進行了確定性攻擊的級聯失效仿真實驗。

3.1 網絡抗毀性能的仿真結果

相對于隨機攻擊的偶然性，針對重要節點的確定性攻擊具有極強的針對性和破壞性，類似于網絡安全中的黑客攻擊。為了清晰地展現級聯失效的過程和趨勢，本仿真實驗中選擇了初始負載系數α 的取值范圍從1.0 開始，間隔0.2，直到1.8，以及容量系數β 則依次從0 開始，以0.2 的間隔遞增至1.4。通過比較網絡在不同條件下的抗毀程度，研究網絡的抗毀性能及其變化規律。實驗仿真結果如圖2 和圖3 所示，以下給出具體分析。

從圖2 可以看出，當節點的容量小于初始負載的1.2 倍時，即容量系數β 小于0.2，度中心性最大的節點3 引起的級聯失效具有非常廣泛的影響。隨著容量系數的增加，級聯失效的影響范圍逐漸減小，直至到達可以修復節點故障的閾值（即節點容量在節點初始負載的1.4 到2.0 倍之間）。當容量大于或等于初始負載的1.9 倍時，節點3 引起的故障產生的影響很小，級聯失效也不會發生。此外，隨著初始負載系數α 的增大，CF 的增長斜率在減小，即在相同容量系數β 的情況下，初始負載系數α 越大，恢復級聯失效的難度也越大。換句話說，節點的初始負載過重會對級聯失效的發生起到加劇的作用。

而對于介數中心性最大的節點5，從圖3 可以看出，當容量系數β 小于0.2 時，級聯失效傳播得最廣。隨著節點容量的增加，介數中心性指標CF 值均有所增加，這意味著級聯失效的影響范圍在減小。值得注意的是，在初始負載系數α 較高的情況下，介數中心性最大的節點5 的CF 值在容量達到閾值之前的增長階段，增長速度比節點3 快。也就是說，當面臨確定性攻擊時，介數中心性較大的節點，即使初始負載較高，由于其容量的增加，能夠比度中心性較大的節點更快地從級聯失效中恢復。

3.2 網絡通信質量的仿真結果

為了研究級聯失效與艦船網絡通信質量之間的內在關系，本仿真實驗將初始負載系數α 選定為1.2，容量系數β 從0 開始，以0.2 的間隔遞增至1.4。通過比較在不同失效節點數量下網絡通信質量的變化過程，探究級聯失效對艦船通信網絡的影響規律。實驗仿真結果如圖4 和圖5 所示，具體的分析如下。

從圖4 可以發現，在初始負載系數α 為1.2 的情況下，容量系數β等于0.0 和0.1 時，度中心性最大的節點3 可以將整個網絡的通信質量降至0 附近，即網絡中幾乎所有的節點都失去了通信能力。此外，隨著容量系數β從0.0 增加到0.1，網絡通信質量下降最快的失效節點數量從22 個增加到40 個，且網絡通信質量的下降幅度也減小了，這說明增加節點的容量可以延緩級聯失效的發生。當容量系數β增加到0.3 時，整個網絡只有33 個節點失效，通信質量也達到了0.65，即級聯失效的影響范圍大大減小。隨著容量系數β增加到0.5 以上，網絡通信質量達到了0.89 以上，且沒有產生級聯失效和故障傳播。

在圖5 中觀察到，介數中心性最大的節點5 的總體下降趨勢與節點3 類似。需要注意的是，當容量系數β為0.0 和0.1 時，網絡通信質量在失效節點數量較少的情況下（分別為三個和五個）下降最快。這表明，在級聯失效初期，與度中心性較大的節點相比，介數中心性較大的節點對網絡通信質量的危害更大。此外，隨著容量系數β 的增加，網絡通信質量的提升幅度逐漸減緩，在容量系數β 達到0.9 時，繼續增加已無法提高網絡通信質量。因此，節點容量的無限增加對本仿真的確定性攻擊無任何保護意義。

3.3 結論

根據艦船通信網絡抗毀性能的仿真結果，我們可以總結出如下結論：

⑴ 一個網絡中單個節點的失效會影響其他節點的通信性能，甚至會影響多個節點之間通信的結果，特別是發起針對網絡中重要節點確定性攻擊的場景。

⑵ 艦船通信網絡中節點的初始負載過重，會對因該節點失效而引發的級聯失效起到加劇的不良作用；而增加節點容量可以有效遏制級聯失效的進一步蔓延。

⑶ 對于度中心性較大的節點來說，級聯失效過程中的影響范圍更廣，但此時增加節點容量也能快速恢復網絡通信。對介數中心性較大的節點來說，由于其在級聯失效初期的危害較大，應該及早進行相應的干預（如增加一定量的節點容量）。

4 結束語

本文旨在艦船通信網絡的抗毀性和穩定性，并構建了相應的拓撲結構和抗毀模型。對級聯失效的過程進行了理論分析，選取了抗毀性能CF 和網絡通信質量Q 作為評估指標，并采用通過對度中心性和介數中心性識別出的重要節點發起確定性攻擊的方法進行了仿真實驗，根據仿真結果進行網絡抗毀性能分析，最終得出有效結論并提出了相應的保護方案。對保障艦船通信安全、防范大規模艦船通信事故的發生具有重要意義。