军事通信网节点重要度评估方法

周治彪,裘杭萍,杨志才,丁晓刚

(1.解放军理工大学,江苏南京　210007;2.酒泉卫星发射中心,甘肃酒泉　732750)



军事通信网节点重要度评估方法

周治彪1,裘杭萍1,杨志才2,丁晓刚1

(1.解放军理工大学,江苏南京210007;2.酒泉卫星发射中心,甘肃酒泉732750)

摘要:针对军事通信网的应用环境和业务流传输的特殊性,考虑节点类型以及节点之间的相互关系,将节点按功能分为侦察节点、处理节点、指控节点、行动节点、传输节点五类节点。根据军事通信网信息流传输的特点,改进了传统的网络介数基本概念,定义了符合军事通信网特征的节点和链路重要度的新指标。最后,通过实例对军事通信网的节点重要度进行仿真计算,画出了所有节点重要度柱状分布图。

关键词:军事通信网；网络介数；可靠性；节点类型

修回日期： 2015-11-18

裘杭萍(1965-),女,博士,教授。

杨志才(1990-),男,硕士。

丁晓刚(1991-),男,硕士研究生。

军事通信网是现代战争信息传输的载体,是陆海空天各军种联合作战的基础,是确保各系统互联、互通和互操作的基础网络。因此,军事通信网的关键节点和链路也成为了敌我双方打击的重点。构建高可靠的军事通信网络是进行现代化战争的基础,而节点重要度评估以及军事通信网可靠性分析是建设高可靠网络的基本前提,具有重要的研究意义。

有关军事通信网可靠性以及节点重要度的相关问题,国内外已经展开了深入而细致的研究,提出了多种不同评估方法。其中,最常用的评估节点重要度的指标就是度[1],该类方法认为节点度越大,则节点越重要。但是,度只能作为评估节点重要度的重要参数,却不能准确衡量节点的价值。比如说,“桥节点”虽然度不大,但是一旦断开,将导致网络不再连通。因此,有学者提出了介数[2]这一指标用以表征节点和链路的重要性。介数是指最短路径通过节点或边的条数。在复杂网路中,介数是指通过节点或边的最短路径条数占最短路径总数的比例。该指标虽然能体现出节点和链路的重要性,没有考虑军事通信网节点异质性[3]特征。在军事通信网中,不同类型的节点功能差别较大,并且网络中信息的流动具有一定方向性。因此,对于军事通信网节点和链路重要度而言,用介数这一指标进行衡量具有一定局限性。

在网络可靠性的评估中,常用的经典指标有连接度[4]、结合度、节点连通性因子[5]、链路连通性因子、代数连通度[6]、自然连通度[7]、坚韧度[8]和生成树数目[9]等。但是由于军事通信网存在节点异质性、链路多重性和复杂性等特征,使得这些指标对于军事通信网而言并不适用。因此,很多学者为了解决军事通信网重要度和可靠性评估的相关问题,进行了大量的研究。其中,石福丽提出了信息功能链[10]的概念,充分考虑不同类型的网络终端用户之间的相互关系以及信息传输的方向性,受到了学者们的普遍关注。

本文结合介数和信息功能链这两个概念,提出了适用于军事通信网节点和链路重要度评估的新指标。

1网络可靠性评估

1.1网络结构模型及假设

本文根据MCN中节点在实际作战中业务功能的不同,分为侦察(Reconnaissance,R)节点,信息处理(Information Processing,P)节点,传输(Transport,T)节点,指控(Command,C)节点,行动(Action,A)节点。侦察节点负责收集敌方态势信息,将敌方信息转发到信息处理节点,信息处理节点运用数据融合等技术对信息进行处理后转发到指控节点,指控节点根据信息内容下达作战命令,以指控信息的形式传输到行动节点,行动节点根据作战命令进行火力打击。军事通信网可以表示为G=(R,P,T,C,A,L),其中,R,P,T,C,A为不同类型节点的节点集,L为链路集。其中,R={r1,r2,…rn},P={p1,p2,…pn},T={t1,t2,…tn},C={c1,c2,…cn},A={a1,a2,…an},L={l1,l2,…ln}。

为了突出研究重点,简化模型,现做出如下假设:

1)军事通信网中任意节点只具备一种功能,将具有同样功能的节点划分为一类,五个节点集之间的交集为空,每一类节点构成一个功能子网。

2)不考虑链路的属性和类型以及方向,认为所有链路都是双向的。

1.2相关定义

定义1根据信息在军事通信网中的流动过程,将信息经过侦察、处理、使用、产生的过程中,顺序通过侦察节点、信息处理节点、指控节点、行动节点各一个并且不包含回路的传输路径为一条信息功能链。

图1　信息功能链及信息流动示意图

从定义分析我们可以发现信息功能链与普通路径的区别主要有以下几点:1)信息功能链以侦察节点为起点,以行动节点为终点；2)信息功能链中同时包含四类节点,且每一类节点有且只有一个节点；3)信息功能链中四类节点是按照顺序连接的；4)路径中不包含任何回路。以这四点为筛选条件,我们可以通过深度优先遍历算法从侦察节点到行动节点的所有路径中筛选出满足条件的路径即信息功能链。

定义2如果侦察节点与行动节点之间存在信息功能链,则称这对节点为业务连通的。

定义3通过某节点或链路的信息功能链条数占网络中所有信息功能链的比例,则称为该节点或链路的链介数。

与复杂网络的介数定义相比,用信息功能链代替了最短路径,更加突出了不同节点类型之间的相互关系以及网络的业务效能。对于军事通信网而言,其业务效能的强弱主要体现在,从侦察节点收集到的态势信息经过数据融合、数据清洗等一系列处理,然后经传输节点到达指控中心形成指控信息,最后指控信息传输到行动节点形成战斗力的整个信息传输过程的可靠性。因此,本文用这个参数来表征节点重要度,更加符合军事通信网的实际情况,更能体现军事通信网的业务效能,具有更大的研究意义。

本文主要研究节点重要度及其应用,通过链介数来表征节点重要度,对链路重要度暂不考虑。

1.3节点重要度计算

在处于信息功能链的五类节点之中,侦察节点作为信息功能链的起点,是收集态势信息的信息源,而行动节点作为信息功能链的终点,是信息最终形成效能和战斗力的节点。在本文中,重点关注信息的传输过程,对五类节点的重要度分开进行讨论。

其算法的具体计算过程如下:

1)以信息功能链和普通路径的区别为条件,通过深度优先遍历算法查找出所有的信息功能链,将所有信息功能链存储,统计得到信息功能链的条数m。

2)遍历所有信息功能链,统计经过每一个节点的信息功能链条数,将经过每一个节点的信息链的初始值设为0,每一条信息功能链通过该节点一次加1,这样可以得到经过每一个节点的信息功能链条数n。

3)根据定义我们可以得到所有节点重要度计算公式如式1所示：

Ip=n/m

(1)

4)对于个别节点而言,所有侦察节点与行动节点对间的信息功能链都不经过该节点,则称该节点重要度为零。

2实例验证

本例中总共有节点32个,其中侦察节点、信息处理节点、指控节点、行动节点和传输节点的数量分别为6、5、5、5和11,其网络拓扑结构如图2所示。

图2　某军事通信网的网络拓扑图

根据1.2中军事通信网节点重要度的定义,运用Matlab对侦察节点、信息处理节点、指控节点、行动节点以及传输节点重要度进行计算,其伪代码如下所示:

1)所有节点用struct类型的数组node[n]表示,n是节点编号,按从上到下,从左到右的顺序给出所有节点编号。该数组包含两个字段,一个字段是节点的类型,用type表示,1、2、3、4和5分别表示侦察节点、信息处理节点、指控节点、行动节点和传输节点,另一个字段是同类节点的编号,用number表示,图2中节点下标是该字段的取值。

2)根据图2中的网络拓扑结构确定出表征各节点之间相互关系的邻接矩阵,用A表示。

3)通过邻接矩阵A,运用路径搜索算法查找出从侦察节点到行动节点间的所有路径,根据定义从所有路径中查找出信息功能链。定义一个结构类型的变量stackpath{datastack node; struct stacknode *next},用这个变量表示一条信息功能链,用该类型的数组path[m]记录下查找出来的所有信息功能链。

4)在path[m]找出节点和终点相同的信息功能链的信息功能链(最短信息功能链可能不止一条)。定义结构类型stackpathx {node startnode; node endnode;struct stackpath[n]}, startnode表示侦察节点即起始节点,endnode表示行动节点即终节点,stackpath[n]表示所有的信息功能链。

5)用数组r[5],p[4],c[4],a[4],t[10]记录通过侦察节点、信息处理节点、指控节点、行动节点和传输节点的信息功能链的条数,这些数组元素初始值都设为0。

6)根据文中重要度的定义,通过5中数组对经过各个节点的信息功能链条数进行统计,然后分别对侦察节点、信息处理节点、指控节点、行动节点和传输节点进行重要度计算。

7)按编号顺序绘制出所有侦察节点、信息处理节点、指控节点、行动节点和传输节点重要度的柱状图,如图3所示。

从图中我们可以看出部分节点如R2、P1、C2、A1虽然节点度数比较小,但其重要度比较高,一旦这些节点遭到打击,将会导致网络中大量的信息功能链被敌方摧毁,进而使得侦察节点收集到的大量的情报信息,无法到达行动节点发挥其作战效能,最终导致战斗力大大减弱。因此,从实验结果看来,本文针对军事通信网提出的链介数的定义具有重要的研究意义。

图3　各类节点重要度分布柱状图

3结束语

本文通过信息功能链的概念,结合深度优先搜索算法,给出了查找军事通信网信息功能链的方法。同时,本文结合信息功能链的相关知识和网络介数的概念,对传统的网络介数的概念进行了改进,并以此衡量节点和链路重要度的新指标。最后,通过实验验证了该指标的合理性和可行性。

参考文献:

[1]叶酉荪,南庚.军事通信网分析与系统集成[M].北京:国防工业出版社,2005:46-49.

[2]马睿,朱建冲,杨美玲.基于改进聚类生存度的军事通信网可靠性分析[J].兵工学报, 2012, 31(6):54-57.

[3]杨志才,裘杭萍，等.基于网络流路径模型的军事通信网可靠性分析[J].计算机工程,2015,41(5):125-129.

[4]Yo shida Y.Ito H.Testing k-edge-connectivity ofdisgraphs[J].Journal of Systems Science and Complexity,2010,23(1):91-101.

[5]Schroeder M A, Netwport K T.Tactical network survivability through connectivity optimization[C]∥IEEE. Proceedings of the 1987 IEEE International Conference on Communications. New York:IEEE,1987: 471-477.

[6]Zhu Baoxuan.The algebraic connectivity of graghs with given matching number[J].Graphs and combinatorics,2012,29(10):1-7.

[7]吴俊.复杂网络抗毁性拓扑抗毁性研究[D].长沙：国防科学技术大学,2008.

[8]Chvatal V.Tough graphs and Hamiltonian circuits[J].Discrete Mathmatics,2007, 306 (10):910-917.

[9]Ball M.Van R M.Backtracking algorithms for network reliability analysia[J].Annals of Discrete Mathematics，2011,1(1):49-64.

[10]石福丽. 基于超网络的军事通信网络建模、分析与重构方法研究[D].长沙:国防科学技术大学博士学位论文, 2013.

One Kind of Reliability Evaluation Method of MCN

ZHOU Zhi-biao1, QIU Hang-ping1, YANG Zhi-cai2, DING Xiao-gang1

(1.PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007；2.Jiuquan Satellite Launch Center, Jiuquan 732750, China)

Abstract:Aiming at the particularity of military communications network application environment and traffic transmission, considering the relationship between nodes and node types, the node functions are divided into reconnaissance node, the processing node, node allegations, action node, transit node. Military communications network based on the characteristics of the flow of information transmission, improves the traditional network betweenness basic concepts, it defines new indicators in line with the characteristics of the military communications network node important degree. On this basis, via node important degree of variance are used to characterize the reliability of the entire network. Finally, an example of node important degree of military communication network simulation calculation, draw all the nodes importance of a histogram.

Key words:military communications network; the network betweenness; reliability; node type

作者简介：周治彪(1992-),男,湖南益阳人,硕士研究生,研究方向为军事信息学。

收稿日期：2015-11-06

中图分类号:E96

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.01.021

文章编号：1673-3819(2016)01-0101-03