基于改進跳面節點法的地域通信網抗毀性評價

摘 要： 為了提高地域通信網對抗訓練的有效性，需要對地域通信網的抗毀性和節點鏈路的重要性作出評價。針對跳面節點法的問題和不足，提出了一種基于改進跳面節點法的地域通信網抗毀性評價方法，并對改進的結果進行了對比，最后對抗毀性評價方法在地域通信網對抗訓練中的應用情況進行了分析。

關鍵詞： 地域通信網； 抗毀性； 跳面節點法； 可靠性

中圖分類號： TN927?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0013?03

Evaluation of regional communication network in invulnerability

based on improved jump?range?node method

WANG Liang， WANG Xin?zeng， WANG Ying?hong

（Unit 63893 of PLA， Luoyang 471003， China）

Abstract： To improve the efficiency of regional communication network （RCN） in warfare training， it is necessary to evaluate the invulnerability of RCN and the importance of nodes and links. A new evaluation method of RCN in invulnerability based on improved jump?range?node method is proposed in this paper. The result shows that the improved method is better than the original one. At last， the application of evaluation method for invulnerability of warfare training on RCN is analyzed at the end.

Keywords： regional communication network； invulnerability； jump?range?node； reliability

0 引 言

抗毀性是一種衡量通信網絡拓撲結構抗毀能力的指標[1?3]，是指具備網絡拓撲結構信息后采取有針對性的破壞策略時，網絡變成兩個或兩個以上不相連子網的難易程度。它反映了網絡節點或鏈路不能正常工作時網絡性能的變化情況，屬于圖論中的連通性研究。它僅與網絡的拓撲結構和組成網絡的節點鏈路等部件的可靠性有關，而與網絡的具體通信體制和路由算法沒有關系。

作為在戰爭環境下使用的一種特殊通信網絡[4]，地域通信網是敵人重點打擊的目標，節點和鏈路等網絡部件更易受到敵方的破壞而失效，從而造成網絡的不連通。而網絡連通是信息傳輸的基礎，如果網絡喪失了連通性，則無論采用何種通信協議、路由選擇算法和維護策略，都無法完成信息交換功能。因此研究以網絡連通性為目的的抗毀性對地域通信網是十分重要的。

關于抗毀性評價方法，國內外不少文獻都有研究，如跳面節點法[5]、最短路徑數法[6]、生成樹數目法[7]、基于拓撲路徑不相交度量[8]、基于節點抗毀性度量值均方差的評估模型[9]等，這些模型各有其評價側重點，也各有其局限性。本文詳細研究了跳面節點法，然后針對跳面節點法的不足提出了一些改進措施，并對抗毀性評價方法在地域通信網對抗訓練中的應用進行了分析。

1 跳面節點法的原理及不足分析

首先引入跳面節點的概念。設[G（N，E）]為節點數為[N]、鏈路數為[E]的通信網絡，兩個節點之間的鏈路數稱為跳數，稱與某一節點[i]具有相同跳數的所有節點為節點[i]具有該跳數的跳面。

跳面節點法認為網絡的可靠性[RG]為網絡任一節點到其所有跳面可靠性的平均值，即：

[RG=1Ni=1Nri，ri=j=1Mrij]

式中：[ri]為節點[i]到其所有跳面間的可靠性；[M]為距離節點[i]最遠跳面的跳數，稱為節點[i]的跳距；[rij]為節點[i]到第[j]跳面間的可靠性。跳面節點法認為跳面之間以串行連接，節點[i]到第[j]跳面間的可靠性[rij]有如下聯積關系：

[ri1=ri1ri2=ri1?r12ri3=ri2?r23 ?ri（m+1）=rim?rm（m+1）]

式中：[rm（m+1）]為第[m]跳面到第[（m+1）]跳面的歸一化可靠性，為此引入跳面間鏈路數歸一化因子[μm]。設第[m]跳面上的節點數目為[nm]，第[（m+1）]跳面上的節點數目為[nm+1]，兩跳面的連接鏈路數為[lm]，則第[（m+1）]跳面上節點數目與節點[i]其余[（N-1）]個節點的比例為[nm+1（N-1）]，兩跳面的鏈路數[lm]與兩跳面間最大可連鏈路數[nmnm+1]的比例為[lmnmnm+1]，則[μm]為：

[μm=nm+1N-1?lmnm?nm+1=lmnm（N-1）]

所以有：

[rm（m+1）=μmRm（m+1）=lmnm（N-1）Rm（m+1）]

式中：[Rm（m+1）]為第[m]跳面到第[（m+1）]跳面的可靠性。它的計算過程如下。

設第[m]跳面上[nm]個節點中某一節點[s（s=1，2，…，nm）]到第[（m+1）]跳面上的鏈路數為[ls]，[ls]中的每條鏈路記為[k（k=1，2，…，ls）]，顯然有[s=1nmls=lm]。設[Rs]為節點[s]的可靠性，[Rk]為鏈路[k]的可靠性，[Rs（m+1）]為節點[s]到第[（m+1）]跳面的可靠性，則有：

[Rs（m+1）=Rs1-k=1ls（1-Rk）Rm（m+1）=1-s=1nm[1-Rs（m+1）]]

這樣，只要網絡[G（N，E）]給定節點和鏈路的可靠性以及網絡的拓撲結構，即可計算出網絡的可靠性[RG]及節點的重要性[ri]。需要說明的是，當已知網絡的拓撲結構，并假定網絡中各節點、鏈路完全可靠時，則[RG]就是網絡拓撲結構的抗毀性。

可以看出，跳面節點法是一種簡便的網絡抗毀性評價方法，不僅可以計算網絡抗毀性，還可以用來評價節點重要性。但是通過分析發現，它存在一些問題和不足。首先在計算節點可靠性時，它只考慮了跳面間的迂回路由，省略了跳面內的迂回路由，影響了評價的精度；其次它采用先并聯后串聯計算跳面間可靠性方法不夠嚴謹。具體如下：

（1）跳面節點法在評估節點重要性時，評估精度不夠高。這是因為它計算節點重要性時，沒有考慮跳面內節點的連接情況。如圖1所示，在計算節點1的重要性時，只需用到節點1到跳面1之間的鏈路數和跳面1到跳面2之間的鏈路數，與跳面1內部的鏈路沒有關系。也就是說，在圖1中，節點2和節點3之間有沒有鏈路相連，對節點1重要性的計算結果沒有影響，這是不準確的。

（2）跳面節點法用串聯相乘的方式評價可靠性是不嚴謹的。同樣在圖1的左圖中，跳面節點法認為節點1到節點3的可靠性等于節點1到跳面1的可靠性乘以跳面1到跳面2的可靠性。假設每個節點的可靠性為1，每條鏈路的可靠性為[p]，則節點1到跳面1的可靠性為[1-（1-p）2]，跳面1到跳面2的可靠性也為[1-（1-p）2]，那么按照跳面節點法串聯計算可靠性的方法，則節點1到節點3的可靠性為[[1-（1-p）2]2]，這是不正確的。正確的結果應該是先計算兩鏈路串聯的可靠性，再計算并聯可靠性，即為[1-（1-p2）2]。

圖1 節點1跳面示意圖

2 改進的跳面節點法及評價結果

針對第一點不足，可以考慮在歸一化因子中增加跳面內鏈路的影響因子。設第[m]跳面上的鏈路數目為[sm]，為了體現鏈路數的相對值，可將鏈路數與該跳面上所有節點全連通時的鏈路數進行比較。因為第[m]跳面上所有節點全連通時的鏈路數為[C2nm]，所以修改歸一化因子為：

[μm=lmnm（N-1）?1+smC2nmN-1]

可以看出，該因子是在原因子基礎上增加了一個跳面內路由分量，不僅考慮了跳面內鏈路的影響，而且將已有鏈路數與節點全連通時的鏈路數進行了比較，與全連通網絡的可靠性最高的觀點相一致。

至于跳面節點法計算可靠性的順序，要根據跳面內是否有迂回路由來具體對待。如果跳面內有迂回路由，可按先并聯后串聯的方式計算網絡的可靠性。如果跳面內沒有迂回路由，則按先串聯后并聯的方式計算網絡可靠性，計算方法如下。設某節點到連續沒有迂回路由的跳面[m]的跳距為[d]，則：

[Rs（m+1）=Rs1-k=1ls1-i=1dRki]

下面以圖2為例，計算三種拓撲結構的節點重要性和網絡可靠性。假設節點和鏈路完全可靠，則[Rm（m+1）]=1。

以改進的跳面節點法為例計算G1（6，10），計算過程如下：

[r1=r6=251+05+251+05?42×51+15+251+05?42×51+15?22×51+15=0.600]

[r2=r3=r4=r5=451+05+451+05?24×5?1+465=0.891] [∴RG1=15i=15ri=0.794]

圖2 三種地域通信網拓撲結構

分別用兩種方法對三種拓撲結構圖進行計算，結果見表1。

由表1中數據可以看出，在評價節點重要性和網絡可靠性時，改進的跳面節點法同原方法保持了結果一致，拓撲1的可靠性要高于拓撲2，拓撲2的可靠性要高于拓撲3。通過節點1的重要性值可以看出，如果用原方法計算，拓撲1和拓撲2中節點1的重要性是一樣的。用改進方法計算，節點1的重要性有所提高，體現了跳面內路由的存在。

3 抗毀性評價在地域通信網對抗訓練中的應用

地域通信網要素對抗訓練是通信部（分）隊訓練的一個重要組成部分，研究地域通信網的抗毀性評價可以更好地指導和開展地域通信網的攻防對抗訓練。對于進攻力量，可以針對網絡中的重要節點和鏈路，有目的地進行干擾力量配置和戰術戰法運用。對于防御力量，一方面可以進行網絡的優化設計，另一方面通過重要節點和鏈路的防護來提高整個網絡的可靠性。另外，還可作為地域通信網構建調整和重組水平的評估指標。

3.1 指導進攻力量進行干擾力量配置和戰術戰法運用

在地域通信網對抗訓練中，進攻力量通過對地域網拓撲結構的分析，找出網絡中的重要節點和鏈路，就可以有針對性地進行干擾力量配置和戰術戰法運用。如在地域網對抗訓練中用到的“圍點斷鏈”戰術，就是建立在對重要節點和鏈路的評估上。該戰術利用通信對抗裝備對敵方地域通信網中起決定作用的節點和鏈路實施干擾，以降低或破壞敵方地域通信網的整體作戰效能。節點是地域通信網的生命線，用多部干擾機在多個頻率點上，干擾重要節點的所有通信路由，阻斷與其他節點的聯系，降低、擾亂或破壞地域通信網局部乃至整體功能，最終瓦解系統結構。

3.2 指導防御力量進行網絡優化設計和重要對象防護

作為一種野戰條件下的通信保障裝備，地域通信網在進行網絡規劃設計時就應該將抗毀性測度作為一項重要的參考指標。在立足現有裝備數量、配置地域的基礎上，防御力量應該按照抗毀性測度最大化的方式進行網絡設計，并在重要節點和鏈路上采取備份等措施進行重點防護。如圖2（b），（c）兩者的裝備、地域等條件相同，只有拓撲結構不同。通過計算可知，拓撲2的抗毀性比拓撲3大，所以應該采取拓撲2所示的拓撲結構，并應在節點重要性比較高的節點2，3，4，5進行重要防護。

3.3 作為地域通信網構建調整和重組水平的評估指標

地域通信網構建完畢投入使用后，并不是一成不變的。它需要根據戰斗演變進程，進行網絡結構的調整和重組。抗毀性評價方法通過對節點重要性、網絡可靠性指標的計算來衡量地域網的抗毀能力，可以對使用者快速構建、調整和重組地域網的水平作出合理的評價。

4 結 語

可靠性是一門綜合性比較強的邊緣學科，涉及到基礎學科、技術學科和管理學科中的許多領域，目前還處于不斷的發展之中。地域通信網可靠性研究也經歷了一個從簡單到復雜的發展過程，從最初的設備可靠性發展到網絡的可靠性，進而發展到網絡的通信完成性。作為一種用于軍事目的特殊通信網絡，研究基于連通性為目的的抗毀性評價是有意義的。關于抗毀性評價方法，國內外文獻也提出了大量的方法[10]，但都是從某一個角度進行分析得出，適用性受到一定限制。

本文以跳面節點法為基礎，分析了跳面節點法存在的不足，提出了相應地改進措施，并對抗毀性評價方法在地域通信網對抗訓練中的應用情況進行了說明。由于地域通信網可靠性研究還在不斷發展之中，未來提出適用性更強、準確度更高地抗毀性評價方法將是繼續研究的重點。

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