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基于網(wǎng)絡(luò)性能分析的信息對抗效能評估技術(shù)研究*

2017-01-16 03:41:48王中航
通信技術(shù) 2016年11期
關(guān)鍵詞:分析信息模型

張 鵬,張 睿,王中航

(1.中國人民解放軍91404部隊(duì),河北 秦皇島 066001;2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川 成都 610041)

基于網(wǎng)絡(luò)性能分析的信息對抗效能評估技術(shù)研究*

張 鵬1,張 睿2,王中航2

(1.中國人民解放軍91404部隊(duì),河北 秦皇島 066001;2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川 成都 610041)

對信息對抗手段的效能進(jìn)行評估,在信息對抗研究中具有重要意義。基于效能評估的基礎(chǔ)理論、經(jīng)典效能評估方法等,提出一種基于多級多層網(wǎng)絡(luò)性能分析的信息對抗系統(tǒng)效能評估技術(shù)。該技術(shù)所選取的指標(biāo)體系意義明顯,可建立數(shù)學(xué)模型定量求解或通過仿真、試驗(yàn)等方法來測量。通過從對多類多層網(wǎng)絡(luò)的性能分析出發(fā),構(gòu)建信息對抗效能評估模型,創(chuàng)建信息對抗效能評估指標(biāo)體系,從而形成信息對抗效能評估方法,系統(tǒng)地反映信息對抗手段的效能。

作戰(zhàn)效能評估;信息對抗;評估模型;評估指標(biāo);評估方法

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,信息戰(zhàn)已經(jīng)成為戰(zhàn)爭的重要形式。誰掌握了信息權(quán),誰就掌握了戰(zhàn)爭的主動權(quán)。信息傳輸?shù)幕痉绞绞蔷W(wǎng)絡(luò)。為了在我方掌握最全﹑最新信息的同時(shí),破壞敵方傳輸信息的能力,需要進(jìn)行信息對抗[1]。目前,我國在信息對抗領(lǐng)域取得了一定的發(fā)展,但是對信息對抗效能評估的研究卻剛剛起步,對信息對抗效能評估的模型﹑指標(biāo)體系﹑評估方法等的研究尚處于初始階段,還沒有形成完備的理論體系。本文從對多類多層網(wǎng)絡(luò)的性能分析出發(fā),構(gòu)建信息對抗效能評估模型,創(chuàng)建信息對抗效能評估指標(biāo)體系,形成信息對抗效能評估的方法,對信息對抗效能進(jìn)行定性和定量評估,從而為提供技術(shù)支撐。

1 多類多層網(wǎng)絡(luò)性能分析

1.1 多類網(wǎng)絡(luò)性能分析

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)安全性能分析

網(wǎng)絡(luò)性能主要指網(wǎng)絡(luò)通信的能力量度,而網(wǎng)絡(luò)安全指的是網(wǎng)絡(luò)受到了威脅,如網(wǎng)絡(luò)的機(jī)密性受到了威脅。

傳統(tǒng)的通信對抗主要針對的是網(wǎng)絡(luò)性能的對抗。而通信對抗發(fā)展到今天,已經(jīng)從單一的針對網(wǎng)絡(luò)性能向針對網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)安全并舉的方向發(fā)展。在這種情況下,衡量信息對抗的指標(biāo)體系不能簡單以網(wǎng)絡(luò)通信性能的變化為衡量信息對抗效能評估的唯一依據(jù),而應(yīng)該重點(diǎn)加入對網(wǎng)絡(luò)安全的衡量。

網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制包括安全功能特性和非功能特性兩部分。前者主要關(guān)注安全處理對象(操作﹑存儲﹑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和激活的程序)﹑安全注重點(diǎn)(保密性﹑完整性和可用性要求)和安全保護(hù)措施(阻止﹑檢測和限制方法)等方面的特性。后者主要關(guān)注安全機(jī)制的功效如何,包括防篡改性﹑防繞過性﹑可驗(yàn)證性﹑正確性﹑健壯性等。各安全準(zhǔn)則對應(yīng)著安全指標(biāo)體系,其安全指標(biāo)的測量結(jié)果根據(jù)其安全特性可以分為定性和定量兩種類型。

網(wǎng)絡(luò)的安全性主要是指保護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的軟件﹑硬件和數(shù)據(jù)不受偶然的或者惡意的原因所導(dǎo)致的破壞﹑更改﹑泄漏,使系統(tǒng)連續(xù)可靠正常地運(yùn)行,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不中斷。主要包括機(jī)密性﹑完整性﹑可用性﹑可靠性﹑可控性和不可抵賴性等幾個(gè)指標(biāo),其中前三者最為重要。對網(wǎng)絡(luò)安全性能的評估,必須量化網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。信息對抗的目的是要破壞對方網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo),使其失效或降低。因此,可以采用一定的方法對這些安全指標(biāo)進(jìn)行定量或定性描述,而攻擊前后的安全性能差值就可以作為對抗效能的一個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)通信性能分析

(1)系統(tǒng)級性能指標(biāo)

系統(tǒng)級的性能指標(biāo)有網(wǎng)絡(luò)吞吐量﹑網(wǎng)絡(luò)負(fù)載﹑端到端時(shí)延﹑丟包率等。

(2)協(xié)議級性能指標(biāo)

協(xié)議級性能指標(biāo)有業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延﹑業(yè)務(wù)發(fā)送率﹑業(yè)務(wù)接收率﹑路由收斂時(shí)間﹑路由開銷﹑媒體接入時(shí)延﹑媒體接入緩沖隊(duì)列(一般正比于媒體接入時(shí)延)﹑信道吞吐量等。其中,路由收斂和路由開銷主要體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能;媒體接入時(shí)延主要體現(xiàn)MAC協(xié)議性能;信道沖突率和信道誤碼率主要反映信道的利用情況和信道質(zhì)量。

1.2 多級網(wǎng)絡(luò)性能分析

從安全特性的角度出發(fā),可以分析得出如圖1所示的安全評估分層框架。最高層是目標(biāo)層,是用戶關(guān)注的主要安全特征;第二層為安全準(zhǔn)則層,包括許多安全子準(zhǔn)則,體現(xiàn)安全特性的基本要求;最底層為安全指標(biāo)層,是對具體安全屬性的測度,通常需要量化。

圖1 安全評估分層框架

2 基于多類多層網(wǎng)絡(luò)性能分析的信息對抗效能評估

信息對抗系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),其效能評估的影響因素眾多,不僅要選取合理的評價(jià)指標(biāo),還要考慮評估系統(tǒng)所處的環(huán)境及人為因素對評估系統(tǒng)的影響。另外,對于同一信息對抗系統(tǒng)由于承擔(dān)的任務(wù)不同或者工作的條件不同,都會得到不同的評估效能。所以,為了能夠更加全面合理地評估信息對抗效能,將目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類和分層,并在此基礎(chǔ)上建立評估模型理論體系,選取重要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)構(gòu)建評估指標(biāo)體系,為信息對抗效能評估分析的角度提供了一種新的途徑。

2.1 基于多類多層網(wǎng)絡(luò)性能分析的信息對抗效能評估模型理論體系

對信息對抗效能進(jìn)行評估,就是要對網(wǎng)絡(luò)攻擊前后網(wǎng)絡(luò)性能的變化進(jìn)行評價(jià)。在對抗效能評估時(shí),首先必須根據(jù)要評估的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選擇適當(dāng)?shù)膶剐茉u估模型,充分理解評估模型的評估框架和評估準(zhǔn)則,這是進(jìn)行評估的基礎(chǔ)[2]。

在實(shí)際評估時(shí),需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能與性能,選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)﹑安全性能指標(biāo)等網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行形式化描述,并進(jìn)行指標(biāo)量化處理。在選擇相應(yīng)評估參數(shù)的基礎(chǔ)上,需要采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在攻擊前和攻擊后的評估指標(biāo)數(shù)據(jù),并對采集的數(shù)據(jù)根據(jù)評估處理模型進(jìn)行處理,得出對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對抗效能的評估結(jié)論。

對信息網(wǎng)絡(luò)安全的定性和定量評估中,通常要根據(jù)一定的安全評估準(zhǔn)則,選取某些合理的網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo),來對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的安全特征進(jìn)行評估。安全特征的評估一般可以從完整性﹑保密性﹑可靠性﹑可用性和健壯性等方面來表征。例如,可以以系統(tǒng)日志﹑應(yīng)用程序日志等作為數(shù)據(jù)源,并采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽等技術(shù)手段,從仿真網(wǎng)內(nèi)部提取流量﹑響應(yīng)時(shí)間等網(wǎng)絡(luò)性能,通過對收集到的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和融合處理,得到被試網(wǎng)絡(luò)的安全性能參數(shù),以供綜合評估系統(tǒng)進(jìn)行評估使用。

最后,信息對抗系統(tǒng)應(yīng)該對評估結(jié)論進(jìn)行分析,并用于指導(dǎo)信息對抗的實(shí)施。

2.2 基于多類多層網(wǎng)絡(luò)性能分析的信息對抗效能評估模型的建立

2.2.1 模型建立

在對已有評估模型分析研究的基礎(chǔ)上[3],提出一種基于多類多層網(wǎng)絡(luò)性能分析的信息對抗效能評估模型。該模型充分考慮網(wǎng)絡(luò)性能的多方面性和網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的層次性(即某個(gè)性能指標(biāo)可以由多個(gè)因素組成),具有較好的擴(kuò)展性。評估模型用如圖2描述。

圖2 信息對抗效能評估模型

如圖2所示,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自身的特點(diǎn)分析該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對網(wǎng)絡(luò)性能和安全性能的主要層次結(jié)構(gòu),可以建立自己的一種評估體系,把需要重點(diǎn)考察的幾個(gè)方面根據(jù)其層次關(guān)系建立相應(yīng)的層次樹。其中,樹的每個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)(分支節(jié)點(diǎn))都需要進(jìn)一步細(xì)分,即其子樹可能包括一個(gè)或多個(gè)方面的內(nèi)容(或性能指標(biāo));而每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)則都是一些具體的性能指標(biāo),可以通過不同的數(shù)據(jù)采集方法獲得。

如圖2所示,網(wǎng)絡(luò)性能節(jié)點(diǎn)包含了3個(gè)具體的性能指標(biāo)——指標(biāo)A﹑指標(biāo)B和指標(biāo)C。它們是從三個(gè)不同的方面進(jìn)行描述,可以量化,且其參數(shù)必須進(jìn)行歸一化處理(即其取值需要轉(zhuǎn)化為0~1的數(shù)值)。這樣做的目的在于能夠正確客觀地量化該性能指標(biāo)對全局網(wǎng)絡(luò)性能的影響程度,不會因?yàn)樵撊≈档拇笮∮绊懽詈蟮挠?jì)算結(jié)果,致使無法有效測度網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能。

網(wǎng)絡(luò)層次是進(jìn)行效果評估的基礎(chǔ),但是事物的發(fā)展往往是不平衡的。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的內(nèi)部,并不是每個(gè)因素對系統(tǒng)的影響是相同的。這就需要在評估網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí),分清事物的主要矛盾和次要矛盾。在以上的模型中,可以為每個(gè)不同的因素根據(jù)其在系統(tǒng)中的地位賦予不同的權(quán)重。

2.2.2 模型分析

模型中對于權(quán)重的描述將采用矩陣表示法,即通過權(quán)重矩陣來確定各參數(shù)指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。確定的方法很多,應(yīng)根據(jù)具體情況選用。一般來說,應(yīng)從可計(jì)算的性能指標(biāo)出發(fā),先確定這些指標(biāo)之間對效能指數(shù)貢獻(xiàn)的數(shù)量關(guān)系,作為基準(zhǔn)值,再逐步確定其他指標(biāo)的相對貢獻(xiàn)。

在建立評估模型前,首先分析目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),評估網(wǎng)絡(luò)綜合性能和安全性,并確定網(wǎng)絡(luò)單個(gè)性能指標(biāo)。綜合性能是表征一段時(shí)間內(nèi)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài),是評估目標(biāo)層。準(zhǔn)則層側(cè)重對網(wǎng)絡(luò)安全性能的評估,可以從網(wǎng)絡(luò)可用性﹑數(shù)量流的機(jī)密性﹑數(shù)據(jù)流完整性等多個(gè)方面進(jìn)行評估。指標(biāo)層側(cè)重提取目標(biāo)對象的可度量的性能參數(shù),包括被節(jié)點(diǎn)﹑鏈路等多個(gè)層次的參數(shù)。在實(shí)際情況中,某個(gè)性能參數(shù)會影響系統(tǒng)的多個(gè)安全性能評估,即一個(gè)指標(biāo)參數(shù)可同時(shí)對多個(gè)準(zhǔn)則層起作用,同時(shí)一個(gè)準(zhǔn)則層(安全性方面評估)可能包括多個(gè)性能指標(biāo)參數(shù)的度量,即準(zhǔn)則層-指標(biāo)層之間是一個(gè)多對多的網(wǎng)狀關(guān)系。這種基于網(wǎng)狀關(guān)系的描述可以更準(zhǔn)確地描述網(wǎng)絡(luò)各元素之間的關(guān)系和作用,可以在基于多類多層的評估模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步全面刻畫網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)。這種基于網(wǎng)絡(luò)安全層次分析算法需要根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行劃分,準(zhǔn)則層-指標(biāo)層之間的網(wǎng)狀關(guān)系可以用一個(gè)矩陣W來描述:

其中,wij表示第i個(gè)性能指標(biāo)對第j個(gè)評估準(zhǔn)則的權(quán)重。用向量E表示安全性評估的幾個(gè)方面。假設(shè)含有m個(gè)準(zhǔn)則,則表示為E=[E1E2… Em]。同時(shí),假設(shè)評估模型具有n個(gè)性能指標(biāo),表示為P=[P1P2… Pm]。進(jìn)一步,假設(shè)在安全性評估中各個(gè)準(zhǔn)則在系統(tǒng)中的權(quán)重為M=[M1M2… Mm]T。那么,根據(jù)評估模型可以得到系統(tǒng)的目標(biāo)評估值(記為T)為:

本評估算法充分考慮了各性能參數(shù)指標(biāo)的相關(guān)性和網(wǎng)絡(luò)層次中上層準(zhǔn)則與下層指標(biāo)的綜合影響程度,采用權(quán)重矩陣描述更貼近實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)環(huán)境。

2.3 基于多類多層網(wǎng)絡(luò)性能分析的信息對抗效能評估指標(biāo)體系

在信息對抗效能評估時(shí),由于評估的網(wǎng)絡(luò)對象不同,網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)有所差別,且信息對抗裝備的使命也有所不同,因而評價(jià)對抗效能的主要指標(biāo)也會有所不同。例如,對于數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),最關(guān)鍵的性能指標(biāo)是響應(yīng)時(shí)間﹑誤碼率和吞吐量;對于語音傳輸?shù)碾娫捑W(wǎng),最關(guān)鍵的性能指標(biāo)是呼損率;對于多媒體網(wǎng)絡(luò),最關(guān)鍵的性能指標(biāo)是延遲和延遲抖動。因此,必須選取最關(guān)鍵的性能指標(biāo)參數(shù)作為評價(jià)信息對抗效能的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.1 參數(shù)指標(biāo)選取原則

設(shè)計(jì)指標(biāo)體系時(shí),要遵從以下原則[4]。

(1)一致性。既要使評價(jià)指標(biāo)與評價(jià)目標(biāo)一致,又要使下一層次的指標(biāo)與上一層次的指標(biāo)一致。

(2)可測性。評價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)中,末級指標(biāo)(最低層次指標(biāo))要用可操作化的語言加以界定。它所規(guī)定的內(nèi)容可直接測量,以獲得明確結(jié)論。

(3)可比性。評價(jià)指標(biāo)必須反映評價(jià)對象的共同屬性,反映評價(jià)對象屬性中共同的東西。

(4)獨(dú)立性。在指標(biāo)體系內(nèi),同一層次的指標(biāo)必須各自獨(dú)立,指標(biāo)間不能相互重疊和包含,不能存在因果關(guān)系,不能從一項(xiàng)指標(biāo)導(dǎo)出另一項(xiàng)指標(biāo)。

(5)完備性。設(shè)計(jì)出來的指標(biāo)體系必須是一個(gè)完整﹑協(xié)調(diào)的系統(tǒng),能夠全面地﹑毫無遺漏地反映評價(jià)目標(biāo)或上一層次指標(biāo)。

(6)可行性。設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)的數(shù)量和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的高低都要適中。有足夠的信息和切實(shí)可行的量化方法可資利用。

(7)可接受性。設(shè)計(jì)的評價(jià)指標(biāo)必須經(jīng)過人們的努力方能達(dá)到。

2.3.2 參數(shù)指標(biāo)處理方法

信息對抗效能評估指標(biāo)體系中,有些指標(biāo)為正向指標(biāo),如接通率﹑路由可用性﹑鏈路可用性等,其指標(biāo)值越大越好;有些指標(biāo)是負(fù)向指標(biāo),如呼損率﹑掉話率﹑網(wǎng)絡(luò)延遲等,其指標(biāo)值越小越好。因此,在利用參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析與計(jì)算時(shí),必須對負(fù)向指標(biāo)和有量綱的指標(biāo)進(jìn)行技術(shù)處理。

指標(biāo)規(guī)范化:就是通過技術(shù)處理,消除指標(biāo)間數(shù)量級差異過大和具有量綱的指標(biāo),使得各個(gè)指標(biāo)在同一層次中具有可比性。具體方法是對指標(biāo)進(jìn)行指數(shù)化處理,即用同一指標(biāo)數(shù)列中的最大值去除數(shù)列中的每一個(gè)指標(biāo),得到的商即為規(guī)范化處理后的指標(biāo)值。

指標(biāo)同趨勢化:就是將指標(biāo)通過整理變換,使所有指標(biāo)轉(zhuǎn)化為同一方向。在信息對抗效能評估中,統(tǒng)一規(guī)定指標(biāo)大者為優(yōu)(正向指標(biāo))。這就要對指標(biāo)小者為優(yōu)(負(fù)向指標(biāo))的指標(biāo)進(jìn)行處理。

2.4 基于多類多層網(wǎng)絡(luò)性能分析的信息對抗效能評估方法

評估方法是指對從信息對抗環(huán)境提取的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和從指揮者﹑專家組提取的主體數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評估的方法。目前,在信息對抗等領(lǐng)域應(yīng)用的評估方法已有上百種[5]。評估方法按其本身的特點(diǎn),可以分成常規(guī)綜合評估方法﹑經(jīng)濟(jì)分析法﹑數(shù)學(xué)方法﹑基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的方法四大類[6],如表1所示。

表1 基于多類多層網(wǎng)絡(luò)性能分析的信息對抗效能評估方法

3 結(jié) 語

信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大,評估所涉及的要素?cái)?shù)量和層次都很多,所以在評估方法和指標(biāo)體系上應(yīng)該以網(wǎng)絡(luò)性能的分析為基礎(chǔ),建立起系統(tǒng)的效能評估體系結(jié)構(gòu)。本文對基于多類多層網(wǎng)絡(luò)性能分析的信息網(wǎng)絡(luò)對抗試驗(yàn)效能評估的模型﹑指標(biāo)和內(nèi)容進(jìn)行了初步研究,通過選取多層次﹑多方面的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)進(jìn)行評價(jià),從而構(gòu)成一套完整的效能評估方法,有助于通過試驗(yàn),系統(tǒng)地反映信息對抗裝備的作戰(zhàn)效能。

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Information Countermeasure Effectiveness Evaluation Technology based on Network Performance Analysis

ZHANG Peng1, ZHANG Rui2, WANG Zhong-hang2

(1.Unit 91404 of PLA, Qinhuangdao Hebei 066001, China; 2.No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China)

How to evaluate effectiveness of the information countermeasure means is of great significance in the research of information countermeasure. Based on basic effectiveness evaluation theory and classical performance evaluation methods, a new method for performance evaluation of information countermeasure system based on the performance analysis of multi-level and multi-layer network is proposed. This technology is of clear importance in the selected index system, which could be quantitatively solved by construction of mathematical model or measured by simulation and experiment. Through analysis on the performance of multi-level and multi-layer network, information warfare efficiency evaluation model is constructed, and the index system for efficiency evaluation of information countermeasure established, thus to constitute the efficiency evaluation method of information countermeasure, and systematically to reflect the effectiveness and efficiency of information countermeasures.

operational effectiveness evaluation; information countermeasures; evaluation model; evaluation index; evaluation method

TN97

A

1002-0802(2016)-11-1519-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.020

張 鵬(1974—),男,學(xué)士,工程師,主要研究方向?yàn)殡娮訉购托畔⒐こ蹋粡?睿(1980—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)樾畔辜靶茉u估算法;

王中航(1980—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)樾畔辜靶茉u估指標(biāo)體系。

2016-07-10;

2016-10-14 Received date:2016-07-10;Revised date:2016-10-14

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