第30卷增刊2008年10月
探测与控制学报Journal of Detection &Control
Vol 30Supplement
Oct 2008
*收稿日期:2008 04 29
作者简介：朱静(1983-)，女，江苏扬州人，硕士研究生，研究方向：军事通信网的仿真与研究。
朱 静，杨晓静
(电子工程学院，安徽合肥 230037)
摘 要：分析了地域通信网的网络模型及特性。从网络的拓扑结构出发，给出了关键节点的定义方法，提出了
一种基于聚合度大小排序的关键节点识别方法，并给出了关键节点识别流程。实例分析结果表明该方法的有效性、简单性和准确性。 关键词：地域通信网；聚合度；关键节点；识别
中图分类号:TP393.02 文献标志码:A 文章编号:1008 1194(2008)S0 0055 04
Recognition Method of Key Nodes in the Areabes
Communication Network
ZHU Jing,YA NG Xiao jing
(Electr onic Eng ineering Institute,Hefei 230037,China)
Abstract:T he model and character istic of area co mmunicatio n netwo rk is analyzed.A ccor ding to t he topolog y of
the netw o rk,the definition of key nodes ar e g iv en fir st,then a key node r eco gnit ion metho d based o n converg ence deg ree is pr esented,and last the discr iminating flow is put for war d.T he e
x ample pr oves t hat the method w hich is an effective,sim ple,ex act w ay t o recog nise the netw or k.
红外线视频Key words:area communicatio n netw ork;co nv erg ence deg ree;key no des;recog nition
0 引言
地域通信网是由栅格状干线节点、入口节点和传输系统组成的覆盖战术(役)区域的通信网[1]。其中干线节点是构成地域通信网并进行路传输和交换的通信中心(或通信枢纽)，且地域通信网分布广、节点多的特性使得我们可以在有限的干扰资源中达到最好的干扰效果，因此分析识别地域通信网的关键节点有着重要的军事意义。本文从节点的聚合度定义入手，提出了一种基于聚合度大小排序的关键节点识别方法。实例分析结果表明了该方法的有效性、简单性和准确性。
1 网络模型和假设
1.1 地域通信网系统模型在地域通信网干线网络中，不同节点的利用率与容量不同，链路速率及利用率也不同，为识别网络关键节点，需要给出有效的节点价值和参数。在不
考虑链路性能差异的场合，或大致判断关键节点时，可直接采用节点的度作为评价标准；在考虑链路性能差异的场合，则用聚合度或容量作为价值尺度。本文以某外军M SE 师级干线网络[2]
为例，如图1所示。其中包含5个节点中心(NC)、1个大型扩展节点(LEN)、9个小型扩展节点(SEN)、2个无线电入口单位(RAU)。
依据图论的方法画出图1所对应的网络拓扑图，如图2所示。其中,N C 节点中心相连的图则为干线网，用粗线表示;LEN 主要是师/旅级指挥网络;SEN 主要是旅以下的各级指挥网络;RAU 是大量无线用户终端接入网络的接口。不同节点之间主要通过无线接力链路互连。不同链路速率不同:NC
间的链路为1024KB/s 链路;LEN 与NC 间的链路为512KB/s 链路;RAU 及SEN 到N C 的链路为256KB/s
裴开元
链路。
图1 M SE
网络系统典型结构
图2 M SE 网络拓扑图
1.2 网络特性分析
图1所示的地域通信网是由栅格状干线节点、入口节点和传输系统组成的覆盖战术(役)区域的通信网，任意干线节点都有2个以上与相邻干线节点互联的路由，从而使得通信网具有很强的可靠性和抗毁性。干线节点是构成地域通信网的重要组成部分，它由干线节点交换机、路保密机、多路无线接力机及其他多路传输设备等组成。干线节点不属于某个师、旅(团)，是作战地域内各部队公用的。
地域通信网的可靠性和生存性固然很高，但也存在一些弱点
[1]
:
1)装备繁多，结构庞大。干线节点包含多部收发设备，天线数量多，易被侦察暴露。这样使节点自身隐蔽、防护、机动都较困难，易遭电子干扰和硬摧毁。
2)地域通信网中大量采用无线传输，且功率较低。通信链路为视距传输，受到的限制较多且容易被侦察和干扰。
3)网络控制中心、节点中心控制单元所需的状态信息大部分由各级操作员人工输入，信息的可靠性、准确性不高，管理软件尚未完美，使部分功能的充分发挥受到抑制。
针对其弱点，可以采用攻击其关键节点或关键链路的方法致使其网络性能下降。由于栅格状地域通信网可靠性和生存性都很好，其关键节点/链路并不明显，则可以通过基于聚合度排序的方法识别出其相对更加重要的关键节点。
1.3 假设
1)网络中的节点只存在正常与不正常两种工作状态，不正常工作即认为已被破坏;
2)节点之间的链路是无线的，因此不考虑链路的工作状态;
3)考虑对时延的要求，即认为能与某个节点进行有效通信的节点在t(t 1)跳以内。
4)每次只有一个节点被破坏，并且这个节点是网络中最重要的节点。
2 关键节点识别方法
新经济时代2.1 符号定义
将节点为N ，链路为L 的地域通信网络用其拓扑结构表示，记为G(N ,L )。N ={n i }i =1,2, ,L m 是网络中节点的集合;L ={l i,j }i !j (i,j =1,2, ,L m )是网络链路的集合,l i,j 代表n i ,n j 之间链路。W ={w i,j }i !j ,i,j =1,2, ,L m 是网络链路权值的集合;w i,j 是链路l i,j 对应的权值。
定义1：节点n i 的度d i --与n i 直接相连的链路数。
定义2:CP i --与n i 直接相连链路的总容量。定义3:C i --节点n i 的聚合度；设节点及其一跳邻节点构成一个子图，则C i =子图节点总数子图链路总数。
定义4：网络的凝聚度--节点数与平均最短路径乘积的倒数，该值表示网络中节点的重要程度。
定义5：跳面节点--对一给定网络G(N ,L )，任意节点对之间都有一定跳数的距离，将与某一节点n i 具有相同跳数的所有节点称为节点n i 具有该跳数的跳面节点。
2.2 基于聚合度的关键节点分析法
一般情况下，把节点的度数作为衡量节点重要性的标准，认为与节点连接的边越多，该节点就越重
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探测与控制学报
要。也可以采用定义4的凝聚度来反映网络的性能。但是在地域通信网网络中，节点的重要性有区别，连接在同一节点上的各个链路，其权值也是不相同的；有些关键节点并不具有较大的度分布特征，而且链路之间存在着一定的差别，采用度作为节点重要性的评估方法具有一定的片面性。
湿地公园规划设计聚合度的定义方法很多，文献[2]提到了一种基于最短路径的定义，包含节点n i的最短路径数在最短路径总数中所占的比例即为节点n i的聚合度。因为网络路由常选择最短路径作为首选路由，所以此方法也可以很好地反映网络路由对网络的影响。但是，实际的通信网络的结构大多比较复杂，最短路径计算起来也比较麻烦，耗时也较大，所以一般情况下不采用此方法。本文则采用定义3的聚合度定义[2]式，此公式实现简单。
在网络图G(N,L)中，用A i表示节点n i的一跳邻节点集。节点n i的聚合度公式:
C i=|l=(i,j)∀L|i,j∀{n i}#A i|
|A i|+1
(1)
该值表示子图G∃中节点间联系的密切程度,C i越大，节点n i在网络中所占的分量越重。这样就可以判断节点n i是否为关键节点。
对地域通信网实施网络攻击时，如果存在关键节点，可以直接攻击关键节点致使网络性能下降；反之，不存在关键节点，则应出一部分相对重要的节点或者一组关键节点(这组节点对网络贡献最大)，然后重点攻击这组重要的节点。地域通信网的网络结构采用栅格状网络，所以其关键节点并不明显。本文重在采用聚合度大小排序的方法识别出网络的关键节点并破坏后，依次识别出网络的关键节点，直至网络完全不连通。这也正好反应了我军通信对抗事半功倍的攻击效果，而且也能充分发挥了我方网络对抗装备的作战效能。
2.3 关键节点的识别流程
在网络关键节点分析实践中，由于实际地域通信网结构及其节点的连接关系相当复杂，为降低分析难度，文中采用图论的分析方法，对其网络拓扑图进行分析。具体识别的基本流程如下:
1)绘制网络拓扑图;
2)建立网络简化分析模型并对节点编号;
3)计算节点的聚合度;
4)定义聚合度最大者为关键节点;
5)逐步去除(干扰)关键节点，再依次识别出新网络的关键节点。
通过以上分析与计算，就可以给出网络的关键节点。
3 实例分析及仿真
以图1中的干线节点网(如图3所示)为例，按照公式(1)计算图中节点的聚合度。节点1和邻节点{2,5}构成的子图G∃1有三个节点{1,2,5}和三条边{(1,2),(1,5),(2,5)}，聚合度为3/3=1
。
图3 M SE干线节点网G1
节点的聚合度值标志着该节点和所有邻节点间联系的密切程度。基于聚合度的节点分析算法选择聚合度值最大的节点作为关键节点。图3中各节点的聚合度计算结果如表1所示。
表1 各节点的聚合度值
节点12345
节点数35344
链路数37355
聚合度1 1.41 1.25 1.25
从表1中可以得出节点2的聚合度值最高，为关键节点。将其去除得到新的网络，如图4
所示。
图4 去除节点2后的网络G2
计算图4网络中各节点的聚合度，结果如表2所示。
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朱 静等：地域通信网的关键节点识别方法
表2 G 2中各节点的聚合度值
节点1345节点数2233链路数1122聚合度
0.5
0.5
2/3
2/3
由表2中的数据可得，如果单从拓扑图来分析的话，节点4和节点5的聚合度一样，这就要考虑与节点4和节点5相连的SEN 、LEN 及RAU 。由图1可以看出，与节点4相连的其他节点包括1个LEN 、2个SEN，而与节点5相连的其他节点只包括1个SEN 和1个RAU 。且LEN 与NC 间的链路为512kbps 链路大于RAU 及SEN 到N C 的链路，为256kbps 链路。所以节点4比节点5更重要，下一步就应该去除节点4，得到图5所示的网络G 3
。
图5 去除节点4后的网络G 3
这时网络几乎没有生存能力，可以将其定义为网络已完全不连通。
为了直观地看出上述对关键节点干扰的过程，对表1和表2中所得的数据用M AT LAB 进行了仿真，结果如图6
所示。
图6 关键节点干扰前后的聚合度仿真
从图6中对两曲线图比较可知,G 2的曲线中节点2的聚合度最大。而将节点2去除后得到G 3的曲线时，此时节点2已被孤立，聚合度降为0，其他各节点的聚合度也相应地大大降低。G 3曲线中聚合度最大的有节点4和节点5，此时就得通过链路特性分析得出节点4比节点5更重要。去除节点4后网络已基本不连通。仿真结果也进一步表明对网络的关键节点逐步进行攻击，可很快使网络不连通，达到网络攻击事半功倍的攻击效果。
4 结论
网络关键节点分析方法是网络选择性攻击的基础，是实施网络干扰效能最优的基本依据。实例结果表明：将聚合度作为网络关键节点的识别标准是简单可行的，在此基础上，按照节点聚合度大小的排序依次破坏网络节点，致使网络信息传输失败，且网络遭受破坏的速度最快。本文提出的基于聚合度的关键节点识别方法简单且切实可行，可以应用到网络对抗中去，能为我军通信对抗起到事半功倍的攻击效果，而且也能充分发挥了我方网络对抗装备的作战效能。参考文献:
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