對網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)健康性度量的系統(tǒng)認知

王 剛， 胡 鑫， 張 含， 田煥明

(空軍工程大學信息與導航學院， 陜西 西安 710077)

網(wǎng)絡空間是新型戰(zhàn)略空間，按照國家“一體雙翼，雙輪驅(qū)動”要求和軍民融合發(fā)展思路，構(gòu)建彈性健康和可持續(xù)發(fā)展的網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)[1-2]，是國家和軍隊網(wǎng)絡健康運行的基礎(chǔ)和客觀要求[3]。以網(wǎng)絡空間安全需求為牽引，度量網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)健康性，對于推進網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化和標準化建設(shè)，豐富和完善網(wǎng)絡空間安全理論，推進網(wǎng)絡空間領(lǐng)域健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 基本概念

網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)借鑒了生物學的“生態(tài)”理念，包括政府、企業(yè)、機構(gòu)和個人等基本信息單元及信息網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施[4]，是由各級各類信息單元、網(wǎng)絡和網(wǎng)絡支撐環(huán)境構(gòu)成的相互聯(lián)系、相互作用的有機整體，是典型的動態(tài)開放自愈系統(tǒng)。就“生態(tài)”而言，它是指通過系統(tǒng)諸元素之間的相互作用和協(xié)同工作，形成高效和諧態(tài)勢，預測和防御各種類型和強度的網(wǎng)絡攻擊，將遭受攻擊的后果最小化，并迅速恢復到可信狀態(tài)[4]。按照生物體健康性的認知，網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)健康性是指對網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成要素的基本性能以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和任務支撐能力的系統(tǒng)表征和綜合度量，如結(jié)構(gòu)完整性、網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)運維能力和網(wǎng)絡服務性能等；健康性度量是指對網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)或子系統(tǒng)維持自身結(jié)構(gòu)完整、保證效能正常發(fā)揮而具有的免疫和抗毀性能的衡量。

度量網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)健康性的核心要素主要有：1)度量對象，是指網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)及其潛在和表征的性能，包括指定系統(tǒng)自身固有物理性能和對作戰(zhàn)業(yè)務體系的支撐能力；2)度量目的，是對系統(tǒng)健康性形成全面或指定的診斷結(jié)論，為網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)和運用提供科學的借鑒參考；3)度量內(nèi)容，包括網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)健康性建模，度量準則和指標、評估分析方法和仿真驗證等，并按照“度量對象—度量準則和指標—度量方法—仿真驗證”思路進行，其中度量對象部分通過針對性概念建模，挖掘網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)健康性的內(nèi)涵。

2 成熟度模型

2.1 建模原則

成熟度模型是指能力成熟度模型(Capability Maturity Model, CMM)，用于衡量軟件組織生產(chǎn)過程的成熟性和規(guī)律性。網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)的成熟度是指網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展演進的程度，表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)一致、健康彈性，系統(tǒng)整體適應外界環(huán)境，執(zhí)行預定任務，成熟度等級越高，系統(tǒng)的彈性和自愈能力越強[5]。成熟度建模應把握如下3個問題：1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理性。如網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)及其與外部環(huán)境的關(guān)系，自動化、互操作、系統(tǒng)接入和身份安全驗證等體現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理性的結(jié)構(gòu)完備度。2)系統(tǒng)功能完整性。如網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)中信息流轉(zhuǎn)效率、信息轉(zhuǎn)換準確率和信息的輸入輸出關(guān)系等，作戰(zhàn)流程中信息的獲取、傳輸、加工質(zhì)量及利用水平，客觀上反映了網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)功能的完整性。3)復雜任務適應性。在網(wǎng)絡安全威脅和復雜任務承載條件下，對外部環(huán)境的抗干擾、自適應能力以及自組織重構(gòu)能力，適應復雜條件下的業(yè)務承載能力的升階/降階水平。

2.2 分級演化模型

運用成熟度理論研究網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)，在一定程度上反映了系統(tǒng)對復雜環(huán)境和任務的適應能力，健康成熟的網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)能夠根據(jù)外界環(huán)境和業(yè)務需求動態(tài)調(diào)整其成熟度級別并達到最佳狀態(tài)。借鑒能力成熟度模型相關(guān)理念和等級劃分原理[5]，將網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)的成熟度劃分為5個等級，如圖1所示。

圖1 健康性CMM五級框架

1)初始級(第Ⅰ級)，在該等級中，網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)處于最低級別，呈現(xiàn)出無序混亂狀態(tài)，諸要素之間、要素與外界環(huán)境之間處于斷開連接的封閉孤立狀態(tài)。系統(tǒng)內(nèi)部諸要素可視為獨立的個體，其維持自身任務所需的能量和資源來源于其自身。

2)已管理級(第Ⅱ級)，當成熟度等級由初始級躍升為已管理級，網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)處于分區(qū)域劃分管理狀態(tài)，系統(tǒng)要素間解除孤立、無序狀態(tài)，通過系統(tǒng)的作用區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)管，配置系統(tǒng)設(shè)備和軟件。由于各分區(qū)管理區(qū)域能量、資源相對有限，在實施區(qū)域按需分配時，網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)諸要素間的信息交互共享和互聯(lián)互通受到一定限制。

3)執(zhí)行級(第Ⅲ級)，當成熟度等級由已管理級躍升為執(zhí)行級時，網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)處于初級互連互通狀態(tài)，打破區(qū)域按需分配狀態(tài)，諸要素之間在所屬區(qū)域內(nèi)進行信息的交互共享、規(guī)劃管理。同時，系統(tǒng)諸要素之間可進行簡單的互連互通、語義互操作以及意圖共享。

4)度量級(第Ⅳ級)，當成熟度等級由執(zhí)行級躍升為度量級時，網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)處于完全的互連互通狀態(tài)，從語義互操作轉(zhuǎn)換到策略互操作狀態(tài)，系統(tǒng)諸要素之間可進行信息的跨區(qū)域交互共享。同時，依據(jù)系統(tǒng)收發(fā)信息的質(zhì)量進行針對性衡量，在此基礎(chǔ)上，對信息流程進行合理分析，進而共享技術(shù)和安全策略。

5)優(yōu)化級(第Ⅴ級)，當成熟度等級由度量級躍升為優(yōu)化級時，網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)處于自動化同步狀態(tài)，在策略互操作基礎(chǔ)上達到了技術(shù)互操作狀態(tài)，諸要素之間的信息交互實行分布式管理。同時，網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和效能達到最佳狀態(tài)，信息收發(fā)質(zhì)量滿足預定要求。

3 度量準則與指標

3.1 度量準則

度量網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)健康性，應遵循相關(guān)規(guī)則。1)參照可類比體系的健康性度量準則，如人體健康性、C4ISR系統(tǒng)[5]、網(wǎng)絡中心作戰(zhàn)[6]和信息網(wǎng)絡安全體系[7]，準則應能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)完整和信息準確、高效傳輸。2)遵從網(wǎng)絡空間及其行動的特點和規(guī)律。網(wǎng)絡空間行動將主導和改變未來作戰(zhàn)模式，作用和影響網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)健康性[8]。準則應能夠反映系統(tǒng)各要素的性能指標及其動態(tài)變化，以及網(wǎng)絡空間及其行動的基本特點和規(guī)律。3)凸顯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性及其能力目標屬性。網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)具有系統(tǒng)自身的連通性、抗毀性，以及實現(xiàn)態(tài)勢感知、信息服務和精確打擊的業(yè)務支撐能力等[9]。度量準則依賴于網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性和能力屬性，應能夠反映系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和能力屬性。

筆者從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能和任務支撐能力3個維度建立度量準則，如圖2所示。

圖2 度量準則層次

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層度量準則。從系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)出發(fā)，為系統(tǒng)效能的有效發(fā)揮提供基本物質(zhì)保障，主要指網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)層級聯(lián)系緊密、結(jié)構(gòu)組成完整和能級關(guān)系遞進，是健康彈性網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)的運行保障和物質(zhì)基礎(chǔ)。

2)系統(tǒng)功能層度量準則。從系統(tǒng)的基本功能出發(fā)，主要指在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完好的狀態(tài)下，系統(tǒng)內(nèi)部信息主體各司其職，信息主體與信息環(huán)境之間相互協(xié)調(diào)，確保在系統(tǒng)內(nèi)部信息的識別處理可靠、準確和高效。

3)任務支撐能力層度量準則。從系統(tǒng)的具體實施出發(fā)，在結(jié)構(gòu)完好和功能健全的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)諸要素的協(xié)同工作，預測和防御網(wǎng)絡攻擊，并對網(wǎng)絡任務及其結(jié)果產(chǎn)生有利作用的程度。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是構(gòu)成度量準則的基礎(chǔ)性要素，為系統(tǒng)功能的發(fā)揮提供物質(zhì)保障，同時有效提升系統(tǒng)的任務支撐能力；系統(tǒng)功能是構(gòu)成度量準則的基本屬性，為系統(tǒng)遂行網(wǎng)絡空間任務提供良好的效能支撐，同時為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供合理保障；維持健康彈性的網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)不僅需要結(jié)構(gòu)完整和功能健全，還需要遂行網(wǎng)絡空間任務，應對干擾的能力，即任務支撐能力，其影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能。

3.2 度量指標

筆者主要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)任務3個維度提出度量指標。

3.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)維度是從系統(tǒng)的組成考慮，主要是指網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的完好情況，包括自動化結(jié)構(gòu)完備程度、互操作結(jié)構(gòu)完備程度和身份認證結(jié)構(gòu)完備程度等多項基礎(chǔ)性指標。

1)自動化結(jié)構(gòu)完備度

自動化結(jié)構(gòu)能夠有效地提升系統(tǒng)性能，如應急反應、決策效率以及安全配置，實施靈活、多層級的全局防御措施，實現(xiàn)以機器的速度應對不確定網(wǎng)絡安全威脅，并不斷地完善系統(tǒng)功能，以提升系統(tǒng)的抗毀、抗干擾能力。

2)互操作結(jié)構(gòu)完備度

互操作結(jié)構(gòu)能夠有效地提高態(tài)勢感知和信息傳輸效能?；ゲ僮鹘Y(jié)構(gòu)包含語義互操作性、技術(shù)互操作性和策略互操作性3種結(jié)構(gòu)，其將系統(tǒng)中的信息主體整合到統(tǒng)一的網(wǎng)絡防御系統(tǒng)中，實現(xiàn)以機器的速度制定和實施決策。

3)身份認證結(jié)構(gòu)完備度

網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)各信息主體之間通過協(xié)同一致的安全策略，確保網(wǎng)絡用戶的個人隱私信息安全，通過實施身份認證機制，能夠有效地制止用戶身份信息遭到竊取和欺騙等，進而穩(wěn)定成本、便于操控。

3.2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能維度從系統(tǒng)的安全防御、恢復能力出發(fā)，提出免疫防護、抗毀抗擾、主動響應、魯棒控制、自愈修復和閉環(huán)反饋等核心指標，是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完好的基礎(chǔ)上系統(tǒng)運維能力的體現(xiàn)。其中：免疫防護是指合理監(jiān)管和自主防御，通過合理排除內(nèi)在非己“抗原”，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定；抗毀抗擾是指抵御網(wǎng)絡安全威脅的能力，通過提升軟/硬件的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定；主動響應是指預測并采取行動措施的能力，通過提升系統(tǒng)的主動響應能力來實現(xiàn)系統(tǒng)全局的優(yōu)化控制；魯棒控制是指適應復雜網(wǎng)絡環(huán)境的能力，通過增強信息流動控制實現(xiàn)系統(tǒng)性能的安全穩(wěn)定；自愈修復是指完善修復自身發(fā)生隨機故障的能力，通過系統(tǒng)的資源保障能力實現(xiàn)高效穩(wěn)定運行；閉環(huán)反饋是指系統(tǒng)信息的雙向交互流通，通過完整的態(tài)勢進程提升信息交互的傳輸效率。

3.2.3 系統(tǒng)任務

系統(tǒng)任務維度從系統(tǒng)的基本能力出發(fā)，按照對作戰(zhàn)對象和環(huán)境的體系支撐能力，提出威脅感知水平、安全防護水平、災難恢復水平和信息服務水平等指標，在結(jié)構(gòu)和功能健全的基礎(chǔ)上完成對網(wǎng)絡空間作戰(zhàn)和體系作戰(zhàn)的支撐任務。其中：威脅感知水平是指系統(tǒng)實時獲取并預測威脅信息的能力，通過漏洞掃描、流量監(jiān)管等手段，實時預測/獲取網(wǎng)絡安全威脅信息；安全防護水平是指系統(tǒng)根據(jù)感知到的威脅信息，實時制定合理的應急響應策略的能力，通過漏洞檢測和安全訪問等技術(shù)，實時抵御不確定網(wǎng)絡攻擊；災難恢復水平是指系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、功能降(失)效后，實時修復網(wǎng)絡核心業(yè)務的能力，通過系統(tǒng)自適應動態(tài)調(diào)控物理和邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，實現(xiàn)系統(tǒng)性能、結(jié)構(gòu)的動態(tài)升階/降階；信息服務水平是指系統(tǒng)提供完整性、實時性和共享性信息服務的能力，通過系統(tǒng)語義、技術(shù)和策略相結(jié)合的互操作性，提升系統(tǒng)的信息質(zhì)量和信息流轉(zhuǎn)能力。

4 度量方法

網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)健康性度量具有典型的復雜性、層次化和動態(tài)性特點，涉及層次化多類型指標的綜合評估和效能動態(tài)評估等問題?；诖?，筆者采用動靜結(jié)合的評估方法，以動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡為主，結(jié)合層次分析法和模糊綜合評價，建立基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡的度量模型，如圖3所示。其中：動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡主要解決數(shù)據(jù)隨時間變化的不確定性、不完整性等問題；層次分析法重點解決度量指標體系的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，實現(xiàn)指標體系的分層、分級度量；模糊綜合評價法解決度量指標體系的不確定性、模糊性問題，實現(xiàn)指標度量的客觀性和有效性[10-11]。

具體的度量步驟為：1)收集整理歷史數(shù)據(jù)、專家意見和實驗仿真數(shù)據(jù)；2)運用層次分析法對指標體系進行分層并計算各層指標權(quán)重；3)運用模糊綜合評價法對指標體系進行靜態(tài)綜合評價；4)將靜態(tài)度量的指標參數(shù)作為動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡的已知數(shù)據(jù)進行動態(tài)推理，得出仿真結(jié)果。

圖3 基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡的度量模型

5 仿真示例

由于缺乏足夠的戰(zhàn)例作為樣本，本文的參數(shù)值由專家經(jīng)驗、歷史數(shù)據(jù)、實驗仿真或軍事演習等多次靜態(tài)度量的方式確定[12]，以提高度量的準確性。動態(tài)效能評估的模型參數(shù)主要有2個：1) 健康性指標條件概率，反映健康性指標之間存在的因果關(guān)系，該參數(shù)初值由專家給出；2) 健康性狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，反映各時間段的健康性指標狀態(tài)改變的概率，該參數(shù)值由歷史數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗知識確定。

考慮動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡是建立在觀測信息的基礎(chǔ)上，在度量過程中需對網(wǎng)絡諸節(jié)點在各時間段的健康性狀態(tài)值進行觀測和統(tǒng)計，從而觸發(fā)動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡推理，更新整個網(wǎng)絡的概率分布，實現(xiàn)對系統(tǒng)

的動態(tài)度量。

首先，運用模糊綜合評價法對系統(tǒng)健康性進行靜態(tài)度量，得出系統(tǒng)健康性初始狀態(tài)為“優(yōu)秀”“良好”“一般”“差”的概率分別為0.332、0.529、0.126、0.014。

健康性度量準則層指標的條件概率分布如表1所示，受攻擊后的健康性指標狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率分布如表2所示，實施防御后的健康性指標狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率分布如表3所示。

由表1可以看出：當系統(tǒng)健康性狀態(tài)為“優(yōu)秀”時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理性為“優(yōu)秀”“良好”“一般”“差”的概率分別為0.2、0.1、0.3、0.4。

由表2可以看出：T時刻健康性狀態(tài)為“優(yōu)秀”，則在T+1時刻，系統(tǒng)健康性狀態(tài)為“優(yōu)秀”“良好”“一般”“差”的概率分別為0.6、0.1、0.2、0.1。

表1 健康性度量準則層指標的條件概率分布

表2 受攻擊后的健康性指標狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率分布

表3 實施防御后的健康性指標狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率分布

在動態(tài)效能分析中，需要觀測統(tǒng)計各時間段的健康性狀態(tài)值，輸入到動態(tài)貝葉斯度量模型，觸發(fā)動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡推理，更新系統(tǒng)健康性的概率分布，完成網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)健康性的動態(tài)度量[13]。

按照網(wǎng)絡空間行動的攻擊—檢測—防御的流程，在網(wǎng)絡空間行動起始階段，系統(tǒng)易遭受網(wǎng)絡攻擊，表4為網(wǎng)絡遭受攻擊后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理性、系統(tǒng)功能完整性和任務支撐能力3項健康性指標隨時間變化的統(tǒng)計結(jié)果。

圖4為遭受攻擊后系統(tǒng)健康性狀態(tài)概率分布情況。

表4 系統(tǒng)健康性準則層概率統(tǒng)計結(jié)果

圖4 遭受攻擊后系統(tǒng)健康性狀態(tài)概率分布

在檢測—防御階段，以T時刻受攻擊后的健康性指標為初始值，仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理性、系統(tǒng)功能完整性和任務支撐能力3項健康性狀態(tài)概率，圖5為實施防御后健康性狀態(tài)概率分布情況。

由表4可以看出：1)在網(wǎng)絡遭受攻擊階段，當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能和任務支撐能力降低時，系統(tǒng)整體健康性逐漸降低，在圖4中，表現(xiàn)為健康性狀態(tài)為“優(yōu)秀”和“良好”的概率降低，“一般”和“差”的概率逐漸上升；2)在檢測—防御階段，當系統(tǒng)抵御網(wǎng)絡攻擊能力增強，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能和任務支撐能力得到提升，系統(tǒng)健康性逐漸增強，在圖5中，表現(xiàn)為系統(tǒng)健康性狀態(tài)為“優(yōu)秀”和“良好”的概率上升，“一般”和“差”的概率下降，最終達到動態(tài)平衡。

圖5 實施防御后系統(tǒng)健康性狀態(tài)概率分布

仿真結(jié)果表明：基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡的模型和方法可有效評估網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)的健康性，通過對各時間段系統(tǒng)健康性的持續(xù)感知和分析，可以明確系統(tǒng)的健康狀態(tài)，預判影響系統(tǒng)作用發(fā)揮的關(guān)鍵因素和薄弱環(huán)節(jié)，為人為控制、干預系統(tǒng)提供參考，

進一步提升系統(tǒng)的安全性。

6 結(jié)論

健康彈性的網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)是網(wǎng)絡空間制權(quán)的基礎(chǔ)。筆者側(cè)重從理論層面分析了網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)的健康性度量問題，后續(xù)工作需要結(jié)合現(xiàn)實需求和實踐，逐步優(yōu)化網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)的概念模型和度量指標體系，加快推進網(wǎng)絡空間安全標準在網(wǎng)絡和信息系統(tǒng)方面的應用研究，實現(xiàn)對目標系統(tǒng)的功能/性能的測試和評估，推進網(wǎng)絡空間生態(tài)系統(tǒng)健康性及其度量理論在網(wǎng)絡空間建設(shè)中的實踐應用。

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