網(wǎng)絡科學：國家基礎設施和軍事網(wǎng)絡（第4卷）

第1章  引言 1
1.1  網(wǎng)絡與網(wǎng)絡科學的定義 1
1.2  新世紀對網(wǎng)絡科學的迫切需求 2
1.2.1  世界經(jīng)濟發(fā)展對網(wǎng)絡科學的需求 3
1.2.2  網(wǎng)絡社會崛起對網(wǎng)絡科學的需求 4
1.2.3  軍事指揮控制網(wǎng)絡和網(wǎng)絡中心戰(zhàn)及網(wǎng)絡戰(zhàn)對網(wǎng)絡科學的需求 4
1.2.4  事關世界各國安危的網(wǎng)絡安全對網(wǎng)絡科學的需求 7
1.3  網(wǎng)絡科學發(fā)展歷史回顧 8
1.3.1  網(wǎng)絡科學的來源 8
1.3.2  規(guī)則網(wǎng)絡理論 10
1.3.3  社會網(wǎng)絡圖和社會網(wǎng)絡分析 11
1.3.4  隨機網(wǎng)絡理論 11
1.3.5  從阿帕網(wǎng)、因特網(wǎng)到萬維網(wǎng) 12
1.3.6  從復雜網(wǎng)絡到網(wǎng)絡科學研究的新進展 14
1.3.7  百家爭鳴和百花齊放的網(wǎng)絡科學研究 18
1.3.8  新世紀初網(wǎng)絡科學的新進展 21
1.4  網(wǎng)絡科學研究方法及體系的初步框架簡介 27
1.5  網(wǎng)絡科學的子學科 28
參考文獻 30
第2章  從發(fā)展軍事網(wǎng)絡到探索軍事網(wǎng)絡科學 34
2.1  概述：軍事網(wǎng)絡發(fā)展歷史回顧 34
2.1.1  長城 34
2.1.2  驛站 36
2.1.3  燈塔 37
2.1.4  13世紀蒙古帝國軍隊的指揮通信網(wǎng)絡 38
2.1.5  信鴿用于軍事通信 38
2.1.6  15世紀中國鄭和艦隊的指揮控制網(wǎng)絡 40
2.1.7  16世紀英國將燈塔網(wǎng)絡用于海戰(zhàn)預警 40
2.1.8  第一次世界大戰(zhàn)前后的指揮通信網(wǎng)絡 41
2.1.9  第二次世界大戰(zhàn)前軍用無線電通信裝備迅速發(fā)展 42
2.1.10  英國創(chuàng)建軍用雷達網(wǎng)并成功用于第二次世界大戰(zhàn) 42
2.1.11  美軍研制預警飛機和數(shù)據(jù)鏈 45
2.1.12  冷戰(zhàn)時期美軍建設的防空網(wǎng)絡 47
2.1.13  美國建設全球指揮控制系統(tǒng)WWMCCS 50
2.1.14  軍事衛(wèi)星網(wǎng)絡 50
2.1.15  美國的全球信息網(wǎng)格 54
2.1.16  世界各國的導彈防御系統(tǒng) 54
2.1.17  在生物武器防御作戰(zhàn)中使用的網(wǎng)絡 56
2.2  美軍建設大型網(wǎng)絡、進行網(wǎng)絡戰(zhàn)的經(jīng)驗教訓和有爭議問題 56
2.2.1  美軍防空司令部指揮控制網(wǎng)絡的虛警事故 56
2.2.2  美軍對伊拉克軍事指揮控制網(wǎng)絡的攻擊效果不佳 57
2.2.3  伊拉克戰(zhàn)爭暴露出美軍通信網(wǎng)絡設計的弱點 57
2.2.4  美軍建設的全球最大內(nèi)部網(wǎng)絡未達標 58
2.2.5  美軍通信網(wǎng)絡的安全漏洞 58
2.2.6  在反恐戰(zhàn)爭中美軍無人偵察通信網(wǎng)絡出現(xiàn)泄密問題 58
2.2.7  網(wǎng)絡作戰(zhàn)既可產(chǎn)生巨大效益，也潛藏著巨大風險 59
2.2.8  在網(wǎng)絡戰(zhàn)爭中，最有可能遭受巨大損失的是美國 59
2.2.9  不可低估網(wǎng)絡戰(zhàn)效能評估的復雜性，特別要正確評估網(wǎng)絡戰(zhàn)中人的因素 60
2.2.10  既要研究網(wǎng)絡科學的普遍規(guī)律，更要研究網(wǎng)絡戰(zhàn)中軍事網(wǎng)絡的特殊規(guī)律 61
2.3  美軍重視探索軍事網(wǎng)絡科學 62
2.3.1  軍事網(wǎng)絡科學的一個基本任務 62
2.3.2  國防大學成立信息資源管理學院培養(yǎng)網(wǎng)絡戰(zhàn)骨干人才 63
2.3.3  組建陸軍網(wǎng)絡科學、技術與實驗中心 64
2.3.4  在西點軍校建立網(wǎng)絡科學中心和網(wǎng)絡戰(zhàn)靶場 66
2.3.5  美國國防部《網(wǎng)絡中心作戰(zhàn)概念框架》 68
2.3.6  美國國防部《C4ISR體系結(jié)構框架》與《國防部體系結(jié)構框架》 68
2.3.7  開展對于恐怖組織網(wǎng)絡的研究 69
2.3.8  國家網(wǎng)絡靶場 70
2.3.9  研究報告《陸軍網(wǎng)絡科學》 76
2.3.10  美軍2015年有關軍事網(wǎng)絡科學的研究方向及項目 82
2.3.11  指揮與控制、研究與技術學術研討會有關軍事網(wǎng)絡科學的討論專題 85
參考文獻 87
第3章  自適應網(wǎng)絡及美軍的研究進展 92
3.1  概述 92
3.1.1  控制復雜網(wǎng)絡中的集體現(xiàn)象與自適應網(wǎng)絡協(xié)同演化研究 92
3.1.2  NETSCI 2013舉辦衛(wèi)星學術研討會：自適應網(wǎng)絡的協(xié)同演化 92
3.1.3  對于網(wǎng)絡科學一些基本概念的特別說明 93
3.1.4  新出現(xiàn)的術語“自適應網(wǎng)絡”簡介 93
3.2  真實的自適應網(wǎng)絡 94
3.2.1  道路網(wǎng)絡 94
3.2.2  萬維網(wǎng) 96
3.2.3  電力網(wǎng)絡 99
3.2.4  社會生態(tài)網(wǎng)絡 100
3.2.5  人際關系網(wǎng)絡 102
3.3  自適應網(wǎng)絡研究的新進展 103
3.3.1  自適應網(wǎng)絡研究的兩大方向 103
3.3.2  多學科交叉研究自適應網(wǎng)絡 104
3.4  Bak-Sneppen生態(tài)網(wǎng)絡演化模型及其改進 106
3.4.1  食物鏈與食物網(wǎng)絡 106
3.4.2  SOC理論與Bak-Sneppen模型 107
3.4.3  Christensen對Bak-Sneppen模型的改進 109
3.5  在布爾網(wǎng)絡中魯棒的自組織 109
3.6  耦合振子自適應網(wǎng)絡研究的新發(fā)現(xiàn) 113
3.6.1  自發(fā)分工 113
3.6.2  冪律現(xiàn)象 114
3.7  自適應網(wǎng)絡的合作博弈 115
3.8  在民意形成和流行病傳播中的動力學及相變 118
3.9  發(fā)現(xiàn)在各種自適應網(wǎng)絡中潛藏的普遍性行為、規(guī)律和規(guī)則 121
3.9.1  自適應網(wǎng)絡具有普遍性的行為和規(guī)律 121
3.9.2  建立自適應網(wǎng)絡動力學規(guī)則庫的初步嘗試 122
3.9.3  開始研究自適應網(wǎng)絡統(tǒng)一的理論 123
3.10  美軍研究和應用自適應網(wǎng)絡的新成果 124
3.10.1  美國國防部的“聯(lián)合網(wǎng)絡作戰(zhàn)聯(lián)合測試”與“計算機自適
應網(wǎng)絡的深度防御”項目 124
3.10.2  美國國防部研究項目：自適應網(wǎng)絡用于威脅和攻擊監(jiān)測或制止 127
參考文獻 128
第4章  利用信息理論分析、評價和優(yōu)化指揮控制網(wǎng)絡 134
4.1  霍普金斯大學應用物理實驗室發(fā)布的Scheidt獲獎公告 134
4.1.1  Scheidt簡介 134
4.1.2  用信息理論優(yōu)化C2結(jié)構 135
4.1.3  將OPISR用于無人機、無人值守地面?zhèn)鞲衅饕约扒熬€指揮控制/通信網(wǎng)絡 135
4.1.4  利用“OPISR云”組建新型指揮控制/通信網(wǎng)絡，顯著減少通信時間 135
4.2  Scheidt利用信息理論分析和優(yōu)化指揮控制網(wǎng)絡結(jié)構概述 136
4.2.1  敏捷的C2可以提供在作戰(zhàn)中的一個決定性優(yōu)勢 136
4.2.2  根據(jù)美軍作戰(zhàn)經(jīng)驗，對于將無標度網(wǎng)絡用于軍事提出建議 136
4.3  指揮控制系統(tǒng)的定義 137
4.4  信息理論的系統(tǒng)特性 138
4.5  信息適應性 139
4.6  方法論 140
4.6.1  使用圖論的概念定義指揮控制網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構 140
4.6.2  信息流模擬 142
4.6.3  驗證新假設 143
4.6.4  信息流與執(zhí)行 144
4.7  結(jié)果 145
4.7.1  C2拓撲結(jié)構對態(tài)勢感知的影響（信息流仿真） 145
4.7.2  C2拓撲結(jié)構對控制效果的影響（信息流量，執(zhí)行機構） 147
4.8  控制 149
4.9  信息適應性修正 149
4.10  適應和學習 150
4.11  未來的工作 151
4.12  結(jié)論 151
附件A：信息流模擬所用的拓撲結(jié)構表 152
附件B：信息流與執(zhí)行仿真所用的拓撲結(jié)構表 153
附件C：Scheidt領導的“有組織、持久的情報，監(jiān)視和偵察（OPISR）項目”簡介 153
參考文獻 162
第5章  國家重要基礎設施網(wǎng)絡與相互依存網(wǎng)絡的級聯(lián)故障 165
5.1  引言 165
5.1.1  美國和歐盟立法保護關鍵基礎設施網(wǎng)絡 165
5.1.2  美國國防威脅降低局重視研究相互依存網(wǎng)絡的故障 165
5.1.3  網(wǎng)絡科學的重要轉(zhuǎn)折：從單一網(wǎng)絡到網(wǎng)絡的網(wǎng)絡 166
5.2  相互依存的基礎設施網(wǎng)絡 167
5.3  兩個相互依存網(wǎng)絡級聯(lián)故障的分析框架 168
5.3.1  模擬2003年在意大利電力網(wǎng)絡級聯(lián)故障造成的大停電過程 169
5.3.2  模擬兩個相互依存網(wǎng)絡 170
5.3.3  使用兩個Erdos-Renyi隨機網(wǎng)絡 171
5.3.4  兩個網(wǎng)絡的生成函數(shù) 173
5.4  N個相互依存網(wǎng)絡的網(wǎng)絡（NetONets）分析框架 174
5.4.1  通用框架 175
5.4.2  滲流規(guī)律 175
5.5  利用沙堆模型研究抑制電力網(wǎng)絡的級聯(lián)過載 178
5.5.1  研究2003年北美歷史上最大面積的連鎖停電事故 178
5.5.2  利用沙堆動力學模型研究電力網(wǎng)絡級聯(lián)故障 178
5.5.3  結(jié)果 183
5.6  相互依存的空間受限網(wǎng)絡 189
5.6.1  空間受限網(wǎng)絡的維數(shù) 189
5.6.2  相互依存的空間受限網(wǎng)絡的脆弱性 189
5.7  NetONets動力學的研究進展 191
5.7.1  演化博弈 191
5.7.2  同步 191
5.7.3  傳播 191
5.8  NetONets研究的簡要回顧與展望 192
參考文獻 194
第6章  動態(tài)社會網(wǎng)絡分析方法在反恐戰(zhàn)爭和軍事訓練中的應用 198
6.1 “9?11事件”后動態(tài)社會網(wǎng)絡研究面臨迫切需求 198
6.1.1  Valdis E. Krebs對“9?11事件”恐怖組織網(wǎng)絡的分析 198
6.1.2  動態(tài)社會網(wǎng)絡建模和分析學術會議 199
6.1.3  K. Carley對“美國大使館被炸事件”恐怖組織網(wǎng)絡的分析 202
6.2  動態(tài)網(wǎng)絡分析概述 207
6.2.1  社會網(wǎng)絡分析 208
6.2.2  連接分析 208
6.2.3  多代理系統(tǒng) 211
6.2.4  動態(tài)網(wǎng)絡分析的新進展 212
6.3  McCulloh將縱向社會網(wǎng)絡變化檢測用于反恐及軍事訓練 215
6.3.1  Ian McCulloh簡介 2