关键基础设施网间脆弱性分析及保护

摘要

在现代社会中，国家安全、经济繁荣以及民众的福利，都严重的依赖于一套主要由国家电网、电信、以及石油与天然气等系统所构成的‘关键基础设施’；然而不幸的是，关键基础设施被普遍认为是脆弱的，因为广泛的自然灾害和社会仇视者的恶意攻击都能对基础设施系统造成损害，而致使相关服务变的不可靠、甚至是不可得。因此外部威胁下关键基础设施的功能保护问题已成为现代社会急需解决的重大现实问题。在目前看来，传统的可靠性以及风险分析方法难以为此提供有效支撑，因此急需发展一个新的范式来分析和管理关键基础设施这类复杂的分布式巨型网络。
　　本文旨在通过多学科交叉融合的方式为上述问题提出一种新的研究范式，以及一整套相应的定量化分析方法，并初步构建关于基础设施自适应攻防的行为理论，为以消减基础设施脆弱性为导向的公共政策的制定提供决策支持，同时为理解复杂攻防局势下基础设施系统的整体行为提供理论上的指导。相应地，本文通过一种交互的视角，将外部威胁下关键基础设施的功能保护问题看成是正反两种干涉力量围绕基础设施系统的脆弱性而展开的一个‘冲突局势’，并在博弈论的框架下，通过最优化和蒙特卡洛模拟等定量化方法，深入探讨了攻防双方的行为与基础设施系统的整体行为之间的关系，提出了基础设施脆弱性分析与保护规划的行为建模框架，给出了不同类型基础设施系统的攻防博弈模型及其求解算法。在该分析范式下，基础设施网络的脆弱性分析被转化成了攻击行为与基础设施的整体行为之间的对应关系，而基础设施保护规划则被转化成了攻防行为与基础设施整体行为之间的对应关系，并在实例研究的基础上，归纳了影响自适应攻防行为的主要因素，以及不同条件下的攻防占优策略，同时归纳了不同攻防自由度下的攻防均衡与基础设施系统服务可靠性之间的关系。
　　本文的主要工作如下：
　　（1）关键基础设施保护规划问题的概念建模研究将基础设施保护规划问题结构化为攻击策略集、保护策略集、系统组件的攻防响应行为、系统的关联响应行为，以及系统绩效测量五大建模模块。相应地，在对系统外部威胁不确定性进行分类的基础上提出了攻击策略集的结构化描述；在介绍寻租竞争成功函数的基础上，通过对其进行拓展提出了基础设施的组件攻防成功函数，并对围绕基础设施组件所进行的攻防行为进行了建模；在借用抽象的基础设施系统运作模型的基础上，按照博弈论的框架提出了关键基础设施攻防博弈元模型；最后在上述基础上，提出了关键基础设施保护规划的行为建模框架。
　　（2）不同类型基础设施脆弱性分析与保护规划问题的建模研究根据基础设施结构特征的不同，将研究对象细分为了‘离散型基础设施’、‘网络型基础设施’和‘相互关联的多重基础设施’三种基本类型，并依据所提出的行为建模框架，在不同的参数选择下，结合不同类型基础设施的运作优化模型，分别建立了基于确定阻断后果的离散型基础设施攻防博弈模型，基于确定阻断后果的网络型基础设施攻防博弈模型，基于随机阻断后果的网络型基础设施攻防博弈模型，上述攻防博弈模型在特定的条件下可以分别退化为相应的脆弱性分析模型和保护规划模型。对于对多重基础设施，在宏观层面，提出了基于外部不确定性驱动的多重基础设施失效容量输入-输出分析模型；在中观层面上，则构建了基础设施网间相互依赖的网络流模型，以及相应的脆弱性分析和保护规划模型。
　　（3）模型的求解算法研究与仿真实现针对确定阻断基础设施攻防博弈模型的特征，通过在求解的过程中不断的抽取组件保护的可替代性信息，以及局部最优定界信息，提出了启发式双向剪枝算法，其中，替代性剪枝是从搜索树的树根向树枝进行剪枝，局部最优定界剪枝是从树叶向别的树枝进行回溯剪枝。针对随机阻断后果的基础设施攻防博弈模型的特征，提出了蒙特卡洛模拟演化算法。
　　（4）实例应用研究利用本文所提出的各类攻防博弈模型以及求解算法，通过构造不同的攻防局势，分别对我国的西气东输天然气网络、某供应链终端设施系统以及某互联网骨干网络进行了具体的应用分析，并对不同参数条件下的仿真结果进行了讨论和归纳。

目录

关键基础设施网间脆弱性分析及保护

VULNERABILITIES ANALYSIS AND PROTECTION PLANNING FOR CRITICAL INFRASTRUCTURES

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景与问题的提出

1.2 研究的目的与意义

1.2.1 研究目的

1.2.2 研究意义

1.3 国内外研究进展及评述

1.3.1 国家战略层面上的总进展

1.3.2 对基础设施网络的认知和理解

1.3.3 基础设施风险管理的相关研究概述

1.3.4 相互依赖关键基础设施的建模与仿真

1.3.5 外部威胁下工程系统的可靠性研究

1.3.6 网络脆弱性阻断分析及智能攻击研究

1.3.7 研究进展的总体评述

1.4 主要研究内容与研究方法

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 研究方法

第2章 关键基础设施保护的行为建模框架

2.1 关键基础设施的网间脆弱性

2.1.1 脆弱性

2.1.2 复杂工程系统的脆弱性

2.1.3 物理层之间的相互依赖与脆弱性

2.1.4 数字层的依赖与脆弱性

2.2 关键基础设施的可靠性

2.2.1 可靠性

2.2.2 可靠性工程的基本问题和视角

2.2.3 面向关键基础设施系统的可靠性问题

2.3 关键基础设施保护的攻防博弈行为建模框架

2.3.1 基础设施外部威胁不确定性分类与攻击策略

2.3.2 基础设施的组件攻防行为建模

2.3.3 关键基础设施系统的攻防关联响应行为建模

2.3.4 行为建模框架的参数选择与特定化

2.4 本章小结

第3章 基础设施的网络属性与绩效测量

3.1 关键基础设施的基本拓扑结构

3.1.1 电力网络的拓扑结构

3.1.2 电信网络的拓扑结构

3.1.3 其它的城市生命线系统的拓扑结构

3.2 关键基础设施的网络属性测量

3.3 网络绩效的测量

3.3.1 不同类型的网络与绩效测量

3.3.2 网络连通性测量

3.3.3 变动运送成本下的网络绩效测量

3.3.4 不同测量方式的比较

3.4 本章小结

第4章 离散型基础设施系统的脆弱性分析与保护

4.1 离散型基础设施的运作优化与脆弱性分析介绍

4.1.1 离散型基础设施的运作优化

4.1.2 离散型基础设施的脆弱性分析

4.2 离散型基础设施系统的攻防博弈分析

4.2.1 离散型基础设施系统同时行动攻防博弈模型

4.2.2 离散型基础设施系统序贯行动攻防博弈模型

4.2.3 脆弱点组合与最优保护策略的甄别困境

4.3 基于启发式的基础设施保护策略甄别方法

4.3.1 总体的思路

4.3.2 破除组合困境的基本思想

4.3.3 启发式基础设施保护策略甄别算法

4.4 应用：某供应链终端设施系统的攻防博弈分析

4.4.1 最优设施运作地点的确定

4.4.2 脆弱性分析

4.4.3 序贯行动攻防博弈分析及其均衡

4.4.4 同时行动攻防博弈分析及其均衡

4.5 本章小结

第5章 网络型基础设施系统的脆弱性分析与保护

5.1 网络的解构

5.2 基于确定阻断的基础设施网络脆弱性评价模型

5.2.1 基于网络连通性的脆弱性评价模型介绍

5.2.2 基于网络流重新分布的脆弱性分析模型

5.3 基于确定阻断的网络型基础设施攻防博弈模型

5.3.1 网络型基础设施系统同时行动攻防博弈模型

5.3.2 网络型基础设施系统序贯行动攻防博弈模型

5.3.3 应用：Abilene网主干网络的攻防博弈分析

5.4 基于随机阻断后果的网络型基础设施攻防博弈分析

5.4.1 基于随机阻断后果的基础设施网间脆弱性分析模型

5.4.2 自然灾害下网络型基础设施的保护规划模型

5.4.3 自适应威胁下网络型基础设施的保护规划模型

5.5 网络型基础设施攻防博弈蒙特卡洛模拟演化算法

5.5.1 模型求解的基本思路

5.5.2 脆弱性分析模型蒙特卡洛模拟算法

5.5.3 自然灾害型保护规划蒙特卡洛模拟算法

5.5.4 自适应威胁型保护规划蒙特卡洛模拟算法

5.6 应用：西气东输天然气网络的脆弱性分析与保护规划

5.6.1 西气东输工程简介

5.6.2 西气东输天然气主干网络的拓扑属性分析

5.6.3 自然灾害威胁下西气东输网络的保护规划

5.6.5 自适应威胁下西气东输网络的保护规划

5.5 本章小结

第6章 多重基础设施系统的脆弱性分析与保护

6.1 基于外界不确定性驱动的多重基础设施网间脆弱性分析

6.1.1 里昂惕夫投入-产出模型

6.1.2 构造里昂惕夫对偶系统对多重基础设施进行建模

6.1.3 构造里昂惕夫系统的对偶问题

6.1.4 相互关联基础设施系统的动态方程

6.1.5 与Haimes失效容量输入-输出模型的对比

6.1.6 仿真模型

6.1.7 仿真示例

6.2 基于网络流的多重基础设施网间脆弱性分析

6.3 相互关联基础设施系统间的依赖关系

6.4 数据结构的构造

6.4.1 单个基础设施网内的结构描述

6.4.2 基础设施网间依赖结构的描述

6.4.3 约束条件

6.5 多重基础设施网络运作模型

6.6 多重基础设施网络智能攻击模型

6.7 多重基础设施网间保护模型

6.8 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历