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当前我国正在实施网络强国强军战略，网络科学引起了科技工作者的广泛关注并与民众生活日益密切相关。本书瞄准网络科学面临的重大社会需求，用5年时间写成，共有8章。介绍了网络科学的最新进展及军事网络的发展历史；美军建设大型网络、实施网络战的经验教训及探索军事网络科学的新进展。重点介绍了国外研究国家基础设施和军事网络科学的新进展及应用案例，包括：自适应网络研究；利用信息理论优化指挥控制网络；利用相互依存网络研究国家基础设施网络级联故障；动态社会网络分析用于军事训练；网络战态势认知、预测及显示。展望了量子科学与网络科学交叉融合的广阔前景。本书不仅适于作为军事科研和教学的参考书，也适于军内外的广大科技人员、大学生和研究生阅读。

第1章  引言	1
1.1  网络与网络科学的定义	1
1.2  新世纪对网络科学的迫切需求	2
1.2.1  世界经济发展对网络科学的需求	3
1.2.2  网络社会崛起对网络科学的需求	4
1.2.3  军事指挥控制网络和网络中心战及网络战对网络科学的需求	4
1.2.4  事关世界各国安危的网络安全对网络科学的需求	7
1.3  网络科学发展历史回顾	8
1.3.1  网络科学的来源	8
1.3.2  规则网络理论	10
1.3.3  社会网络图和社会网络分析	11
1.3.4  随机网络理论	11
1.3.5  从阿帕网、因特网到万维网	12
1.3.6  从复杂网络到网络科学研究的新进展	14
1.3.7  百家争鸣和百花齐放的网络科学研究	18
1.3.8  新世纪初网络科学的新进展	21
1.4  网络科学研究方法及体系的初步框架简介	27
1.5  网络科学的子学科	28
参考文献	30
第2章  从发展军事网络到探索军事网络科学	34
2.1  概述：军事网络发展历史回顾	34
2.1.1  长城	34
2.1.2  驿站	36
2.1.3  灯塔	37
2.1.4  13世纪蒙古帝国军队的指挥通信网络	38
2.1.5  信鸽用于军事通信	38
2.1.6  15世纪中国郑和舰队的指挥控制网络	40
2.1.7  16世纪英国将灯塔网络用于海战预警	40
2.1.8  第一次世界大战前后的指挥通信网络	41
2.1.9  第二次世界大战前军用无线电通信装备迅速发展	42
2.1.10  英国创建军用雷达网并成功用于第二次世界大战	42
2.1.11  美军研制预警飞机和数据链	45
2.1.12  冷战时期美军建设的防空网络	47
2.1.13  美国建设全球指挥控制系统WWMCCS	50
2.1.14  军事卫星网络	50
2.1.15  美国的全球信息网格	54
2.1.16  世界各国的导弹防御系统	54
2.1.17  在生物武器防御作战中使用的网络	56
2.2  美军建设大型网络、进行网络战的经验教训和有争议问题	56
2.2.1  美军防空司令部指挥控制网络的虚警事故	56
2.2.2  美军对伊拉克军事指挥控制网络的攻击效果不佳	57
2.2.3  伊拉克战争暴露出美军通信网络设计的弱点	57
2.2.4  美军建设的全球最大内部网络未达标	58
2.2.5  美军通信网络的安全漏洞	58
2.2.6  在反恐战争中美军无人侦察通信网络出现泄密问题	58
2.2.7  网络作战既可产生巨大效益，也潜藏着巨大风险	59
2.2.8  在网络战争中，最有可能遭受巨大损失的是美国	59
2.2.9  不可低估网络战效能评估的复杂性，特别要正确评估网络战中人的因素	60
2.2.10  既要研究网络科学的普遍规律，更要研究网络战中军事网络的特殊规律	61
2.3  美军重视探索军事网络科学	62
2.3.1  军事网络科学的一个基本任务	62
2.3.2  国防大学成立信息资源管理学院培养网络战骨干人才	63
2.3.3  组建陆军网络科学、技术与实验中心	64
2.3.4  在西点军校建立网络科学中心和网络战靶场	66
2.3.5  美国国防部《网络中心作战概念框架》	68
2.3.6  美国国防部《C4ISR体系结构框架》与《国防部体系结构框架》	68
2.3.7  开展对于恐怖组织网络的研究	69
2.3.8  国家网络靶场	70
2.3.9  研究报告《陆军网络科学》	76
2.3.10  美军2015年有关军事网络科学的研究方向及项目	82
2.3.11  指挥与控制、研究与技术学术研讨会有关军事网络科学的讨论专题	85
参考文献	87
第3章  自适应网络及美军的研究进展	92
3.1  概述	92
3.1.1  控制复杂网络中的集体现象与自适应网络协同演化研究	92
3.1.2  NETSCI 2013举办卫星学术研讨会：自适应网络的协同演化	92
3.1.3  对于网络科学一些基本概念的特别说明	93
3.1.4  新出现的术语“自适应网络”简介	93
3.2  真实的自适应网络	94
3.2.1  道路网络	94
3.2.2  万维网	96
3.2.3  电力网络	99
3.2.4  社会生态网络	100
3.2.5  人际关系网络	102
3.3  自适应网络研究的新进展	103
3.3.1  自适应网络研究的两大方向	103
3.3.2  多学科交叉研究自适应网络	104
3.4  Bak-Sneppen生态网络演化模型及其改进	106
3.4.1  食物链与食物网络	106
3.4.2  SOC理论与Bak-Sneppen模型	107
3.4.3  Christensen对Bak-Sneppen模型的改进	109
3.5  在布尔网络中鲁棒的自组织	109
3.6  耦合振子自适应网络研究的新发现	113
3.6.1  自发分工	113
3.6.2  幂律现象	114
3.7  自适应网络的合作博弈	115
3.8  在民意形成和流行病传播中的动力学及相变	118
3.9  发现在各种自适应网络中潜藏的普遍性行为、规律和规则	121
3.9.1  自适应网络具有普遍性的行为和规律	121
3.9.2  建立自适应网络动力学规则库的初步尝试	122
3.9.3  开始研究自适应网络统一的理论	123
3.10  美军研究和应用自适应网络的新成果	124
3.10.1  美国国防部的“联合网络作战联合测试”与“计算机自适
应网络的深度防御”项目	124
3.10.2  美国国防部研究项目：自适应网络用于威胁和攻击监测或制止	127
参考文献	128
第4章  利用信息理论分析、评价和优化指挥控制网络	134
4.1  霍普金斯大学应用物理实验室发布的Scheidt获奖公告	134
4.1.1  Scheidt简介	134
4.1.2  用信息理论优化C2结构	135
4.1.3  将OPISR用于无人机、无人值守地面传感器以及前线指挥控制/通信网络	135
4.1.4  利用“OPISR云”组建新型指挥控制/通信网络，显著减少通信时间	135
4.2  Scheidt利用信息理论分析和优化指挥控制网络结构概述	136
4.2.1  敏捷的C2可以提供在作战中的一个决定性优势	136
4.2.2  根据美军作战经验，对于将无标度网络用于军事提出建议	136
4.3  指挥控制系统的定义	137
4.4  信息理论的系统特性	138
4.5  信息适应性	139
4.6  方法论	140
4.6.1  使用图论的概念定义指挥控制网络的拓扑结构	140
4.6.2  信息流模拟	142
4.6.3  验证新假设	143
4.6.4  信息流与执行	144
4.7  结果	145
4.7.1  C2拓扑结构对态势感知的影响（信息流仿真）	145
4.7.2  C2拓扑结构对控制效果的影响（信息流量，执行机构）	147
4.8  控制	149
4.9  信息适应性修正	149
4.10  适应和学习	150
4.11  未来的工作	151
4.12  结论	151
附件A：信息流模拟所用的拓扑结构表	152
附件B：信息流与执行仿真所用的拓扑结构表	153
附件C：Scheidt领导的“有组织、持久的情报，监视和侦察（OPISR）项目”简介	153
参考文献	162
第5章  国家重要基础设施网络与相互依存网络的级联故障	165
5.1  引言	165
5.1.1  美国和欧盟立法保护关键基础设施网络	165
5.1.2  美国国防威胁降低局重视研究相互依存网络的故障	165
5.1.3  网络科学的重要转折：从单一网络到网络的网络	166
5.2  相互依存的基础设施网络	167
5.3  两个相互依存网络级联故障的分析框架	168
5.3.1  模拟2003年在意大利电力网络级联故障造成的大停电过程	169
5.3.2  模拟两个相互依存网络	170
5.3.3  使用两个Erdos-Renyi随机网络	171
5.3.4  两个网络的生成函数	173
5.4  N个相互依存网络的网络（NetONets）分析框架	174
5.4.1  通用框架	175
5.4.2  渗流规律	175
5.5  利用沙堆模型研究抑制电力网络的级联过载	178
5.5.1  研究2003年北美历史上最大面积的连锁停电事故	178
5.5.2  利用沙堆动力学模型研究电力网络级联故障	178
5.5.3  结果	183
5.6  相互依存的空间受限网络	189
5.6.1  空间受限网络的维数	189
5.6.2  相互依存的空间受限网络的脆弱性	189
5.7  NetONets动力学的研究进展	191
5.7.1  演化博弈	191
5.7.2  同步	191
5.7.3  传播	191
5.8  NetONets研究的简要回顾与展望	192
参考文献	194
第6章  动态社会网络分析方法在反恐战争和军事训练中的应用	198
6.1 “9?11事件”后动态社会网络研究面临迫切需求	198
6.1.1  Valdis E. Krebs对“9?11事件”恐怖组织网络的分析	198
6.1.2  动态社会网络建模和分析学术会议	199
6.1.3  K. Carley对“美国大使馆被炸事件”恐怖组织网络的分析	202
6.2  动态网络分析概述	207
6.2.1  社会网络分析	208
6.2.2  连接分析	208
6.2.3  多代理系统	211
6.2.4  动态网络分析的新进展	212
6.3  McCulloh将纵向社会网络变化检测用于反恐及军事训练	215
6.3.1  Ian McCulloh简介	215
6.3.2  纵向社会网络变化检测概述	216
6.3.3  背景知识	219
6.3.4  数据	222
6.3.5  虚拟试验方法	225
6.3.6  结果	227
6.3.7  结论	236
参考文献	238
第7章  网络战态势感知、显示与预测	241
7.1  概述	241
7.1.1  军事需求	242
7.1.2  研究和应用成果简介	243
7.2  背景知识	244
7.2.1  决策洞察能力层次划分的MooD框架	244
7.2.2  将决策洞察力用于网络态势感知的DSTL视图	246
7.3  概念与方法	247
7.3.1  用于网络态势感知的业务视图的基本概念	247
7.3.2  利用基本概念来预测未来并预报入侵	249
7.3.3  网络事件链：从事件到事件	250
7.4  利用MooD交互式软件系统实现网络态势感知和预测	252
7.4.1  应用概述	252
7.4.2  根据多种视角来决策	253
7.4.3  战例和网络态势感知系统的屏幕截图示例	253
7.5  其他的方法和技术	254
7.6  今后的研究课题	256
参考文献	257
第8章  量子科学与未来网络科学的发展	260
8.1  经历一百多年发展的量子科学技术	260
8.2  量子计算机	263
8.2.1  量子计算机的先行者	263
8.2.2  D-Wave公司的商用型量子计算机	264
8.2.3  首台可编程通用量子计算机	265
8.2.4  美国国家安全局决定研制量子计算机	265
8.3  量子密码学	265
8.3.1  量子密码学的先行者	265
8.3.2  Shor的量子算法引起了量子密码学和量子计算的研究热潮	266
8.3.3  量子密码分配实验和产品市场化的先行者Nicolas Gisin	267
8.4  量子网络	268
8.4.1  迅速发展的量子网络	268
8.4.2  美国国防部高级研究计划局支持研制量子网络	269
8.4.3  中国的量子网络	273
8.4.4  欧盟支持的维也纳量子密钥分配网络	275
8.4.5  瑞士的日内瓦区域网络	276
8.4.6  日本的东京量子密钥分配网络	276
8.5  量子算法	276
8.5.1  基于量子傅里叶变换的算法	276
8.5.2  基于振幅放大的量子算法	278
8.5.3  量子游走算法	279
8.5.4  BQP问题	281
参考文献	281
附件  名词术语中英文对照及索引	287

前   言
在新世纪到来时，受到巨大社会需求的推动，得益于多学科和领域的交叉融合，网络科学迎来了大发展的新机遇。美国网络科学家A. L. Barabási在2002年出版的专著《连线：网络的新科学》中写道，“在21世纪初，科学家们将其研究工作转向‘节点之间的连接’，带领人们加入正在开展的网络革命（Network Revolution）”。
2005年11月，美国科学院国家研究委员会在完成了“网络科学在未来陆军的应用”研究项目之后，发表了研究报告《网络科学》。该报告指出：“网络科学是研究利用网络来描述物理、生物和社会现象，建立这些现象预测模型的科学。”当时，国内尚缺少介绍网络科学军事应用的教材和科学普及读物。另外，一些科研人员反映该报告正文仅51页，其中的许多内容不易为我国读者理解。为了便于读者了解国内外网络科学及其军事应用的新进展，从2006年12月至2010年5月，本人先后编著出版了《网络科学》第一卷～第三卷。第一卷在该报告的基础上，充实了大量与我国军事应用有关的网络科学内容、基础知识和案例，概述了基于复杂系统的大数据、建模（以网络结构与演化等模型为重点）与仿真、优化、分析与预测为重点的网络科学研究方法。第二卷介绍了2007年美国科学院国家研究委员会的研究报告《陆军网络科学技术与实验中心的政策》、网络经济学、网络社会学与网络统计学，还重点介绍了将动态社会网络分析方法用于打击恐怖组织网络。第三卷介绍了将网络科学用于应对生物武器对人类的威胁、网络生物学及多种生物网络和生态网络模型。
2010年6月，我开始编写《网络科学》第四卷，重点介绍网络科学在国家重要基础设施网络安全与军事网络科学研究中的新进展。这主要基于下列两方面的考虑：
第一，近年来网络科学的迅速发展，促进了在国家基础设施网络安全与军事网络科学研究中取得令人瞩目的新进展。正如Barabási在《Nature Physics》（2012年1月）发表的题为“网络取而代之”的文章中所言：“虽然复杂性作为一个研究领域，发展势头疲软。但是，复杂系统的基于数据的数学模型却正在提供一种新视角，迅速发展成一门新学科——网络科学。” 
第二，大约是从2006年开始至2010年“震网”病毒被公布，一些媒体披露美国和以色列军方曾经利用该病毒对伊朗布舍尔核电站控制系统连续发动了多次攻击，导致其大量电脑和离心机等设备瘫痪，迫使其核计划至少延缓两年。有不少专家认为：这是第一次真正意义上的“网络战争”，正是该病毒打开了网络战争时代的大门；在未来网络战争中，交战各方将会围绕国家关键基础设施和军事网络的控制权，展开持久、激烈的网络争夺战。
我退休已过十年，特别感谢现任军事科学院政委许耀元、副院长何雷，科研指导部部长皮明勇，作战理论和条令研究部部长谭亚东、副部长陈荣弟和刘仁献，联合作战研究实验中心主任李辉和协理员周文等有关领导审阅了本书稿件，大力支持出版本书。特别感谢军事科学出版社社长徐玉柱、副社长兼总编张晓明、副总编孙振江及编辑常巧章，还有黄谦、蔡游飞、张文志、刘旸、程飞、安欣及屈晏弘等为出版本书给予的许多帮助。
特别感谢国防大学信息作战与指挥训练教研部副主任胡晓峰教授审阅了本书稿件，提供了重要指导意见。
特别感谢中国指挥与控制学会名誉理事长李德毅院士、理事长戴浩院士、秘书长秦继荣研究员的帮助及大力支持。特别感谢中国指挥与控制学会为本书出版划拨专项出版经费。中国指挥与控制学会学报编辑部刘玉晓编辑，为本书的出版，做出很多实务性工作，一并致谢。
特别感谢电子工业出版社编辑徐蔷薇等，承担了本书出版中的许多工作。
在本书即将出版之际，我谨向曾经求教过的、已故的M. Kochen教授及其他网络科学研究先行者们表达深切的怀念和敬意；谨向我的导师、已故的中国科学院高庆狮院士表达深切的怀念和敬意；衷心感谢美国南方大学物理学教授郭东升对本书第8章提出有关量子科学的宝贵意见；我也向在本书中借鉴和引用的所有论著作者们表示衷心的感谢。
从2004年至今12年漫长的写书过程中，我特别要感谢家人和许多读者经常提醒我保持“良好的健康状况，适当的写作进度”。他们提供了许多宝贵意见并鼓励我笔耕不辍。
在本书付梓出版时，作者又见到许多网络科学的新论著，深感自己水平有限，对于本书中的遗漏和错误，恳请读者批评指正。
曾宪钊      
2016年5月2日于北京

序  一
网络科学出现在网络工程之后。在传统通信网络工程建设中，首先要考虑的是网络拓扑设计。网络拓扑的基本形态有星形（star）、环形（ring）和网状（mesh），各种复杂网络拓扑都是这些简单形态的组合。网络科学就是以网络拓扑作为研究对象的，它得益于图论和拓扑学等应用数学的发展。早期人们运用图论知识足以解决拓扑分析中所遇到的问题，但随着拓扑结构从简单网络发展到复杂网络，从规则网络发展到随机网络，从物理、技术网络发展到社会、生物网络，拓扑分析从静态性能分析发展到动态行为预测，经典的图论、拓扑学已远不能满足需求，于是网络科学应运而生。
网络科学是一门新兴的学科，其内涵有多种解读，目前相对成熟的共识是：网络科学是研究复杂网络系统定性和定量规律的交叉科学，它涉及复杂网络的各种拓扑结构及其性质，网络结构与网络功能（动力学特征）间的相互关系。从上述定义中不难看出，网络科学与复杂系统理论密切相关，它是研究复杂系统的得力工具，并成功地应用到社会生活的各个方面，产生了积极而又深远的影响。多学科交叉融合的秉性使网络科学成为学术界、工程界研究的热点、焦点和难点。
在我国实施“网络强国战略”之际，曾宪钊研究员编著的《网络科学》（第四卷）与大家见面了，这是一件可喜可贺的事。2006—2010年，他先后编著出版了《网络科学》第一、二、三卷，分别介绍了网络科学的基础知识及其军事应用，论述了网络经济学、网络社会学、网络生物学及生态网络模型，还介绍了运用动态社会网络分析方法打击恐怖组织网络，运用网络科学防御生物武器对人类的威胁等内容。经过近6年的学术沉淀，在收集大量资料的基础上，他又新编了《网络科学》第四卷，副标题是“国家基础设施和军事网络”。该书重点介绍了国内外关于自适应网络、指挥控制网络、基础设施网络的理论研究、应用案例和最新进展，动态社会网络分析方法在军事训练中应用，以及网络战中的态势感知与预测，内容丰富翔实。第四卷和前3卷一样，不仅可作为军事科研和教学的参考书，也适于关注网络科学的科技人员、大学生和研究生阅读。
我与曾宪钊研究员在1983年相识，至今已有30余年的学术交往，他长期从事军事运筹、作战模拟、计算机网络、神经网络、复杂系统领域的应用研究，参加过联合作战与网络中心战等多项研究课题，成果丰硕。2005年退休后，他敏锐地捕捉到当年11月美国科学院“网络科学在未来陆军的应用”课题组公布的研究成果，并在此基础上，整理出版了《网络科学》一书。我曾有幸在第一时间拜读了书稿，为其写了评价较高的推荐信。10年来，曾宪钊研究员孜孜不倦地关注、跟踪网络科学的前沿进展，其专注的学术风范令人敬佩。
在本书付梓之际，恰逢中国指挥与控制学会成立网络科学与工程专业委员会。该专委会挂靠在中国科学院数学与系统科学研究院，并得到了国内知名院校、科研院所等从事网络科学的科技人员的大力支持。十多年前，该学术共同体就以复杂网络与复杂系统控制为主题，开展了一系列学术交流活动，包括每年举办全国复杂网络大会和中国网络科学论坛，不定期举办学术沙龙，此外，还组织编写了“网络科学与工程丛书”。曾宪钊研究员以一已之力编著的“网络科学丛书”，恰好与它相得益彰。
指挥与控制学会是中国科协下属的一个年轻的学术团体组织，重在研究群体性社会活动中快速协调、调度、管理或治理等问题。指挥与控制起源于军事领域，现已扩展到抢险救灾、应急处置、消防指挥、民防管理、交通管理、生产调度、公共事务管理等社会领域和经济领域。网络科学是指挥控制学科基础理论的重要组成，对群体性社会网络动态行为的认知是指挥控制的必要前提。因此，中国指挥与控制学会鼎力相助“网络科学丛书”的出版，相信它将有助于我们更好地借鉴国外的经验教训，在军事作战和非战争军事行动中创造性地运用网络科学知识，在管控军事冲突、自然灾害、网络入侵及其他突发事件中更好地发挥其理论指导作用。


中国工程院院士、中国指挥与控制学会理事长  戴浩 
2016年4月30日           

序  二
为了适应我国建设信息化军队、打赢信息化战争的需求，紧密跟踪研究世界网络科学的研究进展，曾宪钊研究员编著的《网络科学（第四卷）国家基础设施和军事网络》一书正式出版了。他让我给写个序，非常不敢当，但又觉得有必要推荐一下，故有以下文字，不足为序。
网络科学是近20年才发展起来的新学科领域。从1999年巴拉巴西在《科学》上发表关于无尺度网络的论文之后，就在世界上掀起了复杂网络研究的高潮，引发并产生出了一系列的研究成果。这不仅是因为“网络”已经成为我们须臾不可离开的环境，更重要的是，复杂网络还成为我们认识复杂系统的重要工具。这为我们研究复杂系统提供了有力的手段，而在过去这方面是非常缺乏的。曾宪钊研究员在2005年退休后，于2006年就编著出版了《网络科学》的第一卷，开始介绍网络科学的相关内容。当时我曾为他的第一卷书稿向出版社写过推荐意见，认为该书“较为详细地介绍了国内外关于复杂网络科学及其军事应用的基础知识和最新研究进展，具有很高的学术水平”，就是希望通过此书，在国内大力传播网络科学知识，并将其付诸应用。因为我认为，网络科学应该成为我们这个时代的科技工作者、社会科学研究者，都应该了解的重要基础内容。
曾宪钊研究员后来又连续出版了《网络科学》的第二卷、第三卷。又经五年努力，现在第四卷又呈献在广大读者面前。我认为该书具有如下特点：第一，选题瞄准当前我国实施网络强国强军战略的需求；第二，重点介绍了与国家重要基础设施网络相关的网络科学研究最新进展；第三，介绍了军事网络发展历史和外军经验教训；第四，可读性好，可以作为科学读物用于不同的用途。
长期以来，我与曾宪钊研究员有过很多学术探讨，涉及军事运筹、作战模拟、计算机网络和复杂网络、神经网络及遗传算法等很多方面。现在已年过七十的他，仍在笔耕不辍。我做过简单统计，仅《网络科学》—～四卷，再加上《军事最优化新方法》一书，5本著作就约165万字，需要一个一个字写出来，这是多么大的工作量！十分令人钦佩，值得我们学习。我相信《网络科学》（第四卷）的出版，必将促进我国复杂网络理论与应用的研究，为广大读者提供更好的研究资料和精神食粮。


国防大学教授，中国仿真学会副理事长   胡晓峰
2016年5月2日

通信网络

曾宪钊，广东梅县人，1968年毕业于哈尔滨军事工程学院计算机系。1981年在中国科学院计算技术研究所获得硕士学位，导师为中国科学院院士高庆狮。1981年至2005年，曾担任军事科学院军事运筹分析研究所研究员，博士生导师，已退休。1992至1993年，作为国家公派高级访问学者赴美国从事人工智能研究。现从事网络科学、复杂系统和运筹学的理论和应用研究。享受国家政府特殊津贴，获得军队科技进步二等奖、全军军事科研成果一等奖、军事科学院军事科研成果一等奖及其他奖多项。在国内外重要学术刊物和会议发表论文50余篇，在国内编写出版著作5部。

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网络科学（第4卷）——国家基础设施和军事网络