研究背景与意义

网络空间已经成为继陆海空天后的第五空间。人类生活与网络空间之间的关系越来越紧密,对网络空间的认知需求也越来越旺盛。网络安全、测绘地理学等领域均加紧对网络空间建模与表达方法的研究,网络空间测绘是多学科领域交叉的产物,已成为各行业研究的热点和难点。

核心任务

探明网络空间组成要素,分析网络空间现象规律,绘制网络空间结构。

研究挑战

概念术语多样、研究框架不统一,要素及规律的认识不清晰,网络空间地图表达方法不规范、缺乏统一标准。

网络安全领域

侧重从网络空间资源探测、网络空间建模、网络空间安全管理应用等角度研究。

地理学领域

侧重以人为中心的"人-地-网"行为研究,研究人在网络空间的行为规律、人文社会影响等。

测绘学领域

侧重从网络空间认知与利用角度出发,研究网络空间内部和外部的建模与地图表达方法。

网络空间概念理解与分析

网络空间基本概念

网络空间由"Cyberspace"翻译而来,源于科幻小说"Neuromance"。随着网络通信和互联网技术的迅速发展,对网络空间的认识也在不断的发展变化。

"构建在信息通信技术基础设施之上的人造空间,用以支撑人们在该空间中开展各类与信息通信技术相关的活动。"

— 方滨兴

网络空间的基本特点主要包括:

  • 网络空间的空间特性
  • 网络空间的地理特性
  • 网络空间的人文特性

网络空间测绘研究框架

网络空间测绘是从测绘学的角度认知、理解、分析和利用网络空间的科学与技术。对网络空间测绘的研究,可大致分为3个阶段:

  1. 网络空间测量阶段(1990-2006年)
  2. 网络空间测绘发展初期(2007-2016年)
  3. 网络空间测绘迅速发展期(2016年至今)
网络空间“测”与“绘”研究基本框架

图1 网络空间“测”与“绘”研究基本框架

网络空间与数字孪生空间、元宇宙空间的关系

从空间概念的范畴角度看,"元宇宙空间>网络空间>数字孪生空间",三个空间通过信息互联构成统一的信息空间。

实景三维

对人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字虚拟空间

数字孪生城市

通过对现实城市各实体和要素的数字化与实时感知,在网络空间中重建一个与之一一对应的虚拟城市

元宇宙

人类运用数字技术构建的,由现实世界映射或超越现实世界,可与现实世界交互的虚拟世界

网络空间与数字孪生空间、元宇宙空间的关系

图2 网络空间与数字孪生空间、元宇宙空间的关系

网络空间"测量"

网络空间测量是遵照一定的方法和技术,利用软件和硬件工具来测试或验证网络性能或者特性指标的一系列活动的总和。网络空间测量可分为狭义网络空间测量和广义网络空间测量。

狭义网络空间测量

针对网络虚拟资源和过程资源层中的网络拓扑和网络性能进行度量以及对网络的规律进行建模,是当前网络通信领域研究的重点。

测量方式:

  • 主动测量
  • 被动测量

广义网络空间测量

测量范围更广,不仅包括虚拟网络的资产及拓扑结构,还包括虚拟角色测量、虚拟社区发现等,为研究人在网络空间中的活动提供数据基础。

测量对象:

  • 虚拟账号测量
  • 社交网络测量
  • 网络行为测量等

网络空间资源分层

实体资源层

网络设施、通信设施、电磁设备和通信信道等物理实体资源

虚拟资源层

软件、信息服务、网络角色、虚拟社区、逻辑链路等虚拟资源

过程资源层

网络空间攻击、防御、运维事件、虚拟角色活动行为及规律等

决策控制层

指挥、力量、决策、权限等控制资源

当前研究存在的问题:

缺少针对网络空间资源空间特性的测量研究

未能从整体的角度描述网络空间资源的"位置""距离""分布"等空间特征

缺乏针对人在网络空间活动现象和规律的测量研究

对网络空间人文地理现象的测量较少,需要进一步对人(或化身)在网络空间的行为规律、社会现象等进行深入研究

网络空间"绘制"

网络空间地图基本概念

网络空间地图是对网络空间的抽象视觉表达,描述了网络空间的结构、要素或实体属性及其时空关系和逻辑关系,以及网络空间现象及其过程。

表达对象

既包括物理空间中存在的、有形的要素,也可能是无形的、虚拟的要素

基本特征

具有地图的基本特征,需要依据严密的数学基础、地图制图技术和地图表示方法

表达方式

统一数据模型驱动下多种表达方式的集合,针对不同用户、不同应用场景设计不同表达形式

网络空间地图概念模型

图3 网络空间地图概念模型

网络空间地图分类

网络空间基础底图

刻画相对静态的基础环境,用于了解网络空间基础资源、现象的属性、分布等基本情况

网络空间业务用图

供网络空间业务分析人员使用,便于分析人员利用地图展开流量分析、异常事件分析等日常业务

网络空间公共态势图

供网络空间利用人员使用,便于外部使用人员展开指挥控制、筹划决策、行动部署等业务

关键技术

网络空间框架基准构建

网络空间框架基准构建的目的是确定网络空间的基准度量,构建统一坐标系,以实现在统一基准上刻画网络空间各类要素属性的时变分布规律、性质、性能状况机器相互关系和规律等,是网络空间建模与表达的基础。

指挥控制层坐标系

主要采用相对坐标系表示的网络各要素之间的相对关系,描述网络空间力量、装备以及之间的行动关系

过程资源层坐标系

通常采用复杂网络建模方法,描述网络空间由数量巨大的节点和节点之间的连接构成复杂的网络结构

虚拟资源层坐标系

通过时延来表示网络距离,构建具有可扩展性的互联网距离预测方案

实体资源层坐标系

具有精确的地理位置,主要采用地理空间坐标系进行刻画

"地理-网络"关联映射

"地理-网络"关联映射是网络空间地图制图的关键步骤,类同于地图投影,重点解决如何将网络资源要素映射到地理空间。

关联方法

  • 通过地理位置关联:通过IP位置测量、主干网测量等测量手段获取网络空间要素的位置信息
  • 通过语义信息进行关联:基于实体语义信息,实现网络空间要素与地理、人文要素的关联

映射方法

通常采用隐喻(metaphor)的方法实现,借助相对熟悉的地理事物来比喻网络空间的事物、事件、现象及其关联性或相似性。

例如:将网络空间难以访问的网络节点(访问受阻)表示为地形的高地

网络空间地图表达方法

资源层 表达对象 表示方法 示例
实体资源层 服务器、数据中心、光纤等具备明显地理位置特征的网络实体要素 点位表示法、线位表示法、面域范围法等 用点状符号表示网络关键基础设施的位置和整体分布情况
虚拟资源层 网络拓扑、新闻舆情、社交网络等网络虚拟资源要素 地理隐喻表示、基于拓扑图的表示 用"地铁图"表示欧洲各国互联网骨干网络之间的联通和分布情况
过程资源层 网络空间信息流动、网络攻防等过程 基于动态演变的表示、基于虚拟现实的表示 基于动态线表示的网络空间地图
指挥控制层 网络空间力量、行动、权限和操作 逻辑关系图法 使用抽象符号和逻辑关系表示网络空间行动

多层级地图交互表达方法

基于网络空间各层次要素的关联和统一建模,实现多层级地图的交互可视分析,包括从抽象到具体的多分辨率全局分析。

多层级地图交互表达示例

图4 多层级地图交互表达示例

结论与展望

随着网络空间与其他空间域的渗透交融,网络空间测绘已经成为当前多个领域的研究热点。通过借鉴测绘地理相关理论和方法,网络空间测绘已在网络空间测量、网络空间全局基准构建、地理-网络关联、网络空间地图表达等方面取得了显著的研究成果,但仍然存在一些关键科学问题和关键技术需要进一步研究。

关键科学问题

  • 网络空间顶层概念研究

    需要进一步研究网络空间组成要素,探明网络空间的实质内容

  • 网络空间建模方法研究

    研究非欧空间与欧氏空间转换的几何学方法,构建统一的坐标基准

关键技术

  • 网络空间地图理论与方法研究

    研究新型表达形式和地图符号系统,体现网络空间的认知特点

  • 网络空间地图应用场景设计

    细化地图的用户、用途和用法等应用场景,构建网络地理信息系统

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