與地理空間緊關聯的網絡空間地圖模型

張 龍, 周 楊, 施群山, 羅向陽, 趙海鵬

1信息工程大學地理空間信息學院 鄭州中國450001

2信息工程大學網絡空間安全學院 鄭州中國450001

0 引言

伴隨網絡發(fā)展進程不斷加速, 網絡空間前沿技術為人們日常生活、社會經濟生產和國防科工建設帶來新一輪信息化革命。網絡空間態(tài)勢感知作為發(fā)展網絡空間的重要環(huán)節(jié), 受到了世界各國廣泛關注。測繪網絡空間資源, 繪制網絡空間地圖, 正確認識和理解網絡空間是控制和管理網絡空間的首要環(huán)節(jié)。伴隨網絡定位手段的不斷豐富、網絡定位精度的逐漸提升、網絡虛擬畫像與地理人的關聯更為緊密, 衍生出的網絡空間測繪成為網絡和測繪領域學者共同關注的研究方向[1,2]。

國內外都在積極開展網絡數據可視化表達和應用方面的研究。以美國藏寶圖計劃為代表, 美國國家網絡安全局聯合五國關注網絡空間多層(地理層、物理層、邏輯層、社交層)數據的捕獲及快速分析, 旨在創(chuàng)造一張近乎實時繪制和可以交互的全球互聯網地圖, 將整個網絡置于監(jiān)控之下, 包括網絡空間中所有設備, 且不論時間和地點[3]。美國 X計劃中DARPA也在為網絡戰(zhàn)部隊提供戰(zhàn)場地圖快速描繪能力, 并輔助生成作戰(zhàn)計劃。美國諾思(Norse)公司最近公布了一種可顯示正在進行的網絡攻擊的實時地圖。俄國卡巴斯基實驗室從公司的安全網絡中提取數據繪制了網絡威脅實時地圖。同時, 中國知道創(chuàng)宇公司的鐘馗之眼(ZoomEye)繪制了全球42億IP的網絡空間地圖。華為推出RAN網絡IP可視化運維服務解決方案。高俊院士認為賽博空間與地理空間互相重疊需要認知, 也需要采用可視化的方法讓用戶理解[4]。武漢大學艾廷華教授認為網絡虛擬空間與地理空間有相同之處, 從地圖學的角度, 賽博網絡圖的設計面臨巨大挑戰(zhàn)[5]。張崢對于賽博地圖有較多描述, 其認為賽博地圖是根據一定的數據法則, 使用符號系統, 通過多尺度表達, 表示賽博空間中各種信息之間的聯系及其隨時間發(fā)展變化狀態(tài)的圖形。賽博地圖所繪制的賽博空間本身就囊括網絡空間,因此對本文所要描述的網絡空間地圖具有一定的參考價值。

將復雜的網絡空間直觀、方便地表達, 最好的方法就是可視化。地理空間可視化研究已經開展了較長時間, 對于地理空間實體以及實體間關系的二、三維描述已經有了較多的研究進展[6,7]。而網絡研究及網絡與地理關聯研究的興起, 一定程度上促進了人們對網絡空間進行可視化表達的興趣, 與此同時對更好地表達網絡空間的相關可視化技術提出了更大的挑戰(zhàn)。傳統網絡可視化圖主要包含復雜網絡結構的拓撲圖、網絡節(jié)點信息流可視化、社會關系網絡可視化及可視化信息檢索等方面[8]。而網絡空間測繪數據可視化, 不能忽略虛擬網絡空間與真實地理空間之間的時空坐標映射, 應該符合人類視覺思維,清晰表達時空關系, 使之能夠利用地理空間數據進行網絡信息挖掘與應用。

如同地理空間測繪學中地圖是表達地理知識和開展空間分析與應用的最好工具一樣, 網絡空間地圖是網絡空間測繪研究的重要組成部分, 可形象直觀地呈現出互聯網構建出的新領土空間, 為我們提供一個深刻認識、掌握和控制網絡空間的有效手段,是網絡空間測繪信息挖掘和應用的基礎。

為此, 本文借鑒和延續(xù)地理空間可視化與地理空間分析的技術和手段, 在分析網絡空間與地理空間關聯關系的基礎上, 提出了一種與地理空間緊關聯的網絡空間地圖模型。

1 網絡空間與地理空間

1.1 網絡空間

認識網絡空間是繪制網絡空間地圖的前提。網絡空間往往可以分為廣義網絡空間和狹義網絡空間。廣義網絡空間是指連接各種信息技術基礎設施的網絡, 包含互聯網、電信網、傳感網、工業(yè)和軍事等內部網絡、工業(yè)系統中內嵌的控制、處理裝置組合形成的物聯網, 各種計算機系統, 信息數據構建的虛擬空間, 和社會人間的相互關聯。狹義網絡空間特指互聯網(Internet)空間, 現實中人們使用計算機、平板電腦和手機等可聯網機器以虛擬人身份進入的虛擬信息空間。

本文研究的網絡空間主要是狹義網絡空間即互聯網網絡空間。

1.2 地理空間

地理空間是地理學和測繪學所研究的基礎空間,是地理空間實體要素、空間信息、物質能量以及行為表現等在客觀真實世界內的廣延性存在形式, 特指空間要素形態(tài)特征、組成結構、基本關系、功能效應、過程變化的空間分布格局和方式與時間要素耦合的延續(xù)[9]。

地理要素空間分布范圍決定了地理空間具有有限性。地表圈層、國家、地區(qū)、某個地方等描述反應出地理空間是一個有邊界的客觀真實空間。同時,地理空間又分為絕對空間和相對空間兩大類。絕對空間是可以直接或間接感知的物理實體, 相對空間是指空間內部事件的關聯性或時空約束性。舒紅從人-機-地三方面辯證開展了地理空間認知研究。同時在地理空間認知研究基礎之上, 形成了具備完善理論體系的地理空間信息科學[9]。

1.3 網絡空間和地理空間的關系

網絡空間與地理空間的結合產生于 20世紀 90年代, 被稱為“網絡地理空間學”。20世紀末伴隨互聯網誕生后, 國外學者發(fā)表的《地理終結》和《消失的距離》等文章引起國際上廣泛熱議, 紛紛探討網絡空間的誕生對地理空間信息科學研究產生的沖擊和挑戰(zhàn)。地理學和網絡領域的專家開始聚焦網絡與地理關聯和融合, 相關學者進行了兩個空間的認知辨證研究, 由此產生了網絡空間地理學的概念, 后續(xù)研究又不斷擴充了其內涵和外延[10,11]。

網絡地理空間學主要面向互聯網網絡, 圍繞網絡空間的空間特征開展研究。其中主要研究內容包含基礎物理設施、數字化活動、信息流通和數字統計和表達等。研究的核心內容是探討社會人、網絡、地理空間與數字化信息數據間的相互關聯和影響,以及重新定義地理學中基本概念如距離、方位、區(qū)域等。

網絡空間依附于地理空間, 但網絡空間其虛擬、動態(tài)等特點決定了兩者間存在區(qū)別和差異, 因而也是引起較多學者爭議的原因之一。

伴隨地理網絡空間學的發(fā)展, 以網絡實體資源探測定位技術和虛擬資源關聯畫像手段為核心形成的網絡空間資源測繪引起了網絡信息和測繪科學領域學者的共同關注和聚焦。國內外許多科研院所和公司部門都在對網絡地理空間學開展針對性研究[12,13]。

Batty在其虛擬地理學研究中較為詳細地闡述了網絡空間所依附的真實地理性, 并明確指出計算機網絡中的網絡拓撲結構、信息流通所處客觀空間和環(huán)境離不開真實地理空間[14]。路紫等人運用主成分、網絡分析等方法, 對中國現實地理空間和虛擬網絡空間進行比較, 從以省域為單元的聯系頻率、基于主干網的聯系形式和城市節(jié)點間的聯系速度等方面進行了兩個空間的認知比較, 給出了規(guī)律性的結論。張崢認為地理空間是賽博空間所依附的客觀載體, 賽博空間中物理和信息兩部分都不能離開地理空間而單獨存在。孫中偉等人針對網絡與地理的空間關聯性開展了較多研究, 回顧網絡信息空間的地理學相關研究成果, 對比地理空間和網絡空間的基礎上,認為網絡空間不能脫離傳統地理空間, 而應該將兩個空間進行關聯分析[15]。

本文認為, 真實地理空間與虛擬網絡空間相輔相成、不可分離, 地理空間是網絡空間的載體, 而網絡空間是地理空間的又一平行拓展。伴隨網絡實體定位技術不斷發(fā)展和完善、網絡虛擬畫像與地理人的緊密度不斷提升, 網絡空間和地理空間并不再絕對獨立, 而是相互兼容甚至有機融合, 人類可以在兩個空間中形成映射并隨意切換。研究網絡空間與地理空間的虛實映射, 理解信息傳輸與社會、地理空間的關聯關系, 認識兩個空間的信息轉換已成為地理和網絡兩個領域專家、學者共同關注的熱點問題。

當然, 網絡空間作為新的空間形態(tài), 與以實體、距離、邊界所定義的傳統地理空間有截然不同。地理學家和測繪學家除了需要持續(xù)聚焦地下、地表和太空等多范圍的地理空間外, 也有必要開展網絡與地理空間的融合問題研究探討, 從而認知兩個空間相互關系和開展信息挖掘等工作。

2 與地理空間緊關聯的網絡空間地圖

地圖是人類認識和描述地理空間的重要工具,也是人們認識網絡空間的重要工具。地圖學學科中完善的系統理論和地圖學在設計、表達及應用分析等多方面的成熟思想, 為繪制網絡空間地圖提供了非常好的參考準則。

本文網絡空間地圖是結合網絡資源自身屬性、構成和分類等基礎上, 在地圖學原有研究基礎上的遷移、延續(xù)和借鑒, 其目的是實現網絡資源時空數據模型、符號體系、多尺度可視化和分析應用等多方面的映射關聯, 從而豐富原有地圖學的研究成果。

2.1 網絡空間地圖

針對本文所研究的網絡空間, 網絡空間地圖目前缺乏具體、客觀的描述, 較多情況下將其認為是賽博地圖。從網絡空間資源要素構成來看, 網絡實體資源本身處在地理空間內部, 網絡虛擬資源要素依附于地理空間內, 可以認為是地理空間中的一種現象。毋庸置疑, 網絡空間與地理空間存在交叉與重疊,這也是近些年來地理學和測繪學的專家和學者開始關注網絡空間或賽博空間的原因之一。

近些年來, 伴隨網絡實體定位手段的不斷豐富以及網絡定位結果精度的快速提升, 網絡畫像技術飛速發(fā)展, 由虛擬空間和社會空間進而與地理空間的關聯緊密度也不斷提高, 因而出現了網絡空間測繪研究方向, 進而對其網絡空間測繪資源數據的表達成為了研究的熱點之一, 即繪制網絡空間地圖。

網絡空間地圖是指將網絡空間測繪數據(網絡實體定位結果、網絡拓撲分析數據、網絡畫像數據等)與地理空間信息數據進行疊加、融合后, 經可視化處理在屏幕上顯示的地圖。地圖是指根據一定的繪制法則, 使用制圖方法, 通過制圖綜合在一定的載體上,表達地球(或其他天體)上各種事物的空間分布、聯系及時間中發(fā)展變化狀態(tài)繪制的圖形。電子地圖是指數字地圖經可視化處理在屏幕上顯示出來的地圖。因此,我們認為網絡空間地圖是一種專題地圖, 且為電子地圖專題地圖中的一類。該地圖偏向關注網絡拓撲結構、網絡資源分布等, 地理空間信息數據在其中起不可或缺的輔助作用。同時使用的影像、矢量圖層與需要表達的網絡空間測繪數據在同一屏幕內呈現兩層視覺感受水平, 可以利用視覺變量將網絡空間測繪數據高亮或者將所使用的地理空間圖層做暗黑處理。

網絡空間地圖框架主要由六個部分組成, 分別為網絡空間資源數據獲取、組織、表達、分析、表現和應用, 如圖1所示。數據獲取或數據源主要包含傳統測繪手段、數據庫查詢、網絡定位、網絡拓撲探測、網絡畫像和網絡挖掘、采集等, 是進行網絡空間地圖繪制的前提。數據組織主要包含時空數據模型、資源圖譜和視覺內容選擇, 是進行網絡空間地圖繪制的基礎。數據表達主要包含符號化和可視策略兩大部分, 是進行網絡空間地圖繪制的核心?；诰W絡空間地圖表達基礎上, 可開展資源空間分布統計、拓撲鏈路分析、節(jié)點輔助校正和信息挖掘等多種分析工作。網絡空間地圖主要表現內容包含網絡實體資源的地理分布展示、網絡實體資源間的拓撲關聯展示、帶有地理標記的網絡數據如微博、微信等數據的密度分布等系列展示、網絡虛擬資源與對照實體資源的概率映射分布等。網絡空間地圖可以提供地圖服務、輔助指揮決策、開展模擬仿真、進行態(tài)勢感知和方便網絡管理等, 在企業(yè)生產、工業(yè)管理、科研教育和部門安全等多個領域發(fā)揮作用。

網絡空間地圖與地理空間緊關聯的關系一方面體現在網絡測繪結果與地理空間信息數據的疊加、融合, 另一方面網絡空間地圖繪制是在地圖學和地理空間分析原理和方法上的延續(xù)和遷移, 同時網絡空間地圖又可補充和豐富原有地圖學成果。網絡空間地圖是在人們網絡態(tài)勢感知基礎上概括總結的成果, 同時基于網絡空間地圖人們又可以進行一系列的分析工作從而更好的認知網絡態(tài)勢。不同于傳統或一般的網絡態(tài)勢圖或態(tài)勢表達系統, 網絡空間地圖的建立是伴隨著多種網絡定位手段的進步而衍生的新型問題。而網絡空間地圖能夠較好地將網絡空間和地理空間結合, 其實質是結合了網絡資源或網絡測繪結果其具有的不可舍棄或亟需聚焦的地理屬性。

圖1 與地理空間緊關聯的網絡空間地圖基本框架Figure 1 Framework of cyberspace map tightly coupled with geographical space

與傳統地圖的不同之處在于, 網絡空間地圖是地理空間信息數據與網絡資源要素的疊加或融合,是保留地理位置屬性基礎上的網絡測繪結果可視化展示, 更加凸出表現網絡測繪要素的位置、屬性和關聯等信息。例如, 對網絡實體定位結果進行可視化展示時, 與地理空間實體不同之處在于, 網絡空間定位結果通常是區(qū)域型, 數據形式通常為中心點經緯度坐標加緩沖區(qū)半徑。而網絡虛擬定位結果則依附于網絡實體, 且隨著時間變化其分布常出現跳變的特點。

2.2 網絡空間地圖的表達要素

從互聯網體系結構角度, 網絡資源可以分為兩大類, 即網絡實體資源和網絡虛擬資源。網絡實體資源： 又稱網絡基礎設施, 包含 IP化實體網元(例如路由器、服務器、終端主機等)和非 IP化基礎設備(例如交換機)。由于網絡實體資源真實存在于物理空間,具有典型的地理空間分布特征, 因此也可以作為地理空間實體。網絡虛擬資源： 是由網絡實體資源物理層次之上進行的一系列數字化行為活動構成, 可以分為應用服務、虛擬實體和數據資源三大類。網絡虛擬資源存在于網絡虛擬空間, 雖然不能觸摸或直接被人感知, 但作為依附于地理實體之上的網絡現象, 可看作為一種客觀存在的現象。

同時, 時空數據模型在地理空間信息中應用廣泛, 已經成為地理空間信息管理的重要手段之一[16]。而網絡空間地圖作為專題地圖的一類, 有必要對網絡資源要素構建時空數據模型用于表達。因此, 網絡空間資源要素進行分類、分級以及對各個資源要素的屬性信息進行描述是建立網絡時空數據模型的基礎。構建網絡資源圖譜或建立網絡資源要素數據庫,對各個資源要素進行存儲時就可以采用規(guī)范統一的描述形式, 用共同的字段區(qū)間進行約束和標準化,從而便于網絡空間地圖表達的數據輸入。

2.2.1 地圖要素數據的主要獲取方式

地理圖層數據源較為豐富, 有較多的數據獲取手段, 本文不再一一贅述。下面介紹網絡測繪成果或網絡空間表達數據的主要數據來源及獲取方法。

(1) 數據庫查詢。主要是指對目前互聯網上已有的公開測繪數據集進行查詢。例如以 Whois為代表的網絡 IP定位數據庫, 其中包含用戶注冊的信息,包含IP網名、地理注冊地址、歸屬IP段、郵箱、聯系方式和標簽等。

(2) 網絡定位。主要是指網絡資源要素的地理空間數據的獲取方式, 包含IP地理定位、Wifi定位和基站定位等多種方式。利用相關定位算法, 借助網絡拓撲結構或“時延-距離”的換算關系, 確定資源所處區(qū)域, 得到網絡測繪要素的真實地理位置信息。網絡虛擬資源主要是將信息映射到 IP地址上, 從而進一步映射到網絡實體。

(3) 網絡拓撲探測。主要是指利用探測源或探測機對已知或未知的網絡要素進行網絡拓撲探測, 從而獲取探測路徑中的經過路由或節(jié)點信息, 包括時延等。例如較為常見的traceroute通過發(fā)送數據包并返回 TLL值, 從而獲知中間經過的路由跳數順序和IP地址, 并包含中間路由的地理位置。

(4) 網絡采集和掃描。主要是指一些網絡爬蟲技術或掃描手段對網絡要素進行主動或被動的信息獲取。借助計算機硬件或軟件系統, 按照一定的規(guī)則,自動獲取日志、程序或腳本等。

2.2.2 網絡空間地圖表達要素的數據分類

根據表達內容, 可以把網絡空間地圖數據劃分為基礎地理數據與網絡測繪數據兩大類, 如圖 2所示?；A地理數據以空間數據為主, 是網絡測繪地圖中反映制圖區(qū)域地理環(huán)境基礎信息的綜合性數據,雖然其在網絡測繪地圖中承擔輔助性的角色, 但同樣是網絡測繪地圖的重要表達內容之一。網絡測繪數據主要分為空間數據和非空間數據兩大類。網絡測繪空間數據主要是指網絡資源要素的定位數據。網絡測繪的非空間數據主要是指網絡實體資源的 IP地址、類型、時間、狀態(tài)、國家、AS域等一系列的屬性數據、網絡虛擬的類型、AS歸屬、映射IP段以及拓撲關聯信息等。網絡測繪的非空間數據主要分為資源屬性數據、測繪要素的統計數據、資源關聯的用戶信息數據等。

圖2 網絡空間地圖表達要素組成Figure 2 Elements of cyberspace map

網絡測繪非空間數據主要是指網絡測繪要素的屬性數據, 也可以認為是資源要素的描述數據或語義數據, 是對測繪要素質量特征和數量特征的描述。根據對其對象描述的精確程度分為定性數據和定量數據。

定性數據是指描述要素的固有特征或相對等級、層級、次序, 如資源要素類型、所屬機構、狀態(tài)、性質、大小等的數據, 對應于量表系統中的定名量表和順序量表。這種數據沒有量的概念。例如服務器可以分為Web服務器、文件服務器和郵件服務器等;路由歸屬包含政府機關、公司企業(yè)、研究機構等; 資源所處狀態(tài)包含正常、損毀、報廢等。

定性數據某種角度蘊含資源的分類情況, 具有一定的層次結構。與自然語言學理論中的聚合語義樹一致, 定性數據反映了資源要素在其分類系統中的所處層次以及所處的相對位置。當定性數據用于描述資源等級、大小、次序時, 會帶有一定模糊程度的“量”的概念, 可以將資源要素按照一定的順序進行排列, 并需要進行嚴格的數值運算。

定量數據包含完全定量化數據和分級數據兩大類。完全定量化數據是指對資源要素的完整定量化描述信息, 一定意義上都具有定量單位, 且描述資源要素的絕對量。完全定量化數據主要反映資源要素間的差異, 有的還可以明確刻畫資源間比率關系。例如拓撲結構中父節(jié)點的度數等于所有子節(jié)點的度數之和。分級數據在描述資源要素等級和次序的同時, 還能夠定量化地描述資源間具體的差異數值。分級數據反映出資源要素本身或其某種功能間的相對關系。人們對分級數據零點的設置較為隨意, 較為關心資源間的間隔, 而不是絕對的數量值關系。同時使用分級數據時需將數值的單位進行統一化。例如按照載荷量界定路由的載荷能力, 可以分為 0~100,100~500, 500~1000等, 單位為Mbit/s。

2.2.3 網絡空間地圖內容選擇

網絡空間地圖中有網絡測繪要素、地理底圖要素, 其中地理底圖要素為網絡測繪要素服務。在進行網絡空間地圖表達時, 需要對圖面中表達的內容進行主次區(qū)分。通過調節(jié)視覺參量如色彩或灰度使圖面表達的內容處于不同的感受平面, 使原來的二維平面或三維球面產生一種假象, 形成若干圖層。例如將網絡測繪成果屬性數據、網絡測繪實體資源、地理空間信息數據按照上、中、下層進行分層可視化,從而達到網絡空間地圖中內容主次分明。

(1) 視覺層次的區(qū)別具體表現在以下幾個方面：

1) 網絡測繪要素與底圖要素的層次區(qū)別。網絡測繪成果是網絡空間地圖表達主題和核心, 因而要突出表現在底圖要素之上。地理底圖要素是對網絡資源要素所處位置信息的一種說明, 客觀地讓用戶了解資源所處地理位置及周圍環(huán)境, 處在從屬地位。網絡測繪要素與底圖要素的層次區(qū)別是網絡空間地圖中最基本的兩個視覺層次。

2) 不同類別的網絡測繪要素間層次區(qū)別。網絡空間要素的種類較為多樣, 其中包含網絡資源屬性數據或鏈接數據、音視頻等網絡虛擬資源, 因此在關注時刻或重點關注內容不同時造成重要程度或邏輯次序的不同, 部分內容安排在上層平面, 部分內容安排在下一層。

3) 同一類型不同等級符號的層次區(qū)別。同一圖層下對網絡實體資源進行可視化時, 等級大的節(jié)點符號偏大, 等級小的節(jié)點符號偏小或者同一類的網絡測繪要素符號大小隨圖層層級變化而變化。網絡拓撲結構在多尺度可視化表達中, 圖層層級大時顯示城域網內部拓撲, 圖層層級小時顯示國家、省、市間的邏輯拓撲關聯。

(2) 構建圖面視覺層次的方法包括：

1) 改變符號大小或根據圖層層級改變符號形狀。例如圖層層級大時資源要素用簡單的幾何圖元代替表示, 圖層層級小時采用設計的符號圖符, 以及等級偏高的網絡資源符號形狀偏大。

2) 色彩的變化。利用色彩的變化表現視覺層次區(qū)別效果最為明顯。色彩的變化體現在色相、明度和飽和度。例如地理底圖位于視覺層面的最下層, 因此選用冷色調, 從而有冷靜、后退的視覺感受。

3) 不同的視覺形態(tài)。線狀符號和面積色彩屬于不同的視覺形態(tài)。例如為了對比表達區(qū)域內資源分布密度, 可以使用柱狀圖或熱力圖進行對比顯示。

3 網絡空間地圖關鍵技術

網絡空間地圖是用來描繪海量、多源的網絡測繪結果, 因而網絡空間地圖其有限的可視化屏幕與數據海量、類型多樣、虛實并存和位置區(qū)域性的網絡測繪結果形成了最基本的矛盾之一。因為網絡空間地圖是縮小、簡化了的, 與真實復雜的網絡現實環(huán)境有明顯的區(qū)別。在有限的可視化屏幕, 將全部的甚至指定類型的網絡測繪結果進行可視化展示時, 不可避免的面臨點重疊、線交叉以及屏幕堆積冗余的現實問題, 因而不利于用戶獲取有效信息。鑒于該基本矛盾, 本文嘗試從網絡空間資源符號化和網絡空間地圖制圖綜合兩個方面進行解決。運用符號是對網絡空間資源或網絡測繪成果的抽象, 使用一定的符號圖形進行描述與刻畫, 進而形成完善的符號系統, 通過視覺參量、語義特征等約束控制反映資源本身特點。運用綜合法則目的是為了對要表達的網絡測繪成果進行一定程度地選取和概括, 從而使用戶可以從有限的表達數據中按照需求抽離出有效的信息。本文重點開展網絡資源符號體系、網絡資源要素多尺度表達及網絡空間地圖分析與應用三方面的研究。

3.1 網絡空間地圖的符號體系

網絡空間地圖用于表示網絡空間內資源要素分布及關聯關系、網絡空間現象統計或相關屬性信息內容等。而網絡空間資源要素的符號體系是網絡空間地圖的基本組成部分, 可以用于標繪、判讀、辨識、感知和共享。網絡空間地圖中的符號體系與傳統地圖中的符號系統有一定的差別, 但應該是在已有地圖符號上的繼承和延伸, 設計過程中需要參考地圖符號設計中的相關設計規(guī)則、流程和主要思想。

圖3 網絡空間資源符號體系形成框架圖Figure 3 System framework of cyberspace resources symbol

網絡空間資源的符號體系形成框架如圖3所示。首先, 網絡實體資源要素與網絡虛擬資源要素符號設計都需要視覺變量理論的約束, 包含幾何形狀、色彩飽和度等, 同時緊密結合網絡資源類型劃分、屬性信息、語義描述和語法關系等多個方面保證資源符號設計準確性、一致性和系統性。其次, 視覺變量變化引起視覺感受水平變化, 主要表現在不同圖層的明暗對比、資源所處狀態(tài)的實虛表現、要素等級大小差異、資源位置動靜等。同時, 網絡資源符號是網絡空間地圖的語言, 具有寫和讀的二重功能。“寫”是指人們可以利用符號來表現網絡空間資源, “讀”是指人們可以將網絡資源符號作為直接認識對象進而從中獲取信息。

在網絡空間地圖中, 地圖符號體系應該主要以點狀和線狀符號為主, 以及少量的面狀符號。

(1) 點狀符號。網絡空間地圖中點狀符號主要用于描述網絡節(jié)點, 如網絡實體設備或者網絡虛擬賬號等。點狀符號的形狀和色彩是對網絡空間資源要素進行區(qū)分的重要視覺變量, 尺寸可以用于表示定量特征。

(2) 線狀符號。網絡空間地圖中線狀符號主要用于描述網絡拓撲結構, 如網絡物理設施間的關聯關系、網絡虛擬資源與網絡實體的連接等。線狀符號的粗細可以表示兩節(jié)點間連通度或傳輸度、網絡流量大小等, 符號的形狀可以表示連接的內容特征等。

(3) 面狀符號。網絡空間面狀符號主要用于描述具有共同特性的資源要素, 如網絡定位結果的展現,根據網絡定位的最后結果, 通常其結果形式為中心點加半徑, 因此也有必要設計面狀符號用于反映真實的數據特征。

3.2 網絡空間地圖多尺度可視化表達

有限的屏幕可視空間與要表達的海量網絡資源要素是網絡空間地圖的一對基本矛盾。地圖中為了解決縮小、簡化了的地圖表象與實地復雜現實之間的矛盾, 采用符號化與地圖內容的選取、化簡和概括兩種綜合法則。網絡空間地圖表達時也有必要對網絡資源要素進行層級劃分、表達選取、化簡概括等一系列處理, 其目的是便于用戶能夠在良好的視覺感受水平下, 聚焦其關注的主要對象或目標, 較好地解決屏幕信息冗余。

與電子地圖的多尺度表達相同, 海量、多源網絡空間要素數據全部進行調度顯示極易引起卡頓或瀏覽崩潰。網絡空間地圖的多尺度表達是指伴隨地理底圖顯示范圍的變化而顯示詳細程度不同的網絡測繪要素。網絡空間地圖具有可操作性, 當人們進行縮放或漫游時, 屏幕空間范圍大小始終保持不變, 屏幕內顯示的地理底圖信息發(fā)生改變, 對應的網絡測繪要素信息同時發(fā)生變化。

圖 4為網絡空間地圖多尺度可視化表達基本框架, 網絡空間地圖多尺度可視化表達主要包含符號分類、制圖綜合、圖層構成和人機交互等方面。網絡空間地圖的符號分類是指將基本幾何圖元、設計的網絡資源符號、資源符號模型與地理空間信息圖層進行匹配, 伴隨地圖圖層比例尺變化, 符號類型有針對性地進行選取。網絡空間地圖的制圖綜合主要體現在： 1)表達內容的分類分級; 2)不同層級相同內容的選取。前者主要受到用戶需求和關注重點的影響, 例如在相同圖層層級下有的用戶關注邊緣路由的分布狀況, 有的關注該層級下網絡拓撲的關聯關系, 后者主要受到屏幕空間范圍的影響。在有限的屏幕內, 用符號代替的海量網絡資源全部顯示時必然會出現重疊現象, 因此需要通過權重判別(像素距離、節(jié)點度數、節(jié)點聚類集系數等)進行選取表達。網絡空間不同尺度的圖層構成方法主要分為自動綜合聚類和靜態(tài)數據存儲。自動綜合聚類是指將全部要表現的某方面或幾方面元素自下而上伴隨圖層變化進行聚合, 利用權重進行判別選取。靜態(tài)數據存儲主要是為了解決當前計算機系統和處理能力有限情況下海量級數據調度容易崩潰的問題, 將資源要素數據進行分層綜合和存儲。

圖4 網絡空間地圖多尺度可視化表達基本框架Figure 4 Multi-scale expression basic framework of cyberspace map

研究針對網絡資源要素的特定多尺度可視化方法基礎上, 增加更適宜的人機交互方法與手段, 同時借助目前較為火熱的 VR、AR等技術實現更好地可視化表達效果以及拓寬可視化表達場景。

3.3 網絡空間地圖的分析應用

可視化表達不是最終目的, 基于可視化表達基礎進行深層次的分析, 是信息時代地圖學的新特征[17]。借助地理空間分析的方法, 將其思想遷移到網絡空間, 進行網絡空間的深層次分析探究, 從而更好地理解網絡空間資源及屬性之間的關聯以及網絡空間和地理空間的映射機理等。網絡空間地圖本質上是帶有地理空間屬性的網絡測繪數據與地理信息數據的融合, 因此基于網絡空間地圖表達基礎下開展相應的分析與應用具有十分重要的意義。

地理空間幾何分析主要包含鄰近度分析, 疊加分析和網絡分析。鄰近度是空間目標距離關系的重要物理量之一, 表示地理空間中目標地物距離相近的程度, 包含緩沖區(qū)分析和泰勒多邊形分析。疊加分析包括空間要素圖形疊加和空間要素屬性疊加。網絡分析包括最佳路徑分析、連通分析、資源分配、流分析、動態(tài)分段技術和地址匹配。網絡空間地圖矢量圖層同樣具有可量測性, 借助 GIS空間分析手段, 可以開展網絡與地理融合或疊加后的分析和應用, 從而進行數據信息挖掘。

借鑒、遷移地理空間分析、夜光遙感的手段和方法, 網絡空間地圖分析內容主要包含資源空間分布統計、拓撲鏈路分析、節(jié)點輔助校正和網絡地理信息挖掘等[18,19], 如圖5所示。資源空間分布統計主要利用空間聚類、高斯分布和時間序列表達技術, 進而感知資源區(qū)域分布與對比。鏈路拓撲分析主要包含網絡地理拓撲的疊加、不同路徑時延對比、同一目標節(jié)點的鏈路關聯分析以及網絡拓撲地理真實走向等, 進而感知網絡流通路徑。網絡節(jié)點輔助校正包含網絡節(jié)點緩沖區(qū)分析和網絡節(jié)點可靠性檢驗等,從而可以校正網絡空間測繪成果或輔助網絡空間測繪。網絡地理信息挖掘是指與地理空間信息疊加、融合后進行信息匹配和現象分析。例如提取關鍵網絡節(jié)點周邊的重要地理信息, 挖掘節(jié)點分布緩沖區(qū)內存在的重要地理信息, 對節(jié)點重要性和地理屬性進行判斷; 對網絡節(jié)點分布、網絡流量方向等進行對照, 發(fā)現社會或網絡自身規(guī)律, 從而為網絡空間態(tài)勢感知與控制提供技術支撐。

以網絡實體節(jié)點定位可信性為例, 大多數情況下網絡實體設備主要布設在建筑物內部(除船艦、車載、固定工作站等外)。如圖 6所示, 將定位的網絡實體資源與矢量地圖圖層進行疊加后, 自動判別湖面等水系矢量要素、道路等矢量要素內是否存在網絡實體, 如果存在的話, 該實體資源定位結果極大可能存在偏差, 從而需要對該實體資源進行再次定位確認或將該實體歸并到水系或道路矢量要素周圍的建筑物上。

圖5 網絡空間地圖分析應用Figure 5 Analysis and application of cyberspace map

圖6 網絡實體節(jié)點定位可信性分析示例圖Figure 6 The example of geo-location reliability analysis for the cyberspace entities

4 結論

伴隨網絡定位技術的不斷發(fā)展與成熟, 將地理空間信息數據與網絡空間資源要素進行融合關聯,成為認識、理解、管理和把控網絡空間的重要一環(huán)。本文借鑒地圖學和地理空間分析等相關技術手段與方法, 提出了一種與地理空間緊關聯的網絡空間地圖模型, 從網絡空間資源符號體系、多尺度可視化表達以及分析應用三方面給出了網絡空間地圖涉及的關鍵技術。希冀本文研究工作能夠為地理信息輔助下的網絡空間態(tài)勢感知提供新的研究基礎和思路。

同時, 地理空間可視化及空間分析已經發(fā)展形成完善的理論方法體系。當前研究中網絡資源測繪數據表達、分析與地圖學和地理空間分析手段不夠緊密, 期望兩者能夠進行更深層次融合。

致 謝特別感謝施群山講師和呂亮博士的指導和建議, 感謝學院徐立教員在地圖知識方面的講解和介紹。