随着人类社会网络化进程的加快,现代社会对关键基础设施网络的依赖程度越来越高。这些关键基础设施不仅成为战时重要的军事目标,同时也面临着日益严峻的恐怖活动威胁。如何保护这些关键基础设施网络成为摆在各国安全机构面前的一个重要挑战。此外,信息化条件下的战争不再是枪对枪、炮对炮的离散式对抗,现代战争越来越成为体系与体系之间的对抗,体系破击成为未来信息化战争的基本作战样式。在军事体系对抗中如何制定有效的作战策略瓦解敌方作战体系,是现代战争要解决的核心问题。无论是关键基础设施还是军事作战体系,各个要素都不是孤立地发挥作用,而是相互连接形成一个复杂网络,共同实现复杂的功能。近年来,复杂网络的瓦解问题和防护问题在各自领域都受到了广泛关注,但如何将两者统一于一个理论框架,从网络科学的视角分析攻防博弈问题还需要进行更深入地研究。本文针对复杂网络上的攻防对抗问题,综合运用网络科学、博弈论、图论、军事运筹学、计算机仿真等学科领域知识,基于博弈论的框架同时考虑攻防双方的行为,从网络科学的视角由深入浅建立了三个博弈模型,分别给出了求解方法并分析了均衡结果,系统深入地研究了复杂网络上的攻防博弈问题,为军事对抗、反恐维稳、关键基础设保护等提供了理论与方法支撑。论文主要研究工作及创新点如下:(1)构建了网络科学视角下的攻防博弈理论框架。复杂网络的瓦解问题和防护问题在各自领域都积累了大量研究成果,但是以往的研究很少同时考虑网络防护和网络瓦解。另一方面,现有的攻防博弈模型,尤其是安全博弈论虽然在实际中得到了广泛的应用,但它们大多假设各个目标是孤立的。然而,面对关键基础设施、军事作战体系等大规模复杂网络系统,这样的设定显然是不合理的。因此,本文从网络科学的视角建立了新的攻防博弈理论分析框架,将目标网络看作一个整体,基于网络结构属性定义攻防双方的策略和收益,为研究复杂网络上的攻防博弈问题提供了新思路。(2)研究了均匀成本条件下的静态攻防博弈问题。均匀成本即攻击或防守每个节点的成本都是相等的,静态攻防博弈模型指攻防双方同时行动的博弈模型。本文从均匀成本这一最简单的情形出发,首先考虑全策略的情形,定义了博弈模型的策略、收益,根据收益函数的特征提出了一种快速构建收益矩阵的算法,并介绍了一种基于迭代的纳什均衡求解方法。考虑到现实中的决策问题,本文还抽象出两种典型策略,即随机策略和目标策略,构建了基于这两种典型策略的博弈模型,给出了其求解方法和解析结果,并对这两种情况的均衡结果进行了分析。本文研究发现,无论在全策略情况下还是典型策略情况下,攻击者都不会以大概率攻击网络中最重要的节点,而防守者以很大概率防守这些节点。(3)研究了不均匀成本条件下的静态攻防博弈问题。在节点成本不均匀的情况下,本文使用成本敏感系数来刻画成本的不均匀性,将不均匀成本条件下的静态攻防博弈模型建模为完全信息的二人零和博弈,并假设攻防双方都只考虑两种典型策略,给出了博弈模型的仿真过程并介绍了其求解方法,并在模型网络中对不同参数下的博弈模型进行了仿真实验,发现成本敏感系数对攻击者的均衡策略影响不大,攻击者基本上一直采取随机攻击策略,但防守者在低成本敏感系数时防守最重要的目标,在高成本敏感系数时转而选择随机防守策略。(4)研究了复杂网络上的动态攻防博弈问题。本文在考虑不均匀成本条件下,研究了防守者先行动的Stackelberg博弈模型,定义了模型的策略和收益,介绍了强Stackelberg均衡这一解概念,给出了求解方法,并在模型网络中进行了实验验证,发现攻防双方的策略都受成本敏感系数的影响,当成本敏感系数较小时,防守者首先承诺采取一个混合策略,而攻击者的最优反应是选择攻击度最大的节点,而当成本敏感系数较大时,攻防双方都选择随机策略。此外,本文也验证了动态博弈中防守者的先行优势。(5)开展了实证分析研究。以美国航空网为例对本文所提出的三个攻防博弈模型进行了实证分析。结果表明,均匀成本下攻击者并不倾向于攻击最重要的节点,而防守者的最优策略是给最重要的节点分配更大的保护概率。在成本不均匀的条件下,静态博弈模型中随着成本敏感系数的增加,防守者的策略由防守最重要节点转为随机防守,而攻击者更倾向于随机攻击。动态博弈模型中随着成本敏感系数的增加,攻击者的均衡策略由目标攻击策略变为随机攻击策略,防守者的策略由混合策略变为随机防守策略。