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Journal of Geo-information Science >

2024 , Vol. 26 >Issue 4: 848 - 865

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2024.240151

Cyberspace Surveying and Mapping

  • JIANG Bingchuan ,
  • SI Dongyu ,
  • LIU Jingxu ,
  • REN Yan ,
  • YOU Xiong ,
  • CAO Zhe ,
  • LI Jiawei
Expand
  • Institute of Geospatial Information，Strategic Support Force Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China
* YOU Xiong, E-mail:

Received date: 2024-03-20

  Revised date: 2024-04-18

  Online published: 2024-05-11

Supported by

National Science and Technology Major Project(2022ZD0116404)

National Natural Science Foundation of China(42171456)

Fold

Abstract

Cyberspace surveying and mapping has become a hot research topic of widespread concern across various fields. Its core task involves surveying the components of cyberspace, analyzing the laws of cyberspace phenomena, and mapping the structure of cyberspace. Research on cyberspace surveying and mapping faces issues such as diverse conceptual terminologies which is lack of unified research frameworks, unclear understanding of elements and laws, non-standardized methods of cyberspace map expression, and the absence of unified standards. Based on systematically reviewing the current status of cyberspace surveying and mapping research across fields, a common understanding of the essence of cyberspace has been analyzed. Starting from the spatial, geographical, and cultural characteristics of cyberspace, the features and advantages of studying and utilizing cyberspace from the perspective of mapping geography are dissected. A research framework for cyberspace surveying and mapping is proposed, focusing on the core content and key technologies of "surveying " and "mapping" in cyberspace, and explaining its relationship with 3D Real Scene, Digital Twins and Metaverse. Cyberspace surveying has been divided into narrow and broad senses, pointing out the lack of holistic measurement of cyberspace features and the lack of research on measuring the phenomena and patterns of human activity in cyberspace. From the perspective of cyberspace cognitive needs, a conceptual model and classification system for cyberspace maps have been proposed. Focusing on the cyberspace coordinate system, "geo-cyber" correlation mapping, and methods of expressing cyberspace maps, the key technologies for creating cyberspace maps are described in detail, and the methods of representing cyberspace maps and their applicability are systematically analyzed. Finally, key scientific questions and critical technologies that need focused research, such as the top-level concepts of cyberspace, cyberspace modeling methods, theories and methods of cyberspace maps, and the design of application scenarios for cyberspace maps, are discussed.

Key words： cyberspace; cyberspace surveying and mapping; cyberspace map; map cognition; knowledge graph; "geo-cyber" correlation mapping

Cite this article

JIANG Bingchuan , SI Dongyu , LIU Jingxu , REN Yan , YOU Xiong , CAO Zhe , LI Jiawei . Cyberspace Surveying and Mapping[J]. Journal of Geo-information Science, 2024 , 26(4) : 848 -865 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2024.240151

1 引言

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。自1990年至今，各领域针对网络空间测绘相关的研究出现了一系列成果（表1），不同领域对网络空间测绘研究的侧重点不同。如图1所示，网络安全领域，主要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，研究网络空间自身要素组成、安全防护、管理运维等技术，其经历了“网络空间要素测量→网络空间态势分析→网络空间统一建模与表达”的发展过程。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，从早期的信息地理学[13⇓⇓-16]（侧重利用信息科学方法论解决地理信息问题），发展到网络空间地理学[28]（侧重三元世界的相互作用和运行机理研究）。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，从早期以地图为底图的网络空间要素表达方法[29]，发展到网络空间地图的统一建模与表达研究[38⇓-40]。
表1 网络空间测绘研究分类

Tab. 1 Classification of research on cyberspace surveying and mapping

研究领域 主要名词 研究侧重点
网络安全 网络空间坐标系：GNP[1]，VL[2]，ICL[3]，Vivaldi[4]，PIC[5]，NPS[6]，网络空间精准时空基准[7]；网络空间测绘[8]；网络空间资源测绘[9]，全球网络空间测绘地图[10]，网络空间测绘系统[11]，IP-Port坐标系[12] 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，研究网络空间自身要素组成、安全防护、管理运维等技术
地理学 信息地理学[13⇓⇓-16]；geography of cyberspace[17]；geographies telecommunications[18]；geographies of cyberspace[19]；virtual geography[20]；cyberspace geography[21]； Geo-Cyberspace[22]；VGEs[23]；网络信息空间地理学[24]； Key terrain in cyberspace[25]，信息与通信地理学[26]；网络空间地理图谱[27]；网络空间地理学[28] 侧重于以人为中心的“人-地-网”行为研究，从地理学视角，研究人在网络空间的行为规律、人文社会影响等
测绘学 网络空间信息地图[29]；Maps and Mapping In the Information Era[30]；Cybermap[31]；赛博空间与赛博地图[32]；Cybercartography[33-34]；赛博地图[35]；网络资源测绘[36-37]；网络空间地图[38⇓-40] 从网络空间认知与利用角度出发，研究网络空间内部和网络空间外部的建模与地图表达
图1 各领域网络空间测绘相关研究的发展脉络

Fig. 1 Development of research on cyberspace surveying and mapping in various fields

网络空间测绘的核心任务是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[37,41-42]。在网络通信技术发展初期，测绘地理学领域就对新兴事物的发展保持着高度的敏感性，并一直持续进行研究。随后，网络安全领域研究人员也不断地借鉴坐标系、测绘、地图等测绘学相关理论与方法，掀起了研究网络空间测绘的热潮。但当前网络空间测绘存在：网络空间测绘术语多样、研究框架不统一，对网络空间要素及规律的认识不清晰，网络空间地图表达方法不规范、缺乏统一标准等问题。
为此，本文在系统梳理各领域对网络空间测绘研究现状的基础上，总结了各领域对网络空间研究的侧重点和研究趋势，分析了网络空间的内涵和特点；从网络空间的空间特性、地理特性和人文特性出发，剖析了从测绘地理学角度研究与利用网络空间的特点和优势；提出了网络空间测绘的研究框架，重点描述了网络空间“测”与“绘”的核心内容，并阐述了其与实景三维、数字孪生之间的关系；分析了网络空间“测量”的关键技术及存在的问题；从网络空间认知需求出发，提出了网络空间地图概念模型和分类；从网络空间坐标系、“地理-网络”关联映射、网络空间地图表达方法等方面重点描述了网络空间地图制图的关键技术，系统分析了网络空间地图表示方法及其适用性；最后针对网络空间测绘的特点，指出需要进一步重点解决网络空间顶层概念、网络空间建模方法、网络空间地图理论与方法以及网络空间地图应用场景设计等方向的关键科学问题和关键技术。

2 网络空间测绘概念理解与分析

2.1 网络空间基本概念及特点

网络空间由“Cyberspace”翻译而来，源于科幻小说“Neuromance”[43]。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。网络安全、地理学和测绘学领域，分别从各自角度分析了网络空间的内涵，一致认为：① 网络空间是由各类信息网络，及其所承载的信息构成的新空间[8]；② 构成网络空间的基础设施、信息资源等均与地理空间有着紧密的联系[24]；③ 是一个集多维空间为一体的人类活动新领域，是信息数据构建的虚拟空间，和社会空间相互关联[36]。对网络空间定义，较为权威的是方滨兴提出的[44]：“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。”其基本特点主要包括：
（1） 网络空间的空间特性。时间和空间都是物质存在的基本形式。爱因斯坦曾讲“一无所有的空间，亦即没有场的空间是不存在的”[45]。网络空间提出初期，就试图将其概念化为单独的、与物理空间相关又与之分离的空间。基尔希[46]将空间分为：构想的空间（conceived space）、感知的空间（perceived space）和生活的空间（lived space）。网络空间则同时具备构想、感知和生活的特点。网络空间的疆域界碑[47]、区域、场所等研究均凸显了网络空间的空间特性。网络空间是通过构想和感知得到的空间感觉，人们在网络空间中建立场所，上网的人会对反复访问的某些网站产生一种位置感[48]。网络空间是相对的、可变的，是通过实践、概念化和表现之间的互动而构成的空间，表达了一种由具体的人类认知介导的经验空间。
（2） 网络空间的地理特性。自20世纪60年代以来，地理学家一直致力于研究网络空间对地理学带来的影响。从地理学的角度认识网络空间，有 3种认识[49]： ① 人工实境，一种用户可以通过屏幕和交互设备与网络空间进行交互的虚拟或人工实 境[50]； ② 地理隐喻，通常可用信息高速公路、虚拟社区、电子疆域、网络冲浪者、论坛或虚拟演播大厅等地理空间类似的术语来指代网络空间要素； ③ 图像空间的一部分，地理学中的“心象空间”“心象地图”，用户使用互联网产生了“地方”或“社区”的感觉和心里效应。网络空间是地理领域的延伸，地理学从研究“人-地”的关系、能量交互和流动规律，拓展为“人-地-网”的研究，从物理空间拓展到虚拟空间，探究网络空间结构和行为的演变规律[51]。
（3） 网络空间的人文特性。网络空间通过各类物理设备和网络通信手段，塑造了“空间”的感觉，人们通过电子屏幕、鼠标键盘、VR/AR设备等实现与“空间”的交互，利用虚拟账号、虚拟化身在虚拟空间/虚拟社区中进行聊天、交友、旅游、游戏等，逐渐形成了网络空间的一种人文活动现象，如社交网络活动、电子购物等，反映了人类或虚拟人的兴趣、情感、活动等。网络空间的人文特性既包括物理空间中人的活动在虚拟网络空间的映射，也包括人的化身在虚拟空间的社会活动特点。

2.2 网络空间测绘研究框架

测绘（Surveying and Mapping）是研究与地球及近地天体有关的空间信息采集、处理、分析、显示、管理和利用的科学与技术[52]。利用测绘技术人们得以更好地了解其赖以生存的地球空间，地图导航、外卖点餐、旅游出行等都利用了测绘相关技术与成果，使得我们的生活更加便捷。在网络空间中，人们通过网络基础设施与信息打交道，其场景要素、形态边界、变化时态无法靠感官去感知，只有通过测量手段才能获知网络空间，且只有用可理解的方式加以表达才能让用户认知网络空间及其安全态势。网络空间测绘不是扛着标尺、架起全站仪实现对网络资源的“测量”，也不是通过遥感判绘、地图制图实现对网络资源的“绘制”。
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，如图2所示。
图2 网络空间测绘研究现状分布

Fig. 2 Current status of research on cyberspace surveying and mapping

（1） 网络空间测量阶段（1990—2006年）。互联网技术发展初期，网络通信相对简单，网络空间要素相对单一，此阶段主要是针对网络空间要素测量进行研究，测绘地理学领域主要从事由网络技术发展带来对网络空间地图表达的基础性研究。
（2） 网络空间测绘发展初期（2007—2016年）。网络通信技术发展迅速，网络空间组成要素越来越复杂，各领域越来越倾向于从整体上将信息环境看作统一的空间进行研究，直至2016年网络空间测绘研究的提出[8]。
（3） 网络空间测绘迅速发展期（2016年至今）。网络空间测绘其已逐渐作为一门新兴交叉学科被各领域专家所接受，相关技术和方法发展迅速，已成为学术界及产业界界重点研究的热点领域[59-60]。2022年，绿盟科技发布了《网络空间地图测绘理论体系白皮书》[61]，提出了攻防对抗下的网络空间地图测绘理论体系，将地图、地形、地志等引入到网络空间攻防对抗中。2023年，IDC发布了《网络空间地图市场洞察，2023-生成式AI加持》[62]，指出网络空间地图将成为构建数字世界的必备基础技术能力。
将测绘学相关技术与方法引入到网络空间研究领域，出现了网络空间坐标系[41]、网络空间测量[42]、网络空间地图[41]、网络空间全息地图[61]、网络空间“高精地图”[63]、网络空间地理图谱[27]、网络空间地形[64]等相关概念（图2），概念术语定义不严谨，容易引起歧义。为此，本文从测绘学视角，提出了网络空间研究框架（图3），主要包括框架基准、网络空间测量和网络空间地图制图，可分为“测”与“绘” 2个阶段[41-42]。
图3 网络空间“测”与“绘”研究基本框架

Fig. 3 Basic framework of cyberspace surveying and mapping research

（1） 框架基准构建。主要包括基准度量、坐标系等数学基础，为网络测量和地图制图提供坐标基准。网络空间坐标系构建是当前研究的热点，通过构建GNP[1]、VL[2]、ICL[3]、Vivaldi[4]、PIC[5]、NPS[6]，网络空间精准时空基准[7]等坐标系，实现IP节点的定位、IP节点之间网络空间距离的测量，以及社交网络节点间社交距离的度量等。但当前的研究大多是针对网络空间特定要素或局部网络的坐标系构建，将网络空间作为整体考虑，实现所有要素及整体空间统一标准的构建是网络空间框架基准的难题。
（2） 网络空间测量。主要集中在针对网络空间不同资源类型的探测（将在第3节详细讨论），是网络空间研究的核心关键。其目的是探明未知网络空间中的所包含的资源类型、特点及其网络属性，例如IP测量[65]、网络拓扑测量[66]、区域网络边界测量[67]、社交网络信息传播测量[68]等。通过网络空间测量，可将网络空间分为已确定边界、未确定边界和难以确定边界部分。已确定边界部分是指物理设备和通信手段由己方掌握，其位置分布、主干网结构、流量监测、网络活动等较为清晰。未确定边界是指通过一系列测量手段，可以探测确定的网络空间边界。难以确定边界是指难以通过测量手段探明的网络空间环境的相关资源、活动等。网络空间测量是网络空间研究的核心关键，是当前网络空间安全、通信领域研究的热点和难点。
（3） 网络空间地图制图。主要通过可视化手段对网络空间静态资产、动态活动和现象规律进行表达的技术，是网络空间绘制的重要手段。将虚无边界、难以捉摸的网络空间展示为可理解、可交互、可进入的可视空间，方便网络空间维护人员、开发人员和运用人员更好地认知和利用网络环境。传统地图学理论及地图制图方法对网络空间地图制图具有重要的借鉴意义，网络空间地图也逐渐成为网络空间研究的热点问题，但网络空间地图映射、网络空间地图符号设计、网络空间地图样式及标准规范等方面均需要进行重点研究。

2.3 网络空间测绘与实景三维、数字孪生的关系

当下在测绘地理领域，“实景三维”、“数字孪生城市”以及“元宇宙”本质上均是对数字空间信息环境的构建与应用。实景三维是对人类生产、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，是新型基础测绘标准化产品[69]，是多维动态现实世界体结构与表观的数字化描述与表达[70]。数字孪生城市是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[71]，其核心是实现物理城市与数字城市的精准映射、虚拟融合、软件定义、智能反馈。实景三维模型是数字孪生模型的空间基底和统一的空间定位框架与分析基础[72]。元宇宙（Metaverse）是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，具备新型社会体系的数字生活空间[73]。从实景三维、数字孪生城市和元宇宙的内涵看，数字孪生强调虚拟世界与现实世界的一致性和共生性，构建虚拟世界的目的是优化和引导现实世界的发展。元宇宙中的虚实世界有关联但并不强调一致性，是根据人的主观意愿打造的、不受现实约束、可以超越现实的虚实世界混合体，是多维、共享、交互的下一代互联网环境。
正如2.1节所述，网络空间是依托物理空间中的网络设备而形成的“虚拟数字空间”。如图4所示，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”，3个空间通过信息互联构成统一的信息空间。真实物理空间中的自然与人造实体对象的三维立体结构与外观，通过实景三维进行建模与表达[72]，形成了“数字孪生基础底座”。真实物理空间中人机物三元世界的各实体对象、行为，以及相互作用与机理，通过数字孪生进行综合表达[72]，在网络空间中构建了与实体空间一一对应的“数字孪生空间”。数字孪生和网络空间均与真实的物理空间有着千丝万缕的联系。元宇宙空间可以脱离真实的物理空间，通过数字空间生成等相关技术，构建例如AI生成的数字场景、游戏虚拟空间、臆想空间、心象空间等脱离现实的虚拟环境。网络空间测绘的测绘对象是依托实体空间的各类网络设备所塑造的信息环境，目的是通过建模与表达等技术手段构建出人类可以看得见、摸得着的网络空间环境。它与实景三维和数字孪生城市的研究对象不同，建模方法不同，但构建的网络空间环境与数字孪生空间存在着信息互联、信息计算等紧密的关联关系。
图4 网络空间与数字孪生空间、元宇宙空间的关系

Fig. 4 Relationship between cyberspace, digital twin, and metaverse

3 网络空间“测量”

对网络空间要素及规律的认识主要通过网络空间测量技术实现。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[41]。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。
（1） 狭义网络空间测量。狭义网络空间测量是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。网络空间测量的结果是一系列的模型、规律、特征等，各类测量之间具有较强的独立性，每种测量结果通常可以直接应用于网络的模拟和性能优化。按测量方式可分为主动测量和被动测量2类[9,74]。主动测量是通过向网络中目标链路或目标节点发送数据和观察结果来研究网络的行为。被动测量是将记录网络活动的探针接入到网络中的某个点上，记录和统计网络链路或节点上业务流量的信息，例如路由器、防火墙、交换机等设备的网络流量监视[75]。按照测量对象可以分为：IP测量、漏洞测量、ATP测量、目标测量、域名（DNS）测量[76]、僵尸网络测量[77]、应用服务测量、网络拓扑测量、网络地形测量[64]、暗网测量和深网测量[78]等。
例如，域名测量[76]主要包括组件测量、结构测量、流量测量和安全测量。其目的是监测DNS各组件的运行情况，发现利用或针对DNS的攻击行为等。网络拓扑测量[79]是指通过主动或被动的方法收集网络中的拓扑信息，经过数据处理得到网络中的节点以及节点间的转发关系，恢复出网络拓扑结构图。拓扑测量可细分为IPV4和IPV6测量，主要实现IP接口级拓扑测量、路由器级拓扑测量、PoP级拓扑测量和AS级拓扑测量等。
（2） 广义网络空间测量。广义网络空间测量的测量范围更广，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。测量对象主要包括：虚拟账号测量[80]、社交网络测量[81]、社交网络信息传播测量[68]、网络行为测量[82]、微博网络测量[83]、网络空间人格测量[84]等。
通过各类测量手段获得的网络空间资源，可按照其属性特点分为实体资源层、虚拟资源层、活动资源层和决策控制层[85]（图3）。实体资源层主要包括网络设施、通信设施、电磁设备和通信信道等物理实体资源，通常具有精确的地理位置属性。虚拟资源层包括软件、信息服务、网络角色、虚拟社区、逻辑链路等虚拟资源，其地理位置通常难以确定。过程资源层包括网络空间攻击、防御、运维事件、虚拟角色活动行为及规律等过程性资源。决策控制层主要包括指挥、力量、决策、权限等控制资源。
对网络空间“测量”研究，已有文献[59,67,75,78,81]进行了详细综述，在此不深入讨论。网络空间测量取得了丰富的成果，为网络资源发现、拓扑结构分析、安全态势感知等提供了支撑作用，但尚存在以下问题：
（1） 缺少针对网络空间资源空间特性的测量研究。当前网络空间测量研究的重点是探明网络空间有什么，以及网络空间资源的网络属性，但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。随着网络空间探明资产越来越丰富，人们迫切希望能够从整体上认知和理解网络空间，也希望能够在网络虚拟空间中实现快速浏览、导航、沟通交流以及生活。因此，对网络空间资源的“定位”等测量研究显得尤其重要。参考大地测量，网络空间测量同样需要确定基准点和构建控制网。网络空间是虚拟的、无边界的，难以像物理空间一样确定绝对的基准原点，也难以构建像CGSC2000类似的统一的坐标系，缺少在统一空间基准下的测量研究。
（2） 缺乏针对人在网络空间活动现象和规律的测量研究。对网络空间实体资产和虚拟资产的测量已有深入的研究，但对网络空间人文地理现象的测量较少。针对网络空间地理特性和人文特性，需要对社交账号、虚拟角色画像、网络社会现象等进行测量，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。

4 网络空间“绘制”

网络空间与地理空间既有联系也有区别，网络空间依附于地理空间并作用于地理空间。地图作为地理空间认知的重要工具和手段，同样也担负着如何刻画和表达网络空间的使命。网络空间地图是网络空间测绘的重要产品之一，是泛地图在网络空间的拓展，其目标是通过地图这样的工具（媒介）把网络空间可见的、不可见的资产要素、活动现象等通过大众能够接受的方式展现出来，使得人们能够快速认识和利用网络空间，实现网络空间信息的传递。从互联网技术发展初期，地图学家已经开始研究网络空间要素的地图可视化方法，形成了大量的研究成果。但随着网络空间要素越来越复杂，针对网络空间地图的研究存在表达要素不清晰、符号设计标准不统一、可视化方法不规范等问题，影响了对网络空间的认知，急需借助地图学方法对网络空间地图基础理论、技术体系和产品规范进行深入研究。

4.1 网络空间认知

网络空间认知是对网络空间研究的源动力，人类需要搞清楚这一神秘的、虚无缥缈的虚幻空间，达到充分认识、理解和运用网络空间的目标。网络空间认知的复杂性体现在：① 网络空间描述上的不一致，导致认知的语义差距；② 网络空间边界不明确，各层次之间存在耦合性要素众多、虚实结合、动静结合等特点，使得对网络空间的建模 与表达较为困难； ③ 网络空间认知存在2类场景：① 网络空间内部研究人员的认知，即从事网络安全研究的人员对网络空间自身的建模与可视化，最终形成认知产品； ② 网络空间外部利用网络空间的认知，即通过使用认知工具，实现对网络空间的定位、导航、认知等应用，进而帮助人们理解和利用网络空间。
地图学四面体[86]从空间认知的角度阐述了借助地图可以认识人类赖以生存的(自然的、社会的、经济的、文化的、政治的)环境，包括其中的诸事物、现象的相关位置、依存关系以及它们的变化和规律。面向网络空间的认知需求，需要进一步推动地图学在信息领域的拓展，实现自然、人文、信息三元世界的统一。从网络空间认知的角度出发，网络空间地图四面体在认知对象、认知工具、认知主体和认知任务等方面发生了拓展，构成了“多重地图四面体”。如图5所示，认知对象从地理空间拓展到了网络空间，认知工具为网络空间地图，认知主体包括网络空间的测绘人员和制图人员，认知任务主要面向网络空间的内部维护、网络利用和联合行动等，认知结果即各类网络空间地图。传统测绘得到的地图，使用者可以通过其与实地进行对照比较，增强了对物理空间的认知能力，地图上表达了实地难以深层次表示的信息。而网络空间理论上没有疆域的概念，难以找到现实“有形”的实体进行对照。网络空间地图需要针对网络空间的特点，在信息传输、环境建模、地图映射等方面进行拓展。网络空间地图的用户是谁（Who）、网络空间地图用户认知的需求是什么（What）、网络空间与地理空间的差异有哪些（Object）、地图相关技术如何应用于网络空间（How）等均是网络空间地图要重点考虑的问题。
图5 网络空间地图多重四面体

Fig. 5 Multiple tetrahedron of cyberspace map

4.2 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。其具体内涵包括：
（1） 以网络空间为表达对象。由于网络空间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，要素的空间位置和时空关系可能是物理（地理）空间中的位置和空间关系，也可能是虚拟空间的位置和空间关系。
（2） 具有地图的基本特征。对于网络空间中的物理网络层要素而言，由于与地理空间密切关联，其表达多采用与地理空间相关的形式，因此其数学基础、制图综合方法以及符号设计通常与地理空间表达方法相同；而对于网络空间要素而言，虽然明显区别于地理空间，但要实现网络空间到图的映射，并可为网络空间导航、分析提供支撑，依然需要依据严密的数学基础、地图制图技术和地图表示方法。
（3） 是统一数据模型驱动下多种表达方式的集合。将特点迥异、时空分辨率差别巨大的虚、实空间表达在同一张图上是极为困难的，也难以满足不同用户、不同应用场景的需求。网络空间地图需要针对不同用户、不用应用场景，设计不同的表达形式，采用不同的可视化方法，以实现复杂网络空间的有效表达。因此，网络空间地图是在统一网络空间数据模型驱动下的、多种可视化表达形式的集合。

4.3 网络空间地图概念模型

网络空间地图的概念模型涵盖网络空间信息的传递过程、网络空间地图的3种类型以及网络空间地图制图的基本模式，如图6所示。网络空间信息传递过程包括“网络空间资源测量→全局基准构建→地理网络关联映射→网络空间地图制图”等。网络空间地图涵盖网络空间各类要素、网络空间图层、网络空间坐标基准、网络空间映射模型、网络空间符号设计、网络空间图形表达等要素。网络空间地图的3种类型包括网络空间基础底图、网络空间业务用图和网络空间公共态势图。网络空间基础底图主要是刻画相对静态的基础环境，其目的是用于了解网络空间基础资源、现象的属性、分布等基本情况。网络空间业务地图主要是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、网络安全预警、防护等日常业务。网络空间公共态势图主要是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。
图6 网络空间地图概念模型

Fig. 6 Conceptual model of cyberspace map

5 关键技术

本文重点关注网络空间“绘制”（网络空间地图制图）关键技术，主要包括网络空间基准构建，“地理-网络”关联映射和网络空间地图表达等。

5.1 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。网络空间研究一直在探索类似经纬度的恒定编号系统作为基本的维度度量。时间基准是网络空间的突出特点，不同的AS自治域在域内有统一的时间基准，也有利用北斗授时系统尝试实现整个网络的时间统一。需要确定基准度量后，构建坐标系，进而确定在统一坐标系下的“位置”和“关系”。鉴于网络空间不同要素层的特点以及表达的不同需求，可考虑分层建立坐标系。
（1） 指挥控制层坐标系。指挥控制层高度抽象了网络空间各要素，为清楚地表达网络行动、网络设施等的通联关系，主要采用相对坐标系表示的网络各要素之间的相对关系。例如采用欧式平面坐标，描述各要素之间的相对关系，表示网络空间力量、装备以及之间的行动关系。
（2） 过程资源层坐标系。过程资源层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。其数学基础是图论和拓扑学，通过网络节点和边的度、度的分布、网络路径、连通性、集聚系数等刻画网络的基本特性，实现网络空间各类活动的建模。在网络攻击、社交网络、疾病传播网络和交通网络等方面均有相关的研究。
（3） 虚拟资源层坐标系。虚拟资源层通过时延来表示网络距离。信息领域重点研究的网络坐标系，即是构建一种具有可扩展性的互联网距离预测方案。网络距离指的是利用任意两个节点的网络坐标，根据事先定义的计算法则，测定它们之间的距离[87]。当前，网络空间距离估计方法主要有： ① 坐标估计方法。采用直接量测距离的方法，典型的有：IDMaps[88]、Vivaldi[4]等； ② 嵌入映射估计方法。采用将网络空间映射为欧氏空间、双曲空间或内积空间，利用嵌入空间中节点的距离代表网络空间的距离。典型的有：GNP算法[1]，IDES方法等； ③ 基于高精度时空信息的网络距离估计[7]。在每个路由器上加上北斗接收机，利用北斗统一授时来计算网络节点距离。
（4） 实体资源层坐标系。实体资源层各类资源具有精确的地理位置，主要采用地理空间坐标系进行刻画。实体资源的网络距离即指的是物理距离。
网络空间各层采用不同的坐标系和距离度量方法，在逻辑关系描述和图形可视化方面取得了不错的进展。但目前尚未见能够将网络空间的4个层次进行统一建模的框架系统和坐标系统。从本源角度研究网络空间的统一建模方法，提供恒定、全面直观的框架基准是需要进一步研究的难点问题。

5.2 “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，进而利用地图表示相关方法进行可视化表达。主要分为“关联”和“映射” 2类方法。
“关联”指的是如何将网络空间各类要素链接到地理空间。当前有2类方法： ① 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，获取得到网络空间要素的位置信息，即可实现关联。② 通过语义信息进行关联。例如通过网络空间地理信息知识图谱[85]等方法，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”指的是如何将网络空间各类现象或规律映射为地理现象。通常采用隐喻(metaphor)的方法实现，隐喻是借助过去已熟悉的事物来认识和理解当前所面临的全新的事物的过程或手段，即利用一个概念领域的意义和逻辑认知另一个概念领域。“地理-网络”隐喻是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，甚至是借用地理领域的认知手段来实现网络空间的认知。如：物理世界中的认知映射和寻路行为网络空间的学习和路径导航提供借鉴；城市交通地理中的可达性，行为地理学对人类空间认知、旅行和寻路的研究，可借鉴为网络节点的可访问性，网络空间的漫游、寻址等。采用隐喻理论，我们能够绘制出一张跟现实地图类似的网络空间“心象地图”，可以在地图空间中感受空间位置、距离和方向，通过空间定位和路径导航，从网络空间的一个节点漫游到另一个节点，从一个门户网站“跳跃”到另一个门户网站。隐喻方法可重点用于研究在网络空间的行为模式，对网络空间的认知规律等。

5.3 网络空间地图表达方法

网络空间地图是网络空间“绘制”的重要产品，针对不同层资源的属性特点，往往采用不同的绘制方法（表2）。
表2 网络空间地图表示方法对比分析

Tab. 2 Comparison and analysis of cyberspace map representation methods

表达对象 对象属性 表示方法 表达形式 示例
实体资源层地图表达 服务器、数据中心、光纤、电缆、卫星信号覆盖范围、IP数量、网络服务商等具备明显地理位置特征的网络实体要素 位置、数量、分布等空间特征和属性 基于地图的表示 点位表
示法		 用点状符号及其颜色、形状、尺寸等视觉变量表示网络空间点状要素在地理空间上的空间位置及其属性特征 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[89]
线位表
示法		 用线状符号及其颜色、形状、尺寸等视觉变量表示网络空间线状要素在地理空间上的空间位置及其属性特征 用线状符号表示光纤和分布情况，以及海底电缆分布[90]
面域范
围法		 用面状符号及其颜色、图案等视觉变量表示网络空间面状要素在地理空间上的分布范围及其属性特征 用面域范围法表示宽带互联网接入的地理分布情况[91]
等值
线法		 用等值线符号辅助以分层设色表示网络空间面状要素的空间形态在地理空间位置的连续变化分布特征 表示某通信卫星信号的覆盖
情况[92]
定点统
计法		 用统计图表符号表示网络空间点状要素在地理空间定位点上相关统计数据 用柱状图表示各个国家网络流量使用情况以及流量结构[93]
区域统
计法		 将地理空间的全制图区域范围按某种指标划分为不同的区域，各区域按面状要素属性进行分级处理，用颜色或者密度的递变对应不同的级别递变进行区域填充，反映各区域的不同数量梯级 用球形符号表示全球AS的国家分布情况[94]
热力图法 应用热力图的形式表示网络空间要素在地理空间上能力或力量的强弱变化分布特征。 表示英国伦敦地区IP数量的密度情况[95]
虚拟资源层地图表达 网络拓扑、新闻舆情、社交网络等网络虚拟资源要素 虚拟要素的特点、分布 地理隐喻表示 - 将网络空间中的非空间要素映射到地理空间上的某个制图区域，用地图的点线面符号形式隐喻表示网络空间要素形态及其特征 将网络上的在线社区隐喻表示为大陆、海洋、海湾和国家等地理要素[96]
网络节点的属性和连接关系 基于拓扑图的表示 点状拓扑图法 将网络空间要素在地理空间上的点状分布特征进行拓扑化处理，以点状拓扑图的形式表示网络空间要素的属性特征和其相互关系 整个网站表示为旋转的天体，点表示网站的每个文档[97]
网络连接
拓扑		 线性拓扑图法 将网络空间要素在地理空间上的线性分布特征进行拓扑化处理，以线状拓扑图的形式表示网络空间要素的属性特征和其相互关系 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[98]
互联网用
户数量、访
问指数等		 面状拓扑图法 将网络空间要素在地理空间上的面状分布特征进行拓扑化处理，以面状拓扑图的形式表示网络空间要素的属性特征和其相互关系 用图上各国的面积大小表示基于互联网用户的数量[99]
网络要素统计属性 统计图表示方法 用柱形图、折线图、饼图、条形图、雷达图等各种统计图表表示网络空间各要素在时空对象属性统计特征的一种表示方法 用统计图表表示攻击者和目标的统计数据[100]
网络连接拓扑关系 基于知识图谱的表示 星状网法 用星状网的信息表达形式表示网络空间各要素及其相关属性的分布形态和关联关系 星状网用于表示AS级的互联网连接[101]
要素分布、
属性特征		 三维柱
体法		 用三维柱体的形状、尺寸等视觉变量表示网络空间点状要素分布及其属性特征 三维柱体表示用户使用网络时访问站点的路径[102]
网络系统、
网站组成		 概念图法 是一种知识以及知识之间的关系的网络图形化表征，也是思维可视化的表征。通常用节点、链接和文字标注表示 展示Linux系统的概念图[103]
属性分布、
关联关系		 链路图法 用知识图谱中的点-线关系图表示网络空间各要素及其相关属性的相互关联关系的一种表示方法。点、线可应用颜色、尺寸、亮度等视觉变量表示各要素的相关属性特征 表示互联网行业3种类型服务商之间的关系图[104]
关联关系、
分布特征		 标签云法 用标签云的信息表达形式表示网络空间各要素及其相关属性的分布形态和关联关系 表示书中所有的文字，常用的文字靠近椭圆中心且更亮[105]
层次分布 金字塔
模型法		 将网络空间中的某要素按照不同的细节层次分为不同的图层，各图层之间通过三维透视图的方式进行表示 多层网站导航图[106]，面积是网站数量，主题越相关离得越近
过程资源层 网络空间信息流动、网络攻防等
过程		 网络攻击、防御等活动属性 基于动态演变的表示 - 用电子地图的动态优势，增加时间维度，表示不同时间维度网络空间各要素内容的动态演变过程 基于动态线表示的网络空间地图[107]
网络要素整
体分布、网
络导航		 基于虚拟现实的表示 - 用三维技术沉浸式表示网络空间各要素，同时通过连接线的方式建立空间各要素的地理分布 将网络节点与它地理空间中的位置使用直线在虚拟空间中进行关联映射[108]
指挥控制层 网络空间力量、行动、权限和操作 网络力量部署、分布、网络行动特点等 逻辑关系图法 - 应用表示逻辑关系的点、线、面符号来表示网络空间要素及其相互关系 使用抽象符号和逻辑关系表示网络空间行动[109]
（1） 实体资源层地图表达。网络空间实体资源层要素多数具有精确的地理位置等自然属性。其地图表达多数是以地图为“底图”，采用点位表示法、线位表示法、面域表示法、等值线法、定点统计法、区域统计法和热力图法等方法，利用地图点状符号、线状符号等视觉变量实现对网路实体资源的属性、分布、强弱变化等特征的刻画和描述。例如：海底光纤图，即是利用地图符号并配以表格来描述网络基础设施的地图。若网络空间中要素在空间上没有明确位置，但是要素和要素之间有相对的空间关系，如网络空间中节点关系、业务流动等，可采用流向图（FlowMap）、变形地图（Cartogram）、网络图（Network Map）进行表达。例如：流向图用来描述网络空间中节点之间的流量、节点状态的以及链路利用率等信息，如Kaspersky的网络威胁地图。
（2） 虚拟资源层地图表达。网络虚拟资源大多不具备精确的地理位置，或者地理位置属性难以获得，难以通过地图表示复杂的虚拟网络资源及网络连接关系，主要采用地理隐喻表示和基于拓扑图的表示方法。地理隐喻表示法主要通过将难以认知的网络空间要素或现象比喻为人们熟知的地理要素或现象，比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。基于拓扑图的表示方法主要包括点状拓扑图法、线性拓扑图法、面状拓扑图法和统计图表示方法，主要通过逻辑关系图表示网络空间的节点属性、联通关系、主干网特性以及社交网络、舆情分析等。
（3） 过程资源层地图表达。网络空间过程资源层主要描述的是网络空间攻击、网络空间防御、网络流量探测、网络节点病毒投放等网络空间行动过程，重点表示的是网络空间属性的动态变化。通常采用基于动态演变的表示方法和基于虚拟现实的表示方法。基于动态演变的方法主要是以时间维度变化为主线，表示网络空间行动的属性变化、动态演变等。基于虚拟现实的表示方法可利用VR/AR等显示交互设备，沉浸式地、可交互地进入网络空间。例如，在典型的网络攻击图中，每个节点表示一台主机的一种特定状态，而每条边代表一种可能的状态转换，探测发现的网络拓扑结构和节点配置情况会随着时间发生变化。
（4） 指挥控制层地图表达。指挥控制层地图表达通常采用逻辑关系图法表达，利用网络空间行动符号、逻辑表示等抽象表示网络空间指挥、网络空间力量的运用等。
（5） 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，如图7所示。首先，需要将网络空间进行统一建模表示为多层网络空间知识图谱[85]，基于网络空间实体实现网络空间各要素的关联。然后，基于点选、钻取、框选等人机交互操作，利用“指挥控制用图→网络空间态势图→网络空间隐喻地图→网络-地理图”多层次视图表达，实现对网络空间资源、活动和行动的从抽象到具体的多分辨率全局分析。举例说明： ① 第一层级，通过局部点选或框选指挥用图的局部区域，查询某次网络空间攻击行动，可详细显示此次行动的发起单位、攻击性质、攻击目标为web服务器和Email服务器； ② 第二层级，在网络空间态势图中可详细显示此次网络空间的过程信息，包括网络攻击路径、攻击经过的路由器或服务器IP节点，并通过图分析显示此次攻击导致相邻节点受影响的情况； ③ 第三层级，网络空间隐喻地图对此次网络攻击节点的虚拟资产信息进行详细展示，能够发现攻击受影响区域在整个网络地图中的分布，IP节点和受影响AS的连接情况，以及查询各个服务器的流量监控日志等属性信息； ④ 第四层级，通过网络-地理图可查看服务器、交换机、工作站等具体的地理分布情况。
图7 多层级地图交互表达示例

Fig. 7 Multilayer map interaction representation

6 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，在网络空间资源搜索、网络空间导航等方法发挥了重要的作用。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，主要包括：
（1） 网络空间顶层概念研究。对网络空间的认识是随着技术的发展而发展的，新技术的出现开拓了网络空间的边界，拓展了网络空间的要素组成。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。例如，大模型的出现，通过人工智能生成的虚拟场景，打破了人与数字空间交互方式的增强现实系统等均将纳入网络空间研究的范畴。
（2） 网络空间建模方法研究。在欧氏空间表达非欧要素，需要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，将地理空间和虚拟网络空间在统一维度上表示、分析与计算。需要重点研究网络空间认知模型、复杂网络等建模方法，研究网络空间环境向自然、人文环境的映射方法，如网络地理知识图谱的研究。
（3） 网络空间地图理论与方法研究。地图学相关理论与方法需要针对网络空间特点进行拓展，进一步研究新型表达形式（如网络地理隐喻法）和地图符号系统，体现网络空间的认知特点。为规范网络空间地图样式和标准，需要进一步研究数学基础、综合原则、图式规范、制图流程和产品标准等。
（4） 网络空间地图应用场景设计。网络空间地图的样式、表达内容、使用模式跟地图认知需求紧密相关，需进一步细化地图的用户、用途和用法等应用场景。需要构建网络地理信息系统，拓展虚拟地理环境，借助虚拟现实、增强现实等手段，充分挖掘在虚拟网络空间中的人类活动规律等。进一步研究基于网络空间地图的网络资源地位、网络信息导航、网络态势分析与预判等应用技术。
本文图文责任编辑： 蒋树芳 黄光玉

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