基于復雜網絡理論的計算機網絡拓撲探究

王文英

（陜西郵電職業技術學院，西安，712000）

0 引言

復雜網絡研究具有較強的跨學科特色，目前，它已經滲透到生命學科、數理學科和工程學科等眾多不同的領域，對復雜網絡的定量與定性特征的科學理解已經成為網絡時代科學研究中一個至關重要的挑戰性課題，由此產生的新問題和新的研究成果也是層出不窮。計算機技術的發展使我們擁有各種網絡的數據庫，并有可能對大規模的網絡進行實證研究。復雜網絡是研究復雜系統的一種角度和方法，它關注系統中個體相互關聯的作用的拓撲結構，是理解復雜系統性質和功能的基礎。本文旨在借用新的復雜網絡理論為計算機網絡拓撲尋求新的研究途徑，尋求能夠真實反映拓撲結構的復雜網絡的構造機制。

1 網絡拓撲結構

計算機網絡就是計算機通過一定的物理介質以及相應的通信協議相互連接形成的網絡。它是由許多節點與兩個節點間的一些邊組成的，這些邊是表示個體間的關系，那些節點則是網絡中的不同個體。兩個節點之間具有一定關系，則連一條邊，有邊相連的節點被看做是相鄰的。

計算機網絡拓撲結構是指網絡中各個站點相互連接的形式，在局域網中明確一點講就是文件服務器、工作站和電纜等的連接形式。主要的拓撲結構有，星形拓撲、總線型拓撲、樹形拓撲、環形拓撲以及它們的混合型。

星形拓撲是一臺設備作為中心連接點，各工作站與它連成星形；總線型拓撲就是將文件服務器和工作站都連接在一條稱之為總線的公共電纜上；樹形拓撲就是由總線型演變而來的，形狀像一棵倒置的樹，頂端是樹根，樹根以下帶分支，每個分支還可再帶子分支。而環型拓撲就是將所有站點彼此串行連接，像鏈子一樣構成一個環形回路；混合型就是將這三種拓撲混合起來運用。

2 復雜網絡理論

2.1 表現

通俗的說復雜網絡就是表現出高度復雜性的網絡，其表現主要有以下幾方面:一是結構復雜，這是復雜網絡最明顯的一個表現，主要是因為復雜網絡的節點數目巨大，同時網絡結構差異性較強，相互之間都有不同的結構特征。二是連接的多樣性，這表現在節點之間的連接上，節點之間的連接權重有所不同，在這個差異之外，還存在一個不同，那就是連接還存在方向性。三是節點多樣性，這主要是指復雜網絡中的節點可以代表任何事物。四是動力學復雜性，它的節點集屬于非線性動力系統，表現在節點狀態隨著時間的變化而變化，這是由于社會中人在不同的時間里使用計算機。五是網絡進化，主要是說它的節點產生與消失是隨時變化的。六是多重復雜性融合，也就是它的多重復雜性相互影響后，導致更難預料的結果。

2.2 特性

首先是小世界，它作為復雜網絡的基本單元，將兩個原件之間的任意一點相連，形成的公用通道是作為數據傳輸的網絡紋線。復雜網絡中有無數個小世界，把它們都連接起來就可以形成許許多多的網絡紋線。

其次是以小世界為基本元件形成的集團性交互連接態勢更加明顯，作為眾多小世界的集合體，復雜網絡也包含了各個資源件的集團性，這些內部的交互性也使得復雜網絡整體架構的兼容性與再塑性得以進行多元化拓展。

最后是冪律的度值涵蓋的視域趨向多元，度值是節點以及相關聯的單位數量。

3 復雜網絡理論應用

3.1 網絡同步行為的研究

各節點同步化行為普遍存在于復雜網絡之中，產生的原因是網絡拓撲的動力學性質和單個節點自身的特點，而非某個單獨因素可以決定，這種現象會給網絡運行環境帶來危害。比如在網絡中，不同的網絡節點發送信息，這些信息會有兩個結果，一是同時發布，二是都不發布，第一種情況會造成網絡信息的擁堵，第二種會造成信息無法傳播。不管哪一種都是具備危害性的，盡管在這方面可以采取一些降低危害的方法，但卻始終無法完全杜絕這一現象。

3.2 計算機網絡拓撲行為的演化模型

一直到現在，針對計算機網絡拓撲主要是依據自治域和路由器這兩種不同層次來對計算機拓撲結構進行描述的，根據這兩種不同的層次形成了BA模型和局部演化模型。從自治域來說，若干個自治域形成了一個網絡系統結構，自治域間存在對等連接，那就成為了其中的一條邊。路由器作為網絡的節點，將路由器放在整體中，它就是一個節點，但是在兩個網絡節點之間存在的物理連接，卻相當于邊。通過對二者的研究，卻發現二者所實現的都僅僅是簡單網絡情況下的的拓撲演化規律，面對復雜的網絡結構都是心有余而力不足，因此還需要對此進行長遠的探究，從而使拓撲結構能夠適應更加復雜多變的網絡環境。

3.3 網絡病毒擴散模型及防范措施

隨著網絡的發展和計算機技術的進步，現代社會中網絡和計算機已經大大地方便了人們的生活工作。但是與此同時，另一個問題卻悄然爆發，那就是隨著技術的提高完善，很多應用程序的操作都越來越自動化、傻瓜化，自動化較高的程序，既可以幫助不懂的人自動完成某些復雜的操作，但也有可能在程序中添加惡意代碼，通過應用在網絡中傳播，加上自動化程度高了，很多人就省去手動操作的習慣，慢慢地就降低了對惡意程序的防范，使其在網絡中肆虐。針對這個問題，除了要求用戶注意防范，還應該在網絡中加以阻止。

但是基于目前的現狀，對網絡病毒的傳播，到現在依然是一個讓人們頭疼的問題，即便是到了現在，也沒有一個完全解決的策略，對于網絡病毒的危害，也只是停留在預防的策略上，還有降低病毒在網絡中傳播的速度和效率，降低其對網絡的危害，阻斷病毒傳播鏈。防范網絡病毒，減少網絡病毒的危害，這些是遠遠不夠的。在過去，預防病毒，主要方法是基于規則網絡病毒傳播模型上，這種方法的原理是，根據病毒感染強度的閥值，基于病毒大于一個固定閥值的情況下將會在網絡中長期存在，否則感染的節點會衰減。而提出的方法是隨機免疫的方法，在進行免疫時平等對待這些節點，隨機地選擇節點，也沒有優先順序。但是這種方法很明顯存在一個問題，網絡上的節點太多，隨機選擇節點也無法兼顧全局，無法阻止病毒的大規模爆發。而在復雜網絡理論的基礎上，人們對于病毒的防范有了新的認識，漸漸意識到網絡拓撲的結構對計算機網絡病毒的防范具有深遠的影響，計算機具備小世界和無標度雙重特征，同規則的網絡環境相比，小世界的網絡病毒更易于傳播，同時在無標度的網絡上病毒的傳播沒有正傳播閥值，盡管只感染很少的節點，但卻可以在網絡上長期存在，在這個過程中一旦有其他節點被感染，就有爆發大規模病毒的可能。

面對這一認識，人們需要重新建立一個完整地病毒傳播模型，而這個模型中必須具備病毒的傳播原理、網絡的拓撲結構，還有就是二者的相互作用機制。改變以往的觀念，防范病毒不僅僅是降低病毒的傳播，更重要的是針對病毒傳播的手段，通過改變網絡拓撲結構，從而達到控制病毒傳播的目的。

3.4 計算機網絡的脆弱性和魯棒性

脆弱性是因為即便是少量的網絡節點被破壞掉也會對整個網絡運行起到很大作用，甚至導致其奔潰、癱瘓，這個特點使得計算機網絡系統的節點一旦遭到破壞很容易就會對整個網絡的運行起到毀滅性的打擊。一般來說，但整個計算機網絡的節點有5%-10%的中心節點被摧毀就會導致整個網絡的潰散或者形成一個個信息孤島，進一步導致整個系統的潰散。

魯棒性是為了應對計算機的脆弱性而設計的，在設計時考慮到計算機網絡中某些節點和線路的脆弱性，容易遭到他人的破壞，因此有必要將使其具備一定的自愈能力，進而確保整個計算機系統不會因此癱瘓。這個想法最初是被運用在軍隊信息的傳遞上，一般情況下，無標度性的拓撲網絡結構使得計算機網絡即便是在局部遭到破壞的情況下，依然可以保持工作，同時保持節點的穩定性。經過研究發現，隨意選擇80%的的節點進行摧毀，剩余的網絡依然可以保持兩點間的順利連接。

4 結論

未來可以針對復雜網絡的某些統計特性，有必要對計算機網絡拓撲的構建、拓撲發現、用戶的動態更新、資源管理、服務發現、服務部署等問題進行研究；通過具體的研究，針對某種具體網絡體系結構服務或應用，構造出性能高、可擴展性好、有利于管理的具有小世界或無標度特性的網絡結構，必須在理論上建立計算機網絡的復雜網絡理論，主要是研究計算機網絡的拓撲演化機制，不同節點對于整個網拓撲演化行為的影響，同時闡述計算機網絡拓撲的基本性質和特征量，通過定量與定性分析方法探究出其性質與特征以及相關應用，尋求能夠真實反映拓撲結構的復雜網絡的構造機制。

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[2]趙飛,秦敏,張寒冰.計算機網絡拓撲研究[J].大家,2010(24)

[3]王曉燕,毛紅閣.基于復雜網絡特征的P2P系統模型的研究[J].赤峰學院學報(自然科學版),2011(01)