基于復雜網絡理論的計算機網絡拓撲研究

邵志偉

（大同大學 網絡信息中心，山西 大同 037003）

?

基于復雜網絡理論的計算機網絡拓撲研究

邵志偉

（大同大學 網絡信息中心，山西 大同 037003）

摘 要：隨著計算機的技術和網絡信息技術的快速發展，網絡結構變得越來越復雜，傳統的網絡模型已經無法滿足拓撲結構的使用需求。在這一背景下，復雜網絡理論應運而生，同時復雜網絡理論也為計算機網絡拓撲研究提供了一個新的發展平臺與發展思路。此外，計算機網絡拓撲研究對計算技術的發展與應用都有著重要作用，因此加強對其研究具有現實意義。

關鍵詞：復雜網絡；計算機；網絡拓撲

計算機的應用已經深入到了生活中的每一個領域，目前復雜網絡的研究已經成了計算機領域研究中的一個熱門話題，并且在人們的生活中也占有重要位置。因此，在計算機網絡研究過程中，要著眼于復雜的學科特色，并且在研究過程中要不斷地深入，使其能夠更好地被人們所應用。

1　復雜網絡理論

當前，計算機網絡已經被廣泛應用到多個學科理論中，并且得到了良好的應用效果。通過多年的研究，人們對復雜的網絡已經有了一定的認識，其復雜性表現在以下幾個方面：結構簡單，節點數目多，并且具有各不相同的網絡構造。

（1）多樣性連接：節點在連接上具有偏向型，同時也有可能具有方向性，也就是說在復雜的網絡中，節點之間的連接可能會向一側發生偏移。

（2）網絡進化：網絡中大量節點的連接與斷開并不會依據一定的規矩進行。正因為這一特點，節點所在的網頁可能會突然失效，而一旦網頁失效，網頁結構隨之將會出現變化。

（3）節點多樣性：存在于復雜網絡中的一切事物都可以通過節點表示，例如對人際關系的研究可以通過復雜網絡理論實現。在此問題的研究過程中，單獨的一個人是復雜網絡中的一個節點，對每個節點的研究也就是針對每個人的研究。

（4）動力學復雜性：表現在連接節點方式的研究可以通過非線性動力學實現。

（5）多復雜性融合：表現為以上4種中的兩種或者更多性質的一種復雜性融合。在完成融合之后，融合的內容相互之間會存在較大影響，并且融合之后的后果是無法估計的，從網絡的發展和性質來看，任意一種網絡都有一個進化過程中，網路拓撲結構則受其進化的影響，當存在于網絡中的任意兩個節點之間的數據長期傳輸，節點之間聯系將會變得更加復雜，而通過分析不難發現，未來網絡連接更多會通過這兩個連接點得以實現。網絡拓撲主要通過持續實踐使網絡變得高效合理，這也促進了復雜網絡的快速發展。

2　復雜網絡的特性

2.1 小世界

小世界表示利用復雜網絡縮短兩個規模極大網絡之間的距離，小世界是復雜網絡中的基本單元。復雜網絡中，距離并不會成為阻止兩個人熟悉的因素，即使相隔很遠，通過復雜網絡，兩個人也會成為熟悉的陌生人，而多個小世界構成了復雜的網絡。

2.2 密集的集團聚程度

在具體分析過程中，以人際關系為例。每個人在社會中都是一個獨立個體，每個個體都有自己的關系圈，在這圈內自己認識圈內所有的人，而圈內人也全部都認識自己，圈內的每一名朋友在生活中也有自己的朋友圈，這樣通過長時間的交流，兩個人機關系將會變得更加熟悉，自然也會成為對方朋友圈中的一員。可以說，任意一個復雜的網絡，都是由多個小網絡構成的，而這種系統內部的交互也會是復雜的網絡具有更強的容納性，同時也會變得更加開闊，這在一定程度上也加快了復雜網絡多元化的發展腳步。

2.3 冪律的度的分布

在復雜網絡中，度指的是節點與其他節點的關系數量，數量的多少表示節點之間聯系的緊密程度，節點越多表示網絡連接越緊密，這也表明了網絡自身的穩定性較高。介數表示的主要內容是復雜網絡兩個節點之間的最小距離，所有的數據都集中反映節點對復雜網絡所造成的影響效率。網絡統計參數包括網絡平均距離L，聚集系數C，這兩個數據對復雜網絡計算的研究都起著關鍵作用。其中，L能夠反映存在與復雜網絡中的兩個節點在連接之后分離所需要的平均時間，而C能夠準確地反映復雜網絡聚集程度，可以用于反映網絡自身集團化的內聚傾向。

3　計算網絡拓撲結構

3.1 網絡同步行為

網絡同步行為在復雜的計算機網絡中十分常見，而這一現象是由復雜的網絡拓撲結構和動力學性質所引起的。從大量的實踐經驗可以看出，同步行為并不是一種良好的行為，其產生通常都具有一定的危害性。例如，復雜網絡中的信息都是通過多個路由器發射的，但是在復雜網絡中最終都會出現同步現象，從分析結果來看，同步行為通常有以下兩種：一是發出的信息是同一中路由信息。二是同時不發送消息。以上兩種行為的出現，或者導致網絡癱瘓，或者導致網絡發生較為嚴重的擁擠。盡管人們在對復雜的網絡研究過程中，已經采取了很多合理的方式，試圖阻止同步行為的發生，阻止其帶來危害。但是從實際情況來看，經常是剛處理完一種同步行為，又一發生另一種同步行為。因此，如何杜絕同步行為，長期以來都是人們所研究的重點內容。

3.2 脆弱性和魯棒性

計算機網絡拓撲的主要特點為沒有標度，也正是由于計算網絡拓撲存在這一特點決定了一旦發生網絡錯誤，計算機網絡將會呈現出很強的魯棒性。但是若在網絡中有惡意攻擊，網絡拓撲又會顯得十分脆弱。首先，對就魯棒性進行分析。計算機網絡起初用于軍事，因此計算機網絡對多資料的安全性有著很高要求，這也確保了魯棒性，簡單來說，就是某些區域或節點發生了故障，或者存在問題，從整體上來看，并不會導致網絡發生全面癱瘓，網絡還是可以維持正常運行的狀態。就目前而言，從計算機網絡的具體運行情況來看，在網絡中只要超過20%的區域和節點沒有出現問題，就能構成一個功能完好的網絡區域，確保各項工作的合理開展。其次，分析脆弱性問題。雖然受計算機網絡起初的應用領域影響，其本身具有一定的魯棒性，但是一旦計算機網絡中的一些重要節點受到了惡意攻擊，復雜網絡還是十分脆弱的。相關實驗結果表明，復雜網絡中的小部分重要節點遭遇破壞，網絡的整體功能將會受到影響，此時網絡將會發生癱瘓，無法繼續工作。圖1能夠清楚地表明計算機網絡在具有魯棒性的同時也具有脆弱性的特點。

在圖1中，縱坐標表示的為網絡連接程度，橫坐標表示的為計算機網絡中所存在的節點，其中利用K值表示連接程度，K的數值越大，計算機網絡在運行過程中所遭受的破壞程度也就越大。

圖1　計算魯棒性和脆弱性的關系

4　計算機網絡病毒的傳播與防范

計算機網絡在應用中具有一定的優越性，但是人們更注重其在應用中的優勢，而忽略了對其安全問題的重視，導致了一些計算機病毒在網絡上肆意傳播。長期以來，人們針對病毒所造成的危害的處理方式，停留在預防措施上。例如，通過安裝防火墻的方式，阻止病毒入侵計算機內容，這種方法雖然起到了一定的作用。但是，大量的計算機病毒進入計算機被阻，在很長一段時間都會存在網絡中，并不會消失，而網絡拓撲中存在大量節點，一旦這些節點遭受病毒的破壞，將會對整個網絡的運行造成具體影響，甚至會引起網絡的全面癱瘓。因此，必須要不斷增強人們對病毒的預防意識，在分析計算機網絡拓撲結構過程中，要注重對病毒的預防與處理，使網絡拓撲結構對病毒的傳播能夠得到很好的控制，從而確保計算網絡拓撲結構運行的安全性。

5　結語

計算機在我國各個領域中都有著廣泛的應用，并且越來越受到人們的關注。在計算機技術快速發展的今天，計算機的運行速度和運行方式長期以來都是人們所關心的問題，其對計算機的數據和運行效率都有著極大影響。在計算機運行過程中，需要對計算機中運行的程序進行有效管理與控制，從而使管理體系變得更加完善，確保計算機運行的安全性。在計算機研究過程中，應用計算機復雜理論，完成對計算機網絡模型的合理分析，從而找到解決計算機在運行過程中存在的問題的新方法，從而使計算機能夠更好地為人們服務。

［參考文獻］

［1］馬秀麗，孫可心，王紅霞.基于復雜網絡理論的C2組織網絡拓撲結構研究［J］.火力與指揮控制，2010（2）：69-71.

［2］孫懋珩，鄭煜，周軒.基于復雜網絡理論的WSN拓撲控制與安全維護［J］.同濟大學學報：自然科學版，2011（9）：1333-1338.

［3］周洪興.復雜網絡理論下計算機網絡拓撲結構研究［J］.數字技術與應用，2016（1）：23-24.

［4］趙建新.復雜網絡理論及其在計算機拓撲行為中的應用［J］.計算機光盤軟件與應用，2014（4）：83-84.

［5］狄兆華，帥斌，種鵬云.基于復雜網絡理論的成都市公交網絡拓撲特性研究［J］.西華大學學報：自然科學版，2015（6）：12-16，22.

Computer Network Topology Based on Complex Network Theory

Shao Zhiwei
（Network Information Center of Datong University，Datong 037003，China）

Abstract:With the rapid development of computer technology and network information technology，network architecture becomes more complex，the traditional network model has been unable to meet the needs of topology，in this context，complex network theory should be a timely，At the same time the theory of complex network topologies for computer networking research provides a new platform for the development and the development of ideas.In addition，research computer network topology on the development and application of computing technology has an important role，and therefore strengthen its research has practical significance.

Key words:complex network；computer；network topology

作者簡介：邵志偉（1979-），男，山西大同；研究方向：計算機網絡。