邵志偉

（大同大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息中心，山西 大同 037003）

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基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲研究

邵志偉

（大同大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息中心，山西 大同 037003）

摘 要：隨著計算機的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)無法滿足拓撲結(jié)構(gòu)的使用需求。在這一背景下，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)運而生，同時復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論也為計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲研究提供了一個新的發(fā)展平臺與發(fā)展思路。此外，計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲研究對計算技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用都有著重要作用，因此加強對其研究具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；計算機；網(wǎng)絡(luò)拓撲

計算機的應(yīng)用已經(jīng)深入到了生活中的每一個領(lǐng)域，目前復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)成了計算機領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)研究過程中，要著眼于復(fù)雜的學(xué)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(yīng)用。

1　復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論

當(dāng)前，計算機網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到多個學(xué)科理論中，并且得到了良好的應(yīng)用效果。通過多年的研究，人們對復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有了一定的認識，其復(fù)雜性表現(xiàn)在以下幾個方面：結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)點數(shù)目多，并且具有各不相同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。

（1）多樣性連接：節(jié)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(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點之間的連接可能會向一側(cè)發(fā)生偏移。

（2）網(wǎng)絡(luò)進化：網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點的連接與斷開并不會依據(jù)一定的規(guī)矩進行。正因為這一特點，節(jié)點所在的網(wǎng)頁可能會突然失效，而一旦網(wǎng)頁失效，網(wǎng)頁結(jié)構(gòu)隨之將會出現(xiàn)變化。

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

（4）動力學(xué)復(fù)雜性：表現(xiàn)在連接節(jié)點方式的研究可以通過非線性動力學(xué)實現(xiàn)。

（5）多復(fù)雜性融合：表現(xiàn)為以上4種中的兩種或者更多性質(zhì)的一種復(fù)雜性融合。在完成融合之后，融合的內(nèi)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(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和性質(zhì)來看，任意一種網(wǎng)絡(luò)都有一個進化過程中，網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)則受其進化的影響，當(dāng)存在于網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)長期傳輸，節(jié)點之間聯(lián)系將會變得更加復(fù)雜，而通過分析不難發(fā)現(xiàn)，未來網(wǎng)絡(luò)連接更多會通過這兩個連接點得以實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)拓撲主要通過持續(xù)實踐使網(wǎng)絡(luò)變得高效合理，這也促進了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展。

2　復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特性

2.1 小世界

小世界表示利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)縮短兩個規(guī)模極大網(wǎng)絡(luò)之間的距離，小世界是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的基本單元。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，兩個人也會成為熟悉的陌生人，而多個小世界構(gòu)成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。

2.2 密集的集團聚程度

在具體分析過程中，以人際關(guān)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(guān)系圈，在這圈內(nèi)自己認識圈內(nèi)所有的人，而圈內(nèi)人也全部都認識自己，圈內(nèi)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(guān)系將會變得更加熟悉，自然也會成為對方朋友圈中的一員?？梢哉f，任意一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，都是由多個小網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，而這種系統(tǒng)內(nèi)部的交互也會是復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)多元化的發(fā)展腳步。

2.3 冪律的度的分布

在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，度指的是節(jié)點與其他節(jié)點的關(guān)系數(shù)量，數(shù)量的多少表示節(jié)點之間聯(lián)系的緊密程度，節(jié)點越多表示網(wǎng)絡(luò)連接越緊密，這也表明了網(wǎng)絡(luò)自身的穩(wěn)定性較高。介數(shù)表示的主要內(nèi)容是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)兩個節(jié)點之間的最小距離，所有的數(shù)據(jù)都集中反映節(jié)點對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)所造成的影響效率。網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計參數(shù)包括網(wǎng)絡(luò)平均距離L，聚集系數(shù)C，這兩個數(shù)據(jù)對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)計算的研究都起著關(guān)鍵作用。其中，L能夠反映存在與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的兩個節(jié)點在連接之后分離所需要的平均時間，而C能夠準(zhǔn)確地反映復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)聚集程度，可以用于反映網(wǎng)絡(luò)自身集團化的內(nèi)聚傾向。

3　計算網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

3.1 網(wǎng)絡(luò)同步行為

網(wǎng)絡(luò)同步行為在復(fù)雜的計算機網(wǎng)絡(luò)中十分常見，而這一現(xiàn)象是由復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì)所引起的。從大量的實踐經(jīng)驗可以看出，同步行為并不是一種良好的行為，其產(chǎn)生通常都具有一定的危害性。例如，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的信息都是通過多個路由器發(fā)射的，但是在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中最終都會出現(xiàn)同步現(xiàn)象，從分析結(jié)果來看，同步行為通常有以下兩種：一是發(fā)出的信息是同一中路由信息。二是同時不發(fā)送消息。以上兩種行為的出現(xiàn)，或者導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，或者導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)發(fā)生較為嚴重的擁擠。盡管人們在對復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)研究過程中，已經(jīng)采取了很多合理的方式，試圖阻止同步行為的發(fā)生，阻止其帶來危害。但是從實際情況來看，經(jīng)常是剛處理完一種同步行為，又一發(fā)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(nèi)容。

3.2 脆弱性和魯棒性

計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲的主要特點為沒有標(biāo)度，也正是由于計算網(wǎng)絡(luò)拓撲存在這一特點決定了一旦發(fā)生網(wǎng)絡(luò)錯誤，計算機網(wǎng)絡(luò)將會呈現(xiàn)出很強的魯棒性。但是若在網(wǎng)絡(luò)中有惡意攻擊，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)起初用于軍事，因此計算機網(wǎng)絡(luò)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(qū)域或節(jié)點發(fā)生了故障，或者存在問題，從整體上來看，并不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)發(fā)生全面癱瘓，網(wǎng)絡(luò)還是可以維持正常運行的狀態(tài)。就目前而言，從計算機網(wǎng)絡(luò)的具體運行情況來看，在網(wǎng)絡(luò)中只要超過20%的區(qū)域和節(jié)點沒有出現(xiàn)問題，就能構(gòu)成一個功能完好的網(wǎng)絡(luò)區(qū)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(wǎng)絡(luò)起初的應(yīng)用領(lǐng)域影響，其本身具有一定的魯棒性，但是一旦計算機網(wǎng)絡(luò)中的一些重要節(jié)點受到了惡意攻擊，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)還是十分脆弱的。相關(guān)實驗結(jié)果表明，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的小部分重要節(jié)點遭遇破壞，網(wǎng)絡(luò)的整體功能將會受到影響，此時網(wǎng)絡(luò)將會發(fā)生癱瘓，無法繼續(xù)工作。圖1能夠清楚地表明計算機網(wǎng)絡(luò)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(biāo)表示的為網(wǎng)絡(luò)連接程度，橫坐標(biāo)表示的為計算機網(wǎng)絡(luò)中所存在的節(jié)點，其中利用K值表示連接程度，K的數(shù)值越大，計算機網(wǎng)絡(luò)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(guān)系

4　計算機網(wǎng)絡(luò)病毒的傳播與防范

計算機網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中具有一定的優(yōu)越性，但是人們更注重其在應(yīng)用中的優(yōu)勢，而忽略了對其安全問題的重視，導(dǎo)致了一些計算機病毒在網(wǎng)絡(luò)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(yù)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)中，并不會消失，而網(wǎng)絡(luò)拓撲中存在大量節(jié)點，一旦這些節(jié)點遭受病毒的破壞，將會對整個網(wǎng)絡(luò)的運行造成具體影響，甚至?xí)鹁W(wǎng)絡(luò)的全面癱瘓。因此，必須要不斷增強人們對病毒的預(yù)防意識，在分析計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)過程中，要注重對病毒的預(yù)防與處理，使網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對病毒的傳播能夠得到很好的控制，從而確保計算網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)運行的安全性。

5　結(jié)語

計算機在我國各個領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，并且越來越受到人們的關(guān)注。在計算機技術(shù)快速發(fā)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(guān)心的問題，其對計算機的數(shù)據(jù)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(yīng)用計算機復(fù)雜理論，完成對計算機網(wǎng)絡(luò)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(wù)。

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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(wǎng)絡(luò)。