基于復雜網(wǎng)絡(luò )理論的計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲研究
摘 要：復雜網(wǎng)絡(luò )理論近年來(lái)發(fā)展迅速。介紹了復雜網(wǎng)絡(luò )理論的相關(guān)知識，基于此對計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲進(jìn)行了探究，闡述其特性并對其未來(lái)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：復雜網(wǎng)絡(luò )理論;計算機網(wǎng)絡(luò );網(wǎng)絡(luò )拓撲
近年來(lái)，關(guān)于復雜網(wǎng)絡(luò )的文章不斷在各大國際一流刊物上發(fā)表，內容涉及復雜網(wǎng)絡(luò )理論、復雜網(wǎng)絡(luò )模型以及復雜網(wǎng)絡(luò )理論在各學(xué)科中的應用等等。出現以上情況，肇因于復雜網(wǎng)絡(luò )理論面對一些情況表現出的普適性，這也使復雜網(wǎng)絡(luò )理論成為國際學(xué)術(shù)界新的研究熱點(diǎn)。計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)作為同樣迅猛發(fā)展的學(xué)科，也是學(xué)術(shù)界一直以來(lái)關(guān)注的熱點(diǎn)，巧合的是用復雜網(wǎng)絡(luò )理論知識可以非常簡(jiǎn)化且準確地通過(guò)拓撲的形式闡釋計算機網(wǎng)絡(luò )。我們將單個(gè)的計算機看作一個(gè)獨立的節點(diǎn)，將連接各個(gè)計算機網(wǎng)絡(luò )的介質(zhì)看作路徑，那么計算機網(wǎng)絡(luò )就可以簡(jiǎn)化描述為一個(gè)以復雜網(wǎng)絡(luò )理論為基礎的拓撲圖�；谝陨辖Y論，本文將對復雜網(wǎng)絡(luò )理論下的計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲進(jìn)行研究。
1、復雜網(wǎng)絡(luò )理論概述
著(zhù)名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森給出了復雜網(wǎng)絡(luò )的定義：具有自組織、內部相似、吸引引子、小區域、無(wú)標度中一部分或者是全部的網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為復雜網(wǎng)絡(luò )。
1.1 復雜網(wǎng)絡(luò )-陛質(zhì)
(1)平均路徑長(cháng)度。平均路徑長(cháng)度指所有節點(diǎn)之間距離的平均值，能夠形象解釋這一概念的是著(zhù)名的“小世界”試驗，實(shí)驗要求參與者把一封信傳給他們熟悉的人之一，藉此探明數人網(wǎng)絡(luò )中路徑長(cháng)度的分布，結果表明平均穿過(guò)人數僅為6人，這一試驗也正是流行的“六度分離”概念的起源。
(2)聚集系數。聚集系數C用來(lái)描述網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的聚集情況，同樣以人類(lèi)社交為例，即在社會(huì )網(wǎng)絡(luò )中，與你保持朋友關(guān)系的幾個(gè)人也有可能彼此是朋友，通過(guò)大量的實(shí)驗，結果表明大部分真實(shí)網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)是相對聚集的。
(3)度分布。度分布用來(lái)描述網(wǎng)絡(luò )中邊的數目相同的節點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中的比值，即在社交網(wǎng)絡(luò )中有指定數目的朋友個(gè)數占總人數的比值。除了以上3個(gè)性質(zhì)外，復雜網(wǎng)絡(luò )還有網(wǎng)絡(luò )彈性、介數、度和聚集系數相關(guān)性等性質(zhì)，在未來(lái)對于復雜網(wǎng)絡(luò )和應用學(xué)科的結合中都將起到指導作用。
1.2 復雜網(wǎng)絡(luò )特征
(1)小世界效應。前文中提到由復雜網(wǎng)絡(luò )的平均路徑長(cháng)度概念引入的著(zhù)名試驗闡釋了“小世界”的內涵，這一內涵之于現實(shí)網(wǎng)絡(luò )的意義在于揭示了復雜網(wǎng)絡(luò )無(wú)論規模大小，都是由N個(gè)微小節點(diǎn)連接的，看似毫無(wú)關(guān)聯(lián)的幾個(gè)小節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )通過(guò)非常短的路徑就可以產(chǎn)生聯(lián)系，相互關(guān)聯(lián)，而這種關(guān)聯(lián)的建立也是大規模復雜網(wǎng)絡(luò )構建的基礎。
(2)集群性。集群性是指在一個(gè)大規模復雜網(wǎng)絡(luò )中存在的一種內聚傾向。仍然以社會(huì )網(wǎng)絡(luò )為例，甲在當地的一個(gè)茶道社A，乙是甲的好友，而乙同樣也是另一個(gè)茶道社B的社員，那么隨著(zhù)甲和乙溝通交往的深入，最后很有可能使得茶道社A與茶道社B之間產(chǎn)生更多更緊密的聯(lián)系，而這樣的聯(lián)系所引發(fā)的后續影響就是世界在逐步縮小，個(gè)體間的關(guān)系越來(lái)越緊密。
(3)冪律分布。在一個(gè)復雜網(wǎng)絡(luò )里，冪律的度值趨于服從泊松定律，即滿(mǎn)足公式P(k)一k—r，而冪律分布統計參數r與網(wǎng)絡(luò )的大小無(wú)關(guān)，我們將這樣的網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為無(wú)標度網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )的無(wú)標度性體現在無(wú)論測量的單位變大或是變小，所研究的客體性質(zhì)如形態(tài)、復雜程度和統計特征均不發(fā)生變化。
1.3 復雜網(wǎng)絡(luò )模型
網(wǎng)絡(luò )模型的基礎是規則網(wǎng)絡(luò )模型，規則網(wǎng)絡(luò )模型的特點(diǎn)是每個(gè)節點(diǎn)的邊數都相同，而這樣的網(wǎng)絡(luò )模型過(guò)于理想化，在真實(shí)網(wǎng)絡(luò )中出現這樣的規則網(wǎng)絡(luò )概率小而又小，岡此在20世紀50年代末又有人提出了全隨機網(wǎng)絡(luò )模型，這種模型更加符合真實(shí)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際情況，基于這樣的模型，又有一些其它網(wǎng)絡(luò )模型被相繼提出。
(1)小世界網(wǎng)絡(luò )(smal—world networks)。大量的實(shí)驗結果表明，真實(shí)網(wǎng)絡(luò )表現出的特點(diǎn)不像規則網(wǎng)絡(luò )和隨機網(wǎng)絡(luò )那樣分為幾段而是更趨于兩者之間，它在具有較短平均路徑的同時(shí)也有較高的聚集性。因此Watts和Strongatz在l998年提出了一種介于規則模型和全隨機模型之間的新模型—— 小世界網(wǎng)絡(luò )(簡(jiǎn)稱(chēng)WS網(wǎng)絡(luò ))，模型的構造如圖1所示。
(2)無(wú)標度網(wǎng)絡(luò )(Scale—free net works)。提到無(wú)標度網(wǎng)絡(luò )就不得不提到著(zhù)名的BA模型(由Barabasi和Albert提出故命名為BA模型)。BA模型認為以前的模型沒(méi)有考慮到網(wǎng)絡(luò )是開(kāi)放的，不斷會(huì )有新的節點(diǎn)加人，也沒(méi)有考慮到新節點(diǎn)會(huì )自動(dòng)擇優(yōu)選擇度數大的節點(diǎn)進(jìn)行連接。BA模型在考慮到以上因素后，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗和計算，得出 BA 網(wǎng)絡(luò )度的分布逐漸穩定在指數為3的冪律分布，這一結論也恰好能夠與真實(shí)網(wǎng)絡(luò )的大量實(shí)驗結論相吻合。BA模型的貢獻還在于它催生出很多以這一模型為基礎的新研究，比如李翔和陳關(guān)榮提出的局域世界演化模型、權重演化網(wǎng)絡(luò )模型等等，這標志著(zhù)人們對網(wǎng)絡(luò )世界的認識更加主動(dòng)而深入了。
2、復雜網(wǎng)絡(luò )理論在計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲中的應用
計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)面臨著(zhù)前所未有的復雜情況，在這個(gè)世界上幾乎每秒鐘都有新的用戶(hù)加入計算機網(wǎng)絡(luò )，幾乎每秒鐘都有新的技術(shù)或協(xié)議融人計算機網(wǎng)絡(luò )。因此，計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不同于其它復雜網(wǎng)絡(luò )學(xué)科，它的快速變化決定其與眾不同�；诖颂攸c(diǎn)，復雜網(wǎng)絡(luò )理論與計算機網(wǎng)路相結合將催生新的、更符合實(shí)際網(wǎng)絡(luò )情況的新模型以用于研究計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲。
2.1 計算機網(wǎng)絡(luò )動(dòng)力學(xué)模型
計算機網(wǎng)絡(luò )的復雜性很大程度上是從其動(dòng)力學(xué)的復雜性表現的，具體來(lái)說(shuō)就是網(wǎng)絡(luò )既具備抗變換性同時(shí)也具有脆弱性，所謂抗變換性就是魯棒性，它是指控制系統在一定(結構、大小)的參數攝動(dòng)下，維持其它某些性能特性，即在異常和危險情況下系統的生存，比如計算機在輸人錯誤、磁盤(pán)故障、網(wǎng)絡(luò )過(guò)載或惡意攻擊下還能夠保證不死機、不崩潰。而計算機網(wǎng)絡(luò )在具備抗變換性的同時(shí)還具有脆弱性。在整個(gè)計算機網(wǎng)絡(luò )中有一些關(guān)鍵節點(diǎn)，一旦它們中的部分失效— — 即使是它們中的一小部分失效，都很有可能導致計算機網(wǎng)絡(luò )崩潰。計算機網(wǎng)絡(luò )的特性決定了復雜網(wǎng)絡(luò )理論的幾個(gè)經(jīng)典模型并不適用，于是美國加州大學(xué)的學(xué)者近年來(lái)根據計算機網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)提出了HOT 模型。HOT系統可采用沙堆模型進(jìn)行模擬，但這里的沙堆必須加入人工設計因素，即存在優(yōu)化目標和人為調整因素。通過(guò)實(shí)驗可以看出HOT模型已經(jīng)能夠初步解釋計算機網(wǎng)絡(luò )的人工設計，但是這種解釋仍然是初步的，對于計算機網(wǎng)絡(luò )中的很多特性HOT模型仍然無(wú)法做到完全涵蓋，但是相對于之前以復雜網(wǎng)絡(luò )特性為基礎研究的情況，這不能不說(shuō)是該研究的重要進(jìn)步。
2.2 計算機網(wǎng)絡(luò )病毒防治
復雜網(wǎng)絡(luò )理論能夠較好地應用于人類(lèi)的病毒傳播學(xué)當中，同樣，在計算機網(wǎng)絡(luò )病毒防治領(lǐng)域也能夠發(fā)揮其作用。
拓撲結構決定網(wǎng)絡(luò )的特性，這句話(huà)不僅強調了網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的重要性，同時(shí)也為人們認識和防治計算機網(wǎng)絡(luò )病毒傳播提供了重要啟示。在研究中發(fā)現，由于規則網(wǎng)絡(luò )自身的拓撲結構特點(diǎn)決定了它不利于計算機病毒的傳播，相比之下，小世界網(wǎng)絡(luò )更容易傳播病毒，無(wú)標度網(wǎng)絡(luò )只要小部分節點(diǎn)感染就能導致大范圍的病毒傳播，巧合的是計算機網(wǎng)絡(luò )不僅具有小世界的特征，同樣也有無(wú)標度性，因此計算機網(wǎng)絡(luò )病毒的傳播防治一直是一項具有挑戰性的工作。
復雜網(wǎng)絡(luò )理論無(wú)論在動(dòng)力學(xué)建模還是在病毒防治方面都有重要意義，未來(lái)與計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲相結合的復雜網(wǎng)絡(luò )理論研究必將成為該學(xué)科的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
3、計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲研究展望
基于復雜網(wǎng)絡(luò )理論的計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲研究，從新的視角審視計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，從拓撲結構的高度關(guān)注一些具有復雜網(wǎng)絡(luò )性質(zhì)的事件，通過(guò)對這些事件不同視角的解讀進(jìn)行研究。
3.1 理論角度
完善應用于計算機網(wǎng)絡(luò )的復雜網(wǎng)絡(luò )理論，盡快構造符合要求的網(wǎng)絡(luò )拓撲模型，基于更優(yōu)的模型對計算機網(wǎng)絡(luò )結構的統計學(xué)特性進(jìn)行再研究。只有向著(zhù)這個(gè)方向努力，才能夠更好地面對快速發(fā)展的技術(shù)帶來(lái)的“副作用”，在問(wèn)題發(fā)生時(shí)不是采取“治標不治本”的補救措施，而是從結構人手，將問(wèn)題從根源上解決。與此同時(shí)，面對不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，我們應當總結出一整套較為完善的模型評價(jià)機制，使模型評價(jià)的維度更全面，對于新問(wèn)題的響應更迅速。
3.2 應用角度
根據復雜網(wǎng)絡(luò )的統計特性，應當更深入地研究計算機的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、資源管理與配置，在應用層面上構建性能良好、安全性高、便于管理的服務(wù)程序，推出具有小世界性或無(wú)標度性的P2P網(wǎng)絡(luò )甚至是web網(wǎng)絡(luò )。
3.3 同步控制
計算機網(wǎng)絡(luò )的同步性一直是計算機網(wǎng)絡(luò )穩定的大敵，同步發(fā)生將導致網(wǎng)絡(luò )擁堵甚至崩潰。因此，從復雜理論的角度分析計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲，從結構暑面解決有害同步將是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一。
3.4 病毒防治
要明確計算機網(wǎng)絡(luò )病毒傳播的方式，了解原網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的特性，找出針對特定病毒傳播方式的特定結構缺陷，最大程度保障計算機網(wǎng)絡(luò )安全。
4、結束語(yǔ)
計算機網(wǎng)絡(luò )以其龐大的規模和復雜多變的動(dòng)態(tài)結構向專(zhuān)業(yè)研究人員提出了挑戰，復雜網(wǎng)絡(luò )理論無(wú)疑為該研究洞開(kāi)了一扇大門(mén)，以復雜網(wǎng)絡(luò )理論的研究方式分析計算機網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題，不僅為研究提供了新方向、新方法，為計算機網(wǎng)絡(luò )研究重大突破提供了理論準備，同時(shí)也為計算機網(wǎng)絡(luò )應用和管理帶來(lái)了更合理的規劃和管理措施。
【基于復雜網(wǎng)絡(luò )理論的計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲研究】相關(guān)文章：
基于計算機網(wǎng)絡(luò )的教育模式研究11-22
淺談基于計算機網(wǎng)絡(luò )的學(xué)習模式研究11-16
試論復雜網(wǎng)絡(luò )的災害信息傳播特征研究12-07
解析基于計算機網(wǎng)絡(luò )系統包裝設計的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)研究論文02-20
復雜網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)重要性評價(jià)研究提綱11-18
基于對話(huà)理論的手機新聞傳播研究12-08
基于逆向思維的經(jīng)營(yíng)管理研究12-12
旅游行為文化的復雜適應系統特征的研究03-29
- 相關(guān)推薦