1、计算机科学与技术学院毕业设计(论文)论文题目 基于复杂网络的因特网抗毁性分析 指导教师 职 称 博士讲师学生姓名 学 号专 业 网络工程 班 级系 主 任 院 长起止时间 2013年 10月 11日至 2014年 5月 23 日2014年 5月 23日目 录摘 要 .iAbstract.ii第一章 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 本文的主要工作 .31.3 本文的组织结构 .3第二章 复杂网络的背景知识 .42.1 从图论到复杂网络 .42.2 复杂网络的结构参数 .52.3 复杂网络的经典模型 .7第三章 复杂网络抗毁性 .113.1 网络抗毁性的定义 .113.2 网络抗毁性
2、分析 .123.2.1 抗毁性度量指标 .123.2.2 实证分析与仿真分析 .13第四章 因特网抗毁性分析 .164.1 因特网的拓扑结构及加权网络介绍 .164.2 考虑信息条件下因特网的加权网络基于节点的抗毁性分析 .194.2.1 因特网抗毁性模型描述 .194.2.2 局部信息下的抗毁性仿真结果 .204.2.3 全局信息下的抗毁性仿真结果 .234.3 考虑信息条件下因特网的加权网络基于边的抗毁性分析 .264.3.1 抗毁性模型 .264.3.2 抗毁性仿真结果 .26第五章 总结 .32参考文献 .33谢 辞 .35南华大学计算机科学与技术学院毕业设计（论文）基于复杂网络的因特
3、网抗毁性分析摘要：自从上世纪末科学家们发现复杂网络的小世界及无标度结构特性以来，复杂网络就一直是最重要的多学科交叉研究领域之一。因特网作为现实世界中重要的复杂网络之一，其与安全性和可靠性相关的结构抗毁性一直是受关注的焦点。本篇文章首先阐明了复杂网络的基础理论，主要包括图论、复杂网络的结构参数、经典复杂网络拓扑模型。其次概述了复杂网络抗毁性研究现状。然后利用仿真软件 Matlab，基于经典的加权无标度网络模型对因特网抗毁性开展仿真研究。本实验选定网络中较为常用的测度鲁棒性及网络效率，来评测网络的抗毁性。研究关注于网络在不同的信息条件和攻击方式下的抗毁性表现。从不同角度对因特网抗毁性进行了仿真，有
4、基于节点的抗毁性仿真和基于边的抗毁性仿真。其中，在基于节点的抗毁性仿真中，研究了局部信息条件下遭遇 ID攻击（对初始网络按节点的度大小顺序来移除节点）时网络的抗毁性，以及全局信息条件下遭遇 IB攻击（对初始网络按照节点的介数大小顺序来移除节点）和 RB攻击（每次移除的节点是当前网络中节点或边介数最大的节点）时网络的抗毁性；在基于边的抗毁性仿真中，研究了不同信息获取情况下网络的抗毁性。不同信息条件下基于节点的因特网抗毁性仿真结果表明：在基于局部拓扑信息的各种攻击策略下，权重系数越大，节点移除对于网络效率和连通性的影响越小，网络的抗毁性越强。相比于基于局部拓扑信息的攻击策略，基于全局信息的攻击策略
5、下，网络应对节点移除的鲁棒性要更弱。而不同信息条件下基于边的因特网抗毁性仿真结果表明：当网络信息获取为随机获取时，网络的抗毁性取决于网络信息量的获取程度。其中，当网络的信息获取为零时，网络具有较强的抗毁性。在网络信息为优先获取情况下，只需要获取少量重要的边信息就会导致网络变得异常脆弱。这些研究结果为从信息角度给出因特网更合理有效的保护措施提供了理论依据。关键词：复杂网络；因特网；加权网络；小世界；抗毁性 南华大学计算机科学与技术学院毕业设计（论文）iInvulnerability Based On The Complexity Of The Internet NetworkAbstract：S
6、ince the last century that scientists have found that the characteristics of the small-world and scale-free structure of complex networks, complex networks has been one of the most important multidisciplinary research field. Internet as one of the important real-world complex networks, and its safet
7、y and reliability associated with the structure of invulnerability has been the focus of attention.This article first clarifies the basic theory of complex networks, including graph theory, the structural parameters of complex networks, classical complex network topology model. Followed by an overvi
8、ew of the complex network of anti-status quo survivability research. Then use Matlab, classic weighted scale-free network model based on Internet invulnerability to carry out simulation studies. In this study, selected the more commonly used measure of the network - network efficiency and robustness
9、 to evaluating network survivability. Research focuses on network survivability performance under different conditions and attacks of the information. From a different perspective on the Internet invulnerability of the simulation, there is a node invulnerability simulation and survivability simulati
10、on based on the edge of the anti-Based. Among them, the survivability simulation based on nodes, studied under attack when confronted ID information under local conditions (initial node of the network according to the order to remove the node) network survivability, as well as the conditions encount
11、ered IB global information attack (the initial referral network in accordance with the number of nodes in the order to remove the node) and RB attacks (each node in the network to remove the maximum number of nodes or edges mediated current node) network of invulnerability; based side survivability
12、simulation to study the different access to information under the network survivability. Under different conditions of node-based Internet Information invulnerability simulation results show that: in a variety of attack strategies based on local topology 南华大学计算机科学与技术学院毕业设计（论文）iiinformation, the grea
13、ter the weighting factor, remove the node connectivity for network efficiency and the impact of the smaller network survivability the stronger sex. Compared to the attack strategy based on local topology information, under attack strategy based on global information network robustness to cope with w
14、eaker nodes removed. But under different conditions based on the information side of the Internet invulnerability simulation results show that: when the network is random access to information access, the network survivability depends on the extent of the network to get the amount of information. Wh
15、erein when the information network to get to zero, the network has a strong invulnerability. Priority access to network information case, you only need to get a small amount of side information will lead to important network tenuous. The results of these studies give a more reasonable and effective
16、measures to protect the Internet from an information point of view provides a theoretical basis.Key words: complex networks; internet; weighted network; small world; invulnerability南华大学计算机科学与技术学院毕业设计（论文）第 0 页 共 35 页第一章 绪论1.1 研究背景及意义自从上世纪九十年代以来，由于总体经济的高速发展，人们逐渐进入了一个以因特网为代表的网络时代，并且在生活中的各个领域因特网都广为普及，与我
17、们的日常生活紧密相关。纵观整个人类的社会生活，无论是政治、经济、教育亦或是其他生活的方方面面，因特网的作用日益突出。离开了因特网，人们会感到无所适从。例如，人们平时搜集信息、网上购物、存储数据等等，都与因特网有关。还有对于银行、政府等重要机构而言，因特网的重要性更是不言而喻。一旦有重要数据流失或泄露将会造成不能挽回的损失。所以，如何加强因特网的安全性，当受到不法分子的恶意攻击时，会给因特网带来何种影响，如何尽量减少恶意进攻给网络带来的不良后果，怎样行之有效的来对因特网进行保护以维持其正常的服务运转等，这一系列问题正日益成为研究者研究的重点。因特网从出现到如今的快速发展，整个过程十分迅猛。它源于
18、最早的有小型计算机连接而成的实验网络，经过多年的演变发展，成为了今天十分成熟的大型高效网络。而人们对于因特网的研究自其诞生之日起就从未停止并且深入研究的的欲望愈发强烈。早些时候，人们 对于因特网的研究都是停留在它的体系结构、网络协议以及网络服务等方面。而后，随着社会的不断发展，信息技术也在飞速猛进，人们对于因特网的依赖越来越强，因特网的重要性日益出显现。这就使得人们开始将目光更多的转向因特网的结构建模、网络服务的安全性及可靠性等方面。而近些年来，人们在复杂科学及复杂网络领域取得了一系列瞩目的研究成果。而随着人们发现因特网其实就是现实生活中最为常见的复杂网络之一，就开始从复杂性和复杂网络角度对因
19、特网开始了研究工作。复杂网络遍布在生活各处，从因特网到万维网，从细胞神经网络到蛋白质相互作用网络，从城市公路交通网到航空路线图等。并且人们对于复杂网络的探究已经逐渐进入数理和工程科学范畴当中，在这个以信息为主导的年代进一步深入探索复南华大学计算机科学与技术学院毕业设计（论文）第 1 页 共 35 页杂网络的各种特性及功能，已然在科学界演变成为了一个极富挑战性的课题，有的研究者甚至将其作为网络的新科学来进行钻研。人们对于复杂网络的研究最早是建立在图论的基础上的，即使用较为简易的规则网络来做相关的分析。然而受到实验条件的制约，加之缺乏实验数据和一定的对于数据统计分析能力，人们并不了解所研究的复杂网
20、络的具体拓扑信息。后来，由于计算机领域相关技术的继续发展，使得人们可以收集和研究构造庞大的复杂系统的数据，人们开始了对复杂网络的更为深入地研究。随着网络的不断进步与发展，其重要性也日益突出，越来越多的研究人员开始投身于对网络的可靠性的研究当中来。“鲁棒而脆弱”是复杂网络中最重要但又最基本的特性之一。在对于我们的生产和生活都至关重要的因特网上，每天都上演着多种多样的随机故障，并会不定时的遭受不知名的黑客的恶意攻击以及病毒的侵扰。因此，怎样对实际复杂系统的脆弱性和鲁棒性进行较为系统地大范围地研究，成为了时下对于复杂网络的研究中最重要的问题之一。脆弱性和稳健型是无标度网络的一个双重特征，这就使得病毒
21、或黑客只需要破坏少数核心节点便可以彻底击垮整个的网络系统，因而，越来越多的科研机构开始关注复杂网络的抗毁性问题。此外，对于生活中无所不在的各种复杂网络，无论是通信、电力、物流或是金融等等，深入研究整个复杂网络的复杂性以及相关规律，都会对人们的生活带来极大的影响。除去一些处于核心置且数量众多的关键节点以外，网络中还不乏一些容易被人忽略但同时对整个网络系统性能有着决定性影响的节点。如果这类节点出现差错，就很容易引起级联失效，进而致使网络出现大范围的障碍问题，严重时还会致使网络系统整体陷入瘫痪状态从而引起无法弥补的亏损。而因特网作为生活中必不可少的复杂网络之一，其抗毁性研究也越来越重要。所以，研究和
22、探索因特网的抗毁性具有巨大的理论意义和现实意义。主要有：(1)基于复杂网络基本理论对因特网的拓扑结构进行分析可以对网中的核心节点进行精准的定位，已实现对其的有效管理从而从拓扑结构上优化因网。(2)在实际的许多网络中，破坏一个或少数几个关键节点可能会引起级联失效严重时甚至会导致整个网络崩溃。这种网络中的相继故障原理使得提高了对于因特网故障的重视，对于预防因特网遭遇外界攻击破坏以及阻止在网络遭到破坏后受到更大的损失都具有十分重要的现实意义。南华大学计算机科学与技术学院毕业设计（论文）第 2 页 共 35 页(3)研究分析因特网的抗毁性，对于更加合理地规划构建因特网、科学地制定管理因特网的方法策略、
23、更为高效的激发因特网的信息服务能力、更大程度上提高网络的安全性以及可靠性等方面都具有重要的理论意义和现实意义。 1.2 本文的主要工作结合已有的研究成果，本文主要从以下几方面对研究因特网的抗毁性展开了工作：(1)系统介绍复杂网络理论的基础知识（主要包括复杂网络的结构度量、经典拓扑模型及其性质、结构抗毁性）；(2)介绍已提出的经典因特网拓扑模型、攻击模型及抗毁性测度指标；(3)介绍复杂网络的抗毁性及已有的抗毁性仿真与实证分析；(4)利用 Matlab 仿真工具，基于经典的模型网络对不同信息条件下的加权复杂网络抗毁性进行仿真分析，主要有考虑信息条件的加权因特网基于节点的抗毁性分析、考虑信息条件的加
24、权因特网基于边的抗毁性分析、考虑信息条件的加权因特网基于节点的抗毁性分析、考虑成本和性能的加权因特网抗毁性分析。1.3 本文的组织结构本文后续部分内容如下：第 2 章，复杂网络背景知识。首先介复杂网络的相关基础知识。其中重点介绍了因特网的三个典型模型：随机图模型，小世界模型，BA 无标度模型。第 3 章，复杂网络抗毁性。重点说明网络抗毁性的定义以及之前人们对于研究网络抗毁性所做的仿真分析和实证分析。第 4 章，因特网抗毁性分析。首先，简单介绍因特网拓扑结构和加权网络。之后从三个角度对因疼的抗毁性进行仿真，分别是考虑信息条件的加权因特网基于节点的抗毁性分析，考虑信息条件的加权因特网基于边的抗毁性
25、分析以及考虑成本与性能的加权因特网抗毁性分析。并且得出在相对应的条件下，因特网的抗毁性随着拓扑参数的变化会有怎样的变化。第五章，总结。对本文所研究的内容进行总结。南华大学计算机科学与技术学院毕业设计（论文）第 3 页 共 35 页第二章 复杂网络的背景知识2.1 从图论到复杂网络在产生图论理论之后，又有人提出了随机图理论。在之后的内容中将为大家 详细介绍 ER 模型以及其他的一些复杂网络的模型。与其他的数学家相同，随机图论的提出者 Erdos 研究的也是基于经典图论的网络模型，而随着一系列复杂网络如万维网等的出现，一大批研究者开始思考传统网络模型以外的问题，像诸如互联网之类的复杂网络，它们的网
26、络结构会是什么样子的呢？在对社会网络进行了近半个世纪的研究后，人们取得了显著地成果。但是对于复杂网络方面的研究，还要追溯到 1998 年 6 月。美国康奈尔大学的博士生导师Steven H.Strogat 和其学生 Duncan J.Watts 联合发表了一篇论文： Collective dynamics ofsmall worldnetworks，在这片文章中首次提出了小世界模型（WS 模型），该模型从规则网络出发，以概率 （重连概率）将每条边断开并重新连接到p网络上的其他节点，如果改变 的大小，网络将会发生变化，由规则网络（ ）向复杂网络（ 在 0.001 到 0.1 之间）变化，最后会向
27、着随机网络0pp（ ）变化。11990 年 10 月 15 日，由美国圣母大学教授 A.L.Barabasi 与他的学生 R.Albert 联合发表了一篇论文Emergence of Scaling in Random Networks.这篇论文指出了复杂网络中的无标度性质，并提出了无标度模型（BA 模型），该模型的度分布符合幂律分布。他们指出了实际网络中的两个重要特性：网络的规模总是不断在增长的、新加入到网路中的节点比较倾向于连接到度大的节点。以上的两篇文章都提出了较为简单易懂的模型和严格的数学推导来给我们展示复杂网络的生成机制，同时阐述了复杂网路的基本特征，这两篇论文的发表标志着对于复杂网
28、络的研究从此走进了一个全新的时代。随着科学时代的发展，复杂网络理论已逐渐渗透到诸多领域，如物理、生物、社会等研究领域。对于现实网络而言，研究复杂网络对于研究其稳定性、容错性和抗攻击能力等，都具有决定性意义。南华大学计算机科学与技术学院毕业设计（论文）第 4 页 共 35 页2.2 复杂网络的结构参数复杂网络是涉及到很多交叉学科的的一门新科学，近几年来吸引着越来越多的来自各领域的研究者，主要有社会学、生物学、数学、物理学等学科。我们日常比较熟悉的领域应该莫过于生物学了。接下来先从人们比较熟悉的生物学角度入手，来说明复杂网络的某些基本特征。众所周知，生物系统之间的相互作用错综复杂，所以用传统的方法
29、进行研究时遇到了瓶颈，但是随着复杂网络理论的发展，研究者的探索手段也在不断进化逐渐产生了许多新的想法，这种头脑风暴就使得其他领域的一些专家开始跨界在生物领域发展。这期间，也有许多重要的研究成果问世。如下图 2.1 和图 2.2,这是两张较为典型的生物网络拓扑图。图 2.1 酵母蛋白质相互作用网络 图 2.2 转录调节网络(1)度和度分布网络节点的度（或称连接度）是最基本的一个网络测度，节点度反应的是一个节点所具有的邻居数。基本上所有的网络拓扑结构都是主要按照其节点度分布来进行分类的。(2.1) !)(keP网络的平均度指的是全部节点度的平均值，记为 ，k(2.2) Ni1度是网络节点的属性，反映的是网络中个体的属性，属于微观层面，不能反映整体特性，可以通过微观量的分布来研究宏观特性，由此引出度分布。网络中节点
