基于复杂网络理论的计算机网络拓扑研究

邵志伟

（大同大学 网络信息中心，山西 大同 037003）



基于复杂网络理论的计算机网络拓扑研究

邵志伟

（大同大学 网络信息中心，山西 大同 037003）

摘 要：随着计算机的技术和网络信息技术的快速发展，网络结构变得越来越复杂，传统的网络模型已经无法满足拓扑结构的使用需求。在这一背景下，复杂网络理论应运而生，同时复杂网络理论也为计算机网络拓扑研究提供了一个新的发展平台与发展思路。此外，计算机网络拓扑研究对计算技术的发展与应用都有着重要作用，因此加强对其研究具有现实意义。

关键词：复杂网络；计算机；网络拓扑

计算机的应用已经深入到了生活中的每一个领域，目前复杂网络的研究已经成了计算机领域研究中的一个热门话题，并且在人们的生活中也占有重要位置。因此，在计算机网络研究过程中，要着眼于复杂的学科特色，并且在研究过程中要不断地深入，使其能够更好地被人们所应用。

1　复杂网络理论

当前，计算机网络已经被广泛应用到多个学科理论中，并且得到了良好的应用效果。通过多年的研究，人们对复杂的网络已经有了一定的认识，其复杂性表现在以下几个方面：结构简单，节点数目多，并且具有各不相同的网络构造。

（1）多样性连接：节点在连接上具有偏向型，同时也有可能具有方向性，也就是说在复杂的网络中，节点之间的连接可能会向一侧发生偏移。

（2）网络进化：网络中大量节点的连接与断开并不会依据一定的规矩进行。正因为这一特点，节点所在的网页可能会突然失效，而一旦网页失效，网页结构随之将会出现变化。

（3）节点多样性：存在于复杂网络中的一切事物都可以通过节点表示，例如对人际关系的研究可以通过复杂网络理论实现。在此问题的研究过程中，单独的一个人是复杂网络中的一个节点，对每个节点的研究也就是针对每个人的研究。

（4）动力学复杂性：表现在连接节点方式的研究可以通过非线性动力学实现。

（5）多复杂性融合：表现为以上4种中的两种或者更多性质的一种复杂性融合。在完成融合之后，融合的内容相互之间会存在较大影响，并且融合之后的后果是无法估计的，从网络的发展和性质来看，任意一种网络都有一个进化过程中，网路拓扑结构则受其进化的影响，当存在于网络中的任意两个节点之间的数据长期传输，节点之间联系将会变得更加复杂，而通过分析不难发现，未来网络连接更多会通过这两个连接点得以实现。网络拓扑主要通过持续实践使网络变得高效合理，这也促进了复杂网络的快速发展。

2　复杂网络的特性

2.1 小世界

小世界表示利用复杂网络缩短两个规模极大网络之间的距离，小世界是复杂网络中的基本单元。复杂网络中，距离并不会成为阻止两个人熟悉的因素，即使相隔很远，通过复杂网络，两个人也会成为熟悉的陌生人，而多个小世界构成了复杂的网络。

2.2 密集的集团聚程度

在具体分析过程中，以人际关系为例。每个人在社会中都是一个独立个体，每个个体都有自己的关系圈，在这圈内自己认识圈内所有的人，而圈内人也全部都认识自己，圈内的每一名朋友在生活中也有自己的朋友圈，这样通过长时间的交流，两个人机关系将会变得更加熟悉，自然也会成为对方朋友圈中的一员。可以说，任意一个复杂的网络，都是由多个小网络构成的，而这种系统内部的交互也会是复杂的网络具有更强的容纳性，同时也会变得更加开阔，这在一定程度上也加快了复杂网络多元化的发展脚步。

2.3 幂律的度的分布

在复杂网络中，度指的是节点与其他节点的关系数量，数量的多少表示节点之间联系的紧密程度，节点越多表示网络连接越紧密，这也表明了网络自身的稳定性较高。介数表示的主要内容是复杂网络两个节点之间的最小距离，所有的数据都集中反映节点对复杂网络所造成的影响效率。网络统计参数包括网络平均距离L，聚集系数C，这两个数据对复杂网络计算的研究都起着关键作用。其中，L能够反映存在与复杂网络中的两个节点在连接之后分离所需要的平均时间，而C能够准确地反映复杂网络聚集程度，可以用于反映网络自身集团化的内聚倾向。

3　计算网络拓扑结构

3.1 网络同步行为

网络同步行为在复杂的计算机网络中十分常见，而这一现象是由复杂的网络拓扑结构和动力学性质所引起的。从大量的实践经验可以看出，同步行为并不是一种良好的行为，其产生通常都具有一定的危害性。例如，复杂网络中的信息都是通过多个路由器发射的，但是在复杂网络中最终都会出现同步现象，从分析结果来看，同步行为通常有以下两种：一是发出的信息是同一中路由信息。二是同时不发送消息。以上两种行为的出现，或者导致网络瘫痪，或者导致网络发生较为严重的拥挤。尽管人们在对复杂的网络研究过程中，已经采取了很多合理的方式，试图阻止同步行为的发生，阻止其带来危害。但是从实际情况来看，经常是刚处理完一种同步行为，又一发生另一种同步行为。因此，如何杜绝同步行为，长期以来都是人们所研究的重点内容。

3.2 脆弱性和鲁棒性

计算机网络拓扑的主要特点为没有标度，也正是由于计算网络拓扑存在这一特点决定了一旦发生网络错误，计算机网络将会呈现出很强的鲁棒性。但是若在网络中有恶意攻击，网络拓扑又会显得十分脆弱。首先，对就鲁棒性进行分析。计算机网络起初用于军事，因此计算机网络对多资料的安全性有着很高要求，这也确保了鲁棒性，简单来说，就是某些区域或节点发生了故障，或者存在问题，从整体上来看，并不会导致网络发生全面瘫痪，网络还是可以维持正常运行的状态。就目前而言，从计算机网络的具体运行情况来看，在网络中只要超过20%的区域和节点没有出现问题，就能构成一个功能完好的网络区域，确保各项工作的合理开展。其次，分析脆弱性问题。虽然受计算机网络起初的应用领域影响，其本身具有一定的鲁棒性，但是一旦计算机网络中的一些重要节点受到了恶意攻击，复杂网络还是十分脆弱的。相关实验结果表明，复杂网络中的小部分重要节点遭遇破坏，网络的整体功能将会受到影响，此时网络将会发生瘫痪，无法继续工作。图1能够清楚地表明计算机网络在具有鲁棒性的同时也具有脆弱性的特点。

在图1中，纵坐标表示的为网络连接程度，横坐标表示的为计算机网络中所存在的节点，其中利用K值表示连接程度，K的数值越大，计算机网络在运行过程中所遭受的破坏程度也就越大。

图1　计算鲁棒性和脆弱性的关系

4　计算机网络病毒的传播与防范

计算机网络在应用中具有一定的优越性，但是人们更注重其在应用中的优势，而忽略了对其安全问题的重视，导致了一些计算机病毒在网络上肆意传播。长期以来，人们针对病毒所造成的危害的处理方式，停留在预防措施上。例如，通过安装防火墙的方式，阻止病毒入侵计算机内容，这种方法虽然起到了一定的作用。但是，大量的计算机病毒进入计算机被阻，在很长一段时间都会存在网络中，并不会消失，而网络拓扑中存在大量节点，一旦这些节点遭受病毒的破坏，将会对整个网络的运行造成具体影响，甚至会引起网络的全面瘫痪。因此，必须要不断增强人们对病毒的预防意识，在分析计算机网络拓扑结构过程中，要注重对病毒的预防与处理，使网络拓扑结构对病毒的传播能够得到很好的控制，从而确保计算网络拓扑结构运行的安全性。

5　结语

计算机在我国各个领域中都有着广泛的应用，并且越来越受到人们的关注。在计算机技术快速发展的今天，计算机的运行速度和运行方式长期以来都是人们所关心的问题，其对计算机的数据和运行效率都有着极大影响。在计算机运行过程中，需要对计算机中运行的程序进行有效管理与控制，从而使管理体系变得更加完善，确保计算机运行的安全性。在计算机研究过程中，应用计算机复杂理论，完成对计算机网络模型的合理分析，从而找到解决计算机在运行过程中存在的问题的新方法，从而使计算机能够更好地为人们服务。

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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

作者简介：邵志伟（1979-），男，山西大同；研究方向：计算机网络。