无标度网络及其在互联网方面的应用

王海青

宝鸡文理学院

无标度网络及其在互联网方面的应用

王海青

宝鸡文理学院

本文首先介绍了网络时代研究网络科学的必要性，然后介绍了无标度网络及其特性，最后重点介绍了无标度网络的在互联网方面的应用。

网络科学 复杂网络 无标度网络

1 引言

随着科技的不断进步，以互联网为主要代表的网络信息技术得到了迅猛的发展，这使得人类逐渐迈入了复杂网络时代。网络时代，各种各样的复杂网络充斥在人类四周，人类社会愈来愈网络化，而这其中，有利也有弊，即使人类世界越来越紧密，享受到了极大地便利，却又使经济或政治的局部动荡与传染病的传播越来越快速的趋于全球化而很难得到有效的控制。

人类主要研究以Internet、www、电力与交通网络、生物网络、经济与经融网络、社会网络及科研和教育的网络化为代表的复杂网络，通过研究它们内部的联系与特征，总结它们共有的特性，以控制或抵消它们的消极作用，并且延伸到其它复杂网络中，探索更加奇妙的未知领域。

2 无标度网络及其特性

通过对复杂网络的深入研究发现，许多复杂网络都有类似的重要特征：很大一部分节点只与少数节点连结，而一些很少的节点却与许多大量的其他节点相连结。这些能和大部分节点连结的节点称为“集散点”，连接的节点数目十分庞大，可能数百，也可能成千上万甚至更多，而且不存在代表性的节点。经过研究我们发现，许多网络如万维网、金融系统网络等等都由这些集散点支配，而具有这种集散节点的网络，我们通常称之为“无标度”（scale-free）网络。这种网络还具有可预期的行为特性：如对意外故障具有惊人的承受力，但面对协同式攻击时则很脆弱。

3 无标度网络在互联网方面的应用

3.1 互联网有害信息入侵的类型

为了维护互联网的安全，首先要明确这些有害信息的各种入侵类型。

①计算机病毒：计算机病毒是一种能够自我复制，并且能够传染其他程序的一些程序代码。其扩散范围非常大，感染的对象也逐渐从终端向代理网关、服务设置及防护设施等网络部件变化。

②网络蠕虫：网络蠕虫则是主动出击，一旦计算机有了漏洞而被搜索到的话便会遭受危险。

③黑客软件：即木马程序，通常依托游戏或者其他程序来伪装，用户如果下载并执行以后便会在计算机系统的程序当中潜伏下来，在用户使用计算机的过程中悄悄运行，如果使用者联网后，这些程序便会将IP地址及端口发送给黑客，而计算机参数便会被肆意的修改，计算机中存储的内容便会暴露给黑客等等。

④WWW的欺骗技术：黑客常常会将一些网页进行篡改，或者发布一些不实信息，用户浏览这些看似正常的网页便等于是向非法服务器发送请求。

⑤电子邮件攻击：指的便是攻击者通过发送电子邮件的方式干扰操作系统或者发送一些邮件来欺骗用户。

3.2 无标度网络如何发挥作用

传统维护网络安全的手段如防火墙、防病毒软件以及入侵检测系统都对网络进行了边界划分，使其分为内部区域和外部区域，然后重点加强对内部区域的保护，使其与外部隔离。这样的保护措施虽然有一定的效果，单个节点得到了保护，局部网络的安全也有了保障，然而，互联网是一个整体，是一个高度分布、层次不清、动态演化、边界模糊的复杂网络系统。其入口与出口，内部与外部完全无法加以区分，而且由于其内在属性的影响，完全不可能对每个节点加以防范，因此，这就无法保证网络实现绝对的安全。

复杂网络的拓朴结构和特性有利于找出网络中的保护重点，并且能够有效防止有害信息的侵入。比如有针对性的加强对网络拓朴上找出的关键节点及其所连接而成的骨干网络的保护工作。或者通过计算增加网络间的平均距离来有效防止病毒的传播等等。这样便可以用更低的成本来尽可能地实现对网络的全面保护。

Internet的无标度特性十分明显，拥有庞大的节点数目，节点的度分布也非常高，十分有利于计算机病毒的传播。经过对疾病传播的研究发现，病毒本身传播能力的阈值决定着病毒是否能传播，没有达到阈值便会消失。但是计算机病毒的传播并不受阈值的限制，即传播能力很弱的病毒也会一直存在下去，这样“目标免疫”便显得尤为重要，优先免疫连通度较大的节点能够有效控制病毒的传播。

由于网络内节点的连接并不平等，充分体现了网络的无标度特性。为了防止病毒优先与连通度较高的节点相连，然后通过这些关键点大范围的扩散向其它节点，保护关键节点便显得十分重要。不仅要给给这些关键的节点安装防火墙，访问的规则也应进一步加强，严密把关，同时，监控力度也要改善，只有这样才能对关键点实行有效的保护。

基于复杂网络的社团结构性来寻找网络社区。通过分析网络结构中节点和边的性质来发现网络中存在的社区结构。将网络划分为多个社区结构，然后分为多个部分来保护，通过减少社区间的连接使各个整体更容易得到保护。

4 小结

互联网充分体现了复杂网络的无标度特性和小世界效应，而利用这些性质则更容易研究出防止有害信息侵入的方法，研究病毒免疫模型并开发大规模的入侵检测系统。随着研究的深入可以有效保护互联网的安全。

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[3]许丹,李翔,汪小帆 . 复杂网络理论在互联网病毒传播研究中的应用 . 复杂系统与复杂性科学,2004,1（3）：10-26

项目支持

校级项目ZK16137 DNA在微纳通道中的特性研究。