拓扑在计算机领域的应用,复杂网络理论及其在计算机拓扑行为中的应用.doc

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复杂网络理论及其在计算机拓扑行为中的应用

【摘 要】随着信息技术的飞速发展&＃xff0c;不断有新的理论被提出和应用&＃xff0c;本文所阐述的复杂网络理论便是一个新兴理论的代表。由于计算机网络的结构日趋复杂&＃xff0c;旧有的网络拓扑结构已经不能满足现代复杂网络的需求&＃xff0c;故计算机学者提出了复杂网络这一理论&＃xff0c;而此理论作为计算机网络拓扑结构研究的新兴平台也为网络拓扑结构的发展提供了新的思路。本文从复杂网络理论的定义谈起&＃xff0c;分析复杂网络理论在应用中的意义&＃xff0c;且通过实验和模型进行相关的研究。

【关键词】复杂网络理论&＃xff1b;计算机拓扑行为&＃xff1b;幂律度分布

前言&＃xff1a;复杂网络理论从其诞生之初就成为信息技术界的研究热门&＃xff0c;同时该技术已经渗入到生活和学习中的全部领域。复杂网络理论的研究需要具有极强的跨学科能力&＃xff0c;在对其研究的过程中不断的有新的问题和成果出现&＃xff0c;这就为复杂网络理论的发展提供了充分的可行性&＃xff0c;本文着重探讨复杂网络理论的网络拓扑模型和特点。

一、复杂网络理论的定义

复杂网络的定义并不是针对信息技术的网络而言&＃xff0c;所谓复杂网络是指具有自行组织、吸引因子、无标度的部分或全部网络。计算机网络的复杂性主要体现在以下6个方面&＃xff1a;①结构复杂&＃xff1a;所谓结构复杂是指网络的节点数量庞大&＃xff0c;导致网络结构的特征复杂化&＃xff1b;②网络进化&＃xff1a;网络结构在不断的发生变化&＃xff0c;部分节点会存在着出现或消失的情况&＃xff1b;③连接多样性&＃xff1a;网络中不同的节点采用不同的连接方式&＃xff1b;④节点复杂性&＃xff1a;每个节点采用不同的结构连接入网络&＃xff1b;⑤节点多样性&＃xff1a;复杂的网络节点由不同的设备接入网络&＃xff1b;⑥复杂性融合&＃xff1a;复杂性融合则是由以上多种网络复杂性结合的一个过程。

在节点连接入网络之后会由于节点之间链接权重变化而导致网络结构和性能的变化。在现阶段&＃xff0c;网络复杂性的研究内容主要为&＃xff1a;网络的几何性质、网络组成的原理以及网络变化的规律。复杂网络需具备三个要点&＃xff1a;①小世界&＃xff1a;采用简单的描述绝大部分的网络&＃xff0c;即使规模巨大的网络&＃xff0c;但对于网络节点来说依然存在一个最短的距离&＃xff0c;也就是说在网络节点中会有一个局域控制&＃xff1b;②集中程度&＃xff1a;通俗讲即是网络集中化的具体程度&＃xff0c;也就是值网络内聚的倾向&＃xff1b;③幂律度分布&＃xff1a;网络节点分布在网络区域中的边的数量。

二、复杂网络与计算机拓扑行为

(一)计算机网络同步行为

复杂网络中网络节点的同步行为与简单网络存在一定的差异&＃xff0c;在复杂网络中通常较容易实现网络节点的同步&＃xff0c;这就是网络拓扑和节点的动力学相关性。同步行为在多数情况下并不能使网络更加畅通&＃xff0c;反而会导致网络拥堵。例如&＃xff1a;在网络中多个路由器同时发送信息或同时不发送信息&＃xff0c;多个路由器同时发送信息会导致网络堵塞&＃xff0c;而多个路由器同时不发生信息则会导致网络瘫痪。显然这两种情况都不是人们所愿意见到的[3]。尽管从网络问世之初人们就在采取相关措施解决这一问题&＃xff0c;但随着网络的复杂化程度提高&＃xff0c;该问题的解决则愈加困难。到如今还没有一种明确的措施能够杜绝网络同步带来的损害&＃xff0c;现阶段最常遇到的问题便是刚刚处理完一种网络同步行为&＃xff0c;另一种同步行为已经产生&＃xff0c;故目前人们在研究中均十分关注网络同步行为的解决策略。

(二)网络拓扑的模型演化

目前计算机网络拓扑的模型主要分为两种&＃xff0c;其分别为局部网络演化模型和复杂网络演化模型&＃xff0c;这其中的区别便是通过路由器或自治域进行不同层次描述计算机网络的拓扑结构。首先路由器作为一种网络节点&＃xff0c;这样网络中的边即表示路由器的连接。而自治域中描述网络节点则认为网关边界连接着网络节点的基础。有试验数据显示&＃xff0c;网络模型具有一定的稳定性和科学计算高聚系数&＃xff0c;在其中选取有效数据进行分析&＃xff0c;则会得出网络拓扑模型的进一步演化。

(三)网络的脆弱性

计算机网络拓扑结构的显著特点便是其无标度的特性&＃xff0c;这种特性决定了计算机网络在遇到网络错误时会有很强的强壮性&＃xff0c;若计算机在承受恶意攻击中则会显现出相反的特性――脆弱性。计算机网络在最初是服务于军方&＃xff0c;其起源为美国的阿帕网&＃xff0c;这就要求计算机网络具有极高的安全性&＃xff0c;也就是在计算机网络中某些节点出现错误时&＃xff0c;网络所表现出的强壮性&＃xff0c;故网络节点错误不会导致网络瘫痪。在计算机网络中只要还有超过20%的计算机节点处于活跃状态就能够保证网络的正常运行。而计算机网络的脆弱性则表现在部分节点受到攻击时&＃xff0c;整个网络是十分脆弱的&＃xff0c;相关的研究数据显示&＃xff0c;只要网络中的少部分节点被攻击&＃xff0c;整个网络便无法继续运作。

(四)网络病毒扩散及预防

影响计算机网络安全的主要为计算机病毒&＃xff0c;故有效的预防计算机病毒和解决病毒带来的危害是降低计算机病毒威胁的有效办法。对于现阶段的计算机系统和网络系统来说&＃xff0c;其安全性依然是人们关注的重点。在对计算机病毒进行预防和治理过程中&＃xff0c;所有的网络节点均为平等的&＃xff0c;随机选择网络节点进行防御与实际操作存在一定的差异。病毒在小世界中能够轻易的传播&＃xff0c;但是在复杂网络理论支撑下&＃xff0c;计算机病毒感