相互依存網絡破擊原理仿真研究

摘 要： 基于對相互依存網絡的結構研究，在雙層和多層網絡結構的基礎上，提出點度值、接近值、中介值和特征向量值等四個參數的量化標準，進而對相互依存網絡的節點在整個網絡中的重要程度進行衡量，根據提出的破擊原理圖，運用選擇算法選擇出攻擊節點的順序，進而進行破擊，仿真試驗的結果證明了所提出的相互依存網絡破擊原理是可行有效的，具有很大的使用價值。

關鍵詞： 相互依存網絡； 體系破擊； 仿真試驗； 量化標準

中圖分類號： TN711?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）13?0077?03

Abstract： On the basis of studying the interdependence network structure， the quantitative criteria of point?degree value， approximation value， intermediate value and feature vector value is put forward in combination with the structures of dual?layer network and multilayer network. And then the importance of interdependence network node in the whole network is measured. According to the proposed attack schematic diagram， the selection algorithm is used to select the sequence of attack node to attack the network. The simulation experiment results prove that the proposed interdependence network attack principle is feasible and effective， and has the great use value.

Keywords： interdependence network； system attack； simulation experiment； quantitative criteria

0 引 言

隨著計算機科學技術和網絡技術的不斷發展，現如今的技術網絡之間的彼此聯系越來越緊密，單一的獨立網絡越來越稀少，更多的網絡開始在物理上、地理上或者邏輯上相互依存，當然，這里的網絡不僅僅是指計算機網絡系統，還涉及到交通運輸系統、金融系統等。學術界在復雜網絡研究的基礎上，于21世紀初開始利用工程學的理論系統性地分析各種基礎網絡系統的相互依存關系，并且初步評估了這些基礎設施系統在遭受突發狀況下的脆弱性。相互依存網絡理論模型于2010年被提出，從此人們開始從復雜網絡的研究轉到相互依存網絡的研究，開始了新的里程。

1 相互依存網絡的基本概念

相互依存網絡理論脫胎于復雜網絡理論的研究，在之前的復雜網絡模型研究中，主要是單獨分析某些復雜網絡的性質和功能等，如互聯網絡、鐵路交通網絡、人際社交網絡等，但是隨著研究的深入，人們發現網絡系統之間的依賴程度越來越強，需要深入研究由相互作用的多個網絡組成的系統，進而對這些系統的運作有全面的理解。

1.1 定義和模型

相互依存網絡（Interdependence Networks）是指由彼此之間有著相互關系的兩個或者多個網絡組成的一個網絡系統，如圖1所示，其中正方形節點和菱形節點分別代表兩個不同的網絡中的節點，每個獨立的網絡內部節點之間的聯系用實線表示，兩個不同網絡彼此間的聯系用虛線表示，這就是一個相互依存網絡的簡單結構構成。

1.2 結構類型

相互依存網絡的各種特性與相互依存網絡的結構有著非常重要的關系，因此，要充分理解相互依存網絡就必須對其結構加以研究。通常情況下，根據網絡的層次性將相互依存網絡分為雙層和多層相互依存網絡。

1.2.1 雙層相互依存網絡

如圖1所示，是典型的雙層相互依存網絡的模型，是指兩種不同的網絡之間具有相互的連接關系。現實中符合此類模型的相互依存網絡很多，比如航線?計算機網絡，飛機從一個機場起飛，在另一個機場降落，每個機場之間靠飛機產生聯系，然而每個飛機的信息必修靠計算機進行交匯，一個機場的計算機網絡保障所有的航班順利運行。在雙層的相互依存網絡中，還可以根據節點之間的連接對應關系分為一對一連接關系和多對多連接關系，圖2是一個多對多連接的雙層相互依存網絡模型。

1.2.2 多層相互依存網絡

上文介紹的由兩個系統構成的雙層相互依存網絡具有的理論研究意義遠遠大于實際意義，因為在實際的生產生活中，更多的情況是由多種設施網絡相互連接構成的多層次相互依存網絡，如奶源基地網絡和奶產品供應銷售網絡的融合、燃氣管道網絡和電網的融合等。多層相互依存網絡系統主要是指三個或者更多的不同的網絡相互連接，圖3給出了三種多層相互依存網絡的結構構型。

2 相互依存網絡破擊原理

在相互依存的網絡中，往往攻擊一個或幾個連接的節點，就可以通過節點與其他節點的彼此聯系導致其他節點也受到攻擊，進而產生“多米諾效應”，最終導致絕大部分的網絡甚至整個網絡的癱瘓，這就是相互依存網絡破擊體系要達到的終極目標，達到“以小搏大”，“四兩撥千斤”的效果。

2.1 破擊目標選擇算法

相互依存網絡的破擊，首先要選擇攻擊的節點，本算法給出選擇攻擊節點的四個參數標準：

（1） 點度值，用以衡量相互依存網絡的某一節點與其他節點的連接能力，用字母表示；

（2） 接近值，用以表示相互依存網絡的某一節點與其他節點距離的遠近，用字母表示；

（3） 中介值，用以量化某一節點對整個網絡的控制力度，用字母表示；

（4） 特征向量值，用于衡量某一節點與相互依存網絡中心節點的關聯度，用字母表示。

按照以上四個參數值將所有節點由大到小排序，便可以選擇出攻擊的節點，從而達到使整個網絡或大部分網絡癱瘓的目標。

2.2 破擊原理圖

對相互依存網絡的破擊，基于對網絡通信痕跡的捕捉基礎之上，通過這些通信痕跡對數據進行預處理，進而可以繪制出相互依存網絡的模型圖，使得虛無縹緲的破擊目標相互依存網絡的結構構型可視化，然后利用上文所提出的破擊目標節點的選擇算法，對節點的四個參數進行計算和比較，最終確定攻擊的目標序列，攻擊節點的序列得出后，相互依存網絡的破擊計劃也就自然生成，最終達到破擊的目標，其原理圖如圖4所示。

3 仿真驗證

本文選取某城市交通、電力、銀行和通信網絡進行仿真模擬，選取各個系統的14個節點，其相互依存網絡圖如圖5所示。

利用式（1）～式（4），結合表1的數值統計，分別計算出14個節點的四個參數值，對節點的四個參數進行計算和比較，最終確定攻擊的目標序列，首先攻擊節點然后攻擊節點破擊后，相互依存網絡的整體網絡效率將下降0.113 6，通過這樣的破擊，可以極大地提高整個相互依存網絡系統對關鍵節點的依存度，這樣就可以削弱單獨網絡中處于相同功能位置節點的同級連接，也就降低了整個體系的穩定性，使其快速塌陷崩潰。

4 結 語

相互依存網絡理論研究的大力發展極大地促進了交通網絡、電力網絡、金融網絡、計算機網絡、通信網絡等單獨網絡作為一個大的網絡進行整體研究，基于對相互依存網絡的結構研究，在雙層和多層網絡結構的基礎上，提出點度值、接近值、中介值和特征向量值等四個參數的量化標準，進而對相互依存網絡的節點在整個網絡中的重要程度進行衡量，根據本文提出的破擊原理圖，運用選擇算法選擇出攻擊節點的順序，進而進行破擊，仿真試驗的結果證明了本文提出的相互依存網絡破擊原理是可行有效的，對未來網絡薄弱環節的查找以及信息化戰爭的網絡破擊都有著重要的指導意義。

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