無標度網絡及其在互聯網方面的應用

王海青

寶雞文理學院

無標度網絡及其在互聯網方面的應用

王海青

寶雞文理學院

本文首先介紹了網絡時代研究網絡科學的必要性，然后介紹了無標度網絡及其特性，最后重點介紹了無標度網絡的在互聯網方面的應用。

網絡科學 復雜網絡 無標度網絡

1 引言

隨著科技的不斷進步，以互聯網為主要代表的網絡信息技術得到了迅猛的發展，這使得人類逐漸邁入了復雜網絡時代。網絡時代，各種各樣的復雜網絡充斥在人類四周，人類社會愈來愈網絡化，而這其中，有利也有弊，即使人類世界越來越緊密，享受到了極大地便利，卻又使經濟或政治的局部動蕩與傳染病的傳播越來越快速的趨于全球化而很難得到有效的控制。

人類主要研究以Internet、www、電力與交通網絡、生物網絡、經濟與經融網絡、社會網絡及科研和教育的網絡化為代表的復雜網絡，通過研究它們內部的聯系與特征，總結它們共有的特性，以控制或抵消它們的消極作用，并且延伸到其它復雜網絡中，探索更加奇妙的未知領域。

2 無標度網絡及其特性

通過對復雜網絡的深入研究發現，許多復雜網絡都有類似的重要特征：很大一部分節點只與少數節點連結，而一些很少的節點卻與許多大量的其他節點相連結。這些能和大部分節點連結的節點稱為“集散點”，連接的節點數目十分龐大，可能數百，也可能成千上萬甚至更多，而且不存在代表性的節點。經過研究我們發現，許多網絡如萬維網、金融系統網絡等等都由這些集散點支配，而具有這種集散節點的網絡，我們通常稱之為“無標度”（scale-free）網絡。這種網絡還具有可預期的行為特性：如對意外故障具有驚人的承受力，但面對協同式攻擊時則很脆弱。

3 無標度網絡在互聯網方面的應用

3.1 互聯網有害信息入侵的類型

為了維護互聯網的安全，首先要明確這些有害信息的各種入侵類型。

①計算機病毒：計算機病毒是一種能夠自我復制，并且能夠傳染其他程序的一些程序代碼。其擴散范圍非常大，感染的對象也逐漸從終端向代理網關、服務設置及防護設施等網絡部件變化。

②網絡蠕蟲：網絡蠕蟲則是主動出擊，一旦計算機有了漏洞而被搜索到的話便會遭受危險。

③黑客軟件：即木馬程序，通常依托游戲或者其他程序來偽裝，用戶如果下載并執行以后便會在計算機系統的程序當中潛伏下來，在用戶使用計算機的過程中悄悄運行，如果使用者聯網后，這些程序便會將IP地址及端口發送給黑客，而計算機參數便會被肆意的修改，計算機中存儲的內容便會暴露給黑客等等。

④WWW的欺騙技術：黑客常常會將一些網頁進行篡改，或者發布一些不實信息，用戶瀏覽這些看似正常的網頁便等于是向非法服務器發送請求。

⑤電子郵件攻擊：指的便是攻擊者通過發送電子郵件的方式干擾操作系統或者發送一些郵件來欺騙用戶。

3.2 無標度網絡如何發揮作用

傳統維護網絡安全的手段如防火墻、防病毒軟件以及入侵檢測系統都對網絡進行了邊界劃分，使其分為內部區域和外部區域，然后重點加強對內部區域的保護，使其與外部隔離。這樣的保護措施雖然有一定的效果，單個節點得到了保護，局部網絡的安全也有了保障，然而，互聯網是一個整體，是一個高度分布、層次不清、動態演化、邊界模糊的復雜網絡系統。其入口與出口，內部與外部完全無法加以區分，而且由于其內在屬性的影響，完全不可能對每個節點加以防范，因此，這就無法保證網絡實現絕對的安全。

復雜網絡的拓樸結構和特性有利于找出網絡中的保護重點，并且能夠有效防止有害信息的侵入。比如有針對性的加強對網絡拓樸上找出的關鍵節點及其所連接而成的骨干網絡的保護工作。或者通過計算增加網絡間的平均距離來有效防止病毒的傳播等等。這樣便可以用更低的成本來盡可能地實現對網絡的全面保護。

Internet的無標度特性十分明顯，擁有龐大的節點數目，節點的度分布也非常高，十分有利于計算機病毒的傳播。經過對疾病傳播的研究發現，病毒本身傳播能力的閾值決定著病毒是否能傳播，沒有達到閾值便會消失。但是計算機病毒的傳播并不受閾值的限制，即傳播能力很弱的病毒也會一直存在下去，這樣“目標免疫”便顯得尤為重要，優先免疫連通度較大的節點能夠有效控制病毒的傳播。

由于網絡內節點的連接并不平等，充分體現了網絡的無標度特性。為了防止病毒優先與連通度較高的節點相連，然后通過這些關鍵點大范圍的擴散向其它節點，保護關鍵節點便顯得十分重要。不僅要給給這些關鍵的節點安裝防火墻，訪問的規則也應進一步加強，嚴密把關，同時，監控力度也要改善，只有這樣才能對關鍵點實行有效的保護。

基于復雜網絡的社團結構性來尋找網絡社區。通過分析網絡結構中節點和邊的性質來發現網絡中存在的社區結構。將網絡劃分為多個社區結構，然后分為多個部分來保護，通過減少社區間的連接使各個整體更容易得到保護。

4 小結

互聯網充分體現了復雜網絡的無標度特性和小世界效應，而利用這些性質則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開發大規模的入侵檢測系統。隨著研究的深入可以有效保護互聯網的安全。

[1]Hein D I O, Schwind D W I M, K?nig W. Scale-free networks[J]. Wirtschaftsinformatik, 2006, 48(4): 267-275

[2]Barabási A L, Albert R, Jeong H. Scale-free characteristics of random networks: the topology of the world-wide web[J]. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 2000, 281(1): 69-77

[3]許丹,李翔,汪小帆 . 復雜網絡理論在互聯網病毒傳播研究中的應用 . 復雜系統與復雜性科學,2004,1（3）：10-26

項目支持

校級項目ZK16137 DNA在微納通道中的特性研究。