互聯網宏觀拓撲的耗散結構研究.pdf

1、互聯網作為一種典型的大規(guī)模復雜網絡，對其宏觀拓撲結構的特征分析及建模研究是目前研究的熱點問題，受到學術界廣泛關注。近年來，人們在該領域的研究取得了長足的進展，然而面對龐大且復雜的互聯網，研究人員不能僅僅停留在單純對技術細節(jié)的追求上，同時還要關注網絡的宏觀拓撲結構。只有對拓撲相關特征量及其相互聯系進行深入的了解，才能更好的建設與發(fā)展互聯網。對Internet耗散結構及動力學行為的分析及建模研究，可以幫助人們更好地理解Internet拓撲結

2、構以及基礎架構的特點，這對下一代互聯網絡的設計與實施，及Internet相關的性能研究都將產生巨大的促進作用，具有重要的意義。
　　本文首先對CAIDA（The Cooperative Association for Internet Data Analysis，互聯網數據分析合作協會）2009年1月到2011年12月三年間的實測數據進行預處理及修正，通過統(tǒng)計網絡拓撲的常規(guī)特征量的演化情況及單個節(jié)點的特征屬性，對網絡的拓撲結構有了

3、整體的深入了解。互聯網是由小部分核心節(jié)點及大多數葉子節(jié)點組成，隨時間的演化，網絡規(guī)模小幅增大，“熱”節(jié)點的重要性減弱，網絡趨向于扁平化，網絡的魯棒性增強。從整體特征量的時間演化過程可以清晰地看到宏觀結構的變化及其內在連接機制，找到網絡特征量有明顯“突變”的節(jié)點。
　　其次，按k-核解析的概念，將網絡進行層次劃分。以核數及其動態(tài)變化為主線，重點分析層的連接分布及動態(tài)變化，發(fā)現網絡核數逐漸趨于穩(wěn)定，各層同樣存在冪律特性和明顯的自相似性

4、。對網絡變化起主要作用的是層間連接變化。著重對層間動態(tài)變化進行研究，發(fā)現最低層節(jié)點連接邊數占整體的比例隨時間變化呈現明顯的“V”型波動，這一現象是后章提出小漲落系數提供了主要依據。
　　再次，重點針對突變時間點的層次性進行分析，發(fā)現連接比率差值存在周期性的變化，呈現“振蕩-平穩(wěn)-振蕩”的規(guī)律;突變時間點均處于波動期向穩(wěn)定期過渡的時刻，網絡整體結構的跳躍性變化是一段時間的“小漲落”堆積而成的總和;突變發(fā)生時，網絡結構產生調整，層間連

5、接比率差值縮小，網絡趨于穩(wěn)定。網絡在自我增長過程中，通過結構代謝和自復制過程，不斷地平衡由宏觀拓撲結構的變化所形成的小的漲落。但如果小漲落產生的誤差不斷地放大，就會對Internet的宏觀拓撲結構產生明顯的影響，反映在網絡特征量的跳躍性變化?！巴蛔儭碑a生之后，連接比率差值減小，網絡趨于穩(wěn)定。
　　接下來，提出適用于量化Internet網絡穩(wěn)定程度的標準結構熵概念。隨時間的演化，作為互聯網穩(wěn)定程度指標的熵緩慢增加，網絡中節(jié)點的冗余連

6、接減少、依賴性減弱，節(jié)點傾向于跨越結構洞去接觸非冗余的信息源。高度值節(jié)點跨越更多的結構洞，更多的接觸到非冗余信息資源，占據優(yōu)勢地位。網絡自適應地向優(yōu)化、高效的狀態(tài)過渡。分析形成耗散結構的五個必要條件，得出互聯網的演化規(guī)律完全滿足耗散結構的形成。通過前幾章的分析結論，采用放大層間連接比率差值的辦法來量化突變產生可能性的特征量——小漲落系數。利用真實拓撲數據進行實驗，得到的結果驗證了小漲落系數定義的準確性。
　　最后，介紹及比較了現有

7、幾種經典模型的優(yōu)缺點;以PFP模型為基礎，考慮到模型在核分布上與真實網絡差別很大的情況，通過繼承其基于新節(jié)點和內部邊兩個方面的交互增長、非線性優(yōu)先連接的建模機理，擬合Internet實際Ark數據的新生、死亡節(jié)點的連接選點公式，提出一種新的建模方法。仿真實驗表明，該模型在多個主要統(tǒng)計量方面都體現出與實際互聯網相近，在保持了網絡冪律特性的同時，更好的體現核分布的相關特性，并能夠較好地體現互聯網AS級拓撲的小漲落特征。該動態(tài)建模算法可重構I