Internet宏觀拓撲演變過程中的進化、自復(fù)制和突變特征研究.pdf

1、近年來，隨著電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的發(fā)展，特別是手機上網(wǎng)的進一步普及，使Internet用戶數(shù)迅猛增長，對網(wǎng)絡(luò)速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量提出了新的要求，使Internet硬件設(shè)施和軟件設(shè)計面對新的挑戰(zhàn)。目前對Internet的研究是當(dāng)前研究的熱點問題和主要內(nèi)容，受到了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，取得了豐碩的成果。
　　對Internet的研究主要分為兩個方面，一方面是通過微觀角度（路由協(xié)議再設(shè)計、接入網(wǎng)關(guān)選擇等方法、擁塞控制策略設(shè)計）分析及解決問題

2、;另一方面是通過宏觀拓撲結(jié)構(gòu)角度（Internet的聚集系數(shù)分布、度分布、介數(shù)分布等維度）來解析Internet的結(jié)構(gòu)，獲取相應(yīng)的特征，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)Internet發(fā)展規(guī)律。本文以第二種角度即統(tǒng)計學(xué)角度出發(fā)，通過對海量Internet數(shù)據(jù)的分析，抽象出Internet的宏觀拓撲在演化過程中的進化、自復(fù)制和突變特征，并依據(jù)以上特征開展研究與分析，對下一代互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計，物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)以及互聯(lián)網(wǎng)安全防御研究都將產(chǎn)生巨大的促進作用。
　　本文

3、首先獲取到CAIDA15個探測節(jié)點探測的Intetnet AS級、路由級及IP級數(shù)據(jù)。對相關(guān)數(shù)據(jù)修正補全后進行合并處理，從而有效的彌補單點測量所引起的節(jié)點和邊的遺漏問題，降低了數(shù)據(jù)探測誤差，為后面章節(jié)的分析工作提供了正確的數(shù)據(jù)支撐。
　　其次，分析Internet IP級拓撲新生與消亡節(jié)點度演化特征，通過對CAIDA Ark項目授權(quán)的IP級采集數(shù)據(jù)進行研究，揭示了IP級拓撲新生與消亡節(jié)點度分布的冪律特性。對新生節(jié)點鄰接點的度分布進

4、行研究，發(fā)現(xiàn)新生節(jié)點的連接“偏好”并不符合優(yōu)先連接。對新生節(jié)點產(chǎn)生的兩種類型的邊進行分析，分析結(jié)果表明，穩(wěn)定邊數(shù)的概率分布具有穩(wěn)定性，揭示了Internet連接機制的普適性規(guī)律。以κ-核解析作為主要分析手段，對InternetIP級拓撲新生與消亡節(jié)點的層次特性進行分析，表明Internet IP級拓撲新生與消亡節(jié)點的穩(wěn)定核數(shù)概率分布具有穩(wěn)定性，并具有一定的相似性，在此基礎(chǔ)上定量地分析了節(jié)點的度值與核數(shù)的關(guān)系，分析結(jié)果表明，兩者之間并沒有

5、明顯的聯(lián)系。新生與消亡節(jié)點鄰接點的核數(shù)概率分布較為相似，這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)有助于對Internet的層次結(jié)構(gòu)進行控制。
　　第三，分析Internet宏觀拓撲演化過程中的進化特征，統(tǒng)計AS級Internet宏觀拓撲的多種宏觀特征，并研究各個特征之間的關(guān)系，進而通過富人俱樂部及聚類系數(shù)、度的PDF冪律分布及CCDF冪律分布研究網(wǎng)絡(luò)的連通性及冪律性。與早期研究結(jié)果有所不同的是，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的整體連通性增強。論證了核數(shù)對度量拓撲層次性的意義，說

6、明核數(shù)可以用來更精確的刻畫網(wǎng)絡(luò)拓撲層次。對網(wǎng)絡(luò)核數(shù)進行演化分析，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層次隨時間變化明顯加深;對節(jié)點核分布進行研究，發(fā)現(xiàn)在核數(shù)較低區(qū)域核分布符合冪律性;進一步研究節(jié)點度與核的關(guān)系、核相同的節(jié)點度分布，指出最高核節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的重要影響作用;不同核數(shù)節(jié)點集之間的連接體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各層次間的關(guān)聯(lián)，對核間連接進行研究同樣發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最高核是網(wǎng)絡(luò)的真正核心。對網(wǎng)絡(luò)中心化節(jié)點及節(jié)點之間的連邊的演化過程進行分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)點中心化指標(biāo)增加的原因是節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)中已存在

7、節(jié)點之間連接更加緊密，三種類型的中心化節(jié)點的連邊呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律。
　　第四，分析Internet宏觀拓撲演化過程中的自復(fù)制特征，用核入口重整化方法粗粒度化網(wǎng)絡(luò)，研究了Internet路由級拓撲結(jié)構(gòu)的自相似分形特征。從度分布、度相關(guān)性以及聚集性等方面分析了Internet拓撲的自相似性;通過不同KC網(wǎng)絡(luò)的度分布的冪律指數(shù)，累積鄰居節(jié)點平均度值等度相關(guān)性特征的標(biāo)度不變性和分形維數(shù)的計算定性定量的說明了路由級網(wǎng)絡(luò)的部分與整體、部分

8、與部分之間存在著自相似性。從而說明了Internet路由級拓撲具有分形特征。
　　第五，分析Internet宏觀拓撲演化過程中的突變特征，根據(jù)CAIDA(The CooperativeAssociation for Internet Data Analysis)提供的2011年權(quán)威IPv6 IP級網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，在時間跨度上廣泛統(tǒng)計了拓撲演化數(shù)據(jù)，提取出平緩和突變兩種演化趨勢。針對發(fā)生突變的特征量，從拓撲的細粒度角度分析突變產(chǎn)生的內(nèi)在原

9、因。分析2011年9月和10月發(fā)生的最短路徑突變現(xiàn)象，得出是由長邊與節(jié)點數(shù)變化引起的結(jié)論。并且，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，Internet拓撲的突變現(xiàn)象與影響廣泛的社會事件關(guān)系密切，做出在社會事件爆發(fā)階段Internet IP級拓撲更易發(fā)生突變的推斷，并根據(jù)2011年埃及革命和日本地震期間的IPv6 IP級拓撲數(shù)據(jù)給予了證明。
　　本文對Internet宏觀拓撲結(jié)構(gòu)演化過程中的進化、自復(fù)制和突變特征進行研究，所得出的結(jié)論為理解互聯(lián)網(wǎng)演化機制、預(yù)