相互依存網(wǎng)絡(luò)破擊原理仿真研究

摘 要： 基于對相互依存網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)研究，在雙層和多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出點度值、接近值、中介值和特征向量值等四個參數(shù)的量化標(biāo)準(zhǔn)，進而對相互依存網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)中的重要程度進行衡量，根據(jù)提出的破擊原理圖，運用選擇算法選擇出攻擊節(jié)點的順序，進而進行破擊，仿真試驗的結(jié)果證明了所提出的相互依存網(wǎng)絡(luò)破擊原理是可行有效的，具有很大的使用價值。

關(guān)鍵詞： 相互依存網(wǎng)絡(luò)； 體系破擊； 仿真試驗； 量化標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號： TN711?34 文獻標(biāo)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(xué)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)如今的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)之間的彼此聯(lián)系越來越緊密，單一的獨立網(wǎng)絡(luò)越來越稀少，更多的網(wǎng)絡(luò)開始在物理上、地理上或者邏輯上相互依存，當(dāng)然，這里的網(wǎng)絡(luò)不僅僅是指計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，還涉及到交通運輸系統(tǒng)、金融系統(tǒng)等。學(xué)術(shù)界在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，于21世紀(jì)初開始利用工程學(xué)的理論系統(tǒng)性地分析各種基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的相互依存關(guān)系，并且初步評估了這些基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在遭受突發(fā)狀況下的脆弱性。相互依存網(wǎng)絡(luò)理論模型于2010年被提出，從此人們開始從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究轉(zhuǎn)到相互依存網(wǎng)絡(luò)的研究，開始了新的里程。

1 相互依存網(wǎng)絡(luò)的基本概念

相互依存網(wǎng)絡(luò)理論脫胎于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的研究，在之前的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型研究中，主要是單獨分析某些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)和功能等，如互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、鐵路交通網(wǎng)絡(luò)、人際社交網(wǎng)絡(luò)等，但是隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)組成的系統(tǒng)，進而對這些系統(tǒng)的運作有全面的理解。

1.1 定義和模型

相互依存網(wǎng)絡(luò)（Interdependence Networks）是指由彼此之間有著相互關(guān)系的兩個或者多個網(wǎng)絡(luò)組成的一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖1所示，其中正方形節(jié)點和菱形節(jié)點分別代表兩個不同的網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，每個獨立的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點之間的聯(lián)系用實線表示，兩個不同網(wǎng)絡(luò)彼此間的聯(lián)系用虛線表示，這就是一個相互依存網(wǎng)絡(luò)的簡單結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

1.2 結(jié)構(gòu)類型

相互依存網(wǎng)絡(luò)的各種特性與相互依存網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有著非常重要的關(guān)系，因此，要充分理解相互依存網(wǎng)絡(luò)就必須對其結(jié)構(gòu)加以研究。通常情況下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的層次性將相互依存網(wǎng)絡(luò)分為雙層和多層相互依存網(wǎng)絡(luò)。

1.2.1 雙層相互依存網(wǎng)絡(luò)

如圖1所示，是典型的雙層相互依存網(wǎng)絡(luò)的模型，是指兩種不同的網(wǎng)絡(luò)之間具有相互的連接關(guān)系?，F(xiàn)實中符合此類模型的相互依存網(wǎng)絡(luò)很多，比如航線?計算機網(wǎng)絡(luò)，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(chǎn)生聯(lián)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(wǎng)絡(luò)保障所有的航班順利運行。在雙層的相互依存網(wǎng)絡(luò)中，還可以根據(jù)節(jié)點之間的連接對應(yīng)關(guān)系分為一對一連接關(guān)系和多對多連接關(guān)系，圖2是一個多對多連接的雙層相互依存網(wǎng)絡(luò)模型。

1.2.2 多層相互依存網(wǎng)絡(luò)

上文介紹的由兩個系統(tǒng)構(gòu)成的雙層相互依存網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生活中，更多的情況是由多種設(shè)施網(wǎng)絡(luò)相互連接構(gòu)成的多層次相互依存網(wǎng)絡(luò)，如奶源基地網(wǎng)絡(luò)和奶產(chǎn)品供應(yīng)銷售網(wǎng)絡(luò)的融合、燃?xì)夤艿谰W(wǎng)絡(luò)和電網(wǎng)的融合等。多層相互依存網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是指三個或者更多的不同的網(wǎng)絡(luò)相互連接，圖3給出了三種多層相互依存網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

2 相互依存網(wǎng)絡(luò)破擊原理

在相互依存的網(wǎng)絡(luò)中，往往攻擊一個或幾個連接的節(jié)點，就可以通過節(jié)點與其他節(jié)點的彼此聯(lián)系導(dǎo)致其他節(jié)點也受到攻擊，進而產(chǎn)生“多米諾效應(yīng)”，最終導(dǎo)致絕大部分的網(wǎng)絡(luò)甚至整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，這就是相互依存網(wǎng)絡(luò)破擊體系要達到的終極目標(biāo)，達到“以小搏大”，“四兩撥千斤”的效果。

2.1 破擊目標(biāo)選擇算法

相互依存網(wǎng)絡(luò)的破擊，首先要選擇攻擊的節(jié)點，本算法給出選擇攻擊節(jié)點的四個參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

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

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

（3） 中介值，用以量化某一節(jié)點對整個網(wǎng)絡(luò)的控制力度，用字母表示；

（4） 特征向量值，用于衡量某一節(jié)點與相互依存網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點的關(guān)聯(lián)度，用字母表示。

按照以上四個參數(shù)值將所有節(jié)點由大到小排序，便可以選擇出攻擊的節(jié)點，從而達到使整個網(wǎng)絡(luò)或大部分網(wǎng)絡(luò)癱瘓的目標(biāo)。

2.2 破擊原理圖

對相互依存網(wǎng)絡(luò)的破擊，基于對網(wǎng)絡(luò)通信痕跡的捕捉基礎(chǔ)之上，通過這些通信痕跡對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，進而可以繪制出相互依存網(wǎng)絡(luò)的模型圖，使得虛無縹緲的破擊目標(biāo)相互依存網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型可視化，然后利用上文所提出的破擊目標(biāo)節(jié)點的選擇算法，對節(jié)點的四個參數(shù)進行計算和比較，最終確定攻擊的目標(biāo)序列，攻擊節(jié)點的序列得出后，相互依存網(wǎng)絡(luò)的破擊計劃也就自然生成，最終達到破擊的目標(biāo)，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(wǎng)絡(luò)進行仿真模擬，選取各個系統(tǒng)的14個節(jié)點，其相互依存網(wǎng)絡(luò)圖如圖5所示。

利用式（1）～式（4），結(jié)合表1的數(shù)值統(tǒng)計，分別計算出14個節(jié)點的四個參數(shù)值，對節(jié)點的四個參數(shù)進行計算和比較，最終確定攻擊的目標(biāo)序列，首先攻擊節(jié)點然后攻擊節(jié)點破擊后，相互依存網(wǎng)絡(luò)的整體網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對關(guān)鍵節(jié)點的依存度，這樣就可以削弱單獨網(wǎng)絡(luò)中處于相同功能位置節(jié)點的同級連接，也就降低了整個體系的穩(wěn)定性，使其快速塌陷崩潰。

4 結(jié) 語

相互依存網(wǎng)絡(luò)理論研究的大力發(fā)展極大地促進了交通網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、金融網(wǎng)絡(luò)、計算機網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)等單獨網(wǎng)絡(luò)作為一個大的網(wǎng)絡(luò)進行整體研究，基于對相互依存網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)研究，在雙層和多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出點度值、接近值、中介值和特征向量值等四個參數(shù)的量化標(biāo)準(zhǔn)，進而對相互依存網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)中的重要程度進行衡量，根據(jù)本文提出的破擊原理圖，運用選擇算法選擇出攻擊節(jié)點的順序，進而進行破擊，仿真試驗的結(jié)果證明了本文提出的相互依存網(wǎng)絡(luò)破擊原理是可行有效的，對未來網(wǎng)絡(luò)薄弱環(huán)節(jié)的查找以及信息化戰(zhàn)爭的網(wǎng)絡(luò)破擊都有著重要的指導(dǎo)意義。

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