摘 要： 基于對(duì)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(diǎn)度值、接近值、中介值和特征向量值等四個(gè)參數(shù)的量化標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)相互依存網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的重要程度進(jìn)行衡量，根據(jù)提出的破擊原理圖，運(yùn)用選擇算法選擇出攻擊節(jié)點(diǎn)的順序，進(jìn)而進(jìn)行破擊，仿真試驗(yàn)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(jià)值。

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

中圖分類號(hào)： TN711?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jì)算機(jī)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(dú)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，還涉及到交通運(yùn)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(píng)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(dú)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(qiáng)，需要深入研究由相互作用的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成的系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)這些系統(tǒng)的運(yùn)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(gè)或者多個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖1所示，其中正方形節(jié)點(diǎn)和菱形節(jié)點(diǎn)分別代表兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系用實(shí)線表示，兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)彼此間的聯(lián)系用虛線表示，這就是一個(gè)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(duì)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(shí)中符合此類模型的相互依存網(wǎng)絡(luò)很多，比如航線?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，飛機(jī)從一個(gè)機(jī)場起飛，在另一個(gè)機(jī)場降落，每個(gè)機(jī)場之間靠飛機(jī)產(chǎn)生聯(lián)系，然而每個(gè)飛機(jī)的信息必修靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行交匯，一個(gè)機(jī)場的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)保障所有的航班順利運(yùn)行。在雙層的相互依存網(wǎng)絡(luò)中，還可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的連接對(duì)應(yīng)關(guān)系分為一對(duì)一連接關(guān)系和多對(duì)多連接關(guān)系，圖2是一個(gè)多對(duì)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(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際意義，因?yàn)樵趯?shí)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(gè)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(gè)或幾個(gè)連接的節(jié)點(diǎn)，就可以通過節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的彼此聯(lián)系導(dǎo)致其他節(jié)點(diǎn)也受到攻擊，進(jìn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，這就是相互依存網(wǎng)絡(luò)破擊體系要達(dá)到的終極目標(biāo)，達(dá)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(diǎn)，本算法給出選擇攻擊節(jié)點(diǎn)的四個(gè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

（1） 點(diǎn)度值，用以衡量相互依存網(wǎng)絡(luò)的某一節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)距離的遠(yuǎn)近，用字母表示；

（3） 中介值，用以量化某一節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)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(diǎn)與相互依存網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)度，用字母表示。

按照以上四個(gè)參數(shù)值將所有節(jié)點(diǎn)由大到小排序，便可以選擇出攻擊的節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到使整個(gè)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(duì)相互依存網(wǎng)絡(luò)的破擊，基于對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)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(diǎn)的選擇算法，對(duì)節(jié)點(diǎn)的四個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和比較，最終確定攻擊的目標(biāo)序列，攻擊節(jié)點(diǎn)的序列得出后，相互依存網(wǎng)絡(luò)的破擊計(jì)劃也就自然生成，最終達(dá)到破擊的目標(biāo)，其原理圖如圖4所示。

3 仿真驗(yàn)證

本文選取某城市交通、電力、銀行和通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真模擬，選取各個(gè)系統(tǒng)的14個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(jì)，分別計(jì)算出14個(gè)節(jié)點(diǎn)的四個(gè)參數(shù)值，對(duì)節(jié)點(diǎn)的四個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和比較，最終確定攻擊的目標(biāo)序列，首先攻擊節(jié)點(diǎn)然后攻擊節(jié)點(diǎn)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(gè)相互依存網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的依存度，這樣就可以削弱單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)中處于相同功能位置節(jié)點(diǎn)的同級(jí)連接，也就降低了整個(gè)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(jìn)了交通網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、金融網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)等單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體研究，基于對(duì)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(diǎn)度值、接近值、中介值和特征向量值等四個(gè)參數(shù)的量化標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)相互依存網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的重要程度進(jìn)行衡量，根據(jù)本文提出的破擊原理圖，運(yùn)用選擇算法選擇出攻擊節(jié)點(diǎn)的順序，進(jìn)而進(jìn)行破擊，仿真試驗(yàn)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(duì)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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