基于復雜網絡理論的計算機網絡拓撲研究

摘 要：隨著社會經濟的快速發(fā)展，互聯(lián)網技術日新月異，已經成為連接全球的重要媒介，并且在技術革新和社會需求的不斷推進，網絡結構日益復雜，在傳統(tǒng)的網絡結構模型下，很難對齊拓撲進行客觀描述，這就促進了新的基于復雜網絡理論的計算機網絡拓撲的研究，也推經了計算機網絡結構的新發(fā)展，為未來計算機網絡結構發(fā)展提供了方向。本文首先對復雜網絡進行總體性概述和網絡拓撲結構的介紹，并以快捷貨運網絡拓撲為例進行實踐性探討。

關鍵詞：復雜網絡理論；拓撲結構；優(yōu)化結構；創(chuàng)新

中圖分類號：TP393.02

隨著網絡的發(fā)展，用戶對于網絡資源的需求量不斷增大，傳統(tǒng)的網絡資源存在的局限性無法滿足此要求，其中傳統(tǒng)網絡基礎架設構筑層中，使用最為廣泛的計算機技術拓撲所遭遇的節(jié)點數據包負載壓力大，導致用戶的上網體驗差，不能滿足現在上網需求，為了保證復雜計算機網絡系統(tǒng)的正常工作，提高計算機運行效率，對于整合復雜網絡理論構筑全新的網絡拓撲技術，從而使網絡的運行得到充分的保障，特別是在多元化的計算機網絡拓撲技術與網絡體系架設鋪展中，其管理效率更加的優(yōu)化，不僅能夠緩解計算機運行壓力，更能夠對于整個網絡進行整體的結構優(yōu)化。

1 復雜網絡理論分析

1.1 復雜網絡理論概述

復雜網絡是指具備小世界、無標度、吸引子、自組織、自相似部分或者所有屬性的網絡架構，其核心內容包含網絡的系統(tǒng)演化規(guī)律的釋放，演化動力學基本層次以及網絡系統(tǒng)的模型形成機制等等。在復雜網絡理論中，其研究的關鍵要點和核心內涵是小世界、集團性、冪律。

1.2 復雜網絡理論架構特征

（1）小世界是復雜網絡理論的基本單元，小世界是將空間概念內的相互聯(lián)系的無數個節(jié)點有機的連接在網絡系統(tǒng)中，并通過計算機的抽象化概念進行表述。復雜網絡都是通過類似的無數小世界單元組建的基礎原件，并將小世界單元中任意兩個節(jié)點相互連接，作為數據新型運載的網絡紋線；（2）集團性，復雜網絡是空間視域下小世界和子系統(tǒng)的混合體，其子系統(tǒng)和主系統(tǒng)的連接，就形成了計算機網絡的集團性，在系統(tǒng)中各個單元的相互交互，在復雜的網絡中，整體性的架構具備兼容性和可再塑性，使多元細化，從而使其得到拓展和延伸；（3）冪律的度值包含的意思是視域的逐漸多元化，在復雜網絡系統(tǒng)中，度是個概念性名詞，是指節(jié)點的相關聯(lián)性，具備復雜網絡的各個單位小世界同樣度的集團交互，在小世界系統(tǒng)中，介數是其子系統(tǒng)的具體表現，用來體現復雜網絡系統(tǒng)中，所有的最短路徑，經過某一節(jié)點的冪律的數量，集中反映了節(jié)點的影響效力，在股咋網絡的數據包中，冪律深度值相互作用體現了數據包的具體個數。

2 網絡拓撲結構分析

計算機網絡是通過計算機的物理介質及通信協(xié)議進行連接，形成網絡。其總體結構是多個節(jié)點和兩個節(jié)點之間的邊組成，其中點表示的是不同的個體，邊表示的是個體之間的相互關系，計算機網絡結構就是通過兩個節(jié)點之間的關系，用一條邊相連接而成。

計算機網絡拓撲機構就是計算機網絡各個站點之間的相互連接形式，在不同的網絡架構中，其連接的形式多種多樣，在局域網中，把文件服務器，工作站點等連接起來，主要的拓撲結構有星形拓撲結構、總線形拓撲結構、樹形拓撲結構、環(huán)形拓撲結構以及混合型拓撲結構。在不同的拓撲結構中，星形拓撲結構是某臺設備作為中心連接點，其他各站都與之相連，從而形成星形的結構形式；總線形拓撲結構是文件服務器都與一條總線公共電纜相連，形成一條總線形拓撲結構；樹形拓撲結構是在總線形拓撲結構中延伸出來的，其形狀像一顆倒置的樹形，所以被稱為樹形拓撲結構，環(huán)形拓撲結構四把所有的站點串形連接，像鏈子一樣構成的環(huán)形結構；混合型拓撲結構就是三種結構的混合體，是較為復雜的拓撲結構，在運用的過程中，較為廣泛。

3 計算機網絡拓撲模型的主要特征

在計算機網絡是以計算機群組為主要載體的復雜網絡的具體體現形式，均衡實現節(jié)點與節(jié)點之間的最小距離，網絡變數的最小化，這也是拓撲結構優(yōu)化上的主要目標，在未來的計算機網絡系統(tǒng)中，都是在基于復雜網絡的小世界網絡架構中形成的，并且隨著計算機網絡的拓展和延伸，其延伸范圍將逐漸擴大到整個計算機網絡系統(tǒng)中，為了維護整個計算機網絡系統(tǒng)的正常運行，以及其效率的運轉，在復雜網絡理論構筑中，就體現了在復雜網絡理論支撐和轉換支配，在理論運用中，其必要性和重要性就顯得相當的關鍵，所以在具備小世界，高聚集的特點之下，運用更加先進的生長延伸規(guī)律，是未來計算機網絡性規(guī)則的創(chuàng)設，在新節(jié)點的加入計算機網絡時，能夠有效的連接，使其較大的節(jié)點進行優(yōu)化連接，能夠大大的減少帶寬，減少計算機運行的帶寬需求，提高計算機的網絡運行效率。

從目前的計算機網絡拓撲模型中，可以看出其基本特征具體表現在以下幾個方面：首先，開放性，個性化。特別在現代社會，對于網絡架構的要求提升，用戶對于網絡數據的速率認同度以及對于高速處理和高速上網的具體需求來看，用戶更加注重的“人網合一”的交互體驗，在網絡數據業(yè)務中的服務細化，體貼度逐漸提高，這也促進了基于復雜網絡計算機拓撲的研究的時效性發(fā)展，提高了用戶的交互感；其次，智能化和集約化。在計算機網絡拓撲理論的運用中，對于新技術的持續(xù)推廣和使用，其專業(yè)化程度和復雜化程度都得到大幅度的提升，對于操作人員的專業(yè)素質和實際操作能力都有了更高的要求，技術人員和操作人員利用輔助工具，完成人工智能化的網絡拓撲，極大的提高了計算機網絡診斷和網絡維護效率，降低了相關運行成本；最后，安全性和普及性。安全性是網絡應用管理的基礎，只有在基于安全性的理論探索中其開發(fā)的系統(tǒng)，才能夠實現其實用性和適用性。并且在開發(fā)過程中，要注意其普及性，能夠符合更大多數的運用需求，所以在開發(fā)過程中基于Web的軟件系統(tǒng)由于其便捷性和兼容性，在計算機網絡拓撲中成為了重要的技術平臺。

4 基于復雜快捷貨運網絡拓撲的實踐性探討——快捷貨運超小世界形成

貨運在社會經濟發(fā)展過程中起到重要作用，隨著貨運時效性、便捷性、安全性的要求不斷提高，貨物運輸的網絡結構設計和優(yōu)化也越來越被重視。本章利用復雜網絡理論，建立網絡優(yōu)化模型，從而從實踐角度分析計算機網絡拓撲結構。

在輪輻式快捷網絡結構中，隨著樞紐節(jié)點的增加，平均路徑長度呈現增大的趨勢，但是結合總體規(guī)劃的考慮，以及交通網絡的發(fā)展，運輸網絡的樞紐必然不斷增加，因此，網絡結構就應該更加科學、合理、以最大的保障網絡整體效率和安全行。

小世界網絡模型在日常運用中，較為廣泛。在集散的輪輻式運輸網絡中，網絡多數節(jié)點都與之相連，所以網絡中以一個中心出發(fā)，引出所有的捷徑，小世界網絡可以看做成低層網絡與隨機子網絡兩個部分組成，子網與子網相互?，F在利用定量捷徑數量m，其平均路徑要盡量減少，使得子網相互連接，利用小概率P添加捷徑，整個網絡的連通性就得不到保證。當節(jié)點數N，隨意將子網絡便捷相接，那么整個網絡的連通性概率小于等于m！/Nm-1。例如，N=1000，隨意增加10條捷徑，網絡連通的概率比10-22要小、節(jié)點平均分布網絡形態(tài)L較小。下圖為捷徑m=6的網絡：

通過研究，當捷徑給定，具備下列條件才能得出最小平均路徑L：捷徑相連的各個子網的節(jié)點平均分布，而不是隨意分布，隨意分布不能使L取得最小值；整個網絡必須連通；整個網絡至少有一個中心點。在滿足這幾個條件之后，小世界網絡就是超小世界網絡。

參考文獻：

[1]曹華娟.基于圖論拓撲結構的Web網絡研究[J].四川省干部函授學院學報，2012（02）.

[2]余朵茍.基于復雜網絡理論的快捷貨運網絡拓撲結構研究[D].北京交通大學，2009.

作者簡介：劉鋒（1981.06-），男，湖北襄陽人，講師，碩士，畢業(yè)于華中師范大學計算機科學與技術專業(yè)，研究方向：計算機網絡、多媒體；王宇（1981.10-），女，湖北荊州人，副教授，博士，畢業(yè)于武漢大學土建專業(yè)：林雯（1980.11-），女，湖北宜昌人，講師，學士學位，畢業(yè)于華中師范大學計算機專業(yè)。

作者單位：湖北三峽職業(yè)技術學院，湖北宜昌 443002；三峽大學，湖北宜昌 443002