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互联网技术
基于复杂网络理论的AS级互联网拓扑建模研究
以Internet为代表的计算机互联网已发展成为一个复杂巨系统。研究互联网拓扑结构、理解互联网演化机制、建立互联网拓扑演化模型可为网络仿真和科学研究实验提供对象,为高效的网络协议设计提供理论依据,对优化网络性能,评估网络安全性和抗毁性研究等具有重要意义。作为复杂网络研究的一个典型实例,互联网拓扑结构研究和建模还能促进复杂网络理论的研究发展。 目前,人们对支撑各种网络应用的底层互联网拓扑的内在结构特征和演化规律的理解还远未成熟。互联网拓扑因划分粒度的粗细,可分为自治系统级拓扑和路由器级拓扑。自治系统级拓扑是互联网拓扑最宏观的视图,其特征与变化对互联网的影响更为巨大,相关研究对下一代网络发展的意义更为重大。由于互联网域间路由协议采用基于策略的BGP协议(border gateway protocol,边界网关协议),导致自治系统间存在某种商业关系,AS(autonomous system,自治系统)关系的存在不仅实实在在地影响着互联网的域间路由协议,也对AS级互联网拓扑建模提出了新的要求,需要建立含AS关系的有向拓扑网络模型,这也是已有互联网拓扑建模研究欠缺和迫切需要的。 本文面向AS级互联网拓扑建模研究需求,主要研究内容与创新点如下: 1.从拓扑测量和特性分析的角度展开研究,分析AS级拓扑测量存在的问题和对测量结果存在的影响;获取AS级拓扑实测数据集,进行基本特征量的的演化分析。准确的互联网拓扑数据获取是进行一切拓扑结构特征分析和建模工作的基石。详细分析了AS级拓扑测量中可能存在的问题以及对测量结果存在的影响,为后续使用含AS关系的拓扑实测数据建立了对数据的正确认识;并在获取权威的Routerview和CAIDA-Skitter项目拓扑实测数据的基础上,对AS级互联网拓扑结构进行了长时间跨度下的基本特征量的演化分析,给出了对AS级拓扑宏观结构的再认识;为后续AS级互联网拓扑模型建立奠定了理论基础。 2.从拓扑层次性的角度展开研究,发现了AS级互联网拓扑结构基于核数层次性的内在特征,提出了一种基于核数划分的AS级拓扑层次动态演化网络模型框架HMF。基于大量拓扑实测数据集的k-core分解,发现了网络核心和网络外围遵循不同的演化规律和AS级拓扑基于核数层次性的内在特征:层次关联性、异配性和向心性。基于实测数据集的层次分析结果,定量给出了基于核数的六层次划分依据和层次模块,包括层次选择概率和层内/层间连接概率等细节,该模块能够充分刻画出层次间的关联性、异配性和向心性特点。并借鉴经典的BA模型建模方法,提出了HMF。该模型是依照拓扑结构自身内在的层次表现进行的分层,角度更为合理、细致。计算机建模和仿真验证表明HMF模型能较好地模拟出AS级互联网拓扑的基本宏特征、幂律特性和层次性,且同时满足幂律和小世界特性。该模型还可作为一种AS级互联网拓扑动态演化网络模型的基本框架,继续建模。 3.从拓扑AS关系的角度展开研究,揭示了层次性和AS关系之间的内在联系,提出了一种新的基于核数分层含AS关系的拓扑动态演化网络模型ASRM。基于大量拓扑实测数据集的基于AS关系的拓扑结构分析,提取出了拓扑图中与AS关系相关的若干重要特征:各AS关系比例、带标记的度分布和带标记的度相关性。基于拓扑实测数据集的AS关系层次分析结果,定量给出了基于层次关联性的AS关系模型和优化参数。并以HMF为基础,提出了ASRM。计算机建模和仿真验证表明,ASRM模型在AS关系部分能得到与实际互联网类似的拓扑特性,逼真地再现了AS级互联网拓扑的商业关系规律。同时,基于层次关联性的AS关系模型的变体还可独立作为一种AS关系推测算法(ASRC),为任意的AS级无向拓扑图提供带AS关系标注的拓扑图,拓展了ASRM模型的应用。 4.针对AS级拓扑建模的需求,综合考虑AS级互联网建设、演化的实际影响因素,提出了一种全面反映实际互联网拓扑结构宏观特性的AS级互联网拓扑动态演化网络模型ASTDEM。AS节点类型、网络的指数增长和老化、局域世界和局部聚集现象以及自组织特性等都是互联网建设、演化过程中必须面对的实际影响因素,通过对上述因素内部规律和外在表现的分析,定义了节点的六元组模型,给出了网络的指数增长、老化以及局域世界的刻画方法,和适用于不同范畴的偏好择优概率细节。结合HMF和ASRM模型,提出了ASTDEM模型。该模型是依据互联网的自组织特性,按照演化的实际历程进行建模,对AS级互联网拓扑的模拟更为现实、合理和有效。理论解析推导和计算机仿真验证表明ASTDEM模型能满足幂律特性,并在拓扑结构宏特征等关键参数上与真实互联网有很好的一致性,还能较为准确地模拟出层次性和AS关系。 5.从探索互联网拓扑特性内在联系的角度出发,结合对拓扑实测数据集的层次分析和AS关系分析,提出了以k-core分解和自组织特性为核心的互联网拓扑结构特征的内在成因解释。依据对HMF模型,ASRM模型和ASTDEM模型的仿真验证,本文初步揭示出了幂律特性、层次性和AS关系之间通过自组织特性和k-core分解建立起来的内在关系:层次性与AS关系之间存在基于核数分层的内在联系;层次性是幂律机理的内在解释之一;AS级互联网的自组织特性决定了AS级互联网拓扑的宏观表现。 本文的研究成果,对准确把握AS级互联网拓扑结构的宏观特征,提供含AS关系的互联网拓扑模型具有重要的应用价值,将直接为基于AS关系的互联网拓扑结构研究和域间路由系统基本问题的彻底解决提供研究模型和理论依据。
博士论文
《解放军信息工程大学》 2011年博士论文
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