摘要：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性分析是對通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、建設(shè)、維護管理和提高整個網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要手段。文中總結(jié)了近年來主要的網(wǎng)絡(luò)重要性分析方法，并以節(jié)點刪除法為依據(jù)，從理論和實踐的角度針對公司網(wǎng)絡(luò)實例進行分析和研究。針對其某些節(jié)點重要性的計算在理論計算和實驗仿真上都給出了重要論證。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性；OPNET；多樣化生存理念

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）04-0759-05

Analysis and OPNET Based on the Node the Importance of the Delete Method Simulation

ZHOU Zun-ren， HUANG Zun-guo

（National University of Defense Technology，College of Computer Science， Changsha 410073，China）

Abstract：Analysis of the importance of the network nodes is an important means for communication network design， construction， maintenance and management and improves overall network reliability. This paper summarizes the main importance of networks analysis method， and node deletion method of recent years， that is based on analysis and research from the point of view of the theory and practice for the company network instance. For the calculation of the importance of some of the nodes in the theoretical calculation of the nuclear test simulation are important arguments.

Key words： the importance of network nodes； OPNET； diverse concept of survival

隨著計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了社會生產(chǎn)、人們生活的必要基礎(chǔ)設(shè)施。尤其近幾年來，隨著移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的廣泛開展，使得網(wǎng)絡(luò)與人們生活聯(lián)系的更加密切。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在發(fā)展過程中，遇到了許多網(wǎng)絡(luò)安全上的問題，而且這些問題也在不斷的發(fā)展和變化。因此，研究網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前和今后的熱點和難點問題。隨著網(wǎng)絡(luò)管理者安全理念的變革，網(wǎng)絡(luò)安全前兩個階段重點在防御和檢測上，由于系統(tǒng)自身則缺乏免疫機制，在網(wǎng)絡(luò)攻擊發(fā)生變化時無法進行自適應(yīng)，遭受破壞是難免。所以逐漸發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)安全的第三個階段——基于生存技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。這是目前研究的熱點問題之一，也是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)發(fā)展的必然選擇。要求網(wǎng)絡(luò)自身具有較強的免疫能力。研究基于生存技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全，必須考慮重點保護一旦遭到攻擊可能導(dǎo)致生存策略全部失敗的那些節(jié)點或節(jié)點集合，即節(jié)點的重要性分析是本文探索的基點，生存性是為研究節(jié)點重要性服務(wù)的。

所謂網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要性即為該節(jié)點與其他節(jié)點的連接而使其具有的顯著性[1，2，3]。也就是說從網(wǎng)絡(luò)中尋找如度、最短路、路徑等等屬性信息來凸現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點間的差異，來表征該節(jié)點的重要性。

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)重要性評估和驗證的方法，一般稱之為網(wǎng)絡(luò)仿真，運用形式化理論、隨機過程、統(tǒng)計學(xué)理論以及優(yōu)化理論等方法，對各種網(wǎng)絡(luò)重要性評估方案的性能和可行性進行比較分析，并通過分析和比較環(huán)境和工作負荷等屬性來評估給出的各種重要性評估體系的優(yōu)劣。該文將在深入研究刪除節(jié)點方法的基礎(chǔ)上，利用OPNET Modeler模型對給出的節(jié)點重要性方案進行仿真驗證。

1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點刪除法重要性評估思想

1.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性定義

網(wǎng)絡(luò)的特殊性強調(diào)對核心節(jié)點的重點保護，因為當(dāng)核心節(jié)點受到攻擊，則會有相當(dāng)一部分與之相關(guān)的節(jié)點癱瘓。通過對這些核心節(jié)點進行重點保護，可以提升整個網(wǎng)絡(luò)的攻擊容忍性，增強網(wǎng)絡(luò)的生存能力。評估網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要程度是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究中的一個級別問題。在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)掘重要節(jié)點，對其重要性進行評估，具有很高的實用價值。而關(guān)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性的定義，根據(jù)方法的不同會有不同的界定。比如，基于網(wǎng)絡(luò)拓撲的節(jié)點重要性評估方法判斷核心節(jié)點依據(jù)兩個關(guān)鍵條件：1）節(jié)點本身在網(wǎng)絡(luò)中的重要性很高；2）與節(jié)點相鄰的邊的重要性也很高。基于信息關(guān)鍵程度的節(jié)點重要性評估方法，則主要關(guān)注各個節(jié)點信息關(guān)鍵程度，從而區(qū)分節(jié)點的重要性。而基于耦合的節(jié)點重要性方法既要關(guān)系網(wǎng)絡(luò)拓撲情況，又要關(guān)注信息節(jié)點關(guān)鍵度。

因此，可以簡單地理解網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要性就是在網(wǎng)絡(luò)中，該節(jié)點起到核心作用，具有計算或轉(zhuǎn)發(fā)的功能。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，對該節(jié)點的重點關(guān)注，則會對網(wǎng)絡(luò)的正常運行起到關(guān)鍵作用，從而提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存性。

1.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點刪除法重要性評估思想

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點刪除法屬于網(wǎng)絡(luò)拓撲類范疇，但又具有其自身的特點。對于無向連通網(wǎng)絡(luò)來說，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點（集）被刪除后，會出現(xiàn)如下幾種情況：被刪除的節(jié)點（集）無法再連通剩余節(jié)點、被刪除的節(jié)點集中的節(jié)點之間不再能夠連通；剩余節(jié)點中的部分節(jié)點之間的路徑可能由于某些節(jié)點被刪除而喪失連通性。

1）不連通節(jié)點加權(quán)假設(shè)

設(shè)[G=V，E]是無向賦權(quán)網(wǎng)絡(luò)圖，攻擊有[N]個點。其中：[V]為[G]的節(jié)點集，[E]是[G]的邊集，[αv∈0，1]是節(jié)點[v]的權(quán)數(shù)，[S]是被刪除的節(jié)點。刪除任意一節(jié)點后形成的連通分支為[K]，每個連通分支中的節(jié)點數(shù)為[Nii=1，2，…，K]。刪除任一節(jié)點后使自身與剩余節(jié)點之間產(chǎn)生的不連通節(jié)點對數(shù)為[N-1]對，而在剩余節(jié)點之間產(chǎn)生的不連通節(jié)點對數(shù)為[i=1Kj=i+1KNiNj]。如果刪除的是[m]個節(jié)點，則[m]個節(jié)點間原有的連通節(jié)點對數(shù)為[C2m]。因此，刪除后總的不連通節(jié)點對數(shù)為[N-1+C2m+i=1Kj=i+1KNiNj]。

2）單節(jié)點的重要性估計

如圖2所示，當(dāng)刪除掉[n1]節(jié)點是，也就斷開與[n1]關(guān)聯(lián)的邊，從而形成5個孤立的、不連通的節(jié)點對。

設(shè)各個節(jié)點到[n1]的距離即為[d1ii=2，…，6]，其損失可以用如下公式計算：

[DLost=i=261d1i]。

同理，當(dāng)如圖3所示的圈形圖時，[n1]節(jié)點被刪除，則可以簡單計算為該點與其相鄰兩點距離倒數(shù)之和。

3）節(jié)點重要性指標(biāo)計算

當(dāng)同時刪除多個節(jié)點時，造成的破壞作用有：刪除掉的節(jié)點分別與剩余節(jié)點無法連通；被刪除節(jié)點之間無法連通。故此可以采用如下計算流程進行估算：

Step1：讀取無向聯(lián)通節(jié)點賦權(quán)網(wǎng)絡(luò)圖，生成鄰接矩陣A，計算距離矩陣D；

Step2：按照A、B中給出的方法計算單節(jié)點、多節(jié)點的損失；

Step3：匯總刪除節(jié)點所造成損失的總量。

2 分布式網(wǎng)絡(luò)仿真及OPNET Modeler模型

2.1 分布式網(wǎng)絡(luò)仿真

網(wǎng)絡(luò)仿真一般要經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)仿真研究準(zhǔn)備、網(wǎng)絡(luò)仿真模型設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)仿真及分析和網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)束四個階段。

2.2 OPNET Modeler模型

常用的網(wǎng)絡(luò)仿真是基于一系列仿真軟件實現(xiàn)的離散事件仿真，該文的仿真過程也將是基于OPNET展開的。

1）常用的仿真方法

針對網(wǎng)絡(luò)攻擊節(jié)點重要性評估，常采用三類方法進行分析評估。其一，是通過網(wǎng)絡(luò)性能觀點出發(fā)，通過測試“what-if”類型的問題可以得出與網(wǎng)絡(luò)攻擊行為相關(guān)的結(jié)論；其二，是流量建模仿真方法，集在實際網(wǎng)絡(luò)中收集真實的流量數(shù)據(jù)（包括攻擊流量）并將其導(dǎo)入OPNET中，可對入侵算法的有效性進行檢驗；其三，是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)攻擊的原理進行仿真實現(xiàn)。即對網(wǎng)絡(luò)攻擊行為過程進行詳細描述，可以從更深層次上對網(wǎng)絡(luò)攻擊行為進行分析，如對某型節(jié)點的重要性評估、對某些節(jié)點間的相關(guān)性進行分析或者對某些節(jié)點采用刪除操作，來觀察攻擊行為的變化等等，從而可以獲得對某些攻擊行為的匯總和指定相應(yīng)的安全策略。

然而，當(dāng)前的很多攻擊時基于操作系統(tǒng)或程序漏洞展開的，還有針對某些硬件的仿真描述上OPNET還有一定的局限性。為此，要更好進行實驗仿真，就要針對仿真方法進行深入研究，這將是本文研究的重點和依托。

2）OPNET仿真平臺建模

無論給出如何完美的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性指標(biāo)體系，都需要對網(wǎng)絡(luò)的可靠性、指標(biāo)體系的可行性進行客觀的評估，以便于降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險。前面支持本文將采用OPNET作為仿真平臺，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要性以及后續(xù)關(guān)于基于多樣化生存技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)重要性研究的仿真建模。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點案例計算和OPNET Modeler 仿真

3.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性分析案例

這里為了驗證上面給出的刪除節(jié)點重要性評估方法和OPNET離散仿真設(shè)置方法，這里給出一個以小型公司辦公網(wǎng)絡(luò)的星形計算機網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中server節(jié)點、test節(jié)點、research節(jié)點、sales節(jié)點和administrator節(jié)點。每個節(jié)點下面還用于眾多子節(jié)點。其等效的無向聯(lián)通節(jié)點賦權(quán)網(wǎng)絡(luò)圖可以表示如下：

根據(jù)第三節(jié)給出的計算方法，可以假設(shè)刪除test節(jié)點、3，13、15、22、28幾個節(jié)點，可以獲得最后的網(wǎng)絡(luò)損失為：

[子網(wǎng)＼&刪除節(jié)點＼&直接損失＼&間接損失＼&總損失＼&test＼&test＼&1.8＼&0＼&1.8＼&server＼&3＼&3.9＼&0＼&3.9＼&sales＼&13、15＼&4.3＼&0.2＼&4.5＼&resarch＼&22＼&2.2＼&0.1＼&2.3＼&admin＼&28＼&1.33＼&0＼&1.33＼&]

3.2 OPNET Modeler模型設(shè)定

在構(gòu)造OPNET Modeler仿真需要完成以下幾項工作：建立項目，即一組仿真環(huán)境，一個場景就是其中的一個仿真環(huán)境或者說是網(wǎng)絡(luò)的一個實例、一種配置；構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；設(shè)置布置（設(shè)計）網(wǎng)絡(luò)類型。

圖6—圖9主要給出網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)準(zhǔn)備和模型設(shè)計的過程，該文是針對某公司計算機網(wǎng)絡(luò)進行階段重要性分析，其中是對某個節(jié)點采用刪除的方法。首先，圖6和圖7給出了某公司計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和物理構(gòu)成。圖8給出該網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)。圖6和圖7給出針對該網(wǎng)絡(luò)Server采用刪除的模型設(shè)計，圖9是仿真開始的執(zhí)行代碼截圖。

3.3 仿真實驗分析

文中以某公司局域網(wǎng)為例，說明節(jié)點重要性以及在本文給出的節(jié)點重要性模型下的仿真設(shè)計、仿真結(jié)果集節(jié)點重要性評估分析。

上面給出的OPNET Modeler仿真過程，通過給出的網(wǎng)絡(luò)接收延遲曲線Email收發(fā)統(tǒng)計和Http統(tǒng)計分析可以看出，當(dāng)server、sales兩個節(jié)點以及其子節(jié)點被刪除后，其損失較為嚴(yán)重，與理論計算相符。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要性分析是研究網(wǎng)絡(luò)載荷和網(wǎng)絡(luò)安全運行的一種重要手段。該文通過對基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點刪除法的重要性評估思想進行研究，并基于OPNET Modeler仿真平臺針對某公司計算機網(wǎng)絡(luò)案例進行了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性評估仿真。通過對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點刪除方法的理論分析，闡明了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性分析在對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、安全性分析和防御網(wǎng)絡(luò)攻擊中的重要性；同時也明確了OPNET仿真平臺對于網(wǎng)絡(luò)仿真的可行性。由于本文給出的案例較為單一，考慮節(jié)點外在因素較少，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量也不夠，因此對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要性分析還需要進一步研究和深入。

參考文獻：

[1] Nardelli E， Proietti G， Widmayer P. Finding the most vital node of a shortest path[J].Theoretieal Computer Seienee， 2003，296（1）：167-177.

[2] Freeman， L. C. Centrality in social networks conceptual clarification[J]. Social networks，1979，1（3）： 215-239.

[3] Zhang， Y.， H. Vin， et al. Heterogeneous Networking： A New Survivability Paradigm. NSPW'OI， Cloudcroft， New Mexico， 2002.

[4] Mont M C，Baldwin A，Beres Y.Towards diversity of cots softwareapplications： Reducing risks of widespread faults and attacks. HP Laboratories， Bristol， UK HPL-2002-178， 2002.

[5] 安世虎，都藝兵，曲吉林.節(jié)點集重要性測度——綜合法及其在知識共享網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].中國管理科學(xué)，2006 （1）：106-111.

[6] LI Cui-ping， HAN Jia-wei， HE Guo-ming， et al. Fast computation of SimRand for static and dynamic information networks[C]. Lausanne， Switzerland； Proceedings of the 13th International Conference on Extending Database Technology EDBT’10. ACM，2010.

[7] Brain P. Crow， Indra Widjaja， Jeong Geun Kim and Prescott T.Sakai.IEEE 802.11 wireless local area network.IEEE Communication magazine，September 1997.

[8] CAVIN David， SASSON Yoav， SCHIPER Andre. On the accuracy of MANET simulators[EB/OL].http： //www.epfl.ch/ Document s/acrobat /CSA02b.pdf， 2002.

[9] 程猛，吳永明.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)節(jié)點重要性評價方法[J].通信技術(shù)，2010（8）.

[10] 鄧卉，王有政，陸建華.一種基于競爭節(jié)點估計得改進DCF機制[J].通信技術(shù)，2009，42（10）：117-122.