CN103200118B - 面向关键节点保护链路增加的复杂网络防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对复杂网络安全性中的防御和保护问题，公开了一种面向关键节点保护链路增加的复杂网络防护方法。本发明在保持原有网络连接不变的基础上，通过建立关键平衡环和关键链的思想，围绕关键节点建立关键平衡环和在关键节点之间增加关键保护链路的策略。采用本发明的方法，使原本一部分通过关键节点的流量绕过关键节点，使网络负载在一定程度上趋于均衡，有效的减缓关键节点的拥塞，而且增加网络中边的可靠性和容错能力，达到了对于复杂网络中的蓄意攻击和高负载攻击起到较好的防御和保护作用。

Description

面向关键节点保护链路增加的复杂网络防护方法

技术领域

本发明属于复杂网络安全性中的防御和保护技术，特别是一种面向关键节点保护链路增加的复杂网络防护方法。

背景技术

复杂网络成为近年来很多领域科学家研究的热点，对复杂网络的研究蕴藏着巨大的潜在应用价值，然而复杂网络所表现出的脆弱性，成为其在实际应用中的一大缺陷，尤其是在面对随机攻击、蓄意攻击、协同攻击、分布式攻击等多种复杂攻击下，复杂网络的安全性越来越受到严重的威胁，对复杂网络的防御和保护方法研究是人们现在面临的热点和难点问题之一。

大规模通信网络可视为复杂网络，这种拥有不同类型的节点、链路和其它资源的复杂通信网络往往会引起流量负载分布不均匀，网络中拥塞常常出现在某些关键节点上。关键节点拥有更多的连接，也因此承担了更多的流量传输任务，由此出现了节点间负载的严重不平衡，关键节点成为最容易使网络产生拥塞的节点，同样为了防御关键节点的拥堵，许多研究者从新路由方法的角度入手，提出一些基于负载均衡的路由方法来防御高负载的攻击，从而保护关键节点。

YangJunlong等(YangJunlong,YuHeWei.OptimizingMulti-PathRoutingbyAvoidingKeyNodes.[C].ProceedingsofIC-BNMT2009.2009.)提出通过避免关键节点的多路径路由方法，他们给出了一个简单有效的探测关键节点并且避免它们的方法，模拟结果显示了该方法在获取不相交路径上有很好的性能，能有效地减缓关键节点的拥塞，提高了网络的可靠性。中科大的GangYan等(GangYan,TaoZhou,BoHu,Zhong-QianFu,Bing-HongWang.Efficientroutingoncomplexnetworks[J].Phys.Rev.E,73:046108.2006.)提出了有效路径路由策略，该有效路径路由策略并不是像最短路径路由算法那样寻找最短的路径，而是寻找“有效路径”，所谓“有效路径”就是在有效的路径中避开那些可能产生拥塞的关键节点。

除此之外，还可以通过增加新的保护链路来提高网络自身防御攻击能力。在对关键节点保护过程中，由于实际中受成本的限制，增加保护链路的数量又是有限的，因此如何在有限的预算下增加保护链路来保护关键节点是非常关键的。

然而，在给定有限保护链路的条件下，如何有效分配保护链路来保护关键节点目前还没有太多研究，一般方法往往很简单的选择度数高或者低的节点进行分配保护链路，或者随机选择添加保护链路，这些方法对于分担关键节点的流量、提高复杂网络可靠性和网络效率而言还存在较大局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向关键节点保护链路增加的复杂网络防护方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种面向关键节点保护链路增加的复杂网络防护方法，具体包括以下步骤：

步骤1、利用复杂网络节点介数确定方法确定复杂网络G＝(V,E)中所有节点介数，其中V表示节点集合，E表示边集合；

步骤2、根据节点介数的值将节点从大到小排列，将排在前r％的节点作为关键节点，其中r是根据整个复杂网络规模确定的参数，5≤r≤20，假设关键节点为m个，则关键节点集合V_k＝{v_k1,v_k2,...v_km}，其中v_k1表示介数最大的节点，以此类推；

步骤3、假设保护链路的总数为L条，其中将λL条保护链路用于建立关键链，剩余的(1-λ)L条保护链路用于建立关键平衡环，其中λ是比例参数，0≤λ≤0.5，用来控制保护链路是用于建立关键平衡环或关键链；

步骤4、利用λL条保护链路建立关键链；具体包括以下步骤：

步骤4-1、对于关键节点集合V_k＝{v_k1,v_k2,...v_km}，确定在排名最后的x个关键节点之间增加关键链，其中x＝m-y+1；

步骤4-2、对任意的两个关键节点v_ki,v_kj∈V_kx，如果则在v_ki和v_kj之间增加一条关键链，即(v_ki,v_kj)∈E，分配一条保护链路；

步骤4-3、重复步骤4-2，直到关键节点集V_kx中的所有关键节点(v_ki,v_kj)对都检查过；

步骤4-4、判断是否所有λL条保护链路分配完成，如果是，则关键链建立过程结束；否则执行步骤4-5；

步骤4-5、将排名在x个关键节点之前的关键节点v_k(y-1)增加进来，检查新加入的关键节点v_k(y-1)与后x个关键节点之间是否存在关键链，如果不存在，则增加关键链，即分配保护链路；否则不处理；

步骤4-6、判断是否所有λL条保护链路分配完成，如果是，所有λL条保护链路分配完成，关键链建立过程结束；否则继续增加在上次新加入关键节点之前的一个关键节点，重复执行步骤4-5。

步骤5、利用(1-λ)L条保护链路建立关键平衡环；完成面向关键节点保护链路增加的复杂网络防护方法。具体包括以下步骤：

步骤5-1、在关键节点集合V_k＝{v_k1,v_k2,...v_km}中，确定每一个关键节点v_ki的关键环的个数R_i和最多能拥有的关键环的个数MR_i；

步骤5-2、对于关键节点v_ki∈V_k，使用条保护链路围绕该关键节点建立关键平衡环，具体为：确定该关键节点的所有邻居节点的度数，将度数值较大的前q个邻居节点作为关键节点v_ki的重要邻居节点集合，所述1≤q≤10，确定重要邻居节点之间是否存在关键平衡环，如果不存在，则在两个重要邻居节点之间增加保护链路，直到Lr_i条保护链路全部分配完毕；

步骤5-3、重复步骤5-2，直到所有的关键节点建立关键平衡环过程结束，则整个关键平衡环建立过程结束，即所有(1-λ)L条保护链路分配给关键平衡环的过程完成。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的方法可以在保持原有网络连接不变的基础上，在给定的有限保护链路条件下，围绕关键节点建立保护链路，不但直接分流了关键节点流量，而且提高了网络的可靠性和网络效率，从而达到对于复杂网络中的蓄意攻击和高负载攻击起到较好的防御和保护作用；2)本发明的方法使原本一部分通过关键节点的流量绕过关键节点，使网络负载在一定程度上趋于均衡，有效的减缓关键节点的拥塞，而且增加网络中边的可靠性和容错能力；3)在增加的保护链路数量一定条件下，本发明的方法能有效地减少蓄意攻击的破坏；4)本发明的方法在提高网络通信能力方面具有较好的效果，能大幅提高网络的效率。

附图说明

图1是本发明关键平衡环和关键链示意图。

图2是本发明总体流程图。

图3是本发明复杂网络实例图。

图4是本发明关键链建立过程的流程图。

图5是本发明关键平衡环建立过程的流程图。

图6是本发明仿真实验中不同添加保护链路方法下最大连通系数和蓄意攻击移除节点比例之间的关系示意图。

图7是本发明仿真实验中不同添加保护链路方法下增加保护链路数量与网络效率的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，为了便于说明，给出如下定义和描述。

定义1：复杂网络模型

复杂网络模型用图G表示，G＝(V,E)。V＝{v₁,v₂,...,v_n}是节点集合，是边集合。v_i∈V,(i＝1,2,...,n)，表示网络中的一个节点，(v_i,v_j)∈E，表示到节点v_i到节点v_j的一条边。

定义2：关键节点

介数能够反应复杂网络的动态发展情况，预测复杂网络的动态行为，节点的介数值越大，则该节点在复杂网络中起到的桥梁作用就越显著，本发明把介数作为衡量节点重要程度的度量。按节点的介数值对复杂网络中所有节点进行从大到小排序，把介数最高的一部分节点定义为关键节点。

定义3：关键平衡环

如果节点v是一个关键节点，节点v₁和v₂是v的重要邻居节点，所谓重要邻居节点就是拥有较高度值的邻居节点，若v、v₁和v₂三者之间都有直接相连的边，对于无向图则三条边形成一个环，就是关键平衡环。

定义4：关键链

如果节点v₁和v₂是两个关键节点，若它们之间有直接相连的边，则称该边为关键链。

结合图1，解释上述关键平衡环和关键链。针对图1的复杂网络拓扑，易求得关键节点的编号为8和18，图中8和18之间加黑的粗线就是关键链，围绕关键节点18的两个重要邻居节点1和16,原本在节点1和16之间并没有直接连边，在增加保护链路(图中虚线)后，围绕关键节点18在节点1和16之间形成了关键平衡环。

关键节点的失效给整个网络造成极大的破坏，甚至引起级联失效，为了防御蓄于攻击对网络的破坏，最大限度地保护网络的连通性，应该首先保护关键节点，实际中受成本的限制，增加保护链路的数量又是有限的，因此如何在有限的预算下增加保护链路是非常关键的。

为了找到一个有效的增加保护链路的策略，本发明在保持原有网络连接不变的基础上，通过建立关键平衡环和关键链的思想，围绕关键节点建立关键平衡环和在关键节点之间增加关键保护链路的策略。其目的是使原本一部分通过关键节点的流量绕过关键节点，使网络负载在一定程度上趋于均衡，有效的减缓关键节点的拥塞，而且增加网络中边的可靠性和容错能力，以达到对于复杂网络中的蓄意攻击和高负载攻击起到较好的防御和保护作用。

为了实现上述目的，结合图2，本发明公开了一种面向关键节点保护链路增加的复杂网络防护方法，该方法主要过程为：利用介数确定方法求得所有节点的介数，按照节点介数值从大到小进行排名，把排在前面的一部分作为关键节点的集合；然后，根据该关键节点集合，检查在一些关键节点之间是否存在关键链，如果不存在则将保护链路作为关键链；最后，围绕关键节点求出每个关键节点的重要邻居节点，检查关键节点和重要邻居节点之间是否有关键平衡环，若没有，在围绕关键节点的重要邻居节点之间增加保护链路，形成关键平衡环。

具体过程为：

步骤1：给定复杂网络G＝(V,E)，其中V表示节点集合，E表示边集合；利用复杂网络节点介数确定方法确定复杂网络中所有节点介数；

结合图3，图3是一个节点数为40的复杂网络实例，边的数为77。用复杂网络节点介数确定方法确定的该复杂网络中所有节点介数的值如表1所示：

表1复杂网络实例中所有节点介数的值

节点序号	节点介数	节点序号	节点介数
				1	609.7867	21	39.8399
2	0.0000	22	0.0000
				3	523.9625	23	0.0000
4	251.5571	24	38.3111
				5	217.3437	25	12.5610
6	54.0667	26	4.5444
				7	0.0000	27	3.5000
8	28.0684	28	49.0444
				9	155.5499	29	29.2528
10	8.5000	30	0.0000
				11	3.6667	31	3.4000
12	0.0000	32	3.3303
				13	67.2664	33	2.2000
14	0.0000	34	9.0667
				15	23.3960	35	0.0000
16	7.4667	36	3.3303
				17	14.5981	37	8.6667
18	62.0889	38	0.0000
				19	0.0000	39	23.0428
20	30.3817	40	6.2100

步骤2：根据节点介数的值从大到小排列，将排在前r％的节点作为关键节点，其中r是根据整个复杂网络规模可调的一个参数，5≤r≤20，假设关键节点为m个，则关键节点集合V_k＝{v_k1,v_k2,...v_km}，其中v_k1表示介数最大的节点，以此类推；

结合图3的复杂网络实例，对节点介数的值从大到小排列，假设r＝20，我们前20％的节点(40*20％＝8)作为关键节点，如表2所示。

表2前8个关键节点的介数

序号	节点序号	节点介数
			1	1	609.7867
2	3	523.9625
			3	4	251.5571
4	5	217.3437
			5	9	155.5499
6	13	67.2664
			7	18	62.0889
8	6	54.0667

则，关键节点集合V_k＝{v_k1,v_k2,...v_k8}＝{v₁,v₃,v₄,v₅,v₉,v₁₃,v₁₈,v₆}。

步骤3：假设保护链路的总数为L条，其中将λL条保护链路用于建立关键链，剩余的(1-λ)L条保护链路用于建立关键平衡环，其中λ是一个可调参数，用来控制保护链路是用于建立关键平衡环或关键链，一般来说，0≤λ≤0.5。

例如，设置λ＝0.2，假设保护链路的总数为100条，则将20(λL＝0.2*100＝20)条保护链路用于建立关键链，剩余的80条保护链路用于建立关键平衡环。

设置可调参数λ是出于以下考虑：

(1)在可用于建立保护链路的资源较少且网络规模较大的情况下，只把少量的保护链路用来建立关键平衡环，并不在关键节点之间增加关键链。之所以如此增加保护链路，是因为在关键节点之间增加关键链虽然降低了其它关键节点的负载，较大幅度提高网络负载容错能力，但是它同时也较大幅度地增加这两个关键节点之间的介数，使这两个关键节点更容易拥塞，增加了级联失效的可能性，而把少量的冗余链接用于建立关键环，并不会增加任何关键节点的负担，实验模拟也显示了能更好地提高网络防御攻击的能力。

(2)在可用于建立保护链路的资源相对较多的情况下，根据节点介数值从大到小的排名，把排在前r％的节点作为关键节点，用相对较少的保护链路用来建立关键链，把剩余相对较多的保护链路用来建立关键平衡环。

因此，当保护链路的总数为L条较大时，λ越小，则用于建立关键链的保护链路λL越小，剩余的用于建立关键平衡环的保护链路(1-λ)L越多；相反，当保护链路总数较小时，可将λ设置的接近0，则几乎所有的保护链路都用来建立关键平衡环。

步骤4：利用λL条保护链路执行关键链建立过程，如图4所示，具体包括：

步骤4.1：对于关键节点集合V_k＝{v_k1,v_k2,...v_km}，确定在排名最后的x个关键节点之间增加关键链，其中x＝m-y+1；

步骤4.2：如果则在v_ki和v_kj之间增加一条关键链，即(v_ki,v_kj)∈E，分配一条保护链路；

步骤4.3：重复步骤4.2，直到关键节点集V_kx中的所有关键节点(v_ki,v_kj)对都检查过；

步骤4.4：判断是否所有λL条保护链路分配完成，如果是，则关键链建立过程结束；否则执行步骤4.5；

步骤4.5：将排名在x个关键节点之前的关键节点v_k(y-1)增加进来，检查新加入的关键节点v_k(y-1)与后x个关键节点之间是否存在关键链，如果不存在，则增加关键链，即分配保护链路；

步骤4.6：判断是否所有λL条保护链路分配完成，如果是，则关键链建立过程结束；否则继续增加排名靠前的一个关键节点，重复执行步骤4.5；

步骤4.7：至此，所有λL条保护链路分配完成，关键链建立过程结束。

步骤5：利用(1-λ)L条保护链路执行关键平衡环建立过程，具体包括：

步骤5.1：对于关键节点集合V_k＝{v_k1,v_k2,...v_km}，确定v_ki的关键环的个数R_i和最多能拥有的关键环的个数MR_i；

步骤5.2：对于关键节点v_ki∈V_k，使用条保护链路围绕该关键节点建立关键平衡环，具体为：确定该关键节点的所有邻居节点的度数，将度数值排名靠前的q个邻居节点作为关键节点v_ki的重要邻居节点集合，确定重要邻居节点之间是否存在关键平衡环，如果不存在，则在两个重要邻居节点之间增加保护链路，直到Lr_i条保护链路全部分配完毕或重要邻居节点之间均存在关键平衡环；

步骤5.3：重复步骤5.2，直到所有的关键节点建立关键平衡环过程结束，则整个关键平衡环建立过程结束，即所有(1-λ)L条保护链路分配给关键平衡环的过程完成。

步骤6：至此，面向关键节点保护链路增加的复杂网络防护方法完成，通过该方法，可提高复杂网络的防御与保护能力。

为了说明本发明的有效性，验证本发明增加保护链路策略对网络的防御与保护作用，选取了以下三种不同的增加保护链路方法与本发明方法进行了仿真实验对比。

(1)本发明建立关键平衡环和链的方法

(2)基于低度节点添加保护链路的方法

(3)基于高度节点添加保护链路的方法

(4)随机的添加保护链路的方法

仿真实验是基于BA无标度网络的，网络中总共有1500个节点，假设可以增加的保护链路数量限制在350条。

(1)实验1：从蓄意攻击下的网络最大连通系数(定义最大连通系数C为受攻击移除节点后的最大连通子图的节点数与最初网络的节点数之比)进行了实验模拟，最大连通系数常被用来评估网络在蓄意攻击下移除节点对网络的破坏大小。

针对以上四种不同增加保护链路方法，实验记录了最大连通系数和蓄意攻击移除节点比例之间的关系，并且重复试验10次，计算了最大连通系数的平均值，如图6所示。

从图6中容易看出在增加的保护链路数量一定的情况下，本发明提出的方法最能有效地减少蓄于攻击的破坏，随机添加保护链路的网络崩溃阈值大约是34％，在度较低的节点进行优先添加网络崩溃阈值大约是37％，基于高度节点增加方法网络崩溃阈值大约是41％，而本发明的方法网络的崩溃阈值是46％左右。可见，当网络接近崩溃的时候关键节点的重要邻节点之间的连接起着重要的作用，增加它们之间的连接能显著地提高网络的鲁棒性，我们也发现在度数较小的节点添加链路并不能很好地提高网络的鲁棒性，原因是当网络受到蓄意攻击时，增加的保护链路并不能很好地连通整个网络。

(2)实验2：仿真实验了在增加不同的保护链路数情况下网络效率的情况。网络效率是反映复杂网络通信能力大小的特征量，网络效率高意味着较高的传输效率，网络级联失效的可能就会降低。通过这个实验可测试本发明的方法在提高网络通信能力方面的效率。仿真实验得出的增加保护链路数与网络效率的关系如图7所示。

从图7可以看出，本发明的方法在提高网络通信能力方面也显示了较好的效果，基于低度节点和随机添加方法相对较差，说明这两种方法并不能很好的改善网络中节点间的最短路径，而关键节点本身通过的流量相对较多，基于它们添加保护链路，能最大限度的提高网络的通信能力，缓解关键节点的拥塞。从图中还可以看出，基于高度节点添加方法，从增加的链路数超过200条后就逐渐趋于稳定，这说明当在高度节点之间增加到一定数量后，再增加链路对网络通信能力的影响会相对较小，而此时本发明的方法建立关键平衡环，在提高网络效率方面还有较大的空间。

由此可见，本发明通过围绕关键节点建立关键平衡环和关键链，不但直接分流了关键节点流量，而且提高了网络的可靠性和网络效率，最终使网络起到了较好的防御蓄意攻击的能力，达到了预期目的。

Claims (1)

1.一种面向关键节点保护链路增加的复杂网络防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用复杂网络节点介数确定方法确定复杂网络G＝(V,E)中所有节点介数，其中V表示节点集合，E表示边集合；

步骤2、根据节点介数的值将节点从大到小排列，将排在前r％的节点作为关键节点，其中r是根据整个复杂网络规模确定的参数，5≤r≤20，设关键节点为m个，则关键节点集合V_k＝{v_k1,v_k2,...v_km}，其中v_k1表示介数最大的节点，以此类推；

步骤3、设保护链路的总数为L条，其中将λL条保护链路用于建立关键链，剩余的(1-λ)L条保护链路用于建立关键平衡环，其中λ是比例参数，0≤λ≤0.5，用来控制保护链路是用于建立关键平衡环或关键链；

步骤4、利用λL条保护链路建立关键链；具体包括以下步骤：

步骤4-1、对于关键节点集合V_k＝{v_k1,v_k2,...v_km}，确定在排名最后的x个关键节点之间增加关键链，其中x＝m-y+1；

步骤4-2、对任意的两个关键节点v_ki,v_kj∈V_kx，如果则在v_ki和v_kj之间增加一条关键链，即(v_ki,v_kj)∈E，分配一条保护链路；

步骤4-3、重复步骤4-2，直到关键节点集V_kx中的所有关键节点(v_ki,v_kj)对都检查过；

步骤4-4、判断是否所有λL条保护链路分配完成，如果是，则关键链建立过程结束；否则执行步骤4-5；

步骤4-5、将排名在x个关键节点之前的关键节点v_k(y-1)增加进来，检查新加入的关键节点v_k(y-1)与后x个关键节点之间是否存在关键链，如果不存在，则增加关键链，即分配保护链路；否则不处理；

步骤4-6、判断是否所有λL条保护链路分配完成，如果是，所有λL条保护链路分配完成，关键链建立过程结束；否则继续增加在上次新加入关键节点之前的一个关键节点，重复执行步骤4-5；

步骤5、利用(1-λ)L条保护链路建立关键平衡环；完成面向关键节点保护链路增加的复杂网络防护方法；具体包括以下步骤：

步骤5-1、在关键节点集合V_k＝{v_k1,v_k2,...v_km}中，确定每一个关键节点v_ki的关键环的个数R_i和最多能拥有的关键环的个数MR_i；

步骤5-2、对于关键节点v_ki∈V_k，使用条保护链路围绕该关键节点建立关键平衡环，具体为：确定该关键节点的所有邻居节点的度数，将度数值排列靠前的q个邻居节点作为关键节点v_ki的重要邻居节点集合，所述1≤q≤10，确定重要邻居节点之间是否存在关键平衡环，如果不存在，则在两个重要邻居节点之间增加保护链路，直到Lr_i条保护链路全部分配完毕或重要邻居节点之间均存在关键平衡环；

步骤5-3、重复步骤5-2，直到所有的关键节点建立关键平衡环过程结束，则整个关键平衡环建立过程结束，即所有(1-λ)L条保护链路分配给关键平衡环的过程完成。