计算机光盘软件与应用 ２０１１年第１３期 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ＣＤ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 工程技术 计算机网络行为的复杂性理论研究 杨静惠 （厦门警备区，福建厦门 ３６１００３） 摘要：在信息时代的大背景下，计算机网络行为越来越复杂，传统的研究计算机网络行为的方法已难适应大规模的 计算机网络。为更好地管理和控制复杂的计算机网络，提高网络服务的质量，将复杂性理论应用于计算机网络行为的研究， 探索出一种复杂网络行为研究新方法。分析计算机网络行为研究的传统方法之不足，阐明复杂性理论应用于计算机网络行 为研究的有效性，并概述其发展现状，以及指明其广泛的应用前景。 关键词：计算机网络；网络行为；复杂性理论 中田分类号：ＴＰ３９３ 文献标识码：Ａ 文章鳊号：１００７－９５９９（２０１１）１３－００７７—０２ Ｔｈｅ Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ Ｔｈｅｏｒｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｙａｎｇ Ｊｉｎｇｈｕｉ （Ｘｉａｍｅｎ Ｇａｒｒｉｓｏｎ，Ｘｉａｍｅｎ ３６１ ００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｘｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｇｅ，ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｉ衔ｃｕｌｔ ｔｏ ａｄａｐｔ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｌａｒｇｅ．ｓｃａｌｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｂｅｔｔｅｒ ｍａｎａｇｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｅｒｖｉｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ，ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．ｅｘｐｌｏｒｅ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｎｅｔｗｏｒｋ ｂｅｈａｖｉｏｒ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｌａｃｋ ｔｈｅ ｒｔａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ．ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ ｉＳ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｌａｒｉｆｙ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｒ ｎｅｔｅｗｏｒｋｓ ａｎｄ ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ０ｆ ｉｔｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ，ｎｄ ａｔｏ ｓｐｃｃｉ ｉｔｓ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；Ｎｅｔｗｏｒｋ ｂｅｈａｖｉｏｒ；Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ 引言 将复杂性理论应用于现今的复杂计算机网络行为研究之中， 当今的计算机网络异常复杂，运行时的动态变化规律成超分 可从计算机网络系统的宏观上研究和分析其网络行为特性，该领 一、布、超并行、超复杂性质。计算机网络行为研究的对象正是这种 动态变化规律，具体研究对象有：拓扑结构的动态变化、传输性 能动态演化、网络安全、故障诊断、以及动态网络流量等。建立 或优化出具有更高性能的计算机网络，在巨量用户的情况下，依 然能保证高质量服务。故，研究计算机网络行为具有重要的意义。 传统的计算机网络行为分析方法的基础理论大多为“还原论” 思想，一定程度不适合当今复杂计算机网络行为研究的发展需求。 基于传统计算机网络行为研究方法的缺陷，将复杂性理论应用于 计算机网络行为研究之中，为探索复杂网络行为研究方法提供新 思路。复杂性理论是一种基于非线性、动态、复杂系统的理论， 其是解决系统整体性的新方法。故在研究计算机网络宏观行为特 性时，复杂性理论有其巨大优势。 二、传统计算机网络行为研究 传统的计算机网络行为分析方法的基础理论大多为“还原论” 思想，一定程度不能较全面地当今复杂计算机网络行为研究的发 展需求，其局限主要表现在以下几个方面： １．传统的计算机网络中的采样和测量理论已不适用于现在复 杂背景下的计算机网络。 ２．复杂计算机网络中的宏观可靠性的研究甚少。 ３．复杂计算机网络中的安全行和宏观安全监控理论缺乏。 ４．传统的阵列新能评估理论不能处理长程相关条件下的性能 评估。 ５．复杂计算机网络拓扑图状态分析理论甚少。 ６．复杂计算机网络中时常发生异常大流量，对这种显现的研 究和处理理论甚少，而传统的Ｐｏｉｓｓｏｎ和Ｍａｒｋｏｖ理论不能准确刻 画，故，需要新的数学理论对其进行研究。 ７．研究复杂计算机网络中的流量实时测量和监控理论较少。 域的研究能突破传统算法的一些局限，更好地建设出和优化现今 的计算机网络结构，保证服务质量。 复杂性理论主要包括：混沌学、分形学、自组织学、以及复 杂网络学等，是一种新型的交叉科学： １．混沌是非线性系统中，貌似随机运动的复杂现象，各个科 学领域，包括计算机网络中，存在大量的混沌现象，其主要特征 包括有界性、遍历性、不可预测性、分为性、普适性等。 ２．分形所描述的一个粗糙或零碎的几何形状，可以分成多个 部分，且每一部分都是体缩小尺寸的形状，即自相似性。由于其 由非线性、非平衡过程所产生，故其具有非周期、无规则的自相 似特征。 ３．自组织是一种系统的自我调节的过程，为整个系统自我生 存、寻求适应性、创造性的行为。各种内在因素相互影响，使复 杂系统能够自动地变换成“自组织临界状态”，此时，系统的时空 动力学行为不再具有特征时间和特征空间尺度，而是时空关联（满 足幂定律分布），如果越过该临界状态，系统会产生复杂的相变现 象。 复杂计算机网络行为的复杂性是宏观的，包括行为复杂、功 能复杂、结构复杂等各个方面。而复杂性理论的自组织性、临界 性、自相似性、非线性等鲜明特征正好符合研究复杂计算机网络 行为的各种特征。 四、计算机网络行为的复杂性理论发展 由于复杂性理论的特性适用于研究复杂计算机网络行为，故 国内外很多学者对将复杂性理论应用于网络行为研究感兴趣，并 取得了一些成果。 在计算机网络流量行为研究方面，ＷＥ Ｌｅｌａｎｄ等人于１９９４年 发现实际的计算机网络流量符合自相似特性，而并不符合传统的 然而，现今的计算机网络发展迅猛，已经深入人们生活的各 ｐｏｉｓｓｏｎ分步布，这表明传统的ｐｏｉｓｓｏｎ、马尔科夫流、自回归等 分析手段不在适用，后来进过大量学者深入研究，建立了一系列 个领域，故，探索新的方法，来研究复杂计算机网络行的方法， 以提高网络服务质量，因此其具有重要的理论意义和实用价值。 流量模型，比如报酬模型、无限源Ｐｏｉｓｓｏｎ模型、ＥｄＰＰ模型、Ｏｎ／Ｏｆｆ 模型等。 三、复杂性理论 在网络拓扑行为研究方面，研究成果表明实际的计算机网络 复杂性理论被誉为“二十一世纪的科学”，作为一种介于相对 （下转第７４页） 论和量子力学之间的新科学研究工具。 一７７一 计算机光盘软件与应用 工程技术 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ＣＤ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ Ａｐｐｌ ｉｃａｔ ｉｏｎｓ ２０１１年第１３期 键盘是一组开关（或称按键）的组合。人们通过它往计算机 输入信息。通常每个按键对应Ｉ／ｏ端口的一位，在没有任何键按 下（即断开）时，各Ｉ／Ｏ端口电平处于某个状态。当有一个键按 下（闭合）时，就使对应位电平发生变化。而其它位电平保持不 变。单片机系统只要读到某一位的特殊电平，就可以判别出对应 键已按下。 显示当前的温度，最后调用报警程序以实现超上下限声光报警功 能。 ４．显示模块的设计 （１）显示模块电路设计。由于要显示的温度数据精度要求为 ０．ｉ，测温范围为Ｏ－ｉ００度，所以采用４位八段数码管显示。采用 动态显示方法，将四个数码管的段选线并联在一起使用，实现多 路复用。采用共阴极八段ＬＥＤ数码管显示，各个二极管阳极分别 通过锁存器７４ＬＳ３７３接到单片机Ｐ２口的八个引脚上。考虑到要实 现分时选通，同时要驱动数码管显示，采用ＭＣ１４１３反向驱动器。 （２）报警模块及支持电路设计。报警模块主要实现当前温度 值超过设定的上限值或者低于下限值时，实现声光报警功能，采 用蜂鸣器和一个ＬＥＤ灯进行报警，电路实现比较简单，主要是三 极管驱动蜂鸣器，接到外部中断引脚ＩＮＴＩ。 支持电路主要包括电源、串口通信模块（实现程序下载）。 ＭＣＳ一５１单片机串行口的输入输出电平均为ＴＴＬ电平，由于ＴＴＬ电平 与ＲＳ２３２电平互不兼容，所以两者接口时必须进行电平转换。采用 ￣Ｘ２３２进行电平转换。 三、系统软件实现 （一）系统的软件设计 系统的软件设计主要先进行模块程序的设计，再编写主程序， 现在为了便于叙述，笔者先介绍系统主程序流程，再对各模块程 序进行介绍。 程序开始运行后，首先检测所设置的温度设定中断标志ＩＮＴＥＲ 的值，若有键盘中断，也就是在进行温度上下限的设定，则显示 上下限的设定温度，同时清除报警；若没有中断，则正常调用模 数转换模块程序，对转换后的数字信号进行处理，调用显示程序 （上接第７７页） 并不是一个随机网络系统，而是一种具有小世界特征和无尺度特 征的复杂网络，其节点度服从幂律分。欲研究计算机网络的拓扑 行为，就必须先着手建立有效的网络拓扑模型，随着学者深入研 究，提出了比如ＷＳ模型、ＢＡ模型、局部演化模型等网络拓扑演 化模型，及针对网络的鲁棒和脆弱性，提出的ＨＯＴ模型等。 在将混沌学引入到计算机网络行为研究中的方面，研究发现 计算机网络中普遍存在一种貌似随机的现象，其具有混沌的各种 特性。为引导这种混沌现象向好的方面发展，学者陈关荣等人在 详细分析了计算机网络流量控制系统中的混沌现象之后，将将混 沌控制方法引入到网络流量控制当中，另外，国内外一些学者探 索试将混沌最大Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数、以及相空间重构技术引入到计算 机网络流量行为研究和分析领域，获得了一些成果。 五、展望 （二）软件功能模块的设计 对于软件模块主要包括对应于各硬件功能模块的程序，在硬 件的基础上实现相应的功能，如：键盘扫描程序、数据显示程序、 报警程序以及模数转化程序等。在设计各个模块程序时要注意设 计模块程序的入口、出口，以便于在将来主程序调用时方便、简 单，容易结合成为一个整体。 （－－）系统软件实现难点及解决方法 Ｉ．精度控制。本次基于单片机的数字温度计设计的设计目标 精度为０．１。系统实现过程中将温度数字信号除以４（应为４．１，便 于计算使用４），这样得到的是三位整数数字，显示时，将小数点 点在十位数数码管上，这样就实现了精度为０．１的精度控制。 ２．数制转化。ＡＤＳ７８１６转化出来的数字为２进￥￣Ｊ１２位数字，要 将其转化为ｌＯ进制数字处理后，才能将其利用。 ３．抗干扰问题。一般在单片机应用系统的输入信号中，均含 有种种噪声和干扰，它们来自被测信号源本身、传感器、外界干 扰等。为进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干 扰。 ４．数值溢出问题。在上述取平均值解决温度数据显示不稳定 问题时，将１００个温度数据的值取和，这样得到的数据最大可以达 ￣４０９６００（１２位模数转换器输出值最大为４０９６），而采用２个内存 单元最大可以实现１６位２进制数字，仅可以达￣６５５３６，所以会出 现溢出问题。 四、结论 本系统是用ＰＲＯＴＥＬ９９和ＷＡＶＥ６０００作为开发工具，基于ＭＣＳ－５１ 单片机的数字温度计系统，它具有以下特点： Ｉ．精确度高，达到Ｏ．１摄氏度。 ２．可以按键设定上下限温度值，实现超上下限声光报警功能。 ３．采用单片机作为核心，功耗较低。 ２１世纪的信息化将给人来带来巨大财富，计算机网络行为的 研究具有重要的价值，而计算机网络行为研究中的复杂性理论研 究将为其提供一种新方法。在此，针对实际计算机网络的复杂性 特点，总结了传统网络行为分析方法的缺陷，并综述了计算机网 络行为研究中的复杂性理论研究现状，指明其在管理和控制复杂 计算机网络方和提高网络服务的质量方面取得的效果，总结了复 杂性理论应用于计算机网络行为研究的有效性，并阐述该理论研 究的重要意义，以及其广阔的发展前景和应用潜力。 参考文献： ［１］戴汝为，操龙兵．Ｉｎｔｅｍｅｒ一个开放的复杂巨系统卟中国科 学（Ｅ辑），２００３，３３（４）：２８９－２９６ 【２］霞崔，李耀东．复杂网络与一类开放的复杂巨系统的探讨Ⅱ】． 复杂系统与复杂性科学，２００４，１（１）：７８—８１ Ｄ］ＷＥ Ｌｅｌａｎｄ，Ｍ Ｔａｑｑｕ，Ｗ Ｗｉｌｌｉｎｇｅｒ．Ｏｎ ｔｈｅ Ｓｅｌｆ－Ｓｉｍｉｌａｒ Ｎａｔｕｒｅ ｏｆＥｔｈｅｍｅｔ Ｔｒａｉｃｆ （Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｖｅｒｓｉｏｎ）．ＥＥＥ／ＡＣＭ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ Ｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，１９９４，２（２）：１—１５ ［４１Ａ Ｅｎａｒｍｉｌｌｉ，Ｍ Ｒｏｕｇｈａｎ，Ｄ Ｖｅｉｔｅｈ，ｅｔａ１．Ｓｅｆｒ－Ｓｉｍｉｌａｒ Ｔｒａｉｃｆ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｄｙｎａｍｉ—ＣＳ．Ｐｒｏｅ ｏｆＴｈｅ ＩＥＥＥ。１９９５，９０（５）：８００—８１９ 【５］ｖ Ｐａｘｓｏｎ，Ｓ Ｆｌｏｙｄ．Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｔｒａｉｃ：ｆＴｈｅ Ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ Ｐｏｓｓｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ．ＩＥＥＥ／ＡＣＭ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｌｌ 将复杂性理论引入计算机网络行为研究，虽然取得了丰硕的 成果，但也存在一些尚待解决的问题。现今的计算机网络越来越 复杂、有其符合复杂性理论的特性，且复杂性理论的研究比较成 熟。 在计算机网络拓扑机构研究方面，网络拓扑演化行为具有动 力学、非线性、自组织性等，而将复杂性理论的自组织学、混沌 学、分形学、拓扑学等领域研究成果引入计算机网络拓扑研究尚 不充分，且更具具体的实际计算机网络特点结合复杂性理论进行 研究也尚待探索。同样，在计算机网络流量行为研究方面，针对 网络流量的混沌、自相似等特性，结合混沌理论、分形理论等， 全面阐述网络流量行为的特点动态变化形式，并对计算机网络流 量进行有效建模，支持其特征参数，为给出有效的控制方法奠定 基础、以及为计算机网络安全防范、稳定运行等方面提供理论前 提。 六、结论 Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ．１９９５，３（３）：２２６—２４４ ［６］Ｂ Ｔｓｙｂｏｋｏ，Ｎ Ｇｅｏｒｇａｎａｓ．Ｏｎ ｓｅｌｆ－ｓｉｍｉｌｒ响伍ｃａ ｉｎ ａｔ／Ｔｌ ｑｕｅｕｅｓ： ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ，Ｏｖｅｒｆｌｏｗ ｐｒｏｂａｉｌｉｔｙ ｂｏｕｎｄ ａｎｄ ｃｅｌｌ ｄｅｌａｙ￣ｓｔｆｉｂｕｆｉｏ— ｎ．ＩＥＥＥ／ＡＣＭ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，１９９７，５（３）：３９７—４０９ ［７】顾冠群，沈苏彬，顾伯营等．未来计算机网络和下一代网研究 的核心问题【Ｉ】．武汉理工大学学报（信息与管理工程 版），２００２，２４（４）：１—５ 【８】顾冠群，沈苏彬，顾伯营等．新一代高性自断汁算机网络Ⅱ】．东 南大学学报（自然科学版），２００２，３２（３）：３０１—３０９ ．．——７４．．——
