复杂网络上的几个信息安全问题研究

摘要

现实世界中的许多复杂系统都可以用网络的形式来描述，其中个体代表网络节点，个体之间的关系用网络的边表示。随机网络过去一直被很多学者认为是描述真实系统最适宜的网络。随着信息时代的到来，人们可以很容易获得大量网络数据并使用高级计算工具分析网络，从而有了“小世界”和“无标度”这两个有重要突破的网络模型。自此，复杂网络引起了国内外学者的广泛关注，已成为物理、数学、信息技术、生物学以及社会学的研究热点。信息科技领域中的许多复杂系统也可以用网络来表示，如Internet是由不同的计算机通过通信介质(如光缆等)相互连接形成的网络；万维网可以看作是不同网页之间通过超链接形成的网络；无线传感器网络是以传感器为节点，传感器之间的信息传递关系为边的通讯网络。这些系统对应的网络统称为信息技术网络。复杂网络为研究这些系统提供了前所未有的机遇。信息安全旨在保护信息网络的硬件、软件及其系统中的数据不受到恶意破坏。可以用复杂网络理论来研究的信息安全问题包括计算机网络上的病毒、蠕虫传播与免疫，Internet网络的攻击与防御、基于Email网络的垃圾邮件分类等。
　　 本文在讨论复杂网络理论以及各种信息技术网络的基础上，主要对信息网络的攻击与防御，Email网络的模块结构(modular structure)分析以及Email网络上的病毒传播与免疫三方面进行了较为系统的研究。所得到的主要成果包括：(1)提出了一组新的基于瓶颈点的信息网络攻击与防御策略，并在一般无标度网络、模块化无标度网络和两个真实的Internet网络上进行仿真实验。结果表明，新定义的攻击策略比传统的中枢点攻击能更好地发现节点的重要性和网络的脆弱点。在所有类型的网络上，中枢-瓶颈点最重要，而不是像传统的认识那样“所有中枢点都重要”。相反地，对中枢-非瓶颈点进行攻击对网络效率几乎没有什么影响。实验结果还揭示了瓶颈点在模块化无标度网络中的重要作用。这些结论从理论上完善了人们对中枢节点的认识，在实际应用上对保护计算机网络、通讯网络等各种信息技术系统提供了有用的启示；(2)将信息论聚类方法(information-theoretic clustering)引入到Email网络的模块结构分析中，并比较了不同的网络数据表示对该方法的影响。在模拟网络集、已知模块结构的真实网络和真实Email网络上的仿真实验结果表明，该方法对不同的网络数据表示方法非常鲁棒，在Email用户类的聚类方面可以达到比现有方法更高的分类率，能更好地反映Email网络的自相似性；(3)建立了一个新的Email网络上的病毒传播模型。与现有模型不同的是，该模型属于离散动态模型，考虑了病毒的消亡与动态免疫，因而该模型所模拟的病毒传播过程更符合实际。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1复杂系统与复杂网络

1.2信息技术网络研究简介

1.2.1 Internet网络

1.2.2 Email网络

1.3基于网络的信息安全问题

1.3.1信息技术网络的攻击与防御

1.3.2 Email网络结构与垃圾邮件过滤

1.3.3 Internet上的病毒传播与控制

1.4本文的主要研究工作及内容安排

第2章基于瓶颈点的信息网络攻击与防御

2.1问题表述

2.2网络模型

2.3基于瓶颈点的攻击与防御策略

2.4网络功能评价标准

2.5.仿真实验及结果分析

2.5.1一般无标度网络

2.5.2模块化无标度网络

2.5.3 Internet网络

2.6本章小结

第3章Email网络的模块结构分析

3.1 Email网络的结构性质

3.2网络的数据表示

3.3基于信息论聚类的Email网络分析

3.4评价标准

3.5.仿真实验及结果分析

3.5.1模拟网络测试集

3.5.2已知模块结构的真实网络

3.5.3大规模的Email网络

3.6.本章小结

第4章Email网络上的病毒传播与免疫

4.1 Email网络与计算机病毒

4.2 Email网络上的病毒传播模型

4.3一个新的离散型Email病毒传播模型

4.4本章小结

第5章结论与展望

5.1研究工作总结

5.2未来研究计划

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文