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本篇節選自論文《網絡空間用戶行爲的複雜(zá)網絡特性研究》

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今天推薦文章的作者是中(zhōng)國電(diàn)子科學研究院專家姜亞文。本文節選自論文《網絡空間用戶行爲的複雜(zá)網絡特征研究》，發表在《中(zhōng)國電(diàn)子科學院學報》2018年第1期。12，第 5 期。

摘要：網絡用戶行爲與網絡空間安全的關系十分(fēn)密切。作爲網絡空間安全事件的發起者和傳播者，網絡用戶的行爲特征直接或間接地爲網絡空間安全事件的發生(shēng)和傳播提供了條件和途徑。首先闡述了網絡空間用戶行爲的概念，然後介紹了複雜(zá)網絡的基本理論，包括複雜(zá)網絡的典型特征。借助複雜(zá)網絡的基本思想，将網絡空間中(zhōng)的用戶行爲抽象爲複雜(zá)網絡模型，根據複雜(zá)網絡的幾個特點，研究網絡空間中(zhōng)用戶的行爲特征。

關鍵詞：複雜(zá)網絡；無标度；模塊化；小(xiǎo)世界

介紹

賽博空間是陸地、海洋、空中(zhōng)和天空之外(wài)的第五維空間。它以“信息”和對“信息”的控制爲主要對象，通過人類的認知(zhī)和行爲實現對“信息”的産生(shēng)、存儲、修改、交換和控制。使用和控制。網絡空間用戶行爲與網絡空間安全密切相關。作爲網絡空間安全事件的發起者和傳播者，網絡空間用戶的行爲特征直接或間接地爲網絡空間安全事件的發生(shēng)和傳播提供了條件和途徑。

複雜(zá)網絡理論作爲近年來興起的複雜(zá)性科學的重要組成部分(fēn)，在自然界、人類社會、商(shāng)業活動等各個方面都顯示出其基本特征和重要成果。現實世界中(zhōng)一(yī)些實體(tǐ)之間可能存在某種聯系，大(dà)規模連接的實體(tǐ)聚集在一(yī)起。随着研究人員(yuán)對複雜(zá)網絡研究的不斷深入，人們越來越多地從網絡的角度思考問題，從網絡的角度理解周圍的世界。與傳統的随機網絡不同，複雜(zá)網絡具有“小(xiǎo)世界[1]”、“無尺度[2]”、“模塊[3]”、“分(fēn)層[3]”、“有向加權[4]”等特點。

本文借助複雜(zá)網絡的基本思想，将網絡空間中(zhōng)用戶的行爲抽象爲複雜(zá)網絡模型，根據複雜(zá)網絡的幾個特點，研究用戶在網絡空間中(zhōng)的行爲特征。實例驗證表明，網絡空間用戶行爲的複雜(zá)網絡模型能夠反映用戶在網絡空間的行爲。獲得了複雜(zá)網絡的典型特征，爲後續使用複雜(zá)網絡研究工(gōng)具和方法來衡量和評估用戶在網絡空間中(zhōng)的行爲提供依據。

1 網絡空間中(zhōng)的用戶行爲

與現實社會中(zhōng)人們的社會行爲相對應，本文将發生(shēng)在網絡空間的行爲稱爲網絡空間的用戶行爲。

網絡空間中(zhōng)的用戶行爲伴随着技術，一(yī)個可能的定義是：行爲主體(tǐ)利用計算機網絡應用程序和協議作爲手段和方法來實現特定目标的有意識的活動。其中(zhōng)，各種網絡應用是用戶進行網絡行爲最直接的載體(tǐ)，網絡協議是用戶進行網絡行爲的工(gōng)具。兩者都能充分(fēn)體(tǐ)現用戶訪問網絡的目的和方式。使用的網絡資(zī)源和使用的具體(tǐ)網絡協議統稱爲網絡空間中(zhōng)的用戶行爲[5]。

網絡空間用戶行爲分(fēn)析就是分(fēn)析網絡用戶在網絡應用過程中(zhōng)的行爲特征、構成和規律。根據不同的研究目的和對象的數量，網絡空間中(zhōng)的用戶行爲大(dà)緻可以分(fēn)爲兩類：個體(tǐ)自主行爲和用戶群體(tǐ)行爲。

本文重點研究個體(tǐ)自主行爲的複雜(zá)網絡特征。由于用戶群是由網絡空間中(zhōng)的多個相互關聯的用戶組成的，個體(tǐ)自主行爲的複雜(zá)網絡特征也适用于用戶群中(zhōng)多個用戶的行爲模式和規律。因此，涉及用戶群體(tǐ)行爲的複雜(zá)網絡特征，本文不再贅述。

2 複雜(zá)網絡特征

近年來，複雜(zá)網絡的研究逐漸成爲研究人員(yuán)的熱點。大(dà)量研究發現，複雜(zá)網絡除了具有複雜(zá)的内部結構和結構特征外(wài)，還具有許多不同于傳統随機網絡的特殊性。如小(xiǎo)世界特征[1]、無标度[2]、模塊化[3]、層次[3]、方向權重[4]等。

2.1 複雜(zá)網絡的小(xiǎo)世界性質

小(xiǎo)世界網絡[1]（圖1）最早由Watts提出并在1998年發表在《》雜(zá)志(zhì)上的一(yī)篇論文中(zhōng)，被稱爲小(xiǎo)世界網絡。現實世界中(zhōng)的很多網絡都有這樣一(yī)個特點：雖然網絡中(zhōng)節點和邊的規模很大(dà)，但是任意兩個節點都可以通過有限的步數到達。這種特性稱爲小(xiǎo)世界效應。

越來越多的研究表明，現實世界中(zhōng)的許多網絡都具有小(xiǎo)世界效應。1967年，美國社會學家在《今日心理學》雜(zá)志(zhì)上提出了著名的六度分(fēn)離(lí)定理：通過中(zhōng)間最多5個人，你可以與世界上任何人取得聯系。大(dà)量經驗證據表明，現實中(zhōng)的許多真實網絡都表現出最小(xiǎo)的最短平均路徑和較大(dà)的聚合系數，而常規網絡和随機網絡理論則不具備這些特點。Watts 提出的小(xiǎo)世界網絡生(shēng)成模型很好地滿足了該模型可以構建平均路徑更小(xiǎo)、聚類系數更大(dà)的小(xiǎo)世界網絡的性質。

圖1 小(xiǎo)世界網絡[1]

2.2 複雜(zá)網絡的無标度性質

傳統随機網絡和正則網絡中(zhōng)節點的度分(fēn)布呈鍾形，即泊松分(fēn)布（圖2）。它們之間有尺度。此時節點度的平均值就是節點度分(fēn)布的特征尺度，具有特征尺度的網絡稱爲尺度網絡。無标度網絡 [2] 由 1999 年首次提出并發表，

它也被稱爲無标度網絡或BA網絡。越來越多的研究發現，無标度網絡不具備标度網絡的特征尺度，無标度網絡中(zhōng)節點的度數分(fēn)布服從幂律分(fēn)布（圖3）：大(dà)多數節點的度數較小(xiǎo), 幾個節點的度數很大(dà)。現實世界中(zhōng)的很多複雜(zá)網絡，如論文引用網絡、社會關系網絡、生(shēng)物(wù)信息網絡、新陳代謝網絡等，都具有幂律分(fēn)布的特點，而且複雜(zá)網絡的節點是異構的，所以這個特點也被稱爲作爲複雜(zá)網絡的無标度性質。

圖2 泊松分(fēn)布示意圖

圖3 幂律分(fēn)布示意圖

2.3 複雜(zá)網絡的模塊化特征

在複雜(zá)網絡的許多基本統計屬性中(zhōng)，模塊化是最重要和最常見的屬性之一(yī)。複雜(zá)網絡的模塊化是指在複雜(zá)網絡中(zhōng)存在一(yī)個社區結構（ ），同一(yī)社區内的節點之間連接密集，不同社區内的節點之間連接稀疏，如圖4所示。在很多實際系統中(zhōng)現實世界中(zhōng)，不同的社區可能代表不同的含義。例如，在生(shēng)物(wù)系統中(zhōng)，一(yī)個社區可能代表一(yī)個組織的一(yī)個功能單元；在生(shēng)态系統中(zhōng)，一(yī)個群落可以代表一(yī)個生(shēng)态子系統；在社會學系統中(zhōng)，一(yī)個社區可能代表受某種社會因素影響的一(yī)類人或一(yī)個群體(tǐ)。

圖 4 複雜(zá)網絡的模塊化 [3]

在現實世界的網絡社區結構中(zhōng)，相互分(fēn)離(lí)的社區很少出現，而且大(dà)多存在“重疊”的現象，如圖5[7]所示，即存在一(yī)些重疊的節點屬于多個社區同時進行。. 在各種實際網絡中(zhōng)，這樣的重疊節點起着極其重要的作用。例如，在人類疾病傳播網絡和計算機病毒傳播網絡中(zhōng)，重疊的節點在病毒傳播過程中(zhōng)起到樞紐和鏈接的作用；在人類社會進行商(shāng)品交易和貨币流通的過程中(zhōng)，網絡中(zhōng)重疊的節點也經常起到流通和交易之間的紐帶作用。

圖 5 在線社區的重疊[7]

2.4 複雜(zá)網絡的層次性質

複雜(zá)網絡的社區結構揭示了複雜(zá)網絡節點的模塊化特征，模塊之間的存在形式可能是多種多樣的，如圖6[8]所示，它代表了模塊之間的層次特征。現實世界中(zhōng)的許多網絡都有分(fēn)層的社區結構。例如，在生(shēng)物(wù)蛋白(bái)質網絡中(zhōng)，這種分(fēn)級群落結構在新陳代謝中(zhōng)起着關鍵作用。研究和發現這些關鍵部位可以促進人類疾病的研究和發展。開(kāi)發新藥。

圖 6 在線社區的層次結構[8]

2.5 複雜(zá)網絡的有向加權特性

現實世界的網絡往往不是簡單的無向無權網絡，因爲網絡中(zhōng)的邊可能是有方向的，同時不同邊的權重也可能不同，所以這種網絡稱爲有向加權網絡（圖 7 [9]）。例如，在博客網絡中(zhōng)，網絡中(zhōng)的每個節點代表一(yī)個用戶，節點之間的邊代表博客用戶之間的鏈接。因爲鏈接是有向的，所以博客網絡是有向網絡；此外(wài)，研究人員(yuán)發現，現實世界網絡中(zhōng)的邊權重對網絡的影響不容忽視。具有權重的網絡可以更好地反映網絡的本質結構特征。例如，在在線聊天網絡中(zhōng)，網絡的節點代表用戶，節點之間的邊代表用戶之間的聊天行爲。由于聊天雙方的聊天時間和頻(pín)率不同，爲了描述這種差異，引入了邊的權重，它是相對于失重網絡而言的。，加權網絡的權重保留了網絡的很多固有信息，同時對網絡的其他特性（如模塊化）也有很大(dà)的影響。

圖 7 有向加權網絡 [9]

3 網絡用戶行爲的複雜(zá)網絡特征

本節将網絡空間用戶的行爲抽象爲一(yī)個複雜(zá)的網絡模型，結合上述複雜(zá)網絡的特征，研究網絡空間用戶的行爲特征。

3.1 網民行爲的小(xiǎo)世界

以網絡用戶單擊網頁中(zhōng)的網絡鏈接爲例。首先，萬維網被抽象爲一(yī)個巨大(dà)的虛拟網絡，網頁被抽象爲網絡中(zhōng)的節點。網頁包含新聞、電(diàn)影、圖片、菜單、文檔和指向另一(yī)個網頁的鏈接等内容；網頁之間的鏈接（統一(yī)的資(zī)源定位器URL）被抽象爲網絡中(zhōng)的邊緣，通過這些鏈接（邊緣），用戶可以通過點擊鼠标訪問網絡中(zhōng)的任何網頁。這将網頁上的所有内容組織成一(yī)個巨大(dà)的網絡。

在他的書(shū) Links - The New of [10] 中(zhōng)仔細研究了上述巨型網絡中(zhōng)任意兩個文檔之間的距離(lí)。研究發現，網頁之間的平均距離(lí)與網絡的大(dà)小(xiǎo)不匹配，網頁平均距離(lí)的增加遠慢(màn)于網絡大(dà)小(xiǎo)的增加。他們遵循一(yī)個簡單的公式[10]：

(1)

其中(zhōng) N 是網絡中(zhōng)的節點數網絡聊天室模塊設計，d 是平均網頁間距。從上式可以看出，網頁的平均間隔與網絡節點數的對數成正比。因此，在大(dà)型網絡中(zhōng)，雖然節點可以達到數十億規模，但節點之間的間隔遠小(xiǎo)于節點總數，呈現出明顯的小(xiǎo)世界。

3.2 網絡用戶行爲的無标度

以網絡用戶發送電(diàn)子郵件爲例。 在他的另一(yī)本書(shū)“: New in the Age of Big Data”[11] 中(zhōng)研究并闡述了他自己和其他用戶的電(diàn)子郵件模型。研究發現，“所有人的電(diàn)子郵件都不符合泊松過程所描述的那種幹巴巴的抛硬币節奏。取而代之的是，每個用戶的電(diàn)子郵件模型都與我(wǒ)的相似——它們充滿了爆發，就像夏末的暴風雨天氣一(yī)樣，在電(diàn)子郵件的轟炸之後總會有很長一(yī)段時間的沉默[11]”。換句話(huà)說，所有電(diàn)子郵件模型都遵循幂律分(fēn)布。此外(wài)，一(yī)些研究發現，不僅是電(diàn)子郵件模型，網民在互聯網上點擊鏈接的行爲也符合幂律分(fēn)布，因爲當網民浏覽自己喜歡的網頁時，他們永遠不會每小(xiǎo)時或每分(fēn)鍾點擊一(yī)次，但是一(yī)旦他們進入該頁面，他們就會用力點擊，然後他們會離(lí)開(kāi)數小(xiǎo)時或數天，然後再次返回。因此，這顯示了幂律分(fēn)布的典型特征，即無标度。一(yī)旦出現無标度，大(dà)部分(fēn)網絡用戶行爲會在短時間内連續發生(shēng)，出現所謂的“爆發點”。

3.3 網絡用戶行爲的模塊化特征

以互聯網論壇爲例，爲了描述互聯網用戶點擊論壇頁面的模塊特征，本節對論壇的部分(fēn)功能頁面進行提取和分(fēn)類，如下(xià)圖8所示。該圖顯示了一(yī)個由功能頁面節點組成的網絡。節點代表功能頁面。如果兩個頁面之間存在超鏈接，則在這對節點之間添加一(yī)條邊。

圖 8 用戶行爲的模塊化

從上圖可以看出，網絡有一(yī)個明顯的模塊結構——社區（如圖9所示），三種不同顔色的節點代表屬于三個社區的節點。由于同一(yī)個社區内的功能頁面之間的鏈接比社區之間的功能頁面之間的鏈接要多，所以當網絡用戶通過點擊功能頁面進入社區a時，在接下(xià)來的一(yī)段時間内，用戶會使用更大(dà)的概率仍然執行社區a内的相關操作，直到用戶通過點擊社區之間的鏈接跳轉到其他社區b，然後在社區b内繼續重複類似的過程。由此看來，網絡用戶的行爲表現出明顯的模塊化特征。

圖 9 用戶行爲模塊結構

爲了描述網絡用戶行爲模塊的重疊，在上述網絡論壇的例子中(zhōng)，增加了三個節點（關注話(huà)題、轉發建議、下(xià)載應用），如圖10所示。同理，如果三個頁面等如果頁面上有超鏈接網絡聊天室模塊設計，請在它們之間添加一(yī)條邊。圖 11 顯示了添加節點後網絡的社區劃分(fēn)。值得注意的是，新增節點同時劃分(fēn)爲兩個不同的社區，使得三個節點重疊節點，說明用戶在三個節點中(zhōng)。行爲（重疊行爲）位于不同行爲模塊的重疊處，用戶可以通過這些重疊的行爲從一(yī)個功能模塊跳轉到另一(yī)個功能模塊。

圖 10. 用戶行爲的重疊

圖 11. 用戶行爲的重疊社區結構

3.4 網絡用戶行爲的層次特征

上述BBS的功能模塊全部展示出來，如圖12所示。從圖中(zhōng)可以看出，示例中(zhōng)每個大(dà)功能下(xià)都有很多小(xiǎo)的子功能，呈現出明顯的樹(shù)形結構，并且不同葉節點位于樹(shù)的不同層。每個功能也表現出明顯的層次特征。

圖 12 用戶行爲層次結構

3.5 網絡用戶行爲的有向加權屬性

以網絡用戶發送郵件和點擊鏈接爲例，由于郵件的發送和網絡鏈接是有方向性的，相應的網絡用戶行爲也是有方向性的；發送的次數和點擊鏈接的頻(pín)率不同，因此不同用戶行爲的權重也不同。用戶行爲的權重可以更好地代表複雜(zá)網絡用戶行爲分(fēn)析中(zhōng)行爲的本質特征。

結語

本文将網絡空間中(zhōng)用戶的行爲抽象爲複雜(zá)網絡模型，然後将網絡空間中(zhōng)用戶行爲的特征與複雜(zá)網絡的特征（小(xiǎo)世界、無标度、模塊化、分(fēn)層和加權）進行比較。 ）。實例表明，網絡空間用戶行爲的複雜(zá)網絡模型具有上述複雜(zá)網絡的典型特征，爲後續使用複雜(zá)網絡研究方法測量和評價網絡空間用戶行爲提供了依據。

參考：

[1]DJ 瓦茨，上海。《小(xiǎo)世界》[J]., 1998, 393(6684): 440-442.

[2] 阿爾，R. . [J]., 1999, 286(5439):509-512.

[3] M, ME J. in and .Proc Natl Acad Sci, 2002, 99(12):7821-7826。

[4] D，密歇根州。中(zhōng)的鏈接。[J]. 2004, 93(26):.

[5] 楊政. 基于流量識别的網絡用戶行爲分(fēn)析[D]．重慶：重慶大(dà)學，2009。

[6] 吳偉. 網絡空間與通信網絡安全問題研究[J]. 中(zhōng)國電(diàn)子科學院學報, 2011, 6(5):473-476.

[7]帕拉 G 等人。[J]., 2005, 435(7043):814-818.

[8] 王小(xiǎo)凡，劉亞兵. 複雜(zá)網絡中(zhōng)的社區結構算法綜述[J]．電(diàn)子科技大(dà)學學報, 2009, 38(5): 537-543.

[9] 唐昊峰等。有向加權複雜(zá)網絡的抗毀性測度研究[J]. 計算機工(gōng)程, 2013, 39(1): 23-28.

[10] ，徐斌譯。連接網絡的新科學[M]。湖南(nán)：湖南(nán)科學技術出版社，2007。

[11] ，馬輝譯。爆炸與大(dà)數據時代預測未來的新思維[M]. 北(běi)京：中(zhōng)國人民大(dà)學出版社，2012。

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