網際網路拓撲是怎樣構成的？又代表了什麼？

數學家和物理學家在研究網路的時候，為了抓住本質，通常進行一定的抽象，表現在既不關心節點的特定物理位置、大小，也不在意邊的長短、曲直、相交與否，只關心節點和節點間是否相連。例如，尤拉在解決哥尼斯堡七橋問題的時候，雖然1736年討論長短大小的幾何學是主流，而不考慮長短大小、不牽涉量計算的情形幾乎沒人研究，但他卻撇開研究物件的長短、大小、面積、體積等度量性質和數量關係，把2座小島和河的兩岸分別抽象成4個點，而把7座橋抽象這4個點之間的連線，開創了拓撲研究的先河。當人們把網路抽象成這種不依賴於節點的位置、大小和邊的具體形態，所得到的性質就成為網路的拓撲性質，相應的結構稱作網路的拓撲結構。

在自然界和人類社會中存在各種各樣的網路，像作為基礎設施的鐵路、公路、航空等交織而成的交通網、電力網，近年來廣泛應用的技術網路全球資訊網、對等傳輸(P2P)網路、網際網路等。一個典型的網路由許多節點和連線節點的邊組成，通常節點代表真實世界中的個體或組織，而它們間的關係用邊來表示。例如，在網際網路中，可以用點來表示自治系統(AS autonomous system)，邊來表示其間的連線關係，即形成自治系統級的網路拓撲；如果把網際網路中的路由器看成節點，而路由器間的連線關係看成邊，這樣就形成了路由器級的網際網路拓撲。

網路結構分析在社會網、技術網、生物網的研究和實踐中都已發揮了重要作用，網際網路就是一個典型的例子。作為一個真實網路，網際網路從最初的4個節點，發展成為當今世界的資訊基礎設施，其應用的深入發展和無處不在的廣泛性深刻地改變了人們的工作、生活和學習方式，己成為一個名副其實的具有複雜結構的巨大系統。

網際網路拓撲結構具有“健壯而又脆弱”(robustyet fragile)的雙重特性，在不同尺度上，其形成機理不同。在自治系統級層面上同時表現出對節點隨機失效的健壯性和在有意攻擊情況下，只要移除少數重要節點，全網就會招致癱瘓，即表現為十分脆弱。這種脆弱性，也被稱作阿基琉斯之踵(Achilles’heel)，其根源在於度分佈的不均勻性。

但在路由器級拓撲上，表現為網際網路可以有效容忍在設計時考慮到的不確定因素，具有健壯性，而對設計時未被考慮的不確定因素(如IP字首劫持、分散式拒絕服務)變得非常脆弱。其雙重特性是由於考慮到網路設計與最佳化等因素形成的，根源不在網路的度分佈。

近幾年隨著國內外網際網路行業發展迅速，許多人從中發現商機，有不法分子利用網際網路的脆弱性來攻擊網路從中獲取利益，基於此種社會現狀，如何提高網際網路絡的抗攻擊效能成了關注的重點。早些年對網際網路拓撲的研究很少有，但是隨著網際網路結構越來越龐大，近幾年隨著對網際網路拓撲結構的研究也在不斷深入。

在今年3月22日發表的一篇文章中，加州大學聖迭戈分校（UCSD）的電腦科學家們，針對全球75個市場區域開展了一線全面的大規模研究。

研究一作、UCSD 電腦科學專業博士 Alexander Gamero Garrido 表示：“我們對網際網路的拓部結構開展了研究，以期找到基礎設施遭到破壞時的最薄弱環節”。結果發現，世界上約 1/4 的網際網路使用者都依賴於易受攻擊的基礎設施，遠超研究前的預估。從區域分佈來看，許多面臨風險的市場區域都位於南半球，大致包括拉美、亞洲、非洲、以及大洋洲。

研究配圖 ：影響因子

世界上不同地區的網際網路連線結構不盡相同，比如以美國為代表的諸多已開發國家，就有大量網際網路接入服務提供商（ISP）競相為廣大使用者提供服務。

邊界閘道器協議（BGP）中未觀察到的路徑

這些網路相互交織、支援直連交換內容（又稱直接對等互連），且所有ISP能夠直接接入全球性的網際網路基礎設施。

各地區前五 ASes 的 CTI 線框分佈圖

然而在許多其它地區（大多為發展中國家），ISP都未採用直接對等的網際網路接入方式 —— 通常只有屈指可數的幾家服務提供商可選，且頭部效應明顯（某個大型ISP為絕大多數使用者提供服務）。

重疊條形圖展示了排名靠前的五大 ASes 的 CTI 值

不僅如此，這些提供商還依賴數量有限的“流量自治系統”（通常為國有），以訪問全球網際網路和其它國家或地圖的通訊流量。

頭部AS的CTI值

研究人員指出，這種情況使得擁有此類網際網路基礎設施的地區特別容易受到攻擊，因為攻擊者只需削弱其盯上的少數流量自治系統。

本土/國有AS的CTI與部分割槽域

在最糟糕的情況下，某些地區只有一套中轉自治系統為所有網民提供服務（比如古巴和獅子山）。但在對私營ISP持較開放態度的地區，其流量自治系統就要相對寬裕得多（比如孟加拉國從2家增加到了 30多家）。

研究收集到的國有來源地址空間（橙條）/ CTIn（藍條）

此外研究人員驚訝地發現，許多海底網際網路光纜都為國有運營商所有，且南半球的網際網路拓補結構中遺留了不少殖民時代的影子 —— 比如法國運營商Orange在部分非洲國家有著強大的影響力。

國家級流量權重分佈

據悉，研究人員藉助邊界閘道器協議（BGP）資料追蹤了網際網路上自治系統之間的路由與可達資訊交換。不過這些資料無法完整反映全球網際網路的全貌，因而本文分享的研究結果也只能作為一個大致的參考。

我們再來看一下擎天神的網路拓撲圖，從擎天神中我們可以看到美、德、英等西方國家的AS域和IP地址比較多，網路拓撲圖也較為複雜。

而亞洲、非洲國家的AS數量就較少，無法構成龐大的網路拓撲關係，這也從另一個角度印證了Alexander Gamero-Garrido博士的部分結論，一些國家的網路拓撲和網際網路基礎建設確實比較薄弱。

網際網路是網路科學領域的一個典型的網路例項，對其拓撲結構知識的深入研究與應用可以豐富網路科學的內涵，推動網路科學這個新興學科的發展。正如弄清事物的結構是人類認識一個事物和對其進行改造過程中首先面臨的基本問題一樣，對網路結構的掌握也是認識和改進網路的基礎。

網際網路拓撲結構是網際網路資訊基礎設施最基本的內在屬性。對網際網路拓撲特徵和知識的發現及其應用正在快速發展中。當前全球數字化建設的資訊系統工程領域(如雲端計算、三網融合、智慧地球、社會計算、物聯網等)都離不開網際網路這個資訊基礎設施。