電信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓撲空間經(jīng)濟分析范文

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摘要:通過電信廣域網(wǎng)的某段時間內(nèi)流量統(tǒng)計，從Internet的AS層次分析廣東省電信互聯(lián)網(wǎng)的特征與拓撲結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):以廣州-深圳為雙核心，與佛山、東莞共同組成珠三角網(wǎng)絡(luò)核心，它與第2、3層城市網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)建省級電信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓撲為平均直徑較短的完全圖，每個城市網(wǎng)絡(luò)下管理大量的小區(qū)、企業(yè)、家庭計算機用戶，故網(wǎng)絡(luò)聚集性較大。從流量分析看，網(wǎng)絡(luò)具明顯的無標度特征。最終的分析結(jié)果為:城市網(wǎng)絡(luò)之間的信息流量，與相應(yīng)中心城市的GDP值成正比、并隨著城市間地理距離(D＜800km)的增大而顯著衰減。

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)拓撲;可視化分析;空間經(jīng)濟;重力模型;數(shù)據(jù)流量

前言

20世紀90年代以來，以Internet為代表的信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，使人類社會大步邁入了信息時代，城市間信息的流動總量迅速增大。廣東省的基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)一直保持著強勁的發(fā)展勢頭，目前，電信網(wǎng)絡(luò)正加快向現(xiàn)代綜合信息網(wǎng)演變。截至2017年第四季度，廣東省固定寬帶接入用戶數(shù)達到3246．8萬戶，3G/4G移動電話用戶合計達到12846．6萬戶，兩項數(shù)據(jù)均在全國各省排名首位。目前，廣東構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、智慧城市、人工智能等創(chuàng)新科技產(chǎn)業(yè)，都要建立在廣域網(wǎng)、IP骨干網(wǎng)和IDC(互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心)等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支撐之上。研究廣東省互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的特征，對于當(dāng)前的人工智能與大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，保障網(wǎng)絡(luò)信息安全，發(fā)展網(wǎng)絡(luò)科學(xué)在空間地理學(xué)、人文社會科學(xué)中的廣泛應(yīng)用具有現(xiàn)實意義。在當(dāng)前復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究中，研究Internet主要通過由細到粗3種粒度和層次來進行［1］:IP地址層、路由器層和AS(自治系統(tǒng))層。例如，采用凝聚算法和分裂算法解決社會網(wǎng)絡(luò)的社團劃分［2］，以及基于在電路網(wǎng)絡(luò)的電阻距離的社團發(fā)現(xiàn)算法［3］，還有利用全球IP地址的地理位置、采用堆數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的快速CNM(Clauset-Newman)算法［4］，對數(shù)量巨大的互聯(lián)網(wǎng)IP地址層進行劃分聚類。本文從上述文獻的社團劃分方法出發(fā)，研究省級尺度互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)社團劃分。根據(jù)數(shù)據(jù)的獲取，以廣東地市級城市IP節(jié)點為對象，研究區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)的拓撲建模、地理衰減效應(yīng)，進一步分析了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部中心城市經(jīng)濟地理衰減效應(yīng)。為了與其它網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的類比方便，于AS層定義城市節(jié)點，存在于同一廣域網(wǎng)絡(luò)中。廣東省互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量較大，通常各市電信數(shù)據(jù)中心對其它城市的信息數(shù)據(jù)每月平均接收、轉(zhuǎn)發(fā)量都在1010bps以上。廣東省是我國互聯(lián)網(wǎng)三大出入端口之一，通過20多年的建設(shè)運營，已經(jīng)具有亞太地區(qū)、國際Internet的基本特征，包括小世界、無標度等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征［5－6］。廣東省互聯(lián)網(wǎng)本身是一個巨大的多層復(fù)雜技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)點復(fù)雜以及各種復(fù)雜性因素的相互影響之中。因此，通過對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相互間關(guān)系以及節(jié)點關(guān)系影響因素的分析，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)的特性有更好的把握，從而維護信息網(wǎng)絡(luò)的高效性、穩(wěn)定性、安全性，為廣東省提供更多信息服務(wù)產(chǎn)品和提高服務(wù)水平打好堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。最后，本文以廣東省為例，用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，在經(jīng)濟地理范疇內(nèi)作具體、實證分析，同時驗證該模型的科學(xué)性、實用性和未來可擴展性的前景。

1研究方法

正如前言所述，今天的廣東省互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一個巨大的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。故本文采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究方法［1，5］，全省共分為21個城市節(jié)點、若干條連邊進行網(wǎng)絡(luò)建模。首先用可視化方法研究該網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、團塊區(qū)域分區(qū)，具體使用Pajek、Gephi制圖、分析軟件。考慮到數(shù)據(jù)的特點和空間網(wǎng)絡(luò)模型的可求解性，本文采用經(jīng)典的“地理學(xué)第一定律”———空間重力數(shù)學(xué)模型，結(jié)合城市經(jīng)濟GDP統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)模型進行實證研究。最后，把廣東省城市信息流量與GDP進行關(guān)聯(lián)，可以定量分析得出珠三角核心城市的信息衰減距離范圍。

2網(wǎng)絡(luò)可視化軟件分析

將廣東省2014年約半年的21個地級市的流量數(shù)據(jù)(表1)，通過Pajek網(wǎng)絡(luò)可視化分析軟件，生成圖片，如圖1所示。其中，以每個城市(21個節(jié)點城市，含廣州、深圳兩個計劃單列市)為基礎(chǔ)構(gòu)建城域網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，平均入度和平均出度均為21，同時網(wǎng)絡(luò)的直徑為1，節(jié)點之間的連邊總數(shù)為210條，如考慮數(shù)據(jù)流入、流出方向，則為420條。網(wǎng)絡(luò)為完全圖，拓撲結(jié)構(gòu)性完整。根據(jù)流量大小不同，將21個城市分成3個不同群組，并以不同顏色表示。其中，深藍色方塊群組的廣州、深圳、東莞、佛山四個城市的流入量和流出量均明顯高于其他城市，屬于第1組的核心層。而廣州、深圳是核心中的核心，主要由于其與粵省外、香港、澳門具有密切的經(jīng)濟聯(lián)系與人員往來。由此可見，珠三角的外向型經(jīng)濟與信息特征很顯著。紅色方塊標注的是核心層外圍城市，屬于第2、第3組。在Gephi軟件中，運用ForceAtlas算法(本文為非含權(quán)算法)可以定量劃分生成不同組群，計算出該關(guān)系圖的模塊化值為0．0510(而模塊化值越大，群組結(jié)構(gòu)越清晰)，說明該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在一個大群組(社團)中，并且相互之間聯(lián)系緊密，如圖2所示。廣州、深圳、東莞、佛山4個城市處于力分布的核心部分，通過紅色粗線四邊形連接，為第一群組城市，說明廣東省2014年上半年流量大部分集中于這4座城市，這4個大城市構(gòu)成了珠江三角洲地區(qū)的信息核心;而屬于第二群組的節(jié)點有5個城市:惠州、肇慶、江門、中山、珠海，分布在第一群組的邊緣，綠色連接線較粗、較密集，作為珠三角的重要組成部分，但值得指出的是，汕尾市在自然、實體經(jīng)濟區(qū)劃中不屬于珠三角地區(qū)，但在信息流指標上屬于珠三角范圍。第三群組:綠色連接線較細而稀疏，包括汕尾、韶關(guān)、云浮、清遠、茂名、湛江、河源、揭陽、汕頭、梅州、潮州、陽江等12個城市，這些是珠三角地區(qū)的人力、土地、自然資源的補充來源地，也是廣東省今后發(fā)展的重要增長地區(qū)。

3空間重力模型分析

3．1理論依據(jù)

重力模型來源于物理學(xué)中的萬有引力定律:兩個物體之間的作用力與兩物體的質(zhì)量成正比，與物體間的距離成反比［7－8］。最早的重力模型是齊波夫和斯圖爾特于20世紀40年代提出的，用于對城市間人口流動的預(yù)測分析，他認為兩個地區(qū)之間的人口流動與兩個地區(qū)人口數(shù)量成正比，與兩個地區(qū)間實際距離成反比［9］。隨著社會、經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對信息流通的要求越來越高，以計算機和互聯(lián)網(wǎng)為載體、以電纜和光線為媒介的信息傳遞成為人類的主要活動之一。可以說，信息流通取代了一部分人口流動活動。因此，將重力模型應(yīng)用于信息流動的分析中，兩個城市之間的信息流量與兩座城市經(jīng)濟規(guī)模成正比、與距離成反比。

3．2實證分析

傳統(tǒng)的重力模型來源于物理學(xué)中的萬有引力模型，其基本形式為其中Xij表示城市i到城市j的信息流量，廣東省城市信息數(shù)據(jù)詳見表1。為了突出全局特征性，定義各城市之間為無向信息流，即總流量。Yi和Yj表示城市i和城市j的經(jīng)濟規(guī)模GDP，Dij指兩個城市中心間的距離;Δ為期望值等于1的誤差項。我們對其進行線性化，消除異方差的影響。對(1)式兩邊取對數(shù)，則有本文對采用的數(shù)據(jù)進行說明:1)流量信息數(shù)據(jù)為省級IP城域網(wǎng)數(shù)據(jù)。廣東電信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是中國電信最大的省級網(wǎng)絡(luò)，提供寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)的用戶數(shù)占廣東省70%以上，因此流量數(shù)據(jù)具有代表性。2)廣東省各城市的經(jīng)濟規(guī)模，使用《廣東省統(tǒng)計局2015統(tǒng)計年鑒》發(fā)表的廣東省2013—2014年各地級以上市國民經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表2)。3)距離采用公路距離而非直線距離。由于廣東省內(nèi)高速公路已經(jīng)通達每個縣，公路交通最為發(fā)達和便利，因此選擇公路網(wǎng)最短距離作為城市之間的地理距離［10－11］。運用Matlab計算工具對(2)式重力模型進行回歸分析，其中α0為常數(shù)，eij為誤差項。最后得到結(jié)果α0=－2．6735，α1=0．4544，α2=0．7578，b=－0．2708。經(jīng)檢驗，回歸系數(shù)是顯著的。在廣東省數(shù)據(jù)流量的重力模型中，城市的經(jīng)濟規(guī)模和城市間距離對城市間的信息流量有影響。根據(jù)Matlab擬合結(jié)果，描繪重力模型中信息流量與經(jīng)濟規(guī)模和城市距離的關(guān)系曲線如圖3所示。在圖中能夠清晰地看到:流量Xij與城市GDP的Y值(本文分為4條系列曲線)成正比、與城市間距離(D＜800km)成冪指數(shù)反比(衰減)的兩組關(guān)系。重力模型和Gephi可視化網(wǎng)絡(luò)分析工具圖2劃分的結(jié)果相對比:第1級加上第2級(重力模型)相當(dāng)于2．1節(jié)提到的第一群組(Gephi模型)，第3級前5個市(惠州、中山、茂名、湛江、江門)相當(dāng)于第二群組;第3級后7個市(珠海、肇慶、揭陽、汕頭、清遠、陽江、韶關(guān))加上第4級的5個市(共12個市)，相當(dāng)于第三群組。可見，通過兩種算法和工具，對第1、2級(第一群組:珠三角核心4大城市)都較好地劃分出來。對第3、4級(第二、三群組)通過進一步細分，也可以較好反映城市信息流與GDP的定量關(guān)系。經(jīng)濟地理衰減特性:位于第1級的廣、深、佛三大城市，其GDP綜合經(jīng)濟值的影響范圍可達到距離城市中心的600～800公里以外。這與三大城市的經(jīng)濟實力在廣東省和泛珠三角地區(qū)的實際影響力是相吻合的。

4結(jié)論

本文對廣東省2014年上半年各市城市網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)進行匯總整理。運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)原理，將流量數(shù)據(jù)關(guān)系通過可視化圖形展示。根據(jù)各城市流量權(quán)重大小，展示以廣州、深圳、東莞和佛山為珠三角中心城市群的信息流量布局。再引入重力模型，解釋城市經(jīng)濟規(guī)模和城市間距離等經(jīng)濟地理因子對城市間信息流量大小的影響。通過對廣東省各城市數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計擬合，得出兩個城市間信息流量與城市經(jīng)濟規(guī)模(GDP)成正比、與地理距離成反比的結(jié)論以及全省的實際衰減距離。

作者：曾宇懷 馮小兵 金晨 單位：廣州地理研究所