城市的网络优势——中国互联网骨干网络结构与节点可达性分析

第２５卷第２期　２００６年３月　

地　理　研　究　

ＧＥ０ＧＲＡＰＨＩＣＡＬ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　Ｖｏ１．２５。ＮＯ．２　

Ｍａｒ．。２００６　

城市的网络优势　中国互联网骨干网络结构与节点可达性分析　汪明峰，宁越敏　（华东师范大学中国现代城市研究中心，上海２０００６２）　

摘要：过去十余年，中国的互联网得到飞速发展，新的基础设施空间架构也已经基本形成。　本文在回顾有关通信网络与城市体系的文献基础上，尝试建立一种评价中国互联网城市可达　性的方法，并对五大骨干网络的空间结构和节点可达性进行了分析。结果表明：中国互联网　基础设施的空间格局整体上趋于均衡，节点可达性基本遵循原有的城市等级体系；北京、广　州和上海三大国家交换中心和几大区域核心节点城市的可达性位列顶层；节点可达性的高低　与城市地理区位存在紧密联系。　关键词：互联网；网络分析；空间结构；节点可达性；城市等级体系　文章编号：１０００—０５８５（２００６）０２—０１９３一ｌ１　

１　引言　信息经济的出现在很多领域重构了城市的竞争优势，造就不同的城市在全球经济中的　兴衰沉浮。尽管新经济的泡沫已经破灭，但在不少地方它仍然是区域发展的重要驱动力。　在这些地方经济中，主导的基础设施不是高速公路、港口、铁路或航空港，而是连接全球　的光导纤维网络。伴随全球信息经济和技术的快速发展，作为信息经济运作的核心基础设　施，光纤网络的铺设容量和地理范围在过去十年中以惊人的速度增长和拓展　不仅在西方发达国家，一些发展中国家的互联网也得到飞速发展，尤其是在东亚地　区Ｌ１］。在中国，互联网的网络基础设施建设也在不断发展之中［２　］。骨干网早已覆盖全国　所有省会城市，骨干节点之间的带宽也在快速增长。相比之下，国内有关互联网的学术研　究进展则显得缓慢，尤其在城市地理学领域，有关这种新的通信技术的实证性研究文献还　很少见。作者［４　曾对中国主要城市在互联网骨干网络中的节点地位做过初步探讨。本文将　在此基础之上，进一步对中国互联网骨干网络的空间结构，以及重要节点城市在网络中的　可达性进行分析，以期从一个新的视角加深对这种新的信息网络空间的认识。　

２　文献概述　通信网络一直以来是城市地理和城市规划学者关注的重要课题。早在１９６０年代，电　话网络的分析已很常见，并成为运输与通信地理学的一个重要分支　引。而今，新的通信技　术互联网业已成为主要的信息传输方式之一，它的诞生和发展不仅深刻地影响着我们的社　

收稿日期：２００５—０４—０８；修订日期：２００５—０９—１９　基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０１７１０３０）；华东师范大学２００４年优秀博士生培养基金资助　作者简介：汪明峰（１９７７一），男，浙江绍兴人，博士，讲师。主要从事城市地理与互联网地理研究。　Ｅ－ｍａｉｌ；ｗａｎｇｍｆ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎ　

维普资讯 http://www.cqvip.com １９４　地　理　研　究　２５卷　会经济领域，同时也重构了全球的物理和虚拟空间。随着信息时代的到来，对信息技术作　用下的空间问题研究正在成为新的热点　’　。　目前，尽管有关新的信息和通信技术的地理学研究范围很广，但对于互联网自身的空　间分析主要还是集中在三个主题：信息流的路径、信息源和信息流本身。虽然我们常常强　调信息的流动状况，但已有的研究中很少是基于“流”本身展开的。其原因主要是缺乏有　关的统计数据，如信息的传输量以及通信所需的时间量等＿８］。比较容易可行的方法是通过　分析信息网络基础设施资料来掌握其空间结构和特性。其中有两个方面的数据备受城市地　理研究学者关注：一是互联网的网络结构，它体现了城市和区域之间的交互关系　；二是　城市之间的互联网连接带宽，它已成为信息时代重要的竞争性区位要素［１　。　在互联网中，如果把城市抽象成“点”，把城市之间的骨干连接抽象成“线”，我们就　可以用图论方法来研究基于互联网的城市网络结构。Ｗｈｅｅｌｅｒ等口　最早采用拓扑学方法　分析美国商业互联网的骨干网络，进而评价网络的连通性和城市节点的可达性。Ｇｏｒｍａｎ　等［１２］在此基础上改进方法，分析了美国主要接入网的空间结构。ＴｏｗｎｓｅｎｄＥ¨］从节点城市　的角度描述了美国互联网骨干网络空间拓展的历史进程。Ｍｏｓｓ等［１　］也从骨干网容量和连　通性两个方面考察了美国主要城市在互联网中的等级层次。在此基础上，０’Ｋｅｌｌｙ等［９　又　进一步分析了美国城市的网络可达性在１９９７～２０００年间的显著变化。此外，Ｇｒｕｂｅｓｉｃ　等Ｌ１５］还从空间层面探讨了美国商业互联网的生存能力（ｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔｙ）与城市节点可达性　之间的关系。Ｏｏｒｍａｎ等口　则利用复杂网络（ｃｏｍｐｌｅｘ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ）模型来分析和解释美国　互联网基础设施的空间结构。　从已有的文献来看，有关互联网基础设施的空间研究主要集中在西方发达国家，尤其　是美国。毕竟美国作为互联网的发源地，是全球互联网体系的核心［１　。相对而言，发展　中国家的此类研究还很少见，但在近几年也开始兴起。Ｈｕｈ等［１　利用主要互联网服务供　应商（ＩＳＰ）的数据分析了韩国互联网的节点可达性及其与城市等级体系之间的关系。在　中国，张捷等［】９］和Ｐａｎ等＿２０］均较早对ＣＥＲＮＥＴ的网络结构进行过定性测量，刘卫东　扰　的研究也涉及到ＣＨＩＮＡＮＥＴ和ＣＮＣＮｅｔ的网络空间结构。作者［４］从中国互联网的骨干　网络入手，对主要城市在互联网中的节点等级进行了初步分析，并指出由这种新的技术基　础设施构筑起来的信息网络城市已经在中国浮现。　

３数据与方法　３．１数据来源　目前，中国互联网骨干网运营单位包括中国电信、中国联通、中国移动、中国卫星、　新的中国网通集团、教育网、科技网、国际电子商务网和长城网９家。截至２００２年１２月　３１日，各互联网骨干网及国家互联网交换中心之间的网络带宽连接情况如图１所示。《中　国互联网发展报告（２００２）》［２］提供了中国最大的四个互联网运营单位的五大骨干网络结构　数据，包括中国电信集团宽带互联网（ＣＨＩＮＡＮＥＴ）、中国网络通信集团互联网网络　（由宽带中国ＣＨＩＮＡ１６９网络和中国网通高速宽带互联网ＣＮＣＮｅｔ网络构成）、中国联通　互联网（ＵＮＩＮＥＴ）和中国教育和科研计算机网（ＣＥＲＮＥＴ）。本文即是以此为基础，来　分析中国互联网骨干网络的空间结构和节点可达性。由于五大网络承担了中国绝大多数的　互联网通信流量，因此对这些网络的综合研究基本上可以反映总体状况。　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２期　汪明峰等：城市的网络优势——中国互联网骨干网络结构与节点可达性分析　１９５　（注：图中的Ｍ即为Ｍｂｉｔ／ｓ。资料来源：参考文献Ｅ２－１，ｐ７７，图４．１。）　图１　中国互联网骨干网及国家互联网交换中心之间的网络带宽连接状况　Ｆｉｇ．１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｓｈｏｗｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　

３．２网络分析方法　由于光纤中的数据传输速度接近光速，我们可以忽略网络节点之间的空间距离，因此　相比其他的陆上运输网络来说，电子通信网络更适合用图论的数学方法来进行分析。另外，　与航空网络类似，互联网属于非平面网络，这也是它与公路、铁路等运输网络的不同之处。　３．２．１　网络整体特性指标对于任何一个网络图，都存在着三个共同的基础参数：①网　络中的连线（或边）数目Ｅ；②节点（或顶点）数目Ｖ；③分散的子图（或亚图）数目　Ｇ。为了对网络特性进行描述、比较和评价，可以采用上述参数构造以下四个一般性的测　度指标［２　．２引：　（１）连接率　指数，也称为线点率。可以用于网络复杂性程度的简单度量。它是网　络内每一个节点的平均连线数目，即　Ｊ９一Ｅ／Ｖ　（１）　（２）回路数　。回路是一种闭合路径，回路数是测度一个网络规模大小的基本指标。　如果存在回路，则连线数目就必须超过Ｖ—Ｇ，因为这是网络的一个最低限度的连接数　目。如此，回路数目就等于实际连线数目减去上述最低限度连接的连线数目，即　Ｅ—Ｖ＋Ｇ　（２）　（３）实际成环率ａ指数。它是网络中实际回路数与可能存在的最大回路数的比值，　即　口一ａ（Ｅ—Ｖ－４－Ｇ）／［Ｖ（Ｖ一１）／２一（Ｖ一１）］×１００％　（３）　

ａ指数一般用于测量网络的冗余度（ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）。０值表树状网络，１或１００　表示　全连接网络。冗余度也是一个很好的评价网络复杂程度的指标。在考虑互联网的流量状况　和拥挤问题时，冗余度的作用很关键，建设大流量路由之间的冗余连接是提高互联网运行　效率的有效途径之一［】　。当然在增加节点连接的同时，还必须考虑经济收益问题。完全　冗余的网络并不能达到最有利的资源配置，因为网络中必定有一些路径的流量很大，而另　些路径则不会有较高的投资收益。　（４）实际结合度ｙ指数。它是网络中实际连线数与可能存在的最大连线数的比　

维普资讯 http://www.cqvip.com １９６　地　理　研　究　２５卷　值，即　ｙ—Ｅ／ＥＶ（Ｖ一１）／２１×１００％　（４）　），指数可以用来测度网络中节点之间的互联水平，等于最小值０时表明网络内无连　线，等于最大值１或１００　时，就是完全连接网络。一般而言，ｙ指数与经济发展水平存　在较高的相关性，一个国家的经济越发达，可以传输数据的不同途径数目就越多，较多的　连线能够增加网络的有效性和降低拥挤程度　。当然，ｙ指数的大小也与网络本身规模　有关，通常认为节点多的网络具有较低的ｙ指数［１　。　３．２．２　网络可达性的测度方法　网络的节点可达性一般可以通过以下两种矩阵方法进行　分析　孔－　］。本文采用的具体计算步骤与Ｗｈｅｅｌｅｒ等Ⅲ　和Ｏ’Ｋｅｌｌｙ等［９　的方法类似，并根　据中国的实际情况进行了部分调整。　（１）整体可达性矩阵。这种测度方法由网络的邻接矩阵导出。我们记邻接矩阵为Ｃ，　它的行数和列数均为网络中的节点数　，其中的元素ｃ　表示节点ｉ与节点　之间的直接连　线数目。图论上可以证明，邻接矩阵ｃ的ｋ次幂ｃ　的元素ｃ　，表示从ｉ点经过ｋ步到达　点的路径数目。将矩阵Ｃ的幂求和，得到矩阵Ｔ：　Ｔ—Ｃ　＋Ｃ　＋Ｃ。＋…＋Ｃ　（５）　式中，　为网络直径，是指网络中最远的两个节点间最短路径的连线数。此时，矩阵　Ｔ中的元素都不为０，表示每个节点在　步以内都可以到达网络中的其他节点。根据矩阵　Ｔ，将节点ｉ的总路径定义为：　ｔ　一　（　一１，…，　）　（６）　ｔ　表示在　步以内，网络中某节点到达所有节点的直接和非直接路径总和。如此，各　节点的相对可达性可用以下公式计算：　Ｔ　一ｔ　／（　／ｖ）　（７）　可达性指数Ｔ　能用来评价整个网络中各节点的相对可达性水平高低，其指数值越大，　表明该节点的可达性状况越好。　（２）最短距离矩阵。这种测度方法由网络的连通性矩阵导出。我们记最短距离矩阵　为Ｄ，它的行数和列数均为网络中的节点数　，其中的元素ｄ　，表示节点ｉ与节点　之间的　最短路径所介入的连线数。节点间直接连接的最短路径用１表示，节点与其自身连接用０　表示。根据矩阵Ｄ，将节点ｉ的总路径距离定义为：　ｄ　一　（　一１，…，　）　（８）　ｄ　表示网络中某节点到其他所有节点最短路径的连线总和。如此，各节点的相对可　达性可用以下公式计算：　Ｄ　一ｄ　／（　／ｖ）　（９）　同样，可达性指数Ｄ　也可以用来评价整个网络中各节点的相对可达性水平高低，其　指数值越小，表明该节点的可达性状况越好。　上述两种方法之间的一个重要区别是Ｄ矩阵可以用来校正Ｔ矩阵测量中可能存在的　网络冗余和衰减问题＿１¨。因此，拥有更多直接连接的中心节点一般要比缺少直接连接的　节点具有更高的Ｄ矩阵可达性。尽管Ｔ矩阵中的冗余路径可能会在矩阵排列中被忽略，　但它们的确也包含了重要的网络特征信息。这些冗余路径在其他一些类型的网络（如高速　公路系统）中可能是没有意义的。但是在互联网中，冗余的或非直接的连接是相当重要　的。在传输拥挤或连接失败的时候，这些路径对于维持网络服务运行至关重要。