基于网络模体的移动社会网络信息可控传播方法_张欣欣_.pdf

基于网络模体的移动社会网络信息可控传播方法张欣欣许力*徐振宇(福建师范大学计算机与网络空间安全学院福州350007)(福建省网络安全与密码技术重点实验室福州350007)摘要：移动社会网络中的信息传播具有突发性、多元性、偏差性等特点，使得相关话题和事件能够在短时间内形成强大的网络和社会舆论场，这有可能被恶意用户利用来散布谣言，给网络环境带来了恶劣的影响。针对这一问题，该文提出一种基于网络模体的信息可控传播方法。首先，提出多实体的竞争性独立级联模型(MCIC)，该模型在信息竞争扩散理论的基础上，首次结合社会网络层用户的社会属性，来感知恶意信息并控制信息传播。其次，该文定义了控制信息流模体(CIFM)，并选择出具有可控传播功能的关键网络模体，设计其在通信层的高效可控传播算法。最后，通过理论推导证明了该文方法具有收敛性。仿真实验表明，与其他方法相比，所提方法不仅在信息传播中最大感染时间和平均感染时间上更有优势，而且在控制信息传播方面的效果也是最好的。关键词：移动社会网络；信息可控传播；网络模体中图分类号：TN926;G206文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)02-0635-09DOI:10.11999/JEIT211429Information Propagation Control Method in Mobile SocialNetworks Based on Network MotifsZHANGXinxinXULiXUZhenyu(College of Computer and Cyber Security,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China)(Fujian Provincial Key Lab of Network Security and Cryptology,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China)Abstract:Theabruptness,diversity,anddeviationofpublicopinioninformationinmobilesocialnetworksmayencouragemalicioususerstospreadrumorsandhasabadimpactonthenetworkenvironment.Tosolvethisproblem,acontrollableinformationpropagationmethodbasedonnetworkmotifisproposed.Firstly,aMulti-entityCompetitiveIndependentCascade(MCIC)modelinthesocialnetworklayerisestablished.Secondly,thispaperdefinestheControlInformationFlowMotif(CIFM),determinethekeynetworkmotifsanddesignsitsefficientandcontrollablepropagationalgorithminthecommunicationlayer.Finally,Theoreticalderivationprovesthatthismethodhasconvergence,andthesimulationresultsshowthattheproposedmethodnotonlyhasmoreadvantagesintermsoftimeefficiency,butalsohasthebesteffectincontrollinginformationpropagation.Key words:Mobilesocialnetwork;Controllablepropagationofinformation;Networkmotif1 引言在线社会网络，也就是通常所说的社交网络，是一类基于Web的社会网络系统，例如脸书、推特和微博等。移动社会网络(MobileSocialNetworks,MSNs)则是一个具有相似的某种特性的个人通过移动设备互联而成的网络1,2。与社交网络的虚拟性相比，移动社会网络更加强调的是人和移动设备的存在，以及网络行为的无中心和自组织，它是由人类携带移动设备进行数据传输和交互所构成的网络。移动社会网络使人们的观点交流和信息的传播变得极其便捷，病毒营销3、舆情控制4、推荐系统5、公安侦查6、社团检测7等各种应用和问题也应运而生。移动社会网络包含有通信网络层、社会网络层与数据层，每层都有各自的特点，并且对信息传播都有不同方面的影响。其中，由通信网络和社会接触网络组成的双层耦合网络在结构上存在相互依存关系的同时，还在信息传递过程中起到相互促进的作用。收稿日期：2021-12-06；改回日期：2022-06-01；网络出版：2022-06-07*通信作者：许力基金项目：国家自然科学基金(U1905211,61771140,62171132)，福建省科技项目(2021L3032)，企事业合作项目(DH-1565)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(U1905211,61771140,62171132),FujianScienceandTechnologyProject(2021L3032),TheCooperationProjectsofEnter-prisesandInstitutions(DH-1565)第45卷第2期电子与信息学报Vol.45No.22023年2月JournalofElectronics&InformationTechnologyFeb.2023社会网络舆情是用户对社会热点问题产生不同看法的网络舆论，它是用户通过互联网对社会和生活中的热点、焦点问题所持有的具有影响力、倾向性的观点和意见的集合8。若在短时间内不能对恶意信息的传播进行有效控制，会造成严重的社会危害，威胁社会和谐与国家稳定。例如，2019年出现的新冠肺炎疫情发展至今，已经形成了全球性“大流行”(Pandemic)，与之相伴的则是信息瘟疫(In-fodemic)的到来，大量谣言在社交媒体平台上衍生并广泛传播9。在移动社会网络中，如何积极传播真实可靠的信息和及时遏制谣言信息，如何根据移动社会网络中社会网络层和物理通信层的关系，结合用户社会属性以及信息传播规律，设计高效可控的信息传播方案是一个值得研究的课题。v Vvvv信息传播控制是设计高效的传播模型，以较小的代价在合适的时机选择最佳的控制点，对大部分甚至整个网络的信息传播进行控制。最初，独立级联模型(IndependentCascade,IC)是由Kempe等人10在相互作用粒子系统的模型基础上提出来的，它把节点分为活跃的和不活跃的两个可能的状态，当节点 接收网络传播的新信息、新思想、新产品时，可以看到节点 的活跃状态，而非活动状态表示节点 没有接收新信息、新思想、新产品。Peng等人11提出了基于大数据影响建模的社会网络免疫方法，该方法为防止恶意软件或恶意消息在社交网络中的传播提供了一种有效的解决方案。Doostmohammadian等人12用图论控制的思想设计了移动社会网络中通过控制措施，合理分配治疗资源给某一个目标群体，实现移动社会网络的资源分配平衡。斯坦福大学JureLeskovec13所在ChanZuckerbergBiohub团队对移动网络模型进行了深入研究，他们认为在COVID-19爆发之后极大地改变了人类的流动模式，需要建立流行病学模型来捕捉流动性变化对病毒传播的影响，于是该团队建立了疫情状态下的移动模型，能够精准地预测移动网络中的“超级传播者”和在不同移动性条件下感染的风险大小，这一成果为移动社会网络在流行病模型下的信息传播提供了可借鉴的实例。针对移动社会网络信息在不同网络层传播的问题，Wang等人14提出了一种新的基于两层多重网络的传染病模型，探讨了正预防信息和负预防信息对传染病传播的影响。上述研究并未考虑社会网络层用户间的社会属性和物理通信层多条信息之间的竞争性等具体特征对信息传播控制的影响，不能够很好地适应移动社会网络信息传播控制的场景，并且上述研究均从个体角度出发，对于移动社会网络中的群体性特点没有很好的研究。针对以上问题，本文主要的研究工作如下。(1)本文在移动社会网络双层结构中社会网络层，提出了多实体的竞争性独立级联模型(Multi-entityCompetitiveIndependentCascade,MCIC)，该模型首次将信息竞争扩散理论与社会网络层用户的社会属性结合，实现信息的可控传播。(2)本文在移动社会网络双层结构中的物理通信层，从群体角度出发定义了控制信息流模体(ControlInformationFlowMotif,CIFM)，并选择出具有可控传播功能的关键网络模体，设计其在通信层的高效可控传播算法。(3)通过理论推导证明了本方法具有收敛性，仿真实验表明本文方法不仅在信息传播中最大感染时间和平均感染时间上更有优势，而且在控制信息传播方面的效果也是最好的。恶意信息感染时间有限和传播恶意信息节点的数量呈下降趋势都意味着恶意信息最终将会从网络中消失，最终能够实现信息可控传播。2 系统模型2.1 移动社会网络双层结构哥伦比亚大学团队于2015年提出并分析了传统和未来移动社会网络系统的总体架构设计，这些体系结构主要采用物理层-用户层-终端层交互方式介绍并分析了一种新的MSNs体系结构15。移动社会网络包括通信网络层、社会网络层、数据层，每层都有各自的特点，对信息传播都有不同方面的影响。如图1所示，本文主要研究的是社会网络层与物理通信层之间的关系，社会网络层主要由用户的社会属性、社会关系、社会行为等产生数据形成交互。物理通信层主要功能是为数据端设备提供传送数据的通路，既要保证数据能从其上正确通过，也要提供足够带宽减少信道上拥塞。所以将社会网络层与图1移动社会网络中的社会网络层与物理通信层关系图636电子与信息学报第45卷物理通信层结合，考虑层与层之间的互相影响，利用通信模体的动态演化设计高效可靠的信息传播模型对信息可控传播是具有挑战和有实际应用价值的。2.2 社会网络层中信息传播模型G=(V,E,W)uvuvuv通常把移动社会网络建模成一个有向图，其中，V代表节点集，E代表边集，W表示边权重。一个节点代表移动社会网络中的一个用户，而从 到 的一条边代表用户 和 之间的关系。这种关系是定向的，我们主要关注的是影响关系，也就是说，一个用户 是否容易影响另一个用户，这种影响关系通常是定向的和非对称的。独立级联模型首先是由Kempe等人10在相互作用粒子系统的模型基础上提出来的，该模型的主要特点是沿图中每条边的扩散事件是相互独立的。并可能影响其非活跃邻居变为活跃节点。在此基本模型中，单个影响过程从一组活跃节点开始，在每个时间戳中，只有新的活跃节点才有机会以概率方式影响其非活跃邻居。具体传播方式如图2所示。第t=0：a节点被激活。第t=1：a节点以0.5的概率尝试激活b，以0.2的概率尝试激活c。假设b节点在这一时间步内成功被激活。第t=2：b节点以0.3的概率尝试激活c，并以0.5的概率尝试激活d。假设c节点和d节点在这一时间步内成功被激活。第t=3：c节点以0.2的概率尝试激活e，d节点以0.2的概率尝试激活e。假设这一时间步内的尝试都失败了，没有新的节点被激活，传播停止。在信息情报领域，学者在竞争扩散理论框架下，利用贪婪算法等识别限制恶意信息的最优策略，通过刺激“正确”信息的扩散来限制“错误”信息的传播16。受到这个思想的启发，本文根据用户的社会属性和信息传播的特点，提出多实体的竞争性独立级联模型(Multi-entityCompetitiveIndependentCascade,MCIC)，在信息扩散的过程中能够捕获恶意信息的同时