拥塞自适应复杂网络有限信息下的级联故障建模及控制策略研究

Cascading failures that are triggered by some small disturbances can make global collapse occur in large-scale networked infrastructure on which modern societies very much depend, such as communication network, urban traffic, power grid network, leading to disastrous consequences, and effective modeling is the basic and key problem for analysis and control of cascading failures. This project, from the points of complex network theory, will analyzes deeply and models theoretically cascading failures with characteristics of real networks such as congestion adaptation, knowledge limitation, and closely focusing on flow dynamics process. A cascading model with local congestion-adaptive routing will be proposed, and a packet-dropping mechanism will be introduced into such model, further considering adaptive control of the networks. According to new measures to the robustness of a network against cascading failures, cascading dynamic behaviors on typical model networks and real networks triggered by attacks will be investigated systematically and profoundly, and the correlations between network topology, knowledge limitation, the strategies for adaptive routing, packet-dropping, attack under knowledge limitation and the network robustness will be analyzed specifically, and the effective strategies and methods for controlling cascading failures will be proposed. The results of this project can provide the important theoretical basis and methods for technical support for solving cascading failures of real networks and improving network security, and also provide new theory and method for research on both cascading failures and information security based on networks thinking.

由微小扰动触发的级联故障可能使得现代社会非常依赖的大规模网络化基础设施，如通信网、城市交通网、电力网等全局崩溃而产生灾害性后果，而有效的模型是分析和控制级联故障的基础和关键。本项目拟从复杂网络理论的观点出发，结合实际网络的拥塞自适应性和信息有限性等特点，紧紧围绕流的动力学过程，对级联故障进行深入分析与理论建模。提出具有局域拥塞自适应路由的级联模型，并进一步考虑网络自适应控制，将丢包机制引入本模型。依据新的度量网络抵制级联故障鲁棒性的指标，在典型模型网络和真实网络上系统深入地研究由攻击而引发的级联动力学行为，重点分析网络拓扑、信息有限性，以及有限信息下的自适应路由、丢包和攻击策略等与网络鲁棒性之间的相关性，并提出控制级联故障的有效策略和方法。本项目的成果可以为解决实际网络的级联故障，提高网络安全性提供重要的理论依据和技术方法支持，同时为基于网络化思维研究级联故障、信息安全提供新的理论和方法。

由微小扰动触发的级联故障可能使得现代社会非常依赖的大规模网络化基础设施，如通信网、城市交通网、电力网等全局崩溃而产生灾害性后果，而有效的模型是分析和控制级联故障的基础和关键。本项目从复杂网络理论的观点出发，结合实际网络的拥塞自适应性、信息有限性等特点，紧紧围绕流的动力学过程，在典型模型网络和真实网络上，通过对级联故障进行深入分析与理论建模，研究控制级联故障的有效策略和方法。提出了一种局域拥塞自适应路由策略，在此基础上，融合网络负载流量的时变性、路由信息时间延迟等多方面因素动态变化的场景，构建了一类新的级联故障模型。依据新的度量网络抵制级联故障鲁棒性的指标，重点分析了路由策略、路由信息有限性和延迟、负载压力、网络拓扑与网络鲁棒性之间的相关性，并发现了最优路由方案。考虑网络的自适应控制，引入边定向机制以减轻拥塞边的负载量，提出一种带有边定向机制的级联故障模型。应用三种不同的边方向确定策略，分析了边定向策略对于不同网络抵制级联故障的有效性及其影响因素，并进一步提出有效控制级联故障的边定向方法。新方法不仅对于无标度网络具有很好的适用性，而且具有低成本性。针对网络遭遇不同攻击引发的级联故障问题，定义了不同信息条件下的攻击策略，在此基础上提出了一种随机无标度网络级联故障模型。分析了网络抵制不同信息条件下基于级联攻击的鲁棒性以及与模型中负载和结构参数之间的相关性，发现了其中的临界现象。揭示了需同时考虑网络具体负载和度分布以及信息条件来保护“关键”组分，特别强调一定情况下对小负载边的保护可有效防御网络大规模级联故障，同时也给出了能抵抗各种攻击的高鲁棒性网络的设计方案。本项目的成果可以为解决实际网络的级联故障，提高网络安全性提供重要的理论依据和技术方法支持，同时为基于网络化思维研究级联故障、信息安全提供新的理论和方法。