关联有向网络的相继故障及防御策略研究

摘要

现实生活中，许多真实存在的有向网络，如交通运输网、移动通讯网、因特网、电子通信网等，由于某种联系它们彼此互相耦合连接在一起，这时就构成了关联有向网络。而网络系统中相继故障的发生往往都是因为网络中某一或某些节点受到攻击而失效，与此同时节点的崩溃失效就会触发网络内部和网络之间其他节点的相继失效，进而引发故障在相互依赖的关联有向网络上传播与蔓延，最终有可能会导致大面积的节点失效，甚至引发整个网络系统的崩溃。为了预防和保护相继故障在现实网络系统中带来巨大的灾难，降低社会经济财产损失，为此，本文针对关联有向网络上的相继故障问题，从网络动态的角度利用Matlab仿真软件建立相应的关联有向网络相继故障模型，探讨关联有向网络抵抗相继故障的动力学过程和鲁棒性研究，提出关联有向网络抵制相继故障的局部和全局预防措施，并从管理学的角度对实际的美国西部电网-服务器网络间展开相应的鲁棒性研究并提出预防和保护网络系统发生相继故障的应对策略。文本的主要研究内容如下:
　　(1)通过对复杂网络上相继故障的研究，从网络动态性的角度，提出了单层网络上基于节点空闲容量按比例进行荷载重分配的容量-荷载相继故障模型，并将其与传统的基于节点度分配机制模型进行对比，通过数学推导得出，该模型比传统的模型更加优化和贴近现实，并将单层网络上的相继故障模型推广到关联有向网络上。
　　(2)基于三种网间关联连接模式，采用BA无标度网络和ER随机网络，建立了9种具有不同拓扑结构的相互依赖的关联有向网络模型。在仿真模拟过程中，为了研究网络上的相继故障现象，蓄意袭击网络中度最大的节点，在不同的荷载控制强度α和不同的平均度两种情况下，利用网络连通归一化指标G、失效节点归一化指标F和关键阈值Tc三个指标，从网络的局部性和全局性两个角度分析网络抵制相继故障的鲁棒性，并给出相应的预防和保护策略。通过仿真模拟可知，不同的拓扑结构下，关联网络在不同的荷载强度或平均度下，会有不同的局部和全局鲁棒性。因此，在实际的关联网络中，应视情况确定不同的参数取值，从而得到最理想的鲁棒性。
　　(3)将该相继故障模型应用在美国西部电网和服务器网络上展开实例分析，研究了如何有效应对实际关联网络相继故障发生，并提出预防和保护网络系统发生相继故障的应对策略，对今后我国电网和服务器网络以及相关现实网络系统的发展与延伸提供合理的参考依据，在防止灾难在网络系统上大面积传播与蔓延，减少网络建设成本、合理分配网络资源以及有效维护网络等方面更具管理意义和现实应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究的理论意义和实际意义

1．2 复杂网络相继故障的国内外研究现状

1．3 本文的内容及研究方法

1．3．1 本文的内容和结构

1．3．2 本文的研究思路和方法

1．3．3 论文的结构

第2章 复杂网络的应用及相关理论基础

2．1 复杂网络的应用

2．2 复杂网络的基本概念

2．2．1 节点的度与度分布

2．2．2 聚类系数

2．2．3 最短路径和平均路径长度

2．2．4 介数

2．3 复杂网络的几种基本模型

2．3．1 规则网络模型

2．3．2 ER随机网络模型

2．3．3 WS小世界网络模型

2．3．4 BA无标度网络模型

第3章 带荷载的关联有向网络相继故障模型构建

3．1 复杂网络上相继故障模型概述

3．2 单层有向复杂网络上基于节点空闲容量相继故障模型

3．2．1 定义节点初始荷载和边的方向

3．2．2 赋予节点的容量

3．2．3 崩溃节点上荷载的重分配机制

3．2．4 单层有向网络相继故障模型对比说明

3．3 关联复杂有向网络上的相继故障模型

3．3．1 建立两个网络之间的关联

3．3．2 确定两个网络的崩溃策略

3．3．3 关联网络的相继故障模型的构造和说明

3．3．4 相继故障在关联网络中的动态传播过程

第4章 关联有向网络上相继故障模型的仿真及分析

4．1 在Matlab上构建关联有向网络相继故障仿真模型

4．1．1 生成初始关联有向网络和参数的赋值

4．1．2 选择攻击方式和确定初始失效节点

4．1．3 崩溃节点失效以及相继故障传播

4．2 度量指标的确定

4．3 关联有向网络抵制相继故障鲁棒性分析

4．3．1 不同节点荷载强度下关联有向网络局部鲁棒性分析

4．3．2 不同节点荷载强度下关联有向网络全局鲁棒性分析

4．3．3 不同平均度下关联有向网络局部鲁棒性分析

4．3．4 不同平均度下关联有向网络全局鲁棒性分析

4．4 关联有向网络抵制相继故障的预防和保护策略

4．5 关联有向网络抵制相继故障鲁棒性实例分析

4．5．1 引言

4．5．2 美国西部电网—服务器网络局部鲁棒性分析

4．5．3 美国西部电网—服务器网络全局鲁棒性分析

4．6 本章小节

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献