相依局域网络的结构脆弱性分析及网络可控性优化研究

摘要

复杂网络是有效描述和分析复杂系统结构和动力学行为的重要工具。近年来复杂网络研究取得了令人瞩目的成果，其中网络攻击、修复以及结构可控性是极具重要现实意义的研究热点。 已有网络攻击方面的研究工作较多关注单一网络，考虑到现实世界中真实复杂系统间通常存在相互依赖关联，本文将对网络攻击行为的研究由单一网络推广到相依网络系统，并着重分析了度分布异质程度对相依系统结构脆弱性的影响。网络系统遭受攻击后启动有效的修复措施是保证系统安全稳定运行的重要方法之一，由此本文提出了新的边修复策略，并探讨了随机和蓄意攻击模式下不同类型修复策略的有效性。网络结构可控是指有限时间内将网络由任何初始状态驱动到期望的最终状态，可控性优化旨在尽可能减少控制信号的输入，在对网络施加优化操作以提升其抗攻击能力后，文中进一步对优化后网络的结构可控性进行了深入分析。 论文主要研究内容和创新性成果概括如下： 1)度分布异质程度对相依局域网络结构脆弱性的影响研究 首先提出由两个网络组成的相依系统模型，通过调节一个重要参数，可以控制每个网络的度分布异质程度；然后，通过数值仿真实验，分析受到蓄意攻击的情况下相依系统结构的变化规律。研究结果表明，单一网络和相依网络的脆弱性均受度分布异质程度的影响，即度分布异质程度能明显增加网络的脆弱性；其次，由于两个网络间相依边的存在，导致相依系统在面对蓄意攻击时相比于单一网络更加脆弱，尤其在考虑耦合偏好时，相比于负相关耦合和随机耦合，研究结果表明正相关耦合对相依系统影响更大。 2)随机和蓄意攻击模式下网络修复策略的有效性分析 首先，提出两种边攻击模式，随机攻击模式指随机选择网络中的边进行移除，蓄意攻击模式指移除网络中度值大于平均度的节点的连边；其次，通过建立边修复模型，考虑两种修复策略：随机修复和目标修复。随机修复指在网络遭受攻击后随机修复网络中的冗余边，目标修复指修复网络中度值大于平均度的节点的边。最后，以随机网络、无标度网络以及真实网络为研究对象，采用数值仿真方法研究了两种不同修复策略在不同攻击模式下的适用性，给出了各种攻击模式下的最有效修复策略分析。 3)抗攻击能力优化后网络的结构可控性分析 首先研究无标度网络中鲁棒性测度 R和表征结构可控能力的参数nD与两个重要拓扑参数：标度指数γ和平均节点度(k)之间的关系；然后，以无标度网络和真实网络系统作为研究对象，采用数值仿真的方法，分析抗攻击能力优化后相应网络的结构可控能力的变化规律。研究结果表明优化后的网攻击鲁棒性增强，同时其可控能力也得到提升，并且优化后的网络呈现典型的“洋葱头”结构。

目录

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第一章 引言

1.1课题背景和意义

1.2论文主要内容

1.3论文章节安排

第二章 复杂网络研究基础

2.1网络模型

2.2网络攻击与修复

2.3网络结构可控性

2.4本章小结

第三章 度分布异质程度对相依局域世界演化网络结构脆弱性的影响

3.1研究背景

3.2网络模型

3.3数值仿真与结果分析

3.4本章小结

第四章 两种攻击模式下复杂网络修复策略研究

4.1研究背景

4.2攻击模式与修复策略

4.3仿真结果

4.4本章小结

第五章 抗攻击能力优化后网络的结构可控性分析

5.1研究背景

5.2攻击鲁棒性及可控性参数

5.3 无标度网络的攻击鲁棒性和结构可控性

5.4优化网络的结构可控性分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢