本技術(shù)涉及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的魯棒性分析，尤其涉及一種節(jié)點(diǎn)回收方法及基于節(jié)點(diǎn)回收方法的網(wǎng)絡(luò)可靠性提高方法。
背景技術(shù)：
1、在本發(fā)明之前，已經(jīng)嘗試使用的技術(shù)方法為經(jīng)典的負(fù)載-流量模型。
2、動態(tài)級聯(lián)失效是研究網(wǎng)絡(luò)可靠性常用的模型，motter提出的“負(fù)載-容量(load-capacity)”模型是經(jīng)典的動態(tài)級聯(lián)失效模型，其中負(fù)載指的是節(jié)點(diǎn)當(dāng)前流通的流量，可以是數(shù)據(jù)包、電流或者車輛等，容量則指的是最大能流通的流量。考慮成本最低和效率最高，模型假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中任意兩點(diǎn)之間的流量是通過最短路徑傳輸?shù)模⑶颐繉?jié)點(diǎn)之間都存在流量傳輸。另一方面，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的介數(shù)定義為經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)最短路徑的條數(shù)，所以，可以將節(jié)點(diǎn)的負(fù)載定義為介數(shù)。節(jié)點(diǎn)的最大負(fù)載是節(jié)點(diǎn)容量，即單位最多允許通過的流量。通常來說，初始負(fù)載越大的節(jié)點(diǎn)，流通的流量就越大，其介數(shù)中心性和在網(wǎng)絡(luò)中的重要性越高，容量理所應(yīng)當(dāng)越大。為了簡化計(jì)算集中注意力于級聯(lián)動力學(xué)和網(wǎng)絡(luò)可靠性上，假設(shè)節(jié)點(diǎn)容量與初始負(fù)載關(guān)系是正比例關(guān)系。使用l表示負(fù)載，c表示容量，對任意節(jié)點(diǎn)，滿足如下關(guān)系式：
3、c＝(1+α)l
4、其中α>0，為能力因子，反映了網(wǎng)絡(luò)抵抗?jié)M載或過載等惡劣環(huán)境的能力。α越大，節(jié)點(diǎn)的容量就越大，負(fù)載就越不容易溢出容量導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰或堵塞，網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性就越高。
5、在“負(fù)載-容量”模型中，網(wǎng)絡(luò)動態(tài)級聯(lián)失效過程如下：網(wǎng)絡(luò)受到隨機(jī)攻擊或蓄意破壞時，網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)被刪除，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起剩余節(jié)點(diǎn)負(fù)載的重新分配；若剩余網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)負(fù)載超過了容量，該這部分節(jié)點(diǎn)會因堵塞而無法工作被刪除；這些刪除的節(jié)點(diǎn)又會引起新的節(jié)點(diǎn)崩潰，如此迭代崩潰，直到級聯(lián)過程停止。動態(tài)級聯(lián)過程中，節(jié)點(diǎn)被刪除的情況有兩種：不在最大連通組中或者流量過載。。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決上述問題，本發(fā)明實(shí)施例提出一種基于節(jié)點(diǎn)回收的網(wǎng)絡(luò)修復(fù)策略，通過回收利用級聯(lián)失效過程中過載的部分節(jié)點(diǎn)，增大網(wǎng)絡(luò)最大連通組的規(guī)模，抑制級聯(lián)過程的進(jìn)行，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
2、本發(fā)明實(shí)施例提供一種節(jié)點(diǎn)回收方法，所述節(jié)點(diǎn)回收方法包括：
3、回收利用級聯(lián)失效過程中過載的部分節(jié)點(diǎn)，以增加網(wǎng)絡(luò)最大連通組的規(guī)模，抑制級聯(lián)過程的進(jìn)行，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
4、在一些實(shí)施例中，所述回收利用級聯(lián)失效過程中過載的部分節(jié)點(diǎn)，包括：
5、將上一個時間步由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)為過載狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)集合中在本時間步中負(fù)載降低到其容量以下的節(jié)點(diǎn)再次回到網(wǎng)絡(luò)正常工作中。
6、在一些實(shí)施例中，節(jié)點(diǎn)的過載狀態(tài)，指不能正常工作但處在生命周期內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。
7、在一些實(shí)施例中，節(jié)點(diǎn)的生命周期為，節(jié)點(diǎn)不能正常工作后，仍然不會被刪除所持續(xù)的時間，節(jié)點(diǎn)處在其生命周期內(nèi)，無法工作但可以被回收而重新恢復(fù)正常。
8、本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于上述任一實(shí)施例所述的節(jié)點(diǎn)回收方法的網(wǎng)絡(luò)可靠性提高方法，所述網(wǎng)絡(luò)可靠性提高方法，包括：
9、第一步，初始蓄意攻擊與網(wǎng)絡(luò)初始化；
10、第二步，首輪級聯(lián)失效判定；
11、第三步，節(jié)點(diǎn)回收與級聯(lián)失效處理：循環(huán)迭代至所有節(jié)點(diǎn)均未過載；
12、第四步，輸出最終網(wǎng)絡(luò)。
13、在一些實(shí)施例中，所述第一步，初始蓄意攻擊與網(wǎng)絡(luò)初始化，包括：
14、計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的介數(shù)，介數(shù)反映節(jié)點(diǎn)負(fù)載，記為負(fù)載列表l；
15、根據(jù)能力因子α計(jì)算每個節(jié)點(diǎn)的容量：容量c＝節(jié)點(diǎn)負(fù)載×(1+α)；
16、刪除網(wǎng)絡(luò)中介數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)，得到攻擊后的網(wǎng)絡(luò)；
17、提取該網(wǎng)絡(luò)的最大連通分量，記為g_large，作為級聯(lián)失效的初始網(wǎng)絡(luò)。
18、在一些實(shí)施例中，所述第二步，首輪級聯(lián)失效判定，包括：
19、拷貝當(dāng)前最大連通分量對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)g_large，記為h，用于后續(xù)節(jié)點(diǎn)回收操作；
20、提取g_large的所有節(jié)點(diǎn)，形成節(jié)點(diǎn)列表nodelist；
21、計(jì)算g_large中每個節(jié)點(diǎn)的介數(shù)，記為lt，即當(dāng)前時刻各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載；
22、初始化空列表vt，用于記錄當(dāng)前時刻過載需刪除的節(jié)點(diǎn)，初始化標(biāo)記變量m＝0，m統(tǒng)計(jì)未過載節(jié)點(diǎn)數(shù)；
23、遍歷nodelist中的每個節(jié)點(diǎn)：
24、若節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前負(fù)載lt[i]<其容量c[nodelist[i]]，說明節(jié)點(diǎn)未過載，m加1；
25、若節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前負(fù)載lt[i]≥其容量c[nodelist[i]]，說明節(jié)點(diǎn)過載，將該節(jié)點(diǎn)加入vt；
26、從網(wǎng)絡(luò)g中刪除vt中的所有過載節(jié)點(diǎn)，更新網(wǎng)絡(luò)g；
27、若m等于nodelist的長度，即所有節(jié)點(diǎn)均未過載，級聯(lián)失效終止，直接返回當(dāng)前最大連通分量g_large。
28、在一些實(shí)施例中，所述第三步，節(jié)點(diǎn)回收與級聯(lián)失效處理：循環(huán)迭代至所有節(jié)點(diǎn)均未過載，包括：
29、備份上一輪過載節(jié)點(diǎn)列表，將vt拷貝至vt_，vt_為上一時間步失效的過載節(jié)點(diǎn)；
30、提取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)g的最大連通分量，更新為新的g_large；
31、拷貝初始備份網(wǎng)絡(luò)h至h1，提取g_large的所有節(jié)點(diǎn)形成新的節(jié)點(diǎn)列表nodelist，計(jì)算g_large中各節(jié)點(diǎn)的介數(shù)lt；
32、重置標(biāo)記變量m＝0，清空vt，重新記錄本輪過載節(jié)點(diǎn)；
33、遍歷nodelist中的前k個節(jié)點(diǎn)：
34、若節(jié)點(diǎn)負(fù)載lt_values[i]<其容量c[nodelist[i]]，m加1；
35、若節(jié)點(diǎn)負(fù)載lt_values[i]≥其容量c[nodelist[i]]，將該節(jié)點(diǎn)加入vt；
36、從網(wǎng)絡(luò)g中刪除vt中的過載節(jié)點(diǎn)，同時從h1中刪除這些節(jié)點(diǎn)，更新g和h1；
37、計(jì)算h1中所有節(jié)點(diǎn)的介數(shù)，記為bet_h1；
38、備份上一輪過載節(jié)點(diǎn)列表vt_至vt1_，遍歷vt1_中的每個節(jié)點(diǎn)：
39、若該節(jié)點(diǎn)在h1中的介數(shù)bet_h1[vt1_[i]]<其容量c[vt1_[i]]，說明該節(jié)點(diǎn)恢復(fù)后未過載，從vt1_中移除該節(jié)點(diǎn)；
40、若該節(jié)點(diǎn)在h1中的介數(shù)bet_h1[vt1_[i]]≥其容量c[vt1_[i]]，說明該節(jié)點(diǎn)恢復(fù)后仍過載，從h1中刪除該節(jié)點(diǎn)；
41、將回收/刪除后的h1拷貝至g，更新網(wǎng)絡(luò)g；
42、從初始備份網(wǎng)絡(luò)h中刪除vt1_中未被回收的節(jié)點(diǎn)，更新h；
43、判定終止條件：若m等于k，所有節(jié)點(diǎn)未過載，退出循環(huán)。
44、在一些實(shí)施例中，所述第四步，輸出最終網(wǎng)絡(luò)，包括：
45、循環(huán)結(jié)束后，提取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)g的最大連通分量g_large，作為級聯(lián)失效結(jié)束后的網(wǎng)絡(luò)，返回該結(jié)果。
46、上述實(shí)施例的有益效果包括：
47、與此前經(jīng)典的流量-負(fù)載模型對比，本發(fā)明基于節(jié)點(diǎn)回收策略的網(wǎng)絡(luò)修復(fù)策略，能夠顯著提高網(wǎng)絡(luò)在面對攻擊時的魯棒性，有效抑制動態(tài)級聯(lián)過程的發(fā)生。具體來說，對于節(jié)點(diǎn)魯棒性較弱的網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明提升效果尤其顯著，使用本發(fā)明的策略，最大使得網(wǎng)絡(luò)最大連通組的規(guī)模較于不使用策略提升200％，平均提升約在100％。對節(jié)點(diǎn)魯棒性較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明也有提升效果，平均可提升20％的網(wǎng)絡(luò)最大連通組規(guī)模。