复杂互联系统与网络鲁棒性研究

本书致力于介绍复杂互联系统与复杂网络鲁棒性研究的基础知识和研究进展。由于
该领域相关研究内容繁多，因此本书主要介绍复杂网络鲁棒分析的基本概念与鲁棒分析
的形式化方法，重点对标度网络、小世界网络和实测路由层互联网拓扑等网络实例的
鲁棒性进行分析，并对网络鲁棒度量方法进行了尝试分析和介绍。此外，本书还详细介
绍了近期作者在该领域研究的相关工作与成果。

徐野（1976年12月―），博士，教授，研究生导师。1998年毕业于中国人民解放军国防科学技术大学，获工学学士学位，2006年毕业于东北大学，获工学博士学位。主要研究方向：复杂互连系统、网络鲁棒性与混沌。近年来，在《计算机学报》、《通信学报》、《计算机研究与发展》、MPE等重要国内外学术期刊上发表论文近30篇(第一作者)，其中SCI、EI检索二十余篇。获得计算机软件著作权三项（排名第一），发明专利1项（排名第一）。获辽宁省自然科学学术成果奖2项。参与完成的课题于2013年获中华人民共和国工业和信息化部国防科学技术进步奖三等奖。他作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目1项，主持辽宁省科技厅科技特派员项目1项，主持辽宁省科技厅自然科学基金项目1项，主持沈阳市科技局项目3项。同时，他作为项目主要参与人参加国家863项目1项，参加国家自然科学基金项目3项，参加预研基金项目2项。

第1章
引言 1
1．1 复杂网络的研究概述 3
1．1．1 复杂网络的研究现状 3
1．1．2 Internet的研究现状 4
1．2 复杂网络的鲁棒性分析 6
1．2．1 复杂网络的鲁棒性 7
1．2．2 复杂网络故障的诊断和定位 10
1．2．3 复杂网络可靠性研究的发展趋势 11
1．3 互联网的鲁棒性分析 12
1．3．1 互联网鲁棒性研究的意义 12
1．3．2 互联网鲁棒性研究的主要工作 18

第2章
复杂网络鲁棒性分析的形式化分析 21
2．1 复杂网络的基本概念 23
2．1．1 复杂网络的统计特征 24
2．1．2 复杂网络的经典模型 28
2．2 复杂网络相继故障 32
2．2．1 相继故障模型介绍 34
2．2．2 复杂网络的负荷理论分析 35
2．3 复杂网络的鲁棒性 37
2．3．1 鲁棒性的定义 37
2．3．2 鲁棒性的分类 40
2．3．3 鲁棒性的衡量指标 41
2．3．4 鲁棒性的分析手段 42
2．4 复杂网络鲁棒性分析方法 43
2．4．1 鲁棒性分析步骤 43
2．4．2 鲁棒性的评估指标 44
2．4．3 故障分析策略及仿真手段 48
2．5 复杂网络的脆弱性和可靠性 49
2．5．1 脆弱性 49
2．5．2 可靠性 52

第3章
标度网络的鲁棒性分析与研究 55
3．1 标度网络模型构造 57
3．2 标度网络的特征分析 62
3．2．1 平均路径长度 62
3．2．2 聚集系数 62
3．2．3 幂律分析 62
3．2．4 谱密度分析 66
3．3 实验模型介绍 71
3．3．1 相继故障软件仿真介绍 71
3．3．2 实验参数介绍 75
3．4 随机攻击下的标度网络鲁棒性分析 77
3．4．1 改变网络负载的随机故障鲁棒性分析 77
3．4．2 改变网络冗余的随机故障鲁棒性分析 80
3．5 蓄意攻击下的标度网络鲁棒性分析 81
3．5．1 改变网络负载的蓄意攻击鲁棒性分析 81
3．5．2 改变网络冗余的蓄意攻击鲁棒性分析 83
3．6 混合攻击下的标度网络鲁棒性分析 85
3．6．1 改变网络负载的蓄意攻击鲁棒性分析 85
3．6．2 改变网络冗余的蓄意攻击鲁棒性分析 87

第4章
小世界网络的鲁棒性分析与研究 91
4．1 小世界网络模型构造 93
4．1．1 WS小世界模型 94
4．1．2 NW小世界模型 97
4．2 小世界网络的特征分析 101
4．2．1 小世界网络的平均距离 101
4．2．2 小世界网络的聚集系数 102
4．2．3 小世界网络的度分布 103
4．2．4 小世界网络的特征谱 104
4．3 随机攻击下的小世界网络鲁棒性分析 107
4．3．1 改变网络负载的随机故障鲁棒性分析 107
4．3．2 改变网络冗余的随机故障鲁棒性分析 109
4．4 蓄意攻击下的小世界网络鲁棒性分析 111
4．4．1 改变网络负载的蓄意攻击鲁棒性分析 111
4．4．2 改变网络冗余的蓄意攻击鲁棒性分析 113
4．5 混合攻击下的小世界网络鲁棒性分析 115
4．5．1 改变网络负载的蓄意攻击鲁棒性分析 115
4．5．2 改变网络冗余的蓄意攻击鲁棒性分析 117

第5章
互联网鲁棒性分析与研究 119
5．1 网络测量与样本提取 121
5．1．1 互联网流量特点 122
5．1．2 网络拓扑测量技术 124
5．1．3 拓扑数据修正 129
5．1．4 单点测量对幂律的影响 146
5．2 随机攻击下的网络鲁棒性 148
5．2．1 互联网相继故障的产生 149
5．2．2 随机攻击原理 150
5．2．3 改变负载的互联网随机攻击鲁棒性分析 150
5．2．4 改变冗余的互联网随机攻击鲁棒性分析 152
5．3 蓄意攻击下的网络鲁棒性 153
5．3．1 蓄意攻击原理 153
5．3．2 改变负载的互联网蓄意攻击鲁棒性分析 154
5．3．3 改变冗余的互联网蓄意攻击鲁棒性分析 156
5．4 混杂攻击下的网络鲁棒性 157
5．4．1 混杂攻击原理 157
5．4．2 改变负载的互联网混杂攻击鲁棒性分析 157
5．4．3 改变冗余的互联网混杂攻击鲁棒性分析 159

第6章
网络鲁棒性度量 161
6．1 网络鲁棒性度量评价指标 163
6．1．1 抗摧毁性度量 163
6．1．2 可用性度量 164
6．1．3 网络成本度量 165
6．2 多维网络鲁棒性度量 166
6．2．1 多维鲁棒性度量提取方法 167
6．2．2 网络鲁棒性度量测量集 170
6．2．3 网络鲁棒性度量方法 171
6．3 多种基本鲁棒性度量 172
6．3．1 基于最短路径鲁棒性度量 173
6．3．2 基于临界点与边移除的鲁棒性度量 175
6．3．3 基于度分布熵的鲁棒性度量 176
6．3．4 基于网络弹性鲁棒性度量 178
6．4 网络鲁棒性的优化 181
6．4．1 基于负载重分的鲁棒性优化 181
6．4．2 基于系统容量的鲁棒性优化 184
6．4．3 基于网络弹性的鲁棒性优化 188

第7章
结束语 193
7．1 本书的总结 195
7．2 下一步工作与展望 195

致谢 197
参考文献 199