复杂通信网络传输容量与级联效应安全防护综合研究

The network resources should be utilized maximally for optimizing the network traffic capacity, while extra resource is preserved for defending the propagation of cascade failures to avoid serious consequences. The traffic capacity and cascade are interrelated and inseparable. However, the current studies that focus on traffic capacity and cascade safety are separately, neglecting the integrated study between the traffic capacity and cascade. Considering the lack of characteristic representation of current node based traffic model or link based traffic model, this project intends to build the node and link integrated traffic model including the cascade phenomenon. Based on the integrated traffic model, we mainly study (1)with limited cascade safety parameter, enhancing the traffic capacity by optimizing the weight of each network element incrementally, hybrid routing, multi-paths routing and regulating network structure with low cost; (2)with given traffic capacity, proposing spare neighbor resource based local load redistribution mechanism to promote the cascade safety; (3)optimizing the distributions of available resources and extra resources to achieve both high traffic capacity and large cascading safety parameter. Finally, we hope this study can be employed in optimizing the performance of exist networks or designing future networks.

网络传输容量优化寻求资源利用最大化，而级联防护要求预留额外资源以防级联故障传播造成严重后果，二者在网络资源利用上形成竞争关系，互相关联，密不可分。然而当前研究均分别关注复杂网络传输容量和级联安全问题，对二者综合研究关注不足。本项目拟首先针对目前基于节点或链路瓶颈的流量模型对实际网络流量特征表征不足问题，建立基于节点与链路共同制约且融合级联效应因素的综合流量模型。基于该综合流量模型与已有研究基础，拟主要研究（1）级联安全限定时，通过增量式权重优化、混合路由、多径路由与低代价优化网络结构等方法提高网络传输容量；（2）传输容量需求给定时，提出基于剩余邻居资源的局部流量分散级联保护策略提高级联安全系数；（3）网络传输容量的可用资源与预留的额外资源分布优化，实现网络容量与级联安全兼顾。最终为现有网络优化或未来网络设计提供理论基础与仿真依据。

当今传输网络（包括通信网络、交通网络等）的主要瓶颈在于流量过载导致网络拥塞，以及可能导致级联失效事件的传播。拥塞与级联传播看似技术分离，实则密切相关。拥塞的传播就是典型级联传播过程。反之，级联传播导致拥塞加剧。二者相互关联，密不可分。然现有研究鲜有综合研究拥塞与级联传播。本项目正是以此为出发点，综合研究拥塞问题与级联传播问题。主要内容：1）网络拥塞方面，本项目主要研究通过路由优化来实现轻量级拥塞缓减机制，提出一种基于签到服务的路由算法与服务点部署策略，可用于缓减交通拥堵与辅助签到服务点部署决策；评估TTL对网络传输容量的影响，对合理设置TTL提供基础；考虑到现实网络中的节点容量与链路带宽非均匀分布，提出一种基于节点容量与一种基于链路带宽的路由策略，有效分散中心点的流量，缓减拥塞，并在部分实际网络中进行了初步测试，具有一定的效果；出版专著一部，较系统介绍网络传输容量的含义、分析优化途径以及最新研究成果，在该研究方向尚属首部专著，已被诸多研究者作为参考。2）级联效应方面，研究了链路有向化对级联传播的影响，结果表明链路有向化加剧了级联传播，与有向化可增加网络容量形成鲜明对比；提出一种基于剩余邻居节点容量的级联抑制模型，可有效抑制级联的传播；研究了NFV中级联传播模型，并对级联安全就行了评估；研究了级联传播中的重要节点集问题，有效定位级联源；研究了城市路网中的交通拥堵级联现象，挖掘拥堵传播模型，为城市管理决策提供支持；研究了信任模型中的信任传播与级联现象。项目研究成果丰硕（共计发表SCI检索期刊论文13篇，EI国际会议论文1篇，专利申请1项，专著1部），均具有较高的潜在应用价值。