复杂网络上数据传输博弈的合作性优化与控制研究

How to motivate the cooperation of selfish nodes during the forwarding of packets and improve the performance of networks, become a key problem in the study of packet forwarding cooperation under complex networks. However, the structure of complex networks is dynamic and complexities, which brings a lot of challenges to how to optimize and control the forwarding of packets. This research intends to study the cooperative optimization and control of packet forwarding game in complex networks. The concrete contents include: (1) We propose a unidirectional packet forwarding game model, and analyze the relationship between packet forwarding game model and game theory. We also extend the unidirectional packet forwarding game model to the model in complex networks. (2) We design reasonable and effective indirect reciprocity mechanism. We also study the effects of indirect reciprocity mechanism on individual behaviors in decision. (3) We analyze the optimal strategies of packet forwarding game in the complex networks, and validate the robustness of optimal strategies. Besides, we verify the effectiveness of indirect reciprocity mechanism through numerical simulation, and control the effective forwarding of packets in complex networks based on the theory of optimal strategies. This study will provide a new thought and method for the cooperation of selfish nodes during the packet forwarding, and has the significant theoretical and practical value for solving the optimization and control problem in complex networks.

如何激励自私节点在数据传输过程中的合作，改善网络的整体性能，成为当前复杂网络上数据传输合作研究的一个关键问题。然而，复杂网络结构所特有的动态性以及复杂性，给如何优化与控制数据传输带来诸多挑战。本项目拟对复杂网络上数据传输博弈的优化与控制进行研究。具体内容包括：(1)提出一个单向的数据传输博弈模型，分析当前数据传输模型和博弈论之间的对应关系，并将数据传输模型从单向传输扩展到复杂网络上；(2)设计合理有效的间接互惠机制, 并研究间接互惠信誉机制对网络中个体行为决策的影响；(3)分析复杂网络上数据传输的最优策略，验证最优策略的鲁棒性，通过数值仿真验证间接互惠机制有效性，并以最优策略理论来控制复杂网络上数据的有效传输。本项目的开展将为数据传输过程自私节点的合作研究提供一种新的思路和方法，对解决复杂网络上优化与控制问题具有重要的理论意义和应用价值。

随着面向互联网的复杂应用对大规模计算和海量数据处理的需求，复杂网络上数据传输过程中相互合作方面的研究越来越受到广大研究者们的高度重视。由于节点通信的距离有限，网络功能的实现往往需要网络中各个节点的相互合作。因此，如何激励复杂网络上自私节点在数据传输过程中的合作，改善网络的整体性能并维持网络系统的可持续发展，成为复杂网络上数据传输合作研究的一个关键问题。本项目采用博弈论和信誉系统激励机制相结合的方法来研究复杂网络上数据传输的合作性优化问题，通过构建合理的激励机制，设计有效的信誉机制，来优化网络的整体性能并维持网络系统的可持续发展，以达到控制网络的目的。本项目的实施，能在一定程度上深化复杂网络上关于合作演化的理论成果，具有重要的理论价值；而将复杂网络理论联系到实际的网络这一契合点，并运用博弈论方法来优化网络传输性能，也具有重要的现实意义。截至目前，课题组已经发表的期刊论文共9篇，其中2篇发表在SCI一区top期刊，2篇发表SCI 2区期刊，1篇发表在权威期刊上，如《IEEE transactions on cybennetics》、《SCIENCE CHINA Information Sciences》、《IEEE transactions on information forensics and security》等。另外，项目负责人作为主要成员参与国家自然科学基金重点项目1项，面上项目3项。除原计划发展适用于研究无线网络合作通信的优化方法外，还将博弈优化这种方法，推广到网络上的众包行为研究以及区块链分布式共识算法研究等方面，这为以后的研究工作打下了基础。