一种基于预警保护机制的提高耦合网络鲁棒性的方法技术

技术编号:20164475 阅读:37 留言:0更新日期:2019-01-19 00:17
一种基于预警保护机制的提高耦合网络鲁棒性的方法,建立耦合网络模型,计算并记录耦合网络中每个节点的度、初始负载、安全容量;对网络中受到攻击发生故障的节点进行处理,按照故障节点负载分配规则将故障节点上的负载分配到其邻居节点;启动预警保护机制来抵御级联故障,节点容量从安全容量上升到预警容量,对于负载量在安全容量与预警容量之间的预警节点,将多于安全容量的负载量按照预警节点负载分配规则分配给相连的安全节点,直至故障结束停止保护机制。本发明专利技术提出耦合网络的预警保护机制,对故障节点、预警节点和安全节点分别进行了不同的保护处理,可以有效地提高相互依赖网络抵抗连锁故障的能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于预警保护机制的提高耦合网络鲁棒性的方法
本专利技术涉及多层网络可靠性领域,特别是指一种基于预警保护机制的提高耦合网络鲁棒性的方法。
技术介绍
现实世界中,完整的复杂系统由许多相互依赖的系统组成,不同的基础设施与其他基础设施相结合。这些系统之间的耦合关系确保了这些系统能够成功运作,从而为人类提供多样的服务。由于这种耦合和相互依赖性,耦合网络对故障非常敏感。一旦故障发生在基础设施网络中,可能导致整个网络的连锁故障,造成严重的经济后果。因此,耦合网络级联失效已经引起人们极大的关注并被广泛研究。在大多数现代网络中,普遍存在节点间的流量传输和信息交互,例如电网运输电流,交通网络的车辆移动等。因此,关于相互依赖网络中迭代级联故障的工作不应只集中在相互依赖的网络的静态属性上,也应该考虑节点上的动态负载,负载的动态变化以及节点在实际相互依赖的基础网络中处理额外负载的能力也极为重要。网络的传输流量可以通过“负载”来度量,容量衡量了一个节点可以传输负载的能力大小。在实际网络中,如果一个节点的容量较大,则该节点可以提供更好的服务或更关键的资源来维持其他网络中对端节点的正常和高效运行。一般认为,只要节点的负载超过其容量,节点就立即被移除。事实上,由于一定的监测和有效的措施,并不是所有的过载节点都将从网络中移除。现实中部分系统中节点的负载超过容量也能暂时地运行,但是系统的效率会受到较大的影响,并且长时间超负荷地运转也必然会导致最终的故障,进而造成整个系统的故障。因此设计一种应对因节点超载而发生级联故障乃至网络崩溃的保护机制显得十分必要,使得耦合网络的鲁棒性得到提高。专利技术内容为了缓解网络中故障节点的负载分配而导致的级联故障的扩散,保护更多的节点不受故障影响,提升耦合负载网络的鲁棒性,本专利技术提出一种基于预警保护机制的提高耦合负载网络鲁棒性的方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于预警保护机制的提高耦合网络鲁棒性的方法,包括以下步骤:步骤一:构建耦合网络模型G=(A,B,E),其中A是一个无向无权网络A(VA,EA),VA表示网络A中的节点,EA表示网络A中的连边,网络A的节点数为N;B是一个和A具有同样节点数目和类型的网络B(VB,EB),VB表示网络B中的节点,EB表示网络B中的连边;E表示连接网络A、B的耦合链接集合,一条耦合链接由随机选取的一个网络A的节点和一个网络B的节点连接而成,每条耦合链接只能连接网络A或B中的一个点,耦合链接总数为N;耦合链接具有依赖性,即如果耦合链接的一端节点发生故障,则另一端节点也会同时发生故障;步骤二:计算并记录网络A和B中每个节点的度,每个节点的度等于该节点的连边数量;步骤三:计算耦合网络中任意节点i的初始负载其中ki是节点i的度;α是可调参数,控制节点初始负载的强度;遍历整个耦合网络,计算每个节点的初始负载;步骤四:计算耦合网络中任意节点i的容量Ci=(1+β)*Li,其中常量β是安全容量冗余,控制节点的容量大小;遍历整个耦合网络,计算每个节点的容量;步骤五:当没有节点发生故障时,该方法中止;当有某个节点i受到攻击发生故障时,由于依赖特性导致与节点i通过耦合链接相连的耦合节点发生故障;故障节点上的负载会按照故障节点负载分配规则将负载分配到其邻居节点,然后断开故障节点与邻居节点的连边并将故障节点从网络中删除;故障节点负载分配规则为故障节点i分配给任意一个邻居节点j的负载量与该邻居节点j的容量成比例:其中Γn表示节点i的邻居节点的集合;步骤六:网络启动预警保护机制来抵御级联故障,任意节点g容量从安全容量上升到预警容量w为预警系数,控制预警容量的大小;遍历整个耦合网络,每个节点的容量都从安全容量上升到预警容量;步骤七:任取一个网络节点s,如果节点上负载与容量状况为Ls≤Cs,新的负载量在安全容量Cs以下,则节点处于安全状态,能够不故障并完好的运行,进入步骤十;步骤八:如果节点s上负载与容量状况为新的负载量在预警容量与安全容量Cs之间,则节点暂时处于预警状态并仍能安全地运行;此外预警节点s会把多于安全容量的负载Ls-Cs按照预警节点负载分配规则分配给相连的安全节点;预警节点负载分配规则为预警节点s分配给任意一个相连的安全节点m的负载量与节点m的剩余容量成正比:其中Γn表示节点s的邻居节点的集合,进入步骤十;步骤九:如果节点s上负载与容量状况为新的负载量超过预警容量则节点s处于故障状态,同时由于依赖特性导致与节点s通过耦合链接相连的耦合节点发生故障,故障节点的全部负载按故障节点负载分配规则分配给邻居节点,然后断开故障节点与邻居节点的连边并将故障节点从网络中删除;步骤十:遍历整个耦合网络,对所有的网络节点,重复步骤七到九,直到没有故障节点产生;经过以上处理,将极大地减少故障节点的数目,缓解网络的级联故障,提高耦合网络的鲁棒性。本专利技术的技术构思为:本专利技术提出预警保护的概念,拓展了实施有效保护措施后过载节点不一定故障的思路,对耦合网络遭受攻击后产生的故障节点、预警节点和安全节点进行了不同的处理,定义了合理的节点负载分配方案;使得耦合网络在面对故障时,能通过有限的成本保护更多的节点,缓解级联故障,提高网络的鲁棒性。本专利技术的有益效果为:提出耦合网络的预警保护机制,可以有效地提高相互依赖的网络抵抗连锁故障的能力。附图说明图1说明了预警保护机制在两个相互依存的网络A和B中的级联故障的作用过程。网络A中的每个节点具有处理其上的额外负载的有限容量,并且依赖于网络B中的一个且仅一个节点来保持其正常和有效的功能,反之亦然。网络A和B之间的耦合链接显示为黑色粗实线,而A网络或B网络的内部连边为黑色细实线,黑色箭头线代表负载分配流向,带“×”白圆表示失败的节点,黑圆为预警状态节点,白圆为安全节点。其中,子图(a)中,网络A中由于移除或攻击而导致节点A6故障,导致网络A与B之间的链路A6→B6断开(“×”),并且A6上的负载重新分配到A5和A7,断开A6与周围节点的连边。子图(b)中,假设A7可以处理从故障节点A4接收的额外负载,A5接受负载后的新负载量超过安全容量但是低于预警容量处于预警状态,于是将多余的负载分配到A4,A4接受负载后也进入预警状态,将超过容量的负载分配到A1、A3,因此A4、A5都安全。B6由于与A6的依赖关系而故障,于是B6上的负载重新分配到B5和B8。子图(c)中,假设B8和B5接受到来自故障节点B6的额外负载后分别故障和进入预警状态,先处理故障节点的负载分配,网络A与B之间的链路B8→A8断开(“×”),并且B8上的负载分配到B3和B7,断开A6与周围节点的连边。子图(d)中,进入预警状态的节点B5将多余的负载分配到节点B4,同时预警节点B3将多余的负载分配到节点B2和B4,B2收到过多的负载也成为预警节点,B2将过量的负载分配到节点B1后都回到安全状态。子图(e)中,B7收到B8的负载成为了预警节点,但是没有周围邻居节点可以分配多余的负载,不能长时间运行,因此按故障节点处理,A7由于依赖关系也故障。此后没有进一步的节点消除和网络中断发生。这种级联的故障导致6个节点的故障,可以明显看到没有预警机制的保护将会导致更大的故障。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于预警保护机制的提高耦合网络鲁棒性的方法,其特征在于:包括以下步骤:步骤一:构建耦合网络模型G=(A,B,E),其中A是一个无向无权网络A(VA,EA),VA表示网络A中的节点,EA表示网络A中的连边,网络A的节点数为N;B是一个和A具有同样节点数目和类型的网络B(VB,EB),VB表示网络B中的节点,EB表示网络B中的连边;E表示连接网络A、B的耦合链接集合,一条耦合链接由随机选取的一个网络A的节点和一个网络B的节点连接而成,每条耦合链接只能连接网络A或B中的一个点,耦合链接总数为N;耦合链接具有依赖性,即如果耦合链接的一端节点发生故障,则另一端节点也会同时发生故障;步骤二:计算并记录网络A和B中每个节点的度,每个节点的度等于该节点的连边数量;步骤三:计算耦合网络中任意节点i的初始负载

【技术特征摘要】
1.一种基于预警保护机制的提高耦合网络鲁棒性的方法,其特征在于:包括以下步骤:步骤一:构建耦合网络模型G=(A,B,E),其中A是一个无向无权网络A(VA,EA),VA表示网络A中的节点,EA表示网络A中的连边,网络A的节点数为N;B是一个和A具有同样节点数目和类型的网络B(VB,EB),VB表示网络B中的节点,EB表示网络B中的连边;E表示连接网络A、B的耦合链接集合,一条耦合链接由随机选取的一个网络A的节点和一个网络B的节点连接而成,每条耦合链接只能连接网络A或B中的一个点,耦合链接总数为N;耦合链接具有依赖性,即如果耦合链接的一端节点发生故障,则另一端节点也会同时发生故障;步骤二:计算并记录网络A和B中每个节点的度,每个节点的度等于该节点的连边数量;步骤三:计算耦合网络中任意节点i的初始负载其中ki是节点i的度;α是可调参数,控制节点初始负载的强度;遍历整个耦合网络,计算每个节点的初始负载;步骤四:计算耦合网络中任意节点i的容量Ci=(1+β)*Li,其中常量β是安全容量冗余,控制节点的容量大小;遍历整个耦合网络,计算每个节点的容量;步骤五:当没有节点发生故障时,该方法中止;当有某个节点i受到攻击发生故障时,由于依赖特性导致与节点i通过耦合链接相连的耦合节点发生故障;故障节点上的负载会按照故障节点负载分配规则将负载分配到其邻居节点,然后断开故障节点与邻居节点的连边并将故障节点从网络中删除;故障节点...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨旭华冯文灏
申请(专利权)人:浙江工业大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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