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复杂互联系统与网络鲁棒性研究

作译者：徐野

出版时间：2015-09 千字数：150 版次：01-01 页数：220

开本：16(170*240) 装帧： I S B N ：9787121267352

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纸质书定价：￥39.0

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目  录
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
无标度网络的鲁棒性分析与研究	55
3.1  无标度网络模型构造	57
3.2  无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  随机攻击下的无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  蓄意攻击下的无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  混合攻击下的无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

前    言
真实世界中大量功能各异的系统都可以通过网络加以描述。例如，
人类社会是人通过各种社会关系连成的网络，Internet（因特网）是由路
由器和计算机通过通信介质连成的网络，类似的还有电力网络、交通网
络等。这些网络具有很高的复杂性，因此从统计物理学和系统论学的角
度可以被称为“复杂互联系统”，也可以从图论、拓扑学以及计算机和通
信网络学科角度称为“复杂网络”。由于复杂网络理论这门新学科的不断
完善和发展，很多学者都开始利用这一理论方法，并结合系统科学和复
杂性科学的研究，对网络的相继故障及其鲁棒性进行理论解析、数值分
析和实证研究，取得了令人瞩目的成果。
本书也是揭示网络复杂性与鲁棒性的研究成果之一，旨在为复杂网
络遭遇随机故障和蓄意攻击鲁棒性问题提出定量分析方法，并给出形式
化的描述。全书共7 章，第1 章对复杂网络与复杂网络鲁棒性基础进行
了概念性介绍；第2 章提出了复杂网络鲁棒分析的形式化分析方法；第
3 章以无标度网络为实例介绍了鲁棒分析方法与研究结果；第4 章介绍
了小世界网络的鲁棒分析与研究成果；第5 章以实测路由级互联网拓扑
网络为实例，详细分析和介绍了互联网的鲁棒分析与研究成果；第6 章
对复杂网络的鲁棒度量进行了尝试性探索，从多个方面分析了关于鲁棒
度量的方法和模型，目前作者所在的课题组正在对一些基于模糊分析的
鲁棒度量模型进行研究，希望相关成果在今后可以再补充到这本书中。
第7章是结束语和展望。
复杂互联系统和复杂网络研究是一个新兴的交叉学科，目前参考资
料尤其是国内中文参考资料并不丰富，本书以作者近年来的部分研究成
果为基础，尝试将自己在该领域的一些研究历程、心得以及部分经验和
读者分享。
完成本书，我首先要感谢我的导师赵海教授，没有他的引领，我无
法走进浩瀚的学术海洋，也无法形成自成体系的研究思想和成果。其次，
我要感谢课题组的所有成员，尤其是我的2012 级研究生王瑶、徐颖、马
文萱等，为他（她）们的努力付出表示诚挚的感谢。
最后感谢国家自然科学基金面上项目（61373159）、国家自然科学基
金项目（61301256）、辽宁省自然科学基金项目（201003676）、沈阳市科
技应用基础研究计划项目（F13-316-1-22）以及沈阳理工大学重点学科、
重点实验室开放基金项目（4771004kfs18）等资金资助。
作为近年来兴起的研究领域，复杂网络的复杂性以及鲁棒性研究方
兴未艾，大量基础理论问题仍属初始萌发阶段，尚无公论。加之作者水
平有限，书中某些内容可能有不妥和谬误之处，恳请读者批评指正。
作 者
2015 年4月28日

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