基于双曲坐标和社区结构的攻击策略下抗毁性分析

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复杂网络化系统在随机失效或者蓄意攻击下依然能持续提供核心服务的能力吸引了人们越来越多关注,复杂网络的抗毁性研究从网络拓扑角度来分析系统能抵抗攻击的能力,这将为网络化系统拓扑结构的优化提供指导意义。网络在双曲几何框架下表现出了适航性等特性,为基于拓扑结构的网络抗毁性研究提供了新的视角。双曲映射算法是实现双曲几何框架应用价值的重要前提,其将现实网络与该网络在双曲空间中的“像”相匹配,若网络中节点的双曲坐标匹配程度越高,映射算法准确度越高。针对已有映射算法时间复杂度太高及映射准确度问题,首先提出了一种社区紧密度指标CC,然后利用网络社区及其层次结构,提出了基于CC的顶层和第二层社区排序算法,以确定社区集合在双曲圆盘上的顺序;进而利用网络社区结构具有层次性特征,提出了一种基于社区-扇区假设的HMCS双曲映射算法。为进一步提高网络中节点映射坐标的准确度,基于HMCS,提出了HMCSAO映射算法。实验结果表明,HMCSAO的时间复杂度为2O(N),映射准确度高于已有Hyper Map(3O(N))和CHM(2O(N))方法,而HMCS映射准确度尽管略低于已有算法,但针对稀疏网络其时间复杂度降为线性。现实网络存在社区结构特征,连接不同社区的桥接节点在网络拓扑和功能上占据了重要地位。利用网络在双曲几何框架下的适航性,从信息流角度来度量节点对网络生存性的重要程度,提出了基于双曲坐标的节点中心性指标LIC。节点的LIC值越大,其对网络生存性的影响越大。实验分析表明,社区结构网络中的桥接节点具有较高LIC值,与点介数指标相比,LIC指标具有较低的计算复杂度,网络中高LIC值节点的失效使得网络的生存性能下降的更快。基于所提出的LIC指标,提出了一种攻击网络桥接节点的攻击策略NCLIC,并分析了网络在不同攻击策略下的抗毁性能。实验结果及分析发现,NCLIC与基于全网络范围的攻击策略NLIC相比,能更快的分解网络,特别是社区结构明显的Power网络;对网络社区生存性能的分析发现,当攻击的高LIC值节点比例较小时,社区的最大连通分支尺寸和平均反测地线距离在NCLIC攻击下下降的更快。随着攻击节点比例增加,社区在NLIC攻击下被粉碎,在NCLIC攻击下依然有连通分支的存在。分析结果进一步表明,社区结构体现了网络的结构性功能特征,当网络受到蓄意攻击时,攻击点所在的社区将受到大的影响,而社区外的网络则影响较小;而面对社区的蓄意攻击将对网络整体连通性产生严重的影响。
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