[论文解读] Vulnerability of Networks Against Critical Link Failures

Serdar Çolak, Hilmi Luş+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2010

Complex Network Analysis Techniques参考文献 30被引用 8

一句话总结

本文提出一种基于关键链路失效导致连通性中断速率的网络脆弱性度量方法，利用介数中心性对链路进行重要性排序。研究发现，无标度网络在小规模失效下更脆弱但更高效，而埃拉托斯特尼网络尽管缺乏聚类特性，却是最不脆弱的。

ABSTRACT

Networks are known to be prone to link failures. In this paper we set out to investigate how networks of varying connectivity patterns respond to different link failure schemes in terms of connectivity, clustering coefficient and shortest path lengths. We then propose a measure, which we call the vulnerability of a network, for evaluating the extent of the damage these failures can cause. Accepting the disconnections of node pairs as a damage indicator, vulnerability simply represents how quickly the failure of the critical links cause the network to undergo a specified damage extent. Analyzing the vulnerabilities under varying damage specifications shows that scale free networks are relatively more vulnerable for small failures, but more efficient; whereas Erdös-Rényi networks are the least vulnerable despite lacking any clustered structure.

研究动机与目标

• 量化关键链路失效下的网络脆弱性。
• 评估不同网络拓扑结构（无标度网络与埃拉托斯特尼网络）对链路失效的响应。
• 基于连通性损失与路径中断，开发一种脆弱性度量方法。
• 评估失效顺序与损伤程度对网络性能的影响。

提出的方法

• 使用最短路径介数中心性对链路按关键性进行排序。
• 按介数中心性递减顺序模拟链路的顺序失效。
• 将网络脆弱性定义为在失效阈值逐渐增加时连通性损失的速率。
• 比较具有相同规模和平均度但不同度分布的网络。
• 分析失效后的连通性、聚类系数和最短路径长度。
• 将脆弱性定义为达到指定损伤水平所需失效阈值的倒数。

实验结果

研究问题

• RQ1 脆弱性如何随失效顺序与损伤设定而变化？
• RQ2 在关键链路失效下，哪种网络类型——无标度网络或埃拉托斯特尼网络——更脆弱？
• RQ3 在链路逐步失效下，连通性、聚类和路径长度度量如何变化？
• RQ4 网络拓扑在多大程度上影响对目标链路移除的鲁棒性？
• RQ5 在部分连通性损失下，网络效率与脆弱性之间存在何种关系？

主要发现

• 由于对枢纽节点的依赖，无标度网络在小失效阈值下表现出更高的脆弱性。
• 尽管缺乏局部聚类特性，埃拉托斯特尼网络显示出最低的脆弱性。
• 随着失效阈值升高，无标度网络的脆弱性增加得更快。
• 具有高介数中心性的链路在连通性损失方面失效更快。
• 所提出的脆弱性度量能有效捕捉拓扑依赖的鲁棒性差异。
• 完全连通网络最不脆弱但不切实际；真实网络的脆弱性介于完全连通网络与树状结构之间。