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レジリエントなネットワーク増強の自律分散メカニズムの解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K21658
補助金の研究課題番号 21H03425 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分60060:情報ネットワーク関連
研究機関北陸先端科学技術大学院大学

研究代表者

林 幸雄  北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (70293397)

研究分担者 長谷川 雄央  茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (10528425)
田中 敦  山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (30236567)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
13,130千円 (直接経費: 10,100千円、間接経費: 3,030千円)
2024年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2023年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2021年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
キーワードネットワーク科学 / 頑健性 / ループ(サイクル)形成 / 代替経路 / モジュール化 / 逆優先的選択 / 自己修復 / 連鎖的過負荷故障 / 再構築 / メッセージ伝搬法
研究開始時の研究の概要

現実の多くのインフラネットワークは非常に脆弱で、それら脆いもの同士が支え合っているが、特に遠隔制御など通信を担う情報ネットワークは極めて重要である。一方、甚大な被害をもたらす自然災害や悪意のある攻撃による脅威が年々増大する中で、現状は場当たり的な対処となっている。しなやかな復活力を持つ「レジリエンス」が近年注目されてはいるが、概念的な議論に留まり、分断化を防ぐネットワークの設計・運用の指針は示されていない。

そこで、最新の研究動向を踏まえたネットワーク科学や統計物理学の手法を活用した定量的なシミュレーションや理論解析から、自律分散処理に基づくネットワーク増強の実現メカニズムを明らかにする。

研究実績の概要

近年の統計物理学の知見等から、ネットワークの基本機能である連結性は、木構造に一旦なってしまうと脆く、逆に木構造になりにくい程、耐性が強いことが理論的に示唆されている。そこで、従来の場当たり的な対処ではなく、より良い(レジリエンス:しなやかな復活力を持つ)ネットワークの再構築を目指す科学的根拠を探るべく、いかなる故障や災害に遭遇しても出来る限り木構造にならない為にループを強化するには、どんな構築や修復が望ましいかを明らかにする。
一昨年、ループに関連する代替経路の実用的な計数法を提案して、その有効性をEU国間通信網等のデータを用いて定量的に明らかにした。昨年は、最小次数ノード間のリンク追加及び、逆優先的選択による次数分布の連続変化で、結合耐性と通信効率を両立させ、分布幅が最小極限のレギュラー構造の最適性を見出した。今年度は更に以下の成果を得た。
・次数分布の連続変化で分布幅を狭くする程、連鎖的な過負荷故障への耐性強化にも効果的であることを定量的に示し(国際学術論文誌1件)、分散データセンターの配置問題にも応用した(国際会議1件)。また、災害時などを想定した衛星通信によるリンク追加の効果を検討した(国際会議1件)。さらに、リンク追加における浸透相転移の理論解析を行った(国内研究会1件)。
・最適耐性を持つレギュラーグラフ(国内研究会1件)でも、モジュール/コミュニティ構造が加わると脆弱化することを新発見した(国際会議1件)。
・光ファイバー等のケーブルで構成された国内の基幹通信網に対して列島を周回する海底ケーブルを追加すると、各二地点間の非交差経路の組合せ数が大きく増加することを定量評価した(国際会議と国内研究会各1件)。
・ループ強化の指標となる(NP困難な)最小フィードバック頂点集合を近似的に求めるメッセージ伝搬法が、高速に収束するメカニズムを明らかにした(国際学術論文誌1件)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

初年度は主に、ループ強化に基づく自己修復の分散アルゴリズム化や、次数分布の連続変化による頑健性強化の基本的性質を明らかにしてきた。次年度は、典型的な次数順攻撃から空間攻撃に拡張した際の自己修復の耐性分析に発展させ、(現実の多くのネットワーに共通して存在する)べき乗次数分布から指数分布を経てより幅が狭い分布の中で(鎖状構造等の無いランダム結合で次数分布のみの影響として)、最小極限のレギュラー構造が攻撃への最適耐性を示すことを見出して、リンク追加としては最小次数ノード結合が頑健性向上に本質的に寄与することを明らかにした。
今年度はさらに、一般論としては、ループ強化に関連したメッセージ伝搬法が高速となる理由を探り当て、次数分布の幅が狭くなるほど(リンクの媒介中心性分布が狭くなり特定リンクを通過する経路への集中が無くなって)代替となり得る最短経路の本数が増えて許容量の超過を抑えた並列的情報流が可能となることで連鎖的な過負荷故障への耐性も強化される一方、最適な結合耐性を持つ場合でもモジュール/コミュニティ構造が加わると脆弱化することを新たに発見した。但し、これらのうち一部の内容は学術論文になっていない。
また、より現実的な課題への発展形としては、分散データセンターの配置問題への応用、衛星通信によるリンク追加の地域メッシュ人口データを用いた効果分析、国内基幹通信網への周回海底ケーブル追加による非交差経路(代替路)の組合せ数増加、等の定量的評価を行った。
これらの成果は、国際学術論文2件、国際会議予稿集3件と口頭発表のみ1件、国内研究会発表3件としてまとめることができた。以上から、おおむね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

最終年度として、これまでに得られた途中成果を整理しつつ、特に海底ケーブルの追加効果などに関して学術論文出版化を目指す。
また、期間中には未解決で残る可能性がある部分についても、それらの解決に向けて出来るだけ具体的な方向性を見出しながら検討していく。
一方、計算サーバなど設備的には充実してはいるが、さまざまな攻撃に対する種々のパラメータの組合せでランダム生成したデータ平均値を求める大規模シミュレーションの為、メモリ拡充や(災害時を含めた瞬電に耐えられる)無停電電源装置の交換などで対処していく。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (42件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (18件) (うち査読あり 14件、 オープンアクセス 10件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 11件、 招待講演 1件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Special Section on Recent Progress in Nonlinear Theory and Its Applications2024

    • 著者名/発表者名
      Yukio Hayashi
    • 雑誌名

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      巻: 15 号: 2 ページ: 205-205

    • DOI

      10.1587/nolta.15.205

    • ISSN
      2185-4106
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Investigating stronger tolerant network against cascading failures in focusing on changing degree distributions2024

    • 著者名/発表者名
      Ryota Kusunoki, and Yukio Hayashi
    • 雑誌名

      PLOS ONE

      巻: 20 ページ: 1-20

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 基幹通信網を拡張する周回海底ケーブルの迂回効果2024

    • 著者名/発表者名
      田中 敦, 林 幸雄
    • 雑誌名

      電子情報通信学会 総合大会 予稿集

      巻: 1

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Effect of the Expansion of the Domestic Backbone Telecommunications Network2023

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Tanaka, and Yukio Hayashi
    • 雑誌名

      Proceeding of NOLTA

      巻: 1 ページ: 138-141

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High modularity reduces robustness of connectivity even from the optimal case2023

    • 著者名/発表者名
      Jaeho Kim, and Yukio Hayashi
    • 雑誌名

      The 12th International Conference on Complex Networks and their Applications, Book Abstract

      巻: 1 ページ: 306-308

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Revitalizing Cellular Networks: Satellite Integration and Robust Topological Strategies2023

    • 著者名/発表者名
      Yingzhou Mou, and Yukio Hayashi
    • 雑誌名

      The 12th International Conference on Complex Networks and their Applications, Book Abstract

      巻: 1 ページ: 372-374

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 進展するネットワーク科学 -逆優先的選択と最適な結合耐性を中心に-2023

    • 著者名/発表者名
      林 幸雄
    • 雑誌名

      信学技法

      巻: CCS2023-22 ページ: 26-30

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Adding links on minimum degree and longest distance strategies for improving network robustness and efficiency2022

    • 著者名/発表者名
      Chujyo Masaki、Hayashi Yukio
    • 雑誌名

      PLOS ONE

      巻: 17 号: 10 ページ: 1-20

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0276733

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Practical counting of substitutive paths on a planar infrastructure network2022

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Yukio、Tanaka Atsushi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 号: 1 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1038/s41598-022-18927-w

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Emergence of robust and efficient networks in a family of attachment models2022

    • 著者名/発表者名
      Liao Fuxuan、Hayashi Yukio
    • 雑誌名

      Physica A: Statistical Mechanics and its Applications

      巻: 599 ページ: 127427-127427

    • DOI

      10.1016/j.physa.2022.127427

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Impact of assortative mixing by mask-wearing on the propagation of epidemics in networks2022

    • 著者名/発表者名
      Watanabe Hiromu、Hasegawa Takehisa
    • 雑誌名

      Physica A: Statistical Mechanics and its Applications

      巻: 603 ページ: 127760-127760

    • DOI

      10.1016/j.physa.2022.127760

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cascading Behavior of an Extended Watts Model on Networks2022

    • 著者名/発表者名
      Nishioka Shinji、Hasegawa Takehisa
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 91 号: 12 ページ: 124801-124801

    • DOI

      10.7566/jpsj.91.124801

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Optimal network robustness in continuously changing degree distributions2022

    • 著者名/発表者名
      Masaki Chujyo, and Yukio Hayashi
    • 雑誌名

      Proceeding of Complex Networks & Their Applications XI

      巻: 2 ページ: 395-406

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effective Algorithm for Counting Non-intersecting Path Pairs2022

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Tanaka, and Yukio Hayashi
    • 雑誌名

      Proceeding of NOLTA2022

      巻: 1 ページ: 61-64

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Distributed Self-Healing for Resilient Network Design in Local Resource Allocation Control2022

    • 著者名/発表者名
      Kim Jaeho, Hayashi Yukio
    • 雑誌名

      Frontiers in Physics

      巻: 10 ページ: 1-16

    • DOI

      10.3389/fphy.2022.870560

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 連続変化する次数分布における複雑ネットワークの攻撃耐性2022

    • 著者名/発表者名
      中条雅貴, 林 幸雄
    • 雑誌名

      日本物理学会 第77回年次大会 予稿集

      巻: 1 ページ: 15-19

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] ネットワーク科学から示唆される望ましい自律分散社会に向けて2022

    • 著者名/発表者名
      林 幸雄
    • 雑誌名

      第34回自律分散システム・シンポジウム, 予稿集

      巻: 1 ページ: 63-67

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Improvement of the robustness against attacks in continuously varying degree distributions2021

    • 著者名/発表者名
      Masaki Chujyo, Yukio Hayashi
    • 雑誌名

      BookOfAbstractsCNA2021

      巻: 1 ページ: 569-571

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Configuration of a data-center network for strong accessibility and load balancing2024

    • 著者名/発表者名
      Jaeho Kim, and Yukio Hayashi
    • 学会等名
      10th Anniversary Korea-Japan Joint Workshop on Complex Communication Sciences
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 基幹通信網を拡張する周回海底ケーブルの迂回効果2024

    • 著者名/発表者名
      田中 敦, 林 幸雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会 総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Effect of the Expansion of the Domestic Backbone Telecommunications Network2023

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Tanaka, and Yukio Hayashi
    • 学会等名
      NOLTA (Nonlinear Theory and Its Applications) 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High modularity reduces robustness of connectivity even from the optimal case2023

    • 著者名/発表者名
      Jaeho Kim, and Yukio Hayashi
    • 学会等名
      The 12th International Conference on Complex Networks and their Applications
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Revitalizing Cellular Networks: Satellite Integration and Robust Topological Strategies2023

    • 著者名/発表者名
      Yingzhou Mou, and Yukio Hayashi
    • 学会等名
      The 12th International Conference on Complex Networks and their Applications
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 進展するネットワーク科学 -逆優先的選択と最適な結合耐性を中心に-2023

    • 著者名/発表者名
      林 幸雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会  複雑コミュニケーション(CCS)研究会/情報ネットワーク(IN)研究会 共催
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ネットワークの双曲性とパーコレーションの相図の関係について2023

    • 著者名/発表者名
      長谷川雄央, 能川知昭
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Distributed Self-healing under restricted communication: the effect on spatial damages2023

    • 著者名/発表者名
      Jaeho Kim, and Yukio Hayashi
    • 学会等名
      International School and Conference on Network Science (NetSci-X)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 標的型攻撃と範囲型攻撃に対するネットワーク頑健性2023

    • 著者名/発表者名
      中条雅貴, 林 幸雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会 総合大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 影響力最大化問題に対する種の感染力に影響する要因2023

    • 著者名/発表者名
      廖 福軒, 林 幸雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会 総合大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 標的型攻撃と範囲型攻撃に対するネットワーク頑健性とループの関係2023

    • 著者名/発表者名
      中条雅貴, 林 幸雄
    • 学会等名
      第18回 ネットワーク生態学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Optimal network robustness in continuously changing degree distributions2022

    • 著者名/発表者名
      Masaki Chujyo, and Yukio Hayashi
    • 学会等名
      The 11th Int. Complex Networks and their Applications
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effective Algorithm for Counting Non-intersecting Path Pairs2022

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Tanaka, and Yukio Hayashi
    • 学会等名
      2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 逆優先的選択によるネットワークのカスケード故障に対する性能評価2022

    • 著者名/発表者名
      楠 涼太, 林 幸雄
    • 学会等名
      日本応用数理学会 2022年度年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 攻撃に対するネットワーク頑健性向上のためのリンク追加法2022

    • 著者名/発表者名
      中条雅貴, 林 幸雄
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 選択的に補強されたランダムネットワークの攻撃に対する頑強性2022

    • 著者名/発表者名
      川澄知代, 長谷川雄央
    • 学会等名
      ネットワーク科学研究会2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 連続変化する次数分布における複雑ネットワークの攻撃耐性2022

    • 著者名/発表者名
      中条雅貴, 林 幸雄
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ネットワーク科学から示唆される望ましい自律分散社会に向けて2022

    • 著者名/発表者名
      林 幸雄
    • 学会等名
      第34回自律分散システム・シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 選択的に補強されたランダムネットワークの攻撃に対する頑健性2022

    • 著者名/発表者名
      川澄知代, 長谷川雄央
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Improvement of the robustness against attacks in continuously varying degree distributions2021

    • 著者名/発表者名
      Masaki Chujyo, and Yukio Hayashi
    • 学会等名
      The 10th Int. Complex Networks and their Applications
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Strongly Robust Onion-like Networks generated in a Family of Attachment Models2021

    • 著者名/発表者名
      Liao Fuxuan, and Yukio Hayashi
    • 学会等名
      Networks 2021: A Joint Conference of Sunbelt and NetSci
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Maximizing network robustness of connectivity by edge additions based on the largest eigenvalue of the non-backtracking matrix2021

    • 著者名/発表者名
      Masaki Chujyo, and Yukio Hayashi
    • 学会等名
      Networks 2021: A Joint Conference of Sunbelt and NetSci
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A proposal of distributed algorithm to reconstruct a robust network by self-healing2021

    • 著者名/発表者名
      Jaeho Kim, and Yukio Hayashi
    • 学会等名
      The 13th International Conference on Adaptive and Self-Adaptive Systems and Applications
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [図書] 複雑ネットワークにおける最適化2023

    • 著者名/発表者名
      林 幸雄
    • 総ページ数
      174
    • 出版者
      近代科学社
    • ISBN
      9784764960558
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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