2019 Fiscal Year Annual Research Report
レジリエントな自己組織化・自己修復ネットワークの設計・拡張と資源配分
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17H01729
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 敦 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (30236567)
松久保 潤 北九州工業高等専門学校, 生産デザイン工学科, 准教授 (90413872)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ネットワーク科学 / レジリエンス / 自己修復 / 頑健性 / ループ（サイクル）形成 / 玉葱状構造 / k-core / リワイヤ（リンク張替え） |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現状の場当たり的な対策や単なる復元から脱却して根本的なネットワークの設計原理を改め、レジリエントな（しなやかな復活力を持つ）自己修復やシステム拡張を促す自律分散・自己組織化の本質的なメカニズムをネットワーク科学の観点から解明する。情報伝搬の要となるインフルエンサーへの攻撃が長いループを重点的に破壊することを逆手に取った、ネットワークの自己組織化や自己修復による適応選択的な頑健性の強化法を導き、最悪ケースの攻撃に対する互いに通信可能な連結成分の大きさを数値的に調べ、以下を確かめた。
・初年度から昨年度までに見出した、ループ強化を促す協調的な仲介に基づくネットワークの自己組織化法（編著書1冊）を拡張し、（現実の電力網や通信網と同様に）地表などの空間表面上で逐次成長する制約付きの場合でも、強固な結合耐性を持つ玉葱状構造が創発可能なことをシミュレーション実験から示した（学術論文1件）。
・資源に相当するノード数やリンク数を保ったままのリワイヤ（リンク張替え）によって頑健な玉葱状ネットワークを構築することを考え、従来の次数相関の強化から脱却してループ強化に着目した新たな手法を提案し、ループ形成の要となるフィードバック頂点集合:FVSのサイズ拡大が頑健性の向上に密接に関与する想定以上の重要な知見が得られた（国際会議2件、国内研究会1件）。さらに、統計物理における確率伝搬法による近似計算を適用してNP困難な組合せ問題であるFVSの抽出を行い、情報伝搬や頑健性にとって重要な核部分:k-coreにFVSが多く含まれる互いの関連性を数値的に調べる（国際会議2件、国内研究会1件）と共に、現実のネットワーク成長の基本原理と考えられる利己的な優先的選択から協調的な仲介に基づく自己組織化にどう移行すれば頑健な玉葱状構造に移行できるのかについてシミュレーション分析を行った（国際会議1件、国内研究会1件）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
初年度は、長いループの形成に着目した新たな自己組織化設計として（現実のネットワークと比べて通信効率を損なうことなく悪意な攻撃にも強い）頑健なネットワークの逐次成長法、及び、分散処理に適したその範囲限定版の有効性と、現状において最適耐性を持つ玉葱状構造が創発できることをまず明らかにした。昨年度は、ノード間のつながりに関する結合耐性のみならず、情報フローによる負荷も考慮した際に深刻な事態を起こし得るカスケード故障を抑制できる（過剰圧力をバイパス的に逃がして衝撃吸収するのに似た）迂回路によるルーティング法を考案して、レジリエンス機能の実現まで拡張できた。特に、上記の玉葱状ネットワークが、インターネットなどの現実の多くのネットワークと比較して、カスケード故障の抑制により効果的であることも見出すことができた。
今年度は、より本質的なメカニズムの解明に向けて、頑健性の強化は（NP困難な組合せ問題ではあるが）ループ形成の要となるフィードバック頂点集合(FVS)のサイズ増大に密接に関連することを編著書籍にて整理した。また上記に基づき、リワイヤ手法の提案、核部分との関連性や利己的な優先的選択から協調的な仲介に基づく玉葱状構造の創発への移行に関する分析を行った。
自己修復の課題部分についても、論文成果等には未だなっていないが、資源配分として治癒修復に利用できるリンク本数の制限に対して、従来法よりも優れた結合耐性や最短経路長の通信効率を持つ新たな修復法の基本的なアイデアを見つけるに至った。代表的な社会インフラである航空網、インターネットAS間接続、電力網などの数種類の実データで試したところ良好な結果がいくつか得られており、当初の計画以上に進捗できたと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
治癒修復に利用可能なリンク数(ケーブルや航空機など)やポート数(コンセントや滑走路など)の資源は、災害や攻撃の度合いに影響されると考えられ、これをパラメータとした自己修復のシミュレーション実験を更に推進する。その際、攻撃後にネットワークを元のまま復元するよりも、治癒修復でより高いレジリエンス（復活力）を持つネットワークになることが望ましい。すなわち、通信効率は低下させず余分な資源投資も必要とせずに、頑健性を向上させられるネットワークの構造変化を実現する具体的な手段を明らかにしていく。
また昨年同様、研究分担者２人が密接に協力して取り組む体制を維持しながら、優先順位を付けて効率的に上記の検討を進める。
確率伝搬法によるFVS抽出の近似計算の分散処理版については、初期値への依存性や計算の収束回数など、より詳細に調べる。
最終年度であることも考え、リワイヤ手法の研究成果を整理して学術論文として公表したり、自己修復に関しても国際会議発表や論文投稿を目指す。
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Research Products
(12 results)
