淡然一笑

无尺度网络6——无尺度网络的“软肋”- -

                                      

      人们对电力网络和通信网络的依赖程度日益增高，凸现了一个广受关注的问题：这些网络到底有多可靠？好消息是复杂网络对意外故障具有很强的承受能力。实际上，虽然每时每刻网络上都有数百个路由器失效，但因特网却很少因此受到大的影响。生命系统同样也具有这种强韧性：虽然细胞内存在诸如突变和蛋白质出错等数以千计的错误，但人体却极少因此发生严重的后果。这种强韧性的来源是什么呢？
      直觉告诉我们，如果大部分节点发生瘫痪，将不可避免地导致网络的分裂。对随机网络而言，这是绝对正确的：随机网络中若有较大部分的节点被去除，网络必然溃散成彼此无法通讯的小型孤岛。不过无尺度网络的模拟结果，则展现了全然不同的情况：即使从因特网路由器中随机选择的失效节点比例高达80％，剩余的路由器还是能组成一个完整的集群并保证任意两个节点间存在通路。要扰乱细胞内的蛋白质交互网络也同样困难：我们的测量显示，即使在细胞内随机制造较高比例的突变，那些没有改变的蛋白质还是会正常地继续合作。
      总的来说，无尺度网络对意外故障具有惊人的强韧性，这一特性本质上源于这些网络的非同质拓扑结构。随机去除的方式所破坏的主要是那些不重要的节点，因为它们的数目远大于集散节点。与那些几乎连结所有节点的集散节点相比，那些不重要的节点只拥有少量的连结，因而去除它们不会对网络拓扑结构产生重大的影响。但是，对集散节点的依赖，也带来了一个严重问题：面对蓄意攻击时，网络可能不堪一击。（参见无尺度网络8——图）
      通过一系列的模拟，我们发现，只要去除少数几个主要集散节点，就可导致因特网溃散成孤立无援的小群路由器。类似地，对酵母的实验也显示，去除那些高连结性的蛋白质，比去除其他节点更容易导致酵母菌死亡。这些集散节点是决定性的，一旦发生使它们无法运作的突变，极有可能会导致整个细胞死亡。

      对集散节点的依赖，视系统的不同，既有利也有弊。对因特网和细胞而言，能够应付随机出现的意外故障，当然是个大优点。此外，细胞对集散节点的依赖，也给药物研究者提供了新的方法：有可能找到这样的药物，能针对性地攻击细胞或者细菌的集散节点，以便杀死它们而又不会影响健康的组织。不利的情况也有：少数消息灵通的黑客只要攻击一些集散节点，就足以搞垮整个通信基础网络，这正是人们关心的焦点。
      无尺度网络的这一致命缺陷，引发了这样一个问题：到底有多少集散节点是必不可少的?最近的研究表明，总的来说，只要有5—10％的集散节点同时失效，就足以搞垮系统。我们对因特网的实验显示，一次有组织的协同攻击，只要去除掉若干个集散节点(先去除最大的，再去除次大的，依次类推)，就足以造成重大破坏。因此，为了避免因恶意攻击带来网络的大规模破坏，最有效的办法就是保护好集散节点。不过，要想知道特定的网络系统到底有多容易被破坏掉，还有待进一步的研究。例如，如果Genzyme和Genentech这样的集散节点一旦失去作用，是不是美国的生物产业会因此而崩溃呢?

- 作者： 刘定一 2005年03月4日, 星期五 09:13 加入博采