0.1 互联带来的脆弱性

乍一看，图0-1中的两幅卫星图像并没有什么区别：光芒四射的区域是人口密集区，黑暗笼罩的地方则是无人居住的森林和海洋。然而，仔细观察之后，我们便能看出其中的差异：图a中闪耀着光芒的多伦多、底特律、克利夫兰、哥伦布和长岛在图b中消失在了黑暗中。这并不是下一部“世界末日”电影里的场景，而是2003年8月14日前后美国东北部的真实情景：一场大面积停电波及了美国东北部8个州、约4500万人，以及安大略湖区的1000万人。

图0-1 2003年北美大范围停电

（a）2003年8月13日美国东部时间晚上9点29分拍摄的美国东北部各州的卫星图像，距离2003年北美大范围停电发生还有20个小时。

（b）停电发生5小时后的卫星图像。

2003年这次大面积停电事件是级联失效的典型案例。网络就像一个运输系统，一个地方的局部失效会使其原本的负载转移到其他节点上。当这些额外负载比较小时，系统可以轻松地将其吸收掉，局部失效被无形化解。然而，当失效节点转移给其邻居节点的额外负载过多时，其邻居节点也会随之失效，负载相应地转移给它们的邻居。一瞬间，级联失效就发生了。级联失效的影响大小取决于最初失效节点在网络中的位置及其容量。

级联失效在很多复杂系统中发生过。互联网中，为躲避失效路由器而对通信流量重新路由时，级联失效便会发生。正常的路由操作有时会造成拒绝服务攻击，导致正常运转的路由器因负载过大而失效。我们经历过金融系统中的级联失效。1997年，国际货币基金组织向几个太平洋国家的中央银行施压，促使其下调贷款额度，多家大型企业的资金链因此断裂，最终引起全球范围的股灾。2009年至2011年期间的金融危机经常被当作级联失效的经典案例——美国次贷危机导致全球经济瘫痪，大量银行和企业倒闭，甚至有政府宣布破产。级联失效也可能是人为导致的。例如，为削弱恐怖组织的运转能力，全球政府共同努力使其资金供应枯竭。与之类似，癌症研究人员试图通过触发细胞的级联失效来杀死癌细胞。

美国东北部停电事件展示了本书的几个重要主题：首先，为避免破坏性的级联失效，对于承载级联传播的网络，我们必须理解其结构特征；其次，我们必须能够对网络上发生的动态过程进行建模，例如电流；再次，我们还需要揭示网络结构和其上发生的动态过程之间的互动是如何影响整个系统的健壮性的。尽管级联失效看上去是随机且不可预测的，实际上它遵循着可再现的规律，这些规律可以被量化，我们甚至可以通过网络科学工具对其进行预测。

停电事件还展示了一个更大的主题：互联带来的脆弱性。实际上，在电力投入应用的前些年，每个城市有各自独立的发电站和电网。然而，电力难以储存，一旦生产出来就必须立刻被消费掉。从经济角度考虑，相邻的城市间开始互联，从而可以共享剩余产能，并在需要时相互借电。今天，电的低价格要感谢电网——把所有电力生产者和消费者连接在一起的网络。电网使低成本生产出的电力能够立刻传输到任何地方，为我们提供了一个网络给人类生活带来正面影响的鲜活例子。

网络的各个部分对于网络整体的影响都不容忽视。例如俄亥俄州某地发生保险丝熔断这样的局部失效，其影响或许不只局限于当地。局部失效的影响可以沿着网络的链接扩散出去，影响到看似不相关的其他节点、消费者和个体。总体而言，互联带来了非局部性，使信息、流行语、商业举措、电力、能源和病毒在各自的社会技术网络上扩散出去，无论距离多远，无处不及。网络在带给我们便利的同时也带来了脆弱性。揭示那些提升网络便利的因素固然很好，但除此之外，本书的主要目标之一是限制那些使网络脆弱的因素。