0.1 互聯帶來的脆弱性

乍一看，圖0-1中的兩幅衛星圖像并沒有什么區別：光芒四射的區域是人口密集區，黑暗籠罩的地方則是無人居住的森林和海洋。然而，仔細觀察之后，我們便能看出其中的差異：圖a中閃耀著光芒的多倫多、底特律、克利夫蘭、哥倫布和長島在圖b中消失在了黑暗中。這并不是下一部“世界末日”電影里的場景，而是2003年8月14日前后美國東北部的真實情景：一場大面積停電波及了美國東北部8個州、約4500萬人，以及安大略湖區的1000萬人。

圖0-1 2003年北美大范圍停電

（a）2003年8月13日美國東部時間晚上9點29分拍攝的美國東北部各州的衛星圖像，距離2003年北美大范圍停電發生還有20個小時。

（b）停電發生5小時后的衛星圖像。

2003年這次大面積停電事件是級聯失效的典型案例。網絡就像一個運輸系統，一個地方的局部失效會使其原本的負載轉移到其他節點上。當這些額外負載比較小時，系統可以輕松地將其吸收掉，局部失效被無形化解。然而，當失效節點轉移給其鄰居節點的額外負載過多時，其鄰居節點也會隨之失效，負載相應地轉移給它們的鄰居。一瞬間，級聯失效就發生了。級聯失效的影響大小取決于最初失效節點在網絡中的位置及其容量。

級聯失效在很多復雜系統中發生過。互聯網中，為躲避失效路由器而對通信流量重新路由時，級聯失效便會發生。正常的路由操作有時會造成拒絕服務攻擊，導致正常運轉的路由器因負載過大而失效。我們經歷過金融系統中的級聯失效。1997年，國際貨幣基金組織向幾個太平洋國家的中央銀行施壓，促使其下調貸款額度，多家大型企業的資金鏈因此斷裂，最終引起全球范圍的股災。2009年至2011年期間的金融危機經常被當作級聯失效的經典案例——美國次貸危機導致全球經濟癱瘓，大量銀行和企業倒閉，甚至有政府宣布破產。級聯失效也可能是人為導致的。例如，為削弱恐怖組織的運轉能力，全球政府共同努力使其資金供應枯竭。與之類似，癌癥研究人員試圖通過觸發細胞的級聯失效來殺死癌細胞。

美國東北部停電事件展示了本書的幾個重要主題：首先，為避免破壞性的級聯失效，對于承載級聯傳播的網絡，我們必須理解其結構特征；其次，我們必須能夠對網絡上發生的動態過程進行建模，例如電流；再次，我們還需要揭示網絡結構和其上發生的動態過程之間的互動是如何影響整個系統的健壯性的。盡管級聯失效看上去是隨機且不可預測的，實際上它遵循著可再現的規律，這些規律可以被量化，我們甚至可以通過網絡科學工具對其進行預測。

停電事件還展示了一個更大的主題：互聯帶來的脆弱性。實際上，在電力投入應用的前些年，每個城市有各自獨立的發電站和電網。然而，電力難以儲存，一旦生產出來就必須立刻被消費掉。從經濟角度考慮，相鄰的城市間開始互聯，從而可以共享剩余產能，并在需要時相互借電。今天，電的低價格要感謝電網——把所有電力生產者和消費者連接在一起的網絡。電網使低成本生產出的電力能夠立刻傳輸到任何地方，為我們提供了一個網絡給人類生活帶來正面影響的鮮活例子。

網絡的各個部分對于網絡整體的影響都不容忽視。例如俄亥俄州某地發生保險絲熔斷這樣的局部失效，其影響或許不只局限于當地。局部失效的影響可以沿著網絡的鏈接擴散出去，影響到看似不相關的其他節點、消費者和個體。總體而言，互聯帶來了非局部性，使信息、流行語、商業舉措、電力、能源和病毒在各自的社會技術網絡上擴散出去，無論距離多遠，無處不及。網絡在帶給我們便利的同時也帶來了脆弱性。揭示那些提升網絡便利的因素固然很好，但除此之外，本書的主要目標之一是限制那些使網絡脆弱的因素。