无尺度网络
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无尺度网络
网络有随机网络和无尺度网络，许多网络包括因特网"人类社会和人体细胞代谢网络等，都是无尺度网络。研究无尺度网络，对于防备黑客攻击、防治流行病和开发新药等，都具有重要的意义。

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如上图所示，因特网是一个无尺度网络，其中某些站点似乎与无数的其他站点相连结 (参见右图的星爆形结构细节)。本图绘制于2003年2月6日，描绘了从某一测试站点到其他约10万个站点的最短连结路径。图中以相同的颜色来表示相类似的站点。

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1 大脑，是由轴突相连结的神经细胞网络，而细胞本身，又是由生化反应相连结的分子网络。
2 社会也是一个网络，它由友情、家庭和职业关系彼此连结。在更大的尺度上，食物链和生态系统可以看作由物种所构成的网络。
3 科技领域的网络更是随处可见:因特网、电力网和运输系统都是实例。
4 就连在文章中我们用以向你传递思想的语言，也是一种藉由语法相互串连在一起的文字网络。

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尽管网络是如此重要和普遍，但科学家对它的结构和属性却知之不多。在复杂的基因网络中，故障节点是如何相互作用而引发癌症的?在特定的社会和通信系统中，疾病和电脑病毒如何快速传播而导致流行?某些网络即便大部分节点失效，还能维持运行，原因何在?

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最近的研究开始找到这些问题的答案。过去的几年中，不同领域的研究者发现，很多网络都是由少数一些具有众多连结的节点所支配的，包括万维网、细胞代谢系统，以及好莱坞的演员网络在内。包含这种重要节点(或称集散节点)的网络，我们通常称之为"无尺度"(scale free)网络。在无尺度网络中，有些集散节点甚至具有数不清的连结，而且不存在代表性的节点。这种网络还具有可预期的行为特性：例如对意外故障具有惊人的承受力，但面对协同式攻击时则很脆弱。

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这些发现极大地改变了我们对复杂外部世界的认识。
集散节点的存在，让我们认识到了以前的网络理论尚未涉及的问题:各种复杂系统具有相同的严格结构，都受制于某些基本的法则，这些法则似乎可同等地适用于细胞、计算机、语言和社会。更进一步，认识这些法则，会帮助我们解决一系列重要问题，包括开发更好的药物、防止黑客侵人互联网、阻止致命流行病的传播，等等。

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无尺度网络的特性
1 很多复杂系统拥有共同的重要特性:大部分节点只有少数几个连结，而某些节点却拥有与其他节点的大量连结。这些具有大量连结的节点称为“集散节点”，所拥有的连结可能高达数百、数千甚至数百万。由此看来，这一特性似乎能说明网络是无尺度的。 
2 无尺度网络具有某些重要特性。例如它们都可以承受意外的故障，但面对协同式攻击却很脆弱。 
3 了解这些特性，可能导致许多领域出现新的应用。例如，电脑科学家可能据此设计出更有效的策略，以保护因特网免受电脑病毒的侵害。

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随机网络中绝对不可能出现集散节点。当我们开始描绘万维网时，原本预期节点会像人类的身高一样遵循钟形分布，但结果却发现有些节点不能如此解释。我们就像突然发现了很多身高百尺的巨人一样，大吃了一惊。因此，我们想出了"无尺度"这样的用语。

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事实上。科学家研究的网络越多，发现的无尺度结构也越多。这些发现引发了一个重要的问题:为什么像细胞和因特网这样本质上不同的系统，却具有相同的结构并遵从相同的规律?这些不同的网络不仅都是无尺度的，而且还有着一个有趣的共同点:由于某些未知的原因，幂次定律中kn项中的n值，通常介于2-3之间。

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无尺度网络的例子：

网络 节点 连接 
组织代谢 参与消化食物以释放能量的分子 参与相同的生化反应 
好莱坞 演员 出演同一部电影 
因特网 路由器 光纤及其它物理连接 
蛋白质调控网络 协助调控细胞活动的蛋白质 蛋白质之间的相互作用 
研究合作 科学家 合作撰写论文 
性关系 人 性接触 
万维网 网页 连接地址

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节点的度分布是一个网络形成后,也可以认为在网络演化过程中一个暂态的统计指标,众多的网络,形成机制是各不相同的,那么其节点度的分布规律确实都在向着这一个指逼近,那么这个指标是不是代表着一种热力学领域的熵和信息学领域的熵一样的量，这个量值，应该是从规则网络、无尺度网络、随机网络、全连通网络有着一种固有的变化趋势。

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网络演化

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在因特网上，那些连结较多的路由器通常还拥有更大的带宽，因而新用户就更倾向于连结到这些路由器上。在美国的生物技术产业内，象Genzyme这样的知名公司更容易吸引到同盟者，而这又进一步加强了它在未来合作中的吸引力。类似地，被引用较多的科学文献，会吸引更多的研究者去阅读和引用。美国著名的社会学家K·Merton将这种现象称之为"马太效应"。这个词来源于《新约》圣经的内容:"凡有的，还要加给他，叫他有余。"
 成长性和优先连结这两种机制，有助于解释集散节点的存在:当新节点出现时，它们更倾向于连结到已经有较多连结的节点，随着时间的推进，这些节点就拥有比其他节点更多 的连结数目。这种“富者逾富”的过程，有利于早期节点，它们更有可能成为集散节点。

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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这样的集散节点一起失去作用，是不是美国的生物产业会因此而崩溃呢?

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无尺度网络的潜在意义

运算

具有无尺度结构的计算机网络，例如万维网，对意外故障具有极强的承受能力，但面对蓄意的攻击和破坏却可能不堪一击。 
要想在因特网上彻底清除病毒，即使是已知的病毒，也是不可能的。 
医学

对天花等严重疾病的疫苗接种，如果能针对集散节点（即那些与很多人具有连结关系的人）进行，也许可以达到最大的效果，但要找出属于集散节点的人非常困难。 
弄清人体细胞内的网络结构，将有助于研究者发现和控制药物的副作用。此外，若能识别出那些与特定疾病有关的集散点分子，就可开发只针对这些集散节点作用的新药物。 
商业

了解公司、产业与经济之间的连结方式，有助于研究人员监控和预防大规模的经济衰退。 
研究流行病在无尺度网络中的传播现象，为市场人员传播他们的新产品提供了新方法。

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  • 作者：202.118.23.*

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