作者：曾宪钊
出版社：电子工业出版社
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网络科学(第4卷)——国家基础设施和军事网络试读：
前言
在新世纪到来时，受到巨大社会需求的推动，得益于多学科和领域的交叉融合，网络科学迎来了大发展的新机遇。美国网络科学家A.L.Barabási在2002年出版的专著《连线：网络的新科学》中写道，“在21世纪初，科学家们将其研究工作转向‘节点之间的连接’，带领人们加入正在开展的网络革命（Network Revolution）”。
2005年11月，美国科学院国家研究委员会在完成了“网络科学在未来陆军的应用”研究项目之后，发表了研究报告《网络科学》。该报告指出：“网络科学是研究利用网络来描述物理、生物和社会现象，建立这些现象预测模型的科学。”当时，国内尚缺少介绍网络科学军事应用的教材和科学普及读物。另外，一些科研人员反映该报告正文仅51页，其中的许多内容不易为我国读者理解。为了便于读者了解国内外网络科学及其军事应用的新进展，从2006年12月至2010年5月，本人先后编著出版了《网络科学》第1卷～第3卷。第1卷在该报告的基础上，充实了大量与我国军事应用有关的网络科学内容、基础知识和案例，概述了基于复杂系统的大数据、建模（以网络结构与演化等模型为重点）与仿真、优化、分析与预测为重点的网络科学研究方法。第2卷介绍了2007年美国科学院国家研究委员会的研究报告《陆军网络科学技术与实验中心的政策》、网络经济学、网络社会学与网络统计学，还重点介绍了将动态社会网络分析方法用于打击恐怖组织网络。第3卷介绍了将网络科学用于应对生物武器对人类的威胁、网络生物学及多种生物网络和生态网络模型。
2010年6月，我开始编写《网络科学》（第4卷），重点介绍网络科学在国家重要基础设施网络安全与军事网络科学研究中的新进展。这主要基于下列两方面的考虑：
第一，近年来网络科学的迅速发展，促进了在国家基础设施网络安全与军事网络科学研究中取得令人瞩目的新进展。正如Barabási在《Nature Physics》（2012年1月）发表的题为“网络取而代之”的文章中所言：“虽然复杂性作为一个研究领域，发展势头疲软。但是，复杂系统的基于数据的数学模型却正在提供一种新视角，迅速发展成一门新学科——网络科学。”
第二，大约是从2006年开始至2010年“震网”病毒被公布，一些媒体披露美国和以色列军方曾经利用该病毒对伊朗布舍尔核电站控制系统连续发动了多次攻击，导致其大量电脑和离心机等设备瘫痪，迫使其核计划至少延缓两年。有不少专家认为：这是第一次真正意义上的“网络战争”，正是该病毒打开了网络战争时代的大门；在未来网络战争中，交战各方将会围绕国家关键基础设施和军事网络的控制权，展开持久、激烈的网络争夺战。
我退休已过十年，特别感谢现任军事科学院政委许耀元、副院长何雷，科研指导部部长皮明勇，作战理论和条令研究部部长谭亚东、副部长陈荣弟和刘仁献，联合作战研究实验中心主任李辉和协理员周文等有关领导审阅了本书稿件，大力支持出版本书。特别感谢军事科学出版社社长徐玉柱、副社长兼总编张晓明、副总编孙振江及编辑常巧章，还有黄谦、蔡游飞、张文志、刘旸、程飞、安欣及屈晏弘等为出版本书给予的许多帮助。
特别感谢国防大学信息作战与指挥训练教研部副主任胡晓峰教授审阅了本书稿件，提供了重要指导意见。
特别感谢中国指挥与控制学会名誉理事长李德毅院士、理事长戴浩院士、秘书长秦继荣研究员的帮助及大力支持。特别感谢中国指挥与控制学会为本书出版划拨专项出版经费。中国指挥与控制学会学报编辑部刘玉晓编辑，为本书的出版，做出很多实务性工作，一并致谢。
特别感谢电子工业出版社编辑徐蔷薇等，承担了本书出版中的许多工作。
在本书即将出版之际，我谨向曾经求教过的、已故的M.Kochen教授及其他网络科学研究先行者们表达深切的怀念和敬意；谨向我的导师、已故的中国科学院高庆狮院士表达深切的怀念和敬意；衷心感谢美国南方大学物理学教授郭东升对本书第8章提出有关量子科学的宝贵意见；我也向在本书中借鉴和引用的所有论著作者们表示衷心的感谢。
从2004年至今12年漫长的写书过程中，我特别要感谢家人和许多读者经常提醒我保持“良好的健康状况，适当的写作进度”。他们提供了许多宝贵意见并鼓励我笔耕不辍。
在本书付梓出版时，作者又见到许多网络科学的新论著，深感自己水平有限，对于本书中的遗漏和错误，恳请读者批评指正。曾宪钊2016年5月2日于北京第1章引言1.1 网络与网络科学的定义定义1.1 网络12V12
网络（Network）是由节点集合V={v,v,…,v}和边集合E={e,e,E…,e}所组成的集合N={V,E}。
在英文中，节点常用vertices,nodes,points等单词表示，边常用edges,links,lines等单词表示。定义1.2 网络科学
网络科学（Network Science）是研究利用网络来描述物理、生物和社会现象，建立这些现象预测模型的科学。
定义1.2引自2005年11月1日美国科学院国家研究委员会（National Research Council of The National Academies）发表的研究[1]报告《网络科学》。（原文为：the committee offers the following tentative definition:
Finding 4-3.Network science consists of the study of network representations of physical,biological,and social phenomena to predictive models of these phenomena.）
2005年，该报告指出这是“网络科学的尝试性定义”。时至2016年2月，本书作者检索网络百科全书Wikipedia的“Network Science”条目，发现在其第一段依然引用了上述定义。说明该定义得到了广大网民的认可。[2]
据《人民日报》海外版2013年6月8日报道:“联合国裁军研究所相关人士于2013年4月27日透露，最新调查结果显示，已有46个国家组建了网络战（Cyber War）部队。这一数量约相当于全球国家数量的四分之一”。这些国家组建了网络战指挥机构，加紧开发网络战武器装备和作战条令，进行网络战争的理论研究，对于军事网络科学提出了巨大的需求，推动了军事网络科学的迅速发展，使之成为继军事运筹学、军事系统工程之后军事科学的又一新子学科，同时也是网络科学新的子学科。可以预见，未来世界各国对军事网络科学的需求将逐渐增大，军事网络科学作为军事科学与网络科学交叉融合的新学科，将进入快速发展时期。
一方面，本书作者尝试性地将军事网络科学视为网络科学的子学科并定义如下。定义1.3 军事网络科学
军事网络科学（Military Network Science）是研究利用网络来描述军事领域的各种现象，建立这些现象预测模型的科学。它特别注重研究网络的普适性规律及军事网络的特殊性规律。
本书将重点介绍国外近年来与上述定义有关的新研究进展。
另一方面，本书作者也将军事网络科学视为军事科学的子学科，将涉及许多新研究领域，但是这些内容已超出了本书的讨论范围。
2004年3月，欧洲物理杂志出版了《网络应用》专辑，在此专辑前言中两次提到了“网络科学”，认为网络科学“一方面，现在已到达一门科学的成熟期。另一方面，许多问题有待解决，许多研究方向[3]尚在起步阶段”。其实，军事网络科学也存在类似现象。一方面，从古到今，在各种军事领域积累了很多网络知识及应用成果。另一方面，其中定性知识较多，而定量知识较少，需要对其中的普适性规律和特殊性规律的定量描述和数学模型进一步加强研究（详见本书第2章）。1.2 新世纪对网络科学的迫切需求
近年来，面对因特网（Internet）、万维网（WWW,World Wide Web）、军用全球指挥控制网络等不断生长、规模越来越大、采用先进科学技术建立的复杂网络，科学家们发现由于缺乏相应的新科学理论，利用传统网络理论研究这些复杂网络所得到的结论常常与实际情况不符，难以预测其未来的演变。为了扭转这种网络理论发展严重滞后于网络社会需求的被动局面，他们积极向各国政府建议大力发展新的网络科学。例如，2005年，美国科学院国家研究委员会的研究报告《网络科学》就从以下三个方面论述了开展网络科学研究的重要性和迫切性。
第一，网络对于涉及当今人类生活的各个方面——生物、物理和社会均具有普遍性影响，对于全球经济及面临传统军事威胁及恐怖主义威胁的美国国防是必不可少的。
第二，预测国家的大型基础设施网络（例如因特网、电力网）和极端重要的社会网络（例如全球经济网络和军事指挥控制网络）的未来变化是关系国家发展的基础科学。目前状况是：尚无设计庞大的、甚至全球范围的复杂网络并在建设之前预测其未来行为的科学，缺少指导网络中心战的科学，如同制造飞机没有空气动力学。
第三，目前美国政府各部门偏重于资助网络应用研究，轻视网络科学基础理论研究；许多科研单位低水平、重复、分散地研究网络的结构、动力学、仿真等局部性课题，却忽略了事关全球经济和国家利益的一些全局性、综合性网络科学研究课题，例如有关初等教育和军事指挥控制等方面的问题。全面系统地开展网络科学研究，有利于继承和发展传统的网络知识、理论和方法，加强对关系全球和美国利益的重大问题研究，更好地协调美国的科研力量。1.2.1 世界经济发展对网络科学的需求
2006年1月的美国《未来学家》杂志刊载的报告指出，世界人口将达到65亿，其中10亿人已通过因特网连在一起。根据中新网2015年5月28日报道，联合国下属的国际电信联盟发表报告称，到2015年年底，全球上网人口将达到32亿，约占全球总人口的一半。
2016年1月22日，中国互联网信息中心发布的报告显示，中国大陆的网民数量达6.88亿，占总人口的50.3%。截至2015年12月，中国大陆的手机网民数量达6.20亿，占网民总数的90.1%；网上支付用户达4.16亿，年增长率36.8%；网站423万家；企业开展网上销售和采购业务的比例均超过30%。
2014年11月6日摩根士丹利发表报告称，中国拥有全球最大的电子商务市场，其销售额到2018年将约占全球的一半。
网络促进了全球经济一体化、经济增长和科技进步。知识、资本、技术和劳动力日益成为全球化的商品，经济活动、产品研究开发向全球范围内迅速扩展。跨国大公司都采用网络机制，组成网络中心企业。借助于网络，他们可以从许多国家迅速获取信息知识、正确决策、吸引更多人才和资金、取得竞争优势。借助于网络，他们在全球范围内传送和加工处理数据、语音、文字及图像，高效率地使用各国大量的人力、物力和财力，大幅度提高产品设计和生产能力及科学技术创新能力。借助于网络，他们可以在世界范围内高效率地实现商品的精确销售（例如，商店刚卖出1只灯泡，立即通知工厂再生产1只）、网络金融业与在线股票交易、网络支持的交通运输与物流管理。
因特网故障和网络犯罪可能造成严重事故，从反面证明了网络对于国计民生的重要性。例如，仅在2005年，就发生了如下的一系列严重事故：美国俄亥俄州一家核工厂的信息网络连续两个小时发生错乱；在密西西比大学，几千名学生在考试期间不得不花2个小时等待一个无法下载的网络页面；在斯德哥尔摩，两名病人被迫临时转院，因为红外线发生装置受电脑病毒攻击而无法运行；美国的杰里米·杰恩斯每天发送超过1000万封垃圾邮件，不到5年时间就成了亿万富翁。[4]2005年4月，他因为网络犯罪被判9年监禁。
一体化的全球经济采用的网络数量和规模迅速增长，它采取了在网络上分配生产资料的全新方式，削弱了传统的对政治、经济、金融的分等级控制方式。一体化的全球经济使用的网络变得越来越复杂，对网络科学研究提出大量新需求。例如，构造全球经济的自适应网络（参见本书第3章），通过监控该网络来预测经济发展趋势和预防经济衰退；预防越来越复杂的国家基础设施网络连锁故障引发电力和能源等危机；研究经济网络内在的复杂性；研究经济网络结构和特性对宏观经济指标的影响；预测科技进步的潜在影响；防止网络恐怖主义和网络犯罪以确保网络安全；加强网络管理和清理网络信息垃圾等。1.2.2 网络社会崛起对网络科学的需求
20世纪80年代在美国等发达国家兴起的信息技术革命，不仅迅速引发了一场新经济革命并创造了网络经济，还引发了人类社会的巨大变革及网络社会的崛起。网络社会发展产生了许多新问题。例如，它改变了传统的生产、权力与文化，导致了工作与就业模式发生变化，造就了新的特殊社会利益阶层，瓦解了劳动者组织；在网络中的现身和缺席及各种网络之间的动态关系成为网络社会的关键因素；一些城市、农村相互包容的巨型网络化城市的出现；全世界先进的经济区域整合为一体化网络经济，造成和其他与网络经济全然无关地区之间新的不平等；非洲的布吉纳法索等极端贫困地区的居民生活在悲惨的黑洞中；世界上的犯罪活动与黑社会组织也实现了全球网络化；全球财富与权力的网络连接了全球的权贵，同时孤立与排除了许多个人、区域，甚至是整个国家；人类的文化也发生着变化，出现了反映网络社会互动和组织的新文化模式。
社会学家们发现由于缺乏相应的新科学理论，利用传统理论研究上述问题所得到的结论常常与实际情况不符，难以预测网络社会未来的演变。传统的社会学迫切需要借助与网络科学的交叉融合才可能研究解决上述新问题。1.2.3 军事指挥控制网络和网络中心战及网络战对网络科学的需求1.越来越庞大和复杂的军事指挥控制网络
从第二次世界大战结束至今的70年来，美国、俄罗斯和北约组织都竞相投入巨资发展越来越庞大和复杂的军事指挥控制网络系统。在此基础上，美国近年来又提出了网络中心战，促进了当今世界新的军事变革，对网络科学提出了新的重大需求。
本书为行文简洁所采用的“指挥控制网络”，在我国称为“军队指挥自动化系统”，在美国称为C4ISR（Command Control Communication Computer Intelligence Surveillance and Reconnaissance）系统。该系统是由人员、指挥体系和以电子计算机为核心的各种技术装备构成的网络系统，是军队的中枢神经和耳目系统。
美国的军事指挥控制系统采用计算机通信网络，经历了长期的发展历程。20世纪60年代，美国兰德公司向空军提交了一份计算机分组交换（packet switching）数字通信技术研究报告，但未被采纳。后来，英国剑桥大学引进此项技术并研制出分组通信系统的样机并拿到美国市场上展销，才引起了美国国防部重视。1968年，美国国防部高级研究计划局（DARPA,Defense Advanced Research Projects Agency）采用此技术研制出世界上第一个计算机通信网ARPANET，它成为日后因特网发展的基础。该网络用于北美防空的“塞其”（SAGE）系统，1984年发展成为北美防空防天司令部（NORAD）联合监视系统（JSS）的庞大网络系统，主要包括：司令部指挥中心、3个地区级指挥中心（加拿大地区、美国48个州地区与阿拉斯加地区）、6个分区级防空作战控制中心、94部雷达及30余架空中预警飞机。20世纪50年代末期，美国海军的F-4战斗机开始装备数据链系统，用于飞机与军舰之间无线通信。20世纪80年代，以美国空军为主管，开始研制Link-16新型数据链系统，使军队的每一个部分都能通过加密无线宽带，利用新型发射接收装置进行联络，成功解决了陆、海、空、天、信息作战部队兼容互通问题。1991年，它首次在海湾战争中使用。1994年，它开始陆续装备部队。在后来的科索沃、阿富汗和伊拉克战争中逐渐扩大了应用范围。现在，美国已建成的战略级“全球指挥控制系统”（GCCS,Global Command and Control System），主要由国家军事指挥系统、美军各作战司令部及国务院、中央情报局等政府有关部门的指挥控制系统组成，包括10多种探测系统（如侦察卫星、预警卫星、预警飞机、地面雷达预警网等）、30多个指挥中心（如国家地下、地面、空中指挥中心，北美防空防天司令部指挥中心，航天司令部地下、地面指挥中心，各联合司令部和各战区指挥中心等）及60多个通信系统（如国防通信系统、国防卫星通信系统、舰队卫星通信系统、极低频和甚低频对潜通信系统等）。美国还拥有由陆、海、空三军分别建立并可根据联合作战需要临时由多军种联合组建的战术级指挥控制系统。美国未来指挥控制系统建设的目标是用类似因特网的有线及无线网络——军用全球信息网络将所有指挥机关、军人、武器和计算机连成一体，他们都将拥有自己的网际协议（IP）地址。指挥员将能够直接与导弹进行联络，确定导弹的打击目标，也可在导弹飞行中临时改变打击目标。2.网络中心战
在1991年海湾战争、1999年科索沃战争、2001年阿富汗战争及2003年伊拉克战争中，美国等国的军队千方百计干扰或者摧毁敌军的指挥控制网络，使敌军陷入瘫痪，甚至完全丧失战斗力。这一事实充分地证明了在信息时代的战争中，打击敌方指挥控制网络，保护己方指挥控制网络是首要的任务。
在1997年4月，美国海军作战部长杰伊·约翰逊（Jay Johnson）上将首次提出了网络中心战（NCW,Network Centric Warfare）的概念。他在海军学会第123次年会上指出：“从以平台为中心的战争转[5]向网络中心战是一次根本性转变”。这一概念一经提出，立即得到美国国防部的支持。1998年1月，美国海军军事学院院长阿瑟·塞布鲁斯基中将（Arthur Cebrowski，后任美国国防部军事转型办公室主任，上将）在《海军学院杂志》上发表论文“网络中心战：起源与未
[6]来”，阐明美国海军要将NCW作为新世纪的蓝图。他指出NCW概念来自1984年为了开展复杂系统研究而成立的美国桑塔菲研究所的成果，特别强调NCW与复杂性理论的关系。NCW提出的初始宗旨包括：健壮性的网络化作战、信息共享、协作、信息质量，共享态势感知、自同步、指挥的持续性和敏捷性。近年来，随着网络中心战理论和实践的深入发展，美军在NCW的基础上进一步提出网络中心作战的概念（NCO,Network Centric Operations）。与NCW初始宗旨相比，NCO除强调更大的时空范围、网络中心在军事和非军事行动的作用外，更强调敏捷和健壮的网络、信息共享及协作等，认为它们将在军事和非军事行动中提升各类军事组织的行动能力。美国国防部军事转型办公室还提出了网络中心作战概念框架（NCOCF,Network Centric Operations Conceptual Framework）并组织开展了相关研究[7]。提出NCOCF的目的是建立网络中心战效能（effectiveness）评估指标体系，解释采用网络中心技术大幅提升作战效能的详细原因，即不仅要回答“网络中心技术对于作战结果的影响是什么”，还要回答“为什么网络中心技术会对作战结果产生影响”的问题。J.Garstka和D.Alberts在文献[7]中指出，“最重要的不是制造更好的卫星、坦克，而是组织上百万人参加情报收集、物资供应并在全球范围内地理条件和政治制度不同的各个地区赢得战争”,“实现美军向网络中心作战的转型，可能是美国政府历史上最复杂的任务。它可以和第二次世界大战及对前苏联的冷战相比，是长期、困难、高费用和高风险的任务”。文献[1]指出这一任务“岂止是非常复杂，所需的知识甚至还不存在。这类似当年美国的‘曼哈顿’原子弹工程及‘阿波罗’登月工程，需要长期的、动员全国力量的创新”。
2004年9月，美国陆军部和国防部派代表参与美国科学院的“网络科学在未来陆军的应用”研究项目，要求大力创新网络科学的理论、方法和知识，发挥它对于网络中心作战的指导作用。3.网络战
美国政府的安全专家理查德·克拉克（Richard Clarke）于2010年5月在他的《网络战》（Cyber War）一书中将“网络战”定义为：“民族国家通过入侵别国的计算机或网络，以达到造成损失或破坏的[8]行为”。网络百科全书 Wikipedia的“Cyberwarfare”条目指出“其他的定义还包括非国家行为者，例如恐怖组织、企业、极端组织、黑[9]客和跨国犯罪组织。”
新世纪开始以来，美国加速准备网络战。例如：
2002年，西点军校建立了网络战靶场（Cyber Range），为网络[10]战训练与研究提供仿真环境。同年2月，美国的50多个网络防御专家联名建议美国政府建设“国家网络靶场”（National Cyber [11～13]Range），号称“网络曼哈顿计划”（Cyber Manhattan Project）。
2008年1月，美国布什总统批准了《国家网络安全综合计划》（CNCI,Comprehensive National Cybersecurity Initiative），要求建立国家专门的试验平台，为国防部、军队和国家安全机构等政府机构服务，对信息安全系统进行验证，共享研究数据，提高国家信息安全水平。[14]该计划直接促成了“国家网络靶场”立项并由DARPA负责管理。[15]
2010年5月，美军成立网络司令部。
从2010年起，美国国家安全局（NSA,National Security Agency）[16]开始举行网络防御演习（CDX,Cyber Defense Exercise）。
2012年6月1日，《纽约时报》刊登了D.E.Sanger的报道，“早在上任头几个月，美国总统奥巴马就密令加紧使用网络武器攻击伊朗核设施的计算机系统”。“据知情者披露，该计划开始于J.W.布什政府，[17]代号为‘奥运会’（Olympic Games）”。美国和以色列为此专门研制了“震网”病毒。
2012年8月24日，R.Satter披露：美国海军陆战队中将Richard P.Mills在一次集会上说：美军“已经在阿富汗对敌军采用了网络攻击的战术”。“我们能进入他们的网络，用病毒感染其指挥控制网络，[18]防止他们几乎是随时可能发动的袭击”。从2010年至2011年，Mills曾任阿富汗西南部美军及其盟军的指挥官。
2014年10月21日，美军对外公开发布了《网络空间作战联合条
[19]令》。[20]
2015年4月23日，美国国防部发布了新版的《网络空间战略》，以替代2011年5月发布的《网络空间行动战略》，提出“网络威慑”及“先发制人”的网络战略。
今后的战争将更多是在网络域中在多种、多方参战者之间持续进行的攻防战；其间也穿插着在物理域中各种暴力冲突的战争。美国为了准备未来的网络战，近年来更加重视发展网络科学，特别是军事网络科学。1.2.4 事关世界各国安危的网络安全对网络科学的需求
在始建于20世纪60年代的ARPANET网络基础上，因特网至今仍沿用的网络协议和网络软件存在严重的安全漏洞。网络软件容易被犯罪分子制造的病毒侵入和修改，可以被用来攻击其他“健康”软件；遭受感染的软件也能够进行自我复制，在网络上传输，给其他系统带来危害，甚至造成网络崩溃。最早的病毒产生于1983年，此后它们的种类迅速增多。
2005年4月14日，美国政府公布了美国总统信息技术咨询委员会（PITAC,President's Information Technology Advisory Committee）向时任总统布什提交的一份题为“网络安全：急需优先考虑的重大研究[21]课题”的紧急报告。
在2006年5月17日世界电信日和第一个世界信息社会日，联合国秘书长安南致辞，号召努力建立自由安全信息社会。他指出，在这个日益网络化、互相连成一体的世界里，最为重要的是，既要保障我们各种不可或缺的系统和基础设施不受到网络罪犯的袭击，又要建立对在线交易的信心，以促进贸易、商务、银行业务、远程医疗、电子政务和许多其他电子用途。这要求每一个联网的国家、企业和个人都采取安全做法，需要形成一种全球网络安全文化。他敦促所有会员国和利益攸关者帮助提高全球对网络安全的认识，建立国际合作机构，以加强信息及通信技术使用的安全性。这对我们各国经济的持续增长和发展至关重要，对发展中国家尤其重要。
当前，迫切需要网络科学研究的重大问题是：对于复杂的、多层次的、全球性的因特网，如何从全局着手，优化网络安全性能和抗打击能力，从根本上消除在网络拓扑结构上存在的不安全因素，预防未来可能发生的灾难性攻击。需要解决一系列具体问题，例如：在故障和蓄意攻击等情况下能快速自动恢复的自适应网络；全球规模的网络监控、入侵检测、网络取证和防范犯罪的网络拓扑结构及相关理论、方法和技术；建立因特网的模型、仿真系统和测试平台，它包含百万级节点并能模拟和预测因特网的复杂行为。1.3 网络科学发展历史回顾1.3.1 网络科学的来源图1.1 黄帝
本书作者认为网络科学的来源之一是古代中国人利用网络观点研究复杂事物并取得的应用成果。4000多年前，中国的黄帝和岐伯撰写了中华医学经典《黄帝内经》，阐述了经络理论和针灸。图1.1是位于中国延安市黄帝陵园内石刻的黄帝像，取自http://www.teacherhome.cn/reshtml/10/1088/1000100012662.html。该书后来约在战国时期（公元前475—公元前221年）成书，在其中的《灵枢》部分论述了“经络”的概念，把人体经络系统总结为12条，论述了人体经络系统理论及其医学应用——针灸疗法。该理论认为经络遍布人体各个部位，有运送全身气血、沟通身体上下、内外之功能。穴位则是经络系统的控制机关，刺激穴位可以起调节经络系统作用。现在看来，经络系统就是利用网络的观点观察复杂的人体系统并抽象而成的一种生物网络模型。人体穴位就是该网络节点，其医疗功能不同且相互联系。根据病症选择不同的穴位进行针灸就是用物理和化学方法产生和扩散刺激的动力学过程。经络理论和针灸是网络科学初创时期有文字记载的最早的人体生物网络模型及成功的医学应用。近年来许多国家都对中国古老的针灸疗法产生了很大兴趣。针灸疗法为人类健康做出了巨大贡献，在当代被许多人称为中国的第五大发明。图1.2（a）是《黄帝内经》的《灵枢》部分，该图取自 http://www.kepu.org.cn/gb/technology/ancientech/ancientech_chinesemedicine/11.1b.html。图1.2 黄帝内经
1027年，中国宋朝的翰林医官王惟一（约987—1067年）主持铸造出两具针灸铜人，它是世界上最早的人体经络系统物理模型。每个铜人上有穴位657个，穴名354个，它们既是针灸医疗的范本，又是医官院教学和考试的工具。当考试时，先在铜人表面涂上一层黄蜡，向铜人体内灌满水，学生用针扎刺穴位，如果扎得准确，水就会由孔中流出。这两具针灸铜人后因战乱流失。图1.2（b）是在1745年清朝乾隆皇帝下令铸造的高46厘米的针灸铜人，它的外表有用黑漆涂成的经脉连线，经脉线上分布的穴位用凿穿的小孔表示。现为上海中医药大学医学史博物馆收藏。该图取自http://www.acutimes.com/show.asp?lst=0&classid=129&id=431。图1.3取自 http://www.pharmnet.com.cn/tcm/myfc/songjinyuan/1027/。图1.3 王惟一
1989年10月，世界卫生组织（WHO）在日内瓦总部召开了“针灸术语标准化国际会议”，讨论并通过了有关14经脉、361经穴、奇经八脉、48奇穴等的代号、汉字名称、汉语拼音、经络流往、经穴位置等内容。1996年9月，第四届世界针灸大会在纽约召开，1200多人与会，美国总统克林顿发函祝贺。目前，人们正深入研究经络和穴位的本质，分析针灸疗法治病的机理，利用现代科学技术，努力把它提高到一个新水平。这也是网络科学的一个重要研究课题。
本书作者认为网络科学的另一个来源是瑞士数学家Leonhard Euler的研究成果。1735年在俄罗斯的圣彼德堡，他利用一个简单的小图解决了哥尼斯堡（现为俄罗斯的加里宁格勒）七桥问题。有人认为这是网络科学的起点。例如，2004年4月，芬兰赫尔辛基大学物理系教授S.N.Dorogovtsev在文献[22]的“1.网络科学的诞生（The birth of network science）”一节中指出“1735年在俄罗斯的圣彼德堡（St Petersburg）,Leonhard Euler利用一个简单的小图解决了哥尼斯堡（Konisberg，现为俄罗斯的加里宁格勒）七桥问题。这一次求解（实际上是一次证明）通常被认为是网络科学的起点”。
读者可以独立判断上述有关网络科学的来源的各种观点的正确性。1.3.2 规则网络理论
瑞士数学家Leonhard Euler（1707—1783年）是现在公认的规则网络（Regular Networks）理论和图论奠基者（图1.4，取自http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/PictDis play/Euler.html）。1735年，他在解决位于 Pregel河畔的哥尼斯堡（Konisberg，现为俄罗斯的加里宁格勒）七桥问题时，将陆地（河中两个岛A、D及河两岸B、C）用4个节点表示，将陆地之间的7座桥用节点之间的边表示，把问题抽象地描绘成在如图1.5所示网络图中“是否存在这样的路径：从图中任一节点出发，每条边只通过一次，最后返回该节点”。他给出了存在这样一条路径的充分必要条件：如果图1.5（b）能够一笔画成，则七桥问题可解。他指出：能一笔画出的图形，一定只有一个起点和一个终点（这里要求起点和终点重合），中间经过的每一点总是包含进去的一条线和出来的一条线；除起点和终点外，每一点都只能有偶数条线与之相连。因此，如果要求起点和终点重合的话，那么能够一笔画出的图形中所有的点都必须要有偶数条线与之相连。这一条件也是充分的。而从图中四个点来看，每个点都是有三条或五条线通过，所以不能一笔画出这个图形。他由此得出七桥问题是无解的结论：不重复地一次走遍这七座桥是绝对不可能的。图1.4 Leonhard Euler图1.5 七桥问题1.3.3 社会网络图和社会网络分析
20世纪二三十年代德国的社会测量学（Sociometrics）研究与心理学Gestalt学派密切相关，运用图论方法分析社会网络。其代表人物有Jacob Moreno和Kurt Lewin等，他们先后从纳粹德国逃亡到美国并发展了社会测量学。1925年，Moreno（1889.5.18—1974.5.14，图1.6取自http://wiki.mbalib.com/wiki/Jacob_Levy_Moreno）到美国后带来了他创新的社会网络图（sociogram）方法，将其应用于对人类社会中互动关系的研究，并且于1933年4月召开的美国医学学术会议上发表。当时，一些社会测量分析人员正在研究人的幸福感与其社会生活结构之间的关系。他用社会网络图描述了一群小学生的社会关系结构：男孩们只和男孩交朋友，女孩们只和女孩交朋友。其中唯一的例外是有一个男孩喜欢某一个女孩，但是这个女孩却不喜欢他。这幅社会网络图引起了公众的兴趣，并被刊登在1933年4月3日《纽约时报》（The New York Times）的第17页上。Moreno 一直关注人际关系与心理治疗之间的关联问题，或者说是个人的心理满足与社会构型（social configurations）之间的关系。他认为这种构型产生的基础，就是人们之间的相互选择、吸引、排斥和友谊等人际关系模式。他的主要贡献是用社会网络图（sociogram）方法来反映社会构型的关系属性。在当时，哈佛大学的Elton Mayo和W.L.Warner也采用了社会网络图研究人际关系网络和派系/小团体（cliques）,Warner还提出了一种关系矩阵，用以描述占据每个社会网络结构位置的人数。英国社会人类学家A.R.Radcliff-Brown创立了社会结构-功能理论，强调研究社会制度体系中的连接关系。1935—1936年，他曾来中国燕京大学社会学系讲学。英国曼彻斯特大学社会人类学系的John Barnes、Clyde Michell和Elizabeth Bott研究了社会冲突与矛盾分析。他们成为在社会网络分析的发展中的三支主要力量。现在，社会网络图已经获得了广泛的应用，并发展成为一门学科领域——社会网络分析（参见 http://en.wikipedia.org/wiki/Network_science#cite_note-0），后来又进一步发展为动态社会网络分析。在本书的第6章中，将详细介绍动态社会网络分析及其在研究打击恐怖组织网络中的应用。图1.6 J.L.Moreno1.3.4 随机网络理论
匈牙利数学家Paul Erdös（1913—1996年）和Alfréd Rényi在[24]1959年提出了随机网络（Random Networks）理论。Erdös是匈牙利科学院院士，也是美国、印度、英国等国的国家科学院外籍院士（图1.7，取自http://www.cs.elte.hu/erdos/）。他们在构造随机网络时采用一个概率来决定两个节点之间是否连边。通过在网络节点间随机地连接边，就可以有效地模拟通信和生命科学中的网络系统。该理论认为尽管连接是随机的，但由此形成的网络却是高度民主的，即绝大部分节点连线数目大致相同，节点连线数分布为钟形的泊松分布。图1.7 Paul Erdös
在1960年以后的近40年里，这种随机网络理论被公认为是正确认识真实网络的理论，它推动了图论复兴，促进了网络理论发展。但是现在回过头来看，也有人认为它对网络理论的不断创新有一定程度的束缚。例如，2005年，美国弗吉尼亚公共卫生大学的D.Bonchev和G.A.Buck就认为，在20世纪80年代开展的复杂性研究，由于使用的定量方法主要是随机理论，一直没有取得令人瞩目的研究成果。直到20世纪即将结束的年代，当科学家发现许多动态进化系统都可以用[25]非随机的网络表示时，网络理论才进入新的发展阶段。1.3.5 从阿帕网、因特网到万维网
1964年，美国兰德公司的Paul Baran（1926.4.29—）向空军提交了一份计算机分组交换（packet switching）数字通信技术研究报告[26]，未被采纳。后来，英国剑桥大学引进此项技术研制出分组通信系统的样机并拿到美国市场上展销，才引起了美国国防部重视。1968年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）采用此技术研制出世界上第一个计算机通信网——阿帕网（ARPANET），它成为日后因特网发展的基础。Baran因此获得了Franklin Institute颁发的2001年[27]度Bower奖，被称为因特网的先行者之一。图1.8取自文献[27]。图1.8 Paul Baran图1.9 Vinton Cerf
1968年秋，Vinton Cerf（1943.6.23—）参加了ARPANET项目的机器性能测试和分析工作（图1.9）。1973年，他提出了能够连接不同网络系统的网关（Gateway）的概念，为 TCP/IP的形成起了决定性的作用。后来他又不断将其完善，使其成为国际标准。1977年7月在南加州大学的信息科学研究所，他和同事们举行了一次有历史意义的试验：通过 TCP/IP 把美国的三个电脑网络（ARPANET，无线电信网及卫星通信网）连通。一个数据包首先从旧金山海湾地区发出，通过卫星通信网络跨过大平洋到达挪威，又经海底电缆到达伦敦，然后再通过卫星通信网络与ARPANET，传回南加州大学，行程9.4万英里。这次试验没有丢失一比特的数据信息，一举获得成功！他后来被人们尊称为“因特网之父”，曾任谷歌（Google）公司副总裁。
1982年美国国防部把TCP/IP作为网络标准。出于安全性的考虑，1983年，ARPANET被分成两部分：军用的MILNET及以ARPANET为主体与其他的网络互连而成的新网络（称为因特网或互联网）。由此，因特网正式诞生。从1968年ARPANET诞生到1983年因特网形成是因特网发展的第一阶段，即研究试验阶段。当时约有235台计算机接入因特网。从1983年到1994年是因特网发展的第二阶段，即开始在教育和科研领域广泛使用的实用阶段。1986年美国国家科学基金委员会 NSF 制定了一个超级计算机网络NSFNET的计划：在全美建设若干个超级计算机中心并利用光纤电缆构成主干网连接。该网络成了当时因特网的主体。此后，其他国家也相继建立了自己的主干网并接入因特网。例如加拿大的Canet、欧洲的EBONE和NORDUNET、英国的PIPEX和JANET以及日本的WIDE等。1996年6月20日，中国公用计算机互联网ChinaNet正式投入运营，以公共商用网的形式向社会提供因特网接入服务。此时的因特网覆盖范围遍及全球主要的经济较发达的国家和地区，用户数猛增到2000多万以上。1995年之后，NSF不再向因特网提供资金。为了解决运营费用问题，因特网进入了第三个发展阶段——商业应用阶段，带来了更大的发展机遇。
1991年8月6日，Tim Berners-Lee（1955—）在因特网上创造了第一个万维网网页，立刻轰动全球。他被人们尊称为“万维网之父”（图1.10）。1976年，他毕业于英国牛津大学物理系，获学士学位。在大学时，为存储个人资料，他编写了使用随机联想方法存储信息的软件“询问”（Enquire），这是世界最早的浏览器之一，为日后万维网奠定了基础。1984年，他在瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究所（CERN）任软件工程师。1989年3月，他向CERN提出万维网研究计划。他建议采用当时新兴的超文本技术建设一个新型网络把CERN的各实验室连接起来，以便人们能够将各自的信息通过这一超文本网络共享，他预言该网络将来可扩展到全世界。这个计划经过两次申请才被批准，他得到了一笔经费，购买了一台计算机。当年仲夏，他开发出了世界上第一个网络服务器和客户机。1990年年末，他完成了第一个超文本浏览器软件，将此新型网络定名为万维网（World Wide Web）。他还提出了统一资源定位地址（URL,Uniform Resource Locator）的规范，重新定义了超文本传输协议（HTTP）和超文本语言（HTML）。1991年8月6日，他在Alt.hypertext新闻组发布了World Wide Web的简单摘要，公开使用他研制的软件，即世界第一个万维网网页。此后，万维网迅速在全球范围推广。在20世纪即将结束的年代，万维网已遍及全世界，涉及约3亿台计算机，包括约30亿个网页。自1999年以来，他的《编织互联网》一书被《商业周刊》评为最佳10本商业书籍之一；他被《时代》周刊评选为20世纪百名最有影响的人物之一。美国《网络计算》杂志评选在过去10年中对电脑业影响最大的10个人时，他又位居第一。2004年，在芬兰“千年技术奖”获奖者中他再次成为排名第一的科学家。图1.10 Tim Berners-Lee
1998年10月5日，美国《时代周刊》评选出影响全球数字经济发展的50位精英。中国骨干网 ChinaNet的重要奠基人刘韵洁（1943—）名列第28位（图1.11）。1968年，他毕业于北京大学技术物理系，曾任邮电部数据通信研究所所长、邮电部电信总局副局长兼数据通信局局长、邮电部邮政科学规划研究院院长，于2005年当选中国工程院院士。他曾经主持完成了数据通信方面一系列重大课题的科研攻关，研究制订了多种数据通信网络的体制标准，为在一个网络平台上同时提供多种电信业务、因特网业务和视频业务的“三网融合”提供了一种可行的解决方案，进行了发展新一代网络的一次大规模实验。刘韵洁对发展 ChinaNet、促进中国网络经济与网络科学技术发展建立了[28]功勋。在2008年4月23日，据新浪网（http://www.sina.com.cn）报道，根据从工业和信息化部了解到的消息，截至2月，我国网民数已达2.21亿人，超过美国居全球首位。2015年2月3日，中国互联网络信息中心CNNIC发布了《第35次中国互联网络发展状况统计报告》，截至2014年12月，我国网民总规模达6.49亿，其中手机网民规模达5.57亿。较2013年年底增加5672万人。网民中使用手机上网人群占比由2013年的81.0%提升至85.8%（详见 http://www.cnnic.net.cn/hlwfzyj/hlwxzbg/hlwtjbg/201502/t20150203_51634.htm）。图1.11 刘韵洁1.3.6 从复杂网络到网络科学研究的新进展
在20世纪即将结束的年代，面对有多达约3亿台计算机和30亿个网页连线、动态发展的因特网和万维网，还有其他各种社会、生物、物理网络，一些科学家发现已无法用上述两种网络理论来解释其中一些网络结构和演化的新问题，他们粗略地称这类网络为“复杂网络”（Complex Networks）。此种网络的研究取得的突破，引起了国际和国内学术界的广泛关注，掀起了复杂网络理论和应用研究的高潮。现在，有代表性的复杂网络主要是无标度网络与小世界网络，还出现了一些新型复杂网络。21世纪开始后，又出现了网络科学研究的热潮，从新的高度和广度来研究复杂网络。1.从“六度分离”理论到“小世界网络”
1967年，美国哈佛大学的社会心理学家Stanley Milgram（1933—1984.12.20，图1.12，取自 http://www.stanleymilgram.com/）寄出了数百封信给内布拉斯加州的公众，并请求他们把信转交给某位相识的人，条件是对方必须是最有可能把信再转给波士顿一位股票经纪人手里的人。为了跟踪每一条不同的传送路径，他请求参与者在转寄信件的同时，也给他寄一张明信片。通过这个实验，他发现，信件到达最终收信人之前平均要经过6个人之手。Milgram后来提出的“六度分离”（six degrees of separation）理论认为：在人际关系网络中，任意两个陌生人都可以通过“熟人的熟人”建立联系，其间只要通过5[29]个熟人就能达到目的。
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