Ohne Strom kein Rechnernetz – und oft auch umgekehrt: Wenn mehrere Netzwerke voneinander abhängig sind, steigt ihre Anfälligkeit. Besonders heikel wird es, wenn eines von ihnen nicht willkürlich angeordnet ist, sondern geografischen Gegebenheiten angepasst wurde – wie etwa ein Stromnetz. Dann kann bereits ein einzelner defekter Knoten einen Totalausfall verursachen, wie Forscher im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.
Unsere Gesellschaft ist total vernetzt. Verkehrsnetze, Computernetze, Telekommunikationsnetze, Versorgungsnetze für Strom und Wasser bescheren uns ein bequemes Leben. Doch sie machen unsere Gesellschaft auch anfälliger, denn ihr Ausfall kann katastrophale Folgen haben. Forscher beschäftigen sich daher intensiv damit, wie Netzwerke aufgebaut sein müssen, um möglichst gut gegen Ausfälle gewappnet zu sein. Im Idealfall funktionieren sie auch dann noch, wenn ein Großteil ihrer Knotenpunkte lahmgelegt wurde.
Wechselseitige Abhängigkeit
Doch robuste Netzwerke zu entwickeln ist eine komplexe Angelegenheit. Schließlich lässt sich die Wirklichkeit weniger säuberlich berechnen als die mathematischen Grundmodelle. Und die Sache wird noch verzwickter: Viele Netzwerke sind mit anderen Netzwerken in wechselseitiger Abhängigkeit verbunden. Das Stromnetz liefert beispielsweise den Saft für das Computernetzwerk, das wiederum Elektrizitätswerke und Verteilerstationen kontrolliert.
Diese Konstellation hat eine überaus unangenehme Eigenschaft, wie der US-Physiker Sergey Buldyrev und seine Kollegen 2010 in einer Veröffentlichung in Nature darlegten: Beide Netze gemeinsam sind deutlich anfälliger, als jedes der Netze allein es wäre. Hier genügt es, eine sehr kleine Zahl von Knotenpunkten lahmzulegen, um einen Totalausfall zu provozieren. Fällt ein Knoten in einem der Netzwerke aus, reißt er Knotenpunkte im anderen Netzwerk mit ins Verderben. Das geht so lange hin und her, bis beide Netze lahmgelegt sind. Als Beispiel führten die Forscher den Blackout in Italien im Jahre 2003 an, der das Land in Folge einer Kettenreaktion für nahezu zwölf Stunden lahmlegte. Sogar in Teilen der Schweiz gingen vorübergehend die Lichter aus.
Geografisch angepasste Netzwerke sind anfälliger
Doch es kommt noch schlimmer: Der israelische Physiker Shlomo Havlin zeigt nun gemeinsam mit Buldyrev und anderen Kollegen, dass Systeme aus zwei verknüpften Netzen noch fragiler werden, wenn Knotenpunkte und Verbindungen innerhalb eines Netzwerkes nicht willkürlich verteilt sind, sondern einer räumlichen Anordnung folgen.
In ihren Berechnungen diente den Wissenschaftlern eine simple Gitterstruktur als Grundlage; vergleichbare Fälle in der realen Welt sind Stromnetze oder Autobahnen. Ihre Knotenpunkte sind nicht willkürlich verstreut, sondern orientieren sich an der Lage von Orten oder Industrieanlagen, Küsten oder Bergketten. Auch die einzelnen Knotenpunkte – beispielsweise Autobahnkreuzungen – sind nicht kreuz und quer verbunden, sondern mit ihren nächsten Nachbarn vernetzt.
Im Extremfall reicht ein ausgefallener Knotenpunkt
Havlin und seine Kollegen betrachten den Fall, dass ein solches räumlich eingebettetes Netzwerk – etwa ein Stromnetz – mit einem willkürlich verteilten Netzwerk – etwa einem Telekommunikationsnetz – verbunden ist. Als Indikator für den Zustand des Systems dient ihnen die gemeinsame „giant component“ beider Netzwerke: Die größte Gruppe untereinander verbundener Knotenpunkte. „Wird diese Gruppe im Verhältnis zum gesamten Netzwerk vernachlässigbar klein, gehen wir von einem Totalausfall aus“, sagt Buldyrev.
Im Falle zweier Netzwerke mit willkürlicher Verteilung lässt sich berechnen, wie viele voneinander abhängige Knotenpunkte mindestens ausfallen müssen, um eine verhängnisvolle Kettenreaktion anzustoßen. Ist jedoch eines der Netzwerke räumlich eingebettet, so stellten die Forscher zu ihrer eigenen Überraschung fest, existiert ein solcher Mindestwert gar nicht. Schon der Ausfall eines einzigen interdependenten Knotenpunktes kann das System unaufhaltsam ins Verderben stürzen. Die Forscher sprechen daher von der „extremen Verletzlichkeit“ solcher Konstellationen.
Verstärkter Schutz der Netzwerke dringend nötig
„Natürlich handelt es sich hier um ein idealisiertes Modell, in dem die Verbindungen entweder regelmäßig oder willkürlich sind“, sagt Buldyrev. „In Wirklichkeit sind viele Netzwerke ein Zwischending zwischen diesen Extremen.“ Dennoch liefert die Veröffentlichung einen wichtigen Anstoß dazu, unsere Infrastruktur und ihre Schwachstellen genau unter die Lupe zu nehmen und Sicherheitsvorkehrungen zu treffen – sei es, dass jedes wichtige Rechenzentrum mit einer verlässlichen Notstromversorgung ausgestattet wird.
„Unsere Infrastrukturen verschränken sich immer stärker“, sagt Buldyrev. Damit steigen die Risiken durch menschliches Versagen, Naturkatastrophen oder Terrorattacken. „Das ist unsere zentrale Nachricht“, sagt Buldyrev. „Wir müssen uns dringend fragen: Wie können wir unsere Netzwerke widerstandsfähiger machen?“ (Nature Physics, 2013; doi: 10.1038/nphys2727)
(Nature, 26.08.2013 – NSC)
