人與人連結是傳播關鍵?科學家畫出人際「連通分支」,解密疾病擴散的路徑
人與人連結是傳播關鍵?科學家畫出人際「連通分支」,解密疾病擴散的路徑

西元1347至1352年間,肺鼠疫(俗稱「黑死病」)緩慢而持續地在歐洲蔓延。

罪魁禍首正是鼠疫耶氏桿菌,這種病菌透過跳蚤帶原,跳蚤吸食染病宿主的血液後,病原就進入跳蚤體內。這種病菌會阻塞跳蚤的腸道,導致牠們無法攝取營養而感到極度飢餓,變得飢不擇食,貪婪地尋找血源,進而感染更多宿主。

跳蚤極易寄生在老鼠、人類及其他動物身上;有些抵抗力較強的宿主不會發病,只是充當帶原者;但有些宿主一旦被叮咬感染,很快就會死亡。這種傳染病叫人聞風喪膽:一開始就像是流感,初期症狀只是發燒或感到虛弱,但很快地會惡化成大範圍出血。患者因為組織壞死而全身發黑,給了這場瘟疫「黑死病」(Black Death)的俗稱。

編按:從疫情蔓延、金融風暴、歷史事件和網紅效應都「人際網絡」息息相關,網絡科學重量級通俗讀物《人際網絡解密》,受諾貝爾經濟學獎得主、Google首席經濟學家極力推薦,為當代「網絡經濟學」大師馬修.傑克森(MATTHEW O. JACKSON)25年研究精華,《數位時代》獲先覺出版授權與讀者們分享。

病毒沿絲路西進,擴散緩慢而緊密

當時的衛生條件不佳,人畜居住環境緊鄰,加上人們對傳染病的認識不足,使得病菌如入無人之境,在中世紀的歐洲各大城市中橫行。幾年之間,巴黎與佛羅倫斯的人口減少了大約一半,在漢堡、倫敦等城市,死亡的人數甚至更多。

一般認為,疫情始於中國,沿著絲路傳播到君士坦丁堡,接著在1347年,隨著熱那亞商船進入西西里島,很快地奪走了島上將近一半的人口。

疫情繼續蔓延,先是在義大利部分地區開始流行,然後來到馬賽,接著在整個法國和西班牙境內擴散,幾年後北方的歐陸國家也相繼淪陷。據估計,這場瘟疫在歐洲奪走了超過40%的人命,在那之前,中國與印度已經有2,500萬人因此喪生。

黑死病 鼠疫 The_plague_of_Florence_in_1348,_as_describe
黑死病約在14世紀40年代散布到整個歐洲,在全世界造成了大約7500萬-2億人死亡,是人類歷史上致死人數最多的流行病。圖為藝術家根據薄伽丘《十日談》描繪1348 年佛羅倫薩的黑死病慘況。
圖/ Science Museum Group

從現代的視角來看, 這場瘟疫不尋常之處在於,疫情的擴散雖然緩慢,但卻彷彿經過計畫般,有條不紊地推進。 儘管這場瘟疫的傳播偶有長距離的躍進,像是沿著絲路或透過商船等貿易路線散播,但它在歐陸的推進,平均每天只有兩公里,就算以當時徒步的標準來看也是相當緩慢。

雖然鼠疫很少人傳人,但這種疾病卻是透過人際網絡傳播(隱藏在衣服中或是叮咬過船上老鼠、家畜、人類的跳蚤);人與人以及各種家畜所組成的接觸網絡,成為了病菌不斷向外蔓延的傳播途徑。

黑死病蔓延的緩慢過程告訴我們,中世紀人們的移動能力與交際範圍是多麼有限。現代的大流行就不是這麼一回事了:病菌的傳播速度非常快,通常在幾週甚至幾天內,疫情就可以延燒到其他大陸板塊。

涵蓋288個學生的「最大連通分支」

2014年,在南加州某主題公園通報麻疹與接觸案例後沒幾天,位在幾百哩外的學校,就爆發了麻疹疫情,許多未接種疫苗的成年人和兒童紛紛染疫。2015年,一名醫護人員在獅子山共和國確診伊波拉出血熱,之後僅僅一週的傳播,疫情就蔓延至歐洲以及北美洲的城市。
雖然現代的人際網絡樣貌已與中世紀大相徑庭,觀察特定類型的現代網絡,仍有助於了解中世紀的瘟疫傳播,何以如此緩慢卻又勢不可擋。

雖然大部分學生的交往對象只有一到兩人,但網絡已形成明顯可見的「最大連通分支」(giant component),即圖3-1左上角最大塊的相連區域,其中涵蓋288個學生,彼此透過層層關係鏈而相連在一起。

「連通分支」是指網絡中相連的部分,其上的任兩個節點可以找到一條相連的路徑,互相拜訪。如圖3-1所示,超過一半以上的學生座落於最大連通分支上,其餘的學生則散落在幾個較小的分支。另外有超過1/4的學生,沒有任何交往對象。(是的,我們都知道高中生活可以多麼孤單……)此處我們不加以繪出。

圖3-1
圖3-1的樣本來自一所美國高中,圖中網絡描繪了青少年間戀愛和/或性關係的網絡。學生列出了過去18個月曾交往過的對象。
圖/ 先覺

這張圖突顯了一件事: 即使大部分的人(平均來說)都只有少數性伴侶,仍有很高比例的人會感染性病。

圖中的每條連線,都代表一條潛在的疾病傳播路徑。如果最大連通分支上,有一個學生染病(例如接觸到校外的感染源),這個疾病就可能在分支內廣泛地傳播,引發校內流行。

舉例來說,HPV(人類乳突病毒)主要透過性行為傳播,可誘發子宮頸癌等多種癌症。HPV危險之處在於,初期通常沒有明顯症狀,患者很難意識到自己染病,因而繼續傳播給他人。據研究估計,約有超過40%的美國成人為HPV帶原者,其中很多人並不自知。大部分感染者的性關係並不複雜;他們只是剛好位於最大連通分支內。

如圖3-1所示,在每個人的接觸對象不多的情況下,傳染病的擴散可能很緩慢;然而,一旦疫情蔓延到最大連通分支內,就很可能引發大規模的感染,就像是中世紀的鼠疫。

這張圖告訴我們的另一件事是, 複雜的性關係或是性工作者的存在,並不是造成性病流行的主因。 的確,高點度的個體擴大並加速了疾病傳播的速度,但這些人並不是最大連通分支出現的必要條件。光是每個人有一個以上的性伴侶,就足以成形。網絡的連通程度才是疫情快速傳播的關鍵。

人際網絡的相變,竟是抑制病毒傳播的基礎?

熱力學中「相變」的概念,通常指物質狀態上的改變。例如,水從固態的冰轉變成氣態的蒸氣,可以視為經歷了一次相變。

網絡也可能出現相變,從幾個孤立的節點和小型連通分支,到形成涵納相當數量節點的最大連通分支,最終變成一個彼此相連的網絡,所有節點都能找到一條路徑,觸及彼此。網絡中的連結數量增加,就好比溫度提高,於是冰變成水,水變成蒸氣。

圖3-2
圖/ 先覺

相變的一個明顯特徵是,它可能在一瞬間突然發生。這一刻的溫度剛好低於冰點,你還能站在冰上,但下一刻你可能就落入水中,僅僅因為溫度升高了一度。同樣地,當連結增生的頻率有一點點微小變化,整個網絡分支的結構就可能有劇烈的改變。如圖3-2所示,當每個人的朋友從0.5個(如圖3-2(a))增加為1.5個(如圖3-2(b)),整個網絡就從彼此不相連的狀態,轉變為大多數人能夠聯繫彼此的狀態了。如果再增生一些連結(如圖3-2(c)和(d)),網絡不久就變成「路徑連通」(path-connected)的狀態,一般簡稱「連通」(connected)。所謂「連通」狀態,代表網絡內的任何人,都能找到一條路徑聯繫所有其他人(圖3-2(c)接近連通狀態,但還有兩個落單的節點)。

控制相變是抑制傳染病傳播的基礎。「基本再生數」(basic reproduction number)是一個重要的參考數字,它決定了疫情最終會在網絡內擴散或消散。這個數字代表,一個典型的感染者還會繼續感染多少健康的人。如果基本再生數大於1,則疫情擴散;如果小於1,則疫情消散。

網絡產生相變的臨界點,是在基本再生數達到1的時候,此時網絡將出現最大連通分支,如圖3-2。背後的道理簡單而意義重大:超過臨界值時,代表每個感染者會繼續感染超過一個人,此時傳染鏈將會擴張,同時這些新感染者還會繼續感染更多人,造成疫情持續蔓延;小於臨界值時,傳染鏈則逐漸萎縮。

以網絡的術語來說,如果每個人都擁有超過一個朋友,那麼連通分支就會不斷地向外擴張,形成最大連通分支;但如果每個人的平均朋友少於一個,則網絡內只會出現多個互不相連的分支以及許多孤立的節點。

責任編輯:張庭銉

本文授權轉載自《人際網絡解密》,先覺出版
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台灣不只要用國際標準,更要參與討論!TWNIC如何培養下一代網路人才,接軌國際技術社群?
台灣不只要用國際標準,更要參與討論!TWNIC如何培養下一代網路人才,接軌國際技術社群?

打開瀏覽器、觀看串流影片,看似日常的上網行為,背後其實仰賴一套套國際網路標準運作。當網路技術持續演進,台灣除了採用這些標準,能不能進一步參與它們形成的過程?

「即便有很多事情可能要做10年才會有效果,但我想我們應該擔任這樣的角色。」TWNIC執行長余若凡指出,台灣硬體產業在全球已有亮眼成果,但對底層網路技術與國際標準的關注、參與仍有成長空間。對TWNIC而言,除了管理「.tw」、「.台灣」網域名稱與台灣IP位址資源,也希望成為台灣與國際網路社群之間的橋梁。

TWNIC 執行長余若凡
圖/ TWNIC 執行長余若凡

這也是TWNIC與國立虎尾科技大學合作舉辦IETF研習課程的背景。從IETF組織運作、RFC標準形成,到IPv6-only等新一代網路技術,課程不只協助參與者理解國際標準,更希望培養實際參與與落地的能力。透過這場合作,TWNIC也試圖串起國際社群、校園人才與產業需求,讓台灣從採用標準,進一步走向參與標準。

硬體做到世界級,下一步讓台灣人才走進標準制定現場

IETF(Internet Engineering Task Force,網際網路工程任務組)作為全球網際網路技術標準形成的重要場域,許多技術規範最終透過RFC文件發布。對TWNIC而言,台灣若能讓更多企業、學校、研究者與工程師參與,不只能更早掌握國際網路技術變化,也有機會把台灣經驗帶進國際討論。

TWNIC因此一方面把國際議題帶回台灣,另一方面也把台灣人才送出去。透過TWNIC Academy學員計畫,每年資助8位學員參與重要國際組織,時間長達一年;部分學員返台後更自主形成社群,近期一場交流活動便吸引近40位參加,背景從網路工程延伸至政策、法律及社會科學。「我們希望最終有更多人可以參與。」余若凡說。從在台培訓、實際參與國際組織到返台形成社群,TWNIC希望讓人才培育不只停留在單次課程,而能持續累積參與國際標準討論的經驗。

會設定網路還不夠,學校補上「讀懂標準」的能力

但真正想要走進IETF,光是「會用網路技術」還不夠。國立虎尾科技大學電機工程系教授兼秘書室主任秘書蘇暉凱指出,大學課堂教授TCP/IP或網路設定,多半從教科書或整理過的教材入手;真正參與國際標準討論,面對的卻是RFC等第一手技術規範。

他將其中的差距歸納成三種能力:規範閱讀、實作驗證與技術表達。工程師除了讀懂規範,也要能透過實作與工具驗證實際網路行為,最後以精準的技術英文語言與國際社群溝通。「這三種能力不是短期間就能養成。」蘇暉凱指出,因此需要逐步融入大學與研究所的課程及專題。

這也凸顯學校在合作中的角色,TWNIC負責連結國際社群、技術趨勢與參與機會,學校則把這些標準帶進人才培育與實作現場。兩者合作,才能讓「參與國際標準」從少數專家的工作,逐漸變成年輕工程師可以累積的能力。

國立虎尾科技大學電機工程系教授兼秘書室主任秘書蘇暉凱
圖/ 國立虎尾科技大學電機工程系教授兼秘書室主任秘書蘇暉凱

IPv6走向主流,校園先成為產業轉型的試驗場

IPv6正是這套合作模式的具體案例。余若凡指出,全球IPv6使用率已正式跨過五成,迎來關鍵轉折。包含越南、捷克等國皆已將全面轉向IPv6排入國家政策時程,主流行動裝置與微軟Windows作業系統也已原生支援。過去許多環境仍採取IPv4與IPv6並行的架構,隨技術、終端與轉換機制逐漸成熟,進一步走向IPv6-only的條件也開始成形。IPv6-only並不代表與既有IPv4服務切割,而是透過NAT64、DNS64等轉換機制維持連線。對產業而言,真正的問題也逐漸從「技術能不能做到」,轉向是否有足夠經驗與信心部署。

為此,TWNIC 從人才培育到校園實作,持續推動 IPv6-only 環境的應用與部署,除了自行建置 IPv6-only Demo Site,也逐步於北、中、南三地拓展示範場域與實作據點。余若凡觀察,相較於企業在商業效益尚未明朗前,對導入新技術往往較為謹慎,校園更適合作為技術驗證與人才培育的場域。透過 TWNIC 推動的實作機制,讓師生在實際環境中理解 IPv6-only 如何運作,一方面培養未來進入產業的人才,另一方面也能累積可供業界參考的部署經驗。對蘇暉凱而言,這意味著學生不能只學會 IPv6 位址格式,更要從網路維運、資安到應用發展,建立面對 IPv6 環境的完整思維。

從Demo Site、教育訓練、技術活動到實作手冊,TWNIC希望逐步降低新技術的理解與部署門檻。當IPv6走向主流,台灣面對的已不只是「網路要不要升級」;如何讓更多人才讀懂國際標準、具備實作能力,甚至走進IETF參與討論,才是台灣從標準「使用者」走向「參與者」的下一步。

IETF研習課程

TWNIC將於10月29至31日2026年臺灣網際網路研討會(TANET 2026)暨國際計算機會議(ICS)設攤展示,規劃「新世代IPv6-Only Wi-Fi無線網路體驗與建置」及「TWNIC IPv6智慧工作室(IPv6 Smart Studio)」兩大主題。歡迎各界蒞臨參觀與體驗!
詳細介紹請參閱:https://twnic.tw/blog/contents.php?id=253&lang=zh-tw

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