De Europese economie hangt aan elkaar van netwerken. Energie, internet en verkeer worden allemaal geregeld volgens ingewikkelde, met elkaar verbonden infrastructuren. Door deze samenhang zijn zij ze een belangrijk doelwit voor terroristische aanvallen. Als iemand kwaad in de zin heeft, kan een goedgeplaatste aanval eenvoudig een groot deel van Europa platleggen. Een stroomuitval kan leiden tot paniek en chaos, zeker als een groot gebied wordt platgelegd.

Netwerkbescherming
Om te voorkomen dat zulke aanvallen effectief zijn, zijn veel netwerken zo opgezet dat aanvallen geen desastreuze gevolgen hebben. Zo is er door slimme verbindingen tussen verschillende energiecentrales minder kans dat het uitvallen van een energiecentrale een heel gebied zonder stroom laat zitten. De huidige Europese netwerken zijn zo ontworden dat de kans dat het hele netwerk stukgaat zo klein mogelijk is.

Hoewel het ontwerp van de huidige infrastructuren goed bestand is tegen aanvallen op willekeurige knooppunten, zijn ze makkelijk uit te schakelen met gerichte aanvallen. Een aanval op drie willekeurige energiecentrales zal dus weinig effect hebben op de energievoorziening van Europa. Maar als alle drie de centrales in Spanje liggen, zou het eenvoudig kunnen dat heel Spanje zonder stroom komt te zitten. Wetenschappers hebben nu een manier gevonden om de netwerken beter bestand te maken tegen zulke gerichte aanvallen. Met behulp van eenvoudig algoritme kan de bestendigheid van een netwerk enorm toenemen. En dat zonder enorme kosten of veranderingen.

Christian Schneider, een van de hoofdonderzoekers en verbonden aan de universiteit van Zürich, vertelt over de zoektocht naar een geschikt algoritme: ‘We begonnen met de vraag: ‘wat is het meest robuuste netwerk voor een gegeven indeling van punten?’ Het algoritme dat we daarmee bedachten kwam neer op: als we twee verbindingen verwisselen, en het netwerk wordt daarmee robuuster, dan voeren we die verwisseling uit. De resultaten van dat algoritme waren echter niet zo goed, dus gingen we op zoek naar andere mogelijkheden.’

Nieuw criterium
Na het testen en nadenken over een heleboel andere algoritmes en methoden kwamen de onderzoekers tot de conclusie dat het huidige criterium voor robuustheid van een netwerk niet helemaal goed was. Het nieuwe criterium dat de onderzoekers hebben bedacht, meet de bestendigheid tegen gerichte aanvallen in plaats van willekeurig geplaatste aanvallen. Bij dit criterium zou een sternetwerk (waarin zo min mogelijk verbindingen zijn) het minst bestendige zijn, en een volledig verbonden graaf (waarin elk punt met elk punt verbonden is) het meest bestendige (zie plaatje).

Met dit nieuwe criterium bleek een kleine aanpassing van het algoritme dat al eerder gevonden was genoeg om goede resultaten te krijgen. Bovendien bleek het algoritme goed toe te passen op de praktijk: ‘Voor de toepassing op de werkelijkheid hielden we rekening met de lengte van de kabels. Het algoritme bleek met die lengtebeperking nog steeds goed te werken’.

Grote verbeteringen
Het algoritme werkt inderdaad goed: wanneer bijvoorbeeld slechts 5,5 procent van de kabels in het Europese internetnetwerk volgens het algoritme verlegd wordt, neemt de bestendigheid met 55 procent toe. Voor het netwerk van energiekabels is er bij een 5,5 procent verandering 45 procent toename.

Als het energienetwerk van Europa aangepast zou worden, zouden de eerste veranderingen moeten plaatsvinden in het Noorden van Italië, tegen de grens van Zwitserland aan. Met een paar wijzigingen in het netwerk daar neemt de robuustheid van het hele Europese stroomnetwerk al met 15 procent toe.

Naast het berekenen van verbeteringen in het Europese grid hebben de onderzoekers ook bekeken hoe het ideale (meest robuuste) netwerk eruit zou zien. Dit netwerk heeft de vorm van een ui, waarin de kern heel veel onderlinge verbindingen heeft. Verder van de kern komen er steeds minder verbindingen. Hoewel dit de ideale vorm is, komt dit nog nergens ter wereld voor. Het zou geografisch ook erg lastig zijn om zo’n netwerk te maken.

Het nieuwe criterium en het algoritme zijn ook bruikbaar buiten infrastructuren: zo is er al onderzoek gedaan naar de netwerkstructuur van eiwitverbindingen in het lichaam, die een structuur blijken te hebben die goed bestand is tegen gerichte aanvallen, maar gevoelig voor willekeurige verstoringen. Daarmee blijkt het algoritme zich dus al bewezen te hebben in de biologie.

Marc Seijlhouwer

Christian Schneider e.a. – Mitigation of malicious attacks on networks, in: PNAS, 21 februari 2011