PDF de programación - Tema 1 - Introducción a las Redes y los Sistemas Complejos - Aplicaciones

Redes y Sistemas Complejos

Cuarto Curso del Grado en Ingeniería Informática

Tema 1: Introducción a las Redes y los Sistemas Complejos. Aplicaciones

Oscar Cordón García

Dpto. Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial

[email protected]

HISTORIA (1): Las redes y la captura de Saddam Hussein

HISTORIA (2): Las redes y la captura de Saddam Hussein

La captura de Saddam Hussein ilustra muchos de los aspectos claves de las redes que
estudiaremos en esta asignatura:

• Muestra el poder predictivo de las redes, que permite extraer información clave incluso a

los no expertos (los soldados en este caso)

• Resalta la necesidad de diseñar mapas precisos de las redes a estudiar (en muchos

casos, el proceso de diseño es muy complicado y costoso)

• Destaca la estabilidad de estas redes (la captura de Hussein no se basó en las técnicas
clásicas de Inteligencia sino en sus conexiones sociales antes de la invasión, extraídas de
viejas fotos de su álbum familiar)

• Ejemplifica el hecho de que la elección de la red a emplear marca la diferencia (los

militares americanos tardaron meses en darse cuenta que la red jerárquica que representaba
la organización oficial iraní era inútil para encontrar a Saddam)

HISTORIA (3):

Predicción de la epidemia de la gripe aviar (H1N1) en 2009

Thex

Predicción de la difusión del contagio de la gripe aviar. 2009

http://www.ted.com/talks/nicholas_christakis_how_social_networks_predict_epidemics.html

HISTORIA (4): Predicción de la epidemia de la gripe aviar (H1N1) en 2009

• La gripe aviar de 2009 es la primera pandemia cuya evolución fue predicha meses antes

de que alcanzara su punto álgido

• Haciendo uso de las redes de transporte a nivel mundial, se determinó correctamente que

alcanzaría su pico en Octubre de 2009, en lugar de en Enero-Febrero (picos habituales de la
gripe estándar)

• Con ello, se demostró que la vacunación masiva realizada en Noviembre de 2009 fue inútil

por demasiado tardía, hecho comprobado a posteriori

• El cambio fundamental consistió en considerar el rol de las redes en la propagación de

los virus en contraste con los modelos epidémicos clásicos

• Hoy en día, la predicción de epidemias es una de las aplicaciones más activas de las

Redes y Sistemas Complejos. No sólo se centra en virus biológicos sino también
electrónicos (ej: predicción de la infección de 300.000 teléfonos móviles en China en 2010)

HISTORIA (5): El apagón de la costa noroeste de EEUU el 14/08/2003

Thex

VULNERABILIDAD
POR CULPA DE LA

CONECTIVIDAD

HISTORIA (6): El apagón de la costa noroeste de EEUU el 14/08/2003

• Este apagón es un ejemplo típico de un fallo en cascada: cuando una red actúa como

sistema de transporte, un fallo local en un nodo provoca una transferencia de carga a otros
nodos. Si la carga extra es excesiva para los nodos vecinos, éstos pueden fallar y
redistribuirla a otros nodos a su vez

• La magnitud del fallo depende de la posición de la red y la capacidad de los nodos afectados

(eliminados) en el primer momento y en los siguientes

• Los fallos en cascada son habituales en los Sistemas Complejos (ej: tráfico en Internet). La

actual crisis financiera mundial es un ejemplo provocado por la crisis de crédito en los EEUU.
También pueden tener efectos positivos. Ej: tratamientos del cáncer

• La estructura de la red afecta a la robustez del Sistema Complejo. Se pueden establecer

herramientas cuantitativas que evalúen la relación entre la estructura de la red y los
procesos dinámicos que se producen en ella, así como su impacto en los fallos

• Esos fallos no son caóticos e impredecibles, siguen una serie de leyes reproducibles

Hay Sistemas Complejos en Todo Nuestro Entorno…

que son muy difíciles de comprender y analizar como:

• Las sociedades biológicas (p.e., colonias de hormigas, abejas, manadas, etc.) y la propia
sociedad humana, cuyo funcionamiento requiere cooperación entre billones de individuos

• El cerebro humano, que requiere una actividad coherente de billones de neuronas

• Los genomas de los individuos, basados en la interacción constante entre miles de genes

• Los sistemas financieros, como por ejemplo el mercado de valores (la bolsa), en los que

interaccionan millones de componentes a nivel mundial

• Los sistemas de transmisiones, como las redes de telecomunicaciones (ej: Internet) o las

redes de distribución eléctrica

• etc.

SOCIEDAD

Población mundial

El Bureau de Censos de EEUU predijo que el "Día de los 7000
Millones" sería en Marzo de 2012 (ONU: 30/10/2011).
http://en.wikipedia.org/wiki/World_population
http://es.wikipedia.org/wiki/Población_mundial

CEREBRO

Neuronas

Brain

Factoid:

Human Brain
has between
10-100 billion
neurons.

ECONOMÍA

Sistemas Financieros

La economía mundial produjo bienes y servicios
por valor de 55 trillones de dólares en 2005
(http://siteresources.worldbank.org/ICPINT/Resources/ICPreport
prelim.pdf)

GENÉTICA

La célula humana

¿Cuántos genes tiene el genoma humano?

23,299

http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/faq/
genenumber.shtml

SISTEMAS COMPLEJOS (1)

[adj., v. kuh m-pleks, kom-pleks; n. kom-pleks]
–adjective
1.
composed of many interconnected parts;
compound; composite: a complex highway
system.
2.
characterized by a very complicated or
involved arrangement of parts, units, etc.:
complex machinery.
3.
so complicated or intricate as to be hard to
understand or deal with: a complex problem.

Source: Dictionary.com

Complexity, a scientific theory which
asserts that some systems display
behavioral phenomena that are completely
inexplicable by any conventional analysis
of the systems’ constituent parts. These
phenomena, commonly referred to as
emergent behaviour, seem to occur in
many complex systems involving living
organisms, such as a stock market or the
human brain.

Source: John L. Casti, Encyclopædia Britannica

SISTEMAS COMPLEJOS (2)

• Compuesto de agentes simples

(auto-organizado)

• Descentralizado: No existe un

supervisor, no hay un control central

• Comportamiento emergente: No

hay un plan global, se producen
acciones complejas e inesperadas a
partir de reglas simples

• Robusto: Las actuaciones se

completan aunque un individuo falle

Stephen Hawking
January 23, 2000

EL ROL DE LAS REDES

Detrás de cada sistema complejo
siempre hay una red, que define las
interacciones entre sus componentes

SOCIEDAD

Las relaciones profesionales, familiares y de amistad son el tejido de nuestra sociedad

El “Grafo Social” que hay detrás de Facebook

Keith Shepherd's "Sunday Best”
http://baseballart.com/2010/07/shades-of-greatness-a-story-that-needed-to-be-told/

EMPRESA

La estructura de una organización empresarial define su comportamiento

: departamentos

: consultores

: expertos externos

www.orgnet.com

CEREBRO La red cerebral indica qué neuronas están conectadas entre sí

El cerebro humano tiene entre 10 y 100
billones de neuronas interconectadas

Es una de las redes menos conocidas

La única red cerebral totalmente conocida es la
del gusano C.Elegans (300 neuronas)

http://www.humanconnectomeproject.org/

ECONOMÍA La red financiera del riesgo de la crisis en Europa en 2011 (NY Times)

http://www.nytimes.com/interactive/2011/10/23/sunday-review/an-overview-of-the-euro-crisis.html?_r=0

ECONOMÍA Acuerdos de negocios en la industria biotecnológica estadounidense

Nodos:

Compañías

Inversores

Farmacéuticas

Labs Investigación

Organismos públicos

Biotecnológicas

Enlaces:

Colaboraciones

Financieros

I+D

http://ecclectic.ss.uci.edu/~drwhite/Movie

POLÍTICA

Relaciones entre los miembros de los partidos políticos en redes sociales y blogs

ECONOMÍA Y POLÍTICA Mark Lombardi y las redes de sistemas financieros/políticos (1)

En la segunda mitad de los 90, Mark Lombardi,
documentalista y artista gráfico estadounidense,
monitorizó y mapeó fraudes financieros y políticos
globales de los años 80 y 90 a partir de datos de
fuentes públicas como artículos de prensa

Usando estos diagramas, estudió múltiples escándalos
y abusos de poder

http://en.wikipedia.org/wiki/Mark_Lombardi

ECONOMÍA Y POLÍTICA Mark Lombardi y las redes de sistemas financieros/políticos (2)

“I happened to be in the Drawing Center when the Lombardi show was being
installed and several consultants to the Department of Homeland Security came in
to take a look

They said they found the work revelatory, not because the financial and political
connections he mapped were new to them, but because Lombardi showed them
an elegant way to array disparate information and make sense of things, which
they thought might be useful to their security efforts

I didn‘t know whether to find that response comforting or alarming, but I saw
exactly what they meant.”

Michael Kimmelman, Webs Connecting the Power Brokers, the Money and the World,

NY Times, 14 de Noviembre de 2003

CAPACIDAD DE LAS REDES PARA REPRESENTAR INFORMACIÓN.

IMPORTANCIA DE LA VISUALIZACIÓN DE INFORMACIÓN

INTERNET La red define qué dispositivos de comunicación interactúan entre sí

domain2

domain1

router

domain3

Estructura de Internet al nivel de sus componentes. Mark Newman, http://www-personal.umich.edu/~mejn/netdata/

GENÉTICA La red que define las interacciones entre genes y proteínas integra
los procesos metabólicos de las células de los organismos vivos

El ser humano sólo tiene tres veces más genes que la mosca (23.299), luego la complejidad
humana no puede explicarse únicamente en función de ese pequeño aumento en el número. En
cambio, los científicos la explican en función de las redes genéticas que definen las
interacciones complejas entre distintos grupos de genes y proteínas

GENES HUMANOS

Homo
Sapiens

Drosophila
Melanogaster

En las redes genéticas mostradas, los puntos
representan los elementos de la red de cada
organismo y las líneas discontinuas las
interacciones entre ellos

G