나뭇잎 교과서

연결되는 세상과 미래

1844년 첫 전신은 글자 몇 개를 보내는 데 몇 분이 걸렸습니다. 지금은 사람보다 연결된 기계가 더 많습니다. 연결 기술이 어떻게 넓어져 왔는지, 그리고 연결이 촘촘해진 세상이 어떤 성질을 갖는지 따라가 봅니다.

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연결되는 세상과 미래

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1967년 미국의 심리학자 밀그램은 중부의 주민들에게 편지를 주고, 보스턴에 사는 모르는 사람에게 아는 사람을 통해서만 전하게 했다. 도착한 편지는 평균 다섯 사람쯤을 거쳤다. 지구 반대편의 모르는 사람과도 '여섯 다리'면 이어진다는 말이 여기서 나왔다. 세상에 사람이 그렇게 많은데 왜 이렇게 가까울까? 그리고 사람에서 기계로, 기계에서 사물로 연결이 넓어지면 사회는 어떻게 달라질까?

그림 1. 한 사람이 \(k\)명을 알고 아는 사람이 겹치지 않는다고 어림하면, \(d\)단계 안에 닿는 사람은 \(k^d\)명이다. 80억 명에 닿는 단계 수는 \(\frac{\log 8 \times 10^9}{\log k}\)로, \(k\)가 100이면 약 5이다.
먼저 알아야 할 것전자기파와 통신, 디지털 정보, 사물인터넷(통합과학), 지수와 로그(수학), 과학기술과 음악(과학기술과 음악).

3.4.1지수적으로 늘어나는 연결

내가 100명을 알고, 그 100명이 각자 다른 100명을 안다면 두 다리를 건너 1만 명, 세 다리면 100만 명, 네 다리면 1억 명, 다섯 다리면 100억 명에 닿는다. 연결은 단계마다 곱으로 늘어나므로, 사람 수가 아무리 많아도 몇 단계면 충분하다. 실제로는 친구들끼리 서로 아는 경우가 많아 이보다 더 많은 단계가 필요하지만, 멀리 사는 사람과 이어진 몇몇 '지름길' 덕분에 세상은 여전히 좁다.

정리 3.4.1 좁은 세상 연결망

대부분의 연결은 가까운 이웃끼리 이루어지지만, 일부의 먼 연결이 섞여 있으면 연결망 전체의 평균 거리가 크게 줄어든다. 이런 연결망을 좁은 세상 연결망이라 하며, 사람 관계, 인터넷, 뇌의 신경망, 전력망에서 나타난다.

그림 1에서 아는 사람 수를 바꾸어 보자. 10명만 알면 약 10단계, 100명이면 약 5단계, 1000명이면 약 3.3단계이다. 2016년 페이스북 사용자 16억 명을 분석한 결과, 두 사람 사이의 평균 거리는 약 3.6단계였다.1

3.4.2연결되는 세상의 빛과 그림자

전화와 인터넷이 사람을 잇고, 이제는 사물인터넷이 냉장고, 자동차, 도시의 센서까지 잇는다. 연결은 정보를 빠르게 나누고, 멀리 있는 사람과 협력하게 하며, 교통과 에너지를 효율적으로 관리하게 한다. 그러나 좁은 세상에서는 가짜 뉴스와 컴퓨터 바이러스도 몇 단계 만에 전 세계로 퍼진다. 연결이 많을수록 한 곳의 고장이 전체로 번지는 위험도 커지므로, 보안과 개인 정보 보호, 연결망의 튼튼함을 함께 고려해야 한다.

단계12345 닿는 사람 (k = 100)1001만100만1억100억
그림 2. 연결이 단계마다 100배씩 늘면 다섯 단계에 세계 인구를 넘는다.

3.4.3예제 풀이

예제 3.4.2

한 사람이 평균 150명을 안다고 하자(던바의 수). 아는 사람이 겹치지 않는다고 어림할 때, 80억 명에 닿는 단계 수를 구하여라. 어떤 소문이 한 사람에서 시작해 하루에 한 단계씩 퍼진다면 며칠이면 세계 인구 모두에게 닿을 수 있는가? (\(\log 8 \times 10^9 \approx 9.90\), \(\log 150 \approx 2.18\))

단계 수는 \(\dfrac{9.90}{2.18} \approx 4.5\)이므로, 다섯 단계면 \(150^5 \approx 7.6 \times 10^{10}\)명으로 세계 인구를 넘는다.

하루에 한 단계라면 이론적으로는 5일이면 된다. 실제로는 아는 사람이 많이 겹치고 모두가 전하지는 않아 훨씬 느리지만, 인터넷에서는 한 사람이 수천 명에게 한꺼번에 전할 수 있어 몇 시간 만에 퍼지기도 한다. 그래서 연결된 사회에서는 정보를 퍼뜨리기 전에 사실인지 확인하는 일이 개인의 책임을 넘어 사회 전체의 안전과 이어진다.

아래 탐구 카드에서 사물인터넷이 무엇을 연결하는지, 연결이 넓어지면 사회가 어떻게 달라지는지, 80억 명이 몇 다리면 이어지는 까닭을 살펴보자.

  1. 1998년 와츠와 스트로가츠는 규칙적으로 이웃끼리만 연결된 연결망에 무작위 연결을 조금만 섞어도 평균 거리가 급격히 줄어든다는 것을 수학적으로 보여, 좁은 세상 현상을 설명했다.
마무리

연결은 단계마다 곱으로 늘어나므로 아는 사람이 \(k\)명이면 \(\frac{\log N}{\log k}\)단계 안에 \(N\)명에 닿고, 몇몇 먼 연결이 섞이면 세상은 좁은 세상 연결망이 된다. 사람, 기계, 사물로 넓어지는 연결은 협력과 효율을 주지만 거짓 정보와 장애가 빨리 퍼지는 위험도 준다. 그래서 처음 질문의 80억 명의 세상은 연결이 지수적으로 늘어나기 때문에 몇 다리만 건너면 이어진다.

읽기 1

사물인터넷은 무엇을 연결하고, 어디까지 믿을 수 있을까?

읽기 · 사물인터넷의 활용과 한계

스마트폰으로 집 밖에서 보일러를 켜고, 비닐하우스의 창문이 온도에 맞춰 저절로 열린다. 이렇게 사람이 조작하지 않아도 사물끼리 정보를 주고받으며 움직이는 기술을 사물인터넷(IoT)이라고 한다. 어떻게 작동하고, 무엇을 조심해야 할까?

1재고, 보내고, 판단하고, 움직인다

센서온도·습도·빛 측정 네트워크무선 통신으로 전송 분석·판단서버, 인공지능 구동기창문·밸브·조명 작동 환경이 바뀌면 센서가 다시 잰다 (되먹임)
사물인터넷 기기는 측정, 전송, 판단, 작동의 고리를 사람 없이 되풀이한다. 통합과학1에서 배운 센서와 디지털 신호가 이 고리의 출발점이다.

2삶과 환경을 바꾸는 사례

분야무엇을 재고 어떻게 움직이나얻는 것
스마트 팜온실의 온도, 습도, 이산화 탄소, 흙의 수분을 재어 환기창, 물, 양분 공급을 자동으로 조절노동 시간 절약, 물과 비료 절약, 수확량 안정
에너지원격 검침과 스마트 그리드로 시간대별 전력 사용을 파악하고 수요를 분산전력 낭비 감소, 신재생 에너지의 들쭉날쭉한 발전량 흡수
안전다리와 터널에 붙인 센서로 흔들림과 균열을 늘 감시, 산사태 지역의 기울기 측정사고 징후를 미리 발견
건강손목시계형 기기가 심박과 수면을 재고 이상을 알림질병의 조기 발견, 혼자 사는 노인 돌봄

3한계와 위험

먼저 보안이 문제이다. 연결된 기기는 모두 해킹의 입구가 될 수 있다. 2016년에는 초기 비밀번호를 바꾸지 않은 인터넷 카메라와 공유기 수십만 대가 악성 코드에 감염되어, 한꺼번에 공격 신호를 보내 여러 유명 웹사이트를 마비시켰다(미라이 봇넷). 또 집 안의 생활 패턴, 위치, 건강 정보가 기업의 서버에 쌓이므로, 누가 그 정보를 어디까지 쓸 수 있는지 정해야 한다.

기기에 기대는 만큼 고장의 영향도 커진다. 네트워크가 끊기거나 서버가 멈추면 기기가 작동하지 않을 수 있고, 센서가 잘못 재면 잘못된 판단이 자동으로 실행된다. 그리고 수십억 개의 기기는 전기를 쓰다가 결국 전자 폐기물이 되며, 기술을 쓸 수 있는 사람과 없는 사람 사이에 격차도 생긴다.

판단사물인터넷의 장점과 한계는 같은 뿌리에서 나온다. 모든 것이 연결되어 있기 때문에 편리하고, 같은 이유로 한 곳의 문제가 넓게 퍼진다. 그래서 중요한 기기일수록 인터넷이 끊겨도 안전하게 멈추거나 사람이 직접 조작할 수 있도록 설계한다.

확인조건이 달라지면

스마트 팜의 온도 센서가 고장 나서 실제보다 10 °C 낮은 값을 계속 보내고 있다. 한여름 낮에 이 온실에서 일어날 수 있는 일은?

읽기 2

사람에서 기계로, 기계에서 사물로 연결이 넓어지면 사회는 어떻게 달라질까?

읽기 · 통신과 인터넷의 역사 · 초연결 사회 · 미래 예측의 방법

편지가 서울에서 부산까지 가는 데 며칠이 걸리던 때가 있었다. 지금은 냉장고가 우유가 떨어졌다고 휴대 전화에 알려 준다. 연결 기술은 어떤 단계를 거쳐 왔고, 앞으로 무엇을 더 연결하게 될까?

1연결 기술의 발전 단계

무엇을 연결했나대표 기술과 시기바탕이 된 과학
사람 ↔ 사람 (멀리)모스 전신(1844), 대서양 해저 전신 케이블(1866년 안정 운용), 벨의 전화(1876)전자기학, 전류의 신호화
방송 ↔ 대중라디오(20세기 초), 텔레비전전자기파의 발생과 수신
컴퓨터 ↔ 컴퓨터아르파넷(1969), 통신 규약 TCP/IP 채택(1983). 우리나라는 1982년 서울대와 구미의 연구소를 잇는 SDN을 구축패킷 교환, 디지털 부호화
문서 ↔ 문서월드 와이드 웹(1989년 제안, 1991년 공개, 버너스리), 국내 상용 인터넷 서비스(1994)하이퍼텍스트, 광섬유 통신
사람 ↔ 기계 (언제 어디서나)스마트폰(2000년대 후반), 이동 통신 4G·5G(우리나라 2019년 5G 상용화)반도체, 고주파 무선 통신, 센서
사물 ↔ 사물사물인터넷, 스마트 공장, 자율 주행차의 차량 간 통신, 디지털 트윈저전력 센서, 클라우드, 인공지능

각 단계마다 연결되는 대상이 넓어지고, 전달되는 정보의 양과 속도가 커졌다. 오늘날에는 사람, 기계, 사물이 모두 서로 데이터를 주고받는 초연결 사회로 나아가고 있다. 사람의 뇌 신호를 읽어 기계를 움직이는 뇌–컴퓨터 인터페이스처럼 사람과 기계를 직접 잇는 기술도 연구되고 있다.

2미래 사회의 변화를 예측하는 방법

첫째는 추세 연장이다. 통신 속도, 연결된 기기 수처럼 수치로 잴 수 있는 것의 변화 추세를 앞으로 늘려 본다. 다만 추세는 기술의 한계나 사회의 선택으로 언제든 꺾일 수 있다.

둘째는 과거 사례의 유추이다. 전화가 도시 구조와 사업 방식을 바꾼 것처럼, 새 연결 기술이 비슷한 변화를 낳을지 견주어 본다.

셋째는 시나리오이다. ‘개인 정보 보호가 강한 사회’와 ‘약한 사회’처럼 서로 다른 미래를 여러 개 그려 보고, 각각에서 무엇이 좋아지고 나빠지는지 따진다. 하나의 정답 대신 대비할 거리를 찾는 방법이다.

3초연결 사회의 빛과 그림자

기대되는 변화함께 생기는 문제
원격 진료, 원격 수업, 재택근무로 거리의 제약이 줄어듦기기와 통신을 쓰기 어려운 사람이 소외되는 디지털 격차
교통, 에너지, 공장을 실시간으로 조절해 효율이 높아짐한 곳의 고장이나 해킹이 연결된 전체로 번지는 위험
센서 자료로 재난과 질병을 빨리 알아챔위치, 건강, 생활 기록 같은 개인 정보의 수집과 감시
새로운 산업과 일자리사라지는 일자리, 플랫폼 기업에 집중되는 이익

판단“기술이 발전하면 미래는 저절로 이렇게 된다”는 예측은 조심해야 한다. 1990년대에는 인터넷이 지식을 평등하게 나누어 줄 것이라는 기대가 컸지만, 실제로는 가짜 뉴스와 정보 격차 같은 예상하지 못한 문제도 함께 왔다. 같은 연결 기술도 법과 제도, 사람들의 선택에 따라 전혀 다른 미래로 이어진다.

확인조건이 달라지면

어느 도시가 모든 신호등과 버스, 주차장을 하나의 중앙 서버로 연결하려 한다. 이 계획을 평가할 때 가장 먼저 함께 따져야 할 것은?

탐구 3

80억 명이 사는 세상은 왜 몇 다리만 건너면 이어질까?

연결망 과학 · 좁은 세상 모형 · 평균 거리와 뭉침
지름길 수
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평균 거리 L
—
뭉침 정도 C
—
0번 ↔ 30번
—

와츠–스트로가츠 모형: 60명이 원 위에 앉아 양옆 2명씩(모두 4명)과 친구이다. 각 연결을 확률 p로 끊고 아무나와 새로 잇는다. 평균 거리 L은 모든 두 사람 사이 최단 경로 길이의 평균, 뭉침 정도 C는 ‘내 친구 둘이 서로도 친구일 확률’이다. 오른쪽 곡선은 무작위 연결망 20개의 평균을 p = 0일 때의 값으로 나눈 것이다.

  1. 질문처음 만난 사람과 이야기하다가 공통의 지인이 있어 “세상 참 좁다”고 말한 적이 있는가? 친구는 대개 같은 동네, 같은 학교에 몰려 있는데, 어떻게 지구 반대편 사람과도 몇 단계 만에 이어질 수 있을까?
  2. 복원연결망(네트워크)은 점(노드)과 선(링크)으로 나타낸다. 두 점 사이의 거리는 거쳐야 하는 선의 최소 개수이다. 사람, 컴퓨터, 사물, 공항 모두 연결망으로 나타낼 수 있다.
  3. 설명1967년 심리학자 밀그램은 미국 중부의 사람들에게 보스턴에 사는 낯선 사람에게 편지가 닿도록, 그 사람을 알 것 같은 지인에게만 편지를 넘기게 했다. 목표에 닿은 편지는 평균 다섯~여섯 사람을 거쳤고, 여기서 ‘여섯 단계의 분리’라는 말이 퍼졌다. 1998년 와츠와 스트로가츠는 이웃끼리 뭉친 연결망에 지름길을 조금만 넣어도 평균 거리가 급격히 줄어든다는 것을 보였다. 뭉침은 높고 거리는 짧은 이런 연결망을 좁은 세상 연결망이라 한다.
  4. 연결인터넷의 라우터, 항공 노선, 뇌의 신경 연결, 감염병이 퍼지는 접촉망에서도 좁은 세상의 성질이 나타난다. 2016년 페이스북 연구진은 사용자 사이가 평균 3.5단계 남짓으로 이어져 있다고 발표했다. 사람과 기계, 사물이 더 촘촘히 연결될수록 정보와 혁신은 빨리 퍼지지만, 가짜 뉴스와 감염병, 사이버 공격도 빨리 퍼진다.
  5. 적용p를 0에서 조금씩 올리자. 지름길이 2~3개 생겼을 때 평균 거리 L은 얼마나 줄었는가? 그때 뭉침 정도 C는요? 오른쪽 그래프에서 L은 크게 줄었는데 C는 거의 그대로인 p의 범위를 찾자. p = 1이면 어떤 연결망이 되는가?
  6. 판단짧은 경로가 ‘있다’는 것과 사람들이 그 경로를 ‘찾을 수 있다’는 것은 다르다. 밀그램의 실험에서도 출발한 편지 가운데 목표에 닿은 것은 일부였다. 또 실제 연결망에는 연결이 아주 많은 중심점(허브)이 있어, 허브가 멈추면 연결망 전체가 크게 흔들릴 수 있다. 이 모형은 모든 사람의 친구 수가 같다고 둔 단순화이다.

확인조건이 달라지면

어느 섬마을 사람들은 서로 잘 알지만 바깥과의 교류가 거의 없어서, 도시 사람과 이어지려면 여러 사람을 거쳐야 한다. 이 마을에서 한 사람이 도시로 이사해 마을 친구들과 연락을 계속한다면 어떤 변화가 생길까?

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