6G: децентрализованная сеть и интеллектуальная сервисная архитектура

Одновременно с идущим сегодня развертыванием коммерческих сетей 5G мировое научно-инженерное сообщество рассматривает идеи реализации систем мобильной связи следующего, шестого поколения. Для 6G предполагается разработать распределенную, децентрализованную интеллектуальную сеть нового поколения. Но существующие схемы предоставления приложений основаны на централизованной сервисной архитектуре, а идеи повсеместных периферийных вычислений и децентрализованных технологий на основе искусственного интеллекта еще не получили реального воплощения.

Сети 5G обеспечили значительное ускорение работы приложений, но на их основе сложно реализовать интеллектуальные среды связи, отвечающие более высоким требованиям к скорости передачи информации, универсальности покрытия, безопасности и возможностям искусственного интеллекта [1]. В ряде стран были начаты проекты по изучению требований к будущим сетям 6G и соответствующих ключевых технологий. Но предложенные идеи в основном касаются усовершенствований в сфере беспроводной связи, мобильных периферийных вычислений (mobile edge computing, MEC) и искусственного интеллекта [2], а механизмы предоставления сетевых сервисов подробно не рассматриваются. Соответственно, существует потребность в разработке инновационной схемы предоставления сервисов для будущих сетей 6G.

Планируется, что сеть следующего поколения должна характеризоваться очень высокой скоростью передачи данных, крайне малой задержкой и универсальностью покрытия — связь должна быть доступна на земле, в воздухе, в воде и в космосе. При этом сеть должна иметь встроенные средства искусственного интеллекта и информационной безопасности. Для поддержки различных применений «Интернета всего» (Internet of Everything, IoE) такая сеть должна предоставлять функции не только связи, но и вычислений, управления, кэширования, измерения, позиционирования и обработки изображений. Если сети 5G построены на взаимодействиях между людьми, машинами и вещами, то в 6G появится еще один элемент, которому исследователи дали название Genie [3] («джинн», искусственный интеллект, способный самостоятельно принимать решения). При этом сеть 6G будет представлять собой интеллектуальную экосистему с высокой степенью автономии, которая позволит реализовать ряд новых технологий, таких как голографическая связь, интерфейс «мозг — машина», высокопрецизионное производство и смешанная реальность с воздействием на органы зрения, слуха, вкуса и обоняния. Снижение цен на аппаратное обеспечение приведет к росту разнообразия гаджетов со встроенными функциями искусственного интеллекта — смартфонов, очков виртуальной и дополненной реальности, смарт-часов, головных гарнитур, телевизоров, колонок и бортовых автомобильных систем. Эти устройства будут динамически и автономно взаимодействовать друг с другом, предоставляя новые возможности пользователям с учетом их поведения. В сетях 6G узлы будут взаимодействовать в автономном режиме, пользовательские данные будут храниться децентрализованно, а сервисы смогут предоставляться по требованию. Для такой сети, управляемой искусственным интеллектом, нужен новый децентрализованный механизм доставки сервисов.

Благодаря MEC вычисления выполняются ближе к пользователю, а модель «устройство — устройство» (device-to-device, D2D) позволяет соседним мобильным устройствам связываться друг с другом напрямую. Однако в целом сеть 5G имеет централизованную архитектуру предоставления сервисов, которой отвечают в том числе принципы хранения данных и доступа к ним, а также сетевые сервисы и протоколы прикладного уровня. По сравнению с 4G, в этом отношении существенных изменений нет. Соответственно, нужен совершенно новый механизм предоставления сервисов, учитывающий децентрализованность среды 6G.

Рис. 1. Концепция 6G: интегрированная, повсеместная, интеллектуальная, децентрализованная сеть

Наметим далее принципы децентрализации сети будущего и ее новые характеристики, обсудим проблемы, присущие нынешним централизованным системам, предложим архитектуру децентрализованного механизма предоставления сервиса, рассмотрим соответствующие исследовательские задачи.

Концепция и характеристики 6G

Общемирового консенсуса по поводу 6G еще нет, но ряд возможных особенностей обсуждается весьма широко. Рассмотрим далее общую концепцию 6G (рис. 1).

1) Сетевое покрытие. Существующие на сегодня сети и терминалы, основанные на специализированных стандартах, не удовлетворяют потребность в постоянной и повсеместной доступности мобильной связи. В отличие от сетей 1–5-го поколений, 6G обеспечит беспрецедентное покрытие не только на земле, но и в воздухе, море и космосе. В эпоху 6G интегрированная сеть мобильной связи будет доступна повсеместно. Все объекты, как реальные, так и цифровые, смогут соединяться с любыми другими, что позволит создать новую распределенную экосистему IoE.

2) Конвергенция возможностей. По мере увеличения возможностей терминалов, роста внедрения инфраструктуры MEC и расширения применения IoE, связь станет далеко не единственной функцией сети 6G: она должна будет обеспечить конвергенцию связи, вычислений, управления, хранения и измерения. Соответственно, терминалы и узлы сети станут интеллектуальными автономными системами обработки информации, которые будут и создавать, и потреблять данные.

3) Пространство взаимодействия. Стек технологий 5G (eMBB, mMTC, uRLLC) обеспечивает возможность взаимодействий «человек — машина — вещь», охватывающих киберпространство, физическое пространство и общество. С появлением 6G области взаимодействия станут еще глубже и шире. С развитием беспроводных интерфейсов «мозг — компьютер» появятся новые технологии, основанные на связи и управлении «силой мысли». В частности, такие интерфейсы можно будет применять для взаимодействия с окружающими смарт-устройствами — очками дополненной реальности, телевизорами, колонками. В 6G к нынешней схеме взаимодействия «человек — машина — вещь» присоединится еще один элемент — «сознание». Наступит эпоха дополненной реальности, в которой физический и виртуальный миры будут сливаться друг с другом: физические и цифровые объекты смогут сосуществовать и взаимодействовать друг с другом в режиме реального времени.

4) Искусственный интеллект. На начальном этапе проектирования сетей 5G технологии искусственного интеллекта были еще недостаточно зрелыми, чтобы их можно было применять в основе систем нового стандарта. Но по мере развития технологий больших данных, облаков, нейронных сетей и специализированных чипов средства искусственного интеллекта начали точечно применять в сетях 5G — в системах управления, смартфонах, различных приложениях. Искусственный интеллект считается одной из базовых технологий 6G, соответствующие средства будут встроены в сеть на всех уровнях, от прикладного до физического. В эпоху 6G конечные устройства с различными интеллектуальными возможностями будут постоянно взаимодействовать с периферийными и облачными ресурсами. По мере развития средств искусственного интеллекта и уменьшения стоимости соответствующего аппаратного обеспечения количество умных конечных устройств, применяемых в повседневной жизни, будет возрастать. Еще одним элементом 6G станут децентрализованные взаимодействующие друг с другом «умные» сервисы, предоставляемые конечными устройствами и сетевыми узлами.

5) Сетевая архитектура. По мере смены поколений технологий мобильной связи постепенно произошел переход от закрытой выделенной сети к конвергентной открытой сети, основанной на обычных ИТ. Сетевая архитектура становится все более однородной, а специализированные устройства, которые изначально применялись для реализации каждой сетевой функции, заменяются на стандартное оборудование и программные платформы. В особенности это относится к 5G, где широко применяются технологии программно-конфигурируемых сетей, виртуализации сетевых функций и сегментирования. Используя возможности последней, операторы, применяя специальное ПО на стандартных серверах, коммутаторах и системах хранения данных, могут создавать виртуальные сети, отвечающие требованиям различных приложений — например, таких, которым нужны большая пропускная способность, малая задержка или огромное количество соединений. Параллельно внедрение MEC и D2D способствует миграции вычислений и сервисов из облака на периферию сети. По мере совершенствования интеллектуального пользовательского и сетевого оборудования периферийные и «туманные» (fog) вычисления станут играть не менее важную роль, чем облака. Формируемые в автономном динамическом режиме локальные коммуникационные кластеры смогут выполнять приложения без посреднических систем. Периферия сети будет иметь высокую степень децентрализации и возьмет на себя часть функций магистральных сетей и облачных платформ. При этом периферия уже будет не просто сетью доступа, она будет состоять из многочисленных автономных локальных сетей, реализующих интегрированные функции связи, вычислений, управления, хранения и измерений. Периферия и магистральные сети будут иметь архитектуру, близкую к одноранговой, и в целом сеть станет более однородной и гибкой.

6) Архитектура приложений. Итак, сеть 6G будет основана на новых технологиях, станет повсеместно доступной, распределенной, децентрализованной, интеллектуальной. Нынешняя архитектура предоставления приложений строится по принципу «браузер-сервер» (browser/server, B/S) или «клиент-сервер» (client/server, C/S), оба этих варианта изначально были рассчитаны на централизованные сети. Чтобы выполнить пользовательский запрос, клиент взаимодействует с конкретными централизованными серверами приложений и баз данных. Но сеть 6G будет децентрализованной, соответственно, должна измениться архитектура предоставления приложений. Сети 6G будут преимущественно одноранговыми и самоорганизующимися, а нынешняя облачная бессерверная архитектура доставки приложений постепенно сменится децентрализованной одноранговой. Данные пользователей будут храниться в децентрализованной одноранговой сети, а обработка будет осуществляться с помощью многочисленных независимых сервисов, которые можно будет по запросу переносить и выполнять на любом сетевом узле.

Недостатки нынешнего механизма предоставления приложений

Учитывая существенные отличия 6G от нынешних сетей, необходимо обозначить проблемы, характерные для нынешней централизованной схемы предоставления сервисов. Несмотря на 40 лет развития, эта архитектура не отвечает требованиям приложений, которые будут работать в 6G.

Ограничения архитектур B/S и C/S. Большинство существующих сегодня приложений выполнены согласно этим архитектурам, изначально разработанным в эпоху тонких клиентов и мощных серверов. Приложение предоставляется в рамках взаимодействия между пользовательским устройством и облачным либо периферийным сервером. При централизованной архитектуре приложения сильно зависят от выделенных облачных серверов, которые отвечают за хранение информации и бизнес-логику. Серверная часть характеризуется большими затратами на вычисления, хранение и пропускную способность. С появлением MEC в 5G часть соответствующих функций приложения можно перенести на периферийные серверы, для чего разрабатывается архитектура совместных вычислений «терминал + периферия + облако». Но в приложениях 5G только начинает появляться поддержка распределенных вычислений, не говоря уже о децентрализованной модели. Потребуется значительное усовершенствование оборудования и ПО, прежде чем часть задач смогут выполнять локальные пользовательские терминалы во взаимодействии с окружающими устройствами или периферийными и облачными серверами. Соответственно, существует потребность в разработке новой архитектуры самих приложений, которая будет отвечать концепции децентрализованных повсеместных вычислений.

Недостатки централизованной модели данных. В соответствии с нынешней централизованной архитектурой приложений данные обычно хранятся на конкретных облачных серверах или терминальных устройствах и кэшируются на периферийных серверах или в сетях доставки контента (content delivery network, CDN). При этом хранение данных и доступ к ним полностью контролируются централизованной инстанцией — Yahoo, Facebook, YouTube и т. п. В этих условиях существуют проблемы, связанные с цензурой, приватностью, возможностью утечек и правами контроля. В частности, если такая центральная инстанция взломана, под угрозой оказывается вся база данных по пользователям. К тому же есть проблема доверия. Известно, что некоторые сервис-провайдеры используют данные для собственной выгоды — продают их рекламным агентствам и т. д., то есть приватность и безопасность пользовательских данных не гарантированы.

Сквозные протоколы прикладного уровня. Ввиду господства централизованных механизмов хранения данных и выполнения сервисов, большинство существующих протоколов прикладного уровня основаны на двухточечной, а не одноранговой модели связи: клиентские запросы должны направляться для обработки на специализированные серверы приложений. Существующие протоколы приложений (например, HTTP) изначально были разработаны для архитектур B/S и C/S и не подходят для среды децентрализованных вычислений, где связь устанавливается динамически и по мере возможности. В эпоху 6G протоколы уровня приложений должны будут обеспечивать доступ к данным и координацию работы сервисов по одноранговой схеме в обширной распределенной сети.

Тесная привязка пользовательских данных к конкретным приложениям. Стремительное развитие мобильного Интернета привело к тому, что большинство стало пользоваться сервисами и контентом, предлагаемыми лишь несколькими онлайн-гигантами: Yahoo, Google, Facebook, Twitter, WeChat и др. При этом стала более выраженной централизация данных. В этих условиях образуется множество «островов» информации, а пользователи лишены права контролировать свои данные. Последние тесно привязаны к конкретным приложениям, а совместное использование данных разными приложениями зачастую ограничено по коммерческим соображениям. Централизованные острова данных препятствуют свободному распространению информации.

Недостатки централизованного искусственного интеллекта. Благодаря активному росту возможностей облачных вычислений и больших данных применение искусственного интеллекта постоянно расширяется, но большинство реализаций основано на централизованной модели вычислений. Огромные обучающие наборы данных превратились в ценнейший актив для предприятий. Такие выборки и обучение моделей тоже подконтрольны небольшому числу крупных организаций, из-за чего растет разрыв между крупными компаниями, имеющими доступ к обширным размеченным наборам данных, и мелкими. Вместе с тем при централизованной схеме обучения необходима передача данных от конечных устройств на облачные серверы, что влечет высокие расходы на трафик и вычисления, а также потенциальные проблемы с приватностью. К тому же нынешние модели искусственного интеллекта всегда развертываются либо на облачных и периферийных серверах, либо на конечных устройствах по централизованной схеме без возможности эффективного использования узлов и других ресурсов повсеместной распределенной сети.

Децентрализованная архитектура предоставления приложений для 6G

Децентрализованный механизм предоставления приложений

С учетом всего сказанного можно ожидать, что механизм предоставления приложений в 6G существенно изменится по сравнению с нынешним централизованным (рис. 2). Приведем рекомендации по проектированию децентрализованного механизма предоставления приложений 6G.

Рис. 2. Переход к децентрализованной модели предоставления приложений 6G

Децентрализованная архитектура бессерверных вычислений. В сети будущего возможности связи, вычислений и хранения будут значительно усовершенствованы. Традиционная граница между клиентом и сервером исчезнет — каждый узел сети, включая терминалы, базовые станции, шлюзы, маршрутизаторы, серверы и т. д., будет выполнять роль как поставщика, так и потребителя информации. В 6G сетевая инфраструктура станет децентрализованной, вся сеть будет средой выполнения сервисов. Получит широкое применение распределенная операционная система на основе микроядра, которая будет адаптивно развертываться на аппаратном обеспечении различных видов: смартфонах, очках AR/VR, умных дисплеях, носимых гаджетах, бортовых развлекательных системах автомобилей и других устройствах Интернета вещей. Сервисная среда постепенно расширится, охватив, помимо облачной инфраструктуры, периферию и всевозможные конечные устройства. Вся бизнес-логика будет реализована на базе многочисленных микросервисов. Они не будут работать на выделенных серверах и смогут по запросу перемещаться на любой сетевой узел. Клиентские приложения, реализующие интерфейсную часть, будут считывать файл описания приложения и напрямую вызывать необходимые сервисные компоненты.

Децентрализованная модель данных. В условиях широкомасштабного развертывания систем периферийных и туманных вычислений появится возможность создания повсеместно доступной децентрализованной инфраструктуры хранения, лишенной недостатков, которые свойственны нынешней облачной модели. Данные уже не нужно будет хранить на конкретных серверах — они будут распределены по одноранговой сети. Такая модель обещает большие преимущества с точки зрения эффективности масштабирования, надежности, приватности и защиты данных от изменения. Когда все данные разделены между узлами распределенной сети, она более устойчива к лавинам пользовательских запросов, поскольку нагрузка распределяется по всей сети, а не между несколькими серверами. В подобных условиях также можно эффективнее справляться с DDoS-атаками. К тому же децентрализованная модель данных позволяет уменьшить зависимость от онлайн-гигантов и способствует избавлению мобильного Интернета от посреднических систем.

Отделение данных от приложения. Чтобы вернуть самим пользователям права контроля над данными, необходимо отвязать данные от индивидуальных приложений. В сети 6G создаваемые пользователями данные: видео, посты в соцсетях, сведения о здоровье и геолокации и др. — будут полностью контролироваться ими самими. При этом данные будут храниться в децентрализованной одноранговой сети, пользователи которой смогут предоставлять нужным приложениям разрешения на манипуляции с их данными и самостоятельно выбирать, с кем из других пользователей ими поделиться. Эта схема будет способствовать обмену и распространению информации между различными приложениями. Например, можно будет поделиться своим профилем с несколькими приложениями, избавившись от необходимости сохранять отдельную копию тех же данных в каждом из них. Кроме того, такая модель позволяет избежать несанкционированной передачи данных сторонними поставщиками приложений.

Децентрализованный искусственный интеллект, работающий по принципу взаимодействия. В 6G каждый сетевой узел сможет хранить и обрабатывать данные, автономно связываясь и взаимодействуя с другими окружающими устройствами. Когда будет создана инфраструктура повсеместных вычислений, постепенно произойдет переход от нынешней централизованной модели к децентрализованной, основанной на взаимодействии. В отличие от традиционных систем искусственного интеллекта, предусматривающих загрузку всех выборок на выделенные облачные серверы, при децентрализованной схеме обучение моделей будет происходить на многочисленных периферийных устройствах или серверах с локальными выборками; при этом не будет происходить обмен данными — локальные модели будут лишь с определенной периодичностью обмениваться параметрами, чтобы сформировать глобальную модель. Такой подход позволяет эффективно избежать передачи и централизованного хранения данных и решить критические проблемы, связанные с приватностью, безопасностью, правами доступа и разнородностью данных. Кроме того, благодаря развитию облегченных моделей искусственного интеллекта, их можно будет развертывать на любых устройствах, от мобильных телефонов до всевозможных устройств Интернета вещей. В такой децентрализованной сети искусственный интеллект сможет обучаться и принимать решения, работая на локальных устройствах. При этом автономное взаимодействие всего множества сетевых узлов будет контролироваться распределенной группой интеллектуальных агентов, которые смогут выполнять сложные задачи планирования и принятия решений.

Сравнение централизованной и децентрализованной схем

На рис. 3 на примере мобильного приложения для поиска показаны различия между существующей централизованной и будущей децентрализованной моделями предоставления приложений.

Рис. 3. Отличия централизованной и децентрализованной схем предоставления приложений

На рис. 3, а показана нынешняя схема работы мобильного поиска Google. Приложение функционирует за счет взаимодействия между мобильным браузером и выделенными облачными серверами приложений, а сеть отвечает только за передачу информации. Когда пользователь вводит URL-адрес Google, мобильный браузер с помощью сервиса DNS делает запрос IP-адреса и отправляет запрос веб-страницы на выделенный облачный сервер Google, который предоставит поисковую страницу. После ввода пользователем поискового запроса браузер отправит его по HTTP на поисковый сервер Google, который формирует страницу результатов. Пользователь затем может нажать на ссылку, чтобы посмотреть фильм на сайте YouTube. После этого браузер получит контент от облачных серверов YouTube или ближайшей сети CDN.

Децентрализованный механизм будет сильно отличаться с точки зрения принципов хранения данных, серверной архитектуры и коммуникационных протоколов (рис. 3, б). Выделенных облачных серверов приложений и баз данных нет, вся сеть действует как децентрализованная инфраструктура связи, вычислений и хранения. Браузер получает поисковую веб-страницу от распределенной файловой системы по одноранговой схеме, используя распределенную хеш-таблицу. Фрагменты веб-страницы могут находиться на находящихся рядом мобильных телефонах, ПК, периферийных системах или облачных серверных узлах. После ввода пользователем поискового запроса браузер с искусственным интеллектом может самостоятельно проанализировать запрос, используя облегченную модель искусственного интеллекта для обработки естественного языка, и во взаимодействии с окружающими устройствами сформировать страницу результатов. Когда пользователь нажмет на ссылку YouTube, мультимедиапроигрыватель загрузит сегменты нужного контента из распределенной одноранговой сети.

Нерешенные проблемы

Децентрализация — весьма вероятный путь развития будущих сетей 6G, который потребует радикального изменения механизмов предоставления приложений. Анализ проблем нынешней централизованной инфраструктуры позволяет предложить архитектурные основы механизма доставки приложений в сетях будущего, однако до сих пор ряд вопросов остаются открытыми.

• Децентрализованная ОС для повсеместных вычислений. Для приложений IoE, которые будут работать в сети 6G, предстоит разработать децентрализованную операционную систему, которая должна эффективно обеспечить одноранговую связь, децентрализованное хранение данных и доступ к ним, перемещение и развертывание сервисов по запросу и гибкую адаптацию разнообразных устройств: серверов, мобильных телефонов, телевизоров, автомобильных и других систем.
• Коллективное принятие решений с помощью децентрализованного искусственного интеллекта. Децентрализация считается одним из самых перспективных направлений развития искусственного интеллекта. При поддержке технологий D2D и MEC децентрализованные взаимодействующие сервисы искусственного интеллекта, выполняемые на распределенных сетевых узлах, можно будет сделать основой 6G. Однако вопросы того, как именно интегрировать разбросанные между узлами функции искусственного интеллекта и как найти оптимальное сочетание сервисов для лучшего обслуживания пользователей, еще предстоит решить исследователям. Конкретно речь идет о задаче коллективного принятия решений, которая потребует координации взаимодействия многочисленных интеллектуальных агентов.
• Радикальные изменения, обусловленные переходом на децентрализованную сеть и сервисную модель. Внедрение децентрализованной схемы приведет к резкому изменению существующих бизнес-моделей, продуктов, сервисов и ролей в экосистемах. Влияние центральных инстанций неминуемо ослабнет, будут затронуты коммерческие интересы нынешних онлайн-гигантов. Кроме того, изменится система управления инфраструктурой операторов связи. Придется решать вопрос о том, каким образом эффективно привлекать многочисленных участников (индивидуальных пользователей и предприятия) к предоставлению сетевых ресурсов в экосистеме 6G. Соответственно, подлежит изучению потенциальное влияние перемен на эксплуатацию сетевой инфраструктуры.

Литература

1. Z. Zhang et al. 6G wireless networks: Vision, requirements, architecture, and key technologies // IEEE Vehicular Technol. Mag. — 2019 (Sep). — Vol. 24, N. 40. — P. 28–41.

2. K. B. Letaief et al. The roadmap to 6G: AI empowered wireless networks // IEEE Commun. Mag. — 2019 (Aug). — Vol. 57, N. 8. — P. 84–90.

3. P. Zhang et al. Technology prospect of 6G mobile communications // J. Commun. — 2019. — Vol. 40, N. 1. — P. 141–148.

Сюцюань Цяо (qiaoxq@bupt.edu.cn) — профессор, Якунь Хуан (hyk_it@foxmail.com) — аспирант, Цзюньлян Чэнь (chjl@bupt.edu.cn) — профессор, Пекинский университет почты и телекоммуникаций; Шахрам Дустдар (dustdar@dsg.tuwien.ac.at) — профессор, Венский технический университет.

Xiuquan Qiao, Shahram Dustdar, Yakun Huang, Junliang Chen, 6G Vision: An AI-Driven Decentralized Network and Service Architecture. IEEE Internet Computing, July/August 2020, IEEE Computer Society. All rights reserved. Reprinted with permission.