Разрабочики 5G в свое время пытались полностью избавиться от централизованной модели управления, однако этого не произошло — отказались лишь от традиционных для телефонных сетей коммутаторов в пользу децентрализованной сети связи, основанной на IP. Сегодня разработчики 6G ставят перед собой более амбициозные задачи по децентрализации, которая, по их задумкам, должна быть и в вычислениях, и в хранении данных, и даже в искусственном интеллекте, хотя последний вообще не связан с собственно передачей данных — основной задачей всех ХG. Тем не менее плох тот солдат, который не мечтает стать генералом и контролировать все сферы ИТ.

Терра инкогнита

Процесс разработки технологий мобильной связи следующего поколения (6G) стартовал в 2018 году (blog.router-switch.com/2019/12/what-is-6g), когда в начале марта министр ИКТ Китая Мяао Вей заявил, что страна уже занимается разработкой технологий мобильной связи следующего поколения — 6G. Естественно, американцы не захотели отставать, и через неделю Национальная комиссия по коммуникациям США открыла терагерцевый диапазон, что также фактически является объявлением работы над следующим поколением мобильной связи, поскольку именно в этом диапазоне частот и предполагается работа оборудования 6G. Еще через неделю в Финляндии состоялась первая международная конференция, посвященная формированию требований для следующего стандарта мобильных коммуникаций — 6G.

Переход в более высокочастотный диапазон — от 100 ГГц до 10 ТГц — позволит, как предполагается, значительно увеличить пропускную способность радиоканала, что даст возможность обслужить значительно большее количество пользователей. При этом речь не идет о подключении собственно мобильных телефонов, планшетов или компьютеров (и даже интеллектуальных машин) — рассматривается использование устройств Интернета вещей (IoT), которых в пределах одной базовой станции может быть достаточно много. Поэтому технологии по формированию лучей, определению местоположения устройств и пр., разработанные для только внедряемого сейчас поколения 5G, также должны остаться, но будут использоваться на более высоких частотах.

Решения Интернета вещей, для которых в основном и предполагается использование 6G, получили специальное название: «человек-машина-вещь». Они предполагают наличие трех элементов в системе: человека как физического носителя; интеллектуального устройства, с которым человек взаимодействует; вещи, которая собирает данные и выполняет команды приложения, запущенного на устройстве человека. Однако возникает вопрос: если в несколько раз увеличить скорость радиоинтерфейса, то вырастет ли при этом производительность реальных систем? Вполне возможно, что узким горлом станет не канал передачи данных между базовой станцией и терминалом или управляющим оборудованием, а более высокий уровень агрегации и обработки данных, то есть работа систем, которые традиционно считаются операторскими.

Перманентная децентрализация

Телефонная сеть изначально была централизованной: в ней всегда были коммутаторы и АТС, а оператор прокладывал маршрут от одного абонента до другого и создавал канал связи между ними. Абоненты не могли самостоятельно связываться друг с другом, поскольку им всегда была нужна инфраструктура оператора. Мобильная связь изменила только интерфейсы, но не подходы — для взаимодействия двух абонентов, находящихся в одной комнате, их мобильным телефонам необходима базовая станция, хотя они вполне могут взаимодействовать друг с другом напрямую. Понятно, что централизованная связь создает проблемы при проектировании и сопровождении коммутаторов — от базовой станции требуются высокие пропускная способность и надежность. Поэтому в случае большой плотности абонентов мобильная сеть испытывает серьезные проблемы.

Однако существует технология, которая, наоборот, работает только при высокой плотности сети, — децентрализованная ячеистая (mesh) сеть, в которой каждый абонент сам является и базовой станцией. Каждое устройство в такой сети через себя организует взаимодействие других «видимых» им абонентов, причем чем больше плотность таких универсальных устройств, тем эффективнее работает технология связи, поскольку для организации взаимодействия возникает большое количество альтернативных маршрутов передачи информации. Именно так организована сеть Интернет: хотя в ней есть провайдеры, которые подключают отдельных абонентов, топология на уровне ядра сети не является иерархической. Каждый маршрутизатор принимает решение о пересылке пакета самостоятельно, а не по указанию «центрального коммутатора», как в случае телефонии.

Впрочем, сейчас технология IP развивается как раз в сторону централизованного управления в рамках идеологии программно-конфигурируемых сетей (SDN), в которых решения принимает центральное устройство — контроллер, организующий информационные потоки через не очень интеллектуальные коммутаторы. Переход на такую технологию потребовался как раз для организации передачи больших объемов данных, при которых построение маршрута для каждого пакета в каждом маршрутизаторе создает серьезные задержки. Оказалось, что централизованное принятие решений о направлении больших потоков информации позволяет минимизировать накладные расходы маршрутизации, что существенно на больших скоростях передачи данных. Это важно учитывать при составлении децентрализованной концепции мобильной связи 6G.

Не скоростью единой

Скорость — не единственная проблема, которую требуется решить разработчикам 6G.

Существующие приложения построены по централизованной модели клиент-сервер, согласно которой клиентам приходится взаимодействовать с сервером, даже если они хотят взаимодействовать друг с другом. Такие сервисы, как IP-телефония или VoIP, требуют первичного подключения к серверу для установления соединения с другим клиентом, хотя даже изначально имеется возможность прямого взаимодействия с клиентом. Например, новая технология мобильной связи VoWiFi («голос по Wi-Fi»), которая встроена в некоторые мобильные телефоны, перестает работать в случае недоступности сервера, хотя доступ к Сети имеется. Такие же проблемы возникают и при обращении к большинству современных приложений: игр, коммуникаторов, социальных сетей и др. Централизованная архитектура современных приложений создает проблемы: слишком много устройств пытаются подключиться к одному серверу. Решением может быть сетевая операционная система, которая позволяет приложениям, находящимся под ее управлением, работать на любых устройствах, в том числе и максимально близких к клиенту.

Централизованные приложения приводят к гиперконцентрации пользовательских данных, что требует применения технологий массово-распределенных вычислений. При этом собственники данных, как правило, теряют над ними контроль и не могут управлять доступом к этим хранилищам. В результате данные попадают в открытый доступ, что негативно отражается на отношении к цифровым технологиям со стороны пользователей. Было бы разумнее хранить пользовательские данные максимально близко к пользователю, именно поэтому в архитектуре 6G следует предусмотреть локальные хранилища, контролируемые владельцем устройства. Сейчас в мобильных платформах есть разрешения на использование определенных ресурсов устройства, аналогично должна быть организована выдача разрешений на доступ распределенных приложений к данным пользователя.

В современной мобильной архитектуре данные хранятся не на устройстве, а в конкретном приложении — в связанном с ним облаке. В результате все больше данных уходит из-под контроля пользователя и оказывается в ведении разработчиков приложений. Это приводит к тому, что для работы этих приложений требуется постоянное взаимодействие с серверной частью приложения, чтобы регулярно обновлять хранилища, данные в которых оказываются дублированными и рассогласованными. Связность приложений и данных означает необходимость постоянной работы приложения на клиентском устройстве и постоянного взаимодействия с сервером, что создает непродуктивную нагрузку на сеть. Для 6G нужны приложения, обрабатывающие и хранящие данные максимально близко к пользователю — возможно, в так называемых мобильных граничных ЦОДах (Mobile edge computing, MEC). Сама концепция граничных вычислений была разработана для 5G, однако полноценно использовать ее без сетевой операционной системы и распределенного пользовательского хранилища данных будет сложно, поэтому разработчики 6G изначально вводят подобные концепции в дизайн мобильной сети.

Искусственный интеллект также централизован: соответствующие решения работают в облаке производителя, а все клиенты удаленно к нему обращаются. Так построены Siri, Google, Алиса, Маруся, Watson и др., что создает большую нагрузку на сеть. Например, фрагмент голоса для распознавания Алисой записывается на телефоне, затем посылается по сети в центр обработки, откуда приходит ответ в виде сгенерированного искусственным интеллектом голосового файла. В то же время предварительное распознавание и голоса, и изображений, и видео уже можно делать на конечных устройствах или в MEC-центрах. Это должно снять излишнюю нагрузку с сети и сделать сам искусственный интеллект более погруженным в контекст за счет его максимального приближения к пользователям. При этом сами технологии искусственного интеллекта вполне могут использоваться для децентрализованного управления потоками передачи данных, став частью самой сети 6G, которая «поумнеет» и будет способна самостоятельно оптимизировать использование всех ресурсов пользователей и соединяющих их каналов.

Современные протоколы, используемые в Интернете и мобильной связи (HTTP, SMTP, FTP и др.), сложно применять для однорангового взаимодействия между клиентами. Как уже упоминалось, это выливается в требование постоянной доступности центральных серверов, рост нагрузки на них и наличие единой точки отказа. Понятно, что для сети 6G необходимы пиринговые одноранговые протоколы, позволяющие из клиентов строить ячеистые сети. В этих протоколах нужно предусмотреть наличие децентрализованной сетевой операционной системы, распределенного хранилища данных и решений на базе искусственного интеллекта. Подобые одноранговые протоколы уже есть, но построить на них всю систему управления мобильной сетью пока не получалось.

***

Технологические контуры 6G по большей части определяются не столько повышенной пропускной способностью каналов связи до терабитов в секунду, сколько новыми методами оптимального управления широкими потоками данных. В частности, требуют изменения наборы протоколов для перехода с клиент-серверной архитектуры на одноранговую пиринговую, необходимо разработать системы децентрализованного хранения данных клиентов и создать сетевую операционную систему, приложения для которой будут работать с децентрализованными данными. Только тогда можно будет говорить действительно о следующем поколении мобильной связи, а не просто о расширении радиоканала последней мили.

Вместе с тем не стоит забывать, что децентрализация хороша не всегда, а полная децентрализация может привести к большим накладным расходам на координацию действий множества устройств, что при обработке больших потоков обернется серьезной проблемой. Требуется разумный баланс между децентрализованными вычислениями, распределенными хранилищами и согласованным принятием управленческих решений.

Валерий Коржов (cwzerro@gmail.com) — независимый эксперт (Москва).