10〜15年後の通信技術とそれに向けての研究アジェンダ

2008/9/3-1

Making the World (of Communications) a Different Place」という論文がありました。 ACM SIGCOMM Computer Communication Review Volume 35, Number 2, July 2005です。 (このブログでは公式サイトであるACM portalへリンクを張っていますが、論文タイトルで検索をすると著者が自主的に公開しているPDFも発見できます)

この論文では、具体的な技術を列挙するのではなく、今後技術が向かうであろう様々な方向性を示しています。 これらが本当に実現されるかどうかは誰にもわかりませんが、読み物として非常に面白かったです。 (「読み物として」と言ってしまいましたが、書いている本人達にとっては国からの予算などにも関連するので超大真面目だと思います。)

非常に面白い論文だったので、要約してみました。 誤訳や勘違いが含まれている可能性があるので、興味があるかたは是非原文をご覧下さい。

著者陣凄すぎ

この論文の著者は、もうやり過ぎというぐらい凄いです。 さすがIRTFですね。

  • David D. Clark
  • Craig Partridge
  • Robert T. Braden
  • Bruce Davie
  • Sally Floyd
  • Van Jacobson
  • Dina Katabi
  • Greg Minshall
  • K.K. Ramakrishnan
  • Timothy Roscoe
  • Ion Stoica
  • John Wroclawski
  • Lixia Zhang

概要

概要に記述されているのは以下の一文です。

Abstract
How might the computing and communications world be materially different in 10 to 15 years, and how might we define a research agenda that would get us to that world?

10〜15年後の未来におけるコンピューティングと通信の世界は今とどう違っているのだろうか? そして、そこへと到達するための研究アジェンダはどう設定すべきか?

この論文が執筆された背景

Abstractで述べられている議題による議論がIRTF(Internet Research Task Force)にて行われ、その結果をまとめたものがこの論文である(注. IRTFはIETFの関連団体)。 元々はインターネットも、このような議論から生まれている。

最近の研究はインクリメンタル(incremental,付加的)なものばかりであり、長期的視点を欠いているものが多い。

同時に、アメリカNSF(National Science Foundation)は資金投入すべき研究分野に興味を示している。 これからの研究分野を考えるためには、将来への「ビジョン」が必要である。 我々は議論の土台となるような「ビジョン」構築目指した。

次に続く章は、各種ビジョンを述べる。 論文最後にて、今後取り得る行動に関して述べる。

1. 「ビジョン」とは

各種別々のビジョンについて語る前に、ビジョンを構成するものについて述べる。

データ通信分野での古株メンバは、パケットスイッチングという新しいパラダイムを実現することに時間を費やした。 1980年代前半当時は、パケットスイッチングは急進的な提案だった。 当時の研究者が持っていた「ビジョン」は全データを転送するという発想だった。

パケットスイッチングのような新アイデアには2つの側面がある。 一つは、それによって未来がどのように変わるかを示す必要がある。 これによって、そのアイデアのどの部分が大事であるかがわかる。 人々をアイデアによってワクワクさせる。 もう一つの側面は、そこに到達するための技術的アプローチである。

ただし、技術的なアプローチには様々なものがあり、単一の方法のみが存在するようなものは少ない。 様々な技術的イノベーションを組み合わせる事によって初めて実現できるという場合もある。

この文書では、一つ目の側面に対してフォーカスする。 以下に示すトピックでは、技術的な要素を語っていない。 世界がどのように変わっていくかをのみを述べている。 これらのトピックに関して、解決方法はありそうだが技術的に解決すべきことが多いと著者は考えている。

2. TECHNOLOGY AT THE EDGE - AN ACCESS INFRASTRUCTURE FOR NEXT GENERATION DEVICES

新しいネットワークアーキテクチャを考えるとき、コアネットワーク(中心ネットワーク)において運用されるデバイスについての考察が多かった。 例えば、1990年代前半にはSONETやATM(Asynchronous Transfer Mode)とIPデバイスに関しての研究が多かった。

しかし、インターネットでは、クリエイティブなエネルギーの多くはエッジで生成される。 ほとんどのアプリケーションはエッジ用に作られる。 ほとんどのデバイスはエッジに接続される。 新しいネットワーク技術のデプロイメントはエッジで行われる。 そして、根本的には、元々インターネットはコンピュータやそれに類する「もの」をごっちゃに繋ぎ合わせるために創造されている。

そのため、10年〜15年後のインターネットの姿を考えるには、エッジで行われていく革命に注目していかなければならない。

現在のインターネットはメインフレームの時代に考え出され、ワークステーションの時代に成長した。 最も一般的な有線技術はイーサネットであり、無線ではWiFiなどである。 イーサネットの進化は高速化とコスト削減であった。 コンピュータが高速化するとともに、イーサネットも同様に高速化していった。

10年後に最も一般的なデバイスは、センサやアクチュエータなどの組み込みプロセッサになると考えている。 それらが無数に繋がりあってコミュニケーションをするというのは、非常に野心的なゴールである。 これらのデバイスのマーケットは、高速化よりもむしろ低価格化が重要となる。 そして、パフォーマンスの向上よりも電池寿命が重要視される。

これらのデバイスの多くは無線で接続されるだろう。

リサーチコミュニティは、このようなエッジに接続される組み込みデバイスに関しての通信インフラストラクチャに取り組むべきである。

10年後には、低価格デバイス(センサやコントローラなど)での利用を目的とした、ユビキタスかつローコストでオープンな通信インフラストラクチャがあるべきだ。

インターネットのように、営利団体がネットワークの一部を運営したり販売をしたり、個人が運用したりするだろう。 デバイスが、このような環境においてシームレスに移動するにはどうすべきだろうか? セキュリティ、冗長性、簡易性に関しての課題は何か? 「ネットワークスペシャリスト」がいない環境でも適切に動作するにはどうすべきか?

これらに関しての鍵となる研究は数多くある。 これらの問題に取り組みには良い時期なのかも知れない。

3. A UNIVERSAL SYSTEM FOR LOCATION

GPS(Global Positioning System)は戦争を変えた。 人が歩いたり、車に乗ったり、船や飛行機のナビゲーションも変えた。 GPSは今や十分小型化されており、携帯電話や腕時計に組み込まれている。 しかし、GPSは室外でしか動作しない。 室外/室内を問わずに「どこでも」利用できるシステムを想像して欲しい。 さらに、部屋の中の詳細な位置までわかるシステムもあり得る。

この分野には、大きな可能性と共にリスクも存在している。 プライバシが大きな問題となる。 GPSのように一方的に情報発信をしていて、受信者がわからないシステムであれば問題は発生しないが、他人に自分の位置情報がわかるシステムはどうなるだろうか? このシステムは、技術者だけでなく、社会学者や社会的なオブザーバも参加する必要がある。

このシステムは人ではなく、物に対しても適応できる。 適切に設定されたセンサは自らの位置を特定し、インストールや設定が自動的に行えるようになる。 また、「最も近いx」という物理的に近いサービスを発見することも可能になる。 同じ部屋にあるデバイス同士は、同じ部屋同士で自動的に相互接続できるようになる。

位置情報そのものは既にあるサービスである。 また、これはネットワークのエッジに接続されるコンポーネントの一部である。 この分野における研究は非常に多い。 そろそろ、この分野における全体的なアーキテクチャを定義する時期に来ているのかも知れない。

4. A NEW DESIGN FOR SECURE, ROBUST OPERATION

インターネットが作られた当初は、ユーザ数も少なく、そこにいるユーザを信頼することができた。 また、不適切な行動を取るユーザを排除する事も容易だった。 しかし、実世界と同じように多くの人々がインターネットを利用するようになり、これらは難しくなった。 インターネットを利用したサイバー戦争やテロリストによる情報操作などが発生する可能性がある。 SPAM、フィッシング詐欺、スパイウェア、アドウェアなど、強欲がインターネットを蝕み始めている。

インターネットの設計をやり直すとすれば、セキュリティや冗長性や信頼性を強化する事に労力を割くだろう。

セキュアで冗長性があるネットワークオペレーションを実現するためのデザインとして、攻撃に耐えられることが挙げられる。 例えば、ネットワーク全体が動作不能になるような攻撃から生き延びなければならない。 ネットワークの一部が動作不能や過負荷になる事はあり得る。

商用Webなど、営利団体はこの問題に対して真剣に取り組んでいる。 何故ならばこの問題と利益は密接に関連するからである。

セキュリティ分野では、個別に多くの研究が成されている。 そろそろ、それらの研究成果を取りまとめる時期に来ている。 セキュリティの問題は技術的な問題として扱われがちである。 しかし、最も困難な問題は技術/経済/社会などの問題が混ざった時に発生する。 様々な分野を統合した研究が必要である。

5. OPERATION IN TIMES OF CRISIS

攻撃に対してだけではなく、災害などの非常事態に対する耐性も必要である。 現在のインターネットには緊急放送や911(日本では119番)アクセスのメカニズムが無い。 インターネットが将来の通信インフラになることを考えれば、これらは必要な機能である。

6. ANTI-SCALE: SMALL NETWORKS

インターネットにおける規模性は、過去25年間ネットワーク分野における研究の主なテーマである。

しかし、最近はローカルで小規模なネットワークに再び目を向けても良いと思われる兆候が出始めている。

BlueToothの登場。 BlueToothは非常に基本的な通信技術である。 帯域は低く、同時に通信できるピア数は少ない。 しかし、このテクノロジの成功は、ローカルエリアにおけるデバイスの相互接続に関する需要があることを示している。

バックプレーンの消滅。 コンピュータバスで全てを物理的につなぐのではなく、各種個別にデバイスを作り上げてそれらをネットワークでつなげるという考え方が出現してきている。

CMOS内に光デバイスや無線デバイスを内蔵。 シリコンチップ内に広帯域な無線トランシーバを乗せる事が可能になった。 ネットワークデバイスの考え方を拡張すると、コンピュータ上のチップ内でネットワークを構成することである。 into-the-chip networkはどのような構成であるべきだろうか? DDOSに対する耐性は必要だろうか?IPなのか?TCPなのか?DNSが落ちてもディスクドライブと通信が継続できる仕組みだろうか? ネットワークカフェからプロセッサをハイジャックできるような仕組みになるのだろうか?

上記事柄から、以下のチャレンジが導き出される。

10年後には、多数の小型デバイス(例えばチップのサイズもしくはそれより多少大きなもの)同士によるローカルな通信アーキテクチャが必要である。

7. ASSUME QUANTUM COMPUTERS WORK

まだ発展途上ではあるが10年後には量子コンピュータが動作しているとしてみよう。

量子コンピュータは、ネットワーキングに影響を与えると考えられる。

一つ目は非常に単純で、どうやって量子コンピュータを通信させるかである。 量子コンピュータはバイナリデータで動作しない。 量子ビット(qubits)を使っている。 これは、バイナリとは大きく異なる。

そもそも、量子コンピュータをネットワークで繋ぎたいのかどうかと、繋ぐ場合にqubitを使うのかどうかから考えなければならない。

qubitを使って直接通信したいと考えた場合、qubitによるパケットはどうやって構成されるのだろうか? はっきりとわかっているのは、光-電子によってqubitを再構築することができないことだ。 電子的なロジックはバイナリである(そして、qubitのmulti-state informationを破壊してしまう)。 qubitルータが必要になるのだろうか? qubitの光アンプは実現可能だろうか?

2つ目の影響はネットワークセキュリティである。 量子コンピュータが威力を発揮する問題に素因数分解がある。 今日のネットワークセキュリティは素因数分解が困難であることを前提にしている面がある。 そのため、全く新しい鍵のシステムが必要になる。 さらに、同時に多数の検索を行える量子コンピュータによって、鍵が有効であると言える時間も短くなると思われる。

新しい鍵のシステムとしては「quantum key distribution networks」が提案されている。 量子コンピュータに近い名前ではあるが、全く別の技術である。

10年後には、量子コンピュータに適したネットワークが考案されているべきである。

それにより、量子コンピュータ同士が通信をできるようになるだけではなく、量子コンピュータが鍵をクラックできてもそれに耐えられるセキュリティアーキテクチャができる。

8. RETHINKING THE CONTROL/DATA PLANE DICHOTOMY

インターネットの機能の一つとして、様々な異なるアプリケーションをサポートできるという特徴がある。 この「データプレーン(data plane)」は、単一のアプリケーションに特化せず、何でも転送できるようになっている。 ネットワークのコアは、単にパケットを転送するだけである。

データプレーンと平行して「コントロールプレーン(control plane)」がある。 コントロールプレーンは、ネットワークインフラを運用し、パケットが転送され続ける事を保障する。

この機能の分け方によって新しいアプリケーションの開発やそれによるイノベーションが可能であるが、問題もある。 ネットワークのコアはエッジに存在しているユーザが何をしたいのかに感知しない。 そのため、経路情報の不備などのネットワーク自身の問題は修正できるが、設定ミス(例えばDNSのエラーなど)などによってアプリケーションが動作しない状況には対処できない。

このような問題を解決する方法の一つとして、インターネットに新しい機能を加えることが挙げられる。 ユーザが何をしようとしているかを記録できるような分散されたレイヤの構築である。 そして、そこに記述されている情報と実際に発生していることを比べる事が可能になる。

10年後には、インターネットは新しい分析及び設定の機能が追加されるべきだ。 これにより、インターネットのユーザビリティは向上し、手動設定が削減できる。 また、アプリケーションの意図とネットワーク側の挙動を関連付けることが可能になる。

現在のインターネットでユーザが不満に思うことの一つに、何か問題が発生したときに誰に報告すれば良いのかわからない点が挙げられる。 このビジョンの目的は、問題が発生したときのシステムからのレスポンスを向上させることにある。

例えば、AIや知識表現や学習などの技術を使って、このレイヤを構築できるかも知れない。

9. GIVING EVERYTHING A PRESENCE IN CYBERSPACE

全ての物体には外観がある。 物理的に形があるものには形がある。 全てのものに対してサイバースペースでの擬似的な形がある世界があり得る。 人々は物理的に物体を「見る」だけではなく、サイバースペース上でも「見る」ことが可能になる。 このビジョンはプライバシの問題を誘発する。

10年後には、全ての物理的オブジェクトはサイバースペース上の関連する情報や機能に対してタグ付けされるべきである。

10. REDUCE THE ENERY REQUIRED FOR COMMUNICATION

バッテリ駆動のデバイスにとって消費電力は非常に重要な要素である。 最近の研究では、消費電力は今よりも数桁小さくすることが可能であると述べている。

10年以内にワイヤレスネットワークにおける1ビットあたりの消費電力は1000分の1になるべきである

ワイヤレスによって費やされる電力が今よりも3桁小さくなれば、ポータブルワイヤレスデバイスとは何かに関してのコンセプトが変わる。 例えば、電卓が太陽電池で駆動するのように、バッテリ駆動で利用できるようになる。 ここ数年、DARPAのファンドによって行われた研究では、消費電力を今より2桁少なく出来ることが示された。 頑張れば10年でもう一桁(3桁)小さくできるのではないか。

11. EMBRACE THE SOFTWARE RADIO REVOLUTION

ソフトウェア無線(Software-defined-radio)の出現は、無線通信技術の革命の前兆である。 ソフトウェア無線によって、全ての周波数を見渡し、送受信方法のプログラミングが可能になる。 データのエンコード方法、データ送信頻度、電波強度、その他様々な要素が「ハードとして」ではなく「ソフトとして」プログラミングできるようになる。

周波数帯に現在流れているものを見てから用途を決めることも可能になる。 使われていない周波数帯を自動的に発見し、利用できるようになる。 さらに、使われている周波数帯上で他者に影響を与えずに使う方法を模索するという大胆な方式もあり得る。

10年後には、革命的な方法によって周波数帯が利用可能であることを示せるようなソフトウェア無線があるべきだ。 周波数帯の有効利用を示し、そのような利用が可能になるように法律(規制)を整備すべきだ。

ソフトウェア無線技術は、パケットスイッチング技術のようなインパクトがあるかも知れない。 この技術が実現するかも知れない柔軟性、効率性、適応性は、サーキットに対してパケットが起こしたような革命を実現する可能性がある。

12. GETTING THERE - RESEARCH AND EXPERIMENT

この論文では、世の中がどのように変わるかだけを述べている。 どのようにそこへ到達するかは述べていない。 次のステップとしては研究計画があり得るが、このミーティングではそこまでの議論は行われなかった。 さらに、本論文では述べたビジョンを達成できそうな関連研究も示していない。 様々な解決方法があり、実際の方法に関しては次の課題とする。

これらのビジョンを達成するためには、何らかのプロトタイプやテストベッドや実験環境を準備する必要がある。 そのため、まずはどのような実験インフラが必要かをコミュニティ内にて合意する必要がある。

我々は研究コミュニティに2つのチャレンジを課す。 一つは長期的視点を持ってそれに向かって進むこと。 2つ目は、これらのビジョンを達成するためのテストインフラに関してコミュニティとして合意すること。

13. SOME MISSED OPPORTUNITIES

最近は統一されたビジョンは必要ないという意見もある。 商用で発生したニーズから研究が加速される事もあるという意見もある。 楽観的に考えれば、商用からの研究はあり得る。 しかし、実際は長期的視点でまとまったアーキテクチャは出来上がりにくい。

研究コミュニティはホームネットワークにあまり関心を示さなかった。 ホームネットワークは実現されつつあるが、歩みは非常に遅い。 簡単な利用やセキュリティ、管理やデバッギング、標準の改変など、未だ課題は多い。 リサーチコミュニティによるアーキテクチャ部分でのリーダシップがあったら、この分野はどうなっていただろうか?

自動車用のネットワーキングフレームワークも例として挙げられるかも知れない(ただし、これに関してはまだ遅すぎないかも知れない)。

研究コミュニティが提案するビジョンが必ず正しいというわけではない。 例えば、body-area network、マイクロペイメント、その他様々なミドルウェアや名前解決アーキテクチャなど。

多くの場合、「失敗」とは良いアイデアを思いつかないことではない。 失敗とは、アイデアが根付くまで継続する事を失敗することである。

長期的ビジョンの利点の一つは、長期間良いアイデアに対する注目を集められる事である。

最後に論文を読んだ感想

全体的に非常に面白い論文だと思いました。

提案されているビジョンの中から一つを選ぶとすると、個人的には量子コンピュータの話などは興味深かったです。 ビットによる通信という概念が陳腐化したとき、自分がそのテクノロジの進歩についていけるのかが非常に不安になりました。 今の技術を身につけたエンジニアが、技術的に時代遅れになるというのは、このような画期的な概念が出現したときに発生するのだなぁと。

Dog yearとは言え、今あるインターネット技術の多くは既存技術に対するインクリメントの積み重ねです。 ある程度は頑張って追いつく事も可能です。

実は自分は本当の意味でのブレイクスルー(桁外れな技術革新)が発生した時代に居合わせたことは無いのかも知れません。 そういう意味では、今は当たり前のパケット交換技術は凄いブレイクスルーだったのかも知れないと改めて思った今日この頃です。

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