インターネットは急速に産業社会や市民生活に浸透し、社会基盤として重要な役割を担うようになってきた。その結果、サスティナブルな通信基盤が求められるようになっている。すなわち、
当然のごとく、それらの分散化に関する研究も確かに行われている。例えば、SDNにおいてはコントローラがネットワーク資源の利用効率化を図るために集中計算を行うが、コントローラを分散化させることによって、計算処理の軽減を行い、スケーラビリティを確保するというものである。しかし、基本的には、全体最適化を図ることが目標になっており、問題の本質は変わらない。前提としてあるのは、ネットワークの現時点での状態を完全に把握すれば、最適設計が可能になるというものであり、いわゆる要素還元論に基づくトップダウン的手法による最適化設計手法が相変わらず採られている。しかし、このような手法は、情報システム分野にとどまらず、広く工学分野におけるシステム設計手法における問題として、最近繰り返し指摘されてきているものである。すなわち、設計対象のシステムが大規模複雑化するにつれ、全体の状態把握が困難になること、設計変数が膨大になるため計算時間の爆発を招くこと、などから、既存の最適化問題による解法は用を成さなくなる。また、最適化問題による解導出が困難な場合、発見的手法による計算時間を軽減することが一般的に採られている手法であるが、その場合であっても、ある時点における最適解、あるいは準最適解が得られるのであって、対象システムの環境がすでに変化している場合には用をなさなくなる。
さらに、今後のネットワーク基盤として、CPS (Cyber-Physical System)/IoT (Internet of Things)/M2M (Machine-to-Machine Communication) に関する研究開発もさかんに行われている。通信のエンドノードはもはや人だけでなく、センサーデバイスやアクチュエータなどを接続し、実社会と仮想社会の融合によってより豊かな社会を目指す情報化基盤の構築が推進されている。これらの技術は仮想化技術とともに独立のものではなく、その融合によってはじめて新しい情報社会基盤の構築が可能になるものである。例えば、仮想化技術によってさまざまなIoTサービスを融合させることなど、可能性は無限にある。しかし、このような方向性は新たな技術課題を産み出す。例えば、
これまでの古典的ネットワーク設計手法においては、対象としているネットワークのトラヒック量や構成情報が1月~1年単位で取得できることが(暗黙の)仮定であり、最適化問題においてはそれらを静的情報として取り扱うこともじゅうぶん可能であった。また、ネットワーク設計問題において得られた解に基づいた、ネットワーク資源の増設はやはり同じような時間オーダで取り扱われることを前提としている。すなわち、1月あるいは1年を単位として、トラヒック情報を取得し、ネットワークの構成情報に基づいて、ネットワーク資源の増設箇所や増設量を定めることがネットワーク設計問題であった。一方、1分~1時間単位の短期的なトラヒック変動への対応は制御問題として取り扱われ、例えば経路制御によって、故障も含めた対策がとられてきた。しかしながら、特にインターネットにおいては、最近、短期的変動がますます顕著になるとともに、長期的なトラヒック変動の予測は困難になっている。確かに年単位のトラヒック量の伸びは、政府やベンダーの計測結果に基づく予測もなされているが、それらはあくまでマスとしての予測であって、例えば、新しいサービスの急速な普及に伴う局所的な変動予測は極めて困難である。これまでネットワーク運用現場では、光ファイバ/無線通信の大容量化技術に支えられ、いわば物量作戦による対策がとられてきた。すなわち、トラヒック量の増大に対応するため、利用率の逼迫している箇所に順次リンクやノードの設備投資を行うという「場当たり的手法」が現実には採られてきた。インターネットにおける設計手法も数多く研究がなされてきているが、古典的ネットワーク設計手法において大前提となるトラヒック需要がそもそも予測困難であるところに根本的な問題がある。
特に、仮想化技術の発展に伴い、個別の仮想化ネットワークの設定がソフトウェア制御によってごく短時間に可能になりつつある今、設計の時間粒度と制御の時間粒度はほぼ同じ時間スケールになりつつある。すなわち、空間ダイナミクスと時間ダイナミクスを同時に扱うネットワーク設計制御が必要になっている。さらに、仮想化の対象として、ネットワーク資源(リンク容量やルータ処理能力)とともに、コンピューティング資源を考慮する必要があるが、コンピューティング資源の利用率の予測は極めて困難であり、これらの指標を既知であることを前提とした既存のネットワーク設計手法は現実的ではない。問題は、 (i) 仮想化技術に基づくネットワーク化情報処理基盤がこれまでの人工システムに見られない大規模かつ複雑なシステムであること、(ii) さまざまな通信要求に適応しなければならない開放系であり、その中でロバストな運用が必要とされること、(iii) 日々生み出される新しいサービスの中にはシステム設計時の想定を超えたものが数多くあり、情報流の急激な変化を引き起こすこと、に起因する。これらを前提としたシステム設計制御論を考える必要がある。すなわち、今後、大規模複雑システムとしての情報ネットワークにおいて、以下のような時空間ダイナミクスを扱う理論基盤、および、それに基づいた技術確立が必要である。
今後のネットワークアーキテクチャに必要とされる設計要件として、これまで以下の3つを設定して研究に取り組んできた。
インターネットはもともと分散指向といわれているが、実際にはそうではない。例えば、IP経路制御は分散志向であるとよく説明されているが、決してそうではない。現状のIP経路制御は、完全な分散制御ではなく、分散集中型あるいは協調型分散型と呼ぶのが正確である。例えばIP経路制御のひとつであるOSPFにおいては、すべてのルータ(エンティティ)が独自の判断によってパケットフォワーディングをするという意味では分散型であるが、すべてのルータが同一の情報を集めて、同一のネットワークトポロジーを持つことを前提に同じ動作をすることが前提である(集中分散型)。また、他ルータも完全に同じ振舞いをすると期待して動作する(協調分散型)。完全な分散制御でないことが、ネットワークの耐故障性の弱さにつながっている。このような問題を解決するためには、上述の多様性、拡張性、移動性を前提に、分散処理指向をさらに推し進め、しかし、それによって損なわれる資源利用の効率性については、エンドホストの現状のネットワークの状態に対する適応性によって補償していく必要がある。また、そもそも、効率性を追求することは、これまでの情報ネットワークの研究開発においては至上命題であったが、技術の進展によって性能はすぐに向上する。効率性よりも、耐故障性や適応性、スケーラビリティなどを向上できるネットワークアーキテクチャこそ今求められているものである。その結果、今後も開発されていくであろう多様な通信技術に対応することが可能になり、ユーザの多様な要求に対するサービスも提供できるようになる。
そのためには、個々のエンティティが自律分散的に動作し、全体では意図する制御が実現されるようなネットワーク、すなわち、自己組織型ネットワークを構築していく必要がある。また、今後もネットワークの階層構造は機能分割、機能分担という意味で重要な概念であり続けると考えられるが、その際にも、縦方向のエンティティである階層構造をより柔構造にしておく必要があろう。すなわち、従来のように階層を完全に分割するのでなく、上位層、下位層の状態に適応可能な制御構造を有するネットワークを構築することによって、自己創発型(エマージェント)ネットワークを構築していく必要がある。このような考え方は、複雑適応系の考え方そのものである。現状のインターネットも、それが人為的に作られたものにも関わらず、人が設計可能な範囲、制御範囲を超えつつある。複雑適応系としてインターネットを捉えることにより、大規模システム全体の振る舞いや設計手法、非線形システムとしての安定性、故障の連鎖反応の影響、ロバスト性等を解明し、最適性や最適解への収束速度を明らかにする等、その理論的役割に期待できるところは大きい。それらの過程を経て、人為的に設計・構築されたネットワークを結果として制御可能なものにしていく必要がある。
特に、エンドホストの自律性がますます要求されるようになると、それを前提として、ネットワーク全体の調和的な秩序が必要となる。これは適応複雑系においてまさしく議論されているところであり、それらの知見を活かすことの可能性が見えてくる。実際、これまでのインターネットにおいても、適応性を有する、また、頑強性や安定性を確保するシステム構築を行ってきた結果として、複雑適応系としての特徴が一部見られる。自己組織化制御はまさしくその特性を有するものであり、現状のインターネットでも採用されている考え方を推し進めると自己組織化ネットワーク、さらには、複雑適応系としてのネットワークに行き着く可能性が十分にある。その傍証が、P2Pやルータの接続関係において観測されているべき則である。その理由として、自己組織化、ダイナミックな成長、多くのエンティティが起こす相互作用などが原因として挙げられる。これらは今後のネットワークの目指すべき方向とまさに合致しており、結果としてべき則やスモールワールド性が見出される可能性も明らかにされつつある。これまで、べき則やスモールワールド性に関する科学的研究は、統計物理学、応用数学、社会学、経済学、生物学などで活発に行われており、これら異分野の成果を情報ネットワーク技術の進展に応用していくために、以下のように科学と技術の融合が重要である。
われわれが推進しているネットワークアーキテクチャに関する研究は、以下の反省に基づいたものである。インターネットも含めてこれまでのネットワーク設計において、理論的な研究成果が技術の実現に活用された例は決して少なくない。特に従来は、待ち行列理論やトラヒック理論、ゲーム理論、最適化理論などの応用数学と密接に関連して研究開発が進められてきた。しかし、これまでの理論的研究は個別技術を対象としたものが多い。アーキテクチャは、本来、技術的手法と科学的手法の融合によって生まれるべきものである。しかし、現在、科学と技術の乖離があらゆるところで問題になっており、これは情報ネットワークの研究開発においても例外ではない。「科学的手法」は、すでに存在しているシステムに内在する普遍的な法則を探求するために、対象をモデル化し、数学的議論によって対象の性質を明らかにするものであり、一方、「技術」は新しい機能を実現する具体的な方法を案出し、モノを作り、利用するためのものである。本来、技術は、科学的手法から導いた性質をもとに新しい機能を実現するためにモデルを考え、実システムに適用することが重要であるが、従来はこの視点に欠けていた。すなわち、科学的手法によって得られた性質に基づき、それを技術として組み上げることが、アーキテクチャ構築の本質であるにも関わらず、従来はこのような循環がうまく機能していなかった。このような乖離が生じた理由は、例えば、情報ネットワーク分野においては、これまで用いられてきた理論が応用数学の借り物であり、情報ネットワークのために生まれた科学ではなかったことが大きい。また、以下のような現実的な問題もある。これまでの理論的手法は、現状および近未来の技術水準に基づくサービス品質の最適化を主眼としてきた。最適化の問題を容易に扱えるために、ネットワークシステム全体の最適化ではなく、ある階層やあるプロトコルを対象として最適化がなされてきた。情報ネットワークは階層化構造がとられているため、下位層は安定した構造を持ち、上位層からの要求を入力とすれば、このような仮定は十分に成立しうる。事実、インターネットにおいても、すでに、さまざまな小さな機能が追加されてきており、部分的な機能を最適化することは現実にも可能であった。また、特定の制御方式、プロトコルを対象とした最適化を行えば、階層すべてに渡ってこの作業を繰り返せば、最終的に全体のアーキテクチャの評価が可能になるという論理も成立しうる。しかし、もはやこのような仮定は成立しない。今後、適応的な情報ネットワークを実現するには、階層間の相互作用がよりダイナミックになるためである。
新しいネットワーク科学を創出することは容易ではないが、上述したべき則やスモールワールド性、自己組織化、自己成長、複雑適応系、創発性、非平衡系など、そのためのキーワードはすでにいくつか見えつつある。また、われわれが推進している生物の様態、特に自己組織化に学ぶネットワーク制御に関する研究開発の重要性は、以下の点にある。
最近取り組んでいる研究課題について述べる前に、自己組織化手法を情報ネットワークに適用した場合に、特に産業界から指摘される問題とそれに対する考察をまず述べる。
上述のようにこれまで本研究グループでは生命システムの環境適応性に学ぶ情報ネットワークアーキテクチャに取り組んできた。それを一歩進めて取り組んでいるのが生物の進化適応性 (Evolution of Evolvability) に学ぶ情報ネットワーク設計・制御に関する取り組みである。ここでいう持続的成長可能性とは、
以上に述べた点を踏まえると、仮想化技術における問題は、仮想化技術の導入そのものを目的にしていることである。個々のシステムをどう設計するか、また、これらを統合して扱う管理システムをどう設計するかについては、従来の全体最適化手法に基づくオーケストレータによって解決すると主張されるのみで、ネットワーク化情報処理基盤をどのように設計すればEvolutionalなシステムが構築できるかについてはほとんど議論されていない。仮想化技術をメタアーキテクチャと呼ぶことによって、新たなアーキテクチャを志向することなく思考停止に陥っていないかというのが、われわれが持つ問題意識である。
また、第5世代移動体通信網(5G)に関する標準化、研究開発が2020年の実現に向けて進みつつある。当初は、エンド間遅延が1ms、帯域が10Gbpsなどの性能が言われ、まったく新しい無線通信方式、それに基づいたアーキテクチャがないと実現不可能な数値目標が示されていたが、最近議論は収束しつつあり、それぞれ「RAT内において」、「ピークデータレートでは」と注釈がつくようになっている。また、2020年の5Gサービスインもシンボリックなものになることが予想される。ネットワークの進化という観点から考えると、いかにして既存ネットワークとの共存を図りながら新しいネットワークを導入し、移行していくかを重視すべきである。それが、仮想化技術に注目が集まる一因にもなっている。さらに5Gにおいては、従来のような無線通信の大容量化・高速化ではなく、ユースケースの議論をみても明らかなように、どのようなサービスを実現するか、実現可能か、がより重要になっている。しかし、どのようなサービスが実現されるかはもちろん明らかでない。ユースケースの議論では、今のサービスの延長線上でどのようなものが実現されるかが中心になっているが、もちろん、現在予測し得ないサービスが実現されることが重要であり、それこそが技術の新たな発展を支えるものである。そのためには、常に発展し続けるネットワーク技術や情報処理技術を取り入れながら進化発展可能なネットワーク化情報処理基盤が必要である。それがわれわれの目的であり、そのヒントが脳や生物システムにある。
生物システムに関する研究においても、個々のサブシステムが自己組織化によって短期的な環境変動に適応する能力、すなわち、環境適応性を有するだけでなく、長期的な環境変動に対する適応する能力、すなわち、進化適応性も有することはすでに指摘されている。また、生物システム全体として急激な進化適応を行うことは決してないことも知られている。これらの事実に基づけば、ネットワーク化情報処理基盤においても、個々のサブシステムにおいて環境適応能力のみならず進化適応能力を備えることによって、全体としても進化適応能力を有するようなシステム設計論の展開は可能になると考えている。すなわち、われわれのアプローチは現在および将来にわたるさまざまな環境変動に対する適応性(環境適応性および進化適応性)を実現することを狙ったものであり、従来の要素還元論に基づくシステム最適化とはまったく異なる、逆の発想に基づいたものである。すなわち、個々のサブシステムにおける短期的および長期的環境適応能力、およびサブシステム間の接続に関する統一的な設計論を構築し、それに基づいてロバストな全体システムを設計するためのアーキテクチャを構築していくべきである。
現在、特に、仮想化技術に基づくネットワーク化情報処理基盤の構築のために、生物システムのさまざまな階層や脳において見られる、時間的空間的に柔軟な情報処理機構としてのBow-Tie構造に着目している。ただし、Bow-Tie構造においては、コアを自己組織的に構成することが環境適応性を有するための必須条件となるが、特にコアの詳細な定量的分析についてはじゅうぶんに明らかになっていないのが現状である。また、生物システムがどのようにして環境適応性と同時に進化適応性を獲得しているかについては、Degeneracyをコア構造に組み込んでいく。すなわち、われわれが目標とするネットワーク化情報処理基盤においては、トラヒック変動や機器故障などに対する適応性を環境適応性と捉え、また、より長期の変動に対する適応性を進化適応性と捉えることによって解決する。これまでは、例えば、ある時点において物理ネットワーク資源/コンピューティング資源の不足によって性能劣化が生じた場合、該当箇所に資源投資を行う必要があった。しかし、一部の箇所に過度に資源を集中投資することは、将来のトラヒック変動によって無駄な投資につながる可能性がじゅうぶんにある。仮想化技術によってこのような問題が解決されると一般に言われているが、決してそうではない。仮想化資源を頻繁に移動させることは時間的コストを伴うこと、そもそも物理資源が存在しない制約条件を考慮する必要があること、さらに物理資源の投下の場所や時期を定める手法がないこと、などの問題を解決する必要がある。これらの問題に対する解決策がわれわれの目指す進化適応性である。
生物システムにおけるBow-Tie構造は情報処理ユニットであり、階層的に構成されることによって全体システムをなす。Bow-Tie構造は、以下の基本特性を有するものとして説明される。
具体的サービス例として、例えば、Mixed Reality(複合現実感:MR)が考えられる。MRは、AR (Augmented Reality) を拡張し、双方向のリアルタイム情報処理を行うものである。AR自体いくつかの捉え方があるが、基本的には、目的に応じて、センシングによって実世界情報(カメラによる視覚情報やGPSによる位置情報等)を獲得し、実世界情報に対して仮想世界の情報を重ねあわせるものである。さらに、Googleストリートビューのように仮想世界に実世界の情報を重畳する場合も含めて複合現実 (MR: Mixed Reality) と呼ぶ場合もあるが、基本的には、センシング情報に基づいて実世界を認識し、それに仮想世界情報をできるだけ速くユーザに提示することが必要になる。図は、Bow-Tie構造によって、ARの処理の流れを示したものである。
例えば、5Gにおいて実現が検討されているMobile Edge Computing (MEC) においてもARは代表的なユースケースのひとつになっている(Yun Chao Hu, Milan Patel, Dario Sabella, Nurit Sprecher and Valerie Young, “Mobile Edge Computing: A key technology towards 5G,” ETSI GS MEC-IEG 004 V1.1.1, September 2015. 図3)。 この図からも明らかなように、MECにおいてはキャッシュデータを用いた処理がネットワークエッジで実現されることにより、応答時間の大幅な短縮が期待される。しかしながら、ユーザ端末と処理サーバのRTTの短縮による効果は当然期待されるものの、新たな価値を産むものではない。
一方、われわれの考えるMRは、以下のようなサービスである。利用者が、遠隔地においてもできる限り現実感を伴うことによる実体験が可能なサービスである。 例えば、地方に在住の人や外出が困難な老人が商品を実際に手にとって選びながら買い物をする、現実感を伴った旅行を楽しむ、など実世界における代行サービスが利用シーンである。ロボットによるアバターの実現という捉え方も可能であり、それをもってここではMRと呼んでいる。重要な点は、行動が制限されている利用者であっても現実感を伴った体験ができるようになる点である。MRによって、双方向におけるリアルタイム処理を行いながらも、利用者の状況に応じて適応的な処理を行うこと、遠隔地の状況が変化すると適応的に処理の変更を行うこと、などの技術課題を解決できる。ただし、サービスとして完成させるには、カメラや装着メガネによる視線トラッキングなどのセンシングによる利用者の意図理解、意図理解に基づくロボットの自動遠隔操作、ロボットに装着されたカメラなどによる遠隔地の状況理解、それらを利用者にリアルタイムにフィードバックした場合の遠隔地の状態の提示方法などを解決しなければならない。また、匂いや手触りなどの情報提示なども当然必要になる。これらについては、他分野の技術の発展を待つ必要がある。
最近、深層学習の成功によって、人工知能が3度目のブームを迎えている。その結果、ネットワーク分野においても深層学習を適用した研究に多く取り組まれるようになっている。しかしながら、深層学習を中心として機械学習に対して、多くの問題点がすでに指摘されている。
そもそも深層学習を含めたニューラルネットワークは1980年代の脳科学の知見に基づいたものであり、近年の情報技術(CPU高速化、分散化、メモリ大容量化)の発展によって可能になったものである。その結果、現在の「人工知能」は、研究者の創意工夫によって独自に「進化」してきたといっても過言ではない。より基本的な問題は、「最適性の追求」という従来の情報科学の方向性そのものが変わっていないという点である。例えば、IoTを例にとっても(図参照)、
近年、脳機能ネットワークに関する研究はfMRIなど測定装置の精密化によって飛躍的に進み、それを契機にネットワーク分析に関する研究が活発化しつつある。その結果、脳機能ネットワークは、スモールワールド性を示すこと、さらにフラクタル特性を有することが示されるようになっている。その結果、グラフ理論の観点からは、脳機能ネットワークはいわゆる「ハブノード」の故障に強いことなどが示されるようになっている。本研究グループにおいてもfMRIを用いた計測によって、脳機能ネットワークの詳細なデータを得てその分析を進めてきた。その結果、下層モジュールにおいて障害が生じても上層に波及しない性質を有すること、すなわち、外的環境に変化が生じても脳機能ネットワークの結合全体を再構築するのではなく、局所的な再構成によって対応できることなどを明らかにしてきている。現在、脳機能ネットワークのさらなる特徴抽出を行いながら、情報ネットワークへの適用を進めているところである。
さらに、最近は脳の情報処理機構に着目し、それをネットワーク化情報処理基盤に適用する試みを行っている。既に述べたように、これまでの古典的ネットワーク設計手法においては、対象としているネットワークのトラヒック量や構成情報が1月~1年単位で取得できることが(暗黙の)仮定であり、最適化問題においてはそれらを静的情報として取り扱うこともじゅうぶん可能であった。一方、1分~1時間単位の短期的なトラヒック変動への対応は制御問題として取り扱われ、例えば経路制御によって、故障も含めた対策がとられてきた。その結果、これまでネットワーク運用現場では、物量作戦による対策がとられてきた。すなわち、トラヒック量の増大に対応するため、利用率の逼迫している箇所に順次リンクやノードの設備投資を行うという「場当たり的手法」が現実には採られてきた。インターネットにおける設計手法も数多く研究がなされてきているが、古典的ネットワーク設計手法において大前提となるトラヒック需要がそもそも予測困難であるところに根本的な問題がある。特に、仮想化技術の発展に伴い、個別の仮想化ネットワークの設定がソフトウェア制御によってごく短時間に可能になりつつある今、設計の時間粒度と制御の時間粒度はほぼ同じ時間スケールになりつつある。すなわち、空間ダイナミクスと時間ダイナミクスを同時に扱うネットワーク設計制御が必要になっている。さらに、仮想化の対象として、ネットワーク資源(リンク容量やルータ処理能力)とともに、コンピューティング資源を考慮する必要があるが、コンピューティング資源の利用率の予測は極めて困難であり、これらの指標を既知であることを前提とした既存のネットワーク設計手法は現実的ではない。一方、脳の認知を含む情報処理機構はどうか。基本的に、脳の情報処理機構は
さらに、目的に応じて、精度を落としてでもより速く意思決定をしたり、データが多ければ時間をかけてより正確に意志決定するといったトレードオフに基づく制御も行っている。これは「大量データを用いた学習結果に基づいて、精度の高いデータを用いて正解を探索する」深層学習とは根本的に発想の異なるものであり、仮想化情報処理基盤に真に必要とされる機能、すなわち、環境適応性の実現が可能になる。現在、人の優れた認知機能を備えたアプリケーションクライアント(ユーザエージェント)がユーザの代わりに適切にアプリケーションを動作させることによって、ユーザに対して質の高いQoEを提供するというQoE制御に取り組んでいる。さらに、人は集団のなかでその確信度を共有することができれば、意思決定における偽陰性を減少させながら真陽性を向上させる効果がすでに確認されている。この特性をMEC (Mobile Edge Computing) に適用すれば、ユーザエージェントによるユーザの認知のさらなる補正向上が期待できる。すなわち、同一MEC配下のユーザ環境において、通信環境はさほど変わらないと想定できるため、ユーザエージェントの間で確信度を交換することによって集団意思決定を行うストリーミングサービスが実現される。
ただし、人の認知機能に関する研究が進展するにつれて、人の認知機能の限界もすでに明らかになっている。脳の認知機能の限界による不合理な意思決定の代表的なものに、認知バイアスがある。認知バイアスは、稀少事象の軽視(あるいは少数サンプルによる過信)や直前の経験の過度な一般化などにより起こりうるものである。最近、脳の認知機能を統一的にモデル化可能な理論的基礎として量子認知 (Quantum Cognition) モデルが注目されている。量子認知モデルはメタ認知、すなわち、認知状態と意思決定の相互作用が記述可能であり、また、認知バイアス等の脳の認知機能も説明できるものである。現在、そのようなメタ認知に基づいて、意思決定を行うユーザとその正しさを評価するユーザエージェントの役割を分離し、ユーザエージェントがユーザの不適切な意思決定を検知するQoE制御にも取組んでいる。なお、これは一時もてはやされた「量子脳」とは全く別物であり、確率的な要素を含む認知を扱う包括的理論モデルである。