6G/IOWN時代の融合・協調ネットワーク：インクルーシブコアホワイトペーパ

図 8　インクルーシブコアのユースケース

図 9 ネットワーク分散コンピューティングのアーキテクチャモデル

コンピューティングサービスを実現するためには、図10に示すように、6Gコアネットワーク機能として、通信セッションの制御と連動したコンピューティング機能の制御機能において、ユーザや端末個々のコンピューティング機能の起動制御を実施する。また、音声・映像・データを転送する従来のユーザプレーン機能に追加してデータプレーン機能を設けコンピューティング機能とそのデータ転送を担う。また、このデータプレーンは、様々なマイクロサービスを用いて実現された分散コンピューティングにおいて、ネットワークワイドに複数のマイクロサービスを連鎖的に処理するためサービスメッシュの機能が検討されている[22] 。

図 10 ネットワーク分散コンピューティングのアーキテクチャモデル

６－１．ネットワーク融合サービス高速処理基盤【ISAP】

現在の5Gネットワークおよびエッジコンピューティングでは、通信サービスとコンピューティングサービスが分離して提供されており、端末・エッジ・クラウド間のデータ流通はモバイルネットワークやデータセンタ間ネットワークなどの区間ことに分断されている。また、情報処理アプリケーションサービスが動作する端末・エッジ・クラウド間接続はネットワーク機能・レイヤを抽象化し、上位レイヤのプロトコルを用いたオーバレイ接続で分散コンピューティング環境が実現されており、ネットワークの性能・機能と完全に独立しており両者の連携が十分に行えていない。

アプリケーションレベルではモノリシックなアーキテクチャから、マイクロサービスアーキテクチャへ変革し柔軟性・信頼性・拡張性の向上が進んだが、上位レイヤ処理でによるマイクロサービス間の接続や連携を行っていることで、ソケット、キューイング/バッファリング、ヘッダ付与／削除などのサーバアプリケーションやオペレーションシステムによるCPU処理がマイクロサービス間のやり取りの度に発生することで累積し性能のボトルネックを生じている。

インクルーシブコアでは、ネットワーク融合サービス高速処理基盤(ISAP)において、ネットワーク内に散在した情報処理アプリケーションの高度な演算機能を協調して動作させ、さらに高性能・低遅延処理を実現する。端末やクラウドのアプリケーション機能を一部肩代わりし、ネットワークの通信機能と密に連携・接続することで、現状ネットワークを介すことで分断されている端末とサービスの情報や処理が、直接連携し処理内容の最適化、アクセラレータを含む計算リソースの最適な割り当てによりエンドエンドで情報交流の超高速化・低遅延化を実現する。

ネットワーク融合サービス高速処理基盤は、分散コンピューティング機能をユーザ毎に提供する。端末側のアプリケーション処理やクラウド側のアプリケーション処理の起動・終了などのイベントと協調してネットワーク内の適切な位置のコンピューティング基盤に必要なアプリケーション、ネットワーク機能を一体で起動し、端末やクラウド側のアプリケーション処理との間でユーザ側・サービス側のデータプレーンのセッションを設定することで、分散アプリケーション機能をユーザ毎に設定する。

コンピューティング機能とデータプレーンのセッションの制御では、ユーザ(端末)側のイベントとサービス(サーバ)側のイベントを用いる。ユーザ側のイベントは、端末のネットワークへの位置登録や通信セッション、ハンドオーバなどのモバイルネットワークでの制御イベントが該当する。また、サービス側イベントは、アプリケーションの認証やサービス起動のイベント、サイバー空間上での行動などを用いる。両者のイベントを収集・解析し、サーバレスにより必要時・必要なサーバにのみ適切な計算リソースをアプリケーションに割り当てて起動する。必要時に必要な計算リソースを割当るサーバレスにより、ネットワーク融合サービス高速処理基盤(ISAP)では多種多様なアプリケーションや処理に対しもリソース利用効率を高めることができる。

またネットワーク融合サービス高速処理基盤(ISAP)で起動されるアプリケーションはレンダリング、暗号計算など高度な演算処理を必要とするだけでなく、端末側・クラウド側の処理と分散コンピューティングで連携するため、大容量データを低遅延・高速に転送する必要がある。このため、ネットワーク融合サービス高速処理基盤(ISAP)はアプリケーションだけでなくネットワークへの接続機能も含めGPU、FPGA、DPU/IPU、スマートNICなどのハードウェアにオフロードして処理する。このネットワーク処理のオフロードと、アクセラレータで処理する細分化されたマイクロサービスアプリケーションを連鎖させたハードウェアアクセラレータチェイニング方式により、ハードウェアアクセラレータを用いながらアプリケーション機能とネットワーク機能を柔軟に連鎖することができる。ハードウェアアクセラレータの活用により、高度な演算処理だけでなく、大容量なデータを高速に転送したり、機械の遠隔制御信号を確定的な遅延・周期で転送するなど、アプリケーション・ネットワークの遅延やロスによる誤動作などを防止することができサービス全体の堅牢性の向上につながる。

図 11 ネットワーク融合サービス高速処理基盤の概要

６－２．ロバストネットワーク

通信ネットワークサービスにおいて、昨今、大規模な障害が発生しており、通信サービスの停止や各種サービス利用への影響が社会的な問題となっている。特に移動体通信網においては、大規模かつ長時間の故障が発生しており、音声通話やインターネットサービスへの影響だけでなく、移動体通信網において提供される各種アプリケーションサービスの利用にも影響が生じている。電子決済システムやコネクテッドカー、行政サービスに至るまで様々なサービスが通信インフラ上で提供されているため、通信サービスの停止は社会活動に甚大な被害をもたらす状況となる。今後は、移動・固定ネットワークにおいてミッションクリティカルなサービスの提供もますます増加していくことが想定されるため、通信ネットワークのロバスト化が重要な課題である。

大規模な通信障害については、監督機関への報告やCSRの取り組みとしての情報公開等が必要となるため、各社のサイトに情報が公開されている場合もあり、故障の原因の概要を把握することが可能である。 障害の大規模化や長時間化の共通的な原因や特徴としては、

①位置登録の処理等の制御プレーンの動作を起点として障害が発生する
②制御プレーンの輻輳がネットワーク全体に波及することで障害が大規模化する
③障害の影響が波及しデータベースの不整合等の問題が発生すると復旧が長時間化する

大規模・長時間の障害は、制御プレーンの動作に起因しているケースが多く、6Gに向けた制御プレーンの強化や問題発生の早期検知・回復手段が必要である。このような状況から、以下の2つの方針を設定した。

(A)障害の発生や複雑化を回避するために制御プレーン自体をロバスト化する方式
(B)障害箇所や原因の更なる見える化・故障の予兆検知を実現する仕組み

(A)ロバストな信号制御バスの導入
制御プレーンのロバスト化を実現する仕組みとしてネットワーク機能間をつなぐ信号制御バスにおいて信号輻輳の発生を抑制する仕組みを導入する。 3GPPにおいても端末の登録処理に伴う負荷が課題として議論されてきた。特に、AMFは端末からのアクセス時に必ず経由する機能であるため、輻輳が発生しやすいポイントとなっている。AMFにおける処理負荷については、3GPPにおいて負荷分散やオーバヘッドの解消について標準化の中でも議論されている。通信キャリアとしては、輻輳時においても重要な通信に対してリソースを確保することが義務であり、最低限の通信手段を維持することが求められている。解決手段の一つとしては、端末からの通信アクセスに対して端末やサービス種別に応じた制御や規制を実施することがあげられる。輻輳が発生した際に、端末やサービスの優先度に応じて信号の処理を実施する。また、優先度に応じて端末からの通信アクセスの再送の間隔を広げ、AMFにおける信号処理の負荷増大を回避することができる。

制御プレーン内の機能間の信号については、信号量の増加の検知や信号量の削減が必要である。3GPPにおいては、機能間の信号を管理・制御するSCP(Service Communication Proxy)が提案されており、 SCPが一極集中的に信号を管理するアーキテクチャが提案されている。SCPにおいて端末やサービスの種別に応じた制御を実施することができれば、制御プレーンにおける信号輻輳をより柔軟に対処することが可能となる。また、SCPの導入によって機能の一元管理が可能となるため、必要なリソースの設計や追加設定が簡易になる。新規機能の追加時やリソース不足時のリソース増強　　等の運用がスマート化されることになり、想定外の障害の発生等も抑止される可能性がある。さらに、機能間をつなぐ信号制御バス自体の冗長性を自動的に変更可能とすることにより、信号を振り分け、輻輳を緩和する効果が期待できる。

(B)故障の更なる見える化・予兆の検知
大規模・長時間の障害を防止するためのもう1つの方向性として故障原因・箇所とその影響を可視化することである。故障や異常の予兆の検知や故障原因・箇所の可視化が可能になれば、故障個所を切り離す、あるいは孤立化させることによって、故障の影響が周囲に波及するのを防ぐことが可能になる。結果的に故障が長時間化することを抑止することができる。そこで、コア網のアーキテクチャにおいて、故障の検知機能や故障発生時のシステムの挙動から故障の因果関係を分析する機能を配備することを検討した。ネットワーク内に機能を配備し、ネットワーク機能として故障回復までを実現することで、大規模な故障の発生を回避することを想定している。

5Gのコア網においては、NW機能が仮想化・コンテナ化されており、NW機能の運用・監視に加えて、NW機能を構成するコンテナやコンテナを支える物理基盤装置の運用・監視が必要となる。故障発生時の警報と故障箇所の紐付けや大量のログの分析等が課題となる。ソフトウェアに起因するNW機能の故障は単純なハードウェア故障とは異なり、機能の停止が徐々に発生する、処理がオーバーロードする等、単純な機能の停止とは異なる。故障の措置を迅速に実施し復旧させるためには、故障箇所の推定や状況の把握・推定が必要である。例えば、NW機能としてAUSFが停止した場合、関連するAMF等は正常に動作していてもNW機能間の信号の交流が途切れてしまい、端末登録等が実施できなくなる。AUSFのCPUやメモリについては異常な動作となることが想定されるため、CPUやメモリのメトリクスの監視や信号の疎通の監視との組み合わせによって。故障の検知が可能となる。一方で、SBAの基盤部での故障の発生を例にすると、NW機能がそれぞれは正常に動作していても、NW機能間の信号のやり取りが損なわれてしまう。システムの通常の挙動としては、信号量が増加するとNW機能のCPUやメモリの使用率は比例的に増加するが、NW機能間の信号が途切れると、各NW機能のCPUやメモリは処理待ちとなり、空転状態となる。各NW機能の監視に加えて、NW機能間の信号の交流やその変化を複数ポイントで監視することが必要となる。以上の通り、NW機能における信号の流量やメモリ・CPUのメトリクスを同時的に複数個所で観測することによって、故障の見える化や予兆の検知が可能となる。複数のポイントでの複数のメトリクスの収集や分析については、統計手法の活用やAIの適用等が想定される。具体的な手法については今後の課題として検討する。

６－３．適応トランスポート

現在、通信ネットワークを利用したアプリケーションは多様化している。Webブラウジングや動画の視聴のほかに、メタバース等のように仮想世界の環境や他のプレイヤーとのインタラクションを映像・音声・振動等のマルチメディア通信により実現するものもあれば、産業用通信のように機器の制御に関わる数値のみを通信したり、日々の環境の変化をセンシングするものもある。これらのアプリケーションは、それぞれ異なる通信要件（信頼性やリアルタイム性、スループット等）を持ち、想定される通信ネットワークの機能や性能に合致するように開発されている。また、通信ネットワークも多様化が進んでいる。4G、 5Gそして6Gといったモバイルアクセス、NGN等の固定アクセス、人工衛星やHAPSによるNTN通信、IoTに用いられる低消費電力通信等の様々な通信ネットワークが現在存在し今後も登場すると目される。インクルーシブコアでは、こうした多様な通信ネットワークの包摂的な管理・制御・相互接続を実現する。したがって、アプリケーションの多様性と通信ネットワークの多様性の掛け算により、データを運ぶ方法（トランスポート）は多岐にわたり、その中から適切な方法を的確に選択すること自体が重要となる。

こういった考えのもと、端末やサーバが持つ通信におけるトランスポート機能を多種多様なアプリケーションと通信ネットワークへ適応させる「適応トランスポート技術」の実現を目指している。ここで、トランスポート機能とは、基本的にはOSI参照モデルではTCPやUDP等のトランスポート層にあたるプロトコルの処理を行う機能にあたるものである。ただし、近年ではHTTPやQUICのようにトランスポート層より上位レイヤであるが、その高い疎通性と汎用性からトランスポート層相当の役割を担いつつあるプロトコルが登場している。また一方で、非TCP/IPプロトコルスタックを用いた産業用アプリケーションも存在し、ローカル5Gとの融合によりその適用範囲が広がりつつある。インクルーシブコアの時代には、IOWNをインフラとして、従来のインターネットを前提とした汎用的な通信プロトコルだけではない、局所的な利用に留まるが高いパフォーマンスを発揮したり特殊要件を充足するような通信プロトコルも利用可能になることで、さらにサービスを高度で発展的なものにすることができると考える。適応トランスポート技術は、狭義のトランスポート層機能に留まらず、上位レイヤのプロトコルや、非TCP/IPプロトコルまでを含めて、アプリケーションに対し通信機能を提供しようとするものである。

現状のトランスポート機能は、主に以下の課題を抱えている。
A) 多種多様な通信ネットワークにそれぞれ適したトランスポート方式の選択：通信ネットワークはそれぞれ通信品質に特徴を持つため、適切なトランスポート方式も異なる
B) トランスポートを担う新たなプロトコルへの追従の困難性：トランスポート機能がアプリケーションと密に結合しているため、新たなトランスポート機能が登場した時にアプリケーションを開発し直す必要がある
C) アプリケーション開発の煩雑性：多様なアプリケーションがそれぞれ異なる通信要件を持ち、その通信要件に合致するトランスポート機能を検討しアプリケーションとして開発する必要がある。加えて、近年ネットワーク制御を曝露する方式やシステムが多く開発されているが、そのメリットを享受するためには、ネットワーク制御との連携も併せてアプリケーション開発を行う必要がある。

適応トランスポート技術は、アプリケーションに対してトランスポート機能を隠蔽しつつ（課題B、 C）、トランスポート機能は通信ネットワークの制御と連携しアプリケーションが求める要件を満たす（課題A）ことを実現する。関連する萌芽的な技術として、IETFのTAPS WGでは抽象化APIを定義することでアプリケーションの開発とネットワークプログラミングの開発を疎結合化する取り組みがなされている。これは、主にトランスポート機能の隠蔽の一部に関わる。しかし、アプリケーションが求めるスループットに対する通信ネットワークの充足性の確認といったアプリケーションが持つ要件と通信ネットワークが持つ機能や性能の両面を加味してトランスポート機能を適応させる検討には至っていない。また通信ネットワークの制御との連携の観点で検討の余地がある。通信事業者は通信ネットワークの機能や性能は可制御・可観測なものとして扱うことができるため、よりアプリケーションの要件に合致した通信を実現することができ、通信サービス利用者にとっての利便性の向上や高臨場感につながる。

具体的には、大きく以下の構成要素によって適応トランスポート技術を構成する。

1. プロトコル群の適応、選択・組み合わせ：アプリケーションからは見えない抽象化APIの下でプロトコル群を適応的に選択・組み合わせを行い、通信要件に合致する適切なトランスポート機能を実行する
2. ネットワーク連動プロトコル最適制御：通信ネットワークが提供するネットワーク制御機能と連携して各プロトコルにとって最適な状態となるようにネットワークを制御する
3. 新たなプロトコル群：TCP/IPプロトコルスタックに限らず、非TCP/IPを含む新たなプロトコルも抽象化APIの下で利用可能な仕組みを提供する

特にネットワーク制御との連携については、[7] で提案されているProgrammable UEと合わせて考えると、モバイルネットワーク接続とは独立の上位プロトコルを適応化するというだけにとどまらず、無線レイヤの通信機能の適応化をさらに組み合わせることによって、例えばCell-free distributed MIMO環境における無線通信制御やRAN UP機能における再送制御や誤り訂正の動作といった無線レイヤの通信機能を含めたクロスレイヤでの通信方式の最適化により、さらに通信パフォーマンスやレジリエンシーを向上させることが可能であるとも考えられる。

適応トランスポート技術の実現により、アプリケーション開発者や利用者は、接続する通信ネットワークを意識する必要が無く、また適切なトランスポート機能を選択する必要も無くなる。そして、新たな通信プロトコルの登場による端末やサーバの新規調達やアプリケーションのアップデートの必要性が低減し、システムの持続的な利活用やアプリケーションの進化の加速を実現する。

６－４．認証・ID連携機能

現在の3GPPネットワークでは、ネットワークオペレータが加入者を識別するためのID（回線契約ID）として、IMSIやSUPIなどを払い出し、これらの情報をUSIM内に格納の上、UEによるネットワークアクセス（registration）の際に、これらの情報を用いた認証を行うことで、NWへの接続サービスを提供している。また、サービスプロバイダは、ユーザにサービスアカウントIDを払い出し、本IDに基づく認証により、ユーザに各種サービスを提供している。

インクルーシブコアでは、ネットワークやサービスを利用する主体やシチュエーションが現在よりも多様化することを想定しており、様々な認証方式の提供とユースケースに応じた使い分けが必要となると考えている。例えば、公共端末（ソーシャルUE）を利用した高度リモートワークのユースケースでは、ユーザが自身の契約USIMを搭載したUEを所有していない状況でもソーシャルUEを用いてユーザ毎のネットワーク融合サービス高速処理基盤をネットワークを介して利用するために、生体情報を起点としたユーザ識別/認証が必要となる。また、自動運転車両の遠隔監視・制御のユースケースでは、車両内UEに紐づくネットワーク融合サービス高速処理基盤およびネットワークの提供のために、車両内UEへのID払い出しと認証が必要となる。AIアバターのユースケースでは、ネットワーク融合サービス高速処理基盤上のAIが自律的にネットワークやサービスを利用するために、AIへのID払い出しと認証が必要となる。また、インクルーシブコアでは、ユースケースやシチュエーションに応じて、最適なネットワークとネットワーク融合サービス高速処理基盤を構築することで、ユーザエクスペリエンスの向上を目指している。このため、ID連携の観点では、ネットワークにおけるデバイス、回線契約等のIDやサービスにおけるアカウントIDを、その時々の状況に適合する形で連携させ、それらのIDに紐づくデバイスやユーザの情報を取得することで、状況に応じた最適制御/設定を実施する仕組みが求められる。

前述の認証・ID連携を実現する機能アーキテクチャとして、図15を検討している。ネットワークの認証では、デバイスやAIの認証に対応可能な新たな認証プロトコルを選択的に用いられるように拡張する（図 14の緑色吹き出し）。また、ネットワーク融合サービス高速処理基盤およびサービスの認証では、ネットワーク融合サービス高速処理基盤のIDを発行する通信事業者がIdP（IDプロバイダ）としての機能を持ち、ネットワーク融合サービス高速処理基盤を介して利用される様々なサービスに対してもデバイス、AIなどの様々な認証やネットワークの認証と連動した認証を提供する（図 14の青色吹き出し）。さらに、ID連携としては、ネットワーク・ネットワーク融合サービス高速処理基盤・サービス・デバイスのIDを相互に紐づけるID連携機能を設け、相互にユーザおよびデバイスのプロファイルを取得することで、適応的なネットワークおよびネットワーク融合サービス高速処理基盤の構築を可能にする（図 14の黄色吹き出し）。