什麼樣的網路才能承載元宇宙的野心?

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來源:NASP網路實驗室 

最近“元宇宙”這個詞非常火熱。資訊領域向來擅長製造概念和包裝概念,而且這些概念往往都由商業公司發起,“雲端計算”、“大資料”、“工業網際網路”、“元宇宙”等概莫例外。新概念的誕生之初,一般都伴隨著業界的興奮、質疑或炒作。但最後能沉澱下來並真正落地的概念,一定是具有技術內涵、並能帶來產業升級的概念。作為網路領域的從業者,我嘗試著理解到底什麼是元宇宙、以及元宇宙對網路技術的發展是否帶來了什麼新的挑戰和機遇

01從網路接入終端的角度理解元宇宙的概念和技術內涵

在最近眾說紛紜的“元宇宙”定義中,我比較認同的是阿里巴巴達摩院XR實驗室譚平博士在2021年10月雲棲大會上給出的定義,觀點鮮明且簡明扼要,即:“元宇宙是構建在VR/AR眼鏡基礎上的整個網際網路”。這一觀點,與我們網路研究者對網際網路技術的理解完全一致。

網際網路已經從20世紀六七十年代的計算機組網工具,發展到了網路空間的新時代,成為了現實世界的網路對映,也成為了人類社會的重要基礎設施。在網路空間時代,網際網路基礎設施的構成,主要包括三個部分,即:“終端節點接入”、“自治網路組網”以及“異構網路互聯”。從技術演進的角度看:“終端節點接入”技術距離使用者最近,因此迭代升級最快;“異構網路互聯”技術距離使用者最遠,因此迭代升級最慢;而“自治網路組網”技術介於二者之間。

“終端節點接入”,即何種終端、以何種方式接入網際網路。回顧網際網路的發展歷史,每當新一代接入終端具備了上一代接入終端節點不具備的優勢特性的時候,網際網路應用領域就會掀起一場新的革命。早期接入網際網路的主流終端是PC,也就是我們俗稱的“經典網際網路”的時代。後來智慧手機成為了重要的接入終端,具備PC所沒有的“移動性”,就進入所謂的“移動網際網路”時代,今天我們已經司空見慣。但無論是PC還是手機,其螢幕仍然是二維顯示和互動,而VR/AR眼鏡則具有三維顯示和互動功能。因此我們有理由相信,一旦VR/AR眼鏡解決了在穿戴便捷性和視覺互動方面的困難,網際網路應用將會進入一個新時代。如同當初從經典網際網路時代進入移動網際網路時代,網際網路巨頭公司經歷了重新洗牌一樣;從移動網際網路時代進入元宇宙時代,網際網路巨頭公司會進行類似的洗牌,我想這就是Facebook、微軟等公司如此重視元宇宙的根本原因。歸根結底,每當網際網路接入終端發生了重大變革,勢必會引起網際網路應用形態的重大變化。

事實上,站在網路空間基礎設施的層面理解網際網路的接入終端,PC、智慧手機和VR/AR眼鏡都可以歸為一大類接入終端,即“通訊型”終端。這些終端,本質上解決的是人的通訊需求。當人需要與外界發生聯絡時,比如打電話、打遊戲、聊天、購物等,這類裝置才具備使用功能;一旦人不需要與外界發生聯絡時,這些裝置就沒啥用了。除了“通訊型”終端,在網路空間還有兩大類接入終端,我將它們分別命名為“計算型”終端 和“功能型”終端。“計算型”終端,指的是一直在執行計算任務的終端,主要是各類伺服器、或者參與網路計算的節點,它們與人的通訊需求無關,主要工作是完成各類分散式計算任務。但“通訊型”和“計算型”終端一樣,如果不需要執行計算或通訊操作時,就沒有其他的用處了。而“功能型”終端則不一樣,它們本身就具備特殊功能,而一旦加入網際網路,需要在原有功能的基礎上,再疊加新的聯網功能,最典型的就是智慧汽車、工控終端、物聯網終端等。智慧汽車本身的功能是一個高速移動的高質量運載體,工控終端本身的功能是生成製造;當這兩種終端大規模接入網際網路之後,也會產生許多新的網際網路應用,也就是我們常說的“車聯網”和“工業網際網路”。

綜上所述,站在網路接入終端的角度理解“元宇宙”,它是“通訊型”終端發展的下一個里程碑,是從PC和手機的二維顯示和互動發展到VR/AR的三維顯示和互動之後,產生的網際網路應用新形態。我們不能輕視這種終端形態變遷對網際網路產業發展的重要意義,因為從經典網際網路到移動網際網路的變遷,就已經證實過一次了。

站在產業的角度,網際網路領域的新概念往往都是其底層支撐技術成熟之後對應用的升級,因為應用才是網際網路的主流。因此,沒有必要糾結於元宇宙自身有沒有什麼新的核心技術,因為當初移動網際網路興起的時候,其實也沒什麼新技術,但這不影響移動網際網路對整個網際網路應用生態帶來的巨大變革(也許可以把3G/4G作為移動網際網路興起的支撐技術,但行動通訊技術本身一直在發展,而且與終端形態沒有必然聯絡)。

站在網路空間的角度看,也沒有必要過分誇大元宇宙。VR/AR眼鏡將會成為網際網路重要的“通訊型”終端,但主要還是解決人類的消費需求,這不是未來唯一的通訊終端,甚至都不一定是最重要的終端。未來像智慧汽車、工控終端這樣滿足人類生產需求的“功能型”終端,其重要性也不遑多讓。

02元宇宙對網路技術的新需求

如上所述,網路技術本身解決的是“組網”問題,體現在“自治網路組網”和“異構網路互聯”這兩個層次,關注的是網路基礎設施的 “擴充套件性”、“高頻寬”、“低時延”、“安全性”、“管理性”等問題。由於網際網路基礎設施的大規模和天然共享性,我們不可能為每種型別的接入終端都單獨建一張網。因此,面對“網路接入終端”變化帶來的網路應用的快速迭代升級,網路技術的應對方法都是“以不變應萬變”、或者“以網路的演進升級應對終端和應用的革命換代”。IP/IPv6協議已經成為網際網路基礎設施的基本組網協議,幾乎不可撼動;但基於IP/IPv6協議,網路技術還有很大的創新空間,以應對各種新型終端和應用的新需求。

事實上,“通訊型”、“計算型”和“功能型”終端,對網路效能、安全等方面的需求的區別是很大的。“通訊型”終端主要解決的是人的通訊需求。滿足人類消費行為的網際網路應用,往往端到端頻寬需求在幾十兆到幾百兆的樣子,而端到端時延需求在幾十毫秒到幾百毫秒之間。如果互動時延低於10毫秒,人的感官一般是無感的;而互動時延大於300毫秒,人的感官又難以接受。當前的網際網路技術,基本上就是滿足端到端幾十毫秒或者最多一二百毫秒的時延,這剛剛可以滿足PC和手機上基於二維顯示和互動的大部分網際網路應用。但基於三維顯示和互動的元宇宙應用,為了避免頭暈,需要10毫秒以內的互動時延,這就為當前的網際網路技術提出了巨大挑戰。此外,從安全上看,元宇宙的願景追求“虛實結合”、甚至“虛實互動”(比如按照阿里巴巴譚平博士的觀點,元宇宙的虛擬世界還可以透過機器人來改造物理世界),對安全也提出了更高的挑戰。

與“通訊型”終端相比,“計算型”終端和“功能型”終端則對網路效能和安全性有著不一樣的需求。支援“計算型”終端的資料中心網路,端到端頻寬需求往往在幾G到幾百G之間,端到端時延需求則在微秒級別,對安全性的要求相對較低;支援“功能型”終端的車聯網和工控網路,端到端頻寬往往並不高,但時延要求確定性保障,而且要求資訊保安與功能安全融合。

在IP協議的基礎上,網際網路技術透過各種創新,來滿足不斷湧現的新型終端和應用的需求。比如,為了滿足資料中心網路超高頻寬和超低時延的需求,傳送層協議就從廣域網使用的TCP升級為RDMA/RoCE;為了滿足工控網路對確定性時延的需求,目前IETF也成立了DETNET(確定性網路)工作組專門制定有關RFC標準。對於元宇宙向網路技術提出的新需求,網際網路也會透過同樣的方式來應對。

03元宇宙對網路技術的新挑戰

如果說元宇宙對網路技術帶來了 “新挑戰”的話,一定是有某些需求給網際網路技術帶來了較大的麻煩甚至“挑戰”到了網際網路技術的設計原則;否則的話,靠現有的網際網路技術就可以支撐,談不上“新挑戰”。我個人認為,元宇宙對網路技術的挑戰,與近年來同樣受到密切關注的“功能型”終端帶來的網路技術挑戰類似,主要體現在三個方面。

挑戰一:虛實融合要求真實可信,主要矛盾是端到端信任需求與網際網路“開放互聯”、“分散式架構”的設計原則之間的矛盾。

元宇宙要實現“虛實融合”甚至“虛實互動”,一定要求網路是真實可信的。網路空間存在諸多安全問題的根源之一,在於網路惡意行為難以溯源,因此作惡成本低。今天解決網路空間安全問題的主要精力,都放在如何提高被攻擊者的保護能力上,而不是放在對攻擊者的識別、溯源和追責上。在元宇宙應用中,隨著虛擬世界和物理世界的融合與互動更加緊密,對安全的要求等級會更高。構建一個安全可信的元宇宙世界,僅僅透過系統設計和程式碼質量的改進來加強被攻擊者的保護能力是不夠的,亟需參考物理世界的安全治理模式,即構建一個以使用者身份識別、溯源和追責為核心的網路空間虛實融合可信治理體系,增加攻擊者的作惡成本(當然對使用者身份隱私的保護是前提)。

要建立這樣的網路空間虛實融合可信治理體系,面臨的最大挑戰是網際網路的分散式架構。包括元宇宙在內的網際網路應用,對安全可信的需求是端到端的。但網際網路是一種“網間網”,並沒有集中控制系統,而是各個自治網路之間依靠預設的彼此信任、以完全分散式的方式來實現互聯互通。因此如何實現可信治理體系所必需的地址、路由、身份等資訊在自治網路之間的安全可信傳遞,是一個較大的難題。

拿路由安全來舉例。2021年10月以來連續出現的Facebook斷網事件、韓國電信斷網事件等,都體現了網際網路域間路由協議BGP的薄弱性。為了應對分散式域間路由在安全可信方面的侷限性,當前國際網際網路協會發起的MANRS(網際網路路由安全相互協議)計劃,呼籲各運營商部署RPKI系統來實現路由安全。但RPKI解決路由安全的思路,是透過一種類集中式的架構來實現的,在一定程度上又違背了網際網路“分散式架構”設計原則。

因此,如何解決網路空間虛實融合可信治理體系與網際網路“開放互聯”、“分散式架構”設計原則之間的矛盾,是元宇宙對網路技術提出的一大挑戰。可能的解決途徑之一是分散式信任方面的理論和技術創新。

挑戰二:超低時延亟需轉發創新,主要矛盾是超低時延需求與網際網路“流量開放”、“儲存轉發”的設計原則之間的矛盾。

如前所述,在元宇宙應用中,使用者以VR/AR終端接入並使用網際網路,要求網路互動時延不大於10毫秒,否則會產生頭暈。這種超低時延需求是當前網際網路所無法很滿足的。

事實上,今天的網際網路架構在設計原則上並不是 “時延友好”的。首先,網際網路對流量開放,不作準入控制,因此突發流量非常容易造成網路擁塞。擁塞導致的流量“排隊時延”,是今天網際網路端到端時延的最主要來源。其次,IP協議採用分組交換而非電路交換。在分組交換模式下,路由器透過儲存轉發的方式轉發流量。每臺路由器收到每一個分組,都要經過“儲存”、“查表”然後“轉發”的操作流程。如果採用軟體轉發的方式, “轉發時延”不可忽視。第三,TCP等擁塞控制協議,在丟包的情況下會進行重傳,這種時延就更大了,我們可以稱其為“協議時延”。排隊時延、轉發時延、協議時延的存在,使得今天的網際網路端到端互動時延一般在幾十毫秒到幾百毫秒之間,這對於“通訊型”終端的二維顯示和互動應用,是沒問題的,但無法滿足元宇宙應用以及“功能型”終端的時延需求。

值得注意的是,就算透過對擁塞控制技術、分組轉發技術和報文重傳技術的改進,將以上三類時延都降為零,我們也無法克服“物理時延”,即光纖訊號或無線訊號在物理空間中傳播所需要的時延。電磁波在空氣中的傳播速度約30萬公里/秒,光在玻璃纖維中的傳播速度約20萬公里/秒。以光纖通訊為例,哪怕光纖是直線鋪設的,10毫秒往返時延也最多傳播1000公里。一旦端到端通訊距離超過1000公里,往返時延必然超過10毫秒。

值得注意的是,在行動通訊5G/6G的願景中,也把10毫秒以內的通訊時延作為一個重要的技術指標。但5G/6G解決的只是網路接入問題,並沒有涵蓋網際網路端到端通訊的全路徑。

因此,如何解決10毫秒以內的互動時延需求與網際網路“流量開放”、“儲存轉發”設計原則之間的矛盾,是元宇宙對網路技術提出的另一挑戰。可能的解決途徑包括:透過更優的流量工程方法緩解甚至避免擁塞,減少排隊時延;透過最佳化分組轉發流程,減少轉發時延;透過傳送協議創新,減少協議時延;透過邊緣計算等方式,控制物理時延。

挑戰三:確定保障破壞公平競爭,主要矛盾是確定性服務質量保障與網際網路“統計複用”、“公平競爭”的設計原則之間的矛盾。

在元宇宙虛實融合的應用環境中,使用者需要找到與物理空間相同的網路空間體驗。在物理空間中,我們的大部分體驗是“確定性”的,比如我們往返同一條道路,這條道路的物理距離是確定的;我們打牆壁一拳,疼痛感也是比較確定的。但在網路空間中,由於所有的端到端通訊流量共享相同的物理網路資源,網路時延、網路頻寬等使用者體驗的效能指標受到的擾動比較大,不確定性較強。在二維顯示和互動終端,這種效能不確定性帶來的負面體驗較小,但在三維顯示和互動終端、在虛實融合的應用環境下,負面體驗會放大很多。換句話說,元宇宙應用勢必要求更好的 “確定性服務質量保障”。

為更重要的應用提供更好的服務質量保障,對網際網路來說並不是一個新問題。谷歌公司提出、被IETF標準化為RFC 9000的QUIC協議,IETF成立的DETNET工作組等,都為高優先順序的應用提供確定性效能保障。但問題在於,這種確定性保障,與網際網路“統計複用”、“公平競爭”的設計原則在本質上是矛盾的。不管如何,網路資源是有限的,我們不可能為每個應用都提供確定性保障。如果只為高優先順序應用提供確定性質量保障的話,由誰來確定優先順序呢?如果讓應用和終端自己來確定優先順序,每個應用和終端都會把自己標記為最高優先順序;如果讓網路透過識別應用來確定優先順序的話,今後大部分網際網路流量都是加密的,這種識別本身就存在困難。更加值得思考的是,元宇宙應用滿足的還主要是人類的通訊/消費需求,網路空間將來還同樣承載滿足生產需求的 “功能型”終端流量。人產生的流量和機器產生的流量之間,孰輕孰重?它們都對網路提出確定性需求的話,如何分配優先順序?

因此,如何解決確定性服務質量保障與網際網路“統計複用”、“公平競爭”的設計原則之間的矛盾,也是元宇宙對網路技術提出的挑戰。這一問題的解決,可能需要更多的社會治理層面的規則制定,但也需要在加密流量識別、網路優先順序排程、高效率資源分配方法等方面提供技術支撐。

總結

站在網路空間的角度看,元宇宙是“網路接入終端”在支援三維顯示和互動之後,網際網路應用的重大升級換代。如果類比移動網際網路的發展歷史,這種升級換代有較大可能帶來新一輪的產業洗牌。而為不斷湧現的新型應用提供更好的網路支撐和網路服務,一直都是網路技術發展的重要動力。

同時,我們可以越來越清楚地看到,元宇宙、車聯網、工業網際網路等正在興起的新型網際網路應用,與傳統的基於PC和手機終端的網際網路應用相比,對網路的安全性、低時延、確定性、可靠性等方面的需求帶來了本質的提升。只有網路基礎設施滿足了它們的需求,這些新型網際網路應用才能從概念變為現實。如果無法做到的話,也許這一輪元宇宙的概念會與2014/2015年爆炒的VR/AR概念一樣,曇花一現。這是我們網路領域從業者的挑戰,更是機遇。

End

來源 | NASP網路實驗室

作者 | 李丹

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