什么樣的網(wǎng)絡才能承載元宇宙的野心？

最近“元宇宙”這個詞非?；馃?。信息領域向來擅長制造概念和包裝概念，而且這些概念往往都由商業(yè)公司發(fā)起，“云計算”、“大數(shù)據(jù)”、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、“元宇宙”等概莫例外。新概念的誕生之初，一般都伴隨著業(yè)界的興奮、質(zhì)疑或炒作。但最后能沉淀下來并真正落地的概念，一定是具有技術內(nèi)涵、并能帶來產(chǎn)業(yè)升級的概念。作為網(wǎng)絡領域的從業(yè)者，我嘗試著理解到底什么是元宇宙、以及元宇宙對網(wǎng)絡技術的發(fā)展是否帶來了什么新的挑戰(zhàn)和機遇。

01、從網(wǎng)絡接入終端的角度理解元宇宙的概念和技術內(nèi)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月云棲大會上給出的定義，觀點鮮明且簡明扼要，即：“元宇宙是構(gòu)建在VR/AR眼鏡基礎上的整個互聯(lián)網(wǎng)”。這一觀點，與我們網(wǎng)絡研究者對互聯(lián)網(wǎng)技術的理解完全一致。

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從20世紀六七十年代的計算機組網(wǎng)工具，發(fā)展到了網(wǎng)絡空間的新時代，成為了現(xiàn)實世界的網(wǎng)絡映射，也成為了人類社會的重要基礎設施。在網(wǎng)絡空間時代，互聯(lián)網(wǎng)基礎設施的構(gòu)成，主要包括三個部分，即：“終端節(jié)點接入”、“自治網(wǎng)絡組網(wǎng)”以及“異構(gòu)網(wǎng)絡互聯(lián)”。從技術演進的角度看：“終端節(jié)點接入”技術距離用戶最近，因此迭代升級最快；“異構(gòu)網(wǎng)絡互聯(lián)”技術距離用戶最遠，因此迭代升級最慢；而“自治網(wǎng)絡組網(wǎng)”技術介于二者之間。

“終端節(jié)點接入”，即何種終端、以何種方式接入互聯(lián)網(wǎng)。回顧互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史，每當新一代接入終端具備了上一代接入終端節(jié)點不具備的優(yōu)勢特性的時候，互聯(lián)網(wǎng)應用領域就會掀起一場新的革命。早期接入互聯(lián)網(wǎng)的主流終端是PC，也就是我們俗稱的“經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)”的時代。后來智能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“移動互聯(lián)網(wǎng)”時代，今天我們已經(jīng)司空見慣。但無論是PC還是手機，其屏幕仍然是二維顯示和交互，而VR/AR眼鏡則具有三維顯示和交互功能。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交互方面的困難，互聯(lián)網(wǎng)應用將會進入一個新時代。如同當初從經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)時代進入移動互聯(lián)網(wǎng)時代，互聯(lián)網(wǎng)巨頭公司經(jīng)歷了重新洗牌一樣；從移動互聯(lián)網(wǎng)時代進入元宇宙時代，互聯(lián)網(wǎng)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(jié)底，每當互聯(lián)網(wǎng)接入終端發(fā)生了重大變革，勢必會引起互聯(lián)網(wǎng)應用形態(tài)的重大變化。

事實上，站在網(wǎng)絡空間基礎設施的層面理解互聯(lián)網(wǎng)的接入終端，PC、智能手機和VR/AR眼鏡都可以歸為一大類接入終端，即“通信型”終端。這些終端，本質(zhì)上解決的是人的通信需求。當人需要與外界發(fā)生聯(lián)系時，比如打電話、打游戲、聊天、購物等，這類設備才具備使用功能；一旦人不需要與外界發(fā)生聯(lián)系時，這些設備就沒啥用了。除了“通信型”終端，在網(wǎng)絡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(zhí)行計算任務的終端，主要是各類服務器、或者參與網(wǎng)絡計算的節(jié)點，它們與人的通信需求無關，主要工作是完成各類分布式計算任務。但“通信型”和“計算型”終端一樣，如果不需要執(zhí)行計算或通信操作時，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，而一旦加入互聯(lián)網(wǎng)，需要在原有功能的基礎上，再疊加新的聯(lián)網(wǎng)功能，最典型的就是智能汽車、工控終端、物聯(lián)網(wǎng)終端等。智能汽車本身的功能是一個高速移動的高質(zhì)量運載體，工控終端本身的功能是生成制造；當這兩種終端大規(guī)模接入互聯(lián)網(wǎng)之后，也會產(chǎn)生許多新的互聯(lián)網(wǎng)應用，也就是我們常說的“車聯(lián)網(wǎng)”和“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”。

綜上所述，站在網(wǎng)絡接入終端的角度理解“元宇宙”，它是“通信型”終端發(fā)展的下一個里程碑，是從PC和手機的二維顯示和交互發(fā)展到VR/AR的三維顯示和交互之后，產(chǎn)生的互聯(lián)網(wǎng)應用新形態(tài)。我們不能輕視這種終端形態(tài)變遷對互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要意義，因為從經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)到移動互聯(lián)網(wǎng)的變遷，就已經(jīng)證實過一次了。

站在產(chǎn)業(yè)的角度，互聯(lián)網(wǎng)領域的新概念往往都是其底層支撐技術成熟之后對應用的升級，因為應用才是互聯(lián)網(wǎng)的主流。因此，沒有必要糾結(jié)于元宇宙自身有沒有什么新的核心技術，因為當初移動互聯(lián)網(wǎng)興起的時候，其實也沒什么新技術，但這不影響移動互聯(lián)網(wǎng)對整個互聯(lián)網(wǎng)應用生態(tài)帶來的巨大變革（也許可以把3G/4G作為移動互聯(lián)網(wǎng)興起的支撐技術，但移動通信技術本身一直在發(fā)展，而且與終端形態(tài)沒有必然聯(lián)系）。

站在網(wǎng)絡空間的角度看，也沒有必要過分夸大元宇宙。VR/AR眼鏡將會成為互聯(lián)網(wǎng)重要的“通信型”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信終端，甚至都不一定是最重要的終端。未來像智能汽車、工控終端這樣滿足人類生產(chǎn)需求的“功能型”終端，其重要性也不遑多讓。

02、元宇宙對網(wǎng)絡技術的新需求

如上所述，網(wǎng)絡技術本身解決的是“組網(wǎng)”問題，體現(xiàn)在“自治網(wǎng)絡組網(wǎng)”和“異構(gòu)網(wǎng)絡互聯(lián)”這兩個層次，關注的是網(wǎng)絡基礎設施的 “擴展性”、“高帶寬”、“低時延”、“安全性”、“管理性”等問題。由于互聯(lián)網(wǎng)基礎設施的大規(guī)模和天然共享性，我們不可能為每種類型的接入終端都單獨建一張網(wǎng)。因此，面對“網(wǎng)絡接入終端”變化帶來的網(wǎng)絡應用的快速迭代升級，網(wǎng)絡技術的應對方法都是“以不變應萬變”、或者“以網(wǎng)絡的演進升級應對終端和應用的革命換代”。IP/IPv6協(xié)議已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)基礎設施的基本組網(wǎng)協(xié)議，幾乎不可撼動；但基于IP/IPv6協(xié)議，網(wǎng)絡技術還有很大的創(chuàng)新空間，以應對各種新型終端和應用的新需求。

事實上，“通信型”、“計算型”和“功能型”終端，對網(wǎng)絡性能、安全等方面的需求的區(qū)別是很大的。“通信型”終端主要解決的是人的通信需求。滿足人類消費行為的互聯(lián)網(wǎng)應用，往往端到端帶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。如果交互時延低于10毫秒，人的感官一般是無感的；而交互時延大于300毫秒，人的感官又難以接受。當前的互聯(lián)網(wǎng)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和手機上基于二維顯示和交互的大部分互聯(lián)網(wǎng)應用。但基于三維顯示和交互的元宇宙應用，為了避免頭暈，需要10毫秒以內(nèi)的交互時延，這就為當前的互聯(lián)網(wǎng)技術提出了巨大挑戰(zhàn)。此外，從安全上看，元宇宙的愿景追求“虛實結(jié)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通過機器人來改造物理世界），對安全也提出了更高的挑戰(zhàn)。

與“通信型”終端相比，“計算型”終端和“功能型”終端則對網(wǎng)絡性能和安全性有著不一樣的需求。支持“計算型”終端的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡，端到端帶寬需求往往在幾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；支持“功能型”終端的車聯(lián)網(wǎng)和工控網(wǎng)絡，端到端帶寬往往并不高，但時延要求確定性保障，而且要求信息安全與功能安全融合。

在IP協(xié)議的基礎上，互聯(lián)網(wǎng)技術通過各種創(chuàng)新，來滿足不斷涌現(xiàn)的新型終端和應用的需求。比如，為了滿足數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡超高帶寬和超低時延的需求，傳送層協(xié)議就從廣域網(wǎng)使用的TCP升級為RDMA/RoCE；為了滿足工控網(wǎng)絡對確定性時延的需求，目前IETF也成立了DETNET（確定性網(wǎng)絡）工作組專門制定有關RFC標準。對于元宇宙向網(wǎng)絡技術提出的新需求，互聯(lián)網(wǎng)也會通過同樣的方式來應對。

03、元宇宙對網(wǎng)絡技術的新挑戰(zhàn)

如果說元宇宙對網(wǎng)絡技術帶來了 “新挑戰(zhàn)”的話，一定是有某些需求給互聯(lián)網(wǎng)技術帶來了較大的麻煩甚至“挑戰(zhàn)”到了互聯(lián)網(wǎng)技術的設計原則；否則的話，靠現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術就可以支撐，談不上“新挑戰(zhàn)”。我個人認為，元宇宙對網(wǎng)絡技術的挑戰(zhàn)，與近年來同樣受到密切關注的“功能型”終端帶來的網(wǎng)絡技術挑戰(zhàn)類似，主要體現(xiàn)在三個方面。

元宇宙要實現(xiàn)“虛實融合”甚至“虛實互動”，一定要求網(wǎng)絡是真實可信的。網(wǎng)絡空間存在諸多安全問題的根源之一，在于網(wǎng)絡惡意行為難以溯源，因此作惡成本低。今天解決網(wǎng)絡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(gòu)建一個安全可信的元宇宙世界，僅僅通過系統(tǒng)設計和代碼質(zhì)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(gòu)建一個以用戶身份識別、溯源和追責為核心的網(wǎng)絡空間虛實融合可信治理體系，增加攻擊者的作惡成本（當然對用戶身份隱私的保護是前提）。

要建立這樣的網(wǎng)絡空間虛實融合可信治理體系，面臨的最大挑戰(zhàn)是互聯(lián)網(wǎng)的分布式架構(gòu)。包括元宇宙在內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)應用，對安全可信的需求是端到端的。但互聯(lián)網(wǎng)是一種“網(wǎng)間網(wǎng)”，并沒有集中控制系統(tǒng)，而是各個自治網(wǎng)絡之間依靠默認的彼此信任、以完全分布式的方式來實現(xiàn)互聯(lián)互通。因此如何實現(xiàn)可信治理體系所必需的地址、路由、身份等信息在自治網(wǎng)絡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(xù)出現(xiàn)的Facebook斷網(wǎng)事件、韓國電信斷網(wǎng)事件等，都體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)域間路由協(xié)議BGP的薄弱性。為了應對分布式域間路由在安全可信方面的局限性，當前國際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會發(fā)起的MANRS（互聯(lián)網(wǎng)路由安全相互協(xié)議）計劃，呼吁各運營商部署RPKI系統(tǒng)來實現(xiàn)路由安全。但RPKI解決路由安全的思路，是通過一種類集中式的架構(gòu)來實現(xiàn)的，在一定程度上又違背了互聯(lián)網(wǎng)“分布式架構(gòu)”設計原則。

因此，如何解決網(wǎng)絡空間虛實融合可信治理體系與互聯(lián)網(wǎng)“開放互聯(lián)”、“分布式架構(gòu)”設計原則之間的矛盾，是元宇宙對網(wǎng)絡技術提出的一大挑戰(zhàn)?？赡艿慕鉀Q途徑之一是分布式信任方面的理論和技術創(chuàng)新。

如前所述，在元宇宙應用中，用戶以VR/AR終端接入并使用互聯(lián)網(wǎng)，要求網(wǎng)絡交互時延不大于10毫秒，否則會產(chǎn)生頭暈。這種超低時延需求是當前互聯(lián)網(wǎng)所無法很滿足的。

事實上，今天的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)在設計原則上并不是 “時延友好”的。首先，互聯(lián)網(wǎng)對流量開放，不作準入控制，因此突發(fā)流量非常容易造成網(wǎng)絡擁塞。擁塞導致的流量“排隊時延”，是今天互聯(lián)網(wǎng)端到端時延的最主要來源。其次，IP協(xié)議采用分組交換而非電路交換。在分組交換模式下，路由器通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式轉(zhuǎn)發(fā)流量。每臺路由器收到每一個分組，都要經(jīng)過“存儲”、“查表”然后“轉(zhuǎn)發(fā)”的操作流程。如果采用軟件轉(zhuǎn)發(fā)的方式， “轉(zhuǎn)發(fā)時延”不可忽視。第三，TCP等擁塞控制協(xié)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(xié)議時延”。排隊時延、轉(zhuǎn)發(fā)時延、協(xié)議時延的存在，使得今天的互聯(lián)網(wǎng)端到端交互時延一般在幾十毫秒到幾百毫秒之間，這對于“通信型”終端的二維顯示和交互應用，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，就算通過對擁塞控制技術、分組轉(zhuǎn)發(fā)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”，即光纖信號或無線信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。以光纖通信為例，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。一旦端到端通信距離超過1000公里，往返時延必然超過10毫秒。

值得注意的是，在移動通信5G/6G的愿景中，也把10毫秒以內(nèi)的通信時延作為一個重要的技術指標。但5G/6G解決的只是網(wǎng)絡接入問題，并沒有涵蓋互聯(lián)網(wǎng)端到端通信的全路徑。

因此，如何解決10毫秒以內(nèi)的交互時延需求與互聯(lián)網(wǎng)“流量開放”、“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”設計原則之間的矛盾，是元宇宙對網(wǎng)絡技術提出的另一挑戰(zhàn)?？赡艿慕鉀Q途徑包括：通過更優(yōu)的流量工程方法緩解甚至避免擁塞，減少排隊時延；通過優(yōu)化分組轉(zhuǎn)發(fā)流程，減少轉(zhuǎn)發(fā)時延；通過傳送協(xié)議創(chuàng)新，減少協(xié)議時延；通過邊緣計算等方式，控制物理時延。

在元宇宙虛實融合的應用環(huán)境中，用戶需要找到與物理空間相同的網(wǎng)絡空間體驗。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；我們打墻壁一拳，疼痛感也是比較確定的。但在網(wǎng)絡空間中，由于所有的端到端通信流量共享相同的物理網(wǎng)絡資源，網(wǎng)絡時延、網(wǎng)絡帶寬等用戶體驗的性能指標受到的擾動比較大，不確定性較強。在二維顯示和交互終端，這種性能不確定性帶來的負面體驗較小，但在三維顯示和交互終端、在虛實融合的應用環(huán)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(zhì)量保障”。

為更重要的應用提供更好的服務質(zhì)量保障，對互聯(lián)網(wǎng)來說并不是一個新問題。谷歌公司提出、被IETF標準化為RFC 9000的QUIC協(xié)議，IETF成立的DETNET工作組等，都為高優(yōu)先級的應用提供確定性性能保障。但問題在于，這種確定性保障，與互聯(lián)網(wǎng)“統(tǒng)計復用”、“公平競爭”的設計原則在本質(zhì)上是矛盾的。不管如何，網(wǎng)絡資源是有限的，我們不可能為每個應用都提供確定性保障。如果只為高優(yōu)先級應用提供確定性質(zhì)量保障的話，由誰來確定優(yōu)先級呢？如果讓應用和終端自己來確定優(yōu)先級，每個應用和終端都會把自己標記為最高優(yōu)先級；如果讓網(wǎng)絡通過識別應用來確定優(yōu)先級的話，今后大部分互聯(lián)網(wǎng)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信/消費需求，網(wǎng)絡空間將來還同樣承載滿足生產(chǎn)需求的 “功能型”終端流量。人產(chǎn)生的流量和機器產(chǎn)生的流量之間，孰輕孰重？它們都對網(wǎng)絡提出確定性需求的話，如何分配優(yōu)先級？

因此，如何解決確定性服務質(zhì)量保障與互聯(lián)網(wǎng)“統(tǒng)計復用”、“公平競爭”的設計原則之間的矛盾，也是元宇宙對網(wǎng)絡技術提出的挑戰(zhàn)。這一問題的解決，可能需要更多的社會治理層面的規(guī)則制定，但也需要在加密流量識別、網(wǎng)絡優(yōu)先級調(diào)度、高效率資源分配方法等方面提供技術支撐。

總結(jié)

站在網(wǎng)絡空間的角度看，元宇宙是“網(wǎng)絡接入終端”在支持三維顯示和交互之后，互聯(lián)網(wǎng)應用的重大升級換代。如果類比移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史，這種升級換代有較大可能帶來新一輪的產(chǎn)業(yè)洗牌。而為不斷涌現(xiàn)的新型應用提供更好的網(wǎng)絡支撐和網(wǎng)絡服務，一直都是網(wǎng)絡技術發(fā)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(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等正在興起的新型互聯(lián)網(wǎng)應用，與傳統(tǒng)的基于PC和手機終端的互聯(lián)網(wǎng)應用相比，對網(wǎng)絡的安全性、低時延、確定性、可靠性等方面的需求帶來了本質(zhì)的提升。只有網(wǎng)絡基礎設施滿足了它們的需求，這些新型互聯(lián)網(wǎng)應用才能從概念變?yōu)楝F(xiàn)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(xiàn)。這是我們網(wǎng)絡領域從業(yè)者的挑戰(zhàn)，更是機遇。

來源：NASP網(wǎng)絡實驗室?