元宇宙對網絡技術的挑戰，什麼樣的網絡才能承載元宇宙的野心？

來源：NASP網絡實驗室 

最近“元宇宙”這個詞非常火熱。信息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，“雲計算”、“大數據”、“工業互聯網”、“元宇宙”等概莫例外。新概念的誕生之初，一般都伴隨着業界的興奮、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。作為網絡領域的從業者，我嘗試着理解到底什麼是元宇宙、以及元宇宙對網絡技術的發展是否帶來了什麼新的挑戰和機遇。

01 從網絡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眼鏡基礎上的整個互聯網”。這一觀點，與我們網絡研究者對互聯網技術的理解完全一致。

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

“終端節點接入”，即何種終端、以何種方式接入互聯網。回顧互聯網的發展歷史，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，互聯網應用領域就會掀起一場新的革命。早期接入互聯網的主流終端是PC，也就是我們俗稱的“經典互聯網”的時代。後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“移動互聯網”時代，今天我們已經司空見慣。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，互聯網應用將會進入一個新時代。如同當初從經典互聯網時代進入移動互聯網時代，互聯網巨頭公司經歷了重新洗牌一樣；從移動互聯網時代進入元宇宙時代，互聯網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，每當互聯網接入終端發生了重大變革，勢必會引起互聯網應用形態的重大變化。

事實上，站在網絡空間基礎設施的層面理解互聯網的接入終端，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，本質上解決的是人的通信需求。當人需要與外界發生聯繫時，比如打電話、打遊戲、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生聯繫時，這些設備就沒啥用了。除了“通信型”終端，在網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，指的是一直在執行計算任務的終端，主要是各類服務器、或者參與網絡計算的節點，它們與人的通信需求無關，主要工作是完成各類分佈式計算任務。但“通信型”和“計算型”終端一樣，如果不需要執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，而一旦加入互聯網，需要在原有功能的基礎上，再疊加新的聯網功能，最典型的就是智能汽車、工控終端、物聯網終端等。智能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互聯網之後，也會產生許多新的互聯網應用，也就是我們常說的“車聯網”和“工業互聯網”。

綜上所述，站在網絡接入終端的角度理解“元宇宙”，它是“通信型”終端發展的下一個里程碑，是從PC和手機的二維顯示和交互發展到VR/AR的三維顯示和交互之後，產生的互聯網應用新形態。我們不能輕視這種終端形態變遷對互聯網產業發展的重要意義，因為從經典互聯網到移動互聯網的變遷，就已經證實過一次了。

站在產業的角度，互聯網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，因為應用才是互聯網的主流。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，因為當初移動互聯網興起的時候，其實也沒什麼新技術，但這不影響移動互聯網對整個互聯網應用生態帶來的巨大變革（也許可以把3G/4G作為移動互聯網興起的支撐技術，但移動通信技術本身一直在發展，而且與終端形態沒有必然聯繫）。

站在網絡空間的角度看，也沒有必要過分誇大元宇宙。VR/AR眼鏡將會成為互聯網重要的“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需求的“功能型”終端，其重要性也不遑多讓。

02 元宇宙對網絡技術的新需求

如上所述，網絡技術本身解決的是“組網”問題，體現在“自治網絡組網”和“異構網絡互聯”這兩個層次，關注的是網絡基礎設施的 “擴展性”、“高帶寬”、“低時延”、“安全性”、“管理性”等問題。由於互聯網基礎設施的大規模和天然共享性，我們不可能為每種類型的接入終端都單獨建一張網。因此，面對“網絡接入終端”變化帶來的網絡應用的快速迭代升級，網絡技術的應對方法都是“以不變應萬變”、或者“以網絡的演進升級應對終端和應用的革命換代”。IP/IPv6協議已經成為互聯網基礎設施的基本組網協議，幾乎不可撼動；但基於IP/IPv6協議，網絡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，“通信型”、“計算型”和“功能型”終端，對網絡性能、安全等方面的需求的區別是很大的。“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網應用，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。如果交互時延低於10毫秒，人的感官一般是無感的；而交互時延大於300毫秒，人的感官又難以接受。當前的互聯網技術，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交互的大部分互聯網應用。但基於三維顯示和交互的元宇宙應用，為了避免頭暈，需要10毫秒以內的交互時延，這就為當前的互聯網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通過機器人來改造物理世界），對安全也提出了更高的挑戰。

與“通信型”終端相比，“計算型”終端和“功能型”終端則對網絡性能和安全性有着不一樣的需求。支持“計算型”終端的數據中心網絡，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”終端的車聯網和工控網絡，端到端帶寬往往並不高，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協議的基礎上，互聯網技術通過各種創新，來滿足不斷湧現的新型終端和應用的需求。比如，為了滿足數據中心網絡超高帶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；為了滿足工控網絡對確定性時延的需求，目前IETF也成立了DETNET（確定性網絡）工作組專門制定有關RFC標準。對於元宇宙向網絡技術提出的新需求，互聯網也會通過同樣的方式來應對。

03 元宇宙對網絡技術的新挑戰

如果說元宇宙對網絡技術帶來了 “新挑戰”的話，一定是有某些需求給互聯網技術帶來了較大的麻煩甚至“挑戰”到了互聯網技術的設計原則；否則的話，靠現有的互聯網技術就可以支撐，談不上“新挑戰”。我個人認為，元宇宙對網絡技術的挑戰，與近年來同樣受到密切關注的“功能型”終端帶來的網絡技術挑戰類似，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互聯網“開放互聯”、“分佈式架構”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”，一定要求網絡是真實可信的。網絡空間存在諸多安全問題的根源之一，在於網絡惡意行為難以溯源，因此作惡成本低。今天解決網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，隨着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，僅僅通過系統設計和代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，即構建一個以用戶身份識別、溯源和追責為核心的網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）。

要建立這樣的網絡空間虛實融合可信治理體系，面臨的最大挑戰是互聯網的分佈式架構。包括元宇宙在內的互聯網應用，對安全可信的需求是端到端的。但互聯網是一種“網間網”，並沒有集中控制系統，而是各個自治網絡之間依靠默認的彼此信任、以完全分佈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、身份等信息在自治網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月以來連續出現的Facebook斷網事件、韓國電信斷網事件等，都體現了互聯網域間路由協議BGP的薄弱性。為了應對分佈式域間路由在安全可信方面的局限性，當前國際互聯網協會發起的MANRS（互聯網路由安全相互協議）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，是通過一種類集中式的架構來實現的，在一定程度上又違背了互聯網“分佈式架構”設計原則。

因此，如何解決網絡空間虛實融合可信治理體系與互聯網“開放互聯”、“分佈式架構”設計原則之間的矛盾，是元宇宙對網絡技術提出的一大挑戰。可能的解決途徑之一是分佈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互聯網“流量開放”、“存儲轉發”的設計原則之間的矛盾。

如前所述，在元宇宙應用中，用戶以VR/AR終端接入並使用互聯網，要求網絡交互時延不大於10毫秒，否則會產生頭暈。這種超低時延需求是當前互聯網所無法很滿足的。

事實上，今天的互聯網架構在設計原則上並不是 “時延友好”的。首先，互聯網對流量開放，不作準入控制，因此突發流量非常容易造成網絡擁塞。擁塞導致的流量“排隊時延”，是今天互聯網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，路由器通過存儲轉發的方式轉發流量。每台路由器收到每一個分組，都要經過“存儲”、“查表”然後“轉發”的操作流程。如果採用軟件轉發的方式， “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，使得今天的互聯網端到端交互時延一般在幾十毫秒到幾百毫秒之間，這對於“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的願景中，也把10毫秒以內的通信時延作為一個重要的技術指標。但5G/6G解決的只是網絡接入問題，並沒有涵蓋互聯網端到端通信的全路徑。

因此，如何解決10毫秒以內的交互時延需求與互聯網“流量開放”、“存儲轉發”設計原則之間的矛盾，是元宇宙對網絡技術提出的另一挑戰。可能的解決途徑包括：通過更優的流量工程方法緩解甚至避免擁塞，減少排隊時延；通過優化分組轉發流程，減少轉發時延；通過傳送協議創新，減少協議時延；通過邊緣計算等方式，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互聯網“統計復用”、“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，用戶需要找到與物理空間相同的網絡空間體驗。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；我們打牆壁一拳，疼痛感也是比較確定的。但在網絡空間中，由於所有的端到端通信流量共享相同的物理網絡資源，網絡時延、網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，對互聯網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，都為高優先級的應用提供確定性性能保障。但問題在於，這種確定性保障，與互聯網“統計復用”、“公平競爭”的設計原則在本質上是矛盾的。不管如何，網絡資源是有限的，我們不可能為每個應用都提供確定性保障。如果只為高優先級應用提供確定性質量保障的話，由誰來確定優先級呢？如果讓應用和終端自己來確定優先級，每個應用和終端都會把自己標記為最高優先級；如果讓網絡通過識別應用來確定優先級的話，今後大部分互聯網流量都是加密的，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，網絡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？它們都對網絡提出確定性需求的話，如何分配優先級？

因此，如何解決確定性服務質量保障與互聯網“統計復用”、“公平競爭”的設計原則之間的矛盾，也是元宇宙對網絡技術提出的挑戰。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、網絡優先級調度、高效率資源分配方法等方面提供技術支撐。

總結

站在網絡空間的角度看，元宇宙是“網絡接入終端”在支持三維顯示和交互之後，互聯網應用的重大升級換代。如果類比移動互聯網的發展歷史，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絡支撐和網絡服務，一直都是網絡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、工業互聯網等正在興起的新型互聯網應用，與傳統的基於PC和手機終端的互聯網應用相比，對網絡的安全性、低時延、確定性、可靠性等方面的需求帶來了本質的提升。只有網絡基礎設施滿足了它們的需求，這些新型互聯網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。這是我們網絡領域從業者的挑戰，更是機遇。

End

來源 | NASP網絡實驗室

作者 | 李丹