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元宇宙对网络技术的挑战

发布时间:2021-12-6 7:43:59   
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引言

 

 

最近“元宇宙”这个词非常火热。信息领域向来擅长制造概念和包装概念,而且这些概念往往都由商业公司发起,“云计算”、“大数据”、“工业互联网”、“元宇宙”等概莫例外。新概念的诞生之初,一般都伴随着业界的兴奋、质疑或炒作。但最后能沉淀下来并真正落地的概念,一定是具有技术内涵、并能带来产业升级的概念。作为网络领域的从业者,我尝试着理解到底什么是元宇宙、以及元宇宙对网络技术的发展是否带来了什么新的挑战和机遇。

 

 

1.

从网络接入终端的角度理解元宇宙的概念和技术内涵

 

 

在最近众说纷纭的“元宇宙”定义中,我比较认同的是阿里巴巴达摩院XR实验室谭平博士在2021年10月云栖大会上给出的定义,观点鲜明且简明扼要,即:“元宇宙是构建在VR/AR眼镜基础上的整个互联网”。这一观点,与我们网络研究者对互联网技术的理解完全一致。

 

互联网已经从20世纪六七十年代的计算机组网工具,发展到了网络空间的新时代,成为了现实世界的网络映射,也成为了人类社会的重要基础设施。在网络空间时代,互联网基础设施的构成,主要包括三个部分,即:“终端节点接入”、“自治网络组网”以及“异构网络互联”。从技术演进的角度看:“终端节点接入”技术距离用户最近,因此迭代升级最快;“异构网络互联”技术距离用户最远,因此迭代升级最慢;而“自治网络组网”技术介于二者之间。

“终端节点接入”,即何种终端、以何种方式接入互联网。回顾互联网的发展历史,每当新一代接入终端具备了上一代接入终端节点不具备的优势特性的时候,互联网应用领域就会掀起一场新的革命。早期接入互联网的主流终端是PC,也就是我们俗称的“经典互联网”的时代。后来智能手机成为了重要的接入终端,具备PC所没有的“移动性”,就进入所谓的“移动互联网”时代,今天我们已经司空见惯。但无论是PC还是手机,其屏幕仍然是二维显示和交互,而VR/AR眼镜则具有三维显示和交互功能。

 

因此我们有理由相信,一旦VR/AR眼镜解决了在穿戴便捷性和视觉交互方面的困难,互联网应用将会进入一个新时代。如同当初从经典互联网时代进入移动互联网时代,互联网巨头公司经历了重新洗牌一样;从移动互联网时代进入元宇宙时代,互联网巨头公司会进行类似的洗牌,我想这就是Facebook、微软等公司如此重视元宇宙的根本原因。归根结底,每当互联网接入终端发生了重大变革,势必会引起互联网应用形态的重大变化。

 

事实上,站在网络空间基础设施的层面理解互联网的接入终端,PC、智能手机和VR/AR眼镜都可以归为一大类接入终端,即“通信型”终端。这些终端,本质上解决的是人的通信需求。当人需要与外界发生联系时,比如打电话、打游戏、聊天、购物等,这类设备才具备使用功能;一旦人不需要与外界发生联系时,这些设备就没啥用了。

 

除了“通信型”终端,在网络空间还有两大类接入终端,我将它们分别命名为“计算型”终端 和“功能型”终端。“计算型”终端,指的是一直在执行计算任务的终端,主要是各类服务器、或者参与网络计算的节点,它们与人的通信需求无关,主要工作是完成各类分布式计算任务。但“通信型”和“计算型”终端一样,如果不需要执行计算或通信操作时,就没有其他的用处了。而“功能型”终端则不一样,它们本身就具备特殊功能,而一旦加入互联网,需要在原有功能的基础上,再叠加新的联网功能,最典型的就是智能汽车、工控终端、物联网终端等。智能汽车本身的功能是一个高速移动的高质量运载体,工控终端本身的功能是生成制造;当这两种终端大规模接入互联网之后,也会产生许多新的互联网应用,也就是我们常说的“车联网”和“工业互联网”。

 

综上所述,站在网络接入终端的角度理解“元宇宙”,它是“通信型”终端发展的下一个里程碑,是从PC和手机的二维显示和交互发展到VR/AR的三维显示和交互之后,产生的互联网应用新形态。我们不能轻视这种终端形态变迁对互联网产业发展的重要意义,因为从经典互联网到移动互联网的变迁,就已经证实过一次了。

站在产业的角度,互联网领域的新概念往往都是其底层支撑技术成熟之后对应用的升级,因为应用才是互联网的主流。因此,没有必要纠结于元宇宙自身有没有什么新的核心技术,因为当初移动互联网兴起的时候,其实也没什么新技术,但这不影响移动互联网对整个互联网应用生态带来的巨大变革(也许可以把3G/4G作为移动互联网兴起的支撑技术,但移动通信技术本身一直在发展,而且与终端形态没有必然联系)。

 

站在网络空间的角度看,也没有必要过分夸大元宇宙。VR/AR眼镜将会成为互联网重要的“通信型”终端,但主要还是解决人类的消费需求,这不是未来唯一的通信终端,甚至都不一定是最重要的终端。未来像智能汽车、工控终端这样满足人类生产需求的“功能型”终端,其重要性也不遑多让。

 

 

2.

元宇宙对网络技术的新需求

 

 

如上所述,网络技术本身解决的是“组网”问题,体现在“自治网络组网”和“异构网络互联”这两个层次,关注的是网络基础设施的 “扩展性”、“高带宽”、“低时延”、“安全性”、“管理性”等问题。由于互联网基础设施的大规模和天然共享性,我们不可能为每种类型的接入终端都单独建一张网。因此,面对“网络接入终端”变化带来的网络应用的快速迭代升级,网络技术的应对方法都是“以不变应万变”、或者“以网络的演进升级应对终端和应用的革命换代”。IP/IPv6协议已经成为互联网基础设施的基本组网协议,几乎不可撼动;但基于IP/IPv6协议,网络技术还有很大的创新空间,以应对各种新型终端和应用的新需求。

 

事实上,“通信型”、“计算型”和“功能型”终端,对网络性能、安全等方面的需求的区别是很大的。“通信型”终端主要解决的是人的通信需求。满足人类消费行为的互联网应用,往往端到端带宽需求在几十兆到几百兆的样子,而端到端时延需求在几十毫秒到几百毫秒之间。如果交互时延低于10毫秒,人的感官一般是无感的;而交互时延大于300毫秒,人的感官又难以接受。当前的互联网技术,基本上就是满足端到端几十毫秒或者最多一二百毫秒的时延,这刚刚可以满足PC和手机上基于二维显示和交互的大部分互联网应用。但基于三维显示和交互的元宇宙应用,为了避免头晕,需要10毫秒以内的交互时延,这就为当前的互联网技术提出了巨大挑战。此外,从安全上看,元宇宙的愿景追求“虚实结合”、甚至“虚实互动”(比如按照阿里巴巴谭平博士的观点,元宇宙的虚拟世界还可以通过机器人来改造物理世界),对安全也提出了更高的挑战。

 

与“通信型”终端相比,“计算型”终端和“功能型”终端则对网络性能和安全性有着不一样的需求。支持“计算型”终端的数据中心网络,端到端带宽需求往往在几G到几百G之间,端到端时延需求则在微秒级别,对安全性的要求相对较低;支持“功能型”终端的车联网和工控网络,端到端带宽往往并不高,但时延要求确定性保障,而且要求信息安全与功能安全融合。

在IP协议的基础上,互联网技术通过各种创新,来满足不断涌现的新型终端和应用的需求。比如,为了满足数据中心网络超高带宽和超低时延的需求,传送层协议就从广域网使用的TCP升级为RDMA/RoCE;为了满足工控网络对确定性时延的需求,目前IETF也成立了DETNET(确定性网络)工作组专门制定有关RFC标准。对于元宇宙向网络技术提出的新需求,互联网也会通过同样的方式来应对。

 

 

3.

元宇宙对网络技术的新挑战

 

 

如果说元宇宙对网络技术带来了 “新挑战”的话,一定是有某些需求给互联网技术带来了较大的麻烦甚至“挑战”到了互联网技术的设计原则;否则的话,靠现有的互联网技术就可以支撑,谈不上“新挑战”。我个人认为,元宇宙对网络技术的挑战,与近年来同样受到密切关注的“功能型”终端带来的网络技术挑战类似,主要体现在三个方面。

 

挑战一:虚实融合要求真实可信,主要矛盾是端到端信任需求与互联网“开放互联”、“分布式架构”的设计原则之间的矛盾。

 

元宇宙要实现“虚实融合”甚至“虚实互动”,一定要求网络是真实可信的。网络空间存在诸多安全问题的根源之一,在于网络恶意行为难以溯源,因此作恶成本低。今天解决网络空间安全问题的主要精力,都放在如何提高被攻击者的保护能力上,而不是放在对攻击者的识别、溯源和追责上。在元宇宙应用中,随着虚拟世界和物理世界的融合与互动更加紧密,对安全的要求等级会更高。构建一个安全可信的元宇宙世界,仅仅通过系统设计和代码质量的改进来加强被攻击者的保护能力是不够的,亟需参考物理世界的安全治理模式,即构建一个以用户身份识别、溯源和追责为核心的网络空间虚实融合可信治理体系,增加攻击者的作恶成本(当然对用户身份隐私的保护是前提)。

 

要建立这样的网络空间虚实融合可信治理体系,面临的最大挑战是互联网的分布式架构。包括元宇宙在内的互联网应用,对安全可信的需求是端到端的。但互联网是一种“网间网”,并没有集中控制系统,而是各个自治网络之间依靠默认的彼此信任、以完全分布式的方式来实现互联互通。因此如何实现可信治理体系所必需的地址、路由、身份等信息在自治网络之间的安全可信传递,是一个较大的难题。

 

拿路由安全来举例。2021年10月以来连续出现的Facebook断网事件、韩国电信断网事件等,都体现了互联网域间路由协议BGP的薄弱性。为了应对分布式域间路由在安全可信方面的局限性,当前国际互联网协会发起的MANRS(互联网路由安全相互协议)计划,呼吁各运营商部署RPKI系统来实现路由安全。但RPKI解决路由安全的思路,是通过一种类集中式的架构来实现的,在一定程度上又违背了互联网“分布式架构”设计原则。

 

因此,如何解决网络空间虚实融合可信治理体系与互联网“开放互联”、“分布式架构”设计原则之间的矛盾,是元宇宙对网络技术提出的一大挑战。可能的解决途径之一是分布式信任方面的理论和技术创新。

 

挑战二:超低时延亟需转发创新,主要矛盾是超低时延需求与互联网“流量开放”、“存储转发”的设计原则之间的矛盾。

 

如前所述,在元宇宙应用中,用户以VR/AR终端接入并使用互联网,要求网络交互时延不大于10毫秒,否则会产生头晕。这种超低时延需求是当前互联网所无法很满足的。

事实上,今天的互联网架构在设计原则上并不是 “时延友好”的。首先,互联网对流量开放,不作准入控制,因此突发流量非常容易造成网络拥塞。拥塞导致的流量“排队时延”,是今天互联网端到端时延的最主要来源。其次,IP协议采用分组交换而非电路交换。在分组交换模式下,路由器通过存储转发的方式转发流量。每台路由器收到每一个分组,都要经过“存储”、“查表”然后“转发”的操作流程。如果采用软件转发的方式, “转发时延”不可忽视。第三,TCP等拥塞控制协议,在丢包的情况下会进行重传,这种时延就更大了,我们可以称其为“协议时延”。排队时延、转发时延、协议时延的存在,使得今天的互联网端到端交互时延一般在几十毫秒到几百毫秒之间,这对于“通信型”终端的二维显示和交互应用,是没问题的,但无法满足元宇宙应用以及“功能型”终端的时延需求。

 

值得注意的是,就算通过对拥塞控制技术、分组转发技术和报文重传技术的改进,将以上三类时延都降为零,我们也无法克服“物理时延”,即光纤信号或无线信号在物理空间中传播所需要的时延。电磁波在空气中的传播速度约30万公里/秒,光在玻璃纤维中的传播速度约20万公里/秒。以光纤通信为例,哪怕光纤是直线铺设的,10毫秒往返时延也最多传播1000公里。一旦端到端通信距离超过1000公里,往返时延必然超过10毫秒。

 

值得注意的是,在移动通信5G/6G的愿景中,也把10毫秒以内的通信时延作为一个重要的技术指标。但5G/6G解决的只是网络接入问题,并没有涵盖互联网端到端通信的全路径。

 

因此,如何解决10毫秒以内的交互时延需求与互联网“流量开放”、“存储转发”设计原则之间的矛盾,是元宇宙对网络技术提出的另一挑战。可能的解决途径包括:通过更优的流量工程方法缓解甚至避免拥塞,减少排队时延;通过优化分组转发流程,减少转发时延;通过传送协议创新,减少协议时延;通过边缘计算等方式,控制物理时延。

 

挑战三:确定保障破坏公平竞争,主要矛盾是确定性服务质量保障与互联网“统计复用”、“公平竞争”的设计原则之间的矛盾。

 

在元宇宙虚实融合的应用环境中,用户需要找到与物理空间相同的网络空间体验。在物理空间中,我们的大部分体验是“确定性”的,比如我们往返同一条道路,这条道路的物理距离是确定的;我们打墙壁一拳,疼痛感也是比较确定的。但在网络空间中,由于所有的端到端通信流量共享相同的物理网络资源,网络时延、网络带宽等用户体验的性能指标受到的扰动比较大,不确定性较强。在二维显示和交互终端,这种性能不确定性带来的负面体验较小,但在三维显示和交互终端、在虚实融合的应用环境下,负面体验会放大很多。换句话说,元宇宙应用势必要求更好的 “确定性服务质量保障”。

 

为更重要的应用提供更好的服务质量保障,对互联网来说并不是一个新问题。谷歌公司提出、被IETF标准化为RFC 9000的QUIC协议,IETF成立的DETNET工作组等,都为高优先级的应用提供确定性性能保障。但问题在于,这种确定性保障,与互联网“统计复用”、“公平竞争”的设计原则在本质上是矛盾的。不管如何,网络资源是有限的,我们不可能为每个应用都提供确定性保障。如果只为高优先级应用提供确定性质量保障的话,由谁来确定优先级呢?如果让应用和终端自己来确定优先级,每个应用和终端都会把自己标记为最高优先级;如果让网络通过识别应用来确定优先级的话,今后大部分互联网流量都是加密的,这种识别本身就存在困难。

 

更加值得思考的是,元宇宙应用满足的还主要是人类的通信/消费需求,网络空间将来还同样承载满足生产需求的 “功能型”终端流量。人产生的流量和机器产生的流量之间,孰轻孰重?它们都对网络提出确定性需求的话,如何分配优先级?

 

因此,如何解决确定性服务质量保障与互联网“统计复用”、“公平竞争”的设计原则之间的矛盾,也是元宇宙对网络技术提出的挑战。这一问题的解决,可能需要更多的社会治理层面的规则制定,但也需要在加密流量识别、网络优先级调度、高效率资源分配方法等方面提供技术支撑。

 

 

总结

 

 

站在网络空间的角度看,元宇宙是“网络接入终端”在支持三维显示和交互之后,互联网应用的重大升级换代。如果类比移动互联网的发展历史,这种升级换代有较大可能带来新一轮的产业洗牌。而为不断涌现的新型应用提供更好的网络支撑和网络服务,一直都是网络技术发展的重要动力。

 

同时,我们可以越来越清楚地看到,元宇宙、车联网、工业互联网等正在兴起的新型互联网应用,与传统的基于PC和手机终端的互联网应用相比,对网络的安全性、低时延、确定性、可靠性等方面的需求带来了本质的提升。只有网络基础设施满足了它们的需求,这些新型互联网应用才能从概念变为现实。如果无法做到的话,也许这一轮元宇宙的概念会与2014/2015年爆炒的VR/AR概念一样,昙花一现。这是我们网络领域从业者的挑战,更是机遇。

 

来源:清华大学计算机系NASP网络实验室  

作者:李丹

 

  

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