• 什么样的网络可以承载元宇宙对网络技术的挑战?

    时间:2021-11-29|浏览:175

    最近元宇宙这个词很流行。信息领域一直擅长制造和包装的概念,这些概念往往是商业公司发起的,云计算、大数据、工业互联网、元宇宙也不例外。新概念诞生之初,通常伴随着行业的兴奋、质疑或炒作。但最终能沉淀并真正落地的概念,一定是有技术内涵,能带来产业升级的概念。作为网络领域的从业者,我试图理解什么是元宇宙,元宇宙是否给网络技术的发展带来了新的挑战和机遇。

    什么样的网络可以承载元宇宙对网络技术的挑战?

    01 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,我同意阿里巴巴达摩院XR谭平博士在2021年10月云栖大会上给出的实验室定义,观点鲜明而简洁,即:元宇宙是在建造的VR/AR基于眼镜的整个互联网。这种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网络空间的新时代,成为现实世界的网络映射和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终端节点接入、自治网络组网和异构网络互联三个部分。从技术演进的角度来看,终端节点接入技术离用户最近,所以迭代升级最快;异构网络互联技术离用户最远,所以迭代升级最慢;自治网络组网技术介于两者之间。

    终端节点访问,即什么样的终端,如何访问互联网。回顾互联网的发展历史,每当新一代访问终端具备上一代访问终端节点所不具备的优势和特点时,互联网应用领域就会掀起新的革命。早期访问互联网的主流终端是PC,也就是我们俗称的经典互联网时代。后来,智能手机成为一个重要的接入终端。PC所没有的移动性进入了所谓的移动互联网时代,今天我们已经司空见惯了。但无论如何PC还是手机,它的屏幕仍然是二维显示和交互,VR/AR眼镜具有三维显示和交互功能。所以我们有理由相信,一旦VR/AR眼镜解决了佩戴便利性和视觉交互的困难,互联网应用将进入一个新时代。就像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;从移动互联网时代到元宇宙时代,互联网巨头公司也会进行类似的洗牌。我觉得这就是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重大变化时,必然会导致互联网应用形式的重大变化。

    实际上,从网络空间基础设施的角度来理解因特网的接入终端,PC智能手机和VR/AR眼镜可以分为一大类接入终端,即通信型终端。这些终端本质上解决了人们的通信需求。当人们需要与外界接触时,如打电话、玩游戏、聊天、购物等。,这些设备具有使用功能;一旦人们不需要与外界接触,这些设备就没有用了。除了通信型终端,网络空间还有两种接入终端,我将其命名为计算型终端 而功能终端。计算终端是指一直在执行计算任务的终端,主要是各种服务器或参与网络计算的节点,与人们的通信需求无关,主要工作是完成各种分布式计算任务。但是,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,就没有其他用途。功能型终端不同,它们有特殊的功能。一旦加入互联网,需要在原有功能的基础上叠加新的联网功能,最典型的是智能汽车、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;当这两个终端大规模接入互联网时,会产生很多新的互联网应用,也就是我们常说的车联网和工业互联网。

    综上所述,从网络接入终端的角度理解元宇宙是通信型终端发展的下一个里程碑,从PC与手机的二维显示和交互发展VR/AR经过三维显示和交互,互联网应用出现了新的形式。我们不能低估这种终端形式变化对互联网产业发展的意义,因为从经典互联网到移动互联网的变化已经得到了证实。

    从行业的角度来看,互联网领域的新概念往往是其底层支撑技术成熟后应用的升级,因为应用是互联网的主流。所以没必要纠结元宇宙本身有没有新的核心技术,因为移动互联网兴起的时候其实没有新技术,但是这并不影响移动互联网给整个互联网应用生态带来的巨大变化(也许可以把3G/4G移动通信技术作为移动互联网兴起的支撑技术,一直在发展,与终端形式没有必然联系。

    站在网络空间的角度,没有必要夸大元宇宙。VR/AR眼镜将成为互联网上重要的通信终端,但主要是解决人类的消费需求,这不是未来唯一的通信终端,甚至不一定是最重要的终端。未来,像智能汽车和工业控制终端这样满足人类生产需求的功能性终端的重要性不会更多。

    02 元宇宙对网络技术的新需求

    如上所述,网络技术本身解决了组网问题,体现在自治网络组网和异构网络互联两个层面,关注网络基础设施 可扩展性、高带宽、低延迟、安全性、管理性等问题。由于互联网基础设施的大规模和自然共享,我们不可能为每种类型的接入终端建立一个单独的网络。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,网络技术的应对方式是以不变应对万变,或者以网络的进化升级应对终端和应用的革命升级。IP/IPv6协议已经成为互联网基础设施的基本组网协议,几乎不可动摇IP/IPv6协议,网络技术还有很大的创新空间来满足各种新终端和应用的新需求。

    事实上,通信型、计算型和功能型终端在网络性能和安全性方面有很大的不同。通信型终端主要解决人们的通信需求。满足人类消费行为的互联网应用,端到端带宽需求往往在几十兆到几百兆之间,端到端延迟需求在几十毫秒到几百毫秒之间。如果交互延迟小于10毫秒,人的感官一般是无感觉的;但是交互延迟大于300毫秒,人的感官是无法接受的。目前的互联网技术基本满足端到端几十毫秒或者最多一两百毫秒的延迟,刚刚能满足PC基于二维显示和交互的大多数互联网应用程序都在手机上。然而,基于三维显示和交互的元宇宙应用程序需要10毫秒内的交互延迟来避免头晕,这对当前的互联网技术提出了巨大的挑战。此外,从安全角度来看,元宇宙的愿景追求虚实结合,甚至虚实互动(例如,根据阿里巴巴谭平博士的观点,元宇宙的虚拟世界也可以通过机器人改造物理世界),这也对安全提出了更高的挑战。

    与通信终端相比,计算终端和功能终端对网络性能和安全性有不同的要求。支持计算终端的数据中心网络,端到端带宽需求往往是多少?G到几百G在此之间,端到端延迟需求处于微秒级,对安全性的要求相对较低;支持功能终端的车联网和工控网络,端到端带宽往往不高,但延迟需要确定性保证,需要信息安全和功能安全的融合。

    在IP在协议的基础上,互联网技术通过各种创新满足新终端和应用的需求。例如,为了满足数据中心网络超高带宽和超低延迟的需求,传输层协议从广域网中使用TCP升级为RDMA/RoCE;为了满足工业控制网络对确定延迟的需求,目前IETF也成立了DETNET(确定性网络)专门制定工作组RFC标准。对于元宇宙对网络技术的新需求,互联网也术的新需求。

    03 元宇宙对网络技术的新挑战

    如果说元宇宙带来了网络技术 新挑战的话,一定有一些需求给互联网技术带来了很大的麻烦,甚至挑战到了互联网技术的设计原则;否则可以用现有的互联网技术支撑,没有新挑战。个人认为,元宇宙对网络技术的挑战类似于近年来同样备受关注的功能终端带来的网络技术挑战,主要体现在三个方面。

    挑战1: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和分布式架构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,必须要求网络真实可信。网络空间存在诸多安全问题的根源之一是网络恶意行为难以追溯,因此作恶成本低。今天解决网络空间安全问题的主要精力是如何提高被攻击者的保护能力,而不是如何识别、追溯和追究攻击者的责任。在元宇宙的应用中,随着虚拟世界和物理世界的融合和互动越来越紧密,对安全的要求也会越来越高。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提高来加强被攻击者的保护能力是不够的。迫切需要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、问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(当然保护用户身份隐私是前提)。

    建立这样的网络空间虚实融合可信治理体系,最大的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。但互联网是一种网络网络,没有集中控制系统,而是依靠默认的相互信任,以完全分布式的方式实现互联互通。因此,如何在自治网络之间实现可信治理系统所需的地址、路由、身份等信息的安全可信传递是一个大问题。

    以路由安全为例。从2021年10月开始连续出现Facebook断网事件、韩国电信断网事件等,反映了互联网域间的路由协议BGP薄弱。为了应对分布式域间路由在安全可信方面的局限性,目前由国际互联网协会发起MANRS(互联网路由安全协议)计划呼吁所有运营商部署RPKI实现路由安全的系统。RPKI解决路由安全的思路是通过一种集中的架构来实现的,在一定程度上违背了互联网分布式架构的设计原则。

    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:超低延迟急需转发创新,主要矛盾是超低延迟需求与互联网流量开放和存储转发设计原则的矛盾。

    如前所述,在元宇宙的应用中,用户VR/AR终端接入和使用互联网要求网络交互延迟不超过10毫秒,否则会引起头晕。这种超低延迟的需求是目前互联网无法满足的。

    事实上,今天的互联网架构在设计原则上并不是 延迟友好。首先,互联网对流量开放,没有准入控制,所以突发流量很容易造成网络拥塞。拥堵导致的流量排队延迟是当今互联网端到端延迟的主要来源。IP协议采用分组交换而不是电路交换。在分组交换模式下,路由器通过存储和转发转发流量。每个路由器收到每个分组,都必须经过存储、查表和转发的操作流程。如果使用软件转发, 转发延迟不容忽视。TCP拥拥塞控制协议丢包时,会重新传输,这种延迟会更大,我们可以称之为协议延迟。排队延迟、转发延迟、协议延迟的存在,使得今天的互联网端到端交互延迟一般在几十毫秒到几百毫秒之间,对于通信终端的二维显示和交互应用来说没有问题,但不能满足元宇宙应用和功能终端的延迟需求。

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