元宇宙对未来网络技术的挑战

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。

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。

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。

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。