元宇宙和网络

这是第三部分。重点介绍了 联网 在’元空间’中的作用。 这里。 网络化 被定义为 “由骨干供应商、网络、交换中心和在它们之间进行路由的服务以及那些管理到消费者的’最后一英里’数据的供应商提供持久的、实时的连接、高带宽和分散的数据传输。”

网络的三个核心领域——带宽、延迟和可靠性,这可能是大多数读者最不感兴趣的Metaverse推动因素。然而,它们的限制和增长决定了我们如何设计Metaverse产品和服务,我们何时可以使用它们,以及我们可以(以及可能永远无法)做什么。

带宽

带宽通常被认为是 “速度”,但它实际上是在一个单位时间内可以传输多少数据。Metaverse的要求比大多数互联网应用和游戏要高得多,也超出了许多现代的连接。了解这一点的最好方法是通过微软飞行模拟器。

微软飞行模拟器 是历史上最逼真、最广阔的消费模拟。它包括2万亿棵单独渲染的树木、15亿栋建筑和全球几乎所有的道路、山脉、城市和机场……所有这些看起来都像 “真实的东西”,因为它们是基于真实事物的高质量扫描。但要做到这一点,微软飞行模拟器 需要超过2.5PB的数据(250万GB)。消费者设备(或大多数企业设备)没有办法存储如此大量的数据。

微软飞行模拟器 的工作方式是在你的本地设备上存储核心数据(它也运行游戏,就像任何控制台游戏一样,与Stadia等基于云的游戏流服务不同)。但是当用户在线时,微软就会根据需要将大量的数据流传到本地玩家的设备上。想想看,这就像现实世界的飞行员一样。当他们翻过一座山或转过一个弯时,新的光信息就会流进他们的视网膜,首次揭示并澄清那里的情况。在此之前,他们什么都没有,只知道那里会有东西。

许多游戏玩家认为这就是所有在线多人视频游戏中发生的情况。但是,事实上,大多数游戏服务只向单个玩家发送位置数据、玩家输入数据(如射击、投掷炸弹)和摘要级数据(如在战斗中剩余的玩家)。所有的资产和渲染数据都已经在你的本地设备上了,因此下载和安装的时间很残酷,而且还需要使用硬盘驱动器。

通过在需要的基础上发送渲染数据,游戏可以拥有更多的物品、资产和环境的多样性。而且,他们可以做到不需要延迟游戏的下载和安装,不需要更新批处理,也不需要巨大的用户硬盘。因此,许多游戏现在正在接受这种本地存储信息加数据流的混合模式。然而,这种方法对以Metaverse为重点的平台最为重要。例如,与《马里奥卡丁车 》或《使命召唤》这样的游戏相比,Roblox需要(并从)资产、物品和环境多样性中获益更多。

随着虚拟仿真的复杂性和重要性的增加,需要流式传输的数据量也会增加。至少在目前,Roblox 得益于一些基础预制构件和资产被广泛地重新利用和轻度定制的事实。鉴于此,Roblox 主要是流传关于如何调整先前下载的物品的数据。但最终,这个虚拟平台会希望有近乎无限的排列组合和创造(几乎所有的排列组合它都无法完全预测)。

虚拟孪生平台(也被称为 “数字孪生”),如微软飞行模拟器,已经需要重现现实世界的几乎无限(和可证明的)多样性。这意味着发送的数据要比 “这里的乌云 “或 “95%像乌云”多得多(即更重)。而且关键的是,这些数据是实时变化的。

这最后一点是关键。如果我们想在一个大型的、实时的、共享的、持久的虚拟环境中进行互动,我们将需要接收超级丰富的云流数据。

将’现实世界’与《堡垒之夜》的地图相比较。地球上的每个人都在同一个’模拟’中,在同一时间,并且具有完全的永久性。如果我砍了一棵树,那棵树就不可逆转地消失了,对每个人来说都不复存在。当你玩《堡垒之夜》时,它只是通过一个固定的、时间点的地图版本。而你在该地图中所做的一切,只与少数用户共享,而且在重置前的很短一段时间内。砍了一棵树?它将在1-25分钟内被重置,而它首先只为最多99个其他用户而消失。地图只有在Epic Games发出新版本的时候才会真正改变。而如果Epic Games想把你的世界发给其他人,他们会选择你的宇宙,不考虑他们的宇宙,并在一个特定的时间点修复你的宇宙。对于许多虚拟体验来说,这很好。对于许多特定的Metaverse体验来说,这也会很好。但是有些(如果不是最重要的)体验会希望在所有的用户中,在任何时候都有持久性。

如果我们想在不同的虚拟世界之间无缝跳跃,云数据流也是必不可少的。Fortnite的 Travis Scott音乐会涉及将玩家从游戏的核心地图无缝传送到一个从未见过的海洋深处,然后到一个从未见过的星球,然后深入到外太空。为了做到这一点,Epic在活动前几天至几个小时通过标准的Fortnite 补丁将所有这些游戏世界发送给用户(当然,这意味着如果用户在活动开始前没有下载和安装更新,他们将无法参与活动)。然后,在每个场景中,每个玩家的设备都在后台加载下一个场景。这个系统工作得非常好,但它要求出版商提前很长时间知道用户接下来会去哪个世界。如果你想选择,而且要从广泛的目的地中选择,你必须下载所有潜在选项的全部内容(这是不可能的),或者使用云来进行串流。

除了增加环境数据外,还有增量的玩家数据。当你今天在《堡垒之夜》中看到你的朋友时,《堡垒之夜》服务器只需要向你发送关于你的朋友在哪里以及他们想做什么的信息;动画(例如重新装载突击步枪或坠落)已经加载到你的设备上,只需要运行。但是,当你有一个实时动作捕捉被映射到你朋友的头像上时,这些详细信息也需要被发送。连同其他所有人一起。如果你想在这个游戏内观看一个视频文件,就像《堡垒之夜》有时提供的那样,那么这也需要在虚拟世界内流传。听到人群的空间音频?一样。感觉到路人拂过你的触觉连体衣的肩膀?一样。

许多玩家已经在为只需要位置和输入数据的在线游戏的带宽和网络拥堵而挣扎。Metaverse只会加剧这些需求。好消息是,全世界的宽带普及率和带宽都在不断提高。第三节将详细讨论的计算也在不断改进,并且可以通过预测在 “真实 “数据可以被替换进来之前应该发生的事情来帮助替代受限的数据传输。

延迟

网络中最大的挑战也是它最不被理解的:延迟。延迟指的是数据从一个点到另一个点再返回所需的时间。与网络带宽(上文)和可靠性(下文)相比,延迟通常被认为是最不重要的KPI。这是因为大多数互联网流量是单向的或异步的。在发送WhatsApp信息和收到阅读回执之间需要100ms或200ms甚至两秒钟的延迟,这并不重要。如果你点击YouTube的暂停按钮后,需要20ms或150ms或300ms,直到视频停止,也没有关系。在观看Netflix时,连续播放流媒体比马上播放更重要。为此,Netflix人为地推迟了视频流的开始时间,以便你的设备能够在你观看的那一刻之前下载。这样,如果你的网络紧缩或打嗝一两个小时,你就不会注意到。

即使是视频通话,它是同步和持久的连接,对延迟的容忍度也相对较高。视频是通话中最不重要的元素,因此音频是 “最轻 “的数据,如果出现网络紧缩,视频通话软件通常会优先处理。如果你的延迟暂时增加–甚至到了几秒钟,而不是几毫秒的程度–软件可以通过提高音频记录的播放速度和快速编辑出停顿来拯救你。此外,参与者很容易管理延迟——你只要学会等待一下就可以了。

然而,最具沉浸感的AAA级在线多人游戏,需要低延迟。这是因为延迟决定了玩家接收信息的速度(例如,玩家在哪里,手榴弹是否被投掷或足球是否被踢出),以及他们的反应被传输给其他玩家的速度。换句话说,延迟决定了你是赢还是输,是杀人还是被杀的结局。这就是为什么大多数现代游戏的帧数是视频平均帧数的2-4倍,以及为什么我们迅速接受这些增长,即使我们抵制传统视频的高帧数。这是性能的需要。

在视频游戏中,人类对延迟的阈值低得令人难以置信,特别是与其他媒介相比。例如,考虑一下传统视频与视频游戏。一般人甚至不会注意到音频是否与视频不同步,除非它过早到达超过45ms,或过延迟超过125ms(总共170ms)。可接受的阈值甚至更宽,提前90ms,延时185ms(275ms)。对于数字按钮,例如YouTube的暂停按钮,如果我们在200-250ms后没有看到回应,我们才会认为我们的点击失败了。在AAA级游戏中,狂热的游戏玩家在50毫秒时感到沮丧,甚至非游戏玩家在110毫秒时也会感到受阻。游戏在150ms时就无法玩了。Subspace发现,平均而言,延迟增加或减少10毫秒就会减少或增加每周游戏时间6%。这是一个非同寻常的发现,也是其他企业没有面临的。

考虑到上述频段,让我们看看全球的平均延迟。在美国,从一个城市发往另一个城市的数据往返时间的中位数是35ms。许多配对都超过了这个时间,特别是高密度和密集需求高峰的城市(例如,旧金山到纽约的晚间)。然后是 “城市到用户 “的运输时间,这特别容易发生减速。密集的城市、社区或公寓很容易出现拥堵。如果你是通过手机玩,今天的4G技术平均还有40毫秒。如果你住在主要城市中心以外,你的数据可能要再走150公里,而且是在陈旧的、维护不善的有线基础设施上。在全球范围内,城市之间的交付延迟中位数为100-200ms。

为了管理延迟,在线游戏行业已经开发了许多部分解决方案和黑客。然而,没有任何一种方法能够特别好地扩展。

例如,大多数高保真多人游戏是围绕服务器区域进行 “匹配 “的。通过最大限度地减少居住在美国东北部、西欧或东南亚的玩家名册,游戏发行商能够在地理基础上最大限度地减少延时。由于游戏是一种休闲活动,通常是与一到三个朋友一起玩,这种集群的效果足够好。毕竟,你不太可能和几个时区以外的人一起游戏。而且你也不太关心你的未知对手(你通常甚至无法与之交谈)住在哪里。不过,Subspace发现,在中东地区,大约有四分之三的互联网连接超出了动态多人游戏的可玩延迟水平,而在美国和欧洲,有四分之一的互联网连接超出了可玩延迟水平。这主要反映了宽带基础设施的限制,而不是服务器的位置。

多人在线游戏也使用”网码 “解决方案,以确保同步性和一致性并保持玩家的游戏。基于延迟的网络代码将告诉玩家的设备(如PlayStation 5)人为地延迟渲染其主人的输入,直到更多潜伏玩家(即他们的对手)的输入到达。这将使那些适应低延迟的肌肉记忆的玩家感到烦恼,但它是有效的。回滚网络代码更加复杂。如果对手的输入被延迟了,玩家的设备将根据它预期发生的情况进行。如果发现对手做了一些不同的事情,设备将尝试解开正在进行的动画,然后 “正确 “地重放它们。

这些解决方案对于1V1游戏(如2D战斗机)、小的延迟干扰(如±40ms)以及具有有限的高度可预测动作的游戏(如驾驶游戏、2D战斗机)来说效果不错。但是当我们扩展到更多的以Metaverse为重点的体验,有更多的玩家、更大的延迟变化和更多的动态场景时,这些解决方案就会退化。我们很难连贯和正确地预测十几个玩家,并以一种非破坏性的方式 “回滚 “他们。相反,简单地断开一个滞后的玩家的连接更有意义。虽然视频通话有许多参与者,但每次只有一个真正重要,因此有一个 “核心 “延迟。在游戏中,从所有玩家那里获得正确的信息是很重要的,而延迟也是如此。

对于大多数游戏来说,低延迟并不是一个问题。诸如《炉石传说》 或《以文会友》之类的游戏要么是回合制,要么是异步制,而诸如《王者荣耀 》或《粉碎糖果》 之类的其他热门游戏既不需要完美的像素也不需要毫秒级的精确输入。真正需要低延迟的只是像《堡垒之夜》、《使命召唤》这样的快速切换游戏。这类游戏利润丰厚,但按游戏产量计算,它们在整个游戏市场中只占一小部分,在总游戏时间中的份额更小。

然而,虽然Metaverse不是一个快速抽动的AAA级游戏,但其社会性质和预期的重要性意味着它将需要低延迟。细微的面部动作对人类对话来说是非常重要的——我们对细微的错误和同步问题非常敏感(因此CGI中的uncanny valley问题)。社交产品也依赖于它们的普遍性。试想一下,如果FaceTime或Facebook不工作,除非你的朋友或家人在500公里以内,例如。或者只有当你在家的时候。如果我们想在虚拟世界中开发国外或远距离的劳动力,我们需要的不仅仅是多余的带宽。

不幸的是,在所有网络属性中,延迟是最难解决也是最慢的。如上所述,这个问题的部分原因是很少有服务和应用需要超低延迟的传输。这限制了任何网络运营商或以延迟为重点的内容交付网络(CDN)的商业案例——而这里的商业案例已经受到挑战。

在11,000-12,500公里处,从纽约市到东京或孟买需要40-45毫秒。这符合所有低延迟的门槛。然而,虽然大部分的互联网主干是光纤,但由于光纤电缆很少在真空中。铜缆和同轴电缆在距离上有更糟糕的延迟衰减,而且带宽更有限,这意味着拥堵和延迟交付的风险更大。这些电缆在住宅和商业建筑内部以及社区中仍占较大比例。

此外,这些电缆没有一条是按完美的方式铺设的。而我们通常认为的 “互联网骨干网 “实际上是一个松散的私人网络联盟,其中没有一个能完全传递数据包(或有动力将其延伸到拥有一两个更快的网段的竞争对手那里)。因此,一对服务器或服务器和客户之间的网络距离可能比它们的地理距离大得多。此外,网络拥堵可能导致流量的路由更不直接,以确保可靠和持续的交付,而不是最大限度地减少延迟。这就是为什么从纽约市到东京的平均延迟是光在两个城市之间旅行时间的4倍以上,而从纽约市到孟买的延迟是4-6倍。

升级或中继任何基于电缆的基础设施是非常昂贵和困难的,特别是如果目标是最小化地理距离。它还需要相当多的监管/政府批准,通常是在许多层面。当然,要解决无线问题更容易。而5G当然有帮助,因为它平均在4G上减去20-40毫秒(并承诺低至1毫秒的延迟)。然而,这只有助于数据传输的最后几百米。一旦你的数据到达塔台,你就回到了传统的骨干网。

SpaceX的卫星互联网星座公司Starlink承诺在美国各地提供高带宽、低延迟的互联网服务,并最终覆盖世界其他地区。但这并不能解决超低延迟的问题,尤其是在很远的距离。虽然Starlink实现了从你家到卫星再到你家的18-35毫秒的旅行时间,但当数据必须从纽约到洛杉矶再到纽约时,这个时间会延长。毕竟,这需要在多颗卫星上进行中继。在某些情况下,Starlink甚至加剧了旅行距离。纽约到费城的直线距离约为150公里,通过电缆可能为200公里,但在前往低轨道卫星并返回时则超过1,000公里。此外,光缆的损耗比通过大气层传输的光要小得多,特别是在阴天。密集的城市地区也很嘈杂,因此会受到干扰。2020年,埃隆-马斯克强调,Starlink专注于 “最难服务的客户,否则电信公司很难到达”。在这个意义上,它将更多的人带入Metaverse,而不是提升那些已经参与的人。

正在开发全新的技术、业务线和服务,以满足对实时带宽应用日益增长的需求。例如,Subspace(披露:投资组合公司)在数百个城市部署硬件,以开发用于低延迟网络寻路的 “天气图”,运营一个网络堆栈,然后将低延迟应用的需求与构成这一路径的许多第三方进行协调,甚至还建立了一个光学网络,在各种光纤网络之间进行拼接,以进一步缩短服务器之间的距离,最大限度地减少非光纤电缆的使用。

同时,Fastly提供了一个为低延迟应用而优化的CDN,而不仅仅是交付可靠性和带宽。该公司采用 “基础设施即代码 “的方法,允许客户定制该公司边缘计算集群的几乎每一个方面,承诺一个软件应用程序可以在150毫秒内清除和替换全球所有这些集群的所有缓存内容,并且可以实时缓存和加速单个区块链交易。

可靠性

可靠性是相当明显的。我们向虚拟劳动和教育转变的能力直接取决于可靠的服务质量。这既包括整体正常运行时间,也包括其他属性的一致性,如下载/上传带宽和延迟。对于今天许多 “生活在网上 “的人来说,上述大部分内容可能看起来是危言耸听。Netflix的流媒体在大多数时候都是1080p甚至4K,完全没有问题然而,像Netflix这样的服务利用可靠性解决方案,对于游戏或Metaverse特定的应用来说,效果并不好。

像Netflix这样的非实时视频服务在向观众提供视频文件之前的几个小时到几个月就会收到所有的视频文件。这使他们能够进行广泛的分析,以便通过分析帧数据来缩小(或 “压缩”)文件大小,以确定哪些信息可以被丢弃。Netflix的算法将 “观察 “一个有蓝天的场景,并决定,如果观众的网速下降,500种不同的蓝色可以简化为200种,或50种,或25种。流媒体公司的分析甚至在上下文的基础上做到这一点——认识到对话的场景比那些节奏更快的动作可以容忍更多的压缩。这就是多通道编码。正如前面所讨论的,Netflix还利用闲置带宽在用户需要之前将视频发送到用户的设备上。因此,如果连接性暂时下降或延迟增加,终端用户不会遇到任何变化。此外,Netflix会在本地节点上预装内容;因此,当你要求看最新一集的《 陌生人》时,它实际上只在几个街区之外。这对于实时创建的视频或数据来说是不可能的,根据上文所述,它们也需要更快地到达。这就是为什么1GB的Stadia云流比1GB的Netflix更难。

因此,即使它的目标不一定是竞争性质的,我们也应该把Metaverse看作是提高了对网络各方面的要求——延迟、可靠性/弹性和带宽,以达到AAA级多人游戏的水平。如果你的设备不能及时接收它所需要的所有信息,那么你的设备有多强大并不重要。

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