元宇宙:從游戲出發，探究網絡服務與基礎設施對元宇宙體驗的重要性

原文標題：《NetworkingandtheMetaverse》

原文來源：MatthewBall，前亞馬遜工作室戰略主管

編譯：律動0x21

網絡通信問題可能是在眾多對元宇宙未來暢想中最被低估的問題，人們無不渴望能在元宇宙中找到更貼近真實的體驗，尤其是在用戶間的交互方面。Zuckerberg在HorizonHome的發布會中也不止一次提到，用戶在虛擬世界對于面部細微表情的需求超乎想象。然而，這些需求的實現不單單是對硬件設備的挑戰，更是對網絡發展的挑戰。

網絡意味著硬件識別的信息能否及時準確的傳遞到交互對象的設備，也意味著人們能否流暢的在元宇宙中生活。實時交互的網絡傳輸不同于流媒體平臺能夠提前規劃提前預載，而更像一個實時在線的3A游戲，不同的是每個玩家的動作、決定都無法預知，然而這些實時信號的傳輸才是元宇宙在技術上需要攻克的最大難關。

本文作者MatthewBall從互聯網游戲出發，深入的探究了網絡服務與基礎設施對于元宇宙體驗的重要性。

律動BlockBeats將原文翻譯如下：

這是來自MatthewBall「元宇宙入門」的第三部分，這一部分將聚焦于網絡在元宇宙扮演的角色。這里所提到的網絡被定義為「可持久的、能實時連接、高寬帶和由主干網絡提供的去中心化信息傳輸，這些網絡可以在交換中心和服務之間任意穿梭以及那些最終負責輸出到消費者眼前的數據服務」

網絡的三個核心要素，即帶寬、延遲和穩定性。當然對于很多讀者來說這可能是關于元宇宙建設問題中，他們最不感興趣的一環。然而這些網絡的限制和發展方向決定了我們能打造一個怎樣的元宇宙產業和服務，也決定了我們什么時候可以使用它們，以及我們可以如何使用它們。

帶寬

通常情況下，人們認為帶寬意味著「網速」，但實際上它是指「在一個時間單位中能夠能傳輸多少數據的量」。對于元宇宙帶寬的需求理應遠遠高于大多數的互聯網應用程序和游戲，甚至超過了很多現代的連接方式。通過《微軟飛行模擬器》的例子或許能夠更好的解釋這一問題。

《微軟飛行模擬器》是迄今為止作為逼真，地圖最為廣闊的用戶模擬器。它囊括了2萬億棵獨立渲染的樹木，15億座建筑以及全球幾乎所有的道路、山川、城市和機場。并且上述所有的模型都趨近于「真實」。因為它們是基于現實中的真實場景高質量掃描而來的。但是為了實現這個想法，《微軟飛行模擬器》需要超過2.5PB或者說250萬GB的存儲。目前的消費類硬件設備都無法存儲這么多的數據。

Arweave上數據存儲量突破10億條:7月21日消息，去中心化存儲協議Arweave創始人Sam Williams發推稱，Arweave上的數據存儲量已突破10億條。[2023/7/21 15:50:45]

即使有設備能達到這個存儲量，但是《微軟飛行模擬器》的實時更新系統可以反映真實的世界天氣和空中交通。你可以毫不夸張的通過《微軟飛行模擬器》進入現實世界正在發生的颶風風暴中，也可以找到IRL的商業客機的航線和它一同飛行。

事實上《微軟飛行模擬器》是通過你的本地設備儲存大量的核心數據來工作的。當用戶在線時，微軟會根據需要，將大量的數據串流到本地設備中。想象一下，你是一個真實世界的飛行員，當你翻過一座山，或者轉過一道彎時，被遮擋的光線帶著信息第一次映入你的視網膜，這時你才看到了并知道了視野盲區的東西是什么。在那之前什么都沒有，但是你的認知告訴你，會有「一些東西」出現。

很多游戲玩家會認為這和多人在線游戲的原理相同。但事實上，大多數游戲服務器只是向單個的玩家傳輸位置數據、玩家輸入數據，和數據總覽。這些游戲的所有資產和渲染數據已經儲存在了本地設備上，因此需要大量的下載和安裝時間，同時也占用了很多硬盤存儲空間。

通過根據需求來發送渲染數據，游戲可以有更加多樣化的道具、資產和環境。這樣游戲可以不需要下載安裝過程中的延遲時間、更新處理或是龐大的硬盤存儲。因此這種本地信息和數據流的混合模式被很多游戲采用。然而這種方法對于以元宇宙為中心的平臺來說尤為重要。例如，《Roblox虛擬世界》比《馬里奧賽車》或《使命召喚》這類游戲更需要資產、物品和環境的多樣性。

隨著虛擬模擬的復雜性和重要性的日益發展，需要串流的數據也隨之增長。至少就目前來看，《Roblox虛擬世界》得益于一個事實，那就是其潛在的預置道具和資產可以被廣泛的重新利用并且輕度定制化。因此《Roblox虛擬世界》大量的串流數據都用于調整這些預先下載好的項目。但是最終形成的虛擬平臺則需要近乎無窮無盡的排列組合方式。

數字孿生平臺也被稱為「鏡像世界」，如《微軟飛行模擬器》已經需要重新創造無限趨于真實世界的多樣性了。這也以為這實時發送的數據像「烏云」一樣，既龐大又在實時變化不可預測。

最后一點也是關鍵的一點。如果我們希望在一個大型的、實時的、共享的和持久的虛擬環境中進行交互，我們將需要接收大量的云數據串流。

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用「現實」世界和游戲《堡壘之夜》的地圖相比較。地球上的每個人在同一個時間都處于同一個「模擬環境」中，并且具有永久性。例如我砍倒了一棵樹，那么這棵樹就永遠的消失了，對于每個人都是永遠的消失了。但是當你玩《堡壘之夜》的時候，它只是通過固定時間特定版本的地圖，來進行游戲。并且在這個時間內，這個地圖中，你做的每一件事情都只有少數用戶能夠共享，并且在地圖重置之前，這個時間周期非常的短暫。如果你砍掉了一棵樹，那么他將在10-25分鐘之內被重置，而且樹的消失，僅僅是對于和你一同進入游戲的其他99個玩家而言消失了。只有當EpicGames發布新的游戲版本的時候，地圖才會真正的改變。如果EpicGames想要把「你的游戲世界」發送給其他人的時候，其他都都會放棄自己的「游戲世界」并且選擇在特定時間去完善「你的游戲世界」，這對于大多數虛擬體驗來說，這種算是比較好的體驗。這同樣適用于元宇宙中許多的服務。但是有一些體驗是需要在所有用戶中保持可持續性的。

如果們想要自由無縫的穿梭在不同的虛擬世界中，那么云數據串流也是至關重要的。TravisScott在《堡壘之夜》的線上虛擬演唱會，讓很多玩家從游戲的核心地圖無縫的傳送到從未出現的海洋地圖，然后又到了從未見過的星球，最后到達了外太空深處。為了實現這一效果，EpicGames在活動開始的前幾天就通過《堡壘之夜》的游戲補丁向用戶提前發送這些場景數據。當玩家處于一個特定區域的時候，其本地設備已經開始加載下個區域的背景了。因此這個系統運行的非常完善，但是前提是，需要內容發布者提前很長一段時間知道用戶下一步的去往哪個世界。如果用戶希望擁有廣泛的目的地選擇權，那么必須要下載所有潛在的選項的全部內容，或者使用云端串流。

除了環境數據增加以外，還有玩家數據的增加。當你在《堡壘之夜》與朋友一起游玩時，《堡壘之夜》的服務器需要向你發送你朋友的位置信息以及他們的動作信息，而游戲的動畫已經預先裝載到你的設備上了，這時只要接受到信息運行即可。但是當你有一個實時的動作捕捉被傳送到你朋友的視角時，每一個捕捉到的實時信息都需要傳送到你朋友的視角中，對于其他玩家也是一樣。如果你想在虛擬世界中觀看視頻文件，就像《堡壘之夜》有時會提供的那樣，那么這些視頻也需要在虛擬世界的流媒體進行播放。同樣的原理可以應用與游戲的空間音頻和玩家之間觸感體驗。

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許多在線游戲玩家都因為帶寬不足導致的數據堵塞而頭痛不已。而元宇宙只會強化這些需求。好消息是，世界范圍內的寬帶普及率以帶寬速度都在不斷上升。計算方式也在不斷改進，通過提前預測真實數據發生前的可能性，能夠很好的改進受限的數據傳輸。

延遲

目前網絡里最大的挑戰也是普通用戶最難理解的問題也就是延遲。延遲是指數據從一個點傳遞到另一個點再傳遞回來所需要的時間。相比于網絡的帶寬和穩定性，延遲通常被視為最不重要的KPI。這是因為大部分的互聯網信息傳輸都是單向的或是不及時的。發送一條WhatsApp消息和收到讀取消息的延遲相差100毫秒、200毫秒或是2秒并不重要。當你點擊YouTube的暫停按鈕到畫面真正暫停的時間是20毫秒、150毫秒還是300毫秒也沒有那么重要。在觀看Netflix的流媒體視頻時，視頻的連貫性比是否能馬上播放更為重要。為了達到這個目的，Netlfix會延遲視頻開始播放前的時間，這樣設備能夠提前加載后續的視頻，即使遇到網絡崩潰或是卡頓，用戶也很難注意到其中的差別。

即使是同步的長時間視頻通話，用戶對于延遲也會有相對較高的容忍度。通話中視頻的部分也是最不重要的一部分，因此如果你的網絡出現問題，視頻通話軟件通常會優先處理更「輕量化」的音頻數據。如果你的延遲暫時從以毫秒為單位增加到了以秒為單位，那么軟件可以通過停頓的間隙飛速的完成內部編輯，提高積壓音頻的播放速度來匹配當前進度。此外，用戶也非常習慣延遲的出現，因為他們只需要等一等就好了。

然而，沉浸式的3A在線游戲則需要非常低的延遲。這是因為延遲決定了每個玩家接受信息的速度(例如，一個玩家的位置在哪，是否投擲了一顆手雷或是一個踢飛一個足球)，以及他們的反應傳遞給其他玩家的速度。換句話說，延遲決定了你游戲的輸贏。這就是為什么現代的大多數游戲的視頻幀率是平均幀率的2到4倍。這也是為什么我們反對在傳統視頻中應用高幀率畫面的同時，也能快速接受這種增長。這所有的一切都是必要的進程。

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在電子游戲當中，人們對低延遲的需求非常高，特別是相比于其他媒介。例如，傳統的視頻和電子游戲。普通人甚至不會注意到音畫是否同步，除非音頻傳遞的時間早于45毫秒，或者延遲超過125毫秒。人們可接受的范圍甚至更廣，基本在早于90毫秒至延遲185毫秒之間。對于數字按鍵，例如YouTube頁面點擊暫停按鈕之后，我們只有在點擊之后200-250毫秒的時間內沒有反應，我們才會意識到點擊失敗了。在3A級游戲中，狂熱的玩家在延遲高于50毫秒就會感到不適，如果高于110毫秒會感覺焦躁，如果延遲高于150毫秒那么將無法進行游戲。根據Subspace研究發現，對于狂熱的游戲玩家來說，游戲的平均延遲每增加或降低10ms，那么他們的每周的平均游戲時間會相應的增加或減少6%。這是一個驚人的數據，而很多公司還沒有發現。

通過以上的數據，我們來看一下全球的延遲數據。在美國，數據從一個城市發送到另一個城市再返還回來，平均往返時間是35毫秒。事實上許多配對都超過了這個數字，特別是那些人口密度高，用網需求高的城市。然后是從「城市到用戶」的傳輸時間，這是造成傳輸速度慢的主要方面。人口密集的城市、社區或是公寓樓非常容易造成網絡擁堵。如果你是通過移動設備，以4g網絡玩游戲的話，平均延遲要達到40毫秒。如果你住在非中心城市，你的數據還要傳輸到100英里以外，并且通過陳舊的、維護不良的電纜設備，這樣的話延遲還會更高。在全球范圍內，城市之間的傳輸延遲的中位數范圍大約在100-200毫秒之間。

為了解決延遲問題，很多在線游戲公司已經開發了一系列解決方案和技術，但目前仍然沒有形成一定的規模。

例如，目前大多數的高質量多人在線游戲都是通過「匹配區域機制」來劃分不同的服務器的。游戲開發商能夠根據玩家地理區域的記錄，給那些生活在美國北部、西歐或東南亞的玩家按區域劃分匹配最低的延遲。游戲作為人們的生活休閑方式之一，人們大多數會和一到三個朋友共同游玩，因此這種區域的匹配機制做的非常好。畢竟，你不太可能與幾個時區之外的人一起玩游戲。不管怎么樣，作為玩家你并不會關心那些路人對手住在哪里。不過Subspace調查還發現，中東大約有四分之三的地區互聯網延遲波動超過了多人在線游戲的可玩范疇，而在美國和歐洲，這個數字大概在四分之一。這主要反映了管帶基礎設施的局限，而非服務器所在的位置。

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多人在線游戲也使用「netcode」解決方案，以確保同步性和一致性以保證玩家能夠流暢游玩。Netcode主要會基于網絡延遲數據，通過代碼自主的干預玩家設備的延遲數據，直到高延遲玩家輸出信號的到達。這種讓是雖然會讓很多低延遲玩家感到厭煩，因為他們的肌肉記憶會更適應低延遲，但是卻是行之有效的。在Netcode方案出現之前，情況會更加復雜。如果你的游戲對手延遲過高，而你的設備還是按照正常預期進行，這是如果設備發現了對手玩家的數據出現了偏差，那么它將會釋放對手玩家正在進行的動作，然后嘗試修正并回放「正確」的動畫。

這些解決方案適用于1v1的游戲(例如平面格斗游戲)，或是低延遲出現波動的情況，以及具有非常高的可預測性動作游戲。但是如果我們將這些解決方案擴展到元宇宙的視角，更多的玩家，更大的延遲變化，更多的動態場景，那么這些解決方案的可行性將會非常底。代碼很難前后一致的預測十幾個玩家的變化，也很在不破壞體驗的情況下，修正這些玩家的動作延遲。相反，簡單的斷開一個高延遲玩家的連接會更容易。盡管一個視頻電話會有很多的參與者，造成「核心」延遲的參與者才是最重要的。就像在游戲中，從所有玩家中獲得正確的信息，延遲才是最大的問題。

低延遲對于大多數游戲都不是問題，例如《爐石傳說》或者《WorldwithFriends》之類的游戲，他們大多是回合制的游戲，要么是不需要立即同步的，同樣像《王者榮耀》或是《CandyCrush》這樣的游戲也是一樣，不需要高質量的像素輸入，也不需要精確到毫秒的傳輸速度。但是例如《堡壘之夜》、《使命召喚》和《極限競速》等Twitch榜上有名的游戲，都需要更低的延遲。這些游戲是有利益摻雜其中的。但是這仍然是整個游戲市場的一小部分，甚至在全球玩家的游戲時間中比重更小。

盡管元宇宙不是一款火熱的3A游戲，但是他的社交屬性和期望值都意味著它需要更低的延遲。微小的面部動作對于人類的交流同樣非常重要，人類對于細節的錯誤和同步問題異常敏感。社交產品更加依賴產品的普遍性。想象一下，如果FaceTime或者Facebook不能使用了，當你獨自一人在家時，你想要在虛擬的網絡中雇傭國外的勞動力，除非你的朋友或家人遠在國外能夠幫助你尋找，否則即使你有寬帶網絡也無法實現。

不幸的是，延遲是所有網絡屬性中最難解決也是最慢解決的。正如上面提到的，部分原因在于很少有服務和應用程序需要超低延遲交付。這就限制了任何網絡運營商或對低延遲有需求的內容交付網絡公司的發展。事實上這方面的業務已經受到了來自物理定律層面的沖突和挑戰。

從紐約市到東京或孟買需要40-45毫秒的光程，全程11000-12500公里。這滿足所有低延遲范疇。然而，盡管大多數互聯網主干是光纖，但光纖電纜的速度比光速低30%，因為光線在真空中有損耗(損耗通常為3.5dB/km)。銅線和同軸電纜在遠距離有更嚴重的延遲損耗，帶寬更為有限，這意味著更大的擁堵和延遲交付風險。但這些電纜仍然構成了住宅和商業建筑內部以及社區的大部分電纜。

此外，這些電纜并不是密布到每個角落的。我們通常認為的「主干網絡」事實上是疏松私有網絡連接而成的，沒有一個網絡會以最大效率提供數據包的傳輸。因此，服務器與服務器之間，或是服務器與客戶端之間的網絡距離可能大過他們之間地理距離。此外，保證傳輸可靠和調控擁堵比實現最小化的延遲更為重要。這就是為什么從紐約到東京的平均延遲是兩個城市之間光速傳輸的4倍以上，從紐約到孟買的延遲是4-6倍。

基于電纜進行升級或是建設中繼設施都是極其昂貴和困難的，尤其是要實現地理位置上的最短距離。此外還需要當地監管部門或政府的層層批準。當然相比之下建設無線網絡會更為簡單。5G建設當然有很大的幫助，因為它的平均延遲比4G低20-40毫秒。然而5G僅僅提升了最后幾百米的傳輸速度，一旦你的數據傳輸到了信號塔，那么整個速度又會回歸到原始的主干電纜的速度了。

SpaceX的衛星互聯網公司Starlink承諾，未來將在全美乃至世界范圍提供高帶寬、低延遲的互聯網服務。但是這并不能解決超低延遲的問題，特別是超遠距離的延遲問題。雖然Startlink可以在18-35毫秒之間實現你的房屋到衛星的往來，但是它延長了正常情況下紐約到洛杉磯的距離。畢竟這些數據需要在多個衛星之間相互傳輸。在某些情況下，Starlink甚至會加劇數據傳輸的時間，從紐約到費城的直線距離大約為100英里，電纜距離大概為125英里，但是當數據發送至低軌道衛星并且返回時，之中的距離可能會超過700英里。另外，光線傳輸的損耗遠小于通過大氣傳輸的光的損耗。特別是在陰天的情況下，人口密集的地區嘈雜的城市，更容易受到干擾。2020年，ElonMusk也強調說「Startlink的服務對象是電信部門也難以解決的用戶」。在這個意義上，Startlink事實上為元宇宙帶來了提升遠超過對傳統網絡的提升。

全新的技術、產業鏈和服務仍然正在開發，以滿足日益增長的、對實時帶寬需求更高的應用程序。例如Subspace披露一些投資公司將在數百個城市部署硬件設施，以便在未來開發低延遲的「天氣地圖」，并搭建網絡堆棧來協調第三方路徑和應用程序的低延遲需求，甚至建立一個光纖網絡，通過各種光纖網絡連接，進一步縮短服務器之間的距離，最大限度地減少非光纖電纜的使用。

同時，為需求低延遲的應用程序提供優化的CDN，而不僅僅是提供交付的穩定性與帶寬。該公司遵循「基礎設施即代碼」的方法，允許客戶定制公司各種方面的邊緣計算機集群，承諾軟件應用程序可以在150毫秒清除和替換集群中的所有緩存內容，并且可以實時緩存并加速單個區塊鏈的實時交易時間。

穩定性

穩定性是顯而易見的。我們是否有能力將勞動和教育轉移到虛擬世界，直接取決于服務質量是否可靠。這里既包含了網絡整體的運行時間，也包含了其他因素的一致性，以及延遲。對于現代許多「生活在互聯網上「的人來說，上面的許多內容聽起來會顯得危言聳聽。大部分情況人們對Netflix上1080p或是4K的視頻已經非常滿意了。然而Netflix之類的流媒體服務利用了穩定性的解決方案，但是這些解決方案并不適用于游戲或是元宇宙中的某些應用。

像Netflix這樣的非實時視頻服務平臺，會在視頻文件提供給觀眾之前的數小時或者數個月里就提前收到了所有的視頻文件。這讓他們能夠有充足的時間來進行廣泛的分析，通過分析框架數據來縮小文件大小，同時可以確定哪些信息可以被丟棄。Netflix會基于算法「觀察」視頻中的藍天場景，并且決定如果一個觀眾的網速下降，500種不同深淺的藍色色塊會簡化為200或是50或是25。流媒體播放器的分析甚至是基于影片情節而進行的，它會識別對話場景比快節奏的動作場景更容易承受壓縮。這也是多通道編碼。正如前面討論的那樣，Netflix還利用多余出來的帶寬，在用戶需要視頻之前將其發送到用戶的設備上，因此如果用戶的網速暫時下降或是延遲增加，都不會影響用戶的最終體驗。此外，Netflix將在本地節點預先加載內容，當你要觀看最新一集的《怪奇物語》時，它實際上已經儲存在幾個街區之外了。這在直播或是創建實時數據的方面是不可能實現的，當然上述所說的情況也需要更快的網速。這也解釋了在Stadia云串流1GB文件和在Netflix的1GB文件完全不在一個量級。

因此，即使網絡發展的期望在本質上并不具有競爭力，但是我們不可否認的是，元宇宙提高了網絡各個方面的要求，如延遲、穩定性、彈性和帶寬，或是能否達到3A級別的游戲水準。無論如何，如果你的設備不能及時的接受所需要的所有信息，那么你的硬件設備再強大也不重要了。

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