文章来源《元宇宙十大技术》
网络技术的发展一直助推着各类新业态、新应用的发展。
元宇宙这一数字新世界，也被很多人视为第三代互联网，依托网络而生：
一方面，元宇宙和所有的互联网服务一样，都需要用户通过网络进入和交互；
另一方面，元宇宙可以让用户分享或交换创意、思想、意识，使得底层网络的高效承载成为刚需。
元宇宙的终极形态是万物和万灵的互联，为了实现“连接一切”，网络必将发挥出重要的作用。
从网络技术的角度分析，元宇宙具有共创、共享、去中心化等特点，这导致网络创新在当前开放、灵活的发展趋势下，需要重点关注超连接、广覆盖、强边缘、高智能等方面，并由此推动元宇宙网络技术的完善。
第一节 元宇宙对网络提出了新的挑战
连接现实与虚拟的元宇宙自身是一个超连接的环境。
所谓超连接，是指元宇宙的接入者对网络连接有着高服务质量的需求，一个物理人需要持续在线才能更加沉浸到数字人的世界中。
在数字孪生过程中，需要持续在线，物理场景才能实时同步到元宇宙中，这意味着网络需要覆盖更大的范围并具备时空连续性。
为了支持用户访问高质量的元宇宙内容，具有高带宽特性的超连接网络能力备受关注；
同时，元宇宙的去中心化特征使得其业务场景的产生和应用都比以往更加需要网络的低时延支持；
最后，元宇宙内容的真实与丰富有赖于“人机物”的三元融合，因此除了传统的基于 TCP/IP 协议的互联网之外，更多类型的异构网络需要被充分融合，实现万物互联、人机共生。
一、元宇宙的内容体验需要网络高带宽
网络的带宽指标体现的是网络传输的速度，其本质是在一个单位时间内能够传输多大的数据量。
在元宇宙中，海量的数据内容将在云端保存和生成，这些数据可能来自对人类行为的动态捕捉，也可能来自对物理环境的实时采集，其极高的仿真程度必然导致海量的数据规模。
以美国微软公司推出的《飞行模拟器》游戏为例，为了让用户可以享受到逼真的飞行体验，游戏的仿真场景中拥有 2 万亿棵独立渲染的树木、15 亿栋建筑以及全球范围内几乎所有的山脉、城市和机场，而这些事物都是经由高质量的扫描而获得，让用户感觉很真实。
受到终端（例如 VR 眼镜）的计算、存储等能力的限制，用户访问的内容需要首先在云端渲染再经由网络传送到用户终端，这就对网络的带宽提出了极高的要求。
当前，4K 分辨率的视频流传输就已经需要数十兆网络的支持；
以此类推，千兆网络必然会成为用户实现元宇宙顺畅访问的最基本需求。
当前谈及的网络带宽速率通常是指用户在终端侧进行网络内容下载的带宽指标。
而在元宇宙时代，创作者驱动的内容生成将成为常态，每个人或家庭、企业、组织和国家都可以为元宇宙贡献内容，如果用户们不能快速上传或下载内容，就难以有身临其境的体验，这就使得从用户侧通过网络向云端发送内容的上传带宽成为大家更为关注的网络指标。
当前，随着 5G 网络、Wi-Fi 技术以及光传输等技术的发展，网络带宽瓶颈被不断突破，例如 5G 网络的“超级上行”技术，就可以大幅提升 5G 网络的上行带宽（数百兆）并降低时延（缩短到 1～2 毫秒），已经在超高清视频回传、视频监控等业务中发挥重要作用。
二、元宇宙的实时交互需要网络低时延
在元宇宙中，沉浸式 VR 世界中的图像元素需要被快速更新，以满足用户顺畅交互、环境及时响应的需求，并由此衍生出了低时延敏感型的应用，例如 VR 头显的使用需要 10 毫秒以下的时延。
网络的时延通常是指数据从网络中的源节点到目的节点再返回源节点所需的时间，它决定了用户接收信息的速度，及其回复其他用户的速度。
元宇宙与生俱来的社交属性意味着它需要更低的时延，因为实时的面部表情等信息会对用户间的交互效果产生重要的影响。
同时，元宇宙中的社交空间并不能够被限定在一个短距离的范围以内，这使得元宇宙中的内容变化必须在最短的时间内传递给所有用户。
虽然这些需求已然非常迫切，但是时延却始终是元宇宙“端到端”网络通路中最难优化的指标，这是因为物理极限的约束，即便选用速度最快的光网络来传输数据，地理距离导致的时延始终是无法逾越的瓶颈；
另外，当前所谓的互联网本质上是一个松散的网络联盟，路由协议等机制会导致用户之间的联网距离可能远远大于其地理距离。
当前，业界在积极探索创新的固定网络和移动网络技术，在向高带宽发展的同时也同样关注减少用户接入网络服务的时延，例如 5G 网络就具有低时延的特性。
另外，业界还在关注如何将元宇宙的内容服务尽可能贴近用户，例如，当前备受关注的边缘计算就支持在位于网络边缘、更加贴近用户的计算节点上进行内容渲染，有效减少时延；
当前已经在互联网服务中大放异彩的 CDN，在提供网络连接的高带宽和可靠性基础上，也面向元宇宙低时延应用进行着优化。
三、“人机物”互联需要异构网络融合
当前，很多元宇宙的布局和实践聚焦在教育、社交、游戏等场景，未来一定会扩展到更多领域，如智慧城市、智能制造、军事国防等。
在这一背景下，“人机物”三元融合必须深度综合互联网、物联网等网络通信技术，使物与物、物与人之间实现互联，将智能融入万物，实现无缝对接、协同计算。
在此前的发展中，“人机物”领域的网络技术呈现的是各自独立发展的态势，就以人们最经常访问的互联网和工业制造等领域深度应用的物联网为例，因为业务场景、网络条件、管理需求等方面的差异，它们并不具备统一的技术架构、通信协议等，这使得两种类型网络之间的互联互通存在障碍。
其实，更进一步来说，即便是互联网自身，虽然以 TCP/IP 为核心的网络架构成为主流，但在实际应用中也还有其他网络技术并存，类似的情况在物联网领域更加突出。
这成为异构网络间实现数据共享、实时交互的巨大挑战，也是元宇宙发展需要跨域的重大障碍。
虽然“人机物”三元融合并非元宇宙提出的新需求，但是元宇宙确实已经成为加速其发展和应用的重要推动力。
从业务的角度看，元宇宙需要此前分属“人机物”各自领域的网络彼此开放通信接口并进行优化，甚至实现一定程度上的统一，才能更好地实现数据的互通与共享；
从管理的角度看，为了提升网络运行效率，除了打通数据层面，元宇宙还期待各种类型的异构网络在未来能够灵活地实现按需组网。
第二节 承载元宇宙的网络架构
元宇宙的到来，使得互联网从 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，使现实世界数字化、网络化、智能化，也将成为人类社会的重要基础设施。
支撑网络空间的互联网基础设施依赖于电信运营商的骨干网、城域网以及相应的网络服务，特别是面向元宇宙用户的“最后一千米”的数据传输尤为重要。
一、网络总体架构
运营商的网络伴随着电信业务的不断丰富和发展。总体来看，运营商的业务主要包括：
（1）互联网接入类业务，例如移动互联网接入、家庭宽带等；
（2）专线和专网类业务，例如为企业客户不同办公地点间建立有网络质量和安全性保证的物理或虚拟的专线和专网互联等；
（3）语音和多媒体类业务，例如语音通话、互联网电视等。
随着云计算日益渗透到社会生产生活的方方面面，运营商的网络在云 IDC 相关的数据中心网络也进行了积极的规划和布局。
从网络数据的传输角度来看，当前支撑包括元宇宙在内的各互联网业务运行与发展的运营商网络架构如图 5-1 所示。
图 5-1 承载互联网运行与发展的运营商网络架构
运营商网络通常分为骨干网、城域网、接入网三个层级。
顾名思义，骨干网主要用于城市间的高速网络传输，传输的范围从几十千米到几千千米，具有极大的带宽和很高的可靠性。
城域网主要用于将一个城市（或者一个区域）范围内的网络节点都连接起来，使得本地的流量可以在城域网内部传输，跨城的流量再向上传递到骨干网中。
根据业务和管理的需求，国内运营商通常会在城域网和骨干网之间设立一个额外的名为省域网的层级。
接入网就是支持用户终端如手机、电脑等接入到城域网的网络，当前主要有宽带有线接入和无线接入两大类别。
当前，为了满足云 IDC 之间的数据传输需求，运营商还重点建设了数据中心间的 DCI（数据中心间互联网络）高速传输网络，DCI 有可能是依托于骨干网上的虚拟专网，也有可能就是物理的光纤网络。
不同的运营商会建设各自的网络，在骨干网层面会设置互联网骨干直联点或者互联网交换中心，支持跨运营商网络的数据传输。
对于元宇宙而言，用户利用终端（手机、电脑乃至脑机接口设备等）通过 5G、Wi-Fi 或者网线连入运营商网络，将其个人相关的数据通过城域网或者骨干网进行传播。
元宇宙的平台通常构架在云平台上，因此众多用户的信息会在云端汇合并进行实时高性能的处理，进而相关的处理结果会根据用户的交互需求再通过骨干网、城域网、接入网送到用户交互的对端。
类似地，在物理世界中种类丰富、数量众多的数据采集装置，它们配合元宇宙中仿真的虚拟环境的需求，采集用户所处环境的海量数据，同样是通过网络传递到云平台上保存和处理，再进而通过在线渲染、实时展现等手段将环境信息传递给用户，使得用户产生身临其境的感受。
2.网络协议
基于图 5-1 展现的网络架构，网络提供了对元宇宙通信的支持，无论是用户行为数据还是场景环境数据，都通过网络从源端（例如发起交互的用户或者是环境数据采集装置）传递到云平台做处理后，再发送到目的端，实现了用户与用户之间或者用户与环境之间的交互。
在网络数据传递的过程中，除了必须确保网络的物理基础设施连通外，还必须建立数据传递过程中的标准，也就是网络的传输协议。
这就好比在丝绸之路上，河西走廊作为必要的地理通道必须保持通畅，但如果要达成多方的贸易，还必须有相对统一的语言并且有翻译可以协助进行沟通。
这里提到的“河西走廊”就是运营商网络物理连接，它们必须确保提供端到端的连接；
同时，“相对统一的语言”就是协议要发挥的作用，而“翻译”则是类似协议网关之类的机制。
之所以无论身处什么地区、使用什么样的软硬件联网设备的用户，都可以访问到互联网上相同的内容并基于互联网进行社交，就是因为互联网采用了 TCP/IP 协议作为其通信的统一约定和规则。
TCP/IP 协议作为当前互联网的事实标准，本身是 ISO（国际标准化组织）于 1985 年制定的网络互联参考模型 OSI（Open System Interconnect，开放式系统互联通信）的简化版，它不仅仅指的是 TCP 和 IP 两个协议，而是一系列协议构成的协议簇，这些协议分布在五层的体系结构中，如图 5-2 所示。
图 5-2 TCP/IP 协议簇
TCP/IP 协议簇将互联网中传输的数据进行层层封装和解封装。在网络通信的过程中，发出数据的计算机被称为源主机，接收数据的计算机被称为目的主机。
源主机发出数据后，数据会在源主机中从上层向下层传递，历经应用层、传输层、网络层，最终在数据链路层以比特流的形式传给网卡，进而数据离开源主机并将通过网络物理介质传递到目的主机。
在数据被层层封装传递的过程中，图 5-2 中不同层次的协议具有明确的分工：
（1）最底层的是物理层，负责最终实现网络数据信号的传输，它通过物理介质传输比特流，规定了电平、速度、电缆针脚等规范。
（2）第二层是数据链路层，为待传送的数据加入一个包括主机网卡物理地址的以太网协议报头，并进行循环冗余校验编码，进而对电信号进行分组并形成具有特定意义的数据帧，然后以广播的形式通过物理介质发送给接收方。
（3）第三层是网络层，最重要的就是 IP 协议，它制定了一套 IP 地址用于区分网络上不同主机的身份，并对数据加上 IP 地址等信息以确定传输目标，其中 IP 地址分为两部分：前面部分表示网络地址，后面部分表示该主机在局域网中的地址；与之相配套，网络层还包括用于实现 IP 地址和主机网卡物理地址转换的 ARP（地址解析协议），以及一系列用于对发送到不同网络地址的数据包进行路由的路由协议。
（4）第四层是传输层，著名的 TCP 和 UDP（用户数据报协议）协议属于这个层次，它们的作用是以定义端口的方式为主机上可能同时运行的多个应用程序进行标识，不同应用程序将从对应的端口接收和发送数据，例如 Web 服务器 Apache 提供的网页服务对应的默认端口号是 80；其中，TCP 协议可以保证数据传输的可靠性。
（5）最上面是应用层，包括 HTTP、FTP、SSH 等耳熟能详的支持互联网应用的协议，它们主要是根据协议自身定义的格式，对下面三层传递而来的字节流数据进行解析和识别，并将识别出的结果提供给应用程序进行相应的处理和反馈。
之所以要选择 TCP 和 IP 两个协议作为整个协议簇的代表，是因为它们为支持网络数据的准确传输提供了格外重要的支持，特别是 IP 协议。
IP 协议所处的网络层负责网络地址的统一分配，通过地址中网络地址和主机地址的划分，方便数据在网络中的路由传递并最终送达指定目的地，这是确保互联网数据高效、准确传输的最重要前提，因此协议簇中的 TCP、UDP、IMCP、IGMP 等协议的数据都封装在 IP 数据报中进行传输。
需要注意的是，IP 协议是面向无连接、不可靠的协议。
其中，无连接是指 IP 协议的数据报中并不维护任何关于其后续数据报的状态信息，即每个数据报的处理是相互独立的；
不可靠是指 IP 协议不能保证数据报能够成功到达目的地。
这主要是与互联网的设计初衷就是提供一种“尽力而为（Best-effort）”的传输服务相关。
正是这样的设计，才使得互联网更加灵活、便宜，能够大规模渗透到社会的方方面面。
当然，可靠的网络服务可以在网络层以上的层次实现，例如传输层的 TCP 协议就是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议。
IP 协议的这一特点在满足元宇宙的网络需求时会产生一些问题，由此也就引发了确定性网络等新技术的发展。
IP 协议的设计与实现中还有一个问题与元宇宙息息相关，那就是 IP 地址的数量。
理想的情况下，物理世界中的人员、物品等都在元宇宙中有其镜像，IP 地址会成为元宇宙身份系统的重要参考信息，有助于建立通信连接或识别物理特征。
相较 IPv4，IPv6 可以“为地球上的每一粒沙子分配一个地址”，而且它在 QoS 保障、安全机制等方面也有超出 IPv4 的优点。
此前，受限于业务需求不强烈、技术架构不兼容等问题，IPv6 的推广进度并不理想。
元宇宙有望推动 IPv6 大规模普及，助力物理世界中更多的信息经由网络映射到元宇宙中，促进元宇宙的繁荣发展。
3.CDN
基于由骨干网、城域网、接入网以及 DCI 网络组成的网络基础设施以及支持网络数据通信的 TCP/IP 协议簇，各种网络应用层出不穷。
在具备基本的网络服务能力后，如何提升用户的网络访问体验开始成为关注焦点。
然而，总还有一些客观存在的物理因素影响着用户对网络服务的顺畅访问，最典型的就是地理距离导致的网络传输时延，无法通过底层物理基础设施的优化和提升得到改善。
另外，在很多时候跨运营商网络的数据传输也会成为瓶颈，这主要是因为运营商骨干网间的互联网直联点较少且带宽有限。
针对上述问题，CDN 应运而生。
CDN 是构建在物理网络基础设施之上的互联网服务，可视作一张虚拟的网络。
它将大量缓存服务器分布到距离用户更近的网络边缘，当用户访问互联网站点时，利用负载均衡技术将用户的访问指向距离其最近的缓存服务器上，由缓存服务器就近直接响应用户请求，避免骨干网络的拥塞，提高用户访问响应速度，其典型架构和工作流程如图 5-3 所示。
CDN 主要包括以负责域名解析的 DNS 服务器为代表的全局负载均衡器、区域负载均衡系统以及分布广泛的内容缓存服务器。
用户通过 CDN 访问网站内容的流程主要包括以下步骤：
（1）用户点击网站页面上的内容 URL 后，首先要经过本地 DNS（域名系统）将 URL 解析成 IP 地址；
此时经过配置的 DNS 会将域名的解析权交给 CDN 专用的 DNS 服务器。
图 5-3 CDN 典型架构和工作流程
（2）CDN 的 DNS 服务器将 CDN 的全局负载均衡设备 IP 地址返回给用户。
（3）用户向 CDN 的全局负载均衡设备发起内容 URL 访问请求。
（4）CDN 全局负载均衡设备根据用户 IP 地址，以及用户请求的内容 URL，选择一台用户所属区域的区域负载均衡设备，告诉用户向这台设备发起请求。
（5）区域负载均衡设备会为用户选择一台合适的缓存服务器提供服务，选择的依据包括根据用户 IP 地址判断哪一台服务器距用户最近、根据用户所请求的 URL 中携带的内容名称判断哪一台服务器上有用户所需内容、通过查询各台服务器当前负载情况判断哪台服务器尚有服务能力，等等，然后区域负载均衡设备会向全局负载均衡设备返回一台缓存服务器的 IP 地址。
（6）全局负载均衡设备把服务器的 IP 地址返回给用户。
（7）用户向缓存服务器发起请求，缓存服务器响应用户请求，将用户所需内容传送到用户终端；如果这台缓存服务器上并没有用户想要的内容，而区域均衡设备依然将它分配给了用户，那么这台服务器就要向它的上一级缓存服务器请求内容，直至追溯到网站的源服务器，将内容拉到本地。
在上述流程中，DNS 服务器根据用户 IP 地址，将域名解析成相应节点的缓存服务器 IP 地址，实现用户就近访问。
使用 CDN 服务的网站，只需将其域名解析权交给 CDN 的全局负载均衡设备，将需要分发的内容注入 CDN，就可以实现网站内容加速。
CDN 通过智能化的算法选择贴近用户本地、服务速度最快的缓存节点用于加速用户访问，提高了互联网内容的访问速度，也有助于减少骨干网络的流量压力、减轻源站点的访问负载。
CDN 还可以通过 DNS 作为全局负载均衡器，为用户选定和其属于同一运营商网络的缓存节点提供服务，消除不同运营商网络互联的瓶颈。
另外，广泛分布的 CDN 缓存节点加上节点之间的智能冗余机制，可以有效地预防黑客入侵以及降低 DDoS（分布式拒绝服务攻击）对源网站的影响。
鉴于 CDN 具有的技术优势，它已经被广泛应用在视频网站的内容访问加速上并取得巨大成功。但是元宇宙与传统的视频服务相比，更加强调实时性和交互性。
因此，CDN 中贴近客户的边缘节点需要发挥新的作用，主要有以下可行的方案：
（1）利用 CDN 缓存服务器实现提升边缘计算能力。
该方案以此前主要用于网站静态内容缓存的 CDN 缓存服务器作为边缘计算节点，充分利用 CDN 缓存服务器的存储能力并强化其计算能力的建设，重点针对那些动态内容多、交互需求高的网络内容进行专项分析和处理，提升实时响应能力，例如：对用户访问内容进行分析，然后在边缘计算节点就近获得静态内容，并通过动态加速技术智能选择最佳路由返回源站点获取动态内容，最终实现网站访问的整体加速与实时优化。
值得业界关注的是，在 5G 网络时代，边缘计算有了长足发展，以移动网络通信基站为代表的数量更多、分布更广、更贴近用户的站点可被用作边缘计算节点，为元宇宙用户提供更实时的体验。
（2）通过 CDN 与 P2P 融合满足大流量、超低时延需求，该方案也被称为 P2P CDN。
它在 CDN 的边缘节点引入 P2P 自治域，自治域中的 CDN 边缘节点设备及其覆盖的最终用户可作为对等实体在域内利用 P2P 机制进行资源共享，而自治域间则不发生流量交换。
这种融合模式一方面通过 P2P 支持用户利用自身资源的空闲时间分发数据，提升视频直播、点播等流式互联网服务的实时性和容错性，避免拥塞；
另一方面利用 CDN 管理下的分布式架构，将 P2P 流量限制在同一 CDN 边缘节点的区域内，增强了网络的可管理性和服务的高可靠性。
因此，融合了 P2P 机制的 CDN 成为业界关注的重点，阿里云的 PCDN、腾讯云的 X-P2P 就是非常好的案例。
另外，P2P 也是元宇宙建立互信网的底层技术之一，P2P CDN 在国内的典型案例是 2017 年迅雷公司推出的玩客云，可惜昙花一现，相关细节前文已叙述。
二、网络发展方向
元宇宙时代的网络，必须要能够提供稳定的、持久的实时连接，满足具有高带宽、低时延、高稳定性、去中心化等特点的数据传输要求。
为了满足用户在 VR 中的沉浸式体验需求，本文提供了如图 5-4 所示的典型的网络指标。
图 5-4 元宇宙中 VR 体验的网络指标需求
资料来源：VR 陀螺，招商证券，VR 系列报告一（2021），https://mp.weixin.qq.com/s/-6wfDJcO3JOhPsGnivkhLA
元宇宙业务的刚性网络需求，促使网络技术必须随之演进甚至变革。
清华大学的李丹在其撰写的《元宇宙对网络技术的挑战》一文中指出，元宇宙时代的网络技术发展要重点关注终端节点接入、异构网络互联、自治网络组网等方面的变化。
（1）终端节点接入方面，重点考虑的是何种终端以何种方式接入元宇宙。
当前的元宇宙体验中，具有三维显示和交互功能的 VR 眼镜成为接入元宇宙必需的终端设备。
作为“通信型”终端，它们的端到端带宽需求在几十兆到几百兆、端到端时延需求在几十毫秒到几百毫秒之间，并对安全性也有较高要求。
除了“通信型”终端，接入元宇宙的还有类似服务器等主要用于数据计算的“计算型”终端和类似智能汽车、工控终端、物联网终端的“功能型”终端。
其中，“计算型”终端通常部署在数据中心内部，端到端带宽需求往往在几 Gbps 到几百 Gbps 之间，端到端时延需求则在微秒级别，但是安全要求相对较低；
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。
因此，如何设计和实现终端接入网络是元宇宙时代的网络面临的首要关键，也是当前最为迫切的问题。
（2）异构网络互联方面，重点考虑的是网络的扩展性。
元宇宙时代，每个个体、组织或国家都可以打造自己的元宇宙，这些元宇宙可能彼此独立，承载在不同运营商的网络上、运行在不同云服务提供商的云资源上甚至采用不同的协议体系。
当不同的元宇宙需要彼此交互乃至彼此融合时，必须要有网络负责把它们连通，虽然在应用层面也可以开展一些用户业务和数据的翻译和转换工作，但是如果能够在底层网络实现贯通必然会更加高效，就好比互联网架构中的网络层。
但在元宇宙中，这项工作可能会非常复杂。
以物联网为例，它的通信环境有 Ethernet、Wi-Fi、RFID（射频识别）、NFC（近距离无线通信）、Zigbee、Bluetooth、NB-IoT（窄带物联网）、3G/4G 网络，等等，其中既有类似 AMQP（高级消息队列协议）、JMS（Java Message Service，Java 消息服务）、HTTP 等可以工作在以太网的协议，也有类似 CoAP（受限应用协议）等专门为资源受限设备开发的协议。
因此，如何实现各类物联网与元宇宙网络的高效打通，支持元宇宙实现更加丰富和更加真实的场景，需要得到特别的关注。
（3）自治网络组网方面，重点考虑的是网络的灵活性和可管理性。
自治网络是一种新型的网络结构，它能够接收用户使用自然语言直接描述的“业务意图”，进而将其自动转译为网络可执行的策略及操作，这有效地降低了网络管理的复杂性，大幅提高了运维效率。
SDN（Software Defined Networking，软件定义网络）是实现自治网络的重要基础，它通过将网络的数据平面与控制平面进行分离实现对网络的集中控制，可通过控制器修改在其南向的网络设备的转发策略，并在其北向提供 API 接口实现应用程序与控制器的交互。
自治网络中，SDN 控制器可以基于在其北向接收到的自治网络策略及操作，实时地对网络进行控制，灵活满足去中心化的元宇宙网络空间的弹性扩展、异构融合等需求。
自治网络的本质是智能化，如何利用海量场景数据、数字化的专家经验以及 AI 算法模型形成网络的智能化控制策略是必须关注的问题。
可以预见的是，随着 VR 的快速成熟以及元宇宙标杆案例的打造，距离用户最近的终端节点接入技术的迭代升级将最快，而距离用户最远的异构网络互联技术的迭代升级将最慢，自治网络组网技术则介于两者之间。
而随着元宇宙相关技术和业务的不断成熟，承载元宇宙的网络和云资源必将发挥越来越重要的作用，乃至最终承载元宇宙的基础设施一定是云网融合的形态。
习近平总书记在主持中共中央政治局第三十四次集体学习时指出，我国“要加快新型基础设施建设，加强战略布局，加快建设高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施”。
云网融合一方面强调以云为核心规划和建设网络，使得用户通过网络访问云资源以及云内和云间的组网更加灵活；
另一方面要求网络的建设引入云所具有的开放共享、弹性扩展等理念，变得更加弹性、敏捷。在面向元宇宙的承载需求时，云网融合能够实现三个一体化能力：
（1）一体化供给，对网络资源和云资源统一定义、封装和编排，形成统一、敏捷、弹性的资源供给体系；
（2）一体化运营，实现云网全域资源感知、一致质量保障、一体化规划和运维管理；
（3）一体化服务，云网业务可以统一受理、统一交付、统一呈现。
在云网融合的加持下，承载元宇宙的云将更加强调灵活定制和快速交付，网络则具有更强的敏捷性、可用性、智能性、安全性和适配能力；
同时，元宇宙运行所需的云资源备份和多线接入、云网能力的服务化提供以及云原生开发和云网内生安全等也将被给予全面充分的考虑。
因此，随着云网融合正式成为我国数字信息基础设施建设的重要内容，上文提及的终端节点接入、异构网络互联、自治网络组网等问题都将在云网融合的推进中得到解决，并最终为以元宇宙为代表的新兴技术产业的蓬勃发展提供最强有力的支撑。
第三节 元宇宙网络的关键技术
随着数字化、网联化日益成为生产生活的主流方式，网络对人们的影响越来越深刻。
特别是在元宇宙的理念日渐深入人心的时候，一系列网络创新更是彰显了它们的价值，其中既有当前已经可以体验到的解决用户访问元宇宙的网络带宽、时延等问题的移动/无线网络接入技术，正在逐步实现中的支持元宇宙资源的按需组织和自治管理的 SDN 技术，又有在未来能够为元宇宙带来更广阔场景的确定性网络技术。
一、5G/6G 和 Wi-Fi6/7：让现实和虚拟无缝地超连接
用户访问元宇宙，第一步动作就是要通过 PC、手机、平板电脑、VR 眼镜等终端接入到网络中。
为了满足用户接入越来越高的网络带宽的需求，百兆甚至千兆的光纤宽带已经成为家庭、企业固定网络宽带业务的主流；
而随着网络用户的移动性不断增强，以 5G/6G 为代表的蜂窝移动通信技术以及以 Wi-Fi6/7 为代表的无线局域网络技术更是有了长足进展，并在当前以及未来很长一段时间为用户提供进入元宇宙的重要网络通道。
蜂窝移动通信采用蜂窝无线组网方式，通过无线通道将移动终端和后端连接有线网络的基站设备相连接，实现了用户在移动状态下也可相互通信。
众所周知，蜂窝移动通信当前已经经历了从 1G 到 5G 的演进。
这里提到的 G（Generation），就是“一代”的意思，从最早的 1G 到现在正在规模推广的 5G，每一代蜂窝移动通信的升级，都给人们的生产生活带来了新的变化：
1G 网络只能够提供基于模拟信号的语音服务；
2G 网络能够提供基于数字信号的语音服务，以及短信等个人通信服务；
3G 网络能够同时提供语音和手机报等数据服务；
4G 网络能够支持数据的快速传输，包括高质量音频、视频和图像等；
5G 网络则可以支持“万物互联”的实现，可以改变我们的社会。
5G 网络的特点主要体现为高带宽、低时延、广覆盖：
5G 网络峰值速率可以达到 Gbps 量级，足以支持高清视频、VR 等大数据量的传输；
5G 终端与基站间的时延可控制在 1 毫秒左右，满足自动驾驶、远程医疗、联网无人机等实时应用的需求；
5G 网络可提供千亿量级的设备连接能力，实现物联网通信；
5G 网络在连续广域覆盖和高移动性的条件下，用户体验速率还可达到 100Mbps。
业界普遍认为，5G 网络技术的日益成熟和规模应用促使 VR 再次获得生机。
与此同时，5G 网络还有两项技术与元宇宙息息相关：
一项是网络切片，这类似于在 5G 网络中通过预留资源开启一条专门的网络通道，使得专网用户与公共用户的业务隔离，互不影响，确保用户访问元宇宙的网络质量和安全隔离；
另一项是边缘计算，为了减少元宇宙服务时延，很多计算和存储任务可以在贴近用户的边缘节点完成，5G 网络技术体系中的 MEC（移动边缘计算）则把低时延的网络与之结合，从而获得更好的效果。
当前，MEC 的概念已经泛化为 Multi-access Edge Computing（多接入边缘计算），例如前文提及的 CDN 也可以纳入到边缘计算的范畴。
6G 网络作为下一代蜂窝移动通信技术的演进版本，已经引起了研究界的关注。
与 5G 网络相比，6G 网络有望提供更高的传输速率（Tbps 量级）、10 倍以上的更低时延、100 倍以上的连接数密度、全自动的更高智能化水平以及包括空天地海的接近 100%的覆盖率。
与此前各代蜂窝移动通信技术不同，6G 网络终端将不再仅仅作为通信的端点，而是会发挥出更大的作用。
6G 网络终端将具有更多的形态，包括但不限于手机、平板电脑、VR 眼镜/头盔、可穿戴设备、机器人、各种类型传感器，等等。
它们会具有更全面的感知、更智能的计算、更便捷的交互、更绿色的能耗、更安全的保障。
在 6G 网络时代，包括人在内的任何物体都可以在任何时间任何地点无缝接入互联网，进行身临其境般的沉浸式通信，实现物理世界与元宇宙的交互与增强，并最终完成物理世界的数字化表达、控制与改善。
虽然 6G 网络的研究当前尚处于起步阶段，但是可以预见的是，元宇宙一定会成为 6G 网络的关键场景。
作为移动蜂窝网络的补充和扩展，Wi-Fi 的应用在当前似乎更为普遍，以至于有漫画把 Wi-Fi 作为马斯洛需求理论中的人类的最基本需求。
Wi-Fi 设备通过在后端接入百兆甚至千兆的固定宽带网络或者通过 CPE（客户端设备）将 5G 网络信号转换为 Wi-Fi 信号，以开启热点的方式供用户接入网络。
因为运营商并不会收取 Wi-Fi 网络的费用，所以 Wi-Fi 给人们带来的最大的感受应该是“便宜”甚至“免费”。
Wi-Fi 既可以以固定网络为基础增强用户的移动性，又可以消除 5G 网络信号覆盖不足产生的通信障碍，并在网络带宽、通信安全等方面提供一定保障。
但是，Wi-Fi 毕竟是一项局域网技术，如果用户移动范围过大会出现“掉线”的情况，热点的切换也会导致通信的暂时中断；
同时，因为工作频率的原因，Wi-Fi 信号的穿透性存在短板，墙壁等遮挡物对信号强度影响较大。和蜂窝移动网络技术一样，Wi-Fi 也是在持续的演进中。
当前主流的 Wi-Fi 技术是第 6 代，即 Wi-Fi6。
与此前的 Wi-Fi 技术相比，Wi-Fi6 在传输速率、接入设备数量、能耗等方面都有着更好的表现，它可以支持多达 8 个设备通信，最高速率可达 9.6 Gbps。
同时，新一代的 Wi-Fi7 技术也进入了研发阶段，有数据表明 Wi-Fi7 的数据传输速率可高达 30Gbps，是 Wi-Fi6 最高速率的三倍之多，而高带宽正是支持用户顺畅接入元宇宙的关键基础。
需要注意的是，当前的 Wi-Fi 也有 5G 一说，但是这里的 5G 并不是蜂窝移动通信网络的 5G，而是 Wi-Fi 信号工作在 5G 赫兹频段。
到 Wi-Fi7 被规模应用时，6G 赫兹的频段也会被启用。
5G/6G、Wi-Fi6/7 探讨的是以人作为用户的视角如何接入元宇宙网络，而构成人们所处环境的数据在进入到元宇宙时也还有各自的网络技术，例如物联网。
正如前文所述，异构网络的互联一定是元宇宙时代的网络必须能够支持的能力。
而在当前，业界也已经在探索将物联网等异构网络领域的协议、标准和 5G 网络标准等进行融合，例如在物联网中被广泛应用的 NB-IoT 技术就已经被纳入到 5G 标准体系中，这使得智慧井盖、智慧路灯等 NB-IoT 设备及应用可以直接通过运营商的 5G 网络向后端云平台进行数据传输，使得元宇宙中相关环境的构建更加实时、快捷。
二、SD-WAN：助力元宇宙的按需扩展和融合
元宇宙每时每刻都可能进行着扩展和融合，这是因为数字人在元宇宙中所处场景的切换就意味着必须要进行数据来源的更替；
相应地，底层网络数据的流量流向乃至网络连接的创建消除都需要进行相应的调整。这就需要智能化、自动化的组网技术支持，SDN 正好可以担此重任。
SD-WAN（软件定义广域网）是当前 SDN 实践中最为成功的技术方案之一，它的初衷是为了解决企业分支机构间的广域网互联问题。
在 SD-WAN 出现前，企业通常会租用运营商的专线服务或者直接利用因特网实现分支机构间的网络通信，但是前者价格较高而且带宽受限，后者的时延、丢包等情况并不理想。
当前，企业的数字化和云化导致更多设备接入、用户的移动范围更广、音视频应用广泛，使得企业网络流量快速增加，特别是穿越广域网的流量显著增加。
SD-WAN 可以在灵活满足业务需求的同时不中断业务并支持更高网络流量的提供，它通过软件定义技术有效支持广域网的部署、配置和运维的自动化，同时融合压缩、缓存、协议优化等技术提升广域网的传输效率。
SD-WAN 的技术架构和工作原理如图 5-5 所示。
图 5-5 SD-WAN 的技术架构和工作原理
SD-WAN 引入了 SDN 的理念，将对广域网组网的控制机制集中到了控制器中，由控制器统一负责设备管理、业务下发以及根据企业业务通信需求和底层网络资源情况智能地建立具有一定 QoS 保障的网络通道。
网络通道两端的 CPE 设备在控制器的管控下，利用隧道技术动态、按需地建立承载在专线网络（例如企业 MPLS VPN）或者公共互联网之上的虚拟通道。
这里的 CPE 不同于本章第二节中提及的将 5G 信号转成 Wi-Fi 信号的 5G CPE，在 SD-WAN 中的 CPE 是企业客户连入网络的接口设备（可以理解为是一个小型路由器），CPE 有硬件的 uCPE（通用客户端设备）和软件的 vCPE（虚拟客户端设备）等形态。
同时，网络通道管理员通过应用层接口对 SD-WAN 控制器进行配置，即可下发 vFW（虚拟防火墙）、vWOC（虚拟广域网优化控制器）功能到 CPE，以满足广域网组网所需的安全防护、性能优化等需求。
在 SD-WAN 的支持下，企业客户可以根据自身通信需求向控制器发起建立网络连接的申请，控制器会对申请进行智能分析并确定网络通道的链路配置策略，进而将策略发送给通道相关的 CPE 设备并由其发起建立叠加在底层专线网络或者公共互联网之上的虚拟通道。
SD-WAN 的优势主要体现在以下几个方面:
（1）灵活接入、优化成本。
SD-WAN 可以支持混合链路组网，无论是 4G/5G、光纤宽带、MPLS 专线等均可以任意组合，智能定义业务流路径，并可根据业务需求弹性开通、快速切换，构建专线级的品质体验，并显著降低成本。
（2）快速部署、集中管控。
网络的开通无须专业人员到现场安装，网络配置甚至可以以邮件的方式发送给企业员工，再由员工自行通过链接完成部署；
网络运行的所有情况可通过控制器统一呈现，方便“一站式”运维和在线升级。
（3）开放接口、云网融合。
SD-WAN 控制器提供丰富的 API 接口，方便流量控制、应用加速等应用场景和业务逻辑的加载；
充分整合企业的局域网、广域网、数据中心网络、云网络等基础设施，增强网络、云、应用的整体协同。
基于成熟软件技术与传统广域网资源精准融合的 SD-WAN，不但能够在企业分支机构互联的组网场景中发挥巨大作用，而且可以被广泛应用到 DCI 以及云间互联网络的场景中。
其中，软件定义的 DCI 网络能够为企业的多个数据中心，或者为企业办公机构与数据中心之间建立基于 SDN 的解决方案；
软件定义的云间互联网络则更多关注网络应用侧的 WAN 连接，能够为公有云、私有云以及越来越丰富的混合云应用提供高效的基于 SDN 的解决方案。
对于未来由云资源为主承载的元宇宙而言，SD-WAN 技术所具有的智能化、自动化的组网能力可以动态、按需地建立元宇宙之间的网络通路，为元宇宙网络的异构网络互联和自治网络组网提供强有力的支持，并最终使得数据可以在物理世界与元宇宙以及不同元宇宙之间顺畅流动，及时满足数字人的环境体验和实时交互需求。
三、确定性网络是满足元宇宙网络需求的利器
如前文所述，时延是元宇宙时代的网络面临的最大挑战。
很多客观原因导致时延不可能完全消除，因此业界关注的是如何确保时延在一个确定的范围内，并进而以此来指导和优化互联网业务的设计与实现。
确定性网络有可能解决这一关键难点问题，它的目标是帮助实现 IP 网络从“尽力而为”到“准时、准确、快速”，控制并降低“端到端”时延。
为此，IETF（国际互联网工程任务组）在 2015 年专门成立 DetNet 工作组，专注于实现确定的传输路径，并且这些路径可以提供时延、丢包和抖动等指标的最坏情况界限，以此提供确定性的时延。
当前，该工作组的工作重心是如何将确定性网络技术应用到广域网上，这正与元宇宙的需求不谋而合。
确定性网络的提出与蓬勃发展的互联网视频业务和工业机器应用相关，这些业务和应用导致了网络出现了大量的拥塞崩溃和数据分组时延。
同时，许多网络应用，例如工业互联网中的数据上传和控制指令下发、远程机器人手术、无人驾驶、VR 游戏等，需要将端到端时延控制在 1 毫米至 10 毫米，将时延抖动控制在微秒级。
但是，因为传统的网络缺乏时钟同步、带宽预留、数据分组优先级过滤等机制，无法为应用提供时延和抖动的 QoS 保障，所以只能将端到端的时延减少到几十毫秒。
为了解决上述问题，业界进行了很多努力。成立于 2000 年的 IEEE 1588（网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准）委员会在 2002 年发布了第一个标准，该标准支持企业级网络的时间同步，实现高于 1 微秒的精度；
IEEE 802.1 协议于 2007 年创建了 AVB（音频视频桥接）任务组并获得工业界和汽车界的关注；
AVB 任务组于 2012 年更名为 TSN（Time Sensitive Network，时间敏感网络）任务组，TSN 标准扩展了 AVB 的技术，成为以以太网为基础的新一代网络标准，具有时间同步、时延保证等确保实时性的功能。
TSN 任务组产生了很多标准，但是大部分都局限在数据链路层，从而不能做跨网络的应用，无法用于广域网。
也正是这一背景，促成了前文提及的 DetNet 工作组的出现。在 DetNet 工作组的规划中，确定性网络具有以下特点：
（1）时钟同步。
所有网络设备和主机都可以使用 IEEE 1588 将其内部时钟同步到 1 微秒至 10 纳秒的精度，这是因为大多数（不是全部）确定性网络应用程序都要求终端站及时同步，一些队列算法还要求网络节点同步。
（2）零拥塞丢失。
拥塞丢失是网络节点中输出缓冲区的统计溢出，是“尽力而为”网络中丢包的主要原因，因此通过调整数据包的传送并为临界流分配足够的缓冲区空间，可以消除拥塞。
（3）超可靠的数据包交付。
通过多个路径发送序列数据流的多个副本，并消除目的地处或附近的副本，同时不存在故障检测和恢复周期，这是因为每个数据包都被复制并被带到或接近其目的地，因此单个随机事件或单个设备故障不会导致丢失任何一个数据包。
（4）与“尽力而为”的网络服务共存。
除非临界流的需求消耗了过多的特定资源（例如特定链路的带宽），否则是可以调节临界流的速度的。
因此“尽力而为”的服务质量实践（例如优先级调度、分层 QoS、加权公平队列等）仍然可按照其惯常的方式运行。确定性网络更加稳定可靠，最终形成确定的网络 QoS 水平，为元宇宙的发展消除了网络时延不可控等关键障碍。
设想在未来，数字人的《堡垒之夜》演唱会可能是元宇宙中的常态，在演唱会上不间断地用流播放、同步播放、消除回声等功能的实现以及为通过移动/无线网络接入的海量观众提供身临其境的体验保障方面，确定性网络技术都将在其中扮演非常重要的角色。