微软模拟飞行(实时天气)

我将网络定义为由关键供应商、网络、交换中心、它们之间路由的服务、和管理“最后一英里”的数据服务商所提供的持久与实时的连接、高带宽、和去中心化的数据传输。

网络部分的三个核心要素——带宽、延迟、可靠性，可能反而是大多数读者们最不感兴趣的元宇宙推动者。然而他们的限制和增长将直接影响我们设计元宇宙产品与服务的方式，我们使用元宇宙的时间，和我们在元宇宙做得到与做不到的事。

带宽

带宽通常被理解为“速度”，但实际上它代表单位时间内能够传输的数据量。元宇宙对于带宽的要求远超大多数互联网应用、游戏和其他连接。通过《微软模拟飞行》，可以更直观地理解这个概念。

《微软模拟飞行》是历史上最真实、最广大的消费级模拟体验。它包括两万亿棵单独渲染的树木，15亿座建筑物、以及全球几乎每条街道、每座山脉、每个城市、每个机场……这一切都看起来像是真实事物，因为它们都基于对真实事物的高质量扫描创建而成。但为了实现这一目标，《微软模拟飞行》需要超过2.5PB，也就是2500TB或250万GB的数据存储。而消费级设备，甚至是大部分企业级设备都无法存储这样庞大的数据。

即便是这些数据能够得以存储，《微软模拟飞行》还是一项实时服务，可以随时更新游戏中的数据以反应真实世界的天气(包括准确的风速、风向、温度、湿度、雨量、照明)和空中交通状况。你实际上可以飞入在现实世界中正在发生的真实飓风与风暴之中，或是在IRL商业客机的实际飞行路径上尾随其后。

微软模拟飞行(实时天气)。在飓风Laura之上和周围飞行。

《微软模拟飞行》的工作原理是在用户本地设备中存储核心数据量(和运行其他主机游戏一样，本地设备也负责运行《微软模拟飞行》，这与Stadia等基于云服务器的游戏流媒体服务不同)。但当用户在线时，微软会根据程序所需，将大量数据流实时传输到玩家本地的设备。可以将玩家想象成一个现实世界的飞行员。当翻过一座山或绕过一个弯时，新的光信息会传入飞行员的视网膜，从而使飞行员看清存在于那里的事物。在此之前，飞行员除了知道那里有某些东西之前，什么都看不到。

许多游戏玩家认为这是所有多人在线游戏都在使用的技术机制。但实际上，在绝大部分游戏中，玩家与服务器的沟通仅限于位置数据、玩家输入数据(射击、投弹等)和摘要数据(例如大逃杀类游戏中的其他玩家)。而诸如图像和渲染这样的数据，则是存储于本地设备之上的。这也是为何大部分游戏本地存储量大，下载与安装时间较长的原因。

通过发送点播的渲染数据，游戏可以拥有更加多样化的物品、内容和环境。这样做还能避免过大的前置下载和安装，更新批处理或庞大的本地存储。因此，许多游戏现在都采用这种本地存储信息和数据流混合的模式。而对于专注元宇宙的平台来说，这种模式至关重要。例如与《马里奥赛车》或《使命召唤》这样的游戏相比，Roblox需要，也同样受益于更多的内容、物品与环境的多样性。

随着虚拟仿真的复杂性与重要性的增加，需要通过流式传输的数据量也会同步增加。至少就现在而言，Roblox受益于许多基础预制元素和内容被反复重新利用和略微定制。鉴于此，Roblox目前传输的数据流主要都是对之前已下载项目的轻微调整。但最终，虚拟平台将会需要近乎无限且无法预测的排列和重新创造。

如《微软模拟飞行》这样的虚拟镜像世界，已经需要重建现实世界中几乎无限的多样性。这就意味着当模拟一朵乌云时，所需要传输的数据量远远超过 “这里有一朵乌云”或“一朵与数据库中C-95号乌云有90%相似度的乌云”。相反，它就是一朵与现实中乌云一模一样的乌云，且更为重要的是，这些数据在发生实时变化。

最后这点是实现一切的关键。如果我们想要再大型、实时、共享且持久的虚拟环境中进行交互，我们必须接受超巨量的云数据流。

这两张图片之中有一张不是真的。

将现实世界与《堡垒之夜》的地图进行比较，地球上的每个人都同时且永久地处在同一个“模拟”之中。如果我砍伐一棵树木，那么这棵树对于全世界所有人来说都不可逆转地消失了。但当你玩《堡垒之夜》时，你做的所有事情只影响某个固定时间点的某个版本，它只会在短时间内与少数用户进行共享，随后还会进行重置。哪怕你砍掉一棵树，它也只会在半小时内影响与你同在一张地图的最多99名其他玩家，随后就会重置。只有当Epic Games发布新版本时，地图才会真正发生变化。如果Epic Games想要将你所处的世界发送给别人，那么所有其他人的世界都会遭到无视，一切都会以你的世界为基准定期重置。这对于许多虚拟体验而言固然是好的，甚至对与很多其它元宇宙体验而言也是好的，但总还是有一些体验，需要在任何时候都能对所有用户产生持久的影响。

如果我们想在不同的虚拟世界之间无缝跳转，云数据流也是必不可少的一部分。《堡垒之夜》中Travis Scott的音乐会将玩家从游戏的核心地图中，无缝传输到从未得见的海洋深处，随后又到星球之上，再深入太空。为了实现这一目标，Epic Games在活动开始之前的几天之内，先通过标准补丁将这些活动数据发送给所有游戏用户，换言之，如果没有提前下载更新这些补丁，玩家也无法参加到这场音乐会之中。活动开始后，当玩家还处在当前场景时，设备就会在后台先预载下一个场景。整个系统运行地十分流程，但这需要活动设计师提前就确定好用户接下来将去往哪个世界。如果你想从一个宽泛的列表中随意挑选下一个目的地，你必须将所有可能的选择所需要的数据全部预先下载好，或者使用云进行传输。

元宇宙中，不止环境数据会不断增加，玩家数据同样会增加。当你今天在《堡垒之夜》中看到自己的朋友时，《堡垒之夜》服务器只需要向你的终端发送你的好友的位置信息和动作信息，其真正产生的物理效果与视觉效果(如重新装填子弹或高处跌落)，其实已经被预载入你的设备终端中了，只需运行程序即可。但当你有一个实时动作捕捉设备时，那么该设备捕捉的所有需要映射到虚拟化身中的详细信息，都需要通过网络来发送。而当你想要在游戏中光看一个并未预载的视频文件时，也需要在虚拟世界中进行流式传输。想要听到人群音效的空间音频，亦或是想要感受别人触碰你穿着触觉紧身衣的肩膀，道理都是一样的。

就算是对于只需要位置数据和输入数据的在线游戏，许多玩家就已经在为了带宽和网络拥堵等问题在苦苦挣扎了。而元宇宙只会增加对带宽的需求。当然，好消息是宽带的普及率与带宽在全球范围内都在持续提高。计算能力(将在下一章中更深入地讨论)也在不断改进，该能力可以通过预测未来发生的真实情况来更早地准备数据，从而一定程度上缓解数据传输的限制与压力。

延迟

网络中最大的挑战同样也是人们了解最少的一个：延迟。延迟是指数据从一点传输到另一点并返回所需要的时间。与网络带宽和可靠性相比，延迟通常被认为是最不重要的KPI。这是因为互联网流量中的大部分是单向或不同步的。在WhatsApp上发送信息并受到已读回执之间，100到200毫秒乃至于2秒的延迟似乎都不是特别紧要。点击YouTube的暂停键直到视频停止，这之间需要20、150或是300毫秒影响似乎也不大。观看网飞视频时，连续播放比立即播放更为重要。甚至为了实现这一点，网飞还特地在后台延迟了视频流的开始，以便你即将观看的内容会在你观看开始之前下载到本地设备中。这样一来，就算你的网络崩溃或卡顿一两分钟，你也不会注意到视频有任何中断。

即使是同步和持续连接的网络视频通话，对延迟也有相对较高的容忍度。因为对于视频通话而言，视频图像反而是通话中最不重要的部分，因此一旦网络出现卡顿，视频通话软件都会优先传输数据量较小又更为重要的音频部分。如果你的延迟暂时增加到上至几秒的成都，软件仍可以通过提高积压音频的播放速度并自动缩短发音间的暂停来为用户弥补延迟的损失。此外，用户只需学会等待对方几秒，就能很容易管理延迟。

然而，最让玩家身临其境的在线3A游戏大作仍需要低延迟。因为延迟决定了玩家接受信息的速度(例如，玩家移动到哪里，是否投掷手雷)以及他们的响应传输给其他玩家的速度。简而言之，延迟直接决定了游戏的胜负，玩家被击杀或存活。这就是为什么大多数现代游戏的播放速度达到视频平均帧率的2到4倍，也是为何我们抵制传统视频的更高帧率却对提高游戏帧率表示欢迎。这些都是性能所需。

人类在视频游戏中对于延迟的阈值十分之低，与其他媒体相比尤为如此。拿传统视频与视频游戏比较而言元宇宙游戏下载，除非传统视频的音频部分提前视频45毫秒或延迟125毫秒(区间170毫秒)播放，否则一般人根本不会注意到音画不同步。而只有提前超过90毫秒或延迟超过185毫秒(区间275毫秒)，人们才会觉得不同步让人难以接受。当我们点击诸如YouTube暂停这样的数字控制键时，如果我们在200至250毫秒后发现没有响应，我们也只会认为点击失败。与这样的高容忍度相比，50毫秒的延迟就会让骨灰玩家在3A游戏中沮丧万分，甚至不太玩游戏的玩家都会认为110毫秒难以忍受。当延迟达到150毫秒时，游戏甚至无法进行下去。Subspace的研究发现，延迟增加10毫秒，平均会使周游玩时间下降6%，反之亦然。这个非比寻常的现象在其他领域几乎是完全看不到的。

美国城市间的延迟(毫秒)

再将上述这些频段代入全球平均延迟中来看看。在美国，数据从一个城市发送到另一个城市并返回的平均往返时间为35毫秒。许多城市间的延迟都高过了这个水平，尤其是人口密度高且有着强烈需求高峰的城市(例如晚上的纽约与旧金山之间)。全球范围内，城市间数据传递延迟的中位数在100到200毫秒之间。然而在城市间传输之外，城市向其中居民传输数据时，延迟也特别容易上升。人口密集的城市、街区、住宅楼的网络非常容易拥挤。如果你在手机上玩游戏，今天的4G网络的平均延迟是40毫秒。而如果你居住的区域远离主要城区之外，那数据可能又要传输几十上百英里，且使用的还是年久失修的有线基础设施。

亚马逊云服务器区域间延迟(毫秒)

为了管理网络延迟，在线游戏行业已经开发了很多局部解决方案和技术。然而，没有任何一个能很好地实现规模化。

例如大多数高清多人在线游戏都是围绕着服务器的地理区域进行分区匹配的。通过将美国东北部、西欧和东南亚的玩家分区处理，游戏开发商能在地理基础上最大限度地降低延迟。由于游戏是一种休闲活动，且通常与少数几个朋友一起游玩，这种地理聚类的方式效果不错。毕竟，玩家通常不大可能与几个时区之外的玩家一起游玩。无论如何，玩家大多数时候并不关心未知对手(大部分时候也无法直接交流)住在哪里。尽管如此，Subspace发现，中东地区大约四分之三的平均互联网延迟还是高过了多人在线游戏的最低可玩延迟水平，这一数字在美国和欧洲大约是四分之一。这些数据主要反映了目前宽带基础设施的局限性，而不是服务器的位置问题。

多人在线游戏同样通过一种被称作“网络代码”的方案来确保玩家游玩的同步性与持续性。这一基于延迟设计的网络代码，会将网络信息传递给玩家的设备，从而让设备专门推迟那些延迟较低的玩家所输入指令的渲染速度，从而让那些延迟较高的玩家指令能够尽量赶上。虽然这会让那些具备肌肉记忆的玩家感到非常不适，但它确实有用。还有一种更为复杂的“回滚”(Rollback)网络代码，如果对手的输入延迟，那么玩家的设备将会根据对手之前的行为做出预测并对其进行处理。如果最终对手的输入与预测不符，则设备会尝试去解除正在播放的画面，然后基于正确的事实进行重播操作。

网络代码这类解决方案适用于1对1游戏(例如《拳皇》这样的2D格斗游戏)、低延迟(超过40毫秒的延迟效果欠佳)、以及那些玩家操作有限且具备可预测性的游戏(例如赛车类游戏)。但未来随着我们的体验更围绕元宇宙为中心，玩家增加，延迟的波动扩大，动态场景更多，这些解决方案最终将难以维系。想要正确地预测十几名玩家的指令，并以非破坏性的方式回滚，几乎不可能实现。相反，此时最简单的方法反而更为有效：直接将滞后的玩家断开连接。视频通话有很多的通话方，但每次实际上只有发言人真正重要，因此存在一个核心延迟。但在游戏中，随时从任何一名玩家处获取数据都很重要，这使得并不存在一个核心延迟，反而整体的延迟是混合的。

对于大多数游戏而言，延迟并非是个问题。例如《炉石传说》或《Words with Friends》(填字游戏)之类的游戏，要么是回合制的，要么是非同步的。而其他像《王者荣耀》或《糖果粉碎》这样的热门游戏，既不需要完美的像素也不需要毫秒精度的输入来保证游戏体验。真正需要低延迟的只是像《堡垒之夜》、《使命召唤》、《极限竞速》这样的高强度、快反应游戏。这些游戏虽然销量可观，但仍然只占整个游戏市场的一小部分，占总体游戏时间的比例甚至就更小了。

然而，虽然元宇宙并非是这类快反应类游戏的3A游戏，但它的社交属性以及本身的重要性就意味着它需要低延迟。轻微的面部动作对于人类的交流和对话至关重要，我们对于这类轻微的错误和同步问题非常敏感，延迟将极大地阻碍我们的正常交流。而与游戏不同的另一点是，社交本身具有更强的普遍性，可以试想如果你的家人不在方圆500英里之内，就没法使用FaceTime与其视频通话的场景，这与游戏可以分区处理完全不是一个概念。同样，如果我们想要在虚拟世界中利用外国或其他地区的远程劳动力，需要的也不仅仅是更多的带宽，低延迟也是在元宇宙中实现工作场景的必要条件。

谷歌云区域间延迟(毫秒)

但不幸的是，延迟是网络所有元素中最难提升的一个。如上所述，这部分是因为当前依托网络的服务与应用很少有需要超低延迟的。这使得网络供应商们并不具备商业动机去构建一个专注于降低延迟的网络。除此之外，物理法则同样也限制了低延迟网络的建设。

光从纽约出发，想要传输到11,000公里外的东京和12,500公里外的孟买需要大约40至45毫秒。虽然这满足了低延迟的阈值，但现实中数据传播大部分情况下依赖于光纤，因为光纤很少处于真空之中，光在其中的传播速度比光速大约低30%。铜缆和同轴线缆的远距离传输，速度下降得更为严重，带宽也更有限，这引发了更为严重的网络拥堵和延迟数据交付风险。然而这些电缆却在住宅、写字楼及社区中，仍然占据着很大的比例。

除此之外，这些线缆都不是在有着明确提前规划的情况下铺设的。我们通常认为的互联网中枢网络实际上是一个松散的私有网络联盟，它们都不会完全传送某个数据包(也不具将数据传送给其他区域网络的动机)。因此，一对服务器或某个服务器与某个客户之间的网络传送距离，可能远远大于其实际地理上的距离。此外，为了避免网络拥堵导致的影响以保证可靠和持续的数据传递，流量路由可能还会绕更远的路，而不是选取最短路线来最大限度减少延迟。这就是为什么纽约市到东京的平均延迟是光在两个城市之间的传播时间的4倍以上，而从纽约市到孟买的平均延迟则高达4-6倍与光速。

升级或重新铺设任何基于电缆的基础设施都极其昂贵且困难，而想要将空间距离最小化就更是如此了。除此之外，这些尝试还在许多层面涉及大量的监管介入和政府批准。当然升级和扩展无线网络要更为简单也具备价值，例如5G网络能够比4G网络的延迟再降低20-40毫秒，理论延迟甚至低至1毫秒。然而，无线网络实际上只在最后几百米的数据传输中起到作用。一旦数据传回最近的数据信号塔，就又会回到传统的宽带线缆网络中了。

SpaceX的卫星互联网公司Starlink承诺在美国乃至世界其他地区提供高带宽、低延迟的互联网服务。但这并不能解决超低延迟这一严峻挑战，远距离时尤其如此。虽然Starlink能实现你于卫星之间18-35毫秒的快速传输，但当数据要从纽约市传至洛杉矶并返回时，时间会延迟很多，因为此时会涉及多颗卫星的连续中继。在短距离情况下，Starlink反而可能增加数据传输举例。例如纽约市距离费城直线为100英里，如果通过宽带线缆进行传输，距离可能为125英里。但如果通过低轨道卫星传输时，距离会超过700英里。此外，信号在通过光缆传播时，损耗会比穿越大气层时小得多，阴雨天气更会增加这种信号损耗。另外，人口密集的城市区域电磁信号比较嘈杂，因此Starlink也可能受到某种程度的干扰。2020年时，埃隆·马斯克曾强调Starlink专注于那些“传统电信公司最难以接触到也最难服务的客户”群体。从这点出发来说，Starlink实际上为元宇宙带来了更多的用户，而非提升那些已经能通过传统网络接触元宇宙的用户的网络体验。

为了满足日益增长的实时宽带应用需求，有无数全新的技术、业务线和服务正处于开发之中。例如我们的投资组合中的公司Subspace在数百颗城市部署硬件，以开发用于寻找低延迟网络通路的地图，通过运行一个网络堆栈来与许多组成线路的第三方来协调低延迟应用的数据需求。该公司甚至构建了可以拼接在各光纤网络之间的光纤网络，最终进一步缩短服务器之间的空间距离并最大限度地减少非光纤线路的使用。

另一家公司Fastly提供针对低延迟应用优化的CDN。该公司使用代码作为基础设施的一部分，从而让用户可以自定义边缘计算集群的几乎所有方面，并承诺其软件可以在150毫秒内清除和替换全球所有这些集群中的全部缓存内容，同时该软件还可以实时缓存和加速单个区块链的交易。

可靠性

可靠性的重要显而易见。我们向虚拟劳动力和教育的转型能力直接决定于可靠的服务质量。这涵盖了整体运行时间、其他属性的持续性(比如上传/下载带宽)和延迟。对于今天很多“生活在网上”的人来说，以上这些内容听起来似乎非常遥远。毕竟，网飞大部分时候都能以1080P甚至4K的分辨率连续播放视频。然而，像网飞这样的服务采用的可靠性解决方案并不适合游戏或元宇宙相关应用。

Netflix 等非直播视频服务会在观众能够观看视频之前的数小时乃至数月之前元宇宙游戏下载，就将很多视频文件下载到本地。 这让它们能够广泛地逐帧分析视频数据来确定哪些信息可以被缩小或删除。例如，网飞的算法会“观看”一个有蓝天的片段，决定并预设当观众的网速下降时，500种深浅不同的蓝色会被简化为200、50、或25种，从而降低信息传输量。这些流媒体服务的分析甚至可以通过背景与前后片段的分析来执行压缩，例如他们发现对话场景比快节奏的动作场景可以容忍更多的压缩。这就是多通道编码。如前所述，网飞还会利用空闲的带宽提前将视频发送到用户的设备中，就算短时间断线或延迟增加，用户最终也不会感受到任何网络变化。此外，网飞还会在本地节点来预加载内容，这就意味着当你点播热门剧作《怪奇物语》最新一集时，你其实并非从网飞的中央服务器接收数据，它实际上就存储在你的几个街区之外。但这些对于实施创建的视频或数据(如直播)来说是不可能实现，哪怕这些数据实际需要更快的到达用户终端。这就是为何云传输1GB的Stadia内容(谷歌云游戏服务)远比传输1GB的网飞内容要困难得多。

因此，即使元宇宙的目标本质上不一定是竞争性的，我们也应该将3A级多人在线游戏的网络要求当作元宇宙的最低标准。无论你的设备性能有多么强悍，如果无法及时接收到它所需要的信息，它还是无用武之地。