元宇宙给网络空间带来的新内涵和新机遇
1、 元宇宙给网络空间带来的新内涵
2021年10月28日，扎克伯格宣布将超过30亿用户的FACEBOOK公司名称改为META。之前3月10日元宇宙第一股Roblox在纽交所上市。信息技术领域的一系列动作将国际上的投资和人们对元宇宙的想象推向高峰。中国股市相关概念股也经历了一次过山车。有人认为元宇宙（metaverse）是构建在AR/VR基础上的整个互联网。我们认为，从理性角度看，元宇宙是网络空间（Cyberspace）的再一次延伸和拓展，虽然没有炒作的那么玄乎，但确实为网络空间（Cyberspace）增加了新内涵。从网络空间看，AR/VR的引入，不仅是在PC、智能手机基础上增加一类终端，更重要的是增加了一个连接虚拟世界与现实世界的新桥梁、新界面，既有虚拟世界置换现实世界，也有现实环境与虚拟环境相互混合，还有虚拟世界在现实世界上的叠加。
计算机网络萌芽于上世纪60年代末。80年代初现代互联网诞生。WEB技术的出现使得互联网第一次拓展到了千家万户，成为大众触手可及的技术。本世纪初，智能手机的发展，使得移动互联网时时刻刻伴随着人们的工作和生活。网络空间的提出，使得人们从整体视角看待信息技术带来的虚拟空间。元宇宙的提出，使得网络空间与现实世界，也就是虚拟空间与物理空间的融合得到进一步加强。
人与PC、智能手机的终端设备的交互，主要体现在二维画面形成或者文字的响应速度上，很多终端应用对网络交互延迟有比较大的容忍范围。VR/AR的引入产生了一项非常硬性的体验指标，也就是视觉交互下，网络延迟、接入带宽和网络核心能力必须满足一定的要求，否则用户就会难以容忍。因此互联网也会再一次转型升级，特别是互联网的单链路速率、延迟、丢包率等核心指标，也必然对互联网相关产业产生洗牌的作用，就像从经典互联网到移动互联网时代一样。Yahoo是经典互联网时代的宠儿，今日头条、淘宝等则是移动互联网时代的宠儿。互联网大鳄FACEBOOK、微软、腾讯等高度重视元宇宙，甚至自我革命，就是准备迎接新一波的挑战和发展机遇。
谈到元宇宙，自然会想起数字孪生。数字孪生有多种应用场景。在智能制造领域，通过采用数字化模型的设计技术，将物理设备的各种属性和参数，映射到数字的虚拟空间中，将物理设备变成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字模型，从而在虚拟的三维数字空间中，快速便捷地修改部件和产品的尺寸和装配关系，减少了迭代过程中物理样机的制造次数、时间，以及成本。在维护维修领域，数字孪生是希望将物理空间的物体对象，例如飞机发动机，与虚拟世界的对象，建立一一的对应关系，通过传感器将物理空间物体对象发生的状态，尽最大可能反馈给网络空间的虚拟对象，虚拟对象通过模型的推演，预测物理空间物体对象可能发生的变化，例如发动机的寿命、故障等，从而及时更换或者维修。因此数字孪生重点在物体对象。元宇宙则侧重点在于人，希望人类在网络空间中，以虚拟身份的形式，开展活动，围绕虚拟身份，逐步形成包含“人类”成份的虚拟世界。在这个过程中，连接虚拟与现实的新技术将发挥着桥梁的作用，连接过去与未来，连接“人与万物”。
2、 元宇宙对网络空间的新需求
从技术融合发展看，新的智能技术和新的场景需求出现，都会给网络空间支柱技术带来新的发展动力。AR/VR的引入，促使网络空间支柱技术再上新台阶。
网络空间主要有五大支柱技术，包括无线电、计算机、集成电路、互联网、人工智能。元宇宙是从计算机交互技术侧面，阐述了人们对网络空间发展的新愿景，并有望使得网络空间的内涵与外延进一步提升。有文献总结，计算机媒体的形态维度从文本开始，发展到图像、音频、视频、游戏、虚拟3D、VR、AR等。
换而言之，当前互联网仅能连接二维的信息和部分三维信息，也就是文本，语音，图像，视频，而下一步需要具备对三维世界或者物理世界进行建模的技术，构建的新世界将会比物理世界规模更大。也就是可以将网络空间从二维拓展到三维空间。同时会增加新的要素，虚拟身份的社会网络，虚拟世界的资产等。
Roblox公司认为元宇宙的八大要素是身份、社交、沉浸式、低摩擦、多样性、任意时间、经济系统和礼仪等。元宇宙的支撑技术主要是硬件系统、计算能力、联网能力、虚拟平台、交互协议和标准，支付方式，内容、服务和资产，用户行为等。另有相关文献将元宇宙的支撑技术分为网络技术、计算技术、人工智能技术、区块链技术，物联网技术、交互技术和电子游戏技术。对元宇宙的技术划分和分解的维度主要取决于企业的成长路径。例如腾讯公司起步于游戏和社交软件，它就会更多从游戏的角度去理解元宇宙，而Nvidia起步于图形加速，它的技术划分就会有更多的图形处理思维。
元宇宙对环境的沉浸式需求，就需要将各类传感器友好地穿戴到人的身上，从而实时感知周边环境，对传感器和处理电路的微型化、柔性化提出了新需求。当前互联网的带宽、延迟等，与元宇宙的现实需求会产生新矛盾。对于文本图像交互，100ms-300ms左右延迟对人没有太大的感觉，但是VR/AR视频交互，这个量级的延迟就使得体验非常不友好。元宇宙在计算存储方面面临的挑战不突出，相关应用软件将面临新的发展机遇。由于元宇宙希望引入资产等，将给网络空间安全带来新机遇和新挑战。
目前元宇宙技术国内外头部企业主要有META(FACEBOOK)、苹果、谷歌、NVIDIA、腾讯、字节跳动、网易，日本社交网站巨头GREE，以及美国新上市企业ROBLBX（罗布乐思）。元宇宙技术不是天上掉下来的，是逐步发展过来，背后的推动因素是技术希望形成新产品、新产业。资本希望寻找新的出口，形成新的风口，用户期待得到新的体验，通过身体，全方位参与交互，避免成为“拇指党”。因此，提出元宇宙新概念是为了总结技术的发展新阶段，集成使能技术，用一种新形态表达技术的新境界，因此也是网络空间的新发展阶段。
3、 元宇宙给网络空间带来新挑战
元宇宙至少会给网络空间带来三方面新挑战。
挑战1：网络体系结构与机制创新。当前互联网一般采用“尽力服务”模式，无法保证服务完成的“确定性”，而元宇宙追求是沉浸式体验感。网络延迟与带宽的不确定性给在AR/VR三维显示与交互中带来极大的冲击。研究表明，人的三维全息信息传输需要1Tbps的带宽。互联网的发展，也深深扎根于实际需求。为了满足数据中心需求，研究提出了RDMA、无丢失以太网等技术。为了满足元宇宙需求，也需要研究新的体系结构，并在资源部署上，考虑引入边缘计算，或者CDN技术，缓解用户与资源的物理距离带来的不可克服的延迟。元宇宙对网络内部机制也会提出新需求。以报文转发为例，目前主要采取存储转发模式，延迟是突出问题。为了降低延迟，需要通过流量工程优化整体流量规划，通过创新转发机制，优化当前的存储转发机制，降低报文转发的延迟等。
挑战2：算力基础设施面临新挑战。科学计算需要高精度的浮点计算能力，人工智能的计算需求不同于科学计算，对整数计算、短精度浮点计算上有明显的偏向。元宇宙的使能技术，可能包括大型计算基础设施、网络基础设施、边缘计算、计算机视觉、人工智能、机器人（物联网）、用户交互、扩展现实等。相关技术取得长足进步，例如图形分类能力提高到接近人类水平，部分甚至超过人类。近四年，语音识别错误率从65%，降低到了15%，文本到特定语音的效率提高12倍。Nvidia的Riva系统只需要12分钟，就将可以调整到特定语音。
互联网巨鳄们提出的元宇宙解决方案都需要巨大的算力支持。Nvidia提出Omniverse，其门户是通用场景描述USD,提出的Maxine虚拟形象平台，包括计算机视觉、神经图形、动画、语音AI、自然语言理解和推荐引擎等。微软提出“全天候动态空间”，线上会议系统（Mesh for Microsoft Teams）等。后者允许人们共享全息体验，加入沉浸式的工作空间。
上述技术方案都需要大量的算力支持，特别是3D渲染。最简单的3D渲染，需要计算每个三角形顶点坐标，每个三角形光栅化的每个点的颜色。对于比较复杂的多光源场景，每个点都要计算在这些光源下的亮度。元宇宙需要的沉浸需要，构成物体的三角形很大，多数物体也比较，分辨率也比较高，因此渲染会很耗时。
挑战3：网络空间安全面临新挑战。一是远程医疗、远程教学、大众娱乐等是元宇宙的重要应用，对Safety和Security都提出极高要求。当前互联网运营中，无论是大型运营商，或者企业网路，都会出现这样那样的网络问题。英国在遭受“想哭”勒索软件攻击后，对全英国的关键设施安全问题进行全面摸底排查，发现三分之一以上机构遭受过网络攻击或者出现过因为网络影响正常业务开展的问题。二是区块链可能在元宇宙概念下落地生根。区块链会在不可信环境下的分布协作中遇到新的发展机遇。有专家认为区块链是元宇宙实现经济系统的基石，具有规则透明和确定性执行机制，去中心化的特点，从而保障价值归属与流转。如果没有区块链，元宇宙可能永远都是一种游戏形态，区块链则是打通了虚拟和现实的桥梁，可以在于保障元宇宙的虚拟资产、虚拟身份的安全，价值的真正交换，并保障系统规则的透明执行。区块链可能无法挑战各国的法定货币，但有在价值可信转移与交易方面可能可以大显身手。三是网络空间的社会属性安全将遇到新挑战。在2016年美国总统选举期间，媒体爆料剑桥分析公司利用FACEBOOK的7000万用户数据，对部分群体进行引导。因为表面上FACEBOOK是社交软件，实际上是掌握30多亿人类行为数据的智能搜集分析中心。数字货币Libra则将超越相关国家，绕开所有国家的主权货币，建立一个与现有金融体系平行的交易系统，更是引起广泛关注。互联网巨鳄们甚至可能建立超国界的数字帝国，重塑人类社会的权力格局等，更是引起世界恐慌。因此元宇宙背景下的网络空间安全将面临更多、更严峻的挑战。
信息技术在不断发展，互联网、大数据、人工智能、区块链、超级计算等正在融合发展，从而推动网络空间深入、持续发展，安全技术也将伴随网络空间共同发展。网络空间还会出现更多的新形态、新业态。既要有高瞻远瞩的预测，又要有脚踏实地的工作，才能成为新技术时代的弄潮儿。
（作者：苏金树教授 军事科学院国防科技创新研究院研究员）
