Метавселенная и сетевые технологии

Это третья часть “Путеводителя по Метавселенной”, посвященная роли сетевых технологий.

Здесь под сетевыми технологиями мы подразумеваем “обеспечение постоянных соединений в режиме реального времени, высокой пропускной способности и децентрализованной передачи данных магистральными провайдерами; создание сетей, центров обмена, а также служб для маршрутизации и предоставления данных потребителю”.

Три главных характеристики сетевого взаимодействия — это пропускная способность, задержка и надежность. Среди всех факторов, способствующих развитию Метавселенной они, вероятно, покажутся большинству читателей наименее интересными. Однако их ограничения и развитие определяют то, как мы будем создавать продукты и сервисы для Метавселенной; то, когда они будут доступны и то, насколько широк будет спектр наших возможностей.

Пропускная способность

Пропускную способность обычно рассматривают как “скорость”, однако на самом деле это то, сколько данных может быть передано за единицу времени.

Требования Метавселенной намного выше, чем у большинства интернет-приложений и игр, и они выходят за рамки возможностей большинства современных сетевых технологий.

Проще всего проиллюстрировать это на примере Microsoft Flight Simulator.

Покупайте, зарабатывайте криптовалюты вместе с редакцией сайта КРИПТОБИРЖИ.РФ

Microsoft Flight Simulator — это самая реалистичная и масштабная потребительская симуляция в истории. Она включает в себя 2 триллиона индивидуально отрисованных деревьев, 1,5 миллиарда зданий и почти все дороги, горы, города и аэропорты мира.… все это выглядит невероятно реалистично, потому что создано на основе высококачественных сканов реального мира.

https://twitter.com/Berduu/status/1298968244200632321?ref_src=twsrc%5Etfw%7Ctwcamp%5Etweetembed%7Ctwterm%5E1298968244200632321%7Ctwgr%5E%7Ctwcon%5Es1_&ref_url=https%3A%2F%2Fcrypto-markets.ru%2Fwp-admin%2Fpost.php%3Fpost%3D5630action%3Dedit

“Полет над ураганом Лаура.

Microsoft Flight Simulator (живая погода).”

Но для этого Microsoft Flight Simulator требуется более 2,5 петабайт  (или 2 500 000 гигабайт) данных. Потребительские устройства (или большинство корпоративных устройств) не способны хранить такой объем данных.

И даже если бы они могли, Microsoft Flight Simulator — это сервис, который обновляется в режиме реального времени с учетом изменений погоды (включая точную скорость и направление ветра, температуру, влажность, осадки и освещение) и воздушного трафика. Вы можете буквально пролететь над реальными штормами и ураганами, следуя за реальными коммерческими авиалайнерами по их точной траектории.

Основные данные Microsoft Flight Simulator хранятся на вашем локальном устройстве (как и любая другая игра для консолей, Flight Simulator также работает на локальном устройстве пользователя, в отличие от игр на облачных игровых потоковых сервисах, таких как Stadia). Но когда пользователи выходят в онлайн, Microsoft передает огромные объемы данных на устройство игрока по мере необходимости.

Это можно сравнить с тем, что испытывают настоящие пилоты. Когда они переваливают через гору или поворачивают самолет, новая световая информация поступает на их сетчатку, впервые открывая и проясняя для них то, что там находится. До этого они знают лишь то, что там что-то будет.

Многие геймеры думают, что это происходит во всех многопользовательских онлайн-видеоиграх.

Но, по правде говоря, большинство игровых сервисов отправляют отдельным игрокам только позиционные данные, входные данные игрока (например, выстрел, бросок бомбы) и сводные данные уровня (например, количество живых игроков в королевской битве). Все ресурсы и данные рендеринга уже находятся на вашем локальном устройстве. Поэтому эти игры довольно долго скачиваются и устанавливаются, а также занимают много места на жестком диске.

Отправляя данные рендеринга по мере необходимости, игры могут добиться гораздо большего разнообразия предметов, активов и сред. Причем для этого не требуется долго загружать и устанавливать обновления и хранить большой объем файлов на жестком диске. В результате многие игры теперь используют эту гибридную модель, когда часть информации хранится на локальном устройстве, а часть передается по мере необходимости.

Однако этот подход будет особенно важен для платформ, ориентированных на Метавселенную. Roblox, например, необходимо гораздо большее разнообразие активов, предметов и окружающей среды, чем таким играм, как Mario Kart или Call of Duty.

По мере роста сложности и значимости виртуальной симуляции, объем данных, которые необходимо будет передавать в потоковом режиме, будет только увеличиваться.

По крайней мере, на данный момент Roblox играет на руку тот факт, что ряд базовых активов можно использовать для разных целей и кастомизировать. Учитывая это, Roblox в основном передает в потоковом режиме данные о том, как настроить ранее загруженные элементы. Но в конечном итоге виртуальной платформе потребуются почти неограниченные возможности для создания и комбинирования различных элементов среды (к тому же результат нельзя будет в полной мере спрогнозировать).

Виртуальные платформы-двойники (так называемые “зеркальные миры”), такие как Microsoft Flight Simulator, уже нуждаются в воссоздании почти бесконечного (и достоверного) разнообразия реального мира. Это означает, что им необходимо отправлять пользователю гораздо больше информации (т.е. больший объем данных), чем просто “темное облако здесь” или “темное облако, которое на 95% похоже на облако C-95”. Это должно быть абсолютно идентичное облако. К тому же эти данные меняются в режиме реального времени.

Последнее особенно важно.  Если мы хотим взаимодействовать в масштабной, общей и постоянной виртуальной среде в режиме реального времени, нам необходимо будет получать огромное количество данных путем потоковой передачи из облака.

Сравните ‘реальный мир” с картой Fortnite.

Все люди на земле одновременно находятся в одной и той же постоянной “симуляции”. Если я срублю дерево, это дерево безвозвратно исчезнет для всех.

Когда вы играете в Fortnite, вы попадаете на отдельную, фиксированную версию карты. Свидетелями всего, что происходит на этой карте становится лишь ограниченное количество пользователей. Кроме того все, что происходит на карте будет “сброшено” в конце матча. Хотите срубить дерево? Все изменения будут сброшены в течение 1-25 минут. К тому же эти изменения происходили лишь для остальных 99 участников матча.

Карта по-настоящему меняется только тогда, когда Epic Games выпускают новую версию. И если бы Epic Games захотели бы показать ваш мир всем остальным людям, они бы выбрали вашу вселенную, игнорируя остальные, зафиксировав ее в определенный момент времени. Для многих виртуальных впечатлений этого достаточно. Этого будет достаточно и для многих продуктов, специфичных для Метавселенной.

Но некоторые (если не самые важные) опыты в Метавселенной должны будут быть постоянными для всех пользователей.

Потоковая передача данных также необходима, если мы хотим беспрепятственно перемещаться между различными виртуальными мирами.

Во время концерта Трэвиса Скотта в Fortnite пользователи бесшовно перемещались с основной карты в глубины неизведанного океана, затем на неизвестную планету, а затем в далекие глубины космоса.

Чтобы осуществить это, Epic отправила пользователям данные всех этих игровых миров за несколько дней до события с помощью стандартного патча Fortnite (это, конечно, означало, что если бы пользователи не загрузили и не установили обновление до начала события, они не смогли бы в нем участвовать). Затем, во время каждого “сета”, устройство игрока загружало следующий в фоновом режиме.

Эта система работает невероятно хорошо, но она требует, чтобы разработчик заранее знал, в какие миры пользователь отправится в будущем. Если нам необходима возможность выбирать из широкого спектра направлений, нужно либо загрузить все возможные варианты сразу (что невозможно), либо передавать данные в потоковом режиме из облака.

В дополнение к увеличенному объему данных об окружающей среде, возрастает также количество данных об игроках.

Когда вы видите своего друга в Fortnite, серверу игры просто нужно отправить вам информацию о том, где находится ваш друг и что он делает; анимации (например, перезарядка оружия или падение) уже загружены на ваше устройство и их просто нужно запустить. Но когда “аватар” вашего друга получает данные захвата движения в реальном времени, вы также должны получить всю эту детальную информацию. Как и все остальные пользователи.

Если вам нужно запустить видеофайл в этой игре, как иногда бывает в Fortnite, то его тоже необходимо будет транслировать в потоковом режиме. Хотите услышать объемный звук окружающей вас толпы людей? То же самое. Почувствовать как прохожий случайно касается рукава вашего тактильного костюма? То же самое.

Многие игроки в онлайн-играх, для которых требуется передавать только позиционные и входные данные, уже сейчас испытывают трудности из-за недостатка пропускной способности и перегрузок сети.

Метавселенная только усилит потребность в высокой пропускной способности и низкой задержке. Однако хорошей новостью является постепенное распространение широкополосных сетей и улучшение пропускной способности сетей по всему миру.

Вычислительные технологии, которые мы рассмотрим более подробно в следующем разделе, также развиваются и могут помочь справиться с сетевыми ограничениями, путем прогнозирования того, что должно произойти до того момента, когда будут получены “реальные” данные.

Задержка

Самая большая, а также наименее изученная проблема сетевых технологий — это задержка.

Под задержкой мы понимаем время, которое требуется для передачи данных из одной точки в другую и обратно.

В сравнении с пропускной способностью сети (выше) и надежностью (ниже) задержка обычно считается наименее важным ключевым показателем. Это связано с тем, что большая часть интернет-трафика является односторонней или асинхронной.

Не так уж важно, сколько составляет задержка между отправкой сообщения в WhatsApp и получением уведомления о прочтении — 100мс, 200мс или даже две секунды. Когда вы нажимаете на кнопку “пауза” на YouTube не имеет особого значения, остановится ли видео через 20, 150 или 300мс.

При просмотре фильма на Netflix важнее, чтобы видео проигрывалось непрерывно, нежели чтобы оно запускалось как можно быстрее. Поэтому Netflix искусственно задерживает начало воспроизведения, чтобы ваше устройство могло загрузить часть видео заранее. Таким образом, если в вашей сети произойдет кратковременный сбой, вы этого даже не заметите.

Даже для видеозвонков, которые представляют собой постоянные и синхронные соединения, приемлемый уровень задержки достаточно высок.

Видео является здесь наименее важным элементом, поэтому в программах для видеозвонков аудио, которое представлено менее объемными данными, обычно имеет приоритет в случае возникновения сетевых проблем.

И если задержка временно возрастает — даже до нескольких секунд — программное обеспечение может спасти ситуацию, увеличив скорость воспроизведения вашего аудио и быстро отредактировав паузы. Кроме того, участникам видеозвонка легко справиться с задержкой — иногда нужно просто немного подождать.

Однако самые крупные многопользовательские онлайн-игры требуют низкой задержки. Это связано с тем, что задержка определяет то, как быстро игрок получает информацию (например, где находятся остальные игроки и что они делают) и как быстро данные о его реакции передаются другим игрокам. Другими словами, задержка определяет, выиграете вы или проиграете, убьете или будете убиты.

Вот почему частота кадров в большинстве современных игр в 2-4 раза выше, чем частота кадров обычного видео. И именно поэтому мы так легко приняли эти изменения, хоть мы и против повышения частоты кадров в традиционном видео. Это необходимое условие для хорошей производительности.

Уровень приемлемой для пользователя задержки в видеоиграх необычайно низок, особенно по сравнению с другими медиа.

Сравним, к примеру, видеоигры с обычным видео. Среднестатистический человек даже не замечает рассинхронизацию звука с видео, если только он не поступает более чем на 45 мс раньше или более чем на 125мс позже изображения. Пороговые значения еще выше: задержка считается приемлемой, если звук поступает на 90 мс раньше и 185 мс позже видео (275 мс). Что касается цифровых кнопок, например кнопки “пауза” на YouTube, мы замечаем, что кнопка не сработала только через 200-250мс после нажатия.

Опытные геймеры в крупных ААА играх недовольны задержкой выше 50мс. Даже люди, которые нечасто играют в игры, начинают испытывать затруднения при игре с задержкой 110мс. При задержке в 150мс в игры становится невозможно играть. По данным Subspace, увеличение задержки на 10мс сокращает время, которое игрок проводит в игре за неделю на 6% (и наоборот). Эта ситуация уникальна для видеоигр.

Учитывая вышеперечисленные диапазоны, давайте взглянем на среднюю задержку в глобальном масштабе.

В Соединенных Штатах среднее время передачи данных из одного города в другой и обратно составляет 35мс. Для многих пар городов это значение еще выше — особенно для городов с высокой плотностью населения и интенсивным спросом на интернет-услуги (например, Сан-Франциско и Нью-Йорк в вечернее время).

Кроме того, есть также участок маршрута “от города до пользователя”, на котором скорость передачи данных замедляется особенно часто. Сеть может очень быстро перегружаться в густонаселенных городах и районах.

Если вы играете в игру с мобильного телефона, задержка в 4G сети сегодня составляет в среднем еще 40мс. А если вы живете за пределами крупного городского центра, вашим данным, возможно, придется преодолеть еще 100 миль по устаревшей, плохо обсуживаемой проводной инфраструктуре. Глобальный показатель средней задержки при передаче данных между городами составляет от 100 до 200 мс.

Чтобы снизить задержку, индустрия онлайн-игр разработала ряд частичных решений и приемов. Однако ни одно из этих решений не масштабируется достаточно хорошо.

Например, в большинстве крупных многопользовательских игр пользователей группируют по регионам серверов. Ограничивая подбор игроков для матча определенным регионом, разработчики могут тем самым минимизировать задержку.

Поскольку игры — это досуг, и в них обычно играют компанией от двух до четырех человек, такой метод работает достаточно хорошо. В конце концов, вероятность того, что вы захотите поиграть с кем-то, кто живет в нескольких часовых поясах от вас, значительно ниже. И большинству игроков на самом деле все равно, где живут их неизвестные оппоненты (с которыми они обычно даже не могут поговорить).

Тем не менее, по данным Subspace, примерно три четверти всех интернет-подключений на Ближнем Востоке находятся за пределами зоны с приемлемым для динамических многопользовательских игр уровнем задержки, а в Соединенных Штатах и Европе — четверть. В основном это отражает ограничения, связанные с инфраструктурой широкополосной связи, а не с размещением серверов.

Многопользовательские онлайн-игры также используют такие решения, как “сетевой код” для обеспечения синхронизации и согласованности, а также для поддержания игры.

Сетевой код на основе задержки, может дать устройству игрока (например, PlayStation 5) команду искусственно задерживать входные данные своего владельца до тех пор, пока не поступят входные игрока с более высокой задержкой (т.е. их противника). Такое решение вызывает недовольство игроков, привыкших к низкой задержке, но, тем не менее, это работает.

Еще одно, уже более сложное решение – это сетевой код отката . Если данные о действиях противника поступают с задержкой, устройство игрока будет пытаться спрогнозировать входные данные. Если окажется, что противник сделал что-то другое, устройство попытается откатить анимацию, а затем воспроизвести ее “правильно”.

Эти решения хорошо работают для игр, рассчитанных на двух игроков (например, файтинги), для небольших скачков задержки (например, ± 40 мс) и для игр с ограниченным набором предсказуемых действий (например, гонки, 2D-файтинги). Но они плохо подходят для продуктов, ориентированных на Метавселенную — с большим количеством игроков, большими вариациями задержки и более динамичными процессами.

Трудно одновременно и корректно предсказать действия дюжины игроков и “откатить” их без сбоев. Вместо этого имеет смысл просто отключить от сервера игрока с высокой задержкой. И хотя в видеозвонке, например, участвует несколько пользователей, в каждый момент времени по-настоящему важен лишь один из них, поэтому здесь есть “основная” задержка. В игре же важно получать правильную информацию от всех игроков, поэтому необходимо учитывать задержку для каждого пользователя.

Для большинства игр задержка вообще не является проблемой. Такие игры, как Hearthstone или Words with Friends, либо асинхронны, либо их геймплей основан на пошаговой механике. Другие хиты, такие как Honor of Kings или Candy Crush, не требуют от игрока сверхбыстрой реакции.

На самом деле низкая задержка требуется только таким динамичным играм, как Fortnite, Call of Duty и Forza. И несмотря на то, что эти игры приносят огромную прибыль, они составляют лишь небольшую долю рынка видеоигр — и еще меньшую долю от общего игрового времени.

Однако, хотя Метавселенная — это не динамичная AAA игра, ее социальная природа и значимость означают, что для ее функционирования потребуется низкая задержка. Незначительные движения мышц лица невероятно важны для человеческого общения — и мы невероятно чувствительны к незначительным ошибкам и проблемам с синхронизацией (отсюда и проблема т.н. “зловещей долины” в компьютерной графике).

Социальным продуктам также необходима повсеместная доступность. Представьте, если бы вы могли связаться с вашими родными и друзьями через FaceTime или на Facebook, только если они находятся в радиусе 500 километров от вас. Или только если вы находитесь дома. И если мы хотим, чтобы в виртуальном мире могли работать люди со всех уголков планеты, нам нужно нечто большее, чем просто повышенная пропускная способность.

К сожалению, из всех задач, с которыми сталкиваются сетевые технологии, проблема задержки является наиболее сложной, и ее решение потребует больше всего времени. Отчасти проблема связана, как уже упоминалось выше, с тем, как мало служб и приложений нуждаются в доставке данных с ультранизкой задержкой.

Это сужает бизнес-кейс для любого сетевого оператора или сети доставки контента (CDN), ориентированной на минимизацию задержки. К тому же решению этой проблемы “противостоят” даже законы физики.

Свету, например, требуется 40-45мс чтобы преодолеть расстояние от Нью-Йорка до Токио или Мумбаи (11 000 — 12 500 км). Это соответствует всем пороговым значениям допустимой задержки. Тем не менее, хотя большую часть магистрали интернета составляют оптоволоконные кабели, скорость передачи данных по таким кабелям приблизительно на 30% ниже скорости света, поскольку они не проложены в вакууме (плюс потери обычно составляют около 3,5 дБ/км).

Медные и коаксиальные кабели еще сильнее усугубляют задержку на расстоянии, а также имеют более низкую пропускную способность, что означает больший риск перегрузки и задержки доставки данных. Эти кабели по-прежнему составляют большую часть сетевой инфраструктуры в жилых и коммерческих зданиях, а также в жилых районах. К тому же они не проложены напрямую.

И то, что мы обычно называем “опорной сетью Интернета”, на самом деле представляет собой совокупность частных сетей, ни одна из которых не обеспечивает полную передачу пакетов данных (или не имеет стимула уступать участки конкуренту с более быстрым сегментом). В результате сетевое расстояние между парой серверов или сервером и клиентом может быть значительно больше, чем географическое расстояние между ними.

Кроме того, перегрузка сети может привести к тому, что трафик будет направлен по еще более сложному маршруту, чтобы обеспечить надежную и непрерывную доставку данных, а не минимизировать задержку. Вот почему средняя задержка при передаче данных между Нью-Йорком и Токио в четыре раза превышает время, которое требуется свету, чтобы преодолеть это расстояние.

Замена или модернизация любой кабельной инфраструктуры — это невероятно дорогостоящий и сложный процесс, особенно если цель состоит в том, чтобы свести к минимуму географическое расстояние. Для этого также требуется получить одобрение регулирующих органов /правительства, как правило, на многих уровнях.

В случае беспроводных сетей снизить задержку, конечно, проще. И развитие 5G безусловно поможет в этом, поскольку задержка эти сетях в среднем на 20-40мс меньше чем в 4G (ожидается также, что они будут способны обеспечить задержку около 1мс). Однако это распространяется только на несколько сотен метров пути, который проходят данные. Как только данные достигают вышки, в дело вступает традиционная магистральная сеть.

Starlink, спутниковая интернет-компания SpaceX, обещает предоставлять интернет-сервис с высокой пропускной способностью и низкой задержкой по всей территории Соединенных Штатов и, в конечном счете, по всему остальному миру. Но это не позволяет радикально снизить задержку, особенно на больших расстояниях.

Starlink может передать данные от вашего дома до спутника и обратно за 18-35 мс. Однако при передаче данных, например, из Нью–Йорка в Лос-Анджелес и обратно задержка увеличивается. В конце концов, для этого требуется передавать данные через несколько спутников. В некоторых случаях Starlink даже увеличивает расстояние, которое приходится проходить пакетам данных.

Расстояние от Нью-Йорка до Филадельфии составляет около 100 миль по прямой и, вероятно, около 125 миль по кабелю. Но при передаче данных через низкоорбитальный спутник, это расстояние увеличивается до 700 миль. Кроме того, потери при передаче сигнала по оптоволокну значительно меньше, чем при прохождении света через атмосферу, особенно в пасмурные дни. К тому же, в густонаселенных городах часто возникают помехи.

В 2020 году Илон Маск подчеркнул, что Starlink ориентирован “на самых труднодоступных клиентов, с которыми [телекоммуникационным компаниям] трудно связаться”. Поэтому Starlink скорее не столько улучшит пользовательский опыт для  “жителей” Метавселенной, сколько обеспечит к ней доступ новым участникам.

Сегодня уже разрабатываются совершенно новые технологии, бизнес-направления и сервисы для удовлетворения растущей потребности в приложениях, которым необходима потоковая передача данных в реальном времени.

Subspace (портфельная компания), например, развертывает во множестве городов оборудование чтобы создавать “карты погоды” для поиска сетевых маршрутов с низкой задержкой.

Компания управляет сетевым стеком, позволяющим приложениям, которым необходима низкая задержка, создавать оптимальные маршруты для передачи данных. Кроме того, Subspace создали свою оптическую сеть, которая соединяется с различными оптоволоконными сетями для сокращения расстояния между серверами и минимизации использования неволоконных кабелей.

Компания Fastly предоставляет систему доставки контента, которая, помимо обеспечения надежности доставки данных и высокой пропускной способности, также оптимизирована для приложений, которым требуется низкая задержка.

Компания использует подход “инфраструктура как код”, который позволяет клиентам настраивать практически каждый аспект кластеров периферийных вычислений компании. Это должно позволить приложению очистить и заменить весь кэшированный контент во всех этих кластерах по всему миру в течение 150мс, а также кэшировать и ускорять отдельные транзакции блокчейна в режиме реального времени.

Надежность

Надежность — довольно очевидное понятие.

Возможность работать и получать образование в виртуальной среде напрямую зависит от надежности сетей. Это понятие включает как общее время безотказной работы, так и стабильность других атрибутов, таких как пропускная способность и задержка.

Многим из тех, кто сегодня “живет онлайн”, может показаться, что здесь не о чем особенно беспокоиться. Большую часть времени Netflix успешно справляется с трансляцией видео в качестве 1080p или даже 4K! Однако такие сервисы, как Netflix, используют для этого решения, которые плохо подходят для игр или приложений, специфичных для Метавселенной.

Netflix получает все видеофайлы за несколько часов или даже месяцев до того, как они станут доступны зрителям. Это позволяет им выполнить тщательный анализ данных, чтобы определить, какая информация является наименее важной, и иметь возможность уменьшить (или “сжать”) размер файлов.

Алгоритмы Netflix могут “посмотреть” сцену с  голубым небом и решить, что, если скорость Интернета пользователя упадет, количество различных оттенков синего можно снизить с 500 до 200, или 50, или даже 25. Netflix также анализирует данные на основе контекста — например, сцены с диалогами можно сжать сильнее, чем динамичные экшн-сцены. Это называется многопроходным кодированием.

Как уже говорилось ранее, Netflix в фоновом режиме загружает видео на устройство пользователя до того, как оно потребуется. Таким образом, при временных проблемах с подключением или увеличении задержки конечный пользователь не испытывает никаких проблем.

Кроме того, Netflix предварительно загружает контент на локальные узлы; поэтому, если вы захотите посмотреть новый эпизод “Очень странных дел“, сервер, с которого вы получите данные, будет находится всего в нескольких кварталах от вашего дома. Такое невозможно в случае видео или данных, которые создаются “вживую” и, как следует из вышесказанного, нуждаются в более высокой скорости доставки.

Вот почему обеспечить потоковую передачу 1 ГБ данных Stadia сложнее, чем в случае с аналогичным объемом данных Netflix.

Поэтому, хоть Метавселенная и не будет исключительно соревновательной средой по своей природе, она будет столь же требовательна к основным характеристикам сети  — задержке, надежности / устойчивости и пропускной способности — как и крупные многопользовательские игры. Каким бы мощным ни было ваше устройство (см. разделы, посвященные оборудованию и вычислительным технологиям), это не имеет значения, если оно не может своевременно получать всю необходимую информацию.

Присоединяйтесь к нашему DAO, где мы совместно вкладываем в новые криптовалюты:

С оригинальным материалом вы можете ознакомиться здесь.

© Материал подготовлен для сайта рейтинга КРИПТОБИРЖ и может быть открыто распространен с указанием авторства.