超低延迟传输网络架构在元宇宙场景的应用

引言

元宇宙如今已成为全球科技业的下一个风口。在元宇宙琳琅满目的各种应用场景中，无论是如电影《头号玩家》中的那种体感交互设备，还是医生利用 VR 医疗，远程做手术，元宇宙强交互的基础是数据的低延迟传输和同步。本文将介绍网易云信解决全球数据低延迟交互问题的方案。

网易云信的超低延迟传输架构

从数据输入的角度而言，元宇宙中主要的传输数据类型分为3类。

• 控制信令
• 音视频数据
• VR/AR 深度图数据

控制信令是通信系统中的控制指令，这类数据的数据量小但十分重要，一条都不能丢。音视频是元宇宙真实场景实时再现的体验保障。VR/AR 深度图相较于音视频而言数据量要大的多，通常在 15Mbps 以上，这类数据的低延迟传输也是当下元宇宙发展的重要瓶颈。

针对这 3 类数据，想把元宇宙的业务在相隔千山万水的全球用户间“跑”起来，主要有 2 大难题亟待解决：

• 边缘接入：第一公里问题是所有实时传输系统中最为复杂的，原因在于全球用户边缘实时网络千差万别，且不可预测；
• 大网传输：为了降低全球用户的端到端延迟，跨国传输最短路径是关键问题；

边缘接入

边缘布点

解决用户接入最直接的方法就是让边缘服务器离用户更近。因此，网易云信在全球主流国家和国内多个省市都进行了边缘布点。同时，每日对所有服务器进行网络质量梳理，启动服务器间的“赛马机制”，以此保证优质的服务器能极限贴近用户。

智能调度 

在解决了边缘布点问题后，接下来的问题是如何将用户调度到最优节点。可能这看起来与边缘布点原则有些相悖，明明已经极限贴近用户，为何还需要进行复杂的调度？由于用户网络和运营商的复杂性，就近并不等同于最优。最典型的例子就是东南亚，各种网络运营商数量繁多，某些印度用户连接新加坡节点反而比连接印度本地节点更快、更稳定。

为了适配此类问题，网易云信从 5 个维度综合筛选出最优节点。

• 静态调度：根据用户地理位置选取最近节点
• 用户历史登录成功率：接入节点白名单
• 用户历史业务状态：卡顿率、延迟等指标
• 实时探测：RTT、丢包率、抖动
• 流量聚合：95 峰调度，平摊流量

弱网对抗

弱网对抗是整个实时网络系统中最复杂的一环，我们根据不同的业务数据和场景使用不同的策略。

• 控制信令：信令的数据量通常较小，但优先级很高，我们使用 QUIC 进行传输，并加了很高的冗余，可以抗 80% 丢包。
• 音视频数据：自研编码器和拥塞控制技术，可以根据业务类型适配画质流畅度，同时音频有空间音效功能。
• AR、VR 深度图：使用 DataChannel 传输，15Mbps 的数据实时传输也无压力。
• 图片、文件等静态资源：云信的 Http 加速代理服务，提供全球边缘接入点，中国到美国最短 RTT 可达 160ms。

大网传输

为了解决网间传输质量的问题，网易云信推出了 WE-CAN 全球智能路由网络。WE-CAN（Communications acceleration network）是网易云信自研的大规模分布式传输网络，是一个架设在公共互联网上，通过对各种资源智能调度来实现提高数据传输质量、降低数据传输成本目标的复杂网络系统。

举例来说，北京和洛杉矶之间的公网链路的 RTT 在 250ms 左右，且网络不稳定，很容易出现数据延迟秒级才能投递成功的现象。

WE-CAN 的解决思路：

1. 在北京和洛杉矶之间计算出一条最优公网路由；
2. 各节点之间的最短路由不能过度重叠，要用总体规划和拥塞控制；
3. 有一定 QoS 机制对抗弱网；
4. 遇到网络抖动和机器故障，能快速反应，路由切换；

WE-CAN 架构 

WE-CAN 由 4 个模块组成：

• 调度节点：负责接入节点分配
• 接入节点：负责内外协议转换，服务分级，热更新等功能
• 转发节点：核心转发模块，两两之间实时探测，组成 full-mesh 的网络，上报 rtt，loss，jitter 等信息
• 控制节点：收集转发节点上报，做路由规划

这里重点讲一下控制节点的路由规划策略。

路由规划 

• 链路质量分

根据上报信息（rtt，loss，jitter），算出任意 2 个节点之间的链路质量 MOS 分，计算出的质量分为 0-1 之间的小数。

• 最佳路径选取

a. 使用 dijkstra 算法计算任意 2 个节点之间的最短路由，多跳的路由得分为每一段链路质量分的乘积，跳数越多则乘积越小，相当于做了跳数惩罚。例如 A->B->C->D 这条路由的综合分是 0.950.950.92 = 0.83。

b. 将最优路径的中间节点全部排除，重新继续计算最佳路径作为次优路径；以此类推，计算出 k 条最佳路径。

• 拥塞避免

计算多条最佳路径的原因是为了避免拥塞。经过第一轮路由计算后，聚合所有最佳路径，统计各中转节点是否超过流量阈值，超过则视为拥塞，将途径的路由迁移到次优路径上，以此类推，经过多轮计算，得到最终路由表，同步给转发节点，转发节点根据路由表投递数据。

快速避障

除了最短路径规划外，一张优秀的传输大网，应该具有快速避障的能力，WE-CAN 主要从 3 个角度切入这个问题。

• 控制节点检测到网络大规模抖动或者机器宕机，会立即更新路由表并下发。
• 转发节点之间有 ARQ 和 FEC 等机制，对抗突发的网络丢包。
• 转发节点在感知链路 RTT 变长超过阈值时，会将发送路由从最优切换到次优。

传输质量对比 

WE-CAN和公网在中国到美国的传输质量对比:

优质传输率：所有统计窗口中到达率大于 95% 的比率
延迟：RTT

元宇宙的应用落地

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网易云信的虚拟人解决方案，能适用于金融智能虚拟客服、互联网医疗远程问诊、新闻虚拟主播、社交娱乐虚拟偶像、智能虚拟助手、电商虚拟直播等场景。相比于市场上其他虚拟人方案，网易云信提供了一站式的 SDK，用户仅需对接一个 SDK 即可同时拥有虚拟人、RTC、直播等多项能力。同时，首创客户端和云端双渲染技术，以满足不同客户和场景的实际需求。

结语

刘慈欣先生认为：人类面前有两条路，一条向外，通往星辰大海；一条向内，通往虚拟现实。前者志在探索广袤宇宙，后者积极开拓元宇宙世界。对此，陈策表示，尽管真正的元宇宙何时会向世人呈现其完整面貌仍未可知，但在通往元宇宙的过程中，关键技术及产业将会获得巨大发展契机，对未来人类社会和商业模式变革产生重要影响。在这个过程中，网易云信也将深入具体场景，洞察企业客户真实需求，为客户提供更优质、更稳定的产品能力和服务。