超低延迟传输网络架构在元宇宙场景的应用元宇宙音视频网络传输协议

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。

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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；

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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。

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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。

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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。
【超低延迟传输网络架构在元宇宙场景的应用】WE-CAN 的解决思路：

在北京和洛杉矶之间计算出一条最优公网路由；
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；
有一定 QoS 机制对抗弱网；
遇到网络抖动和机器故障，能快速反应，路由切换；

WE-CAN 架构

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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。

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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

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元宇宙的应用落地网易伏羲遥感机械助力传统产业数字化转型，在网络环境较差的户外环境也能通过手机远程操控挖掘机进行生产工作，同时可适配中低端手机，将复杂的计算和渲染等放在云端完成，帮助生产效率的提升。

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网易瑶台是国内首个元宇宙落地产品，区别于传统视频会议的单一呈现方式，瑶台更具虚拟的沉浸感，也更能满足现实世界的切实需求。网易曾将全球投资者大会的举办地搬到了瑶台虚拟世界，来自全球多个国家的 200 多位投资者，通过自己的虚拟形象，交流网易业务的最新动态。整个场景便是基于网易云信的 WE-CAN 全球智能路由网络和融合通信能力打造。

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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。

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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。