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即將到來的“互聯網晴天”

時間:2024-02-07


設計互聯網是為了在全球范圍內傳輸數據,即便受到自然災害、核攻擊或其他災難的破壞,也要做到這一點。其最初的目標只是增加網絡傳輸的數據量,但隨著視頻會議和網絡游戲等實時應用變得越來越重要,當務之急是減少延遲(網絡傳輸數據所需要的時間)。
持續蔓延的新冠疫情迫使許多人只能遠程工作和社交,大大增加了對時間敏感型應用的需求。挑戰始于網絡的一端,即數據發送者所在的一端,并沿著路由一直到達在另一端等待接收數據的用戶。在多個獨立點之間沿多條路由實時傳遞數據時,延遲和中斷經常接踵而至,因此電話會議過程中會發生通話掉線和中斷。
將這類延遲降到最低的一種方法是開辟出一條互聯網路徑,并且必須考慮到前方的流量狀況。我的公司Subspace使用定制硬件和專有光纖主干網構建了這樣一個網絡。我們已經證明它并不復雜,用戶只需要登錄一個網頁門戶即可,不需要任何更復雜的操作。總而言之,Subspace為互聯網創建了一張“氣象圖”,可以發現網絡中不穩定的部分,并圍繞這些部分開展工作,以實現更好、更快的實時數據傳輸。
我們可以從統計數據中看出當前疫情引發的網絡變化。2019年12月,視頻會議公司Zoom的日參與人數為
1000萬,而到了次年4月,這個數字變成了3億。數十年來一直困擾著在線游戲玩家的網絡延遲問題,讓剛剛使用實時互聯網應用的人們感到措手不及,深受其擾。
Subspace成立于2018年初。起初,我們的預計是實時應用的互聯網性能沒有達到最優,但結果遠比我們想象的要差得多。超過20%的聯網設備在任一給定時間都會出現性能問題,80%的設備每天都會出現多次重大中斷。
我們最初專注于多人游戲,在這種游戲中,玩家的體驗取決于實時網絡性能,每一毫秒都很關鍵。2019年下半年,我們為全球最大的游戲開發商之一部署了網絡和技術,讓參與度提高了一個數量級,并通過有競爭力的連接讓玩家數量翻了一番。
互聯網性能從兩方面直接影響網絡游戲:首先必須下載游戲,這是對大量數據的一次性請求,當今互聯網可以很好地支持這一點。此外,玩游戲還需要少量的數據傳輸以同步玩家的行動與游戲的整體狀況,而互聯網幾乎不支持這一點。
玩家的問題與延遲、抖動(延遲的變化)和丟包(接收數據發生中斷)有關。例如,高延遲連接限制了可以快速加入的玩家池,從而限制了“配對”速度或者玩家之間相互連接的過程。較慢的配對又會導致沮喪的玩家在游戲開始前退出,導致配對池中留下的玩家更少,進一步限制了剩余玩家的選擇,從而造成惡性循環。
2020年,新冠疫情將世界推向視頻會議和遠程學習后,這些性能問題突然開始影響更多人。例如,從事IT技術支持熱線的人開始遠程工作,經理們不得不匆忙尋找辦法讓這些員工能夠以清晰可靠的方式接聽電話。相較于擁有穩健光纜線路的集中辦公室,在個人的家中做這件事要困難得多。除此之外,呼叫中心的呼叫量也達到了歷史最高水平。客戶服務軟件提供商Zendesk發現,與上一年相比,2020年2月至2021年2月間,支持請求增加了30%。該公司還估計,呼叫量將穩定在疫情前平均水平的120%左右。
疫情帶來的網絡使用上的變化也進一步加強了實現互聯網大眾化的必要性,即無論是誰或在哪里,每個人都必須有一個普遍一致的使用標準。這并不是一種絕對優勢,因為電子郵件的要求與網絡游戲或視頻會議的要求非常不同。
20世紀90年代,互聯網接入從僅用于軍事和某些教育組織擴展到了一個真正的通用系統。然后,Akamai和Cloudflare等內容交付網絡(CDN)將常用的請求數據(如圖像和視頻)放在了更靠近最終用戶“最后一英里”的數據中心和服務器中,實現了數據緩存的大眾化。最后,亞馬遜、微軟等公司建立了云計算數據中心,使人工智能、視頻編輯和其他計算密集型項目更靠近“最后一英里”用戶。
不過,大眾化還有最后一個階段尚未實現,即數據路由路徑的大眾化。互聯網連接著數億個節點,但連接這些節點的路徑的實際性能卻有很大差異,即使在大城市也是如此。節點之間的連接是為了盡可能多地傳遞數據,而不是始終如一地傳遞數據或以最小的延遲傳遞數據。
以高速公路來打比方:假設你正在從洛杉磯到芝加哥的公路上,而一場已經持續很久的暴風雪正在洛基山脈肆虐。雖然從丹佛走通常是最直接(也是最快)的路線,但暴風雪會減慢你的速度,甚至會造成事故。相反,繞道穿過達拉斯可能更合適。這樣做的話,你就是在對路線當前的實際情況做出反應,而不是依賴其應有的性能。
大眾化的網絡元素不一定會根據最低成本或最高容量選擇最佳路由。相反,正如谷歌地圖、Waze和其他導航與路線規劃應用為駕駛員所做的那樣,一個完全大眾化的互聯網將沿著性能和穩定性最佳的路徑發送數據。換言之,吞吐量最大或躍點最少的路由不會自動成為優先選擇。
傳統上,人們強調要通過網絡推送更多數據,但這忽略了所有會導致延遲的因素,如不穩定性、地理距離遠或路徑迂回。因此,即便Wi-Fi連接速度為每秒100兆比特,Zoom通話仍會不穩定。發生這種情況時,連接你與通話對象的網絡元素無法提供始終如一的性能。
互聯網路由通常會沿著邊境線、山脈等比較迂回的路徑,就像開車穿越國家經常要通過幾條高速公路一樣。更糟糕的是,網絡服務提供商(ISP)和運營商網絡不知道自身之外還有什么,在互相傳遞數據包時,它們常常會回溯。尤其是“最后一英里”(類似于駛離州際公路后進入地方公路)比較棘手,因為數據流量要根據成本、政治和所有權在運營商之間切換。正是這種間接路由、網絡對整個互聯網了解的缺乏,以及“最后一英里”的不一致性讓以最小延遲傳遞數據變得極其困難。
更好的解決方案是將數據重新路由到目前性能最好的路徑上。這在理論上可能很簡單,但由于一些原因,實現起來卻可能很復雜。
首先,在過去20年里,網飛(Netflix)和其他視頻流平臺的出現阻礙了實時應用的發展。這類平臺會優先將經常請求的數據放在更靠近網絡邊緣的位置,因此這些網絡不利于延遲敏感型視頻通話和網絡游戲。與此同時,雖然網絡服務提供商一直在宣傳和提供更快的上傳和下載速度,但現有的網絡基礎設施卻只是變得越來越穩固了而已。有一句諺語恰好詮釋了這種情況:如果你手里只有一把錘子,那么你看什么都像釘子。
更重要的是,在數據通過其網絡路由后,網絡服務提供商和內容交付網絡無法對數據進行實際控制。因為向某家網絡服務提供商支付了服務費并不意味著你發出的每個請求都限制在其控制的網絡部分中。事實上,請求通常不會如此局限。
一家運營商可能會沿著自己網絡中的最佳路徑路由數據,并將數據傳輸到另一家運營商的網絡,卻不知道第二家運營商的網絡目前擁堵。運營商需要有一只天空之眼針對他們自己沒有意識到可能出現和正在出現的延遲進行協調。這就是Subspace的作用之一。
實際上,Subspace創建了自己的實時互聯網流量和狀況地圖,與Waze繪制道路和高速公路交通地圖的方式類似。Waze會利用收集到的信息根據當前交通狀況重新安排人們的路線,同樣,Subspace可以對互聯網流量進行同樣的處理,它所看到的不止是某一運營商控制的部分。
Subspace使用了定制的全局路由器和路由系統,以及專用的光纖網狀網絡,可為出于某種原因非常容易發生延遲的路由提供其他路徑選擇。全球已有100多個數據中心設施安裝了這種硬件。IT管理員可以輕松地通過Subspace網絡安排傳出流量路由,從而比傳統的公共域名系統(DNS)更快地將流量傳輸至其目的地。
Subspace使用了定制軟件來引導流量繞過它和目標目的地之間可能存在的任何障礙。軟件可以實時測量所有可能路徑上的延遲(以毫秒為單位)、抖動(延遲的變化)和丟包(在一定時間間隔內成功傳輸的數據包數量)情況。每當出現異常或意外的延遲峰值(我們稱之為“互聯網天氣”)時,軟件就會根據需要在整個網絡上自動重新路由流量。
企業已嘗試過使用軟件定義廣域網(SD-WAN)和多協議標簽交換(MPLS)等技術來搭建專網來避免出現互聯網壞天氣。然而,只有所有員工都向少量中央辦公室匯報時,這些方法才有用。如果大量員工居家辦公,那么每個家庭都要被視作一個分支辦公室,后勤工作就會變得過于復雜且成本高昂。
除了隨機的壞天氣外,公共互聯網上還有一些流量問題是由于某些安全措施的副作用而產生的。以名為“分布式拒絕服務”(DDoS)攻擊的故意破壞行為為例,在這種攻擊中,惡意行為者會向服務器發送大量數據包以使系統過載。多人游戲中常有這種情況。為了阻止此類攻擊,行業標準的“DDoS清理”技術會嘗試將惡意流量與“安全”流量分離。然而,將流量傳輸到清理中心往往意味著要通過發夾式的蜿蜒路線進行路由,這可能會增加100毫秒以上的延遲。
Subspace防止DDoS攻擊的辦法是自己充當流量過濾器,不改變數據包的路徑,也不會以任何方式增加延遲。過去兩年,我們估計Subspace已經阻止了數百起針對多人游戲的DDoS攻擊。
在最初的幾十年里助力互聯網發展的技巧已經無法帶來預期回報,因為人們現在對網絡提出了帶寬以外的更多要求。只通過網絡傳輸大量數據已無法維持創新。
相反,互聯網需要由專用網絡提供穩定直接的光速通信。到目前為止,我們僅限于與大公司合作,滿足他們的特定網絡需求。不過,我們最近也向所有應用程序開發人員開放了我們的網絡,以期提高所有互聯網應用的網絡性能。
有了新的完善互聯網,人們就不用再忍受斷斷續續的Zoom通話。進行遠程醫療的外科醫生也不會在縫合過程中被中斷。最終,物理現實、增強現實和虛擬現實相融合的元宇宙將成為可能。
作者:Bayan Towfiq

IEEE Spectrum

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