狭义元宇宙9大技术：一种基于狭义元宇宙体系结构的观点

文章作者：甘华鸣   中国移动通信联合会元宇宙产业委员会常务副主任、共同发起人，中国通信工业协会区块链专业委员会副主任

1    缘起

 狭义元宇宙技术有哪些？（或者，一些人所说的“元宇宙技术”有哪些？）坊间众说纷纭，但几乎都不能令人信服。

 笔者认为，狭义元宇宙技术是一个系统，任何有意义的对狭义元宇宙技术构成的分析都必须基本经得住下列质疑或考问：

 把狭义元宇宙切分为n大技术，有根据吗？根据是什么？

 为什么是n个，而不是n+1个、n-1个或者其他个数？

  为什么是这几个，而不是别的几个？

 切分有遗漏吗？有交叉吗？

  切分的层次适当吗？颗粒度适当吗？

  归根结底，切分具备科学的、逻辑的系统性吗？

  为了基本经得住上列质疑或考问，本文在全面而扼要地分析狭义元宇宙体系结构的基础上，提出狭义元宇宙9大技术。

  2    狭义元宇宙体系结构

  2.1    狭义元宇宙体系结构模型

  狭义元宇宙就是互联网（参见本文附录）。注意，一些人所说的“元宇宙”实际上就是狭义元宇宙（参见本文“4  术语说明”）。

  笔者尝试地提出狭义元宇宙体系结构甘氏模型，该模型既刻画了狭义元宇宙系统层面的互联网的体系结构，又刻画了组分层面的作为互联网端系统的计算机的结构，可用图1表示。

图1  狭义元宇宙体系结构甘氏模型图

    2.2    互联网（因特网）

 互联网（Internet，因特网）是全世界亿万台自治的计算机组成的通信、资源共享、合作系统，这些计算机用传输介质和交换设备连接起来、由包括TCP/IP协议族在内的网络软件管理和协调。

  互联网的结构见图1上半部。互联网的结构通常叫做互联网体系结构（Internet Architecture）。

  互联网由通信网络和端系统/资源系统这两大部分构成。通信网络是为端系统/资源系统提供服务的。

  2.2.1    通信网络

  通信网络（communication network）是用来把全世界亿万台自治的计算机连接起来的传输介质和交换设备的整体。

  通信网络具有一个分为3层的层次结构。

  通信网络的顶部是数量很少的第一层ISP（tier-1 ISP），这些ISP是国际化的广域网（wide area network，WAN）。

  第一层ISP之下是数量较多的第二层ISP（tier-2 ISP），这些ISP往往是区域性的广域网或者城域网（metropolitan area network，MAN）。

  通信网络的底部是数量极多的第三层ISP（tier-3 ISP，也称为互联网接入服务提供者（access ISP）)，这些ISP是局域网（local area network，LAN，也称为内联网（Intranet）)。

  2.2.2    端系统/资源系统

  一个端系统（end system，也叫做主机（host）)就是一台接入通信网络的计算机。作为端系统的计算机可以是个人计算机、智能手机，也可以是超级计算机、服务器、工作站、工业控制计算机、网络计算机，还可以是嵌入式计算机。（嵌入式计算机嵌入在亿万个各种各样的物理物中，例如医疗设备、工业设备、恒温调节器、安全摄像头、智能路灯、GPS 导航系统、车载电子设备、数码相机、电子书阅读器、游戏机、家用电器等。）

  一台作为端系统的计算机在功能上就是一个可以被其他端系统共享本地资源的资源系统（resources system）。计算机的各个组分，硬件、软件和数据，都是资源，都可以被其他端系统共享。由此就产生了全网资源系统集合的资源配置问题。

  2.3    计算机

  计算机（computer，这里指电子数字计算机（electronic digital computer））是自动执行程序来接收输入数据、处理和存储数据、产生输出数据的电子机器。程序是算法的表示，数据是信息的表示，计算机内部的数据是二进制数据。

  计算机由计算机硬件、计算机软件和计算机数据等三大部分组成，是硬件、软件和数据的综合体。顺便指出，过去的观点是计算机由硬件和软件这两大部分组成。

  软件存储在硬件中（具体地说，存储在存储器中）。计算机运行时，软件指示硬件的每一步动作。

 数据存储在硬件中（具体地说，存储在存储器中）中。计算机运行时，数据在计算机中处理和存储；计算机通信时，数据在互联网中传输。

  下面对硬件、软件和数据的介绍，是把硬件、软件和数据作为组成一台计算机的组分，并且把一台计算机的硬件、软件和数据分别作为系统来讨论的，而不是脱离计算机结构来言说的。

  2.3.1    硬件

  计算机硬件（computer hardware ，简称硬件（hardware））是由电子、机械和光电元件等组成的各种物理装置的整体。硬件具有物理形态。

  硬件的结构见图1下半部的左上部。硬件的结构通常叫做计算机体系结构（computer architecture）。

  硬件由中央处理单元（CPU）、主存储器、外围设备这三大逻辑部件（或者说功能部件）组成。所有这些部件都由一组叫做总线的电缆连接起来以互相传输程序和数据。

  中央处理单元（CPU）由算术/逻辑单元、控制单元和寄存器单元组成。

  主存储器包括只读存储器、随机存取存储器和高速缓冲存储器（简称高速缓存）。

  外围设备包括外存储器和输入输出设备。

  顺便指出，寄存器、高速缓存、主存储器和外存储器统称存储器。

  2.3.2    软件

  计算机软件（computer software ，简称软件（software））是多种计算机程序（computer program，简称程序（program））组成的整体，而程序是指示硬件的每一步动作的指令序列。程序是算法的表示。软件没有物理形态。

  应该指出，广义的软件还包括文档（documentation）。

  软件具有一个嵌套的层次结构，见图1下半部的右上部。

  软件分为应用软件和系统软件这两层。应用软件包含网络应用软件。

  共信软件是网络应用软件的一类，共信软件具有特别重要的社会意义。目前共信软件只有区块链软件这一种，我们期待计算机科学家和工程师发明更多的共信软件。

  系统软件分为实用软件和操作系统这两层。

  实用软件与应用软件之间的差别是比较模糊的。

  操作系统分为用户界面和内核这两层。

  2.3.3    数据

  计算机数据（computer data，简称数据（data））是能够通过某种手段输入到计算机中、被计算机处理和存储、用通信网络传输的符号系统。数据是信息的表示。数据没有物理形态。

  在计算机内部的数据都是二进制数据。

  在计算机外部的数据有数值、文本、音频、图像、视频等类型。数值和文本是数字数据，音频、图像、视频等是模拟数据。

  数值、文本、音频、图像、视频等通过输入设备输入计算机时要转换为位模式，模拟数据要进行模数转换，这叫做数字化（digitization）；位模式从计算机通过输出设备输出时要转换为数值、文本、音频、图像、视频，有些要进行数模转换，这叫做还原。

  3    狭义元宇宙9大技术

  3.1    狭义元宇宙技术模型

  笼统地说，狭义元宇宙技术是互联网技术（在狭义元宇宙系统层面）和计算机技术（在狭义元宇宙组分层面）的总和。

  所谓狭义元宇宙n大技术，实际上就是切分狭义元宇宙而得到的n个范畴的集合。

  根据狭义元宇宙体系结构甘氏模型来切分，得到狭义元宇宙技术的9个范畴，称为狭义元宇宙技术甘氏模型，可用图2表示。显然，在一定程度上可以说，狭义元宇宙技术甘氏模型只不过是狭义元宇宙体系结构甘氏模型的组分版，即，前者只抽取了后者中的组分而省略了各个组分相互之间的关系。

图2  狭义元宇宙技术甘氏模型图

  狭义元宇宙9大技术如下：

  ■计算技术（严格地说，应该叫做处理技术；主要是CPU，也包括GPU等；又可以叫做算力技术）；

  ■存储技术（指各种存储器；又可以叫做存力技术）；

  ■输入输出技术（指各种输入输出设备；又可以叫做交互技术）；

  ■系统软件技术；

  ■应用软件技术；

  ■共信软件技术（共信软件是网络应用软件的一类，具有特别重要的社会意义，所以单列）；

  ■数据技术；

  ■通信网络技术；

  ■资源配置技术（关于全网资源系统集合的资源配置的技术）。

  对于实现愿景/理想的元宇宙，上述9大技术的任何一种都是不可或缺的，并且整体是不可存在短板的。例如，愿景/理想的元宇宙所具有的无差沉浸感的实现就不仅仅依赖先进的输入输出技术，而且依赖先进的计算技术、应用软件技术、资源配置技术等。

  3.2    ABCD5IR与狭义元宇宙9大技术的关系

  人们常说的新一代信息技术数字技术ABCD5IR等，实际上都分别归属于狭义元宇宙9大技术中的某种技术，或者涉及其中的某几种技术：

  A（AI，artificial intelligence），人工智能，主要属于应用软件技术（人工智能软件），也可以固化在CPU等芯片上（人工智能芯片）；

  B（blockchain），区块链，属于共信软件技术；

  C（cloud computing），云计算，属于资源配置技术；

  D（big data），大数据，属于数据技术；

  5（5G，5th generation mobile communication technology），第五代移动通信技术，属于通信网络技术；

  I（IoT，internet of things），物联网，是互联网的扩展，其作为端系统的嵌入式计算机嵌入在亿万个各种各样的物理物中；

  R（VR、AR、MR、XR），虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实，属于输入输出技术。

  关于狭义元宇宙9大技术的细分领域和当前进展，由于篇幅关系本文不做介绍，笔者将在后续文章中做出比较详细的介绍。

  4    若干术语说明

   ■狭义元宇宙，元宇宙

  本文的狭义元宇宙指互联网，所以也就是一些人所说的“元宇宙”。

  现在“元宇宙”一词有三个相关而宽窄不同的意思。从窄到宽如下：

  第一个，虚拟世界；

  第二个，互联网，当然包含虚拟世界；

  第三个，世界，当然包含互联网。这个意思的元宇宙的一句话定义：元宇宙（Metaverse）是虚拟世界（或者说数字世界）与现实世界（或者说物理世界）融合为一体的世界；简略地说，元宇宙是虚实融合（或者说数物融合）的世界。

  笔者持最后一种观点。

  当然，在笔者的术语系统中，狭义元宇宙也可以简称元宇宙。如此一来，术语“元宇宙”就有广义和狭义两个意思了。在科学理论中，一个术语有广义和狭义等两个意思的现象并不稀罕，例如术语“社会”，有广义的包含经济、政治、军事、文化的“社会”，有狭义的跟经济、政治、军事、文化并列的“社会”，狭义“社会”是广义“社会”被抽走经济、政治、军事、文化之后的剩余部分。

   ■技术

  技术是人工物，是改造世界的手段和产物。

  技术可以是物质性的，例如铅笔、轴承、手机、全球定位系统、飞机、房屋、水电站、铁道运输系统、机器人等等；也可以是非物质性的，例如数字压缩算法、office办公软件、石油炼制流程等等。

   ■互联网，因特网

  虽然互联网（internet，首字母小写，最早称为inter-network或者internetwork）本来是指网络的网络，可以有许多个，而因特网（Internet，首字母大写）只是互联网的一个，一个独特的、世界范围的互联网，但现在真正被全人类普遍使用的互联网只有因特网，所以，现在人们通常用术语“互联网”（internet）来指称因特网（Internet）。

 在本文中，除非特别声明，术语“互联网”指因特网。笔者在不同的语境下按照习惯选用术语“互联网”或者“因特网”。顺便指出，别的互联网在原理上是跟因特网类似的。

  ■因特网服务提供者（ISP）

  通信网络的构建和维护是由称为因特网服务提供者（Internet service provider，简称ISP）的机构来完成的。业界在习惯上也用“ISP”（“因特网服务提供者”）来表示通信网络本身。本文按照习惯用“ISP” （“因特网服务提供者”）表示通信网络本身。

  ■区块链，共信

  区块链是一种崭新的、划时代的信任机制，是史无前例的、独一无二的，是根本不同于传统信任机制的。

  区块链第一性原理（first-principle of blockchain）：区块链制造共信（contrust，common trust，共同信任），即，区块链的核心功能是制造共信。形象化地说，区块链是制造共信的机器，简称共信机器（contrust machine）。学术性地说，区块链是共信系统（共信平台）。正是由于这个原因，区块链可以取名为共信网（contrustnet）。

  共信，区块链制造的共信，是一种崭新的、划时代的信任，是史无前例的、独一无二的，是根本不同于传统信任的，即根本不同于互信和第三方信任的。

  共信具有下列性质：

  第一，共信的被信任者是由包括信任者在内的所有参与者构成的系统整体；

  第二，共信的信任系统能够抗拜占庭攻击，即任何参与者或者环境都不可能给信任者的利益造成损害。

  上述第二个性质就是说，共信能够抗参与人背叛、能够抗环境失效；再换句话说，共信是免参与者信任、免环境信任的，共信是不依赖于参与者的可信任、不依赖于环境的可信任的。参与者你、我、他、任何人，以及环境，可以信任，很好，不可以信任，也没有关系——不用信任你，不用信任我，不用信任他，不用信任任何人，并且不用信任环境。所谓“无信任的信任”（trustless trust），其真正意思就是免参与者信任、免环境信任的信任。

  可见，共信不但是信任的一种，而且是比传统信任更高级的信任，是最高级的信任；区块链不但是信任机制的一种，而且是比传统信任机制更高级的信任机制，是最高级的信任机制。

附录    元宇宙原理甘氏模型图（摘自《元宇宙原理概述》）

 【本文是笔者正在撰写的元宇宙图书的“第三篇  狭义元宇宙”的部分摘要】