薛 淼，劉千仞，符 剛，王光全（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

0 前言

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N由多方共同維護，以塊-鏈結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)，利用分布式節(jié)點共識算法同步和更新數(shù)據(jù)，利用加密技術(shù)實現(xiàn)傳輸及訪問安全，利用可自動化執(zhí)行代碼組成的智能合約操作數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)一致存儲、無法篡改、無法抵賴的技術(shù)體系。區(qū)塊鏈因其去中心/去中介、天然的可溯源/不可篡改及分布式應(yīng)用特征吸引行業(yè)人員關(guān)注。

2017年加密貨幣的火爆使區(qū)塊鏈為大眾認(rèn)知，2018年區(qū)塊鏈技術(shù)在逐漸完善的同時，在應(yīng)用落地方面呈現(xiàn)多元化發(fā)展，向?qū)嶓w經(jīng)濟延伸，強調(diào)與實體產(chǎn)業(yè)結(jié)合。落地應(yīng)用由金融領(lǐng)域向其他垂直領(lǐng)域擴展，探索各垂直領(lǐng)域創(chuàng)新應(yīng)用，形成“多點開花”局面。

區(qū)塊鏈在電信運營商的應(yīng)用場景仍處于探索階段，國內(nèi)外主流運營商均在區(qū)塊鏈應(yīng)用方面進行嘗試。電信運營商一方面需要梳理區(qū)塊鏈能夠應(yīng)用在運營商哪些場景，貼合區(qū)塊鏈特性，另一方面也需考慮區(qū)塊鏈的剛性需求及相對現(xiàn)存競品的優(yōu)勢。本文主要介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)基本原理、標(biāo)準(zhǔn)進展、運營商場景應(yīng)用分析以及面臨的挑戰(zhàn)。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)簡介

1.1 區(qū)塊鏈原理

1.1.1區(qū)塊鏈賬本

如圖1所示，區(qū)塊鏈以塊-鏈方式存儲記錄或交易。區(qū)塊包含區(qū)塊頭和區(qū)塊體，區(qū)塊頭通常包含前一個區(qū)塊的哈希散列值、Merkle根、時間戳等，區(qū)塊體包含從網(wǎng)絡(luò)廣播中收集的記錄或交易。在區(qū)塊頭中的Merkle根是對每一筆記錄或交易的Hash值進行兩兩Hash得到的，對任何一個記錄或交易的改變都會導(dǎo)致Merkle根的改變，從而保證了交易的不可篡改。區(qū)塊頭存儲了前一個區(qū)塊的Hash值，保證了每一個記錄或交易的可追溯。

圖1 區(qū)塊鏈架構(gòu)示意圖

1.1.2 共識機制

每個區(qū)塊被加到區(qū)塊鏈尾部時，需要經(jīng)過區(qū)塊鏈節(jié)點的驗證共識。區(qū)塊鏈中達成共識的流程一般是先由一些節(jié)點進行記賬，然后由其他節(jié)點進行驗證，驗證通過即達成共識。

傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)共識算法主要解決節(jié)點通信不可靠、宕機、時序等問題，通常假設(shè)不存在主觀做惡的節(jié)點。而在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，更加側(cè)重存在惡意節(jié)點時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的一致性，即非可信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下形成的可信數(shù)據(jù)存儲。

比特幣PoW共識機制流程如下。

a）節(jié)點收集廣播中還沒有被記錄到賬本的原始交易信息（交易信息主要是比特幣網(wǎng)絡(luò)參與者的轉(zhuǎn)賬/支付信息）。

b）檢查每個交易信息中付款地址有沒有足夠的余額。

c）驗證交易是否有正確的簽名。

d）把驗證通過的交易信息進行打包記錄。

e）添加一個獎勵交易：給自己的地址增加特定數(shù)量的比特幣。

f）選擇隨機數(shù)，然后不斷嘗試計算nonce哈希，滿足某一個難度標(biāo)準(zhǔn)（若干前導(dǎo)0開頭的Hash值）。

g）如果計算成功，則挖礦成功，向全網(wǎng)廣播挖礦所得，全網(wǎng)節(jié)點驗證后，把這個區(qū)塊連接到區(qū)塊的尾端，并且在全網(wǎng)達成一致。

1.1.3 智能合約（SC）

智能合約是記錄在區(qū)塊鏈上的一段程序代碼，其可以自動執(zhí)行并對賬本上的數(shù)據(jù)進行操作。智能合約可以用來將特定交易流程的規(guī)則代碼化并保證嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)定義的規(guī)則。在特定的區(qū)塊鏈實現(xiàn)中，智能合約也可以作為上層應(yīng)用讀寫賬本的接口。智能合約是區(qū)塊鏈構(gòu)建分布式應(yīng)用的基礎(chǔ)。

1.2 區(qū)塊鏈分類

目前區(qū)塊鏈已經(jīng)存在很多變種以及各自針對的場景。如表1所示為區(qū)塊鏈針對不同參與對象的一種分類：公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈。

1.3 區(qū)塊鏈認(rèn)識誤區(qū)

a）區(qū)塊鏈就是比特幣。區(qū)塊鏈不等于比特幣。雖然區(qū)塊鏈源于比特幣，但是比特幣僅是區(qū)塊鏈承載的一種應(yīng)用。區(qū)塊鏈經(jīng)過多年的發(fā)展，無論是適用場景還是技術(shù)實現(xiàn)都已經(jīng)有了很大改進。

表1 區(qū)塊鏈分類

b）區(qū)塊鏈耗能嚴(yán)重。目前大量基于公有鏈的加密貨幣項目采用PoW共識機制，PoW會消耗大量的資源。但是PoW僅是區(qū)塊鏈的一種共識機制，區(qū)塊鏈也可以采用PoS、PBFT等耗能低的共識機制。

c）區(qū)塊鏈無法監(jiān)管。企業(yè)場景下的聯(lián)盟鏈采用多中心方式，能夠進行集中監(jiān)管。

2 區(qū)塊鏈標(biāo)準(zhǔn)及開源

2.1 標(biāo)準(zhǔn)情況

目前國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)組織及行業(yè)聯(lián)盟均在開展區(qū)塊鏈相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。區(qū)塊鏈標(biāo)準(zhǔn)主要按照4個維度開展（見圖2），標(biāo)準(zhǔn)組織多數(shù)集中在制定區(qū)塊鏈High-Level框架標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前階段大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍在制定過程中，只有少數(shù)初稿發(fā)布審查。更多標(biāo)準(zhǔn)文檔預(yù)計會在2019年發(fā)布。

圖2 區(qū)塊鏈標(biāo)準(zhǔn)分類

區(qū)塊鏈的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要由如下幾個組織制定。

a）ISO。ISO于2016年9月成立了ISO/TC307（區(qū)塊鏈及電子化的分布式賬本技術(shù)），負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈的標(biāo)準(zhǔn)研制，主要工作領(lǐng)域包括：架構(gòu)和分類、用例、安全和隱私、身份、智能合約、區(qū)塊鏈治理以及區(qū)塊鏈之間的互操作性。

b）IEEE。IEEE啟動P2418系列，研究區(qū)塊鏈通用框架與架構(gòu)、互操作、數(shù)據(jù)格式及在物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)、能源、供應(yīng)鏈金融等垂直領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)要求。

c）ITU-T。ITU-T的多個FG和SG都有區(qū)塊鏈相關(guān)的研究項目（見表2）。

d）GSMA。GSMA重點關(guān)注區(qū)塊鏈技術(shù)在電信領(lǐng)域的應(yīng)用。

（a）在 IG（Internet Group）中啟動了 Blockchain：Opportunities for enhancedoperators propositions項目，分析區(qū)塊鏈技術(shù)特點、在運營商的應(yīng)用場景、商業(yè)機會、投資分析和建議，并發(fā)布白皮書。

（b）FASG（Fraud and Security Group）在探討使用區(qū)塊鏈技術(shù)防詐騙、增強網(wǎng)絡(luò)安全、用戶身份認(rèn)證及通信安全。

（c）IDS（Interoperability Data specifications and Settlement Group）BCE子組探討使用區(qū)塊鏈作為漫游計費結(jié)算方案的可行性。

e）W3C。Blockchain Community Group致力于Web賬本協(xié)議，用于根據(jù)ISO 20022生成區(qū)塊鏈的消息格式標(biāo)準(zhǔn)，并制定存儲使用指南，包括公有鏈、私有鏈和側(cè)鏈。該小組將研究和評估與區(qū)塊鏈相關(guān)的新技術(shù)以及區(qū)塊鏈用例，如銀行間通信。

f）ETSI ISG PDL。2018 年 12 月，ETSI成立 ISG PDL（Permissioned Distributed Ledgers），致力于研究PDL運營、業(yè)務(wù)用例、功能架構(gòu)及運營解決方案，以及關(guān)于接口/API、協(xié)議及數(shù)據(jù)格式的定義。2019年1月24日ISG PDL召開首次kick-off會議。

g）EEA。EEA通過制定標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)和規(guī)范以加速企業(yè)以太坊的行業(yè)采用，聚焦企業(yè)區(qū)塊鏈的技術(shù)規(guī)范制定和認(rèn)證。

表2 ITU-T區(qū)塊鏈標(biāo)準(zhǔn)情況

h）CCSA。CCSA在TC1 WG6和TC10 WG1區(qū)塊鏈子組承擔(dān)區(qū)塊鏈相關(guān)工作。TC1 WG6承擔(dān)區(qū)塊鏈總體技術(shù)要求、通用評測指標(biāo)和測試方法標(biāo)準(zhǔn)工作；TC10 WG1承擔(dān)區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)項目研究。

2.2 開源社區(qū)及平臺

超級賬本（Hyperledger）是Linux基金會于2015年發(fā)起的推進區(qū)塊鏈數(shù)字技術(shù)和交易驗證的開源項目，有超過200家企業(yè)加入，中國企業(yè)約30家；目前包括8個開源項目。

a）Fabric：面向企業(yè)應(yīng)用的聯(lián)盟鏈開源項目，已有多個商用案例。

b）Iroha：基于fabric的移動應(yīng)用。

c）Burrow：基于以太坊VM的客戶端。

d）Sawtooth：基于PoET共識的區(qū)塊鏈項目。

e）另外4個項目為開發(fā)者工具：Cello、Composer、Explorer、Indy。

Ethereum以太坊是一款能夠在區(qū)塊鏈上實現(xiàn)智能合約、開源的底層系統(tǒng)；以太坊在比特幣的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，提供了圖靈完備的智能合約語言，并創(chuàng)新性地提供了基于以太坊虛擬機的智能合約運行環(huán)境。2015年7月，以太坊客戶端第1版上線。以太坊是比特幣后最成功的一條區(qū)塊鏈。目前基于以太坊生態(tài)環(huán)境，存在大約1 000個Dapp，包括版權(quán)管理、數(shù)字簽名、Token發(fā)行、在線博彩、游戲等。

3 區(qū)塊鏈在電信運營商場景應(yīng)用

3.1 區(qū)塊鏈在運營商場景應(yīng)用分析

雖然區(qū)塊鏈底層實現(xiàn)使用P2P網(wǎng)絡(luò)進行同步，可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是整體上看，區(qū)塊鏈的功能主要面向IT應(yīng)用。從業(yè)務(wù)場景來看，存在不可信的多方參與且多方需要協(xié)作是采用區(qū)塊鏈技術(shù)的必要前提，而且項目實現(xiàn)中需要使用數(shù)據(jù)庫且存在多方寫入數(shù)據(jù)的需求。判斷應(yīng)用是否需要使用區(qū)塊鏈的分析如圖3所示。

根據(jù)與運營商的關(guān)系，涉及電信場景應(yīng)用存在如下幾種（不信任）多方的場景，這些場景具有使用區(qū)塊鏈的潛在需求。

a）國內(nèi)運營商間，如號碼攜帶、數(shù)字身份等場景。

b）國內(nèi)運營商與國際運營商，如國際漫游結(jié)算場景。

c）運營商與合作伙伴，如供應(yīng)鏈、PKI發(fā)布場景。

圖3 區(qū)塊鏈?zhǔn)褂梅治?/p>

d）運營商與監(jiān)管部門，如數(shù)據(jù)審計、監(jiān)管及合法監(jiān)聽記錄等場景。

e）運營商與個人/企業(yè)用戶，如積分管理、用戶管理、合同管理場景。

f）運營商內(nèi)部責(zé)任個體間（管理維度），如數(shù)字資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)管理、辦公流程管理等場景。

g）運營商內(nèi)部責(zé)任個體間（網(wǎng)絡(luò)維度），如網(wǎng)絡(luò)資源共享、資產(chǎn)共享、記錄存證等場景。

3.2 區(qū)塊鏈在運營商場景的應(yīng)用

結(jié)合上節(jié)分析，區(qū)塊鏈在電信運營商的網(wǎng)絡(luò)域、O域/B域、D域、M域均有應(yīng)用場景示例。

表3示出的是區(qū)塊鏈在電信運營商場景的應(yīng)用。

4 面臨挑戰(zhàn)

a）業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新。區(qū)塊鏈業(yè)務(wù)具有原生的分布式應(yīng)用特征，與傳統(tǒng)集中化的業(yè)務(wù)模式有著明顯差別；電信網(wǎng)場景下基于區(qū)塊鏈的2C/2B分布式應(yīng)用孵化與開發(fā)需探索創(chuàng)新業(yè)務(wù)模式，同時也需要綜合考慮成本、競品的因素。

b）技術(shù)積累。區(qū)塊鏈技術(shù)方案多樣，包括隱私保護、可擴展性（規(guī)模/性能）、智能合約方案等存在差異，為產(chǎn)品選型帶來挑戰(zhàn)；同時分布式應(yīng)用的日常運營維護及Troubleshooting需要積累經(jīng)驗；區(qū)塊鏈應(yīng)用的開發(fā)、選型、維護都需要技術(shù)積累。

表3 區(qū)塊鏈在電信運營商場景應(yīng)用

5 結(jié)束語

本文介紹了區(qū)塊鏈的基本原理及區(qū)塊鏈標(biāo)準(zhǔn)進展情況，結(jié)合電信運營商場景進行分析提出區(qū)塊鏈在運營商場景應(yīng)用示例，并分析區(qū)塊鏈應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈在電信運營商場景的應(yīng)用仍處于探索階段，一些典型應(yīng)用如PKI發(fā)布、數(shù)字身份、數(shù)據(jù)管理等應(yīng)用已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)進行試驗，但是區(qū)塊鏈的分布式特征與電信運營商的集中化管理的適配仍需進一步檢驗。