基于5G+MEC的區(qū)塊鏈規(guī)?；渴鹛剿?/h1>
2020-04-24 02:32劉秋妍李福昌張忠皓李銘軒李佳俊中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院北京00048中國聯(lián)通華盛通信有限公司北京0003
郵電設(shè)計技術(shù) 2020年3期
劉秋妍，馮 毅，李福昌，張忠皓，李銘軒，李佳?。?中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 00048；.中國聯(lián)通華盛通信有限公司，北京 0003）
0 引言
隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，各垂直行業(yè)的信息化水平日益提升。但在“互聯(lián)網(wǎng)思維”模式下，信息系統(tǒng)設(shè)計遵循“中心化”思想，集中式的管控中心是信息系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)全部業(yè)務(wù)的統(tǒng)一調(diào)度和全網(wǎng)數(shù)據(jù)的集中存儲，而終端節(jié)點只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與業(yè)務(wù)交互。因此，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可信度只能依賴集中式的管控中心或第三方背書。當(dāng)集中式管控中心或第三方中介存在技術(shù)故障、道德風(fēng)險時，互聯(lián)網(wǎng)思維下的可信體系便面臨嚴(yán)重的信用崩塌問題。除此之外，在多方參與的業(yè)務(wù)中，高額的第三方中介費(fèi)用、低下的業(yè)務(wù)處理效率、嚴(yán)重失衡的數(shù)據(jù)價值分配體系已經(jīng)逐漸被各行各業(yè)的業(yè)務(wù)參與者所詬病，成為制約多方合作、開放共贏機(jī)制良性發(fā)展的關(guān)鍵因素。
1 區(qū)塊鏈發(fā)展歷程
2008年11月，中本聰發(fā)表了應(yīng)對金融危機(jī)的白皮書《比特幣：一種點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)》，提出了集鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、點對點傳輸、分布式存儲、共識機(jī)制、加密算法等多種技術(shù)為一體的區(qū)塊鏈技術(shù)體系作為分布式可信系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，誕生了第1代區(qū)塊鏈技術(shù)。第1 代區(qū)塊鏈主要是面向數(shù)字貨幣應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)的，僅包含支付、流通等較為簡單的功能。隨后幾年，隨著以比特幣為代表的數(shù)字貨幣應(yīng)用的推廣，在第1 代區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上引入了智能合約機(jī)制演化出了第2代區(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈以其基于機(jī)器代碼實現(xiàn)的信任機(jī)制，在改變價值分享方式的同時，對更廣泛的金融應(yīng)用場景進(jìn)行了效率優(yōu)化并進(jìn)一步推廣到各個領(lǐng)域，甚至一度被譽(yù)為改變生產(chǎn)關(guān)系的一種近乎無所不能的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)。直到2018年前后，區(qū)塊鏈在實際應(yīng)用檢驗中逐漸暴露出一些技術(shù)問題，區(qū)塊鏈領(lǐng)域應(yīng)用預(yù)期一度跌至谷底，無論從區(qū)塊鏈行業(yè)投融資總量還是從區(qū)塊鏈領(lǐng)域技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)數(shù)量都出現(xiàn)了斷崖式的下滑。經(jīng)歷了一次涅槃重生的區(qū)塊鏈再次成為應(yīng)用技術(shù)研究的熱點時，第3 代區(qū)塊鏈技術(shù)正在經(jīng)歷從概念特征、技術(shù)組成、應(yīng)用模式等各個方面螺旋上升式的蛻變發(fā)展的階段。第3代區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)逐漸從數(shù)字貨幣的光環(huán)下剝離出來，并作為底層技術(shù)體系提供一種分布式可信高效解決方案。在社會、經(jīng)濟(jì)、政治、司法等各行各業(yè)，從原料追蹤到生產(chǎn)制造，從貿(mào)易結(jié)算到金融保險，從征信確權(quán)到司法存證，從社會監(jiān)管到網(wǎng)絡(luò)安全的各個領(lǐng)域應(yīng)用中，區(qū)塊鏈并不一定是最可信高效的優(yōu)選方案，通過構(gòu)建價值模型判別區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的必要性和可行性，在存在多方參與并需要建立基于機(jī)器代碼信任的生產(chǎn)關(guān)系和信任體系的應(yīng)用需求中，重新審視區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用價值的關(guān)鍵。
2 區(qū)塊鏈部署難題
區(qū)塊鏈技術(shù)自誕生以來，在理論概念和應(yīng)用預(yù)期層面一度蓬勃發(fā)展，但是在應(yīng)用落地層面，陷入了極大的困境，這與其技術(shù)本質(zhì)密切相關(guān)。區(qū)塊鏈作為一種基于分布式數(shù)據(jù)庫發(fā)展起來的技術(shù)體系，必然面臨存儲效率低下、吞吐性能受限于鏈上節(jié)點數(shù)量等核心問題，再加上源自互聯(lián)網(wǎng)思維早期推廣階段的推波助瀾，成百上千的異構(gòu)“煙囪式”區(qū)塊鏈導(dǎo)致區(qū)塊鏈底層技術(shù)平臺呈現(xiàn)割據(jù)狀態(tài)，為數(shù)據(jù)同步、監(jiān)控管理等方方面面引入新的難題。
2.1 存儲資源
區(qū)塊鏈技術(shù)的核心理念之一就是通過鏈上節(jié)點分布式存儲相同的以時間戳為索引的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的防篡改目的，這本身就是一種通過降低存儲效率的方式來實現(xiàn)更高可信度的分布式數(shù)據(jù)存儲方案。從理論上講，區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)不會被刪除，隨著區(qū)塊鏈長度增加，鏈上分布式節(jié)點數(shù)據(jù)存儲量與日俱增，為網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點乃至整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)帶來了非常巨大的存儲負(fù)擔(dān)。以比特幣為例，自2013年以來，比特幣區(qū)塊體積一直處于增長狀態(tài)，鏈上節(jié)點的存儲容量也隨之攀升。2017年11月，比特幣共產(chǎn)生約50 萬個區(qū)塊，鏈上單個節(jié)點存儲容量需求為166 GB。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用的逐漸推廣，鏈上存儲數(shù)據(jù)將會占用更多的存儲空間。因此，如何將鏈上節(jié)點存儲數(shù)據(jù)增速放緩或控制在有限的區(qū)域內(nèi)是解決存儲資源有限且資料利用率低的關(guān)鍵。
2.2 吞吐量
目前，區(qū)塊鏈應(yīng)用部署的瓶頸主要集中在共識算法低吞吐量、高時延等方面。以比特幣、以太坊為代表的公有鏈平臺，其交易吞吐量低于7 和20 個/s，如果每10 min產(chǎn)生一個區(qū)塊且假設(shè)每個區(qū)塊需要6個區(qū)塊確認(rèn)，那么全網(wǎng)產(chǎn)生一個區(qū)塊并完成確認(rèn)將超過1 h，這在很多實際應(yīng)用場景下是無法接受的，例如Visa 支付的交易吞吐量約為8 000 筆/s，而支付寶交易峰值吞吐量將達(dá)到25萬筆/s。共識算法是影響區(qū)塊鏈系統(tǒng)吞吐量的關(guān)鍵。區(qū)塊鏈的共識機(jī)制實質(zhì)上就是決定由哪一個節(jié)點來構(gòu)造區(qū)塊，以及如何保證鏈上節(jié)點擁有的區(qū)塊鏈賬本一致的問題。隨著鏈上參與共識節(jié)點的增加，共識算法的效率會逐漸降低，因此，如何設(shè)計一種既具備容錯能力，又能保證鏈上節(jié)點高效快速達(dá)成一致性的共識算法是改善區(qū)塊鏈系統(tǒng)吞吐量的核心。
2.3 互聯(lián)互通
目前，國內(nèi)外區(qū)塊鏈領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范尚不成熟，國內(nèi)區(qū)塊鏈應(yīng)用驅(qū)動也主要源自在軟件研發(fā)和應(yīng)用推廣具有優(yōu)勢的互聯(lián)網(wǎng)公司。但是，區(qū)塊鏈領(lǐng)域互聯(lián)網(wǎng)公司不僅自身缺乏大規(guī)模通信基礎(chǔ)設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)，且各個區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)公司紛紛基于不同架構(gòu)的底層區(qū)塊鏈開源項目進(jìn)行二次開發(fā)，出現(xiàn)了區(qū)塊鏈領(lǐng)域百家爭鳴的競爭態(tài)勢，誕生了依據(jù)垂直行業(yè)用戶需求建立的一個個“煙囪式”異構(gòu)區(qū)塊鏈系統(tǒng)，使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)天然被切分成眾多無法互聯(lián)互通的小塊，跨鏈互聯(lián)互通成為限制區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用的難點。
2.4 數(shù)據(jù)同步
在區(qū)塊鏈技術(shù)體系中，共識算法基于部署在鏈上節(jié)點的分布式數(shù)據(jù)庫達(dá)成共識，因此，保證鏈上節(jié)點分布式數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)高效精準(zhǔn)同步是提高共識算法容錯性能和保證數(shù)據(jù)完整性、一致性的關(guān)鍵。目前，鏈上節(jié)點間數(shù)據(jù)同步是通過將邏輯廣播消息向鄰居節(jié)點隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的模式實現(xiàn)的，但是，消息數(shù)據(jù)的廣播仍然需要占用多個物理信道，因此，消息數(shù)據(jù)同步的帶寬資源消耗和鏈上節(jié)點間同步時延抖動是衡量區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)同步性能的關(guān)鍵指標(biāo)。
2.5 監(jiān)管
由于區(qū)塊鏈分布式、可匿名性、智能合約自動執(zhí)行等技術(shù)特征，為透明化可控監(jiān)管帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈監(jiān)管主要聚焦在主體分散、智能合約自動執(zhí)行、內(nèi)容監(jiān)管和激勵機(jī)制中數(shù)字資產(chǎn)監(jiān)管等問題。分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由于沒有集中式存儲處理節(jié)點，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管主體需要同時對大量鏈上節(jié)點進(jìn)行管控。尤其是對沒有任何節(jié)點準(zhǔn)入限制和匿名泛濫的公有鏈節(jié)點進(jìn)行責(zé)任主體確認(rèn)和網(wǎng)絡(luò)行為監(jiān)管難度較大。另外，區(qū)塊鏈依據(jù)智能合約設(shè)置條件自動執(zhí)行而難以回退，但是在實際應(yīng)用中，對智能合約的執(zhí)行過程進(jìn)行控制是區(qū)塊鏈監(jiān)管領(lǐng)域必須和必要的。
3 基于5G+MEC的區(qū)塊鏈部署方案
3.1 基于5G+MEC的區(qū)塊鏈部署架構(gòu)
基于5G+MEC 的區(qū)塊鏈部署方案縱向采用聯(lián)盟鏈模式，以運(yùn)營商MEC 等分布式云資源基礎(chǔ)設(shè)施為核心，融合垂直行業(yè)私有云資源作為動態(tài)輕量化鏈上節(jié)點，為區(qū)塊鏈系統(tǒng)應(yīng)用提供兼具穩(wěn)定性和靈活擴(kuò)展能力的底層基礎(chǔ)設(shè)施；橫向采用多鏈分片設(shè)計理念，將所有節(jié)點動態(tài)劃分成多個區(qū)塊鏈分片，在保證安全可信的前提下，避免由鏈上節(jié)點數(shù)量增多而產(chǎn)生區(qū)塊鏈系統(tǒng)吞吐量性能損失（見圖1）。
3.2 方案優(yōu)勢
3.2.1 存儲計算資源
3.2.1.1 5G+MEC提供穩(wěn)定的底層基礎(chǔ)設(shè)施
5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施采用云化部署模式，以三層通信云架構(gòu)為例，邊緣云平臺將采用多級部署架構(gòu)?；谶吘墭I(yè)務(wù)對時延、帶寬的需求差異，運(yùn)營商在本地DC部署近百個邊緣云平臺，在邊緣DC 部署近千個輕量級邊緣云平臺。運(yùn)營商MEC 邊緣云平臺遍及全國各大城市和業(yè)務(wù)熱點地區(qū)，能夠為區(qū)塊鏈引用提供穩(wěn)定、大規(guī)模、分布式底層基礎(chǔ)設(shè)施，解決區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用時對計算存儲資源日益增長的需求。
在邏輯架構(gòu)層面，為了提高存儲資源利用率，區(qū)塊鏈系統(tǒng)縱向采用多層分級部署架構(gòu)，在資源相對充足的區(qū)域DC 或本地DC 存儲鏈上全部數(shù)據(jù)，在資源相對匱乏的邊緣DC 選取一部分節(jié)點作為存儲鏈上全部數(shù)據(jù)的全節(jié)點，而另一部分邊緣DC 作為輕量化節(jié)點只存儲部分鏈上數(shù)據(jù)，并在必要時通過向全節(jié)點發(fā)起數(shù)據(jù)同步請求來獲取全部鏈上數(shù)據(jù)。
3.2.1.2 鏈上鏈下資源共享
為了進(jìn)一步提高區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，縱向上融合垂直行業(yè)私有云資源作為輕量化動態(tài)節(jié)點，不僅可以進(jìn)一步擴(kuò)充區(qū)塊鏈底層資源池，為區(qū)塊鏈部署提供更多底層基礎(chǔ)設(shè)施，提高資源利用效率，而且可以通過區(qū)塊鏈為運(yùn)營商與垂直行業(yè)云資源共享交易提供開放可信、靈活高效的合作模式，提升區(qū)塊鏈系統(tǒng)靈活擴(kuò)展能力。
圖1 基于5G+MEC的區(qū)塊鏈部署架構(gòu)圖
3.2.1.3 分片技術(shù)
為了避免因鏈上節(jié)點數(shù)量增大而導(dǎo)致的區(qū)塊鏈系統(tǒng)吞吐量受限的問題，橫向?qū)用嬖O(shè)計采用多鏈分片結(jié)構(gòu)，將所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點劃分成多個區(qū)塊鏈分片，每個區(qū)塊鏈分片存儲不同的區(qū)塊鏈，位于相鄰分片邊緣的節(jié)點可以同時作為多個區(qū)塊鏈上的節(jié)點，以支持鏈間節(jié)點動態(tài)切換，降低由于節(jié)點動態(tài)生滅破壞網(wǎng)絡(luò)資源與應(yīng)用需求之間平衡的負(fù)面影響，提升系統(tǒng)安全可靠能力。
3.2.2 互聯(lián)互通
目前，限制區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用的互聯(lián)互通問題的本質(zhì)是由互聯(lián)網(wǎng)公司底層基礎(chǔ)設(shè)施有限和應(yīng)用早期依業(yè)務(wù)需求“煙囪式”區(qū)塊鏈部署模式導(dǎo)致的。隨著各主流區(qū)塊鏈平臺代碼紛紛開源，互聯(lián)網(wǎng)公司自主研發(fā)或在開源代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，短短幾年內(nèi)便產(chǎn)生了幾千條區(qū)塊鏈，由于底層資源有限，各區(qū)塊鏈分片割據(jù)且異構(gòu)鏈之間幾乎無法互聯(lián)互通，跨鏈一直是近年來區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用無法繞過的難題。基于5G+MEC 規(guī)?；讓踊A(chǔ)設(shè)施建立的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的底層區(qū)塊鏈架構(gòu)，從根本上避免區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用過程中“煙囪式”割據(jù)問題的產(chǎn)生，保證全網(wǎng)互聯(lián)互通。
3.2.3 數(shù)據(jù)同步計算
3.2.3.1 多播組播
基于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的區(qū)塊鏈系統(tǒng)在進(jìn)行消息數(shù)據(jù)廣播時，采用點對點轉(zhuǎn)發(fā)模式實現(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗較大。實際上，通信網(wǎng)絡(luò)中已有完善的多播組播機(jī)制，可以為鏈上節(jié)點間消息數(shù)據(jù)廣播提供更節(jié)省帶寬、效率更高且同步效果更好的解決方案。
3.2.3.2 衛(wèi)星廣播
天地一體化網(wǎng)絡(luò)融合是未來通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，衛(wèi)星通信不僅在廣覆蓋、大鏈接上具有優(yōu)勢，而且是消息數(shù)據(jù)廣播方面最節(jié)省帶寬的方案。因此，未來天地一體化網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)下，基于衛(wèi)星廣播鏈路實現(xiàn)鏈上節(jié)點消息數(shù)據(jù)廣播將進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。
3.2.4 監(jiān)管
在區(qū)塊鏈監(jiān)管方面，采用聯(lián)盟鏈模式的運(yùn)營商區(qū)塊鏈平臺，可以提高對IaaS 層基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管的能力，可以解決公有鏈模式被監(jiān)管主體分散的難題。另外，與公有鏈模式不同，聯(lián)盟鏈模式可以取消激勵機(jī)制，有效避免在激勵機(jī)制中對數(shù)字貨幣進(jìn)行監(jiān)管的問題。而非激勵機(jī)制產(chǎn)生的數(shù)字貨幣應(yīng)用并非維持區(qū)塊鏈系統(tǒng)自身正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的必要因素，只是區(qū)塊鏈技術(shù)體系上眾多應(yīng)用中的一種。另外，IaaS 層基礎(chǔ)資源統(tǒng)一監(jiān)管帶來的安全風(fēng)險，并不是只存在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，在非區(qū)塊鏈系統(tǒng)中需要面臨同樣的安全風(fēng)險問題。因此，采用聯(lián)盟鏈模式的運(yùn)營商區(qū)塊鏈平臺，能夠在不提升安全管控風(fēng)險的同時，有效改善區(qū)塊鏈系統(tǒng)監(jiān)管方面面臨的主體分散和激勵機(jī)制數(shù)字貨幣管理問題。
4 結(jié)束語
本文基于區(qū)塊鏈從概念到應(yīng)用落地的發(fā)展歷程中遇到的計算存儲資源匱乏、跨鏈互聯(lián)互通性能差、數(shù)據(jù)同步效率低下和監(jiān)管措施有限等阻礙區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用部署方面的實際問題，提出了基于5G+MEC的區(qū)塊鏈規(guī)?；渴鸱桨?。該方案采用縱向分層多級、橫向動態(tài)分片的區(qū)塊鏈規(guī)?；渴鸺軜?gòu)，利用5G+MEC 分布式基礎(chǔ)設(shè)施資源和垂直行業(yè)私有云資源改善區(qū)塊鏈系統(tǒng)資源匱乏的現(xiàn)狀，改善區(qū)塊鏈規(guī)模化應(yīng)用互聯(lián)互通和合理監(jiān)管的問題，提高消息數(shù)據(jù)同步效率，并通過設(shè)計面向全節(jié)點、輕量化節(jié)點的縱向分級和橫向分片架構(gòu)，提升存儲資源利用率和共識算法計算效率。
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隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，各垂直行業(yè)的信息化水平日益提升。但在“互聯(lián)網(wǎng)思維”模式下，信息系統(tǒng)設(shè)計遵循“中心化”思想，集中式的管控中心是信息系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)全部業(yè)務(wù)的統(tǒng)一調(diào)度和全網(wǎng)數(shù)據(jù)的集中存儲，而終端節(jié)點只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與業(yè)務(wù)交互。因此，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可信度只能依賴集中式的管控中心或第三方背書。當(dāng)集中式管控中心或第三方中介存在技術(shù)故障、道德風(fēng)險時，互聯(lián)網(wǎng)思維下的可信體系便面臨嚴(yán)重的信用崩塌問題。除此之外，在多方參與的業(yè)務(wù)中，高額的第三方中介費(fèi)用、低下的業(yè)務(wù)處理效率、嚴(yán)重失衡的數(shù)據(jù)價值分配體系已經(jīng)逐漸被各行各業(yè)的業(yè)務(wù)參與者所詬病，成為制約多方合作、開放共贏機(jī)制良性發(fā)展的關(guān)鍵因素。
1 區(qū)塊鏈發(fā)展歷程
2008年11月，中本聰發(fā)表了應(yīng)對金融危機(jī)的白皮書《比特幣：一種點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)》，提出了集鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、點對點傳輸、分布式存儲、共識機(jī)制、加密算法等多種技術(shù)為一體的區(qū)塊鏈技術(shù)體系作為分布式可信系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，誕生了第1代區(qū)塊鏈技術(shù)。第1 代區(qū)塊鏈主要是面向數(shù)字貨幣應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)的，僅包含支付、流通等較為簡單的功能。隨后幾年，隨著以比特幣為代表的數(shù)字貨幣應(yīng)用的推廣，在第1 代區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上引入了智能合約機(jī)制演化出了第2代區(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈以其基于機(jī)器代碼實現(xiàn)的信任機(jī)制，在改變價值分享方式的同時，對更廣泛的金融應(yīng)用場景進(jìn)行了效率優(yōu)化并進(jìn)一步推廣到各個領(lǐng)域，甚至一度被譽(yù)為改變生產(chǎn)關(guān)系的一種近乎無所不能的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)。直到2018年前后，區(qū)塊鏈在實際應(yīng)用檢驗中逐漸暴露出一些技術(shù)問題，區(qū)塊鏈領(lǐng)域應(yīng)用預(yù)期一度跌至谷底，無論從區(qū)塊鏈行業(yè)投融資總量還是從區(qū)塊鏈領(lǐng)域技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)數(shù)量都出現(xiàn)了斷崖式的下滑。經(jīng)歷了一次涅槃重生的區(qū)塊鏈再次成為應(yīng)用技術(shù)研究的熱點時，第3 代區(qū)塊鏈技術(shù)正在經(jīng)歷從概念特征、技術(shù)組成、應(yīng)用模式等各個方面螺旋上升式的蛻變發(fā)展的階段。第3代區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)逐漸從數(shù)字貨幣的光環(huán)下剝離出來，并作為底層技術(shù)體系提供一種分布式可信高效解決方案。在社會、經(jīng)濟(jì)、政治、司法等各行各業(yè)，從原料追蹤到生產(chǎn)制造，從貿(mào)易結(jié)算到金融保險，從征信確權(quán)到司法存證，從社會監(jiān)管到網(wǎng)絡(luò)安全的各個領(lǐng)域應(yīng)用中，區(qū)塊鏈并不一定是最可信高效的優(yōu)選方案，通過構(gòu)建價值模型判別區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的必要性和可行性，在存在多方參與并需要建立基于機(jī)器代碼信任的生產(chǎn)關(guān)系和信任體系的應(yīng)用需求中，重新審視區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用價值的關(guān)鍵。
2 區(qū)塊鏈部署難題
區(qū)塊鏈技術(shù)自誕生以來，在理論概念和應(yīng)用預(yù)期層面一度蓬勃發(fā)展，但是在應(yīng)用落地層面，陷入了極大的困境，這與其技術(shù)本質(zhì)密切相關(guān)。區(qū)塊鏈作為一種基于分布式數(shù)據(jù)庫發(fā)展起來的技術(shù)體系，必然面臨存儲效率低下、吞吐性能受限于鏈上節(jié)點數(shù)量等核心問題，再加上源自互聯(lián)網(wǎng)思維早期推廣階段的推波助瀾，成百上千的異構(gòu)“煙囪式”區(qū)塊鏈導(dǎo)致區(qū)塊鏈底層技術(shù)平臺呈現(xiàn)割據(jù)狀態(tài)，為數(shù)據(jù)同步、監(jiān)控管理等方方面面引入新的難題。
2.1 存儲資源
區(qū)塊鏈技術(shù)的核心理念之一就是通過鏈上節(jié)點分布式存儲相同的以時間戳為索引的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的防篡改目的，這本身就是一種通過降低存儲效率的方式來實現(xiàn)更高可信度的分布式數(shù)據(jù)存儲方案。從理論上講，區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)不會被刪除，隨著區(qū)塊鏈長度增加，鏈上分布式節(jié)點數(shù)據(jù)存儲量與日俱增，為網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點乃至整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)帶來了非常巨大的存儲負(fù)擔(dān)。以比特幣為例，自2013年以來，比特幣區(qū)塊體積一直處于增長狀態(tài)，鏈上節(jié)點的存儲容量也隨之攀升。2017年11月，比特幣共產(chǎn)生約50 萬個區(qū)塊，鏈上單個節(jié)點存儲容量需求為166 GB。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用的逐漸推廣，鏈上存儲數(shù)據(jù)將會占用更多的存儲空間。因此，如何將鏈上節(jié)點存儲數(shù)據(jù)增速放緩或控制在有限的區(qū)域內(nèi)是解決存儲資源有限且資料利用率低的關(guān)鍵。
2.2 吞吐量
目前，區(qū)塊鏈應(yīng)用部署的瓶頸主要集中在共識算法低吞吐量、高時延等方面。以比特幣、以太坊為代表的公有鏈平臺，其交易吞吐量低于7 和20 個/s，如果每10 min產(chǎn)生一個區(qū)塊且假設(shè)每個區(qū)塊需要6個區(qū)塊確認(rèn)，那么全網(wǎng)產(chǎn)生一個區(qū)塊并完成確認(rèn)將超過1 h，這在很多實際應(yīng)用場景下是無法接受的，例如Visa 支付的交易吞吐量約為8 000 筆/s，而支付寶交易峰值吞吐量將達(dá)到25萬筆/s。共識算法是影響區(qū)塊鏈系統(tǒng)吞吐量的關(guān)鍵。區(qū)塊鏈的共識機(jī)制實質(zhì)上就是決定由哪一個節(jié)點來構(gòu)造區(qū)塊，以及如何保證鏈上節(jié)點擁有的區(qū)塊鏈賬本一致的問題。隨著鏈上參與共識節(jié)點的增加，共識算法的效率會逐漸降低，因此，如何設(shè)計一種既具備容錯能力，又能保證鏈上節(jié)點高效快速達(dá)成一致性的共識算法是改善區(qū)塊鏈系統(tǒng)吞吐量的核心。
2.3 互聯(lián)互通
目前，國內(nèi)外區(qū)塊鏈領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范尚不成熟，國內(nèi)區(qū)塊鏈應(yīng)用驅(qū)動也主要源自在軟件研發(fā)和應(yīng)用推廣具有優(yōu)勢的互聯(lián)網(wǎng)公司。但是，區(qū)塊鏈領(lǐng)域互聯(lián)網(wǎng)公司不僅自身缺乏大規(guī)模通信基礎(chǔ)設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)，且各個區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)公司紛紛基于不同架構(gòu)的底層區(qū)塊鏈開源項目進(jìn)行二次開發(fā)，出現(xiàn)了區(qū)塊鏈領(lǐng)域百家爭鳴的競爭態(tài)勢，誕生了依據(jù)垂直行業(yè)用戶需求建立的一個個“煙囪式”異構(gòu)區(qū)塊鏈系統(tǒng)，使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)天然被切分成眾多無法互聯(lián)互通的小塊，跨鏈互聯(lián)互通成為限制區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用的難點。
2.4 數(shù)據(jù)同步
在區(qū)塊鏈技術(shù)體系中，共識算法基于部署在鏈上節(jié)點的分布式數(shù)據(jù)庫達(dá)成共識，因此，保證鏈上節(jié)點分布式數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)高效精準(zhǔn)同步是提高共識算法容錯性能和保證數(shù)據(jù)完整性、一致性的關(guān)鍵。目前，鏈上節(jié)點間數(shù)據(jù)同步是通過將邏輯廣播消息向鄰居節(jié)點隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的模式實現(xiàn)的，但是，消息數(shù)據(jù)的廣播仍然需要占用多個物理信道，因此，消息數(shù)據(jù)同步的帶寬資源消耗和鏈上節(jié)點間同步時延抖動是衡量區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)同步性能的關(guān)鍵指標(biāo)。
2.5 監(jiān)管
由于區(qū)塊鏈分布式、可匿名性、智能合約自動執(zhí)行等技術(shù)特征，為透明化可控監(jiān)管帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈監(jiān)管主要聚焦在主體分散、智能合約自動執(zhí)行、內(nèi)容監(jiān)管和激勵機(jī)制中數(shù)字資產(chǎn)監(jiān)管等問題。分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由于沒有集中式存儲處理節(jié)點，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管主體需要同時對大量鏈上節(jié)點進(jìn)行管控。尤其是對沒有任何節(jié)點準(zhǔn)入限制和匿名泛濫的公有鏈節(jié)點進(jìn)行責(zé)任主體確認(rèn)和網(wǎng)絡(luò)行為監(jiān)管難度較大。另外，區(qū)塊鏈依據(jù)智能合約設(shè)置條件自動執(zhí)行而難以回退，但是在實際應(yīng)用中，對智能合約的執(zhí)行過程進(jìn)行控制是區(qū)塊鏈監(jiān)管領(lǐng)域必須和必要的。
3 基于5G+MEC的區(qū)塊鏈部署方案
3.1 基于5G+MEC的區(qū)塊鏈部署架構(gòu)
基于5G+MEC 的區(qū)塊鏈部署方案縱向采用聯(lián)盟鏈模式，以運(yùn)營商MEC 等分布式云資源基礎(chǔ)設(shè)施為核心，融合垂直行業(yè)私有云資源作為動態(tài)輕量化鏈上節(jié)點，為區(qū)塊鏈系統(tǒng)應(yīng)用提供兼具穩(wěn)定性和靈活擴(kuò)展能力的底層基礎(chǔ)設(shè)施；橫向采用多鏈分片設(shè)計理念，將所有節(jié)點動態(tài)劃分成多個區(qū)塊鏈分片，在保證安全可信的前提下，避免由鏈上節(jié)點數(shù)量增多而產(chǎn)生區(qū)塊鏈系統(tǒng)吞吐量性能損失（見圖1）。
3.2 方案優(yōu)勢
3.2.1 存儲計算資源
3.2.1.1 5G+MEC提供穩(wěn)定的底層基礎(chǔ)設(shè)施
5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施采用云化部署模式，以三層通信云架構(gòu)為例，邊緣云平臺將采用多級部署架構(gòu)?；谶吘墭I(yè)務(wù)對時延、帶寬的需求差異，運(yùn)營商在本地DC部署近百個邊緣云平臺，在邊緣DC 部署近千個輕量級邊緣云平臺。運(yùn)營商MEC 邊緣云平臺遍及全國各大城市和業(yè)務(wù)熱點地區(qū)，能夠為區(qū)塊鏈引用提供穩(wěn)定、大規(guī)模、分布式底層基礎(chǔ)設(shè)施，解決區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用時對計算存儲資源日益增長的需求。
在邏輯架構(gòu)層面，為了提高存儲資源利用率，區(qū)塊鏈系統(tǒng)縱向采用多層分級部署架構(gòu)，在資源相對充足的區(qū)域DC 或本地DC 存儲鏈上全部數(shù)據(jù)，在資源相對匱乏的邊緣DC 選取一部分節(jié)點作為存儲鏈上全部數(shù)據(jù)的全節(jié)點，而另一部分邊緣DC 作為輕量化節(jié)點只存儲部分鏈上數(shù)據(jù)，并在必要時通過向全節(jié)點發(fā)起數(shù)據(jù)同步請求來獲取全部鏈上數(shù)據(jù)。
3.2.1.2 鏈上鏈下資源共享
為了進(jìn)一步提高區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，縱向上融合垂直行業(yè)私有云資源作為輕量化動態(tài)節(jié)點，不僅可以進(jìn)一步擴(kuò)充區(qū)塊鏈底層資源池，為區(qū)塊鏈部署提供更多底層基礎(chǔ)設(shè)施，提高資源利用效率，而且可以通過區(qū)塊鏈為運(yùn)營商與垂直行業(yè)云資源共享交易提供開放可信、靈活高效的合作模式，提升區(qū)塊鏈系統(tǒng)靈活擴(kuò)展能力。
圖1 基于5G+MEC的區(qū)塊鏈部署架構(gòu)圖
3.2.1.3 分片技術(shù)
為了避免因鏈上節(jié)點數(shù)量增大而導(dǎo)致的區(qū)塊鏈系統(tǒng)吞吐量受限的問題，橫向?qū)用嬖O(shè)計采用多鏈分片結(jié)構(gòu)，將所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點劃分成多個區(qū)塊鏈分片，每個區(qū)塊鏈分片存儲不同的區(qū)塊鏈，位于相鄰分片邊緣的節(jié)點可以同時作為多個區(qū)塊鏈上的節(jié)點，以支持鏈間節(jié)點動態(tài)切換，降低由于節(jié)點動態(tài)生滅破壞網(wǎng)絡(luò)資源與應(yīng)用需求之間平衡的負(fù)面影響，提升系統(tǒng)安全可靠能力。
3.2.2 互聯(lián)互通
目前，限制區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用的互聯(lián)互通問題的本質(zhì)是由互聯(lián)網(wǎng)公司底層基礎(chǔ)設(shè)施有限和應(yīng)用早期依業(yè)務(wù)需求“煙囪式”區(qū)塊鏈部署模式導(dǎo)致的。隨著各主流區(qū)塊鏈平臺代碼紛紛開源，互聯(lián)網(wǎng)公司自主研發(fā)或在開源代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，短短幾年內(nèi)便產(chǎn)生了幾千條區(qū)塊鏈，由于底層資源有限，各區(qū)塊鏈分片割據(jù)且異構(gòu)鏈之間幾乎無法互聯(lián)互通，跨鏈一直是近年來區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用無法繞過的難題。基于5G+MEC 規(guī)?；讓踊A(chǔ)設(shè)施建立的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的底層區(qū)塊鏈架構(gòu)，從根本上避免區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用過程中“煙囪式”割據(jù)問題的產(chǎn)生，保證全網(wǎng)互聯(lián)互通。
3.2.3 數(shù)據(jù)同步計算
3.2.3.1 多播組播
基于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的區(qū)塊鏈系統(tǒng)在進(jìn)行消息數(shù)據(jù)廣播時，采用點對點轉(zhuǎn)發(fā)模式實現(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗較大。實際上，通信網(wǎng)絡(luò)中已有完善的多播組播機(jī)制，可以為鏈上節(jié)點間消息數(shù)據(jù)廣播提供更節(jié)省帶寬、效率更高且同步效果更好的解決方案。
3.2.3.2 衛(wèi)星廣播
天地一體化網(wǎng)絡(luò)融合是未來通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，衛(wèi)星通信不僅在廣覆蓋、大鏈接上具有優(yōu)勢，而且是消息數(shù)據(jù)廣播方面最節(jié)省帶寬的方案。因此，未來天地一體化網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)下，基于衛(wèi)星廣播鏈路實現(xiàn)鏈上節(jié)點消息數(shù)據(jù)廣播將進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。
3.2.4 監(jiān)管
在區(qū)塊鏈監(jiān)管方面，采用聯(lián)盟鏈模式的運(yùn)營商區(qū)塊鏈平臺，可以提高對IaaS 層基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管的能力，可以解決公有鏈模式被監(jiān)管主體分散的難題。另外，與公有鏈模式不同，聯(lián)盟鏈模式可以取消激勵機(jī)制，有效避免在激勵機(jī)制中對數(shù)字貨幣進(jìn)行監(jiān)管的問題。而非激勵機(jī)制產(chǎn)生的數(shù)字貨幣應(yīng)用并非維持區(qū)塊鏈系統(tǒng)自身正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的必要因素，只是區(qū)塊鏈技術(shù)體系上眾多應(yīng)用中的一種。另外，IaaS 層基礎(chǔ)資源統(tǒng)一監(jiān)管帶來的安全風(fēng)險，并不是只存在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，在非區(qū)塊鏈系統(tǒng)中需要面臨同樣的安全風(fēng)險問題。因此，采用聯(lián)盟鏈模式的運(yùn)營商區(qū)塊鏈平臺，能夠在不提升安全管控風(fēng)險的同時，有效改善區(qū)塊鏈系統(tǒng)監(jiān)管方面面臨的主體分散和激勵機(jī)制數(shù)字貨幣管理問題。
4 結(jié)束語
本文基于區(qū)塊鏈從概念到應(yīng)用落地的發(fā)展歷程中遇到的計算存儲資源匱乏、跨鏈互聯(lián)互通性能差、數(shù)據(jù)同步效率低下和監(jiān)管措施有限等阻礙區(qū)塊鏈規(guī)?；瘧?yīng)用部署方面的實際問題，提出了基于5G+MEC的區(qū)塊鏈規(guī)?；渴鸱桨?。該方案采用縱向分層多級、橫向動態(tài)分片的區(qū)塊鏈規(guī)?；渴鸺軜?gòu)，利用5G+MEC 分布式基礎(chǔ)設(shè)施資源和垂直行業(yè)私有云資源改善區(qū)塊鏈系統(tǒng)資源匱乏的現(xiàn)狀，改善區(qū)塊鏈規(guī)模化應(yīng)用互聯(lián)互通和合理監(jiān)管的問題，提高消息數(shù)據(jù)同步效率，并通過設(shè)計面向全節(jié)點、輕量化節(jié)點的縱向分級和橫向分片架構(gòu)，提升存儲資源利用率和共識算法計算效率。
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