基于5G+MEC的区块链规模化部署探索

刘秋妍，冯 毅，李福昌，张忠皓，李铭轩，李佳俊（.中国联通网络技术研究院，北京 00048；.中国联通华盛通信有限公司，北京 0003）

0 引言

随着信息技术的迅速发展，各垂直行业的信息化水平日益提升。但在“互联网思维”模式下，信息系统设计遵循“中心化”思想，集中式的管控中心是信息系统的核心，负责全部业务的统一调度和全网数据的集中存储，而终端节点只负责数据采集与业务交互。因此，互联网业务数据的可信度只能依赖集中式的管控中心或第三方背书。当集中式管控中心或第三方中介存在技术故障、道德风险时，互联网思维下的可信体系便面临严重的信用崩塌问题。除此之外，在多方参与的业务中，高额的第三方中介费用、低下的业务处理效率、严重失衡的数据价值分配体系已经逐渐被各行各业的业务参与者所诟病，成为制约多方合作、开放共赢机制良性发展的关键因素。

1 区块链发展历程

2008年11月，中本聪发表了应对金融危机的白皮书《比特币：一种点对点电子现金系统》，提出了集链式数据结构、点对点传输、分布式存储、共识机制、加密算法等多种技术为一体的区块链技术体系作为分布式可信系统的技术基础，诞生了第1代区块链技术。第1 代区块链主要是面向数字货币应用进行开发的，仅包含支付、流通等较为简单的功能。随后几年，随着以比特币为代表的数字货币应用的推广，在第1 代区块链的基础上引入了智能合约机制演化出了第2代区块链，区块链以其基于机器代码实现的信任机制，在改变价值分享方式的同时，对更广泛的金融应用场景进行了效率优化并进一步推广到各个领域，甚至一度被誉为改变生产关系的一种近乎无所不能的颠覆性创新技术。直到2018年前后，区块链在实际应用检验中逐渐暴露出一些技术问题，区块链领域应用预期一度跌至谷底，无论从区块链行业投融资总量还是从区块链领域技术知识产权数量都出现了断崖式的下滑。经历了一次涅槃重生的区块链再次成为应用技术研究的热点时，第3 代区块链技术正在经历从概念特征、技术组成、应用模式等各个方面螺旋上升式的蜕变发展的阶段。第3代区块链技术已经逐渐从数字货币的光环下剥离出来，并作为底层技术体系提供一种分布式可信高效解决方案。在社会、经济、政治、司法等各行各业，从原料追踪到生产制造，从贸易结算到金融保险，从征信确权到司法存证，从社会监管到网络安全的各个领域应用中，区块链并不一定是最可信高效的优选方案，通过构建价值模型判别区块链技术应用的必要性和可行性，在存在多方参与并需要建立基于机器代码信任的生产关系和信任体系的应用需求中，重新审视区块链技术应用价值的关键。

2 区块链部署难题

区块链技术自诞生以来，在理论概念和应用预期层面一度蓬勃发展，但是在应用落地层面，陷入了极大的困境，这与其技术本质密切相关。区块链作为一种基于分布式数据库发展起来的技术体系，必然面临存储效率低下、吞吐性能受限于链上节点数量等核心问题，再加上源自互联网思维早期推广阶段的推波助澜，成百上千的异构“烟囱式”区块链导致区块链底层技术平台呈现割据状态，为数据同步、监控管理等方方面面引入新的难题。

2.1 存储资源

区块链技术的核心理念之一就是通过链上节点分布式存储相同的以时间戳为索引的链式数据结构来实现数据的防篡改目的，这本身就是一种通过降低存储效率的方式来实现更高可信度的分布式数据存储方案。从理论上讲，区块链上的数据不会被删除，随着区块链长度增加，链上分布式节点数据存储量与日俱增，为网络中的每个节点乃至整个区块链网络带来了非常巨大的存储负担。以比特币为例，自2013年以来，比特币区块体积一直处于增长状态，链上节点的存储容量也随之攀升。2017年11月，比特币共产生约50 万个区块，链上单个节点存储容量需求为166 GB。随着区块链技术在各行各业应用的逐渐推广，链上存储数据将会占用更多的存储空间。因此，如何将链上节点存储数据增速放缓或控制在有限的区域内是解决存储资源有限且资料利用率低的关键。

2.2 吞吐量

目前，区块链应用部署的瓶颈主要集中在共识算法低吞吐量、高时延等方面。以比特币、以太坊为代表的公有链平台，其交易吞吐量低于7 和20 个/s，如果每10 min产生一个区块且假设每个区块需要6个区块确认，那么全网产生一个区块并完成确认将超过1 h，这在很多实际应用场景下是无法接受的，例如Visa 支付的交易吞吐量约为8 000 笔/s，而支付宝交易峰值吞吐量将达到25万笔/s。共识算法是影响区块链系统吞吐量的关键。区块链的共识机制实质上就是决定由哪一个节点来构造区块，以及如何保证链上节点拥有的区块链账本一致的问题。随着链上参与共识节点的增加，共识算法的效率会逐渐降低，因此，如何设计一种既具备容错能力，又能保证链上节点高效快速达成一致性的共识算法是改善区块链系统吞吐量的核心。

2.3 互联互通

目前，国内外区块链领域标准与技术规范尚不成熟，国内区块链应用驱动也主要源自在软件研发和应用推广具有优势的互联网公司。但是，区块链领域互联网公司不仅自身缺乏大规模通信基础设施与网络，且各个区块链互联网公司纷纷基于不同架构的底层区块链开源项目进行二次开发，出现了区块链领域百家争鸣的竞争态势，诞生了依据垂直行业用户需求建立的一个个“烟囱式”异构区块链系统，使得区块链系统天然被切分成众多无法互联互通的小块，跨链互联互通成为限制区块链规模化应用的难点。

2.4 数据同步

在区块链技术体系中，共识算法基于部署在链上节点的分布式数据库达成共识，因此，保证链上节点分布式数据库数据高效精准同步是提高共识算法容错性能和保证数据完整性、一致性的关键。目前，链上节点间数据同步是通过将逻辑广播消息向邻居节点随机转发的模式实现的，但是，消息数据的广播仍然需要占用多个物理信道，因此，消息数据同步的带宽资源消耗和链上节点间同步时延抖动是衡量区块链数据同步性能的关键指标。

2.5 监管

由于区块链分布式、可匿名性、智能合约自动执行等技术特征，为透明化可控监管带来了新的问题和挑战。区块链监管主要聚焦在主体分散、智能合约自动执行、内容监管和激励机制中数字资产监管等问题。分布式网络架构由于没有集中式存储处理节点，导致网络监管主体需要同时对大量链上节点进行管控。尤其是对没有任何节点准入限制和匿名泛滥的公有链节点进行责任主体确认和网络行为监管难度较大。另外，区块链依据智能合约设置条件自动执行而难以回退，但是在实际应用中，对智能合约的执行过程进行控制是区块链监管领域必须和必要的。

3 基于5G+MEC的区块链部署方案

3.1 基于5G+MEC的区块链部署架构

基于5G+MEC 的区块链部署方案纵向采用联盟链模式，以运营商MEC 等分布式云资源基础设施为核心，融合垂直行业私有云资源作为动态轻量化链上节点，为区块链系统应用提供兼具稳定性和灵活扩展能力的底层基础设施；横向采用多链分片设计理念，将所有节点动态划分成多个区块链分片，在保证安全可信的前提下，避免由链上节点数量增多而产生区块链系统吞吐量性能损失（见图1）。

3.2 方案优势

3.2.1 存储计算资源

3.2.1.1 5G+MEC提供稳定的底层基础设施

5G 网络基础设施采用云化部署模式，以三层通信云架构为例，边缘云平台将采用多级部署架构。基于边缘业务对时延、带宽的需求差异，运营商在本地DC部署近百个边缘云平台，在边缘DC 部署近千个轻量级边缘云平台。运营商MEC 边缘云平台遍及全国各大城市和业务热点地区，能够为区块链引用提供稳定、大规模、分布式底层基础设施，解决区块链规模化应用时对计算存储资源日益增长的需求。

在逻辑架构层面，为了提高存储资源利用率，区块链系统纵向采用多层分级部署架构，在资源相对充足的区域DC 或本地DC 存储链上全部数据，在资源相对匮乏的边缘DC 选取一部分节点作为存储链上全部数据的全节点，而另一部分边缘DC 作为轻量化节点只存储部分链上数据，并在必要时通过向全节点发起数据同步请求来获取全部链上数据。

3.2.1.2 链上链下资源共享

为了进一步提高区块链系统的可扩展性，纵向上融合垂直行业私有云资源作为轻量化动态节点，不仅可以进一步扩充区块链底层资源池，为区块链部署提供更多底层基础设施，提高资源利用效率，而且可以通过区块链为运营商与垂直行业云资源共享交易提供开放可信、灵活高效的合作模式，提升区块链系统灵活扩展能力。

图1 基于5G+MEC的区块链部署架构图

3.2.1.3 分片技术

为了避免因链上节点数量增大而导致的区块链系统吞吐量受限的问题，横向层面设计采用多链分片结构，将所有网络节点划分成多个区块链分片，每个区块链分片存储不同的区块链，位于相邻分片边缘的节点可以同时作为多个区块链上的节点，以支持链间节点动态切换，降低由于节点动态生灭破坏网络资源与应用需求之间平衡的负面影响，提升系统安全可靠能力。

3.2.2 互联互通

目前，限制区块链规模化应用的互联互通问题的本质是由互联网公司底层基础设施有限和应用早期依业务需求“烟囱式”区块链部署模式导致的。随着各主流区块链平台代码纷纷开源，互联网公司自主研发或在开源代码的基础上进行二次开发，短短几年内便产生了几千条区块链，由于底层资源有限，各区块链分片割据且异构链之间几乎无法互联互通，跨链一直是近年来区块链规模化应用无法绕过的难题。基于5G+MEC 规模化底层基础设施建立的区块链系统，采用统一的底层区块链架构，从根本上避免区块链规模化应用过程中“烟囱式”割据问题的产生，保证全网互联互通。

3.2.3 数据同步计算

3.2.3.1 多播组播

基于互联网应用发展的区块链系统在进行消息数据广播时，采用点对点转发模式实现，对网络带宽的消耗较大。实际上，通信网络中已有完善的多播组播机制，可以为链上节点间消息数据广播提供更节省带宽、效率更高且同步效果更好的解决方案。

3.2.3.2 卫星广播

天地一体化网络融合是未来通信网络发展的必然趋势，卫星通信不仅在广覆盖、大链接上具有优势，而且是消息数据广播方面最节省带宽的方案。因此，未来天地一体化网络融合架构下，基于卫星广播链路实现链上节点消息数据广播将进一步降低网络带宽需求。

3.2.4 监管

在区块链监管方面，采用联盟链模式的运营商区块链平台，可以提高对IaaS 层基础设施进行统一监管的能力，可以解决公有链模式被监管主体分散的难题。另外，与公有链模式不同，联盟链模式可以取消激励机制，有效避免在激励机制中对数字货币进行监管的问题。而非激励机制产生的数字货币应用并非维持区块链系统自身正常运转所需的必要因素，只是区块链技术体系上众多应用中的一种。另外，IaaS 层基础资源统一监管带来的安全风险，并不是只存在区块链系统中，在非区块链系统中需要面临同样的安全风险问题。因此，采用联盟链模式的运营商区块链平台，能够在不提升安全管控风险的同时，有效改善区块链系统监管方面面临的主体分散和激励机制数字货币管理问题。

4 结束语

本文基于区块链从概念到应用落地的发展历程中遇到的计算存储资源匮乏、跨链互联互通性能差、数据同步效率低下和监管措施有限等阻碍区块链规模化应用部署方面的实际问题，提出了基于5G+MEC的区块链规模化部署方案。该方案采用纵向分层多级、横向动态分片的区块链规模化部署架构，利用5G+MEC 分布式基础设施资源和垂直行业私有云资源改善区块链系统资源匮乏的现状，改善区块链规模化应用互联互通和合理监管的问题，提高消息数据同步效率，并通过设计面向全节点、轻量化节点的纵向分级和横向分片架构，提升存储资源利用率和共识算法计算效率。