5G+區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)分片技術(shù)

劉秋妍 張忠皓 李福昌 馮毅 李佳俊

【摘? 要】基于5G+區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)分片建模，仿真對比了保證分片網(wǎng)絡(luò)可信和保證全網(wǎng)可信的兩種網(wǎng)絡(luò)分片方案的性能差異，分析了單點受控概率、分片可信度、分片數(shù)量、全網(wǎng)可信度等參數(shù)對分片規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的影響，給出了在滿足一定可信度條件下，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)分片的最優(yōu)規(guī)模，并提出一定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)從保證分片網(wǎng)絡(luò)可信向保證全網(wǎng)可信方案演進(jìn)再向更大規(guī)模分片網(wǎng)絡(luò)可信方案演進(jìn)的路線。

【關(guān)鍵詞】 5G;區(qū)塊鏈;擴(kuò)容;網(wǎng)絡(luò)分片

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.009? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0041-04

引用格式：劉秋妍，張忠皓，李福昌，等. 5G+區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)分片技術(shù)[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 41-44.

5G and Blockchain Network Slice Technologies

LIU Qiuyan1， ZHANG Zhonghao1， LI Fuchang1， FENG Yi1， LI Jiajun2

（1. China Unicom Network Technology Research Institute， Beijing 100048， China;

2.Unicom Vsens， Beijing 100031， China）

[Abstract]??Based on the 5G and blockchain network slice modeling， this paper compares the performance differences of the two network slice solutions that ensure the reliabilities of the slice network and the whole network through simulations. The factors related to slice and network scales are analyzed， including single-point controlled probability， slice reliability， slice number and network reliability， and the optimal scale of blockchain network slice is given under a certain reliability. Under a certain network scale， the evolution roadmap is proposed for the blockchain network to ensure the reliabilities from the slice network to the whole network and even the slice network with a larger scale.

[Key words] 5G; blockchain; capacity expansion; network slice

1? ? 5G+區(qū)塊鏈

1.1? 區(qū)塊鏈賦能5G

隨著5G技術(shù)的飛速發(fā)展和商用落地，萬物泛在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在帶寬、高可靠性低時延、大連接數(shù)方面的能力得到進(jìn)一步提升，大量eMBB、URLLC、mMTC應(yīng)用業(yè)務(wù)將萬物之間的互聯(lián)方式從簡單的文字語音變成多維高清的沉浸式交互，將機器間的指令傳達(dá)精確到毫厘。5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開啟信息技術(shù)從解決個人通信到為整個社會生產(chǎn)交易服務(wù)的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施。

隨著5G業(yè)務(wù)應(yīng)用的日益普及，傳統(tǒng)的集中式應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)面臨的信任危機愈發(fā)強烈。集中式架構(gòu)中，所有網(wǎng)絡(luò)主體、網(wǎng)絡(luò)行為和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可信、安全和完整是由單一主體控制的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)中心或第三方認(rèn)證機構(gòu)提供。因此，當(dāng)集中式部署的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)中心和第三方認(rèn)證機構(gòu)受到網(wǎng)絡(luò)攻擊或控制主體單方面惡意篡改時，整個網(wǎng)絡(luò)的信任機制便形同虛設(shè)。為了應(yīng)對集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的信任危機，中本聰于2008年提出了一種基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和共識算法的分布式記賬技術(shù)，并以非對稱加密、數(shù)字簽名、時間戳技術(shù)加強安全性的技術(shù)體系——區(qū)塊鏈，以提供面向機器代碼的信任機制[1]。

1.2? 5G助力區(qū)塊鏈

作為一種分布式架構(gòu)技術(shù)體系，區(qū)塊鏈以犧牲存儲效率為代價來保證鏈上數(shù)據(jù)可信防篡改，同一條鏈上的所有節(jié)點存儲相同的賬本數(shù)據(jù)。不同節(jié)點之間為了達(dá)成有效的共識，需要通過多次廣播機制傳遞交易數(shù)據(jù)和驗證消息，隨著同一條鏈上節(jié)點規(guī)模擴(kuò)大，共識算法的執(zhí)行將消耗更多的網(wǎng)絡(luò)帶寬和計算資源。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)對存儲資源、計算資源和網(wǎng)絡(luò)資源有較高的要求[2]。5G技術(shù)通過引入多接入邊緣云（Multiple Edge Cloud， MEC）和垂直行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施為區(qū)塊鏈技術(shù)提供豐富的存儲計算資源，通過廣播、組播技術(shù)和豐富的可變帶寬資源為區(qū)塊鏈節(jié)點間消息同步提供有力保障。

2? ?區(qū)塊鏈擴(kuò)容技術(shù)

區(qū)塊鏈作為一種特殊的分布式技術(shù)體系，天然需要面對“不可能三角”問題，即區(qū)塊鏈系統(tǒng)不可能同時實現(xiàn)非中心化、安全性和可擴(kuò)展性三個方面的最優(yōu)。如果一條區(qū)塊鏈上的所有節(jié)點采用完全對等的點對點（Point to Point， P2P）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，則需要在每個鏈上節(jié)點都存儲全部的交易數(shù)據(jù)，同時處理所有的事務(wù)，在保證安全性的同時限制了可擴(kuò)展性，想要顯著提升可擴(kuò)展性，則必然要在安全性和非中心化上有所舍棄。目前，全球公開且初具規(guī)模的區(qū)塊鏈平臺已經(jīng)超過2 000個，區(qū)塊處理速度慢，交易擁堵是所有平臺都面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，比特幣（Bit Coin， BTC）平臺擁堵最嚴(yán)重時未確認(rèn)交易數(shù)竟達(dá)19萬筆。因此，擴(kuò)容已經(jīng)成為區(qū)塊鏈應(yīng)用落地亟待解決的關(guān)鍵問題。

依據(jù)擴(kuò)容技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)體系之間的邏輯關(guān)系[3-4]，現(xiàn)有的擴(kuò)容技術(shù)可以分為三大類，即鏈上擴(kuò)容技術(shù)[5]、鏈下擴(kuò)容技術(shù)[6]和底層擴(kuò)容技術(shù)。鏈上擴(kuò)容技術(shù)主要針對區(qū)塊鏈自身的共識算法、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，比如拜占庭非類共識算法、網(wǎng)絡(luò)分片技術(shù)、擴(kuò)塊、有向無環(huán)圖等。鏈下擴(kuò)容技術(shù)的核心思想是在不改變目標(biāo)區(qū)塊鏈基本協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過將目標(biāo)區(qū)塊鏈交易遷移到非區(qū)塊鏈系統(tǒng)、側(cè)鏈或其他區(qū)塊鏈系統(tǒng)，僅把交易狀態(tài)、計算結(jié)果等少量關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳到目標(biāo)區(qū)塊鏈，以解決目標(biāo)區(qū)塊鏈存儲、計算等資源受限的問題，比如狀態(tài)通道、鏈下計算、側(cè)鏈技術(shù)等。底層擴(kuò)容技術(shù)是指在不改變區(qū)塊鏈自身技術(shù)體系，而通過優(yōu)化區(qū)塊鏈層以下的底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提高區(qū)塊鏈節(jié)點間消息廣播效率等手段提升區(qū)塊鏈擴(kuò)容性能的一類技術(shù)，比如組播鎖定組、星際文件系統(tǒng)（Inter-Planetary File System， IPFS）等。

3? ?網(wǎng)絡(luò)分片建模

網(wǎng)絡(luò)分片是一種鏈上擴(kuò)容技術(shù)[7]，旨在通過對區(qū)塊鏈節(jié)點劃分不同的分片，使同一個分片內(nèi)的節(jié)點維護(hù)同一條區(qū)塊鏈，不同分片之間維護(hù)不同的區(qū)塊鏈，類似于5G網(wǎng)絡(luò)頻率復(fù)用的邏輯，理論上可以實現(xiàn)全網(wǎng)容量的翻倍擴(kuò)容。在全網(wǎng)節(jié)點一定的情況下，網(wǎng)絡(luò)分片越多，單個分片的鏈上節(jié)點數(shù)目越少，區(qū)塊鏈應(yīng)用交易效率越高，全網(wǎng)容量越大，但是區(qū)塊鏈的安全性也隨之顯著下降。因此，分片網(wǎng)絡(luò)中，在不改變?nèi)ブ行幕潭鹊臈l件下，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)規(guī)模是滿足一定安全要求的最優(yōu)選擇。

假設(shè)一個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)共有M個節(jié)點且劃分成節(jié)點規(guī)模相似的m個分片，則區(qū)塊鏈分片有N=或N=個節(jié)點，其中有n個被惡意攻擊者控制的不可信節(jié)點，采用實用拜占庭容錯算法（Practical Byzantine Fault Tolerance， PBFT）或包含PBFT的混合共識算法，使得每個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)分片具有的容錯能力。另外，假設(shè)每個節(jié)點具有相同的被惡意攻擊者控制概率p，每個網(wǎng)絡(luò)分片和全網(wǎng)被惡意篡改概率分別為Ps和P，則每個網(wǎng)絡(luò)分片Rs和全網(wǎng)可信度R分別表示為：

Rs （N）=P? ? ? ?（1）

R（M）=Rms（N）? ? ? ? （2）

假設(shè)每個網(wǎng)絡(luò)分片和全網(wǎng)能夠支持的交易吞吐量峰值分別為Ts（N）和T，由于相同條件下吞吐量交易峰值與鏈上節(jié)點規(guī)模成反比，則有：

T≈mTs（N）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

Ts（N1）≥Ts（N2）（N1≤N2） ? （4）

由于共識算法失敗導(dǎo)致部分交易無效，因此每個網(wǎng)絡(luò)分片和全網(wǎng)有效吞吐量表示為：

T^=T×R? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

T^s（N）=Ts（N）×R（N） （6）

4? ? 仿真與對比分析

在同一個網(wǎng)絡(luò)分片內(nèi)，分片內(nèi)區(qū)塊鏈節(jié)點數(shù)越多，區(qū)塊鏈賬本被惡意篡改的概率越低。圖1給出了區(qū)塊鏈滿足可信度分別為90%、99%、99.9%、99.99%、99.999%、99.9999%時，最小規(guī)模分片所包含的節(jié)點數(shù)。在無任何授權(quán)認(rèn)證，可以隨意接入的公有鏈場景，通常假設(shè)每個鏈上節(jié)點被惡意控制而篡改區(qū)塊鏈賬本記錄的概率p為0.25[8]，如圖1所示，當(dāng)公有鏈分片網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達(dá)到650個節(jié)點時，可以實現(xiàn)99.9999%的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可信度，當(dāng)可信度要求下降到99.999%時，公有鏈分片節(jié)點規(guī)?？梢钥s小到510個點。另外，基于5G網(wǎng)絡(luò)的電信運營商區(qū)塊鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈等區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)由于底層基礎(chǔ)設(shè)施通常采用安全等級較高的防護(hù)措施或者設(shè)置授權(quán)認(rèn)證層，其區(qū)塊鏈節(jié)點被惡意控制而篡改賬本的概率比隨意進(jìn)出的公有鏈被惡意控制的概率要小得多。如圖1所示，若區(qū)塊鏈節(jié)點被惡意控制的概率p下降為0.2，規(guī)模大于230個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)分片即可滿足6個9的可信度要求。

圖2給出了全網(wǎng)規(guī)模固定為2 100個節(jié)點時，在保證每個分片都滿足可信度為90%、99%、99.9%、99.99%、99.999%、99.9999%的條件下，對應(yīng)的全網(wǎng)可信度和分片網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化情況。圖3給出了在保證全網(wǎng)可信度為90%、99%、99.9%、99.99%、99.999%、99.9999%時，網(wǎng)絡(luò)分片可信度及合理的分片劃分方案和節(jié)點規(guī)模變化情況。對比圖2和圖3可見，由于全網(wǎng)可信度始終比分片網(wǎng)絡(luò)可信度低，保證全網(wǎng)可信度滿足要求，分片網(wǎng)絡(luò)的可信度要相應(yīng)提高。因此，在相同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，保證分片網(wǎng)絡(luò)可信的圖2方案比保證全網(wǎng)可信的圖3方案的可信性能低一點，節(jié)點數(shù)也較少。因此，在一定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模條件下，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)首先實現(xiàn)分片網(wǎng)絡(luò)可信，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的增加，逐漸升級為可信性能更優(yōu)的全網(wǎng)可信方案，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點增加到一定程度時，則通過新增分片使區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)重新回到更大規(guī)模分片網(wǎng)絡(luò)可信的狀態(tài)，最終實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)分片擴(kuò)容的螺旋式循環(huán)演進(jìn)。

5? ?結(jié)束語

基于區(qū)塊鏈技術(shù)如何賦能5G網(wǎng)絡(luò)垂直行業(yè)應(yīng)用業(yè)務(wù)及5G網(wǎng)絡(luò)助力區(qū)塊鏈組網(wǎng)和平臺部署分析，指出了5G+區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的必要性和技術(shù)體系，重點對5G+區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)分片進(jìn)行建模，對保證分片網(wǎng)絡(luò)可信和保證全網(wǎng)可信的兩種方案進(jìn)行仿真對比，分析了單點受控概率、分片可信度、分片數(shù)量、全網(wǎng)可信度等參數(shù)對分片規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的影響，給出了滿足一定可信度條件時，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)分片的最優(yōu)規(guī)模，并提出在一定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)從保證分片網(wǎng)絡(luò)可信向保證全網(wǎng)可信方案演進(jìn)再向更大規(guī)模分片網(wǎng)絡(luò)可信方案演進(jìn)的路線。

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作者簡介

劉秋妍（orcid.org/0000-0003-1798-9938）：高級工程師，博士，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，主要研究方向為無線通信與區(qū)塊鏈技術(shù)。

張忠皓：教授級高級工程師，博士，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，主要研究方向為5G網(wǎng)絡(luò)、毫米波技術(shù)與邊緣計算技術(shù)。

李福昌：教授級高級工程師，博士，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，主要研究方向為移動通信及無線網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)應(yīng)用。