北斗時(shí)空區(qū)塊鏈

劉光明，謝國(guó)鈞，沙峰，成偉

（ 1. 中科星圖股份有限公司, 北京 101300；2. 陜西省軍民融合信息中心, 西安 710100 ）

0 引 言

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于比特幣(BTC). BTC被稱為區(qū)塊鏈1.0體系，由中本聰于2008年提出，是一種去中心化的加密貨幣. 在實(shí)際應(yīng)用中需要將區(qū)塊鏈技術(shù)擴(kuò)展到其他去中心化領(lǐng)域. 2015年以以太坊為代表的區(qū)塊鏈2.0體系應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)展了智能合約技術(shù)，為區(qū)塊鏈應(yīng)用提供了開(kāi)源平臺(tái)，大幅拓展了區(qū)塊鏈的應(yīng)用場(chǎng)景.

韓璇等[1]系統(tǒng)地歸納了區(qū)塊鏈安全問(wèn)題的研究現(xiàn)狀；夏清等[2]對(duì)區(qū)塊鏈共識(shí)協(xié)議做了系統(tǒng)梳理；邵奇峰等[3]結(jié)合開(kāi)源項(xiàng)目，對(duì)比了多種企業(yè)級(jí)區(qū)塊鏈的技術(shù)特點(diǎn)；ALI等[4]總結(jié)了區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)方面的研究進(jìn)展；曾詩(shī)欽等[5]歸納了典型區(qū)塊鏈項(xiàng)目的技術(shù)選型和特點(diǎn)，給出了區(qū)塊鏈在智慧城市、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等前沿方向的應(yīng)用方法；傅易文晉等[6]對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在時(shí)空數(shù)據(jù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望；中國(guó)信息通信研究院[7-9]發(fā)布的區(qū)塊鏈白皮書(shū)，對(duì)區(qū)塊鏈的技術(shù)、應(yīng)用和發(fā)展做了全面的論述.

因此，通過(guò)融合創(chuàng)新，進(jìn)一步挖掘區(qū)塊鏈的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并應(yīng)用于國(guó)計(jì)民生，將是值得深入研究的方向.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)不僅可以提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)(PNT)服務(wù)，還可用于構(gòu)建可信時(shí)空，進(jìn)而融合區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)成“北斗時(shí)空區(qū)塊鏈”. 這是BDS的很重要，且容易被忽視的作用.

1 北斗短報(bào)文促進(jìn)賬本可信

1.1 區(qū)塊鏈的賬本可信

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式的共享賬本，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可追溯、集體維護(hù)、公開(kāi)透明等特點(diǎn). 區(qū)塊鏈由若干區(qū)塊連接而成，結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

圖2為全節(jié)點(diǎn)區(qū)塊結(jié)構(gòu). 針對(duì)手機(jī)端用戶的輕節(jié)點(diǎn)區(qū)塊中只包含區(qū)塊頭，不包含區(qū)塊體. 全節(jié)點(diǎn)區(qū)塊的字節(jié)數(shù)不超過(guò)1 MiB，可打包約4 000條交易記錄.

圖2 全節(jié)點(diǎn)區(qū)塊結(jié)構(gòu)

圖3為區(qū)塊內(nèi)所有交易的Merkle根哈希值算法.

圖3 Merkle根哈希值算法

區(qū)塊鏈起源于BTC，通過(guò)共識(shí)算法保證了可信性. 圖4為BTC采用工作量證明(PoW)共識(shí)算法. 參與者各自由0開(kāi)始逐個(gè)進(jìn)行試算，直到搜索出符合要求的未知隨機(jī)數(shù)，使整個(gè)區(qū)塊頭的哈希值小于難度值，就可以競(jìng)爭(zhēng)到一次記賬權(quán)，打包最新交易，添加一個(gè)新區(qū)塊，并在得到全網(wǎng)共識(shí)后獲得BTC獎(jiǎng)勵(lì)，這個(gè)過(guò)程俗稱“挖礦”.

圖4 PoW共識(shí)算法

為了給全網(wǎng)共識(shí)留出足夠的時(shí)間，BTC系統(tǒng)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整共識(shí)算法的難度值，限定全網(wǎng)挖到一個(gè)新區(qū)塊大約需要10 min. 這種設(shè)計(jì)消耗了大量算力，但也使篡改賬本的行為無(wú)利可圖. 消耗的算力是分布式系統(tǒng)達(dá)成共識(shí)付出的代價(jià)，否則就需要建立一套中心化機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些交易. 因此，BTC的價(jià)值來(lái)自于信用，而信用來(lái)自于消耗的算力. 任何沒(méi)有成本的信用，都是可疑的.

1.2 北斗短報(bào)文用于解決共識(shí)分歧

假設(shè)兩臺(tái)礦機(jī)同時(shí)挖到新區(qū)塊，它們都會(huì)將自己生成的新區(qū)塊廣播到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中. 由于網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性特點(diǎn)，不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到這兩個(gè)新區(qū)塊的先后次序不同，這樣就產(chǎn)生了時(shí)空歧義，并引起了共識(shí)分歧.

如果按新區(qū)塊中標(biāo)記的時(shí)間來(lái)判斷次序，則需要考慮時(shí)間基準(zhǔn)和時(shí)間精度問(wèn)題. 如圖5所示，為了保證共識(shí)可靠性，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)無(wú)差別的把兩個(gè)新區(qū)塊暫時(shí)保留，給區(qū)塊鏈做一個(gè)臨時(shí)的分叉. 當(dāng)下一個(gè)新區(qū)塊被挖出時(shí)，將隨機(jī)地連到分叉中的某一個(gè)區(qū)塊(父區(qū)塊)上，同時(shí)放棄另一個(gè)區(qū)塊(叔區(qū)塊)，然后向全網(wǎng)廣播.

圖5 共識(shí)分歧

因此，在完成一筆交易后，不能立即得到確認(rèn)，需要6個(gè)新區(qū)塊產(chǎn)生后，才可確定成功確認(rèn)交易.

時(shí)空歧義會(huì)引起共識(shí)分歧，導(dǎo)致交易效率降低、算力浪費(fèi). 在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，要實(shí)現(xiàn)去中心化和全網(wǎng)共識(shí)，須犧牲效率、浪費(fèi)算力. 顯然，區(qū)塊鏈技術(shù)更適用于低頻高價(jià)值業(yè)務(wù).

目前，為了既能保證區(qū)塊鏈的安全性，又能提高效率、減少浪費(fèi)，改進(jìn)的共識(shí)算法已有幾十種. 例如權(quán)益證明、權(quán)威證明、拜占庭容錯(cuò)等. 但是去中心化程度、交易效率和安全可信三者之間相互制約，存在三元悖論問(wèn)題[10]. 在實(shí)際應(yīng)用中，只能根據(jù)需求做出權(quán)衡，選擇一種更適合的共識(shí)算法.

閃電網(wǎng)絡(luò)通過(guò)小額交易從主鏈中分離出來(lái)，簡(jiǎn)化共識(shí)過(guò)程，建立部分節(jié)點(diǎn)之間的雙向快速支付通道，從而提升區(qū)塊鏈的交易效率. 現(xiàn)在常用的聯(lián)盟鏈和私有鏈，其運(yùn)行在本質(zhì)上是基于團(tuán)體成員之間的信任.由于過(guò)于追求效率，中心化程度高，而使其逐漸退化為鏈表. 作為法定貨幣，數(shù)字人民幣[11]由國(guó)家直接發(fā)行，采用中心化管理模式，信用來(lái)自于綜合國(guó)力，因此，不能稱之為區(qū)塊鏈技術(shù).

IP協(xié)議使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)看起來(lái)像是一個(gè)統(tǒng)一的、各向同性的網(wǎng)絡(luò)，用戶完全感受不到各子網(wǎng)的異構(gòu)細(xì)節(jié). 但是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)會(huì)給信息同步和全網(wǎng)共識(shí)帶來(lái)分歧，還會(huì)給網(wǎng)絡(luò)攻擊留出時(shí)間間隙[12]. 通過(guò)北斗PNT服務(wù)可以統(tǒng)一全網(wǎng)時(shí)間基準(zhǔn)，提高時(shí)間精度，北斗短報(bào)文服務(wù)傳輸共路信令，可構(gòu)造無(wú)尺度網(wǎng)絡(luò)，規(guī)避網(wǎng)絡(luò)異步生態(tài).

每當(dāng)新區(qū)塊生成后，借助北斗短報(bào)文將新區(qū)塊頭的256位哈希值轉(zhuǎn)發(fā)給全網(wǎng)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，以便高效達(dá)成全網(wǎng)共識(shí)，而區(qū)塊本身依然采用常規(guī)網(wǎng)絡(luò)傳輸. 北斗短報(bào)文的一對(duì)多廣播功能，可改善全網(wǎng)接收信令的同步問(wèn)題，進(jìn)而大幅度壓縮共識(shí)時(shí)間，節(jié)約算力，提高交易效率.

2 北斗PNT服務(wù)的物理可信與時(shí)空可信

2.1 物理可信與時(shí)空可信

區(qū)塊鏈1.0是以BTC為代表的數(shù)字貨幣. 區(qū)塊鏈2.0以以太坊平臺(tái)為代表，主要應(yīng)用于金融服務(wù)，例如債券、股權(quán)、集資等. 區(qū)塊鏈3.0應(yīng)用于社會(huì)活動(dòng)，以保證公正、公平、公開(kāi)，例如投票、公證和項(xiàng)目合作等. 實(shí)際上，所有高價(jià)值的分布式行為都可以應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)來(lái)解決信任問(wèn)題. 區(qū)塊鏈技術(shù)用于現(xiàn)實(shí)世界，應(yīng)同時(shí)保證賬本可信、物理可信和時(shí)空可信.

物理可信指：區(qū)塊中需要記錄的視頻、照片、資料、氣象、環(huán)境以及時(shí)空標(biāo)簽等物聯(lián)感知信息是可信的，可作為一個(gè)事件的物理證明. 如果在物理證明的采集和錄入時(shí)就發(fā)生了有意或無(wú)意的錯(cuò)誤，那就不能保證事件的可信性. 時(shí)空可信指：任何事件都必須遵守時(shí)空的秩序，區(qū)塊中記錄的人、物、事、時(shí)間、地點(diǎn)的時(shí)空邏輯必須自洽.

事件總是在時(shí)空中發(fā)生，其物理信息與時(shí)空標(biāo)簽共同組成了時(shí)空數(shù)據(jù). 因此，物理可信與時(shí)空可信往往是相互制約、相互佐證的. 例如，一份合同上簽署的時(shí)間地點(diǎn)與采集的時(shí)空標(biāo)簽的真實(shí)性，稱為物理可信；如果簽署與采集的時(shí)間地點(diǎn)一致，則稱為時(shí)空可信.

2.2 北斗PNT服務(wù)的物理可信

北斗PNT服務(wù)的物理可信是其時(shí)空可信的前提. 欺騙式干擾和壓制式干擾會(huì)嚴(yán)重影響北斗PNT服務(wù)的物理可信. 北斗接收機(jī)抗干擾首先要準(zhǔn)確地檢測(cè)到干擾信號(hào)，并對(duì)真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，然后在解算時(shí)排除干擾信號(hào)[13]. 干擾信號(hào)監(jiān)測(cè)方法主要包括功率，載噪比以及信號(hào)質(zhì)量等方面的檢測(cè). 欺騙式干擾抑制方法主要包括殘留信號(hào)檢測(cè)、接收機(jī)完好性監(jiān)視和空域處理技術(shù). 壓制式干擾抑制方法主要包括時(shí)/頻域?yàn)V波、空域處理、空時(shí)聯(lián)合處理技術(shù). 更為復(fù)雜的情況是欺騙式干擾與壓制式干擾同時(shí)存在，可采用基于多天線的GNSS 壓制式干擾與欺騙式干擾聯(lián)合抑制方法[14].

通常，還將北斗與其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)融合，并與網(wǎng)絡(luò)授時(shí)、廣播授時(shí)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、視覺(jué)導(dǎo)航、室內(nèi)導(dǎo)航等技術(shù)組合成綜合PNT系統(tǒng)，以提升PNT服務(wù)的彈性和魯棒性[15-16]. 在北斗信號(hào)受到干擾和欺騙的情況下，也能保證采集的時(shí)空標(biāo)簽物理可信.

北斗PNT服務(wù)具有全球性、全天候、高精度等特點(diǎn)，北斗接收設(shè)備具備成本低、能耗低、體積小等特點(diǎn). 這些特點(diǎn)共同決定了北斗必然是綜合PNT系統(tǒng)的基礎(chǔ)系統(tǒng). 因此，北斗是區(qū)塊鏈時(shí)空標(biāo)簽的天然輸入源.

北斗時(shí)空標(biāo)簽的區(qū)塊鏈稱為“北斗時(shí)空區(qū)塊鏈”.虛擬貨幣中記錄的是交易，而在北斗時(shí)空區(qū)塊鏈中記錄的是發(fā)生在現(xiàn)實(shí)世界中的事件. 由于事件的物理證明信息體量過(guò)大，不適合錄入?yún)^(qū)塊. 因此，北斗時(shí)空區(qū)塊鏈將每一個(gè)事件及其物理證明的摘要記錄在區(qū)塊中，而真正的物理證明另外存貯在硬盤里[17]. 全網(wǎng)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)哈希計(jì)算快速驗(yàn)證物理證明是否被篡改.

2.3 北斗PNT服務(wù)的時(shí)空可信

北斗應(yīng)用于區(qū)塊鏈，不僅因?yàn)楸倍纺鼙憬菘煽康牟杉瘯r(shí)空標(biāo)簽，而且在于北斗PNT服務(wù)具備時(shí)空可信性，具體包括服務(wù)泛在性、基準(zhǔn)統(tǒng)一性、時(shí)空自洽性、因果必然性和共識(shí)同步性.

“服務(wù)泛在性”是北斗PNT服務(wù)時(shí)空可信性存在的物理基礎(chǔ)和前提條件，只有保證泛在服務(wù)，才能普及可信時(shí)空. “基準(zhǔn)統(tǒng)一性”指：北斗能提供基于統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)的PNT服務(wù)，保證了時(shí)空的唯一性. 例如，在不考慮測(cè)量誤差的前提下，用北斗確定一個(gè)事物的坐標(biāo)，那么這個(gè)事物不可能還同時(shí)存在另一個(gè)坐標(biāo)值. “時(shí)空自洽性”指：“什么時(shí)間在什么地方”應(yīng)該是邏輯自洽的. “因果必然性”指時(shí)間是單向不可逆的，因果的次序不能改變. 例如，一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)日期必須早于銷售日期，否則就違背了時(shí)空秩序. “共識(shí)同步性”指只有全網(wǎng)信令同步才能保證在分布式系統(tǒng)中高效地達(dá)成共識(shí). 北斗短報(bào)文不僅可用于通信，也是實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)信令同步的有力手段.

可以看出，憑借北斗PNT服務(wù)的時(shí)空可信性，能有效地維護(hù)時(shí)空秩序、規(guī)避時(shí)空歧義、證明時(shí)空自洽、達(dá)成時(shí)空共識(shí)，最終構(gòu)建可信時(shí)空.

3 北斗時(shí)空區(qū)塊鏈應(yīng)用方向

傳統(tǒng)區(qū)塊鏈中只有時(shí)間標(biāo)簽，而沒(méi)有空間標(biāo)簽，時(shí)間標(biāo)簽也不要求由北斗來(lái)統(tǒng)一授時(shí). 因此，不具備時(shí)空可信性，以致其能力和應(yīng)用受限. 北斗時(shí)空區(qū)塊鏈具備魯棒性強(qiáng)、滲透性強(qiáng)、可自激勵(lì)，可自生長(zhǎng)的特點(diǎn). 如圖6所示，具體應(yīng)用類型包括流程全鏈監(jiān)管、資源高效共享、任務(wù)眾創(chuàng)協(xié)作等.

圖6 北斗時(shí)空區(qū)塊鏈的應(yīng)用

1)流程全鏈監(jiān)管

流程全鏈監(jiān)管包括實(shí)物流通、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和業(yè)務(wù)流程三個(gè)方面.

北斗時(shí)空區(qū)塊鏈可為實(shí)物產(chǎn)品的生產(chǎn)、流通和交易提供全鏈路可信時(shí)空約束條件，能夠起到防偽鑒真作用，也可為造假行為的追蹤溯源提供依據(jù)，應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈[18]和無(wú)人機(jī)智能快遞等. 北斗時(shí)空區(qū)塊鏈也可為信息類業(yè)務(wù)提供基于可信時(shí)空的全歷程變化監(jiān)測(cè)和全流程業(yè)務(wù)監(jiān)管，以保證數(shù)據(jù)和信息在全生命周期內(nèi)的安全和可信. 例如地類變化監(jiān)測(cè)、土地利用審批監(jiān)管，以及時(shí)空大數(shù)據(jù)監(jiān)管.

2)資源高效共享

資源高效共享包括數(shù)據(jù)、設(shè)備和人力三個(gè)方面.

時(shí)空大數(shù)據(jù)具有多源性、關(guān)聯(lián)性、復(fù)雜性、海量性，從采集到應(yīng)用的全生命周期內(nèi)都具有分布式特點(diǎn)，各種數(shù)據(jù)散落在不同機(jī)構(gòu)[19]. 為了解決數(shù)據(jù)碎片化問(wèn)題，通常努力將其整合為一個(gè)中心化的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，但仍難以跟上時(shí)空信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展. 從另一個(gè)角度看，時(shí)空大數(shù)據(jù)的集中式存儲(chǔ)會(huì)導(dǎo)致行業(yè)信息不透明、易于篡改和監(jiān)管困難. 例如，在2011年的地溝油事件、2016年的山東疫苗事件及2018年的長(zhǎng)生疫苗事件等的調(diào)查過(guò)程中， 都出現(xiàn)了不同程度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題. 同樣，專業(yè)設(shè)備和人力也都存在分布式歸屬和利用率不高等痛點(diǎn).

應(yīng)用北斗時(shí)空區(qū)塊鏈可以激活分布式數(shù)據(jù)、設(shè)備和人力的高效共享和可控流轉(zhuǎn).

3)任務(wù)眾創(chuàng)協(xié)作

任務(wù)眾創(chuàng)協(xié)作包括采集、處理和研發(fā)三個(gè)方面.

北斗時(shí)空區(qū)塊鏈可用于在松散組織架構(gòu)下，基于可信時(shí)空的時(shí)空大數(shù)據(jù)眾創(chuàng)采集或生產(chǎn)，并能解決分布式協(xié)作過(guò)程中的信任和激勵(lì)問(wèn)題. 其應(yīng)用場(chǎng)景有全球街景采集、海量遙感數(shù)據(jù)處理、時(shí)空算法研發(fā)等.

例如，目前全球街景圖片大多來(lái)自于采集員的現(xiàn)場(chǎng)拍攝，谷歌為了降低街景采集人力成本，采用了眾包分工模式，但也無(wú)法保證落后地區(qū)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和實(shí)時(shí)性. 將北斗時(shí)空區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于分布式街景采集，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的共識(shí)和激勵(lì)機(jī)制，可以讓全世界任何人都能無(wú)門檻的參與數(shù)據(jù)采集工作，并獲得公平的回報(bào).

4 結(jié)束語(yǔ)

所有分布式的行為都可以應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)來(lái)解決信任問(wèn)題，將區(qū)塊鏈技術(shù)用于現(xiàn)實(shí)世界時(shí)應(yīng)該同時(shí)保證賬本可信、物理可信和時(shí)空可信. 北斗是綜合PNT系統(tǒng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)，也是區(qū)塊鏈時(shí)空標(biāo)簽天然的輸入源. 但北斗的作用不僅是便捷可靠的采集時(shí)空標(biāo)簽，而更深層的意義在于北斗PNT服務(wù)具備時(shí)空可信性. 因此，北斗時(shí)空區(qū)塊鏈可在流程全鏈監(jiān)管、資源高效共享、任務(wù)眾創(chuàng)協(xié)作等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用.

在當(dāng)前的時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代，出現(xiàn)了一些新概念、新理論，甚至可以說(shuō)是顛覆式的理念. “顛覆”意味著這些理念與以往的傳統(tǒng)思維方式以及業(yè)務(wù)邏輯大相徑庭. 其理論不易理解，實(shí)現(xiàn)難度也較大. 因此，我們往往從感性上會(huì)產(chǎn)生排斥情緒. 技術(shù)的更新?lián)Q代一般都會(huì)遇到各種困難，但假以時(shí)日，這些新理念必將給相關(guān)行業(yè)乃至全社會(huì)帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響.

致謝：本文的撰寫(xiě)得到了東南大學(xué)李幼平院士的耐心指導(dǎo)，在此表示由衷的感謝.