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1.论基础设施区块链

区块链基础设施及其在双碳领域的应用
2023
第一期:本期围绕区块链基础设施及其在双碳领域的应用,以国家重点研发项目为背景,探索区块链基础体系结构、双碳领域的作用、支持双碳区块链体系结构以及区块链硬件的设计讨论,本期包括5篇文章。

1. 论基础设施区块链

2. 区块链助力双碳领域实现跨越式发展

3. 碳链网格体系结构

4. 区块链安全可信感知芯片

5. 可扩展的分布式预言机

论基础设施区块链

Infrastructure Blockchains

北京航空航天大学计算机学院

云南省区块链应用技术重点实验室

胡 凯

区块链是一种融合分布式技术、密码学、经济学、金融和社会学等思想与理论的技术,已经成为国家新基建和数字经济发展战略的关键技术之一,2015年被国际上认为是区块链独立于比特币成为新技术发展的元年,这年10月英国《经济学人》发表封面文章,称制造信任的机器—比特币后面的技术将如何改变世界,区块链价值远大于比特币,英国也宣布区块链为国家战略。此后,区块链产生了大量的各种各样的模式,区块链作为一种新的互联网和数字化技术,发展速度之快、模式之多、涉及领域之广、参与的各种职业人之多,实属技术发展史中罕见。经历了第一代比特币为代表的区块链和第二代以太坊为代表的区块链后,人们普遍在探讨第三代区块链的核心是什么,区块链的体系结构将发生怎样的变化。

1. 区块链体系结构的发展
目前,一般比较公认的是从区块链技术的发展历程看,可以根据区块链技术应用分为三代:第一代以可编程数字加密货币为主要特征,代表项目为比特币区块链;第二代以可编程金融系统为主要特征,融入了智能合约技术,为股权众筹和P2P借贷平台等各类基于区块链技术的互联网资产化金融应用,代表项目为以太坊;第三代以可编程数字社会为主要特征,但其内涵和内容并不确定,还有待完善和实践。

目前一般认为区块链从用途和规模上大致分为三类,即:

01
   公有区块链
(Public Blockchains)
公共区块链是指全世界任何人都可读取的、任何人都能发送交易且交易能获得有效确认的、任何人都能参与其中共识过程的区块链,共识过程决定哪个区块可被添加到区块链中和明确当前状态。作为中心化或者准中心化信任的替代物,公共区块链的安全由“加密数字经济”维护,采取工作量证明机制或权益证明机制等方式,将经济奖励和加密数字验证结合了起来,并遵循一般原则:每个人从中可获得的经济奖励与对共识过程作出的贡献成正比。

02
   联盟区块链
(Consortium Blockchains)
联盟区块链是指其共识过程受到预选节点控制的区块链;联盟的每个机构都运行着一个节点,而且为了使每个区块生效需要获得其中多个机构的确认,常采用拜占庭PBFT共识算法,需要2/3节点共识。区块链允许每个人都可读取,或者只受限于参与者,或走混合型路线,例如区块的根哈希及其API(应用程序接口)对外公开,API可允许外界用来作有限次数的查询和获取区块链状态的信息等。

03
   私有区块链
(Private Blockchains)
私有的区块链是指其写入权限仅在一个组织手里的区块链。读取权限或者对外开放,或者被任意程度地进行了限制。相关的应用囊括数据库管理、审计、甚至一个公司,尽管在有些情况下希望它能有公共的可审计性,但在大多数情形下,公共的可读性并非是必须的。

目前来看,私有区块链很难体现区块链公平可信的特征,和集中式系统区分不大,因此并不符合应用于实体经济,而公链体现了区块链的本源思想,由于其应用目标有局限,规模要足够大,构建和应用比较困难,因此,联盟链成为了实体经济应用的一种常用形式。但是随着区块链应用的不断扩大,链的规模不断扩大,已经不能局限于某个领域或者行业的联盟应用,大量联盟链的构建也造成了“链孤岛”,底层协议、数据、交互接口互通困难,同时与现有集中式系统为主流的云、网、端、算力中心、数据中心等互联困难。这种区块链系统自循环发展模式很难适应数字经济的需求,目前应用和规模都缺乏路径和模式,这也是区块链当前认可度不高的根本原因,一个特别重要的研究工作就是如何和主流系统的融合、能适应数字经济和数字社会发展的新区块链体系结构。

在新基建和数字经济战略建设目标牵引下,我们认为,一种可扩展的新型区块链类型应该成为一种主流,可以称之为基础设施区块链,即建立跨领域、地域的、多链互联、云网端及数据中心可协同的基础骨干链,支持区域规模的多经济体共用,是介于公链和联盟链之间的一种形态,这里公链和联盟链之间的界限将越来越模糊,不同的只是权限控制的接入不同和规模应用的不同。

2. 基础设施链体系结构
可以从区块链的发展来看区块链体系结构的新趋势,第一代区块链的抽象模型是以比特币区块链为代表的简单模型,如图1所示。主要是基于账本、挖矿和简单的脚本编程来实现价值的记录和交易。

 

图1 第一代区块链抽象模型

当前,联盟链发展迅速,国内长安链、蚂蚁链、百度超级链、京东链、北航链、梧桐链、趣链等形成百链竞放,架构、协议、基础数据结构和应用接口呈多元化、交叉共存局面,跨链技术凸显重要性;此外,应用已经远远超出以数字货币交换或金融账号交易为主的场景,在数字管理、存证、溯源、大数据管理等方面有强劲的增长需求。这些是建立在第二代区块链技术之上的,第二代区块链技术是公认的区块链“分布式账本+智能合约”的模型,基本模型如图2所示。

 

图2 第二代区块链抽象模型

第三代区块链模型毫无疑问应该是链网融合的模型,而之上的应用,可以称为链网融合计算,如图3所示。围绕这一未来区块链架构,是基于Web3的标准、支持数据要素流通、元宇宙和人工智能大模型等新应用,来构建适应新基建区块链基础设施。

 

图3  第三代新基建区块链抽象模型

笔者在2023年编著出版的《区块链原理教程》(高等教育出版社)中首次提出了第三代区块链目标和研究范畴,提出了基础设施链的概念、定义、界定和概念,并已经在云南省多个项目中付诸实践。

首先我们可以给出基础设施区块链(IBC:Infrastructure BlockChains)的一个定义:基础设施区块链权限由政府或公益性组织公信管理或监管,规模可以覆盖区域(省级、市级)行业应用和数据存储,足够多的骨干共识节点保障系统的可信性和公信性,能支持新型的跨链、分片和链上链下互通,提供良好的接入、服务和智能合约应用接入,用户分层可设置访问控制权限,从而形成一种区域基础链网,具有良好的可扩展性,支持未来延展扩大或对接国家级骨干链,同时与现行云网端实现链网融合以及与物联网、工业标识系统和数据互联网等的互通,构建链上链下可信服务协同体系,支撑省、市、县级区域跨行业的区块链服务、监管、数据要素流通和交易,形成新基建基础设施之一。

基础设施区块链IBC应该满足如下九个基本属性:

01
 基础性:
必须考虑和其他新基建基础设施互补,支撑基础应用。

02
 扩展性:
系统结构必须在L0~L3层架构上具有良好的可扩展性。

03
 公信性:
政府主导的新基建,体系建设、节点和运营必须具有公信力。

04
 链通性:
由于各种联盟链的存在,百链齐放,但必须能高效方便跨链。

05
 融合性:
链必须与已有基础设施,如云网端,算力、数据中心融合。

06
 监管性:
基础设施必须具有严格的认证、权限、安全和可监管性。

07
 服务性:
链上智能合约服务与链下服务,如SaaS服务等,提供联合服务。

08
 履约性:
基础设施需要强调基于智能合约契约性的必要强制自动履约性。

09
 执行性:
基础设施链必须具有自主可控、运营可靠、执行力强等特点。

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