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中国联通 5G区块链技术白皮书 中国联通 2020年 9月 中国联通 5G 区块链技术白皮书 II 版权所有 中国联 通 研究院 2020 中国联通 5G 区块链技术白皮书 I 版权所有 中国联 通 研究院 2020 序 “新基建 ”是服务于国家长远发展和 “两个强国 ”建设战略需求，以技术创新为 驱动，以信息网络为基础，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的新型基 础设施体系。 2020 年 4 月 20 日，国家发展和改革委员会首次明确 “新基建 ”的范 围包括以 5G、卫星互联网、区块链为代表的信息基础设施，以智能交通、智慧 能源为代表的融合基础设施和以重大科技基础设施、科教基础设施为代表的创新 基础设施。 5G 作为起步较早的 “新基建 ”重点领域，承担着 “新基建 ”各领域泛在网络互联 的使命，是 “新基建 ”各领域从设计规划到建设施工、从示范应用到运营维护全生 命周期的信息血脉。随着产业升级和技术变革，分布式、共建共享建设机制和商 业模式逐渐成为 “新基建 ”时代深度高效利用资源、提升行业公开公平可信程度的 重要趋势，亟需采用区块链等新型技术体制替代权威信用主体和第三方背书，避 免由单点故障引发的信用体系崩塌。因此，在 “新基建 ”时代， 5G 网络与区块链 作为提供网络互联和信任互联的底层关键基础设施，必将相互牵引相互驱动，共 同促进融合发展，为 “新基建 ”从建设阶段的供应链管理、金融管控、数据共享、 信用监管到 “新基建 ”应用阶 段的工业互联网、智能交通、智慧能源等各领域提供 全生命周期的新型基础支撑。 中国联通 5G 区块链技术白皮书 II 版权所有 中国联 通 研究院 2020 中国联通 5G 区块链技术白皮书 III 版权所有 中国联 通 研究院 2020 目录 1. “新基建 ”网络互联与信任互联基础 .1 1.1. 经济发展步伐放缓 .1 1.2. 新基建：数字化转型新阶段 .2 1.3. 5G与区块链在新基建中的定位 .3 2. 5G与区块链双牵双驱相互赋能 .5 2.1. 区块链赋能 5G 网络信任变革 .5 2.2. 5G助力区块链落地部署 .7 2.2.1. 区块链部署难题 .7 2.2.2. 基于 5G+MEC的区块链部署架构 .9 2.2.3. 基于 5G+MEC的区块链资源分配算法 . 12 2.2.4. 5G+区块链网络分片设计 . 14 2.2.5. 多方信任管理模 型 . 18 2.2.6. DApp部署设计 . 20 3. 5G+区块链助力新基建建设 . 24 3.1. 5G+区块链新基建中供 应链领域的应用 . 24 3.1.1. 5G+区块链打造智能化供应链 . 24 3.1.2. 基于区块链的供应链优化方案 . 24 3.2. 5G+区块链在 新基建中金融及融资领域的应用 . 26 3.2.1. 5G+区块链在金融领域的价值体现 . 26 3.2.2. 区块链在新基建金融领域的解决方案 . 27 3.3. 5G+区块 链新基建中多方信息共享领域的应用 . 30 3.3.1. 5G+区块链支持信息交换共享的价值 . 31 3.3.2. 基于区块链信息交换共享解决方案 . 31 3.4. 5G+区块链新基建中征信监管领域的应用 . 32 3.4.1. 5G+区块链应用于征信系统的价值分析 . 32 3.4.2. 基于区块链的征信系统解决方案 . 34 4. 5G+区块链推动新基建应用升级 . 35 4.1. 工业互联网 . 35 4.1.1. 工业互联网现状和挑战 . 35 4.1.2. 5G+区块链在工业 互联网的应用 . 37 4.2. 智能交通 . 40 4.2.1. 智能交通的现状和挑战 . 40 4.2.2. 区块链在智能交通的应用 . 41 4.3. 新能源汽车充电桩 . 43 4.3.1. 新能源汽车充电桩现状和挑战 . 43 4.3.2. 5G+区块链在新能源共享充电桩的应用 . 43 4.4. 智慧能源 . 44 4.4.1. 智慧能源现状和挑战 . 44 4.4.2. 5G+区块链在智慧能源的应用 . 45 5. 总结与展望 . 47 中国联通 5G 区块链技术白皮书 IV 版权所有 中国联 通 研究院 2020 6. 附录：缩略语 . 48 中国联通 5G 区块链技术白皮书 V 版权所有 中国联 通 研究院 2020 版权声明 本白皮书版权由中国 联合 网络 通信 有限公司 与中兴通讯股份有限公司、北京 交通大学共同拥有，并受法律保护。转载、编摘或利用其他方式使用本白皮书文 字或者观点的，应注明来源。 作者 中国联合 网络 通信 有限公司 研究院 李 红 五 、 迟永生 、李福昌 、张忠皓 、 刘秋妍 中兴通讯股份有限公司 张再军、章坚、郑锦荣、郭海生、李晓彤、陈祥榴、王德政、张强、曾鸣、黄 峥、周晶 北京交通大学 吴昊、孙宵芳、赵宁、董琛 中国 联合 网络 通信 有限 公司 河南省分公司 王宜科 、 黄志勇 中国联通 5G 区块链技术白皮书 VI 版权所有 中国联 通 研究院 2020 中国联通 5G 区块链技术白皮书 1 版权所有 中国联 通 研究院 2020 1. “新基建 ”网络互联与信任互联基础 1.1. 经济发展步伐放缓 依据世界银行国民经济核算数据显示，在 2007 年 -2009 年的全球金融危机时 期，全球 GDP 一度出现了负增长，中国 GDP 增长虽然也出现了较大幅度的下 滑，但是仍然保持了较高的增长水平，这主要得益于 2008 年中国在铁路、公路、 机场等基础设施领域 “四万亿 ”投资的外部效应。历史经验表明，在经济下行周期 或者突发全球性危机时，经济增长三驾马车中的消费和出口均会受到较大影响， 国家通过在公共基础设施建设领域加大投资来有效拉动内需不仅可以短期内有 效缓解经济下行周期内全球经济低迷的局势而且可以促进社会经济长期结构型 改革和升级转型。但是，随着国内 “铁公基 ”领域建设发展日益完善，传统的基础 设施建设对社会经济的溢出效应越来越有限，因此，近 10 年来，虽然全球 GDP 增速一直保持相对平稳的状态，但是中国 GDP 增长却日趋乏力。从技术经济学 的角度分析，随着 “铁公基 ”技术发展和建设的日益完 善，传统基础设施建设领域 技术、资本对社会经济增长的边际效应递减，而这也意味着社会经济增长亟需通 过新一轮技术变革完成经济结构型改革和升级转型。 图 1 全球及中国近 20 年 GDP 增长率曲线 -4.00% -2.00% 0.00% 2.00% 4.00% 6.00% 8.00% 10.00% 12.00% 14.00% 16.00% 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 20 20 Q 1 中国 GDP年增长率 全球 GDP年增长率 中国联通 5G 区块链技术白皮书 2 版权所有 中国联 通 研究院 2020 1.2. 新基建：数字化转型新阶段 随着以 “5+ABCDE”（第五代移动通信 5th Generation、人工智能 Artificial Intelligence、区块链 Blockchain、云计算 Cloud Computing、数据挖掘 Data Mining、 边缘计算 Edge Computing）为代表的信息技术飞速发展，各行各业在从劳动密集 型向技术密集型和资本密集型转变的过程中，逐渐跨越通过自动化设备替代手动 操作的阶段后，对以技术变革推动社会经济转型的需求愈发强烈，期望以全网统 一管控协同调度替代单点工作，以资源池化共享颠覆孤岛资源，以核心能力边缘 下沉弥补远端能力与边缘业务需求之间的鸿沟，以数据分析将现实世界刻画到虚 拟世界，以人工智能提升辅助增强决策分析的智能化水平，以分布式存储共识提 供基于网络的信任互联。数据、信息、网络、平台能力已经成为为新时期企业的 核心竞争力，以信息网络建设、信息技术 应用、信息产品与服务、信息化人力资 源和信息化发展水平等方面测算出来的国家信息化水平已经成为信息时代的 “国 家智商 ”。据 IDC 估计，到 2021 年，全球 50%以上的 GDP 将以数字化方式实现， 以 5G 为代表的信息技术将全面渗透到各行各业，未来亟需建设像 “铁公基 ”一样 规模化、社会化、稳定、高效、智能的信息化领域新型基础设施。近年来，各国 政府纷纷加强信息技术在社会经济中的应用，美国提出 “数字孪生 ”，德国提出 “工 业 4.0”，中国提出 “中国制造 2025”，英国也发布了 “英国数字化战略 ”。 经过多年发展，中国的信息产业发展速度显著，但是目前仍 然 无法像 “铁公基 ” 一样 ， 作为全社会范围规模化信息基础设施为各行各业经济结构性改革做出根本 性贡献。一方面是因为整个社会 ， 尤其是垂直行业信息化水平仍然属于发展的初 期阶段，不仅总体规模较小而且质量较低， “烟囱式 ”孤岛现象较为严重，规模化 应用有限，平台应用稳定性和抗压能力有待提升。因此，实现现阶段零散、低效 的信息化系统转型升级成为全社会服务的新型数字化信息基础设施 ， 是推动新一 轮社会经济结构化转型的关键。 “新基建 ”是服务于国家长远发展和 “两个强国 ”建设战略需求，以技术创新为 驱动，以信息网络为基础，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的新型基 础设施体系。在信息化时代的 “新基建 ”是相对于工业化时代传统的 “铁公基 ”来说 的，我国作为一个发展中国家，其现代产业体系结构方面，主要体现在科技进步 中国联通 5G 区块链技术白皮书 3 版权所有 中国联 通 研究院 2020 对经济社会发展的重大作用上，而 “新基建 ”就是指发力于科技端的基础设施建设， 正是顺应了我国现代产业发展的机构体系要求， “新基建 ”主要包含 5G 基建、区 块链、卫星互联网、智能计算中心、工业互联网等新一代信息技术演化生成的信 息基础设施领域和新一代信息技术与 “铁公基 ”融合的智能交通 、智能能源。 1.3. 5G与区块链在新基建中的定位 新基建的各领域技术可以划分为如 图 2 所示的三个层次，即网络互连层、信 用互连层和智慧应用层。在网络互连层中， 5G 是提供泛在网络互联的底层基础 设施，未来 5G 将与卫星互联网融合，形成 5G 网络立体演化路线，构成 6G 网 络基础架构。另一方面， 5G 起步相对较早， 5G 网络建设及 规划中已经将融合云 化数据中心、人工智能、大数据等云化资源管控模式和智能平台能力。因此， 5G 是 “新基建 ”网络互联层的核心。 图 2 “新基建 ”各领域层次关系 由于 5G 网络及未来移动通信网络工作频段相对 3G、 4G 较高，小区覆盖半 径较小，能耗较大，因此，在 5G 扩容和未来移动通信网络建设阶段，网络建设 成本 将 骤然增加。网络共建共享是 5G网络及未来移动通信网络建设的重要趋势。 其次，随着垂直行业专有网络的建设需求逐步提升，融合垂直行业专有频段、通 用设备、通用能力平台、分布式数据中心的未来共建共享网络建设运营模式 ， 将 中国联通 5G 区块链技术白皮书 4 版权所有 中国联 通 研究院 2020 是深度提高资源利用率，提升垂直行业网络质量与管理运维效率的重要方向。另 外，随着智慧应用与共享经济的普及，基于区块链提供的网络信用将替代权威主 体和第三方背书，避免由单点故障、道德风险引发互联网思维下的可信体系崩塌 问题。除此之外，基于区块链的信用互联可以在多方参与的分布式场景中，避免 高额的第三方中介费用，提高业务处理效率，抵制严重失衡的 数据价值分配体系， 重建公平、公开、可信、互惠、高效、安全的多方合作、开放共赢良性发展机制。 中国联通 5G 区块链技术白皮书 5 版权所有 中国联 通 研究院 2020 2. 5G与区块链双牵双驱相互赋能 2.1. 区块链赋能 5G网络信任变革 5G 是指第五代移动通信技术，不仅是移动通信的一次升级换代，更是一次 重大的技术变革， 4G 改变生活， 5G 改变社会。 5G 跳出了前几代网络主要面向 人服务的范畴，更关注应用场景的多元化，强调要更好地支持行业应用与万物智 联。 5G 核心优势是更高的速率、更低的时延、更多的连接数、更快的移动速度、 更强的安全性以及更灵活的业务部署能力。 随着 5G 业务应用的日益普及，传统的集中式 应用服务架构面临的信任危机 愈发强烈。集中式架构中，所有网络主体、网络行为和网络数据的可信、安全和 完整是由单一主体控制的应用服务数据中心或第三方认证机构提供。因此，当集 中式部署的应用服务数据中心和第三方认证机构受到网络攻击或控制主体单方 面恶意篡改时，整个网络的信任机制便形同虚设。为了应对集中式网络架构的信 任危机，中本聪于 2008 年提出了一种基于链式结构数据和共识算法的分布式记 账技术，并以非对称加密、数字签名、时间戳等技术加强安全性的技术体系 区块链，以提供面向机器代码的信任机制。利用非对称加密和安全算法注册 对应 地址 ， 区块链技术可以确保身份的唯一性；其次，利用区块链技术的防篡改特点 增加网络交易数据的真实性；另外，利用区块链智能合约可以提高多方交易结算 效率。因此，区块链作为新一代互联网，其去中心化、交易信息隐私保护、历史 记录防篡改、可追溯等特性可推动 5G 应用的高效发展。通过区块链激励社会资 源投入到基站建设和分享，促进网络共建共享等方向节约运营商建设投入，为频 谱资源可信共享提供技术支撑。 （ 1） 5G 的动态频谱管理与共享 资源受限一直是困扰移动通信网络发展的关键，随着移动互联业务对大带宽、 广覆盖需求的进一步提高，向太 赫兹频段和天地一体立体化组网架构等领域发展 已经成为未来移动通信网络演进的必然趋势。但是，更高的工作频段也意味着更 大的路径损耗、更小的覆盖半径和更高昂的建网成本，立体化的组网架构同时也 中国联通 5G 区块链技术白皮书 6 版权所有 中国联 通 研究院 2020 将 引入 更多的网络运营者，因此，无论是从业务需求、技术痛点还是成本效益角 度出发，共建共享都有可能成为未来网络建设的重要方向。另一方面，除了电信 运营商有授权频谱之外，部分垂直行业也都有相应的专属授权频谱，垂直行业专 有授权频谱通常只在一定的地域范围或一定的行业应用领域中使用，并没有形成 高效 的 应用规模，频谱利用效率通常较低，反之大量的垂 直行业只能使用有限的 非授权频谱。因此，如何高效利用垂直行业和电信运营商的授权频谱为全行业提 供公平可信的频谱共享资源也是未来网络亟待解决的问题。在多方参与共建，频 谱动态共享的网络中，如何公平可信的衡量频谱动态共享状况，实现频谱动态共 享交易准确高效实时结算是保障全网稳定运营的关键。因此，基于分布式多方共 识和智能合约的区块链技术已经成为保障未来网络多方共建资源共享的底层技 术趋势。区块链作为一种分布式账本技术，其具有去中心化、公开透明、不可篡 改等特性，并且区块链上层智能合约具有使能智能结算、价值转移、资源共享的 天然 优势，频谱信息亦可通过区块链来记录。在区块链系统中，区块的生成意味 着共识的达成，达成共识的算法刚好可以用来解决信道争用问题。利用区块链所 有参与方都可对信息进行监督，记录不可篡改删除的特点，使得无线频谱资源的 共享、价值转移流通过程更加公开透明和真实可信，进而实现不同频谱拥有者无 线频谱资源价值变现化、价值转移化和频谱共享化。 （ 2）宏微基站间的协作 利用区块链技术构建去中心化网络基础设施，调动用户将身边的电子产品打 造成可以进行传输的微基站，在帮助运营商构建微基站降低运营商成本的同时， 使得每个参与的用户都能成为区块链的入口。通过区块链智能合约的方式变现用 户的闲置流量，帮助运营商广泛建立 5G 相关基础设施，推动 5G 的快速落地和 发展。未来真正落地与 5G的发展息息相关，也更考验对服务商资源的把控能力。 （ 3）区块链与 MEC 融合 在移动网络边缘的 MEC，因为机房、环境等条件限制， MEC 的硬件资源往 往比较受限，而在 MEC 周边有一些设备具有较强处理能力，如 MEC 连接的 本 地网络服务器，或是本地网络中的一些个人电脑，均有一定的存储、算力资源。 利用区块链技术，可以汇聚闲置的各类资源构建 “无限节点 ”的资源网络，从而聚 合成一个强大的资源池，并采用链上积分或链下支付的方式进行回报，对分布在 中国联通 5G 区块链技术白皮书 7 版权所有 中国联 通 研究院 2020 各节点的资源进行最优化的实时部署利用，有效节约 MEC 部署成本和资源利用 效率。 除了资源共享外，区块链可以在增强 MEC 计费能力、身份认证、数据存证 和交易等诸多领域发挥价值。总之，区块链和 MEC 融合，具备天然的优势，体 现在以下几个方面： 1）节约成本。传统联盟链需要多节点的服务器设备，占用机房机架位置 ，部 署成本高。 MEC 具有天然的分布式部署和边缘计算能力，适合做区块链的载体， 无需增加硬件资源投入。 2）部署快捷。在工程部署上，区块链直接集成在 MEC 内部作为一个能力组 件，部署一步到位，方便快捷。 3）数据上链方便。 MEC 部署在边缘节点，本地业务分流的数据通过内部接 口直接上链，减少数据上链环节和人工参与，保障链上链下数据的一致性。 4）业务扩展性强。本地业务众多， MEC 根据业务特点可制定灵活的数据分 流策略和数据上链策略，从而方便在区块链上快捷扩展业务。 随着 MEC 商用推广，移动业务的下沉，势必会产生新的需求，比如新业务 的计费模式、复杂业务场景下的用户身份认证等，而区块链利用自身独特公平、 公正、可信和不可篡改的技术优势，可以很好地为这些新业务场景提供解决方案， 并将催生出更多全新的商业模式。 2.2. 5G助力区块链落地部署 2.2.1. 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 近年来的应用落地层面，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了新的难题。 中国联通 5G 区块链技术白皮书 8 版权所有 中国联 通 研究院 2020 （ 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 166GB。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 资源 利用率低的关键。 （ 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 个 /秒和 20 个 /秒， 如果每 10 分钟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一个小时，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 8000 笔 /秒，而支付宝交易峰值吞吐量将达到 25 万笔 /秒。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。 （ 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能力优势的互联网公司。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，并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 中国联通 5G 区块链技术白皮书 9 版权所有 中国联 通 研究院 2020 通成为限制区块链规模化应用的难点。 （ 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 的 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。 （ 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。区块链监管问题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。 作为一种分布式架构 技术体系，区块链以牺牲存储效率为代价来保证链上数 据可信防篡改，同一条链上的所有节点存储相同的账本数据。不同节点之间为了 达成有效的共识，需要通过多次广播机制传递交易数据和验证消息，随着同一条 链上节点规模扩大，共识算法的执行将消耗更多的网络带宽和计算资源。因此， 区块链技术对存储资源、计算资源和网络资源有较高的要求。 5G 技术通过引入 多接入边缘 计算 （ Multi-Access Edge Computing， MEC）和垂直行业基础设施为区 块链技术提供丰富的存储计算资源，通过广播、组播技术和丰富的可变带宽资源 为区块链节点 间消息同步提供有力保障。 2.2.2. 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，纵向以运营商 MEC 中国联通 5G 区块链技术白皮书 10 版权所有 中国联 通 研究院 2020 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。总的 来说，基于 5G+MEC 的区块链部署架构存在如下几个方面的技术优势。 （ 1）存储计算资源 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，运营商将本地 DC （ Data Center，数据中心）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 应 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。 垂 直 行 业 私 有 云 垂 直 行 业 私 有 云 区 块 链 系 统 区 块 链 系 统 链 下 系 统 链 下 系 统 区 域 / 本 地 D C 区 域 / 本 地 D C 区 块 链 系 统 区 块 链 系 统 链 下 系 统 链 下 系 统 M E C 边 缘 云 平 台 M E C 边 缘 云 平 台 垂 直 行 业 私 有 云 垂 直 行 业 私 有 云 区 块 链 系 统 区 块 链 系 统 链 下 系 统 链 下 系 统 边 缘 D C 边 缘 D C 区 块 链 系 统 区 块 链 系 统 链 下 系 统 链 下 系 统 M E C 边 缘 云 平 台 M E C 边 缘 云 平 台 区 域 / 本 地 D C 区 域 / 本 地 D C 区 块 链 系 统 区 块 链 系 统 链 下 系 统 链 下 系 统 M E C 边 缘 云 平 台 M E C 边 缘 云 平 台 区 域 / 本 地 D C 区 域 / 本 地 D C 区 块 链 系 统 区 块 链 系 统 链 下 系 统 链 下 系 统 M E C 边 缘 云 平 台 M E C 边 缘 云 平 台 区 域 / 本 地 D C 区 域 / 本 地 D C 区 块 链 系 统 区 块 链 系 统 链 下 系 统 链 下 系 统 M E C 边 缘 云 平 台 M E C 边 缘 云 平 台 边 缘 D C 边 缘 D C 区 块 链 系 统 区 块 链 系 统 链 下 系 统 链 下 系 统 M E C 边 缘 云 平 台 M E C 边 缘 云 平 台 边 缘 D C 边 缘 D C 链 下 系 统 链 下 系 统 区 块 链 系 统 区 块 链 系 统 M E C 边 缘 云 平 台 M E C 边 缘 云 平 台 边 缘 D C 边 缘 D C 链 下 系 统 链 下 系 统 区 块 链 系 统 区 块 链 系 统 M E C 边 缘 云 平 台 M E C 边 缘 云 平 台 轻 量 化 节 点 + 全 节 点 全 节 点 为 主 区 块 链 分 片 1 区 块 链 分 片 2区 块 链 分 片 边 缘 垂 直 行 业 轻 量 化 动 态 节 点 静 态 连 接 动 态 连 接 半 静 态 连 接 图 3 基于 5G+MEC 的区块链部署架构图 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（ Data Center，数据中心）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。 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 中国联通 5G 区块链技术白皮书 11 版权所有 中国联 通 研究院 2020 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。 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。 （ 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，跨链一直是近年来困扰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）数据同步计算 多播组播 以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，仍然采用点对 点转发的模式实现，对网络带宽的消耗仍然较大。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。 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 中国联通 5G 区块链技术白皮书 12 版权所有 中国联 通 研究院 2020 进一步降低网络带宽需求。 （ 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的， 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。 2.2.3. 基于 5G+MEC的区块链资源分配算法 物联网 (The Internet of Things, IoT)实现了设备与设备之间互联，实现了智能 化的设备识别和管理，丰富了业务应用范畴。由于业务应用需求呈现多元化发展 趋势，并且 IoT 设备资源增长速度难以满足业务应用服务质量要求的快速提升， 因此 IoT 设备迫切需要借助其他资源来满足差异化的业务应用需求 。 MEC 的出现可以弥补 IoT 设备自身资源的不足，可以为近地端 IoT 设备提 供计算、通信、存储扩充服务，从而提升业务应用的服务质量。 随着 5G 技术的发展，各种并行传输以及复用方式的应用实现了大规模机器 通信实现，但同时也让各种业务应用对服务质量要求提升到了新的层次。由于随 时间不断变化且复杂的网络状态使得传统的资源优化方法效率下降，严重影响服 务质量，因此需要一种新的资源优化方法。 人工智能的兴起为设计复杂环境下的资源优化方法提供了一种新的思路。 MEC 具有近地端的优势，同时又可以不断感知网络信息状态，将 MEC 作为人 工 智能节点可以实现边缘智能化。通过将 MEC 感知的数据输入到人工智能算法， 可以为不同服务质量需求的业务应用提供差异化的算法决策。 然而随着 MEC 交互数据的增多， MEC 之间的信息不对称会影响边缘智能体 中国联通 5G 区块链技术白皮书 13 版权所有 中国联 通 研究院 2020 的服务质量，因为一些业务应用需要多 MEC 之间的交互协同。同时随着数据量 的急剧增加，传统中心化存储的方式存在单点故障等安全问题。考虑到区块链分 布式、不可篡改的特点，可以将区块链部署在边缘智能体 MEC 中，从而使边缘 智能体之间的信息一致化、共享化、安全化。 每个 MEC 节点作为边缘智能体，通过感知环境数据、设计优化算法来满 足 差异化的业务应用需求，业务数据分布式存储在 MEC 中的区块链系统。可以根 据业务应用需求将业务分为基本五类：时延敏感类业务、吞吐量敏感类业务、安 全敏感类业务、隐私敏感类业务、开销敏感类业务。效用函数（ Utility）以及限 制条件根据不同的业务需求制定，由此可以有如下优化模型： m in m in m in m in m a x m a x . . 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : C os Uti lity s t C L at e nc y L C T hr ough tput T C Se c ur ity D C Pr iv ac y P C t C 其中 1C 代表整体业务时延要小于阈值 minL ，在计算业务时延时需要考虑区块链系 统的区块产生时延、区块传输时延以及区块验证时延； 2C 代表整体业务吞吐量 要大于阈值 minT ，在计算业务吞吐量要考虑到区块链系统的验证能力； 3C 代表业 务安全性，如果一个交易被更多的区块链节点验证，那么可以认为此交易越安全， 因此在考虑业务安全性的时候要综合考虑区块链验证节点的信任值以及数目； 4C 代表交易隐私保护性需求，可以通过差分隐私、零知识证明等方法建模分析； 5C 代表完成一次交易所需要的通信开销、计算开销、能耗开销等。根据不同的 业务需求制定不同的优化方程，并将优化方程嵌入到人工智能算法中，从而得出 最佳的资源分配策略。 以优化时延敏感类业务为例。由于不同 MEC 下存在同频干扰、邻频干扰等， 因此无线信道状态随时间不断改变，从而影响着 IoT 设备的通信时延。由于 IoT 设备自身的计算能力不足，需要通过负载迁移来租借 MEC 的计算资源，因此会 影响着 IoT 设备自身的计算时延。考虑到 MEC 自身计算资源的不断变化，从而 影响着区块的验证时延。通过在边缘智能体 MEC 端部署深度强化学习代理来感 知环境，从而做出资源分配决策。深度强化学习包括状态空间、动作空间、回报 中国联通 5G 区块链技术白皮书 14 版权所有 中国联 通 研究院 2020 方程等。其中状态空间为无线信道状态、 IoT 设备计算能力， MEC 计算能力，动 作空间为 MEC 租借给 IoT 设备计算资源的量值，以及 IoT 设备无线信道选择； 回报函数为优化方程中的 Utility，限制条件为 C1 时延限制。 仿真分析了三条曲线，方案一为采用深度强化学习方案，方案二为无资源租 借选择方案，方案三为无无线信道选择 方案。无资源租借选择方案代表 MEC 租 借给 IoT 设备固定的计算资源，无信道选择方案代表 IoT 设备不对无线信道进行 选择就进行数据的传输。 图 4 计算任务数量与系统总时延的关系 如 图 4 所示，随着 IoT 设备计算任务数量的不断提升，系统总时延也逐渐提 升。系统总时延包括 IoT 设备计算时延、无线信道传输时延以及区块链共识时延。 深度强化学习方案相较于其余两者方案有着较低的系统总时延，这是因为其能动 态的进行无线信道以及计算资源租借选择。 2.2.4. 5G+区块链网络分片设计 （ 1）区块链扩容技术 区块链作为一种特殊的分布式技术体系，天然需要面对 “不可能三角 ”问题， 即区块链系统不可能同时实现非中心化、安全性和可扩展性三个方面的最优。如 果一条区块链上的所有节点采用完全对等的点对点（ Point to Point， P2P）网络架 构都存 储链上全部的交易状态，同时处理所有的事务，在保证安全性的同时限制 了可扩展性，想要显著提升可扩展性，则必然要在安全性和非中心化上有所舍弃。 目前，全球公开且初具规模的区块链平台已经超过 2000 个，区块处理速度慢， 中国联通 5G 区块链技术白皮书 15 版权所有 中国联 通 研究院 2020 交易拥堵是所有平台都面临的严峻挑战，比特币（ Bit Coin， BTC）平台最严重时 拥堵时未确认交易数竟达 19 万笔。因此，扩容已经成为区块链应用落地亟待解 决的关键问题。 依据扩容技术与区块链技术体系之间的逻辑关系，现有的扩容技术可以分为 三大类，即链上扩容技术、链下扩容技术和底层扩容技术。链上扩
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