面向時空數據的區塊鏈研究綜述

傅易文晉,陳華輝,錢江波,董一鴻

(寧波大學 信息科學與工程學院,浙江 寧波 315211)

0 概述

時空數據是指具有時間與空間2個維度的數據,其主要用于描述地理信息在時間維度上的變化情況,目前在三維建模、自動駕駛和物流追蹤等方面得到廣泛應用。

目前,針對時空數據的存儲主要通過集中式的方法,但隨著數據的進一步中心化,集中式存儲方法的弊端開始顯現。在2018年的長生疫苗事件中,包含疫苗采購、物流及最終銷售流向的時空數據均單點集中存儲于長生公司自身服務器中。通過偽造疫苗的生產日期、生產廠家地址等信息,長生公司將過期、未授權廠家生產的劣質疫苗投放到市場,導致注射該疫苗的嬰幼兒患上了嚴重疾病。在事件發生后,盡管長生公司公布了其服務器中存儲的相關數據,但經過調查,這些數據已經被篡改,原始數據不知去向。在執法部門介入后,疫苗實際上已經大量流通,對社會造成了嚴重危害。時空數據的單點集中式存儲導致其他行業商品的生產、認證、流通、銷售等環節也同樣發生信息不透明、大面積假冒偽劣商品難以查處等問題[1]。在2008年的毒奶粉事件、2011年的地溝油事件、2016年的山東疫苗案等的調查過程中,都出現了不同程度的關鍵數據缺失問題,而這些數據中多數都是時空數據。

區塊鏈與時空數據相結合為上述問題提供了一種解決思路。本文總結現有區塊鏈體系架構的特點,探討分析其針對時空數據所進行的優化以及對于時空數據的性能支持度,在此基礎上,對區塊鏈技術在時空數據領域的應用前景和未來的研究方向進行展望。

1 時空數據及特點

時空數據是空間數據的擴展,其通常表現為包含時間數據的地理信息數據。時空數據含有空間、時間和時空數據的概念,并捕獲數據的空間和時間信息,處理隨著時間變化的空間數據或同一時間點下的不同空間數據。

空間數據包含復雜的對象,如點、線、多邊形以及其他形狀的大小參數等。時空數據將多個屬性(如緯度、經度和時間)組合成有助于理解人類行為的度量單位,其中,最典型的時空數據為經緯度數據,通過解析經緯度數據可以快速獲取目標的當前位置。時空數據具有時序屬性,因此,其可以是無限的,也可以隨時開始或停止,同時可以按順序排序。空間數據揭示基于鄰近的關系,對于互聯網數據用戶,位置通常定義一種相關性。時空數據在3D建模、智能行車、供應鏈管理等方面發揮了重要作用。

在一個供應鏈解決方案中需要對某個對象進行實時追蹤,因此,跟蹤機制不僅要求時空信息不斷更新,還要求支持有關對象隨時間變化的位置查詢。其中,典型的查詢有“列出時間t位置l處的所有對象”或“列出時間間隔[t1,t2]內在位置l半徑r范圍內移動的所有對象”。

時空數據是供應鏈產業的基礎,目前,時空數據大多以單點集中的方式進行存儲。大型供應商通過將其物流的時空數據存儲在單點集中式服務器中以控制數據源。單點集中式存儲所帶來的問題是存在信息孤島,大型廠商控制了數據源頭,通過封閉數據源,廠商可以發布任意虛假信息來欺騙消費者[2]。區塊鏈的出現為上述問題提供了解決方案。時空數據的增長速度高于金融區塊鏈系統當前支持的交易數據的增長速度,此外,用于時空數據的共識協議需要位置證明處理。時空數據區塊鏈應同時考慮安全數據存儲和高效查詢處理,但是傳統區塊鏈體系架構對于時空數據的支持度有限,因此,需要從安全數據存儲及高效查詢處理兩方面對現有區塊鏈體系進行優化。

2 區塊鏈技術

早期的區塊鏈技術[3]是作為比特幣的基礎架構,其實質是加密后的分布式賬簿。區塊鏈的主要存儲機制為分布式加密存儲,在進行內容修改時需要節點依照共識機制進行投票,從而最大程度地保障數據的安全性和不可修改性。目前較為成熟的區塊鏈架構主要有2個,即以比特幣為代表的UTXO[4]模型區塊鏈1.0體系架構和由以太坊為代表的Account[5]模型區塊鏈2.0體系架構。Block-DAG[6]體系架構由以色列耶路撒冷希伯來大學提出,其被認為是區塊鏈3.0體系架構的主要研究方向。區塊鏈體系架構的關鍵數據結構包括區塊鏈和區塊兩部分。

1)區塊鏈(Blockchain)。區塊鏈是一個去中心化的分類賬系統[7],圖1所示為區塊鏈的基本架構。在比特幣網絡的區塊鏈體系架構中,交易被存儲在區塊上,每一個區塊的塊頭中保存有上一個區塊塊頭的哈希指針。通過單向的哈希指針,區塊與區塊之間構成一條單向延伸的鏈,即區塊鏈[8]。

圖1 區塊鏈體系架構

2)區塊(Block)。在比特幣網絡中,每筆交易都被加密并存儲在塊體中,塊體中的數據存儲在分布式列數據庫中。塊體上存儲每一筆交易的哈希值,而哈希值通過Merkle樹的形式進行存儲,因此,在塊體上并不存儲具體的交易信息。圖2所示為比特幣交易區塊架構,區塊包括塊頭和塊體,塊頭中所存儲的數據包括該區塊的版本信息、記錄交易的Merkle Root、父區塊哈希值和Timestamp等信息,塊體中存儲交易記錄的哈希值。塊體中存儲的已加密的交易內容包括交易雙方的加密信息、交易具體金額以及付款者簽名等[9]。

圖2 比特幣交易區塊架構Fig.2 Block structure of bitcoin transaction

3 傳統區塊鏈與時空數據

時空數據是供應鏈產業的基礎,而區塊鏈在解決供應鏈產業中出現的一些問題時發揮著重要作用[10],原因是區塊鏈自身所具有的特性與供應鏈產業的需求相輔相成。表1所示為區塊鏈應用于基于時空數據的供應鏈產業時的優點總結，“”表示能實現該效果。

表1 區塊鏈的特性與優點Table 1 Characteristics and advantages of blockchain

傳統區塊鏈體系架構主要包括UTXO模型區塊鏈體系架構和Account模型區塊鏈體系架構。現有多數針對時空數據區塊鏈的相關研究也主要聚焦于上述2種架構,下文將對這2種架構展開綜述。

3.1 區塊鏈1.0體系架構

比特幣由中本聰在2008年提出,其本質是一種點對點的去中心化的交易貨幣,代表了區塊鏈1.0技術體系架構。比特幣的每一筆轉賬內容包括該轉賬地址的輸入和輸出[10],輸入及輸出的內容為交易的金額。每個輸入產生一個對應的輸出,所有的轉賬交易信息存放于交易池中,未被使用的交易輸出被稱為UTXO。在比特幣中,UTXO是用于轉賬的一種賬戶模型,與傳統交易模式不同,在比特幣網絡中沒有交易賬戶的概念,每個區塊記錄所有交易地址的加密交易信息而非賬戶余額。圖3所示為比特幣的交易機制。

圖3 比特幣交易UTXO賬戶模型

比特幣的核心思想是去中心化,所有的節點都擁有交易的副本。與現有金融體系不同,比特幣使用UTXO進行結算。比特幣本質上是一種加密貨幣,它的產生不依賴于任何中央權威,可以將其記賬過程形象地比喻為“采礦”的過程,從事采礦的比特幣網絡節點稱為礦工。礦工相互競爭以計算可調整難度系數的數學問題,解決了數學問題的礦工在最短的時間內將結果和相關信息廣播到比特幣網絡。當其他礦工收到廣播后,驗證信息的有效性,檢查該信息是否存在于先前的區塊中,如果所有檢查均通過,則在當前周期中使用最短時間解決了數學問題的礦工將獲得更新區塊鏈的權利,這一過程時長平均為10 min。在此周期中,該礦工將所有未確認的交易打包到一個新區塊中,并按時間順序將其鏈接到區塊鏈的主鏈,然后獲得一定數量的比特幣作為獎勵。如果驗證結果無效,則計算結果和信息被丟棄,所有礦工將再次競爭開采。比特幣使用工作量證明(PoW)共識算法來確保生成新區塊,從而保證區塊鏈的穩定增長。在這一投票機制中,所有的節點都具有相等的投票權,這意味著如果要對系統進行攻擊,攻擊者至少要獲得51%以上節點的信任才能完全控制區塊鏈系統[11],這一防御體系很好地提升了系統的安全性。在早期比特幣用戶非常少的情況下,所有在比特幣網絡中運行計算機的客戶端都可以看作是一個全節點,這些節點保存著整個比特幣區塊鏈網絡中的數據,網絡中每發生一次交易,接收到信息的節點會對交易信息的安全性、合規性等進行驗證,驗證通過后再廣播到全網絡的其他節點,數據生成后不可以篡改,這意味著比特幣全節點的數量越多,比特幣區塊鏈網絡就越安全。隨著節點數量的增加,由于全節點需要占用較大的內存與帶寬,因此比特幣網絡采取了輕節點與全節點的分類方式[12]。輕節點不保存所有區塊的數據,只保存與自己相關的數據,其體積小,可以運行于電腦、手機等設備。不借助第三方的計算,UTXO模型使用了一種最不信任的方式[13]完成了一種最值得信任的交易。

3.2 時空數據與區塊鏈1.0體系架構

區塊鏈1.0體系架構通過UTXO模型保證了數據的不變性,數據的安全性得到了極大提高。但是,比特幣網絡交易確認時間長、效率低等問題[14]限制了其對于時空數據的性能支持度。時空數據是一種時間敏感度極高的數據類型,尤其是物流數據,每時每刻都在變化。緩慢的交易投票雖然保證了數據的安全性,但是對于快速變化的時空數據而言將存在效率問題。

為解決上述問題,有研究機構提出通過側鏈技術來提升區塊鏈的投票效率,從而提升區塊鏈1.0體系架構對于時空數據的支持度。在比特幣架構中,所有的區塊都在一條鏈上,所有的交易信息也都存在于一條鏈上。針對時空數據的時間和空間二維屬性,文獻[15]提出使用側鏈技術來提高區塊鏈1.0體系架構效率以使其支持時空數據的方法。該方法的主要思想是將數據在不同的區塊鏈上進行存儲,將時間數據與空間數據分別存儲在2條鏈上,通過2條鏈的并行投票來提升交易效率。由于區塊鏈中的每個全節點區塊均備份有所有區塊的相同數據,因此通過雙向錨定技術[16]可以暫時將時間數據鎖定于主鏈中,同時將其所對應的空間數據在側鏈中釋放,同樣當對應的空間數據在側鏈中被鎖定時,主鏈的時間數據也可以被釋放。圖4所示為通過側鏈對時空數據區塊鏈進行優化的示意圖,其中,陰影方塊分別表示起始區塊和處理區塊。

圖4 通過側鏈優化時空數據區塊鏈的過程示意圖

Fig.4 Process diagram of optimizing spatiotemporal data blockchain through side chain

隨著區塊鏈1.0體系架構的進一步發展,其數據量持續增加,尤其是時空數據,實時更新速度快且持續性強。區塊鏈最初規定每個區塊的存儲容量僅為1 MB,這使得區塊的冗余度較小。文獻[17]提出一種區塊擴容架構,旨在通過一個轉發隊列實現區塊的擴容。區塊擴容能夠提升區塊鏈的整體數據處理容量,從而使得區塊鏈能夠更好地支持大數據。圖5所示為通過轉發隊列實現區塊擴容從而提升區塊鏈對于時空數據支持度的過程示意圖。閃電網絡[18]是基于比特幣網絡的第2層支付協議,其通過將小額交易數據從主鏈中分離出來,并建立部分節點之間的雙向快速支付通道,從而提升區塊鏈的交易效率。對于時空數據而言,在許多應用場景下都存在雙向數據交互,例如,在供應鏈系統中,司機和指揮中心的雙向數據交互相當頻繁,如果每次的數據交互都進行投票將大幅增加區塊鏈的負載。對于可信任的司機節點,閃電網絡通過在主鏈之外建立雙向傳輸通道,從而提升信任節點間的傳輸效率。圖6所示為閃電網絡信任節點之間的數據傳輸過程。

圖5 區塊擴容體系架構

圖6 閃電網絡中信任節點間的數據傳輸示意圖

Fig.6 Data transmission diagram between trust nodes in lightning network

由于區塊鏈1.0體系架構協議的特殊性,使得區塊鏈1.0體系架構的性能始終存在一定瓶頸,且現有研究大多聚焦于提升其架構效率。側鏈技術的相關研究旨在通過雙向錨定的簡單支付認證技術來減輕主鏈的處理壓力。區塊擴容技術通過擴大區塊的承載能力,從而大幅提升區塊鏈的處理能力。閃電網絡通過將不同體量的數據分開處理,以最大限度地提升網絡的利用率。以上3種方式均一定程度上提升了區塊鏈1.0體系架構的效率,但是比特幣的交易機制限制了區塊鏈1.0體系架構在不同領域中的應用。為解決該問題,區塊鏈2.0體系架構提出智能合約的概念,從而拓展了區塊鏈在時空數據領域中的應用。

3.3 區塊鏈2.0體系架構

區塊鏈1.0體系架構首次實現了去中心化的加密貨幣,并描繪了統一全球貨幣的宏偉藍圖。同時,加密貨幣觸發了“多米諾骨牌效應”,將作為先驅者引發了貨幣領域的革命,并帶來社會形態和運營模式的演變,從而極大地改變了人們的生活方式。然而,區塊鏈1.0體系架構僅專注于加密貨幣,在實際應用中需要將其擴展到除加密貨幣外的其他領域并構建去中心化應用。為解決該問題,以以太坊為代表的區塊鏈2.0體系架構應運而生。以太坊由VITALIK在2015年末提出,并于2016年1月亮相于在美國佛羅里達州邁阿密舉辦的北美比特幣會議[19]。以太坊允許所有區塊鏈技術的開發者在以太坊平臺中建立并使用去中心化應用。比特幣的交易機制是確定且無法修改的,而以太坊大幅拓展了區塊鏈的應用場景。在以太坊中存儲賬戶的余額,同時以太坊維持一個狀態機,以保證用戶能夠快速獲取當前狀態的賬戶余額[20]。圖7所示為以太坊賬戶的基本結構模型。

圖7 以太坊賬戶的結構模型

以太坊賬戶主要由以下四部分內容組成:

1)合約序號,包括了該賬戶地址截至最近一筆交易為止的累計交易次數。

2)賬戶余額,包括了該賬戶地址截至最近一筆交易為止的以太幣余額。

3)賬戶地址哈希值,存儲了該區塊的賬戶地址,用于用戶查詢。

4)Merkle Root,包括了該區塊塊體中所存儲的該賬戶交易信息的Merkle樹根值。

以太坊通過一個MPT(Merkle Patricia Tree)[21]樹狀結構索引來提升終端用戶對于賬戶余額的查詢效率。MPT可以在以太坊的架構中實現對最新狀態余額的快速查詢,其由Merkle Tree[22]和Patricia Tree[23]構成。Merkle Tree由計算機科學家RALPH提出,用于確保從其他節點接收的數據不會被破壞和替換,并且可以檢查其他人是否欺騙或發布虛假數據。Patricia Tree是一種前綴樹的索引結構,前綴樹的索引結構可以以更快的速度和更小的計算資源代價進行查詢及更新操作,在更新時,Patricia Tree只需修改葉節點,從而大幅提高了更新效率。圖8所示為Merkle Tree和Patricia Tree的具體結構。

圖8 Merkle Tree和Patricia Tree結構Fig.8 Structure of Merkle Tree and Patricia Tree

Patricia Tree可以作為索引,從而使用戶快速地查找到自身賬戶的當前狀態以太幣余額。以圖8(b)為例,Patricia Tree共有6個葉子節點,其key的值分別是to、tea、ted、ten、A、inn,通過這樣一種前綴樹的結構,可以快速找到用戶的目標對象。MPT是一種樹形結構,包含根節點和分支節點。根節點由分支指針和值組成,其中,分支指針存儲指向分支節點的指針。分支節點中的鍵列出了所有可能的字符,以減少動態更新帶來的計算量。當搜索路徑到達分支節點時,關鍵詞的索引號指向搜索代碼的值。當分支節點作為根時,分支節點的值字段存儲Merkle Tree的Merkle Root。當用戶發起查詢時,查詢請求從Merkle Root開始逐層計算,最終到達分支節點以獲取用戶的賬戶余額。

3.4 時空數據與區塊鏈2.0體系架構

以太坊代表了區塊鏈2.0體系架構,其MPT索引結構滿足了用戶對于查詢速率的需求。以太坊維持一個狀態機,能夠更好地支持用戶對于賬戶余額的查詢。在每次數據寫入后只需要更新Merkle Tree,從而極大地提高了數據的寫入性能。然而,由于哈希函數的單向性,以太坊的MPT僅維持最近一次的交易狀態,用戶難以查詢到歷史數據。與賬戶余額不同,時空數據具有連貫性,數據與數據之間的相關性較強。

區塊在以太坊中通過其建塊時間來進行排序。對于交易信息,交易時間與建塊時間排序相同,這樣可以保證交易的順序。但是對于時空數據而言,交易的時間并不一定是用戶最想獲取的信息,按照建塊時間進行排序反而會造成架構查詢效率降低。文獻[24]針對學籍信息數據集提出了一種時空數據區塊鏈體系架構ECBC,其中,學籍信息是學生在不同時間不同地點的時空數據。如圖9所示,通過對時空數據區塊鏈的區塊塊頭進行優化,在塊頭中加入時間數據的區間信息和空間數據的索引,從而提升區塊鏈體系架構對于時空數據的支持度。針對區塊鏈2.0體系架構難以查詢歷史狀態的問題,通過在MPT索引結構的葉節點中增加指針,使區塊鏈按照學號進行排列,從而有效提升了時空數據在區塊鏈上的查詢效率。

圖9 ECBC時空數據區塊鏈結構

有研究機構提出通過本地主機將區塊鏈的交易情況進行解析處理,從而提升時空數據區塊鏈的處理效率。文獻[25]針對時空數據區塊鏈查詢速度較慢的問題,提出一種Ethernity DB架構,其在區塊鏈2.0體系架構的數據層和共識層中加入一個解析層,通過模塊化代碼將每次進行投票時的時空數據解析至本地數據庫然后實時存儲,從而實現在本地數據庫上的查詢操作。區塊鏈2.0體系架構與區塊鏈1.0體系架構最顯著的區別在于智能合約,通過定義智能合約,用戶可以自定義數據交互的形式、時間和邏輯等,Ethernity DB同樣定義了智能合約,用以提升其架構本身的數據交互效率。圖10所示為Ethernity DB的體系架構。其中,陰影部分表示處理動作。

圖10 Ethernity DB體系架構Fig.10 Ethernity DB architecture

除了擴容技術,對區塊進行改造從而提升區塊鏈2.0體系架構對于時空數據的支持度也是目前的研究熱點之一。文獻[26]提出一種名為Loamit的區塊鏈2.0體系架構,用于檢測信貸用戶的貸款征信情況。該系統通過區塊鏈架構存儲信貸用戶的交易時空數據,從而監測該用戶的資金流動情況。與ECBC不同,Loamit并未改變區塊鏈2.0體系架構的塊頭內部,而是通過在每個區塊的底部加入時間范圍與空間閾值,再建立所有區塊的索引,從而提升區塊鏈2.0體系架構對于時空數據的支持度。圖11所示為Loamit架構的區塊結構。

圖11 Loamit時空數據區塊鏈區塊結構

與以比特幣為代表的區塊鏈1.0體系架構相比,區塊鏈2.0體系結構最顯著的特點是智能合約,這也是以太坊的核心內容。智能合約是內置在區塊鏈應用程序中的代碼片段,其預先設置了各種規則和操作,且觸發機制包含在代碼中。一旦滿足觸發條件,代碼將自動根據約定的規則進行執行。由于時空數據具有更新速度快、數據關聯度大的特點,因此對于時空數據區塊鏈2.0體系架構的優化主要在于提高區塊鏈效率。區塊鏈2.0體系架構本身的MPT體系架構存在難以查詢歷史交易數據的問題,因此,對歷史數據的查詢與維護也是時空數據區塊鏈2.0體系架構的一個重要研究方向。

4 Block-DAG區塊鏈

有向無環圖(DAG)是計算機科學領域數據結構理論中的一個重要概念,由于獨特的拓撲結構,DAG通常用于處理動態編程問題,例如最短路徑跟蹤、數據壓縮等。“有向”意味著網絡中存在方向,而且是完全相同的方向,“無環”則表示整個網絡結構中沒有閉環。文獻[27]提出了一種名為PHANTOM的可擴展Block-DAG協議,其被看作區塊鏈3.0體系架構。Block-DAG的出現大幅提升了區塊鏈的交易效率,比特幣的交易速度為每秒7筆交易,而Block-DAG能達到每秒200筆交易。在Block-DAG中,每筆交易構成一個區塊,每個區塊所記錄的是其對應用戶的交易內容。相比傳統的區塊鏈體系架構,Block-DAG中的交易封裝時間大幅縮短。在Block-DAG網絡中,每個新交易都直接驗證其父交易,并間接驗證父區塊的交易。經過多次直接和間接驗證后,可以找到最左邊的創始單元。每個交易都包含從創始單元到其父單元的哈希值,通過驗證父區塊的交易從而決定當前交易,而具體驗證前序交易的數量,取決于用戶所定義的合約,用戶可以通過合約來定義交易驗證的敏感程度,這種驗證機制意味著Block-DAG實現了并行且異步的交易,并形成一種樹形的拓撲結構,這可以大幅提高可擴展性。隨著時間的增加,所有節點都相互連接形成纏結結構,只要改變任何一個節點的數據,整個網絡的哈希值都會改變,因此,篡改網絡的難度非常大。圖12所示為Block-DAG區塊鏈基本體系結構。

圖12 Block-DAG區塊鏈基本體系架構

Block-DAG網絡采用Gossip算法[28]來確保不同交易之間狀態的最終一致性,盡管其不能始終保證網絡狀態的一致性,但整個網絡的數據將最終在某個特定時間達成一致。在以太坊區塊鏈2.0體系架構中,MPT只能查詢到最近一次的狀態。同時,以太坊雖然可以實現鏈的分支,但是其訪問依舊按照某種順序進行。對于時空數據而言,查詢所得到的結果更多與其本身性質相關而不關注塊頭的時間戳排序。Block-DAG網絡采用異步通信機制,可以大幅提升區塊鏈的可擴展性(吞吐量和交易速度)。網絡中涉及的交易越多,確認交易的速度就越快。但是,Block-DAG良好的性能是以周期一致性為代價的。異步通信和Gossip算法在某些特定時間點獲得了Block-DAG網絡的數據同步,在此之前,攻擊者可以使用數據不一致性來發起雙花攻擊[29]。同時,在Block-DAG網絡中可能存在前向區塊鏈接失敗的情況,這將導致網絡交易確認緩慢甚至無法確認等問題。

5 時空數據與Block-DAG

時空數據包括時間和空間2個維度,目前的集中式存儲存在一些問題,而區塊鏈作為分布式存儲的代表,為解決上述問題提供了一種思路。傳統的區塊鏈架構對于時空數據的支持度有限,而Block-DAG的體系架構及快速投票協議對于時空數據的存儲、查詢等均具有較高的支持度。

目前,IOTA[30]、HLC[31]等基于Block-DAG的架構得到了一定研究與應用。IOTA是為物聯網(IoT)設計的基于時空數據的區塊鏈系統,其將比特幣的P2P交易模式擴展到M2M模式,滿足了大量機器之間的小額支付需求。在IOTA網絡中,如果一個節點要發起一個新的事務,首先必須驗證網絡中的其他2個事務并指向這2個事務,此時新交易不斷進行驗證并添加到網絡中使得網絡得到擴展。IOTA網絡結構如圖13所示。

圖13 IOTA區塊鏈體系結構

HLC是基于Block-DAG的面向清真食品的來源可追溯平臺,其通過IOT數據采集體系對供應鏈物流中的時空數據進行自動記錄和上傳,無需經過人工的干預。同時,通過對塊頭結構及塊鏈體系、共識機制等進行改進,從而優化清真食品供應鏈體系。文獻[32]提出了一種基于Block-DAG的區塊鏈體系架構Conflux,其核心是共識協議。Conflux在保證安全性能的情況下允許多個參與者同時向區塊鏈系統進行請求與寫入。共識算法根據時間序列將Conflux網絡劃分為若干個單元,然后分別確定每個單元的子鏈,所有子鏈最終組成主鏈。只要主鏈保持清晰和穩定,網絡中的多數常規安全問題都將得到解決。文獻[33]提出了一種Block-DAG區塊鏈體系架構SPECTER,其核心在于避免并行處理帶來的交易沖突,并確保新生成的區塊中所包含信息的一致性。用戶可以自定義交易順序,其包括上級交易的順序和上級交易的上級交易順序。在網絡可用性高的前提下,表決機制可以保證網絡中事務的穩定進行,并避免由系統沖突引起的安全問題。通用區塊鏈編程平臺Nerthus于2017年發布,其將以太坊和Block-DAG相結合,構建了“DAG+以太坊”的區塊鏈體系結構模型。此外,許多面向時空數據的Block-DAG體系架構正在興起,例如Nano、Hash-Graph和ITC等都是基于Block-DAG的區塊鏈3.0體系架構,且都針對以時空數據為基礎的供應鏈產業進行了相應的優化[34]。

6 總結與展望

6.1 體系架構

本文闡述現有的時空數據區塊鏈體系架構,并分析了時空數據區塊鏈的研究現狀。對于當前典型的區塊鏈體系架構,以比特幣為代表的區塊鏈1.0架構按照建塊順序存儲,根據UTXO模型保證數據不被篡改,查詢聚焦于交易而非賬戶,其對于時空數據的支持度較低。以以太坊為代表的區塊鏈2.0架構,塊鏈按照建塊順序排序,其對于原始數據的支持度較低。由于時空數據具有更新速度快、數據關聯性強等特性,以上2種體系架構對于時空數據的支持度均有限,而Block-DAG能夠很好地解決以上問題。對上述3種架構進行比較,其區塊鏈體系架構對比如圖14所示。

圖14 現有3種區塊鏈體系架構對比

6.2 性能優化

如表2所示,本文針對現有3種區塊鏈架構對于時空數據所進行的優化進行總結。區塊鏈1.0體系架構所進行的優化主要包括側鏈、閃電網絡等,區塊鏈2.0體系架構的優化方式主要包括塊體優化、數據分區等。Block-DAG區塊鏈體系結構突破了傳統區塊鏈處理能力的局限性,在系統吞吐量和交易速度上有了較大的提升,這使得其能夠更好地支持以時空數據為基礎的供應鏈產業。Block-DAG區塊鏈體系結構具有并行處理和多線程操作的優勢,適用于供應鏈產業大數據量的交易場景。目前,已有部分研究機構使用Block-DAG體系架構來處理時空數據及供應鏈問題。

表2 現有時空數據區塊鏈體系架構的特性比較Table 2 Comparison of characteristics of existing spatiotemporal data blockchain architectures

6.3 供應鏈產業

由于區塊鏈與基于時空數據的供應鏈產業具有較高的適用性,因此有研究人員將區塊鏈的應用前景聚焦于供應鏈產業。在將區塊鏈應用于供應鏈的過程中,早期研究者根據區塊鏈來跟蹤供應鏈中的相關信息,例如追蹤執行者、執行時間和執行地點。供應鏈中的每個合作伙伴都可以跟蹤產品的裝運、交付和進度。將區塊鏈應用于供應鏈產業還可以衡量供應鏈中各項活動的績效,并監控運輸過程中產品的質量。基于區塊鏈的供應鏈系統能夠減少工作量并確保產品的可追溯性,同時提高效率和降低成本。文獻[35]基于區塊鏈體系結構提出了一種用于大豆生產溯源的供應鏈系統,其提高了大豆及相關產品的安全性。文獻[36]基于區塊鏈體系架構提出一種面向醫療健康領域的供應鏈系統,其可以用于解決醫療產品采購中的信任問題。文獻[37]基于區塊鏈體系結構提出了一種面向汽車生產裝配產業的供應鏈系統,從而提高了該產業中的生產效率。

6.4 存在的問題與挑戰

目前,區塊鏈技術的發展極為迅速,但其仍然存在一定的問題并面臨一些挑戰。例如,對于區塊鏈物流和供應鏈管理的研究仍處于起步階段,許多物流運營商,特別是中小型公司對區塊鏈知之甚少,甚至認為區塊鏈技術是一種威脅。此外，對于區塊鏈架構本身而言，區塊鏈1.0體系架構已被證明不適用于大規模數據處理問題，而區塊鏈2.0體系架構在處理歷史數據時也具有一定的局限性并存在效率瓶頸。Block-DAG區塊鏈網絡提升了可擴展性，但是，由于特殊的同步機制，使其更容易遭受到雙花攻擊。同時，Block-DAG區塊鏈網絡中可能存在前向區塊鏈接失敗的情況，這可能導致網絡交易確認緩慢甚至無法確認等現象。上述都是未來研究中需要解決的問題。

7 結束語

時空數據是供應鏈產業的基礎,傳統的集中式存儲給供應鏈產業帶來了一定的問題,區塊鏈的出現為解決這些問題提供了一種思路。Block-DAG架構被看作是區塊鏈3.0體系架構,其突破了傳統區塊鏈處理能力的局限,為區塊鏈在大數據供應鏈領域中的應用提供了可能。盡管目前Block-DAG體系架構仍存在一定技術瓶頸,但其能夠更好地支持以時空數據為基礎的供應鏈產業,兩者相結合能夠帶來較大的經濟效益和社會效益。