北斗時空區塊鏈

劉光明，謝國鈞，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

區塊鏈技術起源于比特幣(BTC). BTC被稱為區塊鏈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. 在實際應用中需要將區塊鏈技術擴展到其他去中心化領域. 2015年以以太坊為代表的區塊鏈2.0體系應運而生，發展了智能合約技術，為區塊鏈應用提供了開源平臺，大幅拓展了區塊鏈的應用場景.

韓璇等[1]系統地歸納了區塊鏈安全問題的研究現狀；夏清等[2]對區塊鏈共識協議做了系統梳理；邵奇峰等[3]結合開源項目，對比了多種企業級區塊鏈的技術特點；ALI等[4]總結了區塊鏈在物聯網方面的研究進展；曾詩欽等[5]歸納了典型區塊鏈項目的技術選型和特點，給出了區塊鏈在智慧城市、工業互聯網等前沿方向的應用方法；傅易文晉等[6]對區塊鏈技術在時空數據領域的應用前景進行了展望；中國信息通信研究院[7-9]發布的區塊鏈白皮書，對區塊鏈的技術、應用和發展做了全面的論述.

因此，通過融合創新，進一步挖掘區塊鏈的技術優勢并應用于國計民生，將是值得深入研究的方向.北斗衛星導航系統(BDS)不僅可以提供定位、導航和授時(PNT)服務，還可用于構建可信時空，進而融合區塊鏈技術構成“北斗時空區塊鏈”. 這是BDS的很重要，且容易被忽視的作用.

1 北斗短報文促進賬本可信

1.1 區塊鏈的賬本可信

區塊鏈是一個分布式的共享賬本，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可追溯、集體維護、公開透明等特點. 區塊鏈由若干區塊連接而成，結構如圖1所示.

圖1 區塊鏈結構

圖2為全節點區塊結構. 針對手機端用戶的輕節點區塊中只包含區塊頭，不包含區塊體. 全節點區塊的字節數不超過1 MiB，可打包約4 000條交易記錄.

圖2 全節點區塊結構

圖3為區塊內所有交易的Merkle根哈希值算法.

圖3 Merkle根哈希值算法

區塊鏈起源于BTC，通過共識算法保證了可信性. 圖4為BTC采用工作量證明(PoW)共識算法. 參與者各自由0開始逐個進行試算，直到搜索出符合要求的未知隨機數，使整個區塊頭的哈希值小于難度值，就可以競爭到一次記賬權，打包最新交易，添加一個新區塊，并在得到全網共識后獲得BTC獎勵，這個過程俗稱“挖礦”.

圖4 PoW共識算法

為了給全網共識留出足夠的時間，BTC系統根據歷史數據自動調整共識算法的難度值，限定全網挖到一個新區塊大約需要10 min. 這種設計消耗了大量算力，但也使篡改賬本的行為無利可圖. 消耗的算力是分布式系統達成共識付出的代價，否則就需要建立一套中心化機構來實現這些交易. 因此，BTC的價值來自于信用，而信用來自于消耗的算力. 任何沒有成本的信用，都是可疑的.

1.2 北斗短報文用于解決共識分歧

假設兩臺礦機同時挖到新區塊，它們都會將自己生成的新區塊廣播到區塊鏈網絡中. 由于網絡的異構性特點，不同的網絡節點收到這兩個新區塊的先后次序不同，這樣就產生了時空歧義，并引起了共識分歧.

如果按新區塊中標記的時間來判斷次序，則需要考慮時間基準和時間精度問題. 如圖5所示，為了保證共識可靠性，所有的網絡節點會無差別的把兩個新區塊暫時保留，給區塊鏈做一個臨時的分叉. 當下一個新區塊被挖出時，將隨機地連到分叉中的某一個區塊(父區塊)上，同時放棄另一個區塊(叔區塊)，然后向全網廣播.

圖5 共識分歧

因此，在完成一筆交易后，不能立即得到確認，需要6個新區塊產生后，才可確定成功確認交易.

時空歧義會引起共識分歧，導致交易效率降低、算力浪費. 在區塊鏈網絡中，要實現去中心化和全網共識，須犧牲效率、浪費算力. 顯然，區塊鏈技術更適用于低頻高價值業務.

目前，為了既能保證區塊鏈的安全性，又能提高效率、減少浪費，改進的共識算法已有幾十種. 例如權益證明、權威證明、拜占庭容錯等. 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，存在三元悖論問題[10]. 在實際應用中，只能根據需求做出權衡，選擇一種更適合的共識算法.

閃電網絡通過小額交易從主鏈中分離出來，簡化共識過程，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. 現在常用的聯盟鏈和私有鏈，其運行在本質上是基于團體成員之間的信任.由于過于追求效率，中心化程度高，而使其逐漸退化為鏈表. 作為法定貨幣，數字人民幣[11]由國家直接發行，采用中心化管理模式，信用來自于綜合國力，因此，不能稱之為區塊鏈技術.

IP協議使異構網絡看起來像是一個統一的、各向同性的網絡，用戶完全感受不到各子網的異構細節. 但是異構網絡會給信息同步和全網共識帶來分歧，還會給網絡攻擊留出時間間隙[12]. 通過北斗PNT服務可以統一全網時間基準，提高時間精度，北斗短報文服務傳輸共路信令，可構造無尺度網絡，規避網絡異步生態.

每當新區塊生成后，借助北斗短報文將新區塊頭的256位哈希值轉發給全網區塊鏈節點，以便高效達成全網共識，而區塊本身依然采用常規網絡傳輸. 北斗短報文的一對多廣播功能，可改善全網接收信令的同步問題，進而大幅度壓縮共識時間，節約算力，提高交易效率.

2 北斗PNT服務的物理可信與時空可信

2.1 物理可信與時空可信

區塊鏈1.0是以BTC為代表的數字貨幣. 區塊鏈2.0以以太坊平臺為代表，主要應用于金融服務，例如債券、股權、集資等. 區塊鏈3.0應用于社會活動，以保證公正、公平、公開，例如投票、公證和項目合作等. 實際上，所有高價值的分布式行為都可以應用區塊鏈技術來解決信任問題. 區塊鏈技術用于現實世界，應同時保證賬本可信、物理可信和時空可信.

物理可信指：區塊中需要記錄的視頻、照片、資料、氣象、環境以及時空標簽等物聯感知信息是可信的，可作為一個事件的物理證明. 如果在物理證明的采集和錄入時就發生了有意或無意的錯誤，那就不能保證事件的可信性. 時空可信指：任何事件都必須遵守時空的秩序，區塊中記錄的人、物、事、時間、地點的時空邏輯必須自洽.

事件總是在時空中發生，其物理信息與時空標簽共同組成了時空數據. 因此，物理可信與時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間地點與采集的時空標簽的真實性，稱為物理可信；如果簽署與采集的時間地點一致，則稱為時空可信.

2.2 北斗PNT服務的物理可信

北斗PNT服務的物理可信是其時空可信的前提. 欺騙式干擾和壓制式干擾會嚴重影響北斗PNT服務的物理可信. 北斗接收機抗干擾首先要準確地檢測到干擾信號，并對真實衛星信號和干擾信號進行區分，然后在解算時排除干擾信號[13]. 干擾信號監測方法主要包括功率，載噪比以及信號質量等方面的檢測. 欺騙式干擾抑制方法主要包括殘留信號檢測、接收機完好性監視和空域處理技術. 壓制式干擾抑制方法主要包括時/頻域濾波、空域處理、空時聯合處理技術. 更為復雜的情況是欺騙式干擾與壓制式干擾同時存在，可采用基于多天線的GNSS 壓制式干擾與欺騙式干擾聯合抑制方法[14].

通常，還將北斗與其他全球衛星導航系統(GNSS)融合，并與網絡授時、廣播授時、慣性導航系統(INS)、視覺導航、室內導航等技術組合成綜合PNT系統，以提升PNT服務的彈性和魯棒性[15-16]. 在北斗信號受到干擾和欺騙的情況下，也能保證采集的時空標簽物理可信.

北斗PNT服務具有全球性、全天候、高精度等特點，北斗接收設備具備成本低、能耗低、體積小等特點. 這些特點共同決定了北斗必然是綜合PNT系統的基礎系統. 因此，北斗是區塊鏈時空標簽的天然輸入源.

北斗時空標簽的區塊鏈稱為“北斗時空區塊鏈”.虛擬貨幣中記錄的是交易，而在北斗時空區塊鏈中記錄的是發生在現實世界中的事件. 由于事件的物理證明信息體量過大，不適合錄入區塊. 因此，北斗時空區塊鏈將每一個事件及其物理證明的摘要記錄在區塊中，而真正的物理證明另外存貯在硬盤里[17]. 全網區塊鏈節點都可以通過哈希計算快速驗證物理證明是否被篡改.

2.3 北斗PNT服務的時空可信

北斗應用于區塊鏈，不僅因為北斗能便捷可靠的采集時空標簽，而且在于北斗PNT服務具備時空可信性，具體包括服務泛在性、基準統一性、時空自洽性、因果必然性和共識同步性.

“服務泛在性”是北斗PNT服務時空可信性存在的物理基礎和前提條件，只有保證泛在服務，才能普及可信時空. “基準統一性”指：北斗能提供基于統一時空基準的PNT服務，保證了時空的唯一性. 例如，在不考慮測量誤差的前提下，用北斗確定一個事物的坐標，那么這個事物不可能還同時存在另一個坐標值. “時空自洽性”指：“什么時間在什么地方”應該是邏輯自洽的. “因果必然性”指時間是單向不可逆的，因果的次序不能改變. 例如，一個產品的生產日期必須早于銷售日期，否則就違背了時空秩序. “共識同步性”指只有全網信令同步才能保證在分布式系統中高效地達成共識. 北斗短報文不僅可用于通信，也是實現全網信令同步的有力手段.

可以看出，憑借北斗PNT服務的時空可信性，能有效地維護時空秩序、規避時空歧義、證明時空自洽、達成時空共識，最終構建可信時空.

3 北斗時空區塊鏈應用方向

傳統區塊鏈中只有時間標簽，而沒有空間標簽，時間標簽也不要求由北斗來統一授時. 因此，不具備時空可信性，以致其能力和應用受限. 北斗時空區塊鏈具備魯棒性強、滲透性強、可自激勵，可自生長的特點. 如圖6所示，具體應用類型包括流程全鏈監管、資源高效共享、任務眾創協作等.

圖6 北斗時空區塊鏈的應用

1)流程全鏈監管

流程全鏈監管包括實物流通、數據流轉和業務流程三個方面.

北斗時空區塊鏈可為實物產品的生產、流通和交易提供全鏈路可信時空約束條件，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，應用于農產品供應鏈[18]和無人機智能快遞等. 北斗時空區塊鏈也可為信息類業務提供基于可信時空的全歷程變化監測和全流程業務監管，以保證數據和信息在全生命周期內的安全和可信. 例如地類變化監測、土地利用審批監管，以及時空大數據監管.

2)資源高效共享

資源高效共享包括數據、設備和人力三個方面.

時空大數據具有多源性、關聯性、復雜性、海量性，從采集到應用的全生命周期內都具有分布式特點，各種數據散落在不同機構[19]. 為了解決數據碎片化問題，通常努力將其整合為一個中心化的時空數據庫，但仍難以跟上時空信息產業的迅猛發展. 從另一個角度看，時空大數據的集中式存儲會導致行業信息不透明、易于篡改和監管困難. 例如，在2011年的地溝油事件、2016年的山東疫苗事件及2018年的長生疫苗事件等的調查過程中， 都出現了不同程度的關鍵數據缺失問題. 同樣，專業設備和人力也都存在分布式歸屬和利用率不高等痛點.

應用北斗時空區塊鏈可以激活分布式數據、設備和人力的高效共享和可控流轉.

3)任務眾創協作

任務眾創協作包括采集、處理和研發三個方面.

北斗時空區塊鏈可用于在松散組織架構下，基于可信時空的時空大數據眾創采集或生產，并能解決分布式協作過程中的信任和激勵問題. 其應用場景有全球街景采集、海量遙感數據處理、時空算法研發等.

例如，目前全球街景圖片大多來自于采集員的現場拍攝，谷歌為了降低街景采集人力成本，采用了眾包分工模式，但也無法保證落后地區的數據質量和實時性. 將北斗時空區塊鏈技術應用于分布式街景采集，設計有針對性的共識和激勵機制，可以讓全世界任何人都能無門檻的參與數據采集工作，并獲得公平的回報.

4 結束語

所有分布式的行為都可以應用區塊鏈技術來解決信任問題，將區塊鏈技術用于現實世界時應該同時保證賬本可信、物理可信和時空可信. 北斗是綜合PNT系統的基礎系統，也是區塊鏈時空標簽天然的輸入源. 但北斗的作用不僅是便捷可靠的采集時空標簽，而更深層的意義在于北斗PNT服務具備時空可信性. 因此，北斗時空區塊鏈可在流程全鏈監管、資源高效共享、任務眾創協作等應用領域發揮重要作用.

在當前的時空大數據時代，出現了一些新概念、新理論，甚至可以說是顛覆式的理念. “顛覆”意味著這些理念與以往的傳統思維方式以及業務邏輯大相徑庭. 其理論不易理解，實現難度也較大. 因此，我們往往從感性上會產生排斥情緒. 技術的更新換代一般都會遇到各種困難，但假以時日，這些新理念必將給相關行業乃至全社會帶來深遠的影響.

致謝：本文的撰寫得到了東南大學李幼平院士的耐心指導，在此表示由衷的感謝.