區塊鏈：元宇宙的核心基礎設施

李 鳴，張 亮，宋文鵬，吳美玉

（1.復旦大學計算機科學技術學院上海市智能信息處理重點實驗室，上海 200433；2.上海區塊鏈工程技術研究中心，上海 200433；3.中國電子技術標準化研究院，北京 100007；4.北京航空航天大學 經濟管理學院，北京 100191；5.城市運行應急保障模擬技術北京市重點實驗室，北京 100191）

0 概述

目前，對于元宇宙概念的定義眾說紛紜，技術、應用、資產、服務、產業、生態、哲學等不同層次的定義混雜，嚴重影響業界對元宇宙的認識。盡管元宇宙不是技術詞匯，但卻需要復雜的底層技術邏輯支撐。區塊鏈［1］、人工智能、數字孿生、人機交互、物聯網等面向數據的新一代信息技術的演進是從Web2.0 向Web3.0［2］演進的技術準備。雖然技術就緒度尚有發展空間，但已基本完成單項技術體系的構建。以往各項技術的獨立發展沒有形成閉環的商業生態，是因為各項數字科技的技術特性只覆蓋數字經濟的一部分。例如，物聯網數據采集、5G 傳輸、大數據處理、人工智能利用和區塊鏈保障，每項技術都僅完成了數據要素生命周期的一部分，需要更大、更聚焦的概念、場景和商業模式拉動新一代信息技術的進一步融合，從而構建面向數字化生態的基礎設施，以支撐元宇宙復雜的應用邏輯、業務創新和商業模式。因此，從技術上來看，元宇宙是基于區塊鏈技術體系和運作機制支撐下的可信數字化價值交互網絡以及以區塊鏈為核心的Web3.0 數字新生態，能推動數字產業化和產業數字化。

本文從區塊鏈實現元宇宙基礎設施、提供虛擬世界中的身份價值網絡、構建經濟金融體系3 個方面說明區塊鏈在元宇宙中的核心技術地位，并分析如何通過區塊鏈構建元宇宙中的可信數字化價值交互網絡。應用本體論思想定義元宇宙是數字生態的集成邏輯表達，明確促進元宇宙健康發展的4 項核心要素。列舉目前基于區塊鏈構建的數字貨幣、鑒證及交易市場應用技術，總結在元宇宙中進行價值交換的交易特征。

1 元宇宙

1.1 元宇宙發展現狀

元宇宙概念來自1992 年出版的科幻小說作家尼爾·斯蒂芬森的著作《雪崩》。在2021 年迅速升溫，被各大國外公司在游戲、娛樂、文化等應用領域部署市場。3 月，美國沙盒游戲平臺Roblox 將元宇宙概念寫入招股說明書中，上市后首日日值超過400 億美元。7 月，Facebook 首席執行官馬克·扎克伯格成立元宇宙產品團隊，并將母公司名稱改為“Meta”。在國內元宇宙市場上：百度發布國內首個元宇宙產品“希壤”；字節跳動收購國內VR 頭顯的龍頭企業Pico，基于其龐大的產品矩陣布局元宇宙。元宇宙概念在資本市場和技術領域的興起，獲得了極高的社會關注度。一部分人認為，元宇宙代表未來發展的新方向，即虛擬分身在虛擬世界進行生活、工作與互動。另一部分人認為，基于目前體驗仍有缺陷的VR/AR 技術，目前元宇宙只是一種噱頭，科技公司爭相蹭熱點。元宇宙概念起源于科幻小說，發展于文化娛樂應用場景，現已具有經濟閉環體系的特征［3］。當前的元宇宙并非最終狀態，但可被視為已出現應用探索、底層技術基礎和全新經濟模式的動態演化狀態［3］。隨著技術迭代更新和更多的資本注入，元宇宙代表的虛實二元世界極有可能成為現實。

1.2 元宇宙本體

1.2.1 元宇宙概念

目前，業界及學者們對于元宇宙的界定有不同的理解。從元宇宙的英文“Metaverse”進行字面解讀，其中：“meta”即“元”，表示超級、超越；“verse”代表“universe”，表示世界、廣泛的空間。因此，字面意義上的元宇宙指的是超越現實的、由更高維度構成的世界。WRIGHT等［4］介紹了元宇宙通過虛擬世界與現實世界的眾多節點連接和重疊，從而構成新一代的增強現實交互空間。DAVIS等［5］總結元宇宙的5個關鍵結構，即元宇宙本身、人/化身、元宇宙技術能力、行為和結果。KINSNER［6］認為元宇宙是具有生命力的互聯網，通過軟硬件基礎設施實現互聯，形成具有高度體驗感的社會網絡。加速研究基金會（Acceleration Studies Foundation，ASF）［7］將元宇宙定義為虛擬增強的物理現實和物理上持續存在的虛擬空間的融合，既可以指代為一套特定的虛擬化3D 網絡技術，又可以表示為在線生活的公認標準方式。進一步地，ASF 將元宇宙區分為體驗虛擬故事的虛擬世界、反映當前現實世界的鏡像世界、現實世界中增強信息混合體的增強現實以及捕捉和存儲有關人和事日常信息的生活日志，這4 個場景強調不同的功能、類型或元宇宙技術集。袁園等［3］認為元宇宙是源自游戲平臺，由數字貨幣、數字技術和硬件技術同步支持，深度融入人類生活的虛擬世界及生存遠景。李默［8］認為元宇宙是來自現實世界、與現實世界平行的且真實度越來越高的數字虛擬世界。方凌智等［9］認為因為互聯網的功用中心由信息轉移到發送、使用信息的主體（即人），這種轉變促進信息媒介技術的發展迭代，能夠給人類社會帶來變革并塑造出全新的社會形態。

上述的定義多從元宇宙的組成出發進行界定，筆者認為對于元宇宙的界定，需要關注元宇宙的根本邏輯，即價值交互網絡。因此，元宇宙是基于Web3.0 技術體系和運作機制支撐下的可信數字化價值交互網絡，是以區塊鏈為核心的Web3.0 數字新生態，是推動數字產業化和產業數字化的重要手段。同時，本體論是研究世界本源或基礎性質的哲學理論，通過本體論可以剖析事務或現象的本質。應用本體論的思想，元宇宙是數字共識生態的集成邏輯表達，其中：數字是指元宇宙的核心要素一定是在數字空間中，并通過數字技術表現；共識是指元宇宙的相關方共同參與元宇宙生態的治理，并通過共識過程確定元宇宙生態的發展路線；生態是指元宇宙需要眾多相關方參與，形成相互影響、相互促進的動態平衡的統一體；集成是指元宇宙需要通過眾多技術形成集成體，以支持生態的穩定運行；邏輯是指元宇宙是眾多要素組合的系統，各項要素之間有相互邏輯關系，各項要素自身也需要有內在的邏輯體系；表達是指元宇宙要在不同層次上都呈現出特定的表現形式，從而形成聚像、可工程化的最佳應用。

1.2.2 元宇宙相關技術

DIONISIO 等［10］總結了元宇宙核心組成部分的真實性、泛在性、互操作性、可擴展性等4 個技術特征，其中：真實性要求虛擬空間足夠逼真，使用戶在心理和情感上沉浸在虛擬空間；泛在性要求構成元宇宙的虛擬空間可以通過所有現有的數字設備（臺式機、平板電腦、移動設備），而且用戶的虛擬身份或集體身份可以通過這些設備來實現，用戶的虛擬身份或集體角色在元宇宙的整個轉換過程中保持完整且不變；互操作性要求虛擬空間符合標準，以便用于重建或渲染虛擬環境的數字資產在具體實施中保持互換性，以及用戶可以在不同地點之間無縫移動而不中斷沉浸式體驗；可擴展性要求服務器架構能提供足夠的動力，使大量的用戶能夠占據元宇宙而不影響系統效率和用戶體驗。根據以上技術特征，可細化到具體的相關技術，在信息傳輸方面有5G/6G 的產生，在互聯網方面有Web3.0 的迭代，在人工智能方面有算法和機器學習的支撐，在硬件技術上有VR/AR/MR/XR 的產品問世，在數據采集和處理方面有大數據、云計算等服務，在分布式治理上有區塊鏈保障信息的不可篡改與可追溯［3］。ENO 等［11］構建基于三維多用戶虛擬世界的內容收集系統，可用于跨世界搜索引擎，實現將虛擬世界與更廣泛的網絡聯系起來。此外，作者還編寫爬取用戶生成內容的智能代理爬蟲程序，這些程序可提高研究人員識別世界內動態、沉浸式環境的能力。EGLISTON 等［12］認為VR 是一個數據密集型設備，通過聽覺、視覺和觸覺反饋營造用戶在虛擬環境中的沉浸感。CHESLACK-POSTAVA等［13］設計并實現了針對元宇宙的Sirikata 服務器。Sirikata服務器的可擴展性能夠支持大型復雜的世界建模，允許用戶查看整個世界并與其進行交互，同時通過在核心系統中利用現實世界和3D 環境的屬性同時實現這兩個目標，例如基于可見尺寸服務虛擬對象查詢的新型分布式數據結構。

1.2.3 以區塊鏈為核心的元宇宙技術參考模型

目前，學者們對于元宇宙模型的研究較少。SéBASTIEN 等［14］認為元宇宙可實現沉浸式虛擬世界的三維表現，支撐建立識別和幫助管理生物多樣性的信息系統。該文對生物多樣性專用信息系統中存儲信息的元空間的不同可能性展開研究，介紹了虛擬世界生成的一般過程、要求、元數據結構的不同模型，以及可用于完善細節層次的元數據。RYSKELDIEV 等［15］提出并實施了基于區塊鏈的分布式模型，該模型可用于點對點的存檔、回收和共享混合現實中的社會和協作應用的虛擬空間，并且可在地圖應用中作為混合現實空間的球形圖像替代來源，實現將整個元空間存儲在一個JSON 數組中以便于以純文本形式進行存儲和共享。

通過分析區塊鏈技術特點和元宇宙的生態邏輯，將元宇宙分為元網絡、元系統、元服務、元應用和元空間五層，如圖1 所示。元網絡是元宇宙運行的底座，它包含了通信、存儲、計算、網絡等支撐性技術，區塊鏈的點對點通信、分布式存儲、分布式計算和分布式網絡為元宇宙提供底層基礎設施。元系統以區塊鏈的數字簽名、時序服務、激勵機制、共識機制、加密算法和分布式賬本為核心，為元宇宙提供系統支持。同時，需要融合云計算、大數據、人機交互、人工智能、信息安全和數字孿生等技術。元服務層主要以元系統為支撐，為元應用場景提供支持。區塊鏈相關的加密貨幣、數字資產、身份認證等功能為元宇宙經濟體系提供核心支撐，同時需要融合內容生成、模擬仿真、環境渲染等技術為沉浸式體驗提供支撐。元應用和元空間主要通過網絡、系統和服務來支撐，這里不做過多論述。

圖1 以區塊鏈為核心的元宇宙技術參考模型Fig.1 Metaverse technical reference model with Blockchain as its core

1.3 元宇宙主要應用領域

目前，元宇宙主要應用于教育教學、文化娛樂、電子商務、醫療救援等領域。在教育教學領域，元宇宙技術可以為學習者提供沉浸式的教學體驗，加強課堂教學［16］，有效緩解學習者的溝通困難問題［17］。文獻［18］基于人臉識別技術提出一種新的語言教育范式，構建物理校園與虛擬校園同步的元宇宙系統。將人臉識別算法應用于元宇宙中在線/離線用戶展現，基于XR 技術的體驗式學習內容被引入每個學習步驟中，以完成對單詞的學習。文獻［19］在虛擬學習課程元宇宙中引入檢測學生虛擬化身眨眼的系統，通過對眨眼次數進行統計和分析，可以提高虛擬學習效果。浙江大學通過對眾籌式混合云、科研數據平臺、同聲傳譯和遙感技術進行結合，推出高精度虛擬會議場景元宇宙平臺——“研在浙大”2.0。

在文化娛樂領域：2020 年12 月8 日，美國歌手Travis Scott 在Fortnite 舉辦的虛擬音樂會，吸引了1 200 多萬人在線參與；美國元宇宙游戲開發商Gamefam 開發的Roblox 是一款兼容虛擬世界、休閑游戲和內容開發的游戲，可以實現用戶自行輸出內容，并基于平臺自有的數字貨幣Tobux 構建閉環經濟系統；文獻［20］構建了結合博物館內指示標志和頭戴式顯示器的博物館游客內容服務架構。該架構連接了博物館內的指示標志與頭顯，提供了基于增強現實的虛擬世界體驗與文物講解服務。

在電子商務領域：文獻［21］提出基于數字孿生技術的電子商務平臺商業模式，將實時商務與元宇宙相結合克服了現有在線購物平臺缺乏產品體驗的局限性，通過商業模式畫布和可視化的核心業務活動詳細解釋該商業模式，基于該平臺消費者可以在虛擬世界中觀看和感受品牌，體驗產品功能并提升購物體驗，賣家可通過元宇宙創造創新內容以維護品牌知名度和忠實客戶；文獻［22］開發了服務虛擬世界的小額支付系統，但該系統要集成的部分軟件存在發行方未知、開源代碼易被篡改的問題，因此在虛擬環境中的交易價值通常非常小，使得交易成本相應增加。

2 基于區塊鏈的元宇宙基礎設施

在ISO 22739：2020《區塊鏈和分布式賬本技術詞匯》標準中給出了區塊鏈的明確定義，即區塊鏈是用密碼技術將共識確認的區塊按順序追加形成的分布式賬本，具有技術、金融和社會屬性。區塊鏈技術已經超越了傳統金融支付解決方案，為許多部門、行業帶來了變革的潛力。鑒于區塊鏈技術的普遍性、發展性、開放性和透明性，可以將其理解為一種可信的信息基礎設施。

回顧區塊鏈的發展歷程，技術屬性相關的BaaS［23］、跨鏈［24］、隱私計算［25］、身份認證［26］、分布式存儲和計算［27］等底層平臺為金融、制造、教育、能源等行業的分布式應用提供了基礎設施。金融屬性相關的同質化通證（Fungible Token，FT）、分布式金融（Decentralized Finance，DeFi）［28］、非同質化通證（Non-Fungible Token，NFT）［29］和xFi（泛指在各個領域的金融形式）通過大量的應用探索數字化金融服務模式。其中：FT 在金融體系中探索了新載體的可能，利用區塊鏈技術解決了數字環境下金融交易的雙花等問題；DeFi 嘗試創新傳統金融服務模式，基于分布式網絡環境的借貸、質押、交易等金融服務紛紛出現；NFT 進一步在數字生態中呈現了資產的表現形式，在映射物理資產的同時催生了大量原生數字資產，擴大了數字經濟的資產規模和想象空間；游戲金融（GameFi）嘗試將NFT 帶入到特定的真實消費場景；社交金融（SocialFi）進一步擴大了GameFi的應用場景，在增加了數字協作活動的同時，增加了數字資產的消費空間；xFi 的出現為FT 和NFT 提供了更多樣化、個性化的娛樂和社交的信息消費場景，未來更多xFi 將會出現在教育、能源、制造、旅游等產業中，這將進一步加速數字環境下的資產流通和信息消費。

圖2 給出了從區塊鏈到xFi 再到元宇宙的技術層級關系。從社會屬性來看，盡管去中心化自治組織（Decentralized Autonomous Organization，DAO）模式尚無成熟業態，但卻為數字環境下的協作模式提供了新的思考。元宇宙的出現正是區塊鏈技術、金融和社會屬性發展的必然趨勢，其持續性、實時性、開放性、兼容性、連接性、創造性、多樣性等特點將會構建更多數字場景，也將推動建立以區塊鏈為核心的Web3.0 數字生態，在推動數字產業化的同時促進產業數字化的發展。

圖2 以區塊鏈為核心的元宇宙數字新生態Fig.2 Digital new ecology of the Metaverse with Blockchain as its core

區塊鏈基礎設施通常可被分為五層架構，分別包含數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層［30-32］。數據層提供區塊鏈數據的分布式存儲架構，可對元宇宙生態的關鍵數據進行封裝，提供防篡改機制。網絡層使用網絡協議構建了可靠的分發機制，為元宇宙生態參與者的點對點通信提供支持。共識層解決分布式場景的一致性問題，使更多相關方參與元宇宙生態的治理。合約層為分布式編程賦能，使元宇宙中的各種資產可編程，更靈活地適應各種生態場景。應用層為區塊鏈生態保駕護航，促進更多領域進入到元宇宙中。伴隨區塊鏈基礎架構而來的是Web3.0 時代。Web3.0 為元宇宙中異構的分布式應用提供了通信基礎、網絡架構和交互模式。圖3 從各技術層級描繪了區塊鏈技術在元宇宙中的應用。

圖3 區塊鏈技術在元宇宙中的應用Fig.3 Application of Blockchain technology in the Metaverse

區塊鏈數據層涵蓋數據結構、密碼、編碼學等多項計算機學科。通常地，區塊鏈的交易使用默克爾樹的形式被組織在每個區塊中，樹狀結構有助于對葉子節點的訪問，而默克爾樹在此基礎上增加了哈希驗證技術。因此，可以快速查驗地記錄每個區塊中的區塊鏈交易。此外，區塊構成了每個需要達成共識的單元，一旦形成共識后，區塊的哈希值被其后繼區塊記錄。哈希運算的抗碰撞性保證了區塊鏈存儲的不可篡改性。基于區塊鏈不可篡改和可用的存儲，形成了元宇宙的可信數據服務基礎設施，為元宇宙中的身份、內容、資產和活動提供信任基礎。

區塊鏈網絡層一方面借助傳統的有線或無線通信信道，實現節點間的對等協商通道，保證了區塊鏈系統的去中心化特性。另一方面，區塊鏈構建的穩定的經過認證的點對點通信網絡可以滿足更加豐富的通信要求，比如廣播協議、隱蔽通信、端到端傳輸等。因此，成熟的區塊鏈網絡可以滿足元宇宙中各種各樣的通信需求，使更多參與者可以在保護身份隱私的前提下進行點對點通信，避免用戶隱私泄漏的風險。

區塊鏈共識層致力于解決傳統分布式系統的數據一致性和容錯性問題。分布式系統在保證數據可用性的同時，需要保證數據的一致性。拜占庭容錯算法、工作量證明算法和權益證明算法等為區塊鏈提供了豐富的共識協議思路。不同共識算法適用的場景不同，可以在分布式環境下，由元宇宙的參與者共同設定規則，共同確認系統的技術路線和商業模式，有效提升了用戶參與的積極性。

區塊鏈合約層從比特幣的棧式腳本語言執行環境到以以太坊為代表的圖靈完備編程環境，體現了區塊鏈正在支持所有的可計算操作。合約被分布式的節點反復執行和驗證，體現了區塊鏈的公開透明性，進而使得區塊鏈具備可驗證計算的服務。區塊鏈合約層有效地解決了元宇宙中不同的應用需求，形成更多可編程的數字資產，擴大了元宇宙數字經濟生態的規模，并為元宇宙社會的可信計算奠定了基礎。

區塊鏈應用層以數據層、網絡層、共識層為理論支撐，以合約層為直接基礎，提供用戶界面友好的開放平臺，為分布式應用、可信計算應用、價值互聯互換提供接口。區塊鏈應用層是普通用戶接觸、使用、參與構建元宇宙的入口。

3 基于區塊鏈的元宇宙身份價值網絡

3.1 元宇宙中的身份要素

與現實的社會生態一樣，組織、身份、資產、活動等4 項關鍵要素將成為促進元宇宙健康發展的核心要素，其中身份作為元宇宙生態的關鍵要素，可以支撐組織、活動和資產要素，為元宇宙生態提供多樣性的身份支持。區塊鏈的技術、金融和社會屬性可以豐富元宇宙的身份形式，幫助構建可信數字化價值交互網絡。圖4 給出了元宇宙中組織、資產、活動三要素依托身份這一要素的關系結構。

圖4 元宇宙健康發展的核心要素Fig.4 Core elements of the healthy development of the Metaverse

首先，傳統互聯網平臺極易產生壟斷型組織形式和商業模式，無論是Web1.0 的網站，還是Web2.0更大場景的內容交互，均是平臺占有絕對的優勢，既控制著內容傳播，也控制著基于內容產生的收益。尤其是Web2.0 環境下，一旦形成平臺生態，就會以平臺作為工具從所有相關方獲取高額的收益。Web3.0 的核心觀點是用戶和建設者共同擁有網絡。在元宇宙中可能形成用戶和建設者自治的組織形式，其組織規則在符合監管的前提下由程序代碼來執行，這就需要利用區塊鏈技術達到最大范圍的共識，配合監管形成元宇宙的健康生態秩序。在數字環境中，物理世界的社會角色將會在數字環境中以數字形態存在，其變革將帶來深遠的影響，比如：在物理環境下稅務局承擔關鍵的社會職能，在數字環境下雖然可以構建稅務元宇宙，但其本質就是一段程序，在協作交易過程中自動完成稅收程序。

其次，傳統集中式身份驗證模式極易產生安全威脅和隱私濫用問題，元宇宙不僅要能與真實的身份綁定，而且需要在不同應用場景、次元宇宙、元宇宙間切換，這就需要利用區塊鏈技術建立新的分布式身份認證體系，可以在跨生態網絡中保護隱私和數據安全。以虛擬數字人為例，每個元宇宙都會有獨特的應用場景，但如果在每個元宇宙中都有不同的虛擬數字人將會為用戶帶來很大的困擾，極大增加監管復雜度。因此，需要通過區塊鏈建立分布式身份體系，支持虛擬數字人在不同應用場景切換，以及虛擬數字人相關的靜態屬性、動態屬性和資產隨著虛擬身份同步切換。同時，從社會學視角來看，虛擬數字人是沒有人類身份的數字化形象，會帶來很多使用權、運營權等問題，同時也將帶來法律、倫理、資產、安全等一系列新的社會問題。區塊鏈技術可以通過分布式賬本和智能合約完成虛擬數字人的權利分配和責任制約。

再次，資產是物理世界和數字世界的核心要素，是促進經濟循環的必要載體。在數字世界中，資產形態多種多樣，可以是文字、視頻、音頻等數據資產以及游戲裝備、影視作品、數字藏品、數字建筑等數字資產，也可以表現為股票、證券等金融資產，這些資產都可以表現為FT 和NFT。只有具備以資產為核心的應用場景，才能發展成為可持續的生態，并且需要完成資產的確權，并進行資產的轉移、交易和流通才能形成真正的經濟體系。元宇宙中的道具、裝備、UGC 內容都需要以區塊鏈為核心的元系統提供注冊、登記、交換、交易等功能，區塊鏈的技術屬性將為資產提供存證、確權等支持，金融屬性將為資產提供載體和表現形式，同時為基于資產的價值交換提供保障，社會屬性的組織治理模式將加速數字資產在元宇宙中的交換和流通。

最后，元宇宙中的所有活動皆可收斂為數據，多元宇宙（元宇宙和元宇宙）之間、次元宇宙（元宇宙內不同應用）之間、元宇宙和外部設備間的數據交互過程，以及外部設備采集、存儲、處理、分發、利用和處置個人行為數據的過程都需要區塊鏈的技術來支持。Web2.0 最大的問題是平臺對用戶數據的壟斷和消費，平臺在通過眼球經濟匯聚用戶數據的同時，通過廣告、撮合等商業模式，獨享用戶數據和內容產生的價值。用戶在平臺上貢獻內容和數據時，只能獲得自身的認同感和微薄的收益。數據主權及其產生價值的回歸正是Web3.0發展的目標，通過區塊鏈技術可以建立分布式身份認證體系，使用戶數據、內容和資產等附著于獨立可控的身份鏈上，商業組織可以在用戶的授權下獲得相應的數據和內容，并支付等價的費用，從而從根本上解決Web2.0環境下的壟斷型經濟體系的問題，比如：文獻［33］實現了企業可以根據智能合約自動報稅［33］；文獻［34］提出基于區塊鏈的分布式數據銷售方案，分布式數據銷售方案可以通過鼓勵數據擁有者分發數據，實現大規模的數據聚合，進而改變醫療保健等領域的狀況，并且該研究結合區塊鏈和人工智能算法，提升數據檢索的有效性和降低索引數據的泄漏風險。

3.2 以區塊鏈為核心的密碼學身份

在傳統區塊鏈系統中，用戶身份是非對稱密碼學的公私鑰對，這種假名身份有效地保護了用戶個人隱私。在元宇宙社會中，除了普通的資產交易生成，還有各種豐富的資產交換和各種組織的活動記錄，僅有密碼學公私鑰對已經不能滿足元宇宙中對數據和資產的處理需求。

在采用公鑰基礎設施（Public Key Infrastructure，PKI）［35］后，公私鑰與身份綁定的加密算法可以通過非對稱密碼算法實現。然而，PKI 需要依賴權威中心，并且由該中心保管各用戶的身份、數字證書、公鑰等信息。與使用PKI 相比，基于身份的密碼體制作為密碼原語，可以緩解權威中心的單節點故障問題，并簡化密鑰管理流程。文獻［36］提出一種使用區塊鏈的基于身份的密碼系統，該系統將鏈中的節點拆分，分別完成用戶身份驗證和私鑰保護。此外，為了防止網絡攻擊，還在識別過程中使用時間戳、隨機數和哈希算法，確保該系統的正確性、安全性和性能效率。

基于屬性的密碼［37］進一步擴展了身份的含義，使得身份不再與唯一的字符串綁定，可以使用多種維度刻畫用戶，極大地擴展了非對稱密碼學的適用范圍。文獻［38］基于命名系統和屬性密碼提出安全、自治的身份管理系統reclaimID。由于屬性密碼在加密過程中使用秘密分享技術，因此在reclaimID 中實現了訪問控制層。屬性密碼的使用不僅使得授權訪問成為可能，而且有效地保護了用戶屬性的隱私。此外，reclaimID作為去中心化的身份管理系統，需深入探討去中心化的存儲和網絡機制的應用，并指出基于區塊鏈或以區塊鏈為核心的技術是其實現的關鍵。

解決元宇宙的身份問題有助于進一步實現元宇宙中的可信計算。隱私計算已經在金融、醫療、政務等領域有了一定的發展。這些領域主要解決了跨機構的數據采集和整合難的問題，降低了隱私數據容易泄漏的風險，克服了數據孤島的問題。在元宇宙中，可信計算的實現有利于促進虛擬身份間的數據互聯互通。

3.3 基于NFT 的數據身份

傳統的數字身份強調了個人從現實世界到虛擬世界的映射和綁定關系。以區塊鏈和分布式賬本技術為支撐的NFT 數字資產憑證將身份的屬性進一步賦予任意的數據和資產，不僅可以在元宇宙生態中實現萬物互聯和價值生成，而且能充分兼顧隱私性。NFT 可以在區塊鏈上永久保存交易歷史，從而確保數字資產的唯一性。每個憑證都具有唯一可被識別的標識，這使其能夠為數字資產鑒權。

文獻［39］指出：沉浸在3D 元宇宙中的互動將重新定義身份的概念，這種網絡身份主要通過虛擬世界中的數字化身來實現。通過使用數字化身，物理世界的個人可以完成虛擬世界的創作、娛樂、社交、交易等諸多活動。基于區塊鏈的NFT 可以使數字化身無爭議地完成資產、所有權的控制。

依據以下4 種性質，基于NFT 的數據身份構成了去中心化應用的基礎：1）可驗證性，NFT 對應的數據和所有權能被任意第三方進行驗證；2）透明性，有關NFT的活動，比如鑄幣、銷售和采購均可在公開場合執行；3）可用性，NFT 系統具備長時無干擾的可用特性；4）原子性，NFT 交易在獨立且具有一致性的原語中操作。

4 基于區塊鏈的元宇宙經濟金融體系

4.1 基于以太坊的元宇宙金融協議

以太坊作為智能合約平臺能夠運行各種去中心化的應用程序（DApp），核心在于支持語言圖靈完備的以太坊虛擬機（Ethereum Virtual Machine，EVM），可執行復雜的控制邏輯。以太坊開發者提交的協議提案（Ethereum Request for Comment，ERC）［40］用以記錄以太坊上各種開發標準、協議等細節。以太坊標準文件的種類包括Token 標準（ERC20 對應同質化通證，ERC721 對應非同質化通證）、名字注冊（ERC26、ERC13）、URI 范式（ERC67）、Library/Package 格式（EIP82）以及錢包格式（EIP75、EIP85）。

在以太坊的應用中，NFT 與元宇宙的結合起步較早，具有代表性的案例包括CryptoKitties［41］和Decentraland［42］。CryptoKitties 是一款基于區塊鏈的虛擬寵物貓成長游戲，實質上是基于ERC721 代幣的DApp。CryptoKitties 游戲用戶在游戲世界范圍內領養一只貓。虛擬貓數字資產具有稀缺性，包含唯一的獨特識別價值，與現有的虛擬資產不同。基于點對點網絡，NFT 打造的數字資產被分發給各個參與者并存儲，以證明所有權。Decentraland 通過結合虛擬現實和區塊鏈技術在元宇宙中實現了房地產的概念，使用ERC20 代幣MANA 實現虛擬房地產的購買。用戶在從Decentraland 購買的土地上可以自由建造建筑物，通過在建筑物上安裝廣告牌或者收集稀有數字內容來開設展覽賺取收入。

以太坊引入支持圖靈完備的智能合約，使得復雜的業務可以在以太坊虛擬機中透明執行［43］。以太坊的出現促進了區塊鏈應用由數字貨幣向加密貨幣的演進，實現市場和業務的各種區塊鏈重構。基于區塊鏈，DeFi能夠促進元宇宙的去中心化市場和業務。

4.2 基于加密貨幣的元宇宙數字貨幣

數字貨幣是區塊鏈賦能的主要應用之一［43］。廣大用戶的信任支撐了數字貨幣的價值體系，推動了數字貨幣的流通和交易。迄今為止，全球已發行超過12 000 種數字貨幣，并且不斷推出新的虛擬貨幣。

如同真實世界建立在法定貨幣上一樣，未來的元宇宙不可避免地需要數字貨幣，以實現元宇宙中的貨幣流通、支付和結算功能。現在發展較為成熟的數字貨幣包括比特幣和以太幣，比特幣［44］采用未使用的交易輸出（Unspent Transaction Outputs，UTXO）交易模型來追蹤比特幣的使用情況，而以太坊［45］記錄每個賬戶地址的余額，可以直接通過以太坊數據集工具（如Etherscan）查詢。兩種貨幣目前都采用PoW 實現共識，礦工通過生成新區塊來鑄造數字貨幣。

元宇宙的用戶需要交換不同的數字貨幣，以實現價值交換。數字貨幣的出現豐富了支付渠道，降低支付成本，提高了支付清算效率。然而，發行在公鏈上的數字貨幣與現實世界中的價值生產并無對應關系，投機泡沫成分較大。點對點交易的方式繞過國家金融機構監管，給洗錢等違法犯罪行為提供了可能［10］。因此，對于數字貨幣的監管方式需要創新，以保證數字貨幣在元宇宙中的合規流通。

在處理加密貨幣交易方面，多數加密貨幣交易發生在OKEx、Binance 等中心化交易所。中心化交易所的優勢在于低延遲交易和簡單接口，也存在內部人員利用信息不對稱操縱價格等弊端。在IDEX、Ether Delta 等去中心化交易所中，智能合約或其他點對點網絡自動執行交易［46］：一種模式是智能合約在鏈下維護連續有限的訂單簿，訂單的交易對手或交易所本身執行訂單匹配并將訂單提交給智能合約進行處理；另一種模式（如Uniswap 和Bancor）是將智能合約作為交易對手執行并直接與其用戶進行交易。

元宇宙中的交易具有數據量大、低確認延遲的特征［43］。一方面，元宇宙中會出現房地產購買、物品租賃等各種交易。在元宇宙中，交易涉及商品所有權轉移和代幣轉移。用戶在傳統區塊鏈上發起交易，該交易將首先廣播給各節點，并存儲在各節點本地交易池中。各節點獲取一定數量的交易，然后執行共識機制。由于體量龐大的用戶群體和各種DApp，元宇宙中的區塊鏈節點將產生大量交易數據。如果對所有節點要求存儲所有歷史交易存儲，會給全網節點帶來極大負載。另一方面，元宇宙交易要求全網實現低確認延遲。為了滿足人類對互聯網應用“即時響應”的要求，端到端的延遲需要在幾十毫秒到幾百毫秒之間。在VR/AR/MR/XR 等應用環境下，基于三維顯示和交互的元宇宙應用要求延遲控制在10 ms 內，以避免用戶產生眩暈。

4.3 基于NFT 的元宇宙數字資產

目前，虛擬世界的主要經濟活動為虛擬資產拍賣，包括土地、稀缺物品、珍貴不動產、土地的開發和租賃、游戲任務的獎勵以及投資加密貨幣的利潤。因此，元宇宙中誕生了一種新的融資形式NFT，其可以連接現實世界和虛擬世界。NFT 主要用于數字資產交易，通過在區塊鏈上永久保存加密的交易歷史確保其唯一性。每個代幣有唯一的TokenID，可驗證數字資產的所有權。因為在元宇宙這樣的三維空間中，社會和經濟活動像現實一樣運行，需要有相關技術實現資產權屬證明和價值互換。NFT 在元宇宙中支持交易雙方之間的調解和互動，因此在元宇宙中得到迅速發展。以NFT 為紐帶，元宇宙構建了一套虛擬世界的社會契約。由于NFT的唯一性和不可分割性，因此元宇宙中的參與者可以有效聲明其著作權和所有權。

在NFT 的基礎上，文獻［47］提出了非同質化權益（Non-Fungible Right，NFR），進一步探索和擴展了虛擬資產的用途和邊界，并指出目前NFT 違反了國內相關監管要求，存在潛在金融監管風險、缺乏法律監管等問題。因此，該研究提出的NFR 以非公有區塊鏈為基礎，完善了實名化身份管理機制并解決了上述問題。NFR 有望實現物理與虛擬環境的結合，助力實體經濟和數字經濟發展。

從廣義上來看，數字資產是元宇宙生態的關鍵要素［48］，數字資產既包括存儲和處理信息的硬件，又包括涵蓋音視頻、文本、圖像、軟件等在內的可復制信息，并且提供了數字憑證。數字憑證既可以是虛擬世界的數字權益證明，比如數字化身和個人簽名，又可以是現實世界實物的唯一證明，比如房產、藝術品、股票、期權等。由于數字憑證架起了虛擬世界和現實世界的橋梁，因此元宇宙的數字資產管理模式將反向推動現實世界對法律和技術的重新審視，進一步重塑世界運行的底層邏輯。

5 未來展望

元宇宙將成為下一代互聯網的重要數字生態環境，區塊鏈等新一代信息技術的集成架構將成為元宇宙重要的基礎設施，因此后續需要加強在元宇宙硬件、系統、應用等方面的研究：

1）在硬件層面，元宇宙不是在Web2.0 的基礎上的三維化，而是將Web2.0 嵌入到Web3.0 中，這將改變現有計算機外設的整個生態，顯示器、鍵盤、鼠標等計算機相關設備將逐步被增強現實操作系統和感官觸達設備等新型人機交互設備替代，形成新的操作和交互模式，這將對現有人機交互體系造成顛覆性的影響。

2）在系統層面，傳統操作系統重點面向進程和消息，主要作用是調度基礎設施資源，無法響應海量數據環境下的存儲、運算、處理等需求，需要集成區塊鏈的共識和激勵機制、人工智能深度學習、大數據處理框架等各項技術的關鍵組件形成面向數據和資產的操作系統，新型操作系統的出現將推動形成新的產業格局，將會顛覆現有信息技術生態環境。

3）在應用層面，元宇宙可以將社交游戲、文化旅游、休閑娛樂等場景移植到數字環境中，通過三維展現和沉浸式的場景將更多用戶從物理世界拉到數字世界中，形成更具黏性的數字生活場景，這種新型社會范式將顛覆傳統的組織形式和協作模式，并對人類的生活方式造成巨大影響，甚至創造新型的數字化的世界圖景。

因此，在未來的研究中，亟需跳出當前信息技術框架和思維模式，在工程應用前強化本體論和認識論研究，突出社會設計的重要性，重點分析元宇宙對社會組織形式和協作模式、社會生態和意識形態的影響，夯實理論和邏輯基礎。

6 結束語

元宇宙將推動數字環境下的技術探索、應用創新和產業構建，促進信息消費形成數字經濟的新生態。針對元宇宙產業缺乏概念共識、關鍵技術不明確、技術體系模糊等問題，本文依據本體論提出元宇宙的概念，分析元宇宙相關技術體系，并重點闡述基于區塊鏈元宇宙的基礎設施、身份價值網絡、數字治理架構和經濟金融體系，明確區塊鏈是元宇宙的核心基礎設施。在未來工作中將構建標準的元宇宙概念和術語體系，在工業和商業元宇宙場景中探索元宇宙技術體系的集成方法，共同協作創建元宇宙的分布式商業應用場景。