區塊鏈技術賦能衛星產業：優勢、挑戰與對策

摘 要：作為數字貨幣的底層技術，區塊鏈具有去中心化、集體維護、數據不可篡改和可追溯等特性，被認為在很多領域具有廣泛的應用前景。衛星產業作為戰略性新興產業，其安全可靠、互聯互通和隱私保護等需求，與區塊鏈的核心特性天然吻合。當前區塊鏈技術在衛星產業中的應用尚處于起步階段，鮮有學者對區塊鏈技術和衛星產業的集成應用進行探討。通過系統闡述區塊鏈技術的基本原理，對區塊鏈技術當前在衛星產業中的研究現狀進行了全面的總結。分析了區塊鏈技術在衛星產業中最有潛力的３ 個應用場景，重點闡述了區塊鏈在其中所發揮的功能和優勢。提出了區塊鏈技術應用于衛星產業需面臨的挑戰，并給出了解決思路，以為將來區塊鏈技術在衛星產業中的深入應用提供參考。

關鍵詞：區塊鏈；衛星產業；航天供應鏈；多星任務協同；遙感數據交易；優勢與挑戰

中圖分類號：Ｖ１１ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）０４－０７９１－１３

０ 引言

衛星系統可以提供遙感、通信和導航等多種信息服務［１－３］，在經濟建設、國防安全和環境治理等領域均有廣泛應用，是國家戰略科技力量的重要組部分。當前，世界各航天強國都在積極推進衛星系統尤其是大規模分布式星座系統的建設。例如，美國的“星鏈”項目計劃搭建由１１ ９２７ 顆衛星組成的星鏈網絡，為全球用戶提供低成本的互聯網連接服務；英國的“一網”項目計劃通過３ 個階段部署約１ ９８０ 顆低軌衛星，為全球１０ 億用戶提供快速、高帶寬的通信服務；中國的“星網”項目計劃發射１２ ９９２ 顆衛星，旨在構建一個覆蓋全球的低軌衛星高速互聯網絡，以提供更加穩定、可靠的網絡服務［４］。隨著衛星產業的快速發展，在軌衛星種類和數量急劇增長，對其制造管理技術和運行管理技術帶來了巨大挑戰，如在衛星研發制造過程中的質量管理與成本控制技術，以及在衛星運行管控過程中的資源調度與健康管理技術等。

衛星系統制造運行過程中產生的海量數據是進行衛星產業管理的基礎性條件：當前衛星數據管理主要存在兩大挑戰。首先，不同衛星部門擁有獨立的管理系統，數據處理、應用服務和基礎數據資源等彼此相互獨立，導致數據難以實現真正的互聯互通；由于衛星產業的特殊性，衛星數據往往涉及國家安全等敏感信息。使用傳統云計算、大數據等技術對衛星數據進行統一管理難以滿足數據保密與信息安全等方面的要求，可能存在黑客攻擊、數據泄露等潛在風險。因此，亟需一種安全可靠的方式整合各類分散存儲的數據資源，實現衛星產業的可信管理。

區塊鏈技術以去中心化、去信任為基本特征，可提供同步、安全和不可變的數據記錄，被認為在航天領域具有廣闊的應用前景［５］。２０１７ 年美國航空航天局戈達德航天中心的研究報告對區塊鏈技術在分布式航天器任務控制中的應用進行了梳理，并提出區塊鏈技術可以實時、持續地提供深度學習所需的數據，用于持續的學習和改進［６］。２０１８ 年歐空局發布的關于“區塊鏈和地球觀測”的白皮書中將區塊鏈技術視為全球數字經濟未來增長的革命性工具［７］，并在２０１９ 年和２０２０ 年連續發表了相關研究報告，指出區塊鏈技術在對地觀測數據標準融合統一、數據合作共享和星上數據處理空間自主系統等方面具有應用潛力［８－９］。將區塊鏈技術應用于衛星產業管理具有以下優勢：首先，區塊鏈技術有助于實現航天數據的可信存儲管理。區塊鏈適用于打破不同衛星部門間的數據壁壘，實現互聯互通。區塊鏈中的聯盟鏈和私有鏈具有良好的隱私保護性，可以安全地記錄所有的空間資產信息、任務信息和交易信息等核心數據，避免數據泄露與篡改。其次，區塊鏈技術有助于構建不同衛星部門間的合作信任關系，基于區塊鏈的智能合約技術可實現衛星在軌管理流程的自動化，有助于提高衛星在軌管理效率和智能化水平。最后，區塊鏈技術有助于促進空間資產或數據的交易，適用于構建整合航天機構、政府部門、企業和個人買家的統一交易平臺。

為了促進區塊鏈技術在衛星產業中的應用，本文首先闡述了區塊鏈技術的定義、核心技術、分類及其在衛星產業中的應用現狀，然后列舉了區塊鏈技術未來在衛星產業中３ 處可能的應用場景，最后分析了區塊鏈在衛星產業中應用所要面臨的挑戰并提出了相應的對策。

１ 區塊鏈技術概述

１． １ 區塊鏈定義

區塊鏈技術最早由中本聰于２００８ 年在論文《比特幣：一種點對點電子現金系統》中提出［１０］。區塊鏈是密碼學、計算機科學和網絡科學等多學科技術的集成運用，將數據以特定方式組合、存儲與處理，具有去中心化、去信任、數據難以篡改、可追溯等特點。

１． ２ 區塊鏈的核心技術

（１）加密算法

區塊鏈技術廣泛采用了現代信息安全和密碼學的技術成果，如哈希算法、非對稱加密算法和數字簽名等。系統中的交易在經過哈希函數處理后，由交易發起者用自己的私鑰進行簽名，最終被寫入賬本。在賬本公開的情況下，最大限度地保護了數據的安全和用戶的隱私。

（２）分布式數據存儲

區塊鏈系統中每個全節點都有獨立完整的數據存儲。數據以區塊的方式永久存儲，各區塊按照時間順序先后生成并連接成鏈。各區塊可分為區塊頭和區塊體。區塊頭記錄著有關該區塊的一些信息，并通過哈希指針與前一個區塊相連。區塊體則包含了經過驗證的、該區塊創建過程中系統內產生的所有交易數據，這些數據以默克爾樹的形式存儲在區塊體中，如圖１ 所示。

（３）共識機制

一致性難題是分布式系統管理中的共性問題。系統中各節點達成一致性的過程被稱為共識，而共識機制是實現系統共識的具體方法。根據應用場景不同，區塊鏈共識機制可分為：① 適用于公有鏈的共識機制，如工作量證明（Ｐｒｏｏｆ ｏｆＷｏｒｋ，ＰｏＷ）［１１］、權益證明（Ｐｒｏｏｆ ｏｆ Ｓｔａｋｅ，ＰｏＳ）［１２］和委托權益證明（Ｄｅｌｅｇａｔｅｄ Ｐｒｏｏｆ ｏｆ Ｓｔａｋｅ，ＤＰｏＳ）［１３］等；② 適用于聯盟鏈或私有鏈的共識機制，如實用拜占庭容錯（Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｂｙｚａｎｔｉｎｅ ＦａｕｌｔＴｏｌｅｒａｎｃｅ，ＰＢＦＴ）［１４］。上述典型共識機制間的差異如表１ 所示。

（４）智能合約

智能合約最早在１９９４ 年由美國計算機學家尼克· 薩博（Ｎｉｃｋ Ｓｚａｂｏ）提出［１５］，它本質上是一段運行在區塊鏈上的計算機程序，由圖靈完備（Ｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ）語言編寫，可以在區塊鏈網絡中自動執行。智能合約的應用使區塊鏈在保留原有特性的同時增加了可編程的特點，也使得區塊鏈的應用范圍從最初的數字貨幣，拓展到社會生活的各個領域中。近年來以太坊、Ｈｙｐｅｒｌｅｄｇｅｒ 等開發平臺的相繼出現，為智能合約的推廣應用提供了支撐，表２ 從多個角度對比了以上２ 種智能合約開發平臺。

１． ３ 區塊鏈的技術架構

隨著區塊鏈技術的發展，一些區塊鏈開發平臺相繼出現，雖然它們的體系結構并不完全相同，但依然存在著諸多共性。通常把區塊鏈平臺技術架構分為數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層５ 個層次，如圖２ 所示。

數據層通過默克爾樹、非對稱加密算法等技術實現區塊數據的安全存儲；網絡層采用點對點協議實現節點間安全的數據傳輸；共識層封裝各類共識算法和驅動節點共識行為的獎懲機制，以實現分布式節點間的數據一致性；合約層封裝各類腳本代碼、算法以及由此生成的更為復雜的智能合約，是實現區塊鏈可編程特性的關鍵；應用層封裝了區塊鏈的各種應用場景和案例。

１． ４ 區塊鏈的分類

根據應用場景和用戶權限的差異，可將區塊鏈分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈３ 類［１６］。公有鏈中各節點可以自由加入和退出網絡，參與鏈上數據的讀寫。聯盟鏈服務于某些特定組織或機構，節點經授權后才能加入與退出網絡。私有鏈服務于特定組織或個人，數據的訪問和使用具有嚴格的權限管理，一般用于內部審計。聯盟鏈與私有鏈的區別在于，聯盟鏈通常服務于多個組織或機構，而私有鏈僅服務于單個組織或個人。３ 類區塊鏈的分析比較如表３所示。

１． ５ 區塊鏈在衛星產業中的研究現狀

迄今為止，區塊鏈技術已在供應鏈管理、物聯網、醫療和能源等多個領域實現了良好應用［１７ ］，在衛星產業中的應用仍處于起步階段，且未見對于對該領域應用現狀的系統性梳理。表４ 總結了當前區塊鏈技術在衛星產業中的研究現狀，并根據應用領域對其進行了簡單分類。

盡管目前區塊鏈技術在衛星產業中的應用仍主要為理論研究，但已有部分企業開展了積極的實踐探索。例如，由太空鏈（Ｓｐａｃｅ Ｃｈａｉｎ）公司推出的“太空鏈”計劃，旨在建立世界上第一個基于區塊鏈的開源衛星平臺，讓全球社區都能夠無障礙地在太空進行交流、訪問和合作。２０２１ 年６ 月，該公司將首個集成商用以太坊區塊鏈的衛星有效載荷發射升空。

２ 區塊鏈在衛星產業的應用前景

針對區塊鏈在衛星產業的應用，本節從衛星研發制造管理、在軌運行管理和應用服務管理３ 個角度，選取了３ 個最有潛力的應用場景，闡述區塊鏈在其中應用的優勢。

２． １ 航天供應鏈數據管理

航天供應鏈是由原材料供應商、制造商、零售商、運營商和客戶等多種利益相關者組成的多級復雜系統，在供應鏈各階段產生的海量異構數據對于航天供應鏈管理具有重要價值。當前航天供應鏈數據管理主要存在以下問題：① 數據透明化程度低。航天供應鏈涉及眾多參與主體，而企業之間的數據壁壘導致各企業間對工作流、信息流、物流和資金流等信息情況掌握不對稱，形成信息孤島，不僅影響業務活動的效率，無形之中還提升了供應鏈潛在的風險。② 數據難以全程追溯。航天供應鏈中參與企業眾多，且地理位置分散，來自多方的數據相互交錯，企業間關系錯綜復雜。當供應鏈中某個環節出現問題時很難定位到問題所在，為責任追溯帶來困難。③ 企業間數據共享積極性低。供應鏈中的核心企業間，如同級供應商之間存在競爭關系，企業不希望自己的一些財務信息、生產工藝和生產成本等隱私數據被他人獲取，這在一定程度上降低了企業間數據共享的積極性。

由于聯盟鏈具備弱中心化、數據不可篡改和可追溯的特性，同時具有完善的身份認證與授權機制，適用于解決上述航天供應鏈數據管理問題。如圖３所示，針對航天供應鏈中生產原材料獲取、物流運輸、產品生產加工和銷售等環節，構建基于聯盟鏈的航天供應鏈數據管理框架，將供應鏈、第三方物流、經銷商和零售商等連接至同一聯盟鏈中。聯盟鏈中上鏈的數據包括訂單、生產、顧客、庫存和物流等供應鏈數據。通過聯盟鏈中的分布式賬本、哈希函數和默克爾樹等技術，對這些來自各方的數據進行可信存儲管理，在此基礎上實現自動化庫存管理、生產管理和售后管理等功能，從而顯著提升航天供應鏈管理的整體效率。

通過將聯盟鏈技術集成到航天供應鏈數據管理過程中，可解決當前航天供應鏈中存在的數據共享程度低、訪問透明性差以及隱私保護等問題，有助于建立安全高效的供應鏈數據管理體系。具體優勢如下：

① 提高供應鏈信息透明度，增大數據造假成本。通過點對點網絡和分布式賬本技術，可實現供應鏈中部分數據的公開透明。數據以默克爾樹的形式被存儲在各個區塊中，并通過哈希指針依次串聯成鏈，這種結構使得記錄在聯盟鏈中的數據難以篡改。系統中每個用戶都可以在本地計算機上存儲一個系統賬本副本，這樣的設計使得即便部分用戶偽造或篡改賬本數據，也難以讓網絡中的所有用戶協同合作來支持其偽造數據，從而使得造假成本大幅上升。

② 實現數據可追溯性，提高責任追溯效率。數據層中所有區塊通過哈希指針相互連形成區塊鏈結構，這使得記錄在聯盟鏈中的數據具有可追溯的性質。當供應鏈中某個環節出現問題時，可以順著區塊中的相關記錄往前追溯所有相關信息，快速定位到問題所在。

③ 保護企業隱私數據，提高企業信息共享積極性。聯盟鏈通過權限控制和身份驗證確保只有授權的節點能夠訪問特定的數據，從而保護隱私信息。此外，零知識證明技術也常被用來驗證節點對某些數據的所有權，而不需要透露實際的數據內容，從而保護隱私。

２． ２ 多星協同任務管理

隨著衛星裝備技術的不斷發展和觀測需求的快速涌現，人們日益趨向于通過多顆衛星的星間協作來完成復雜觀測任務［３６］。然而不同衛星的業務模式和管控體系均存在較大差異，難以進行集中管理和統籌調度［３７］。目前多星協同任務管理主要存在以下問題：① 資源間信任關系難以達成。衛星資源隸屬于不同管理部門，沒有唯一權威的中心管控節點，彼此之間互不信任，導致任務管理效率低且任務執行過程中信息不夠公開透明。② 數據共享與傳輸安全性低。多星協同任務規劃過程中常需與相鄰衛星進行通信以交換信息，然而星間鏈路具有高度開放特性，使其容易受到對手的攻擊，如中間人攻擊、拒絕服務攻擊和重放攻擊等，給正常節點間的數據傳輸安全帶來威脅。③ 針對突發事件的響應時效性低。太空環境復雜未知，多星協同運行過程中經常會發生突發事件，而應對突發事件制定的應對方案往往需要等待下一次衛星過境測控站才能上注并執行，這極大限制了衛星系統的快速響應能力。

聯盟鏈中的分布式賬本、共識算法和密碼學等技術對解決上述問題具有很好的契合性。圖４ 描述了基于聯盟鏈的多星協同任務管理架構，可分為數據層、區塊鏈服務層和應用層３ 個層次。其中，數據層主要用于存儲任務數據、資源數據和環境態勢數據等。區塊鏈服務層介于數據層和業務層之間，通過分布式賬本、共識算法和智能合約等技術為系統業務用戶提供基于區塊鏈的服務。應用層則實現多星協同任務管理的核心業務功能，如航跡預測、目標搜索和緊急救援等。

基于上述架構將來自不同國家或組織的衛星連接至同一聯盟鏈中，可在太空中建立星間數據傳輸共享的可信通道，保障各參與方的信息利益、提高多星協同任務管理效率。具體優勢如下：

① 協作與同步。聯盟鏈具有弱中心化和去信任的特性，可以在沒有中心管控單位的情況下建立起不同部門衛星間的合作信任。系統中所有衛星節點從同一賬本中共享數據信息，通過共識機制實現數據同步，利用密碼學原理保證數據訪問與共享的安全。

② 安全與信任。利用公鑰密碼體制和數字簽名技術，可實現星間數據的可靠傳輸。通過分布式的網絡架構，減少核心衛星節點故障或受攻擊時帶來的損失，當某個衛星節點被攻擊時，聯盟鏈的驗證功能可幫助快速定位入侵的節點位置。此外，通過公鑰基礎設施（Ｐｕｂｌｉｃ Ｋｅｙ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＰＫＩ）對網絡中衛星節點的身份進行管理，可實現去中心化的星間身份認證，防范惡意攻擊。

③ 自動與高效。智能合約具有可編程特性，可根據實際需要編寫并安裝在用戶節點中，一旦觸發預定事件，合約將自動執行。針對多星協同任務中的突發或應急事件，可事先基于歷史數據及專家經驗預判可能會面臨的突發或應急事件，然后針對這些事件制定一系列應對方案，并將這些方案以智能合約的形式部署在聯盟鏈上的衛星節點中。一旦衛星運行過程中遭遇突發情況，將自動觸發相關合約，實現對事件的快速響應和處理。此外，在多星協同運行過程中，還可結合具體業務模式構建自動化處理合約庫，在此基礎上設計“工作模式識別－流程自組織”的智能匹配機制，實現跨組織、跨資源的業務流程的自動化執行和監控，提高多星協同任務管理效率。

２． ３ 遙感數據交易管理

隨著衛星產業的飛速發展，遙感技術的應用范圍越來越廣。遙感數據作為遙感應用的基礎，在很多領域發揮著重要作用，各行各業對遙感數據的需求也越來越大。然而，當前遙感數據交易市場卻不夠活躍，限制了遙感應用的普及以及遙感數據的商業化發展。遙感數據交易面臨著兩大問題：① 遙感數據供給方與需求方之間缺乏一個公開且安全可信的交易平臺，傳統交易平臺大多為中心化的Ｂ２Ｃ 交易模式，交易需要依賴可信第三方，而缺乏一個直接連接遙感數據供需方的去中心化Ｃ２Ｃ 交易平臺，限制了遙感數據的商業化發展；② 遙感數據的稀缺性和機密性對交易系統的安全可靠性提出了很高的要求，傳統中心化交易系統一旦出現故障或受到攻擊，可能會存在數據泄露的風險，不適用于遙感數據交易。

公有鏈的去中心化、安全透明和不可篡改等特性，與遙感數據交易平臺的信息開放對等、系統安全可靠等需求具有很高的契合度，可為遙感數據的在線交易提供一個良好的技術平臺。圖５ 展示了基于公有鏈的遙感數據交易平臺的整體架構。平臺中的用戶可分為圖像供應商和圖像購買者兩大類。圖像供應商作為平臺的核心數據提供者，通過出售遙感數據來獲取經濟收益。而購買者則能夠根據自己的實際需求，在平臺上檢索并購買所需的遙感數據。區塊鏈技術作為該平臺的底層支撐，通過點對點網絡、分布式賬本和哈希函數等技術，為用戶提供一個去中心化、互聯互通、安全開放的網絡交易環境。

利用公有鏈平臺來管理遙感數據交易可以解決遙感數據交易安全和網絡交易信任等問題，保護交易雙方利益，拓展遙感數據的應用范圍。具體優勢如下：

①提供可信數據交易平臺，促進遙感數據商業化發展。通過數據層的哈希算法、數字簽名等技術，可以確保存儲在系統中數據的安全性，通過點對點網絡、共識算法可以實現所有用戶的數據共享與同步，從而打破不同機構部門間的數據壁壘，為行業的經營和管理提供可信平臺。

② 提高遙感數據交易效率，降低交易成本。智能合約技術具有可編程和由事件自動觸發的特性，將數據交易過程中的一些通用（機械化）流程通過智能合約編寫成程序部署在用戶節點中，可實現數據交易過程中的脫媒和去中介化。用戶可以通過點對點直接交易的方式，在沒有第三方的情況下，通過預置的合約，實現交易過程中相關流程的自動化，縮短結算時間，降低交易成本。

③ 保護交易信息，提高系統安全性。傳統中心化交易機構在受到攻擊或發生數據損壞后會造成整個系統的崩潰，并且存在交易信息泄露或篡改的風險。利用分布式區塊鏈技術，即使系統中一小部分節點受到攻擊，系統仍可正常運行，并且由于區塊鏈的分布式特性，攻擊者無法篡改存儲在區塊鏈中的數據，系統具有較高的安全性和穩健性。

３ 區塊鏈技術在衛星產業中應用的潛在挑戰

將區塊鏈技術應用于衛星產業可帶來諸多優勢，但當前區塊鏈在衛星產業中的應用尚處于起步階段。存儲冗余、低吞吐量和智能合約漏洞等問題，制約了其在衛星產業的深度應用。為促進區塊鏈與衛星產業的深度融合，亟需突破關鍵技術，消除制約因素。本節分別從存儲、吞吐量和智能合約３ 個角度列舉潛在挑戰并給出相應的解決思路。

３． １ 存儲冗余

在區塊鏈系統中，每個全節點都需要同步自創世區塊以來的所有數據，以高存儲冗余來保證系統中數據的可靠性［３８］。系統的存儲能力并不會隨著節點數量的增多而增強，而是受限于系統中的瓶頸節點。這種存儲冗余不僅增加了存儲能力有限的普通節點加入系統的難度，也制約了區塊鏈的發展和應用［３９］。以比特幣系統為例，截至２０２４ 年１ 月１ 日，比特幣區塊鏈中存儲的數據量已達到５２３． ４３ ＧＢ［４０］，這意味著系統中的全節點需浪費５００ ＧＢ 以上的存儲空間來記錄所有交易數據。對于衛星數據而言，其種類繁多、數量龐大，而星上存儲空間極為珍貴且有限，數據同步會給衛星系統中的設備帶來巨大的存儲壓力。因此，有必要采取一系列優化措施以降低系統中節點的存儲壓力。可考慮分別使用鏈上存儲和鏈下存儲的方法來降低區塊鏈中節點的存儲冗余。

（１）鏈上存儲

鏈上存儲的主要思想是通過優化區塊鏈中的存儲方式來提升其存儲性能。目前常用的鏈上存儲方案主要有狀態分片、網絡編碼和輕節點存儲。

分片技術最初應用于分布式數據庫，數據庫被劃分為多個部分并分別存儲在不同的服務器中［４１］。在區塊鏈中，分片指將整個網絡分割成多個子網絡，每個子網絡中包含若干節點。根據分片對象的不同，區塊鏈中主要有３ 種分片方法：網絡分片、交易分片和狀態分片［４２］。其中，狀態分片將不同數據存儲于不同分片，每個分片內節點只存儲部分賬本數據，降低了節點的存儲壓力。目前常用的區塊鏈分片協議有Ｅｌａｓｔｉｃｏ 協議［４３］、ＯｍｎｉＬｅｄｇｅｒ 協議［４４］和ＲａｐｉｄＣｈａｉｎ 協議［４５］等。

網絡編碼技術最早是在２０００ 年由Ａｈｌｓｗｅｄｅ 提出［４６］。區塊鏈中的網絡編碼指將多個交易數據編碼成一個編碼向量，然后分散存儲在多個節點上。這樣，即使某些節點丟失或損壞，其他節點上的編碼向量也可以通過解碼操作恢復原始交易數據。這種方式不僅提高了數據的可靠性，也降低了節點的存儲壓力。當前應用較多的一種區塊鏈編碼方法是糾刪碼［４７］。

輕節點存儲即節點只存儲每個區塊的區塊頭數據而非全部區塊數據。這種方法可以有效降低節點因數據同步帶來的存儲負擔［４８］。ＳＰＶ 協議是最早被提出的輕節點協議。ＳＰＶ 協議中規定，輕節點只需存儲各區塊的區塊頭數據即可，但在驗證交易時，輕節點必須依賴于全節點，通過與全節點進行信息交互來驗證交易。因此，采用這種方法節約存儲空間的代價是會增加全節點的計算成本和節點間的通信成本［４９］。針對ＳＰＶ 協議的不足，很多研究對其進行了改進，如后來提出的ＦｌｙＣｌｉｅｎｔ 協議［５０］、ＥＰＢＣ協議［５１］和ＳＣＣ 協議［５２］等。

（２）鏈下存儲

鏈下存儲指將區塊鏈中的數據轉移到非區塊鏈系統中存儲，區塊鏈中僅存儲這些數據的“指針”。當需要獲取完整數據時，通過該數據的“指針”在非區塊鏈系統中檢索原始數據即可［５３］。目前常用的鏈下存儲方案有基于分布式哈希表（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＨａｓｈ Ｔａｂｌｅ，ＤＨＴ）的鏈下存儲、基于星際文件系統（Ｉｎｔｅｒ Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｆｉｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ，ＩＰＦＳ）的鏈下存儲和基于云的鏈下存儲。

ＤＨＴ 是一種分布式存儲方法［５４］。ＤＨＴ 將數據分散存儲在多個節點上，并使用哈希函數將數據的關鍵字轉換為節點標識符，以便于數據的檢索和管理。ＤＨＴ 具有可擴展性和可靠性，能夠適應大規模數據的存儲和訪問，常用于構建去中心化應用［５５］。

ＩＰＦＳ 是一種基于內容尋址的分布式文件存儲系統［５６］。文件存儲到ＩＰＦＳ 中后，將會生成一個ＩＰＦＳ 哈希值，作為用戶在ＩＰＦＳ 中訪問文件的索引。ＩＰＦＳ 將文件分散存儲到多個服務器中，可以有效避免單臺服務器故障造成的數據丟失［５７］。

云存儲是一種將數據存儲在云端的服務，它利用由第三方運營的多臺虛擬服務器來保存數據。用戶可以根據自身的數據存儲需求，向該第三方機構租賃或購買存儲空間［５８］。第三方機構會根據用戶的實際需求，為其提供一個存儲資源池，以便用戶將數據存儲在其中。用戶可以通過互聯網隨時訪問和管理這些數據［５９］。

上述鏈下存儲方案通過將數據存儲非區塊鏈系統中以降低節點的存儲壓力，但這種方法并不適用于所有場景。例如，對于部署在星上的區塊鏈，采用鏈下存儲的方式即將星上區塊鏈中的數據全部存儲到地面系統。然而，由于衛星與地面的信息交互高度依賴于星地時間窗口，鏈下存儲的方式可能會導致衛星在多數時間內無法直接訪問存儲在地面系統中的完整數據。因此，在星上區塊鏈中采用鏈下存儲模式可能并不適用。在實際應用中，用戶可以根據具體的應用場景和實際情況選取合適的存儲優化方案。

３． ２ 低吞吐量

系統的吞吐量是指系統每秒可以處理的業務數量，是衡量區塊鏈系統性能的重要指標［６０］。很多區塊鏈系統都有吞吐量過低的問題。例如，比特幣系統每秒僅能處理７ 筆交易，并且每筆交易需要６０ ｍｉｎ 以上才能確認，而傳統中心化系統如Ｖｉｓａ 每秒可以處理近３０ ０００ 筆交易［６１］。現有區塊鏈的低吞吐量限制了其在衛星產業中的大規模使用。面向衛星業務系統的復雜結構、綜合業務需求和大規模交易的挑戰，有必要采取一系列優化措施以提高衛星區塊鏈系統的吞吐量。當前較常用的提高區塊鏈系統吞吐量的方法主要有鏈下交易、有向無環圖（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ａｃｙｃｌｉｃ Ｇｒａｐｈ，ＤＡＧ）、交易分片和改進共識算法等。

（１）鏈下交易

鏈下交易指將大部分交易轉移至鏈下處理，并在出現分歧時利用區塊鏈作為仲裁平臺。這種方式間接地提高了區塊鏈系統的吞吐量［６２］。比特幣的閃電網絡（Ｂｉｔｃｏｉｎ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＢＬＮ）［６３］和以太坊的雷電網絡（Ｅｔｈｅｒｅｕｍ Ｒａｉｄｅｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＥＲＮ）［６４］是鏈下交易的典型應用。在ＢＬＮ 和ＥＲＮ 中，用戶都需提前支付押金，然后通過鏈下通道與他人交易，每次交易需得到網絡節點的驗證。在基于聯盟鏈的遙感數據交易平臺中，可以考慮參考ＢＬＮ 和ＥＲＮ，采用鏈下交易的方法來提高吞吐量。

（２）ＤＡＧ

在傳統的區塊鏈中，各區塊按時間順序生成并通過哈希指針串聯成鏈。當出現分叉時，系統只承認最長合法鏈。而基于ＤＡＧ 的區塊鏈則打破了這種鏈式結構，呈現出網狀形態［６５］。這種設計主要從２ 個方面提升了區塊鏈系統的吞吐量：允許系統出現分叉，從而提高了出塊速度；ＤＡＧ 區塊鏈中包含所有的合法區塊，從某種意義上來說實現了并行出塊。但目前基于ＤＡＧ 的區塊鏈系統僅支持ＰｏＷ算法。

（３）交易分片

與前文提到的狀態分片類似，交易分片通過將整個區塊鏈網絡分割成多個子網絡，每個子網絡并行處理整個區塊鏈中的一部分交易［６６］。各分片處理的交易完全不同，從而同時完成多比交易的認證。在實際應用中，這種分片技術可以根據業務需求和特性進行靈活調整，以更好地適應衛星業務系統的復雜性。

（４）改進的共識算法

共識算法是區塊鏈的核心技術，其性能直接決定了區塊鏈系統的交易處理速度和吞吐量［６７－６８］。為提升區塊鏈系統的吞吐量，可考慮對現有共識算法進行優化。例如，在基于公有鏈的遙感數據交易平臺中，可考慮改進ＰｏＷ 或ＰｏＳ 算法，確保系統安全性的同時提升吞吐量。在基于聯盟鏈的航天供應鏈系統和多星協同系統中，可考慮對ＰＢＦＴ 或ＲＡＦＴ算法進行優化。與證明類算法相比，這２ 種算法運行效率較高且在聯盟鏈和私有鏈中應用較多。此外，也可針對衛星產業的實際特征，設計一種高效、專用的共識算法。

除上述優化方案外，還可考慮適當增大每個區塊的大小，使單個區塊中能夠記錄更多的交易數據，從而提高每秒處理的交易數量。這種調整需要綜合考慮衛星系統的安全性和效率，確保在增大區塊大小的同時不影響系統的穩定性。

３． ３ 智能合約漏洞

雖然智能合約與區塊鏈的結合可以實現衛星產業管理中相關流程的自動化，提高衛星系統管理效率，但當前智能合約的應用尚處于起步階段，編程語言和工具（如Ｓｏｌｉｄｉｔｙ）還不夠成熟，開發人員可能一時之間無法完全理解新穎的智能合約編程語言和工具的基本執行邏輯，因此無法預見合約在將來遇到的所有可能狀態和環境，導致了可能會編寫出存在漏洞或易受攻擊的合約，并且智能合約部署在區塊鏈中后就無法修改，一旦出現漏洞就可能會造成嚴重損失。針對衛星產業中的高安全性要求，一方面，可以通過加強對開發人員的培訓來減少合約編寫漏洞，另一方面，在智能合約部署到衛星區塊鏈中之前，可以考慮采用多種方法來檢測智能合約的漏洞。目前常用的檢測方法有模糊檢測法、符號執行法、形式化驗證法和深度學習法等。

（１）模糊測試法

模糊測試是一種利用非預期輸入來檢測智能合約漏洞的方法。其核心思想是將半自動或自動生成的隨機數據輸入到目標程序中，并監測異常結果，從而發現潛在的程序錯誤［６９］。模糊測試中使用隨機的“壞”數據攻擊程序，并觀察出現問題的點。由于這些隨機生成的數據不符合邏輯，因此這種方法能夠揭示出那些常規測試難以發現的漏洞。當前常用的基于模糊測試法的漏洞檢測工具有ＣｏｎｔｒａｃｔＦｕｚｚｅｒ［７０］、ＳｏｌｉＡｕｄｉｔ［７１］和ＧａｓＦｕｚｚｅｒ［７２］等。

（２）符號執行法

符號執行法的核心思想是將合約代碼中的變量符號化［７３］。通過符號化合約中的變量值，并逐條解釋程序執行過程中的指令，在執行過程中逐條更新執行狀態并搜索路徑約束，從而遍歷程序中所有可能的執行路徑并發現潛在的問題。當前常用的基于符號執行法的合約漏洞檢測工具有Ｏｙｅｎｔｅ［７４］、Ｍｙｔｈｒｉ［７５］和ＭｙｔｈＸ［７６］等。

（３）形式化驗證法

形式化驗證法利用形式化語言將智能合約中的概率、推理和判斷等轉換成形式化模型，旨在消除合約中的歧義，并配合嚴謹的證明驗證合約中函數的正確性和安全性。通過采用形式化的方法檢測智能合約漏洞，可以規范約束智能合約的生成和執行，保證合約的可靠性和可信性［７７］。當前常用的基于形式化驗證的智能合約漏洞檢測工具有ＺＥＵＳ［７８］、Ｉｓａｂｅｌｌｅ ／ ＨＯＬ［７９］和ＣＰＮ （Ｃｏｌｏｒｅｄ Ｐｅｔｒｉ Ｎｅｔ）［８０］等。此外，也有學者專門設計了應用于航天領域的形式化漏洞驗證工具Ｆｆｒａｍｅｗｏｒｋ［８１］。

（４）深度學習法

傳統的合約代碼檢測工具高度依賴于專家定義的固定檢測規則，但專家規則容易出錯且難以覆蓋復雜的衛星系統及其多樣化的需求。可以考慮使用基于深度學習的漏洞檢測方法。通過對不同形式的合約代碼進行自動化的特征提取和恰當的模型訓練，檢測效率較高且具有良好的泛化能力，適用于更多的應用場景，并且相比其他方法在一定程度上提高了對常見漏洞的檢測準確率［８２］。

４ 結束語

區塊鏈作為一種新興技術，具有去中心化、去信任、數據不可篡改和可追溯的特性，目前已經在金融、醫療、物聯網和分布式能源系統等領域得到了廣泛的應用。在衛星產業中，區塊鏈技術具有廣闊的應用前景。

本文填補了衛星產業中區塊鏈應用前景方面的研究空白。總結了區塊鏈技術當前在衛星產業的研究現狀，分別從航天供應鏈數據管理、多星協同任務管理和遙感數據交易管理３ 個角度分析了區塊鏈技術在其中的應用前景，并分別提出了相應的架構，這些新穎的架構可以為解決衛星產業應用中相應領域的管理問題提供新思路和解決方案。

雖然區塊鏈技術近年來在諸多領域取得了較好應用，但其在實際應用過程中也遇到了很多問題，如存儲冗余、吞吐量過低和智能合約漏洞等。本文對區塊鏈在衛星產業中應用可能面臨的技術挑戰進行了分析，并嘗試提出了相應的解決思路。這些挑戰和相應的建議，有助于指導區塊鏈技術未來在衛星產業中的發展。

應當注意到，區塊鏈不是一種單一的技術，而是多種技術整合的結果。在實際應用中，區塊鏈技術應該隨著衛星產業的具體特性做出相應的改進。盡管當前區塊鏈技術在衛星產業的應用還處于起步階段，但伴隨著相關關鍵技術的持續突破，其勢必成為推動衛星產業融合發展的重要力量。

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作者簡介

朱旭彤 女，（１９９８—），博士研究生。主要研究方向：區塊鏈與分布式多星協同任務規劃。

馬華偉 男，（１９７７—），博士，副教授。主要研究方向：物流與供應鏈管理、管理信息系統。

胡笑旋 男，（１９７８—），博士，教授。主要研究方向：空間信息網絡任務規劃與資源調度。

基金項目：國家自然科學基金（７２０７１０６４）