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区块链和5g论文范文

【摘要】基于5G+区块链网络分片建模,仿真对比了保证分片网络可信和保证全网可信的两种网络分片方案的性能差异,分析了单点受控概率、分片可信度、分片数量、全网可信度等参数对分片规模、网络规模的影响,给出了在满足一定可信度条件下,区块链网络分片的最优规模,并提出一定网络规模下,区块链网络从保证分片网络可信向保证全网可信方案演进再向更大规模分片网络可信方案演进的路线.

【关键词】 5G;区块链;扩容;网络分片

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.009 中图分类号：TN929.5

文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2020）04-0041-04

引用格式：刘秋妍,张忠皓,李福昌,等. 5G+区块链网络分片技术[J]. 移动通信, 2020,44（4）： 41-44.

5G and Blockchain Network Slice Technologies

LIU Qiuyan1, ZHANG Zhonghao1, LI Fuchang1, FENG Yi1, LI Jiajun2

（1. China Unicom Network Technology Research Institute, Beijing 100048, China;

2.Unicom Vsens, Beijing 100031, China）

[Abstract]Based on the 5G and blockchain network slice modeling, this paper compares the performance differences of the two network slice solutions that ensure the reliabilities of the slice network and the whole network through simulations. The factors related to slice and network scales are analyzed, including single-point controlled probability, slice reliability, slice number and network reliability, and the optimal scale of blockchain network slice is given under a certain reliability. Under a certain network scale, the evolution roadmap is proposed for the blockchain network to ensure the reliabilities from the slice network to the whole network and even the slice network with a larger scale.

[Key words] 5G; blockchain; capacity expansion; network slice

15G+區块链

1.1 区块链赋能5G

随着5G技术的飞速发展和商用落地,万物泛在互联网络在带宽、高可靠性低时延、大连接数方面的能力得到进一步提升,大量eMBB、URLLC、mMTC应用业务将万物之间的互联方式从简单的文字语音变成多维高清的沉浸式交互,将机器间的指令传达精确到毫厘.5G网络已经开启信息技术从解决个人通信到为整个社会生产交易服务的国家信息基础设施.

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[1].

1.2 5G助力区块链

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[2].5G技术通过引入多接入边缘云（Multiple Edge Cloud, 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 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,则需要在每个链上节点都存储全部的交易数据,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2 000个,区块处理速度慢,交易拥堵是所有平台都面临的严峻挑战,比特币（Bit Coin, BTC）平台拥堵最严重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[3-4],现有的扩容技术可以分为三大类,即链上扩容技术[5]、链下扩容技术[6]和底层扩容技术.链上扩容技术主要针对区块链自身的共识算法、网络架构和数据结构等进行优化改进,比如拜占庭非类共识算法、网络分片技术、扩块、有向无环图等.链下扩容技术的核心思想是在不改变目标区块链基本协议的基础上,通过将目标区块链交易迁移到非区块链系统、侧链或其他区块链系统,仅把交易状态、计算结果等少量关键数据上传到目标区块链,以解决目标区块链存储、计算等资源受限的问题,比如状态通道、链下计算、侧链技术等.底层扩容技术是指在不改变区块链自身技术体系,而通过优化区块链层以下的底层网络协议,提高区块链节点间消息广播效率等手段提升区块链扩容性能的一类技术,比如组播锁定组、星际文件系统（Inter-Planetary File System, IPFS）等.

3 网络分片建模

网络分片是一种链上扩容技术[7],旨在通过对区块链节点划分不同的分片,使同一个分片内的节点维护同一条区块链,不同分片之间维护不同的区块链,类似于5G网络频率复用的逻辑,理论上可以实现全网容量的翻倍扩容.在全网节点一定的情况下,网络分片越多,单个分片的链上节点数目越少,区块链应用交易效率越高,全网容量越大,但是区块链的安全性也随之显著下降.因此,分片网络中,在不改变去中心化程度的条件下,区块链网络规模是满足一定安全要求的最优选择.

假设一个区块链网络共有M个节点且划分成节点规模相似的m个分片,则区块链分片有N等于或N等于个节点,其中有n个被恶意攻击者控制的不可信节点,采用实用拜占庭容错算法（Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT）或包含PBFT的混合共识算法,使得每个区块链网络分片具有的容错能力.另外,假设每个节点具有相同的被恶意攻击者控制概率p,每个网络分片和全网被恶意篡改概率分别为Ps和P,则每个网络分片Rs和全网可信度R分别表示为：

Rs （N）等于P （1）

R（M）等于Rms（N）（2）

假设每个网络分片和全网能够支持的交易吞吐量峰值分别为Ts（N）和T,由于相同条件下吞吐量交易峰值与链上节点规模成反比,则有：

T≈mTs（N）（3）

Ts（N1）≥Ts（N2）（N1≤N2）（4）

由于共识算法失败导致部分交易无效,因此每个网络分片和全网有效吞吐量表示为：

T^等于T×R （5）

T^s（N）等于Ts（N）×R（N）（6）

4仿真與对比分析

在同一个网络分片内,分片内区块链节点数越多,区块链账本被恶意篡改的概率越低.图1给出了区块链满足可信度分别为90%、99%、99.9%、99.99%、99.999%、99.9999%时,最小规模分片所包含的节点数.在无任何授权认证,可以随意接入的公有链场景,通常假设每个链上节点被恶意控制而篡改区块链账本记录的概率p为0.25[8],如图1所示,当公有链分片网络规模达到650个节点时,可以实现99.9999%的区块链网络可信度,当可信度要求下降到99.999%时,公有链分片节点规模可以缩小到510个点.另外,基于5G网络的电信运营商区块链、联盟链、私有链等区块链网络由于底层基础设施通常采用安全等级较高的防护措施或者设置授权认证层,其区块链节点被恶意控制而篡改账本的概率比随意进出的公有链被恶意控制的概率要小得多.如图1所示,若区块链节点被恶意控制的概率p下降为0.2,规模大于230个节点的网络分片即可满足6个9的可信度要求.

图2给出了全网规模固定为2 100个节点时,在保证每个分片都满足可信度为90%、99%、99.9%、99.99%、99.999%、99.9999%的条件下,对应的全网可信度和分片网络规模变化情况.图3给出了在保证全网可信度为90%、99%、99.9%、99.99%、99.999%、99.9999%时,网络分片可信度及合理的分片划分方案和节点规模变化情况.对比图2和图3可见,由于全网可信度始终比分片网络可信度低,保证全网可信度满足要求,分片网络的可信度要相应提高.因此,在相同的网络规模下,保证分片网络可信的图2方案比保证全网可信的图3方案的可信性能低一点,节点数也较少.因此,在一定网络规模条件下,区块链网络首先实现分片网络可信,随着网络节点的增加,逐渐升级为可信性能更优的全网可信方案,当网络节点增加到一定程度时,则通过新增分片使区块链网络重新回到更大规模分片网络可信的状态,最终实现基于网络分片扩容的螺旋式循环演进.

5 结束语

基于区块链技术如何赋能5G网络垂直行业应用业务及5G网络助力区块链组网和平台部署分析,指出了5G+区块链网络扩容的必要性和技术体系,重点对5G+区块链网络分片进行建模,对保证分片网络可信和保证全网可信的两种方案进行仿真对比,分析了单点受控概率、分片可信度、分片数量、全网可信度等参数对分片规模、网络规模的影响,给出了满足一定可信度条件时,区块链网络分片的最优规模,并提出在一定网络规模下,区块链网络从保证分片网络可信向保证全网可信方案演进再向更大规模分片网络可信方案演进的路线.

参考文献：

[1]NAMOTO S. Bitcoin： A peer-to-peer electronic cash system[Z]. 2018.

[2] BOUBR N, ADLEN K, NICOLAS H, et al. A Blockcain-Based Network Slice Broker for 5G Services[J]. IEEE Networking Letter, 2019（3）： 99.

[3]YU H, ZHANG Z, LIU J. Research on Scaling Technology of Bitcoin Blockchain[J]. Journal of Computer Research and Development, 2017,54（10）： 2390-2403.

[4]I EYAL, A E GENCER, E G SIRER, et al. van Renesse, BitcoinNG： A Scalable Blockchain Protocol[C]//13rd USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation. Berkeley, 2015.

[5]R PASS, E SHI. Hybrid Consensus： Efficient Consensus in the Permissionless Model, Crptology ePrint Archive[R]. 2016.

[6]J POON, T DRYJA. The Bitcoin Lightning Network： Scalable Offchain Instant Payments[Z]. 2016.

[7] KOKORIS K E, JOVANOVI P S, GASSER L, et al. OmniLedger_ASecure, Scale-Out, Decentralized Ledgervia Sharding[C]//IEEE Symposium on Security and Privacy. San Fransisco, 2018： 16.

[8]LUU L, NARAYANAN V, ZHENG C. A Secure Sharding Protocol for Open Blockchains[C]//ACM Sigsac Conference. 2016： 17-30.★

作者简介

刘秋妍（orcid.org/0000-0003-1798-9938）：高級工程师,博士,现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院,主要研究方向为无线通信与区块链技术.

张忠皓：教授级高级工程师,博士,现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院,主要研究方向为5G网络、毫米波技术与边缘计算技术.

李福昌：教授级高级工程师,博士,现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院,主要研究方向为移动通信及无线网络新技术应用.

总结：上文结束语，上文是关于区块链和5g方面的大学硕士和本科毕业论文以及区块相关区块链和5g论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料.

区块引用文献: