【区块链发展】区块链与工业互联网协同发展构建新基建的思考

【区块链发展】区块链与工业互联网协同发展构建新基建的思考

摘要:区块链是当今非常热门的技术之一,其凭借独有的信任建立机制,成为继云计算、物联网、大数据之后的又一项重大技术创新,是未来发展数字经济、构建新型信任体系不可或缺的技术之一。工业互联网是新一代网络信息技术与制造业深度融合的产物,是实现产业数字化、网络化、智能化发展的重要基础设施。通过区块链与工业互联网协同发展构建的链网协同新基础设施,致力于建设成为一个国家级的分布式可信应用创新载体,为数字化应用提供统一的身份认证机制、对象标识机制、价值交换机制,将降低数字技术的使用成本,实现新基建的引擎作用,助力我国产业数字化转型发展。

关键词:区块链;工业互联网;链网协同新基础设施;许可公有链;标识解析

1 引言

区块链是一种由多方共同维护,使用密码学保证传输和访问安全,能够实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的记账技术,也被称为分布式账本技术,具有分布式可信、不易篡改、多方维护等技术特点。区块链凭借其独有的信任建立机制,成为继云计算、物联网、大数据之后的又一项重大技术创新,正在改变诸多行业的应用场景和运行规则,是未来发展数字经济、构建新型信任体系不可或缺的技术之一。区块链作为通用目的技术属性已经形成公认,逐渐成为数字经济时代识别、传递、交换价值的基础性技术。

2019年10月24日,习近平总书记在中共中央政治局第十八次集体学习中强调,把区块链作为核心技术自主创新重要突破口,加快推动区块链技术和产业创新发展。我国高度重视区块链技术在建设网络强国、发展数字经济、助力经济社会发展等方面的潜在价值。作为一种新兴技术,区块链技术和产业尚在逐步完善过程中,为了能够真正让区块链成为我国核心技术自主创新的重要突破口,国家级区块链网络基础设施将要服务国家重大使命,成为国家战略投资、贯彻国家意志、发挥集中体制优越性的关键抓手[1]。

为持续推进我国产业数字化转型,进一步提升我国区块链自主创新能力,深度融合工业互联网这一代表产业数字化转型为主要应用场景、实现产业数字化、网络化、智能化发展的重要基础设施,于2020年中国信息通信研究院布局了面向数字经济的区块链与工业互联网协同发展——链网协同新基础设施[2]。链网协同新基础设施将以网络标识这一数字化关键资源为突破口,推动区块链的应用发展,实现新基建的引擎作用。

2 链网协同新基础设施概述

2020年8月,中国信息通信研究院推出链网协同新型基础设施,基于标识这一数字化关键资源为产业数字化转型提供支撑的同时,进一步推动国家级区块链与工业互联网协同的新型基础设施建设布局。

2.1 内涵

链网协同新型基础设施是基于工业互联网标识的国家顶级节点,为持续推进产业数字化转型,以国家重大战略需求为导向、以核心技术创新突破为牵引、以产业融合创新应用为激励、以标识为突破口,为进一步提升区块链自主创新能力,建设的国家级区块链基础设施。链网协同新基础设施构建涵盖核心技术、关键系统、标识解析、支撑平台和集成应用的较为完备的链网协同新基础设施产业体系,从而建设形成具有全球影响力的国家级区块链网络基础设施,更好地发挥区块链对建设网络强国、发展数字经济、助力经济社会发展等方面的重要作用。

2.2 区块链发展情况

区块链技术是一种多方共同维护的账本技术,由共识机制、密码算法、分布式网络、合约脚本等多种技术融合组成,具有分布式可信、不易篡改、多方维护等技术特点。这些技术特点使得区块链被认为是互联网普及以来最具颠覆性的技术之一,受到全球各方的高度关注。

当前,区块链技术的集成应用在全球范围内呈现强劲发展势头,在新的技术革命和产业变革中起着重要作用,成为加快全球经济复苏的有力抓手。我国正处于数字化转型发展的关键期,应紧跟世界科技发展的最前沿,正视区块链技术在实现我国经济产业结构升级、发展壮大实体经济上的推动作用。

自从互联网技术进入民用领域以来,极大地推动了全球经济的发展,对改善国民经济结构发挥了重要作用。当前,全球信息化进入全面渗透、跨界融合、加速创新、引领发展的新阶段,区块链技术的区域和行业带动作用明显,成为深化结构性改革和推动可持续发展的关键引擎,区块链技术将创新数据驱动型的生产和消费模式。

目前,区块链技术体系和产业体系尚未健全,各国纷纷加紧布局区块链战略,抢占区块链技术产业高地。我国发展基础良好,具有通过链网协同基础设施建设实现新赛道超车的难得历史机遇和发展窗口期。

2.3 链网协同基础设施目标与规划

链网协同新基础设施遵循“平等、共治、开放、可控”的总体目标,以“链网协同新基础设施联盟”为载体,以“许可公有链——底层区块链核心平台”“ 标识——区块链分布式标识核心平台”为依托,打造“区块链+行业应用”产业集聚平台、“区块链+新一代信息技术”集成创新平台、“区块链+运行监测”网络安全保障平台,建设形成具有全球影响力的国家级区块链网络基础设施,构建涵盖核心技术、关键系统、标识解析、支撑平台和集成应用的较为完备的区块链产业体系,更好地发挥区块链对建设网络强国、发展数字经济、助力经济社会发展等方面的重要作用。

(1)以顶层规划为引领,打造万链互联的价值体系。从全局视角出发,充分整合各领域、各行业区块链应用需求,合理布局链网协同新基础设施生态体系,形成万链互通的区块链生态圈,打破链与链之间的价值、数据和业务壁垒,实现价值的有效传递。

(2)以产业应用为牵引,构建区块链产业生态圈。以应用为导向,以万链互联为主线,联合产业上下游企业,打造“区块链+工业/民生/金融/能源”等产业集聚平台,加速产业融合,构建区块链产业生态,发挥区块链规模化应用优势,发展数字经济。

(3)以许可公链架构为基础,积极完善监管体系。依托于许可公链技术架构,基于链网协同新基础设施顶层规划,形成分层次、分地域、分行业的监管节点,构建全新的透明监管服务和自动化合规引擎,规范区块链服务与运营机制,保障链网协同新基础设施的稳定运行。

(4)以标识为抓手,积极探索商业运行机制。依托内生的星火标识技术,打造万物智联的标识体系,构建多方共治、公平可信、智能运作的数字经济新空间,创新数据驱动型的生产和消费模式,探索数字经济时代商业运行新机制。

2.4 链网协同新基础设施建设意义

链网协同新基础设施是推动数字经济高质量发展的重要抓手。经济发展的本质就是供需的有效匹配和基于供需的高效流通,而供需匹配和数据流通的关键则是共识和信任。链网协同新基础设施大幅降低了信任建立的成本,创造了一种基于区块链技术的社会信任体系,消除了中间环节,支持大规模端到端直联场景应用,大幅提升社会运行和资金流动效率,成为促进经济发展的关键,从而催生新的商业模式。

链网协同新基础设施是提升经济社会发展的关键引擎。全球信息化进入全面渗透、跨界融合、加速创新、引领发展的新阶段,现实世界和数字世界日益交汇融合。链网协同新基础设施为数字经济发展建立起数字化的社会信任感,可以实现跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的资源可信连接与高效协同,打破行业壁垒,实现各行各业数据的互联互通、资源共享,成为深化社会结构性改革和推动可持续发展的关键引擎,加速冲破产业体系、引领组织变革、优化资源配置。

3 星火区块链

链网协同新基础设施的底层核心区块链系统称为星火区块链(简称星火链)[3]。

3.1 基本概念

3.1.1 星火链

星火链是采用许可公有区块链技术打造的区块链标识基础设施(Blockchain Identifier inFrastructure,BIF)。星火链内置了标识(简称星火标识),为人、企业、设备和数字对象等提供标识注册解析、数字身份、数字资产管理、公共数据服务、监测监管等基础服务,星火链采用“主链+子链”的链群架构。其中,主链负责链群管理、监管规则、公共数据和价值锚定;子链针对不同的业务场景独立设计,实现数据安全隔离、高性能运行。

3.1.2 许可公有链

许可公有区块链是一种既兼容公有区块链开放接入、灵活、可扩展性等特性,又融合联盟区块链易于监管、高性能、安全可控等特性的区块链技术系统。

3.1.3 星火标识

星火标识是基于星火链构建的新型标识解析体系,即星火标识解析体系。基于星火标识,星火链实现了对DNS、Handle等多标识解析体系的兼容以及跨体系、跨链间的互联互通。

3.2 星火链概述

3.2.1 星火链主子链群结构

星火链底层采用“1+N”主子链群架构,可支持同构和异构区块链接入主链,星火链主子链群架构如图1所示。

区块链与工业互联网协同发展构建新基建的思考

图1 星火链主子链群架构

(1)主链功能主链通过注入核心资产,包括公共数据、标识资源、标识解析和监管规则等对外提供基础服务;从国家层面构建互通能力,以及“穿透式”监管手段,为保障链群高效运行和整个链群生态的稳定健康发展保驾护航。

(2)子链功能子链主要针对不同业务场景独立设计,充分发挥产业优势和区块链现有基础,促进区块链在更多场景、更大规模实现累积式发展。根据业务场景的不同,子链支持其具体的个性化业务活动,并支持其独立执行共识,实现数据安全隔离、高性能运行。

3.2.2 星火链关键技术(1)交易。星火链的交易类型分为普通链上交易、普通合约交易、系统合约交易3种。星火链支持配置缓存交易优先级,并支持并发交易操作和隐私交易功能。

(2)共识。星火链共识算法结合区块链和商业应用需求,在委托权益证明算法(Delegated Proof of Stake,DPoS)、可验证随机函数(Verified Random Function,VRF)、实用拜占庭算法(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)等基础上进行算法创新,设计出了适用于许可公有区块链的创新双层共识算法。星火子链可以根据实际情况和场景需要选择替换共识算法,子链也可以部署主链的共识算法,当子链出现故障时,可委托主链进行共识。

(3)存储。链网协同新基础设施支持数据链上链下分布式存储功能,实现了主子链数据隔离和跨平台并行数据读写支持等功能。

(4)网络。星火链采用分层的分布式哈希表(Distributed Hash Table,DHT)技术实现P2P网络的路由寻址。通过该技术,可以在无中心服务器的情况下,在网络中快速找到目标节点。分层架构可以支持链网协同新基础设施管理策略的灵活部署,保证可扩展性;最后,通过骨干节点连通主子链网络,保证跨链服务的有效性。

(5)跨链协议。区块链技术在快速发展的过程中出现了种类繁多的链:公有链、联盟链、私有链,它们具有不同的技术特点,可应用于不同的业务场景。公有链建立了广泛透明和统一共识的网络,而联盟链和私有链让不同机构组织拥有各自的区块链网络。这些网络彼此隔离,像一座座独立的价值孤岛,导致许多业务场景诸如身份验证、资产数字化、合规等,它们的资产和数据无法在不同区块链之间进行转移、交换和互操作。随着业务的发展,跨链的需求会随处可见。为了打破区块链之间的价值隔离困境,安全实现链与链之间的价值互通,星火链提出了中继模式+可插拔组件的灵活跨链方式实现不同业务场景的跨链过程。

(6)分布式应用支持。为分布式应用提供EVM、JVM、WASM等多种虚拟机支持,并且实现了虚拟机的智能可插拔,方便第三方应用开发。

(7)内置高精度时钟服务。在星火链中,数据区块同步依赖于时钟的一致性和精确性。星火链的时间从国家授时中心获取,同时支持北斗授时。星火链中的超级节点会承担起“时间服务器”的任务,所有接入链网协同新基础设施的节点都会从“时间服务器” 获取标准时间,不需要与系统外的时钟同步。所有星火链上的验证节点,在打包验证区块前,都会从超级节点处获取时间,进行时间同步。此外,节点可以手工或定时的方式与超级节点同步系统时间,使节点的时钟和超级节点源服务器保持一致。节点时钟同步的时间误差和超级节点时钟源服务器之间的误差保持在毫秒级。

4 星火标识

标识是能够唯一识别机器、产品等物理对象和算法、工序等数字对象的身份符号;通过标识解析查询能够获取目标对象网络位置或者相关信息,实现跨链或目标对象间的互操作。标识是促进实体经济与数字经济融合发展的粘合剂,也是企业数字化转型发展的重要基础,标识及其解析服务是链网协同新基础设施的核心基础服务组件。

4.1 星火标识概述链网协同新基础设施提供分布式标识(BID)及国际VAA标识等两种标识分配及其解析服务。BID是基于W3C的DID协议、可验证的分布式标识符;BID基于星火链实现自注册、管理,具有永久性、全球可解析、加密可验证和分散性等特点。VAA是中国信息通信研究院获得国际标准ISO/IEC15459注册管理机构国际自动识别与移动技术协会(AIM)官方批准、可进行全球标识分配的编码。

中国信息通信研究院将基于星火链[4],依照国际标准相关规定,设计合理的编码规则、管理机制,设计标识解析等服务架构,在全球范围内开展BID及VAA标识注册、标识解析以及标识数据共享等系列服务,履行标识管理义务,真正保证全球唯一和互通互认,助力企业解决数字化过程中的数据孤岛难题,促进异构、异主、异地数据的共享使用,解决跨链安全可信连接、交互和互操作,打造“万物互联”的产业生态。

4.2 星火标识管理方案星火链网提供分布式BID标识及国际VAA标识等两种标识分配及其解析服务。中国信息通信研究院将基于星火链,在全球范围内开展BID及VAA标识注册、标识解析以及标识数据共享等系列服务,真正保证全球唯一和互通互认,助力企业解决数字化过程中的数据孤岛难题,促进异构、异主、异地数据的共享使用,解决跨链安全可信连接、交互和互操作,打造“万物互联”的产业生态。

(1)标识编码。BID方法规范符合W3C当前发布的DID规范中的要求。根据W3C的命名规则,BID标识的DID方法命名空间以“bid”开头,使用此方法的DID 必须以前缀“did:bid”开头;BID标识同时也作为星火链的账户地址,其标识编码方案为:did:bid:合约方法。VAA编码根据ISO/IEC 15459标准要求,即编码仅允许包含大写字母(A~Z)和数字(0~9),满足现有AIDC技术。

(2)星火链链码规范。星火链的主链以及各子链采用自治的形式,为便于识别与解析,主链为每一条子链分配唯一子链链码。子链链码采用VAA或BID标识。为保证VAA或BID标识在主链以及子链的通用性,确保在整个链群中的互联互通,VAA或BID编码中需要根据所在不同子链添加相应子链链码。

4.3 标识解析(1)通用解析器(见图2)。星火标识体系设计了通用解析器,通过提供一种支持多驱动程序(Driver)的标准方法,支持多标识体系的统一解析入口。不同体系的标识体系,可通过API等方式轻松实现驱动程序的添加,具有高度可扩展性。驱动程序用于跨链、跨标识体系查找和解析标识记录。

区块链与工业互联网协同发展构建新基建的思考

图2 星火通用解析器

(2)星火标识解析。星火标识体系通过通用解析器,实现链网协同新基础设施体系内的标识解析入口。在BID和VAA注册过程中,通过星火链合约生成BID或VAA标识,并将其信息、签名、可信认证信息保存至可验证文档中,并在星火链上存储。BID或VAA解析器,可以解析出BID或VAA标识对应的网络位置信息、子链入口以及可验证文档等。

4.4 星火标识与工业互联网标识解析国家顶级节点对接

星火标识体系将实现与工业互联网标识解析国家顶级节点对接,使工业互联网标识解析国家顶级节点兼容星火标识体系,进一步提升并扩大国家顶级节点的服务能力和服务范围,也极大地扩展了星火标识的应用范围。

5 应用生态与治理体系

5.1 基础服务组件

链网协同新基础设施提供了基础服务组件,为开发者和用户提供支持;基础组件主要包括标识解析、数字身份、信任框架、跨链操作和公共数据等。

5.1.1 标识解析

基于星火标识,为万物互联互通提供能辨识的“身份”。供给方基于标识为实体和数字对象注册模型,实现万物的数字孪生。消费方可以解析标识,获取对象信息。该功能可广泛应用于物品追溯、设备互联、供应链等场景。

5.1.2 数字身份

数字身份为数据流转和存储提供安全认证,是网络空间治理的基础组件。链网协同新基础设施提供面向人、企业和设备的数字身份全生命周期管理功能(数字身份的分发、验证、授权、管理、注销),基于数字身份可以进行权限管理和可信接入,适用于KYC、访问控制等场景,可广泛应用于金融、医疗、物联网、车联网等行业。

5.1.3 信任框架

链网协同新基础设施信任框架将星火标识作为唯一标识符,基于可信源(信任锚)、可信数据存储(分布式存储)、可信验证过程(安全计算)等构建信任框架,面向可信用户、可信设备和可信应用等访问3要素,对访问主体授予最小访问权限并对全链路访问加密和监控保护,以此来保护访问者和受访者数据安全,实现分布式信任。链网协同新基础设施信任框架支持多源身份认证,引入多种信任锚,促进信任生态良好健康发展。

5.1.4 跨链操作

链网协同新基础设施通过中继+可插拔组件方式实现了同构和异构链的灵活跨链,可以支持各种链快速适配和接入,并实现跨链数据、资产的转移,可应用于数字政务、智慧城市、大宗商品交易等数据协同和交易的场景。

5.1.5 公共数据

链网协同新基础设施基于万维网联盟(W3C)分布式标识规范(DID)框架,为产业生态提供了基于可信身份、可信声明、可信存证、安全多方计算、智能合约等功能的公共数据服务。链网协同新基础设施将为数据流程、验证和交易等环节建立安全防护、隐私保护等措施,吸引提供公共数据服务的机构入驻。基于这些公共数据服务,可以促进数据生产要素的流通,构建新型数字经济模式。

5.2 构建链网协同新基础设施生态体系

链网协同新基础设施以中国区块链创新推进论坛为依托,搭建链网协同新基础设施应用生态支撑服务,提供开源组织、联盟协会、监管治理、标准化等平台。依托底层技术及基础设施和生态支撑服务,吸纳应用和技术提供厂商,形成行业应用层和通用组件及技术扩展层,共同构建链网协同新基础设施生态体系。

5.3 开放应用生态

链网协同新基础设施将为应用开发者和区块链开发者开放分布式应用、星火标识、BaaS服务和跨链操作等标准协议文档和接口,组建开放社区,打造开放应用和子链生态。对于应用开发者,链网协同新基础设施除提供星火链基础服务组件外,还构建开发者平台、搭建官方Dapp Store,为分布式应用的开发和发布提供便利。对于区块链开发者,链网协同新基础设施提供底层协议、开发工具等支持,使开发者聚焦于解决行业痛点问题进行区块链定制开发,而无需关注底层协议,并可平滑接入主链成为链网协同新基础设施子链;同时,提供智能合约安全审计、应用审核和评价机制等保障机制,提高子链开发质量,营造良好的开发环境。通过建立开发者社区、举办应用开发大会、发布应用白皮书和案例等活动,与各行各业应用开发者和区块链开发者一起,共同推进链网协同新基础设施开放应用生态建设。

5.4 打造产业集群应用

中国信息通信研究院将联合政、产、学、研、用各界主体,建设区域性链网产业应用创新平台,打造包括但不限于“区块链+5G”“区块链+金融”“区块链+民生”“区块链+能源”“区块链+工业”等应用在内的跨区域链网产业应用创新集群[4]。

区域性链网产业应用创新平台可以包括一条基本子链、一条区域子链以及N条异构行业子链。链网协同新基础设施国家技术创新中心持续提供自主可控核心技术,进行技术和产品孵化;同时,尊重发展现状,基于优势产业,以超级/骨干节点为基础培育若干特色产业集群,形成规模经济效应,促进区块链技术发展和产业数字化转型。

5.5 链网协同新基础设施治理体系

链网协同新基础设施将秉持开放、透明、民主、高效的原则,广泛邀请政、产、学、研、用各界主体,组建多方参与的社群,围绕链网协同新基础设施的基础设施管理、技术研发、应用推广、创新培育、安全保障等领域建立广泛共识的治理体系,以包容审慎的理念推进区块链融合创新,以共治共享的模式激发链网协同新基础设施的发展潜能。

5.5.1 链网治理的主要方向

链网治理体系将围绕基础设施管理、产业生态发展、交流合作推广以及创新创业培育4个主要方面构建。

(1)基础设施管理

聚焦链网节点管理、基础服务运营以及链网体系的开放和兼容,形成链网基础设施伙伴关系,开展链网基础设施建设和管理,推动链网底层技术创新、演进和标准化,构建链网关键公共基础服务体系。

(2)产业生态发展

聚焦链网技术、应用和标准,围绕链网组件开发、平台运营、技术服务、行业应用等方面搭建产业交流和共识平台,团结各类产业主体推动共识算法、智能合约、跨链互操作以及数据保护等核心关键技术标准发展,针对金融、供应链、医疗以及教育等典型场景培育行业应用方案和最佳实践,以开放、透明和包容的方式推动链网产业生态不断完善。

(3)交流合作推广

聚焦围绕链网的行业发展、标准制定和产业治理等领域,构建一个兼具开放性和代表性的平台载体,组织广泛研讨,围绕链网发展关键问题开展公共宣传、社群讨论、研究合作以及知识培训等工作,扩大链网影响力,推动形成链网品牌。

(4)创新创业培育

建立链网创新创业培育平台,组织中国信息通信研究院和链网合作伙伴在创新创业领域的优势资源,为创新创业注入基础设施和服务、人才和资金,加快技术和应用创新转化,引导和推动链网生态中的大、中、小企业融通发展。

5.5.2 链网治理的组织模式

链网治理将参照国际普遍认可的多利益相关方模式,广泛组织包括但不限于政府机构、企业、技术社群、行业专家、社会团体、高校和研究机构以及广大用户等主体,基于不同议题,形成不同的治理机制。链网治理将遵循包容开放、协同共治、透明问责的理念,组织各方切实发挥各自优势,充分表达多方意愿,以共识推动链网发展。链网治理拟采取的组织原则具体如下。

(1)政府指导

链网将邀请相关行业主管部门的代表组成各级指导委员会,深入了解链网运行情况,指导开展区块链技术的引导和规范,保证链网创新的健康有序。

(2)专家论证

链网将聘请技术、管理、经济、政策等领域的国内外知名专家等组成各级专家委员会,对链网的技术和政策产出进行论证和评审,保证链网发展的科学合理。

(3)广泛参与

链网将对参与链网协同新基础设施建设的、与链网发展相关的、致力于推进链网融合创新的以及所有对区块链创新发展感兴趣的主体保持开放,广泛汇聚链网相关力量,保证链网治理的共识推进。

(4)对等共治

链网将推动各类主体形成工作组、委员会等治理组织,在不同议题、不同范围内推动实现利益相关主体间的对等共治,实现技术和规则的自决自治,保证链网生态的繁荣活跃。

(5)有序协作

链网治理将基于不同议题的特点设置参与主体、工作流程、决策机制、职责范围等与之匹配的组织形式,不同的链网治理组织间将通过人员任职、合作机制以及资助和委托运营等方式形成有序协作、有机统一的链网治理体系。

6 结束语

本文首先论述了区块链与工业互联网协同发展构建的链网协同新型基础设施在发挥新基建引擎作用方面的重要作用,以及推动产业数字化转型发展上的重要意义;之后详细介绍了星火区块链和星火标识以及链网协同新基础设施的应用生态与治理体系设想。当前,中国信息通信研究院正在研发链网协同新基础设施关键软硬件系统、突破许可公有链等区块链基础设施核心技术,逐步在北京、重庆、济南等地建设和部署星火链超级节点,从而构建链网协同新基础设施服务网络。未来,中国信息通信研究院将围绕链网协同新基础设施打造一系列区块链重点领域应用工程并开展试验验证,创新经济运行模式,培育区块链产业应用生态,拉动数字经济高质量发展,为我国数字化转型升级发展提供新型基础设施引擎。

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