6G区块链架构与关键技术研究报告

北京稻壳科技有限公司 BeijingRiceHullTechnologyCo.,Ltd.地址：北京市朝阳区九住路188号 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 2023年12月 版权声明CopyrightNotification 未经书面许可禁止打印、复制及通过任何媒体传播 ©2023IMT-2030（6G）推进组版权所有 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 前言 移动通信网络作为国家信息基础设施的重要部分，在整个国家经济发展和社会生活中发挥着越来越重要的作用。在5G建设和应用逐渐普及的同时，6G网络技术的研究也已经全面展开。6G应用场景、需求与关键性能指标、潜在空口技术、网络架构与技术、安全架构与技术等各方面的研究也都已经成为当前学术界和工业界的热点。 2023年，ITU-R发布的6G愿景和技术趋势，定义了6G可信的三大能力，安全、隐私和韧性。6G需要提供更加安全可信赖的网络基础设施，支撑上层网络的创建、运行、维护、业务和数据。6G新型的业务场景和开放的网络生态，对信任体系提出了新的需求：一方面，6G将存在多种异构网络的融合、多方共建共享等，信任的建立从传统的双边演进为多方。另一方面，6G时代的网络AI、数据服务和无线感知等新兴业务和空天地立体组网需要分布式的多方协同机制。因此，除传统中心式、背书式等信任模型，6G还需要构建多方互信、公平对等的共识信任模式，共识信任模式与传统的中心式模式、背书式模式共同构筑鲁棒的6G可信底座。 区块链是一种去中心化的分布式账本技术，可重塑现代社会的信任模式，是一种实现从传统中心式单一可信根到基于共识的分布式信任根演进的重要技术，作为6G网络多模信任工作的使能技术之一，为构建网络信任体系提供了新的思路和更多的可能性。 基于《6G区块链技术：场景和需求》的研究基础，本研究报告进一步提出了区块链技术和6G网络的融合。第二章，阐述了网络中引入区块链需要对网络架构和功能做出的演进与更新，阐述区块链能力来源于6G网络基础设施，形成网络对区块链单节点能力和区块链全生命周期的管理、控制和配置，即6G区块链架构技术，引入全新的网络功能、控制流程等，从而形成Net4BC。第三章、基于网络基础设施构建的区块链服务，对内可以服务于6G的业务，形成BCfornet，对外可以服务于第三方的外部业务，形成BCasaService。第四章，阐述了6G架构中引入区块链技术，需要对区块链本身的技术提出的关键需求和研究内容。第五章，针对一个具体的智慧工厂示例，整体的方案设计和业务过程。 2 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 目录 目录3 图目录5 表目录6 第一章区块链网络和6G通信网7 1.1区块链网络体系架构7 1.2区块链使能6G通信网9 1.2.1区块链使能6G可信9 1.2.26G区块链定义9 1.2.36G区块链系统结构11 1.36G区块链的选型12 第二章、6G区块链网络架构15 2.16G区块链网络架构15 2.26G区块链服务16 2.2.16GBC服务架构16 2.2.26GBC能力的获取17 2.2.36GBC的创建18 2.2.46GBC生命周期的管理18 2.2.56GBC区块链模式19 第三章、6G区块链业务20 3.1去中心化的设备PKI体系20 3.1.1控制与存储分离的哈希上链方案21 3.1.2完整证书上链的DPKI方案22 3.1.3无证书跨域认证方案23 3.2去中心化的用户数字身份体系24 3.36G区块链赋能网络切片管理27 3 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 3.46G区块链赋能算力网络28 3.5基于区块链的寻址方案30 3.6联盟网络33 第四章、6G区块链关键技术36 4.1、跨链技术路径36 4.1.1多链互通需求36 4.1.2区块链跨链技术38 4.2安全可信技术路径39 4.3用户隐私保护41 4.3.1个人数据保护法案41 4.3.2区块链的安全41 4.3.3可编辑区块链技术42 4.46G区块链共识算法43 4.4.1基于证明的共识机制44 4.4.2基于投票的共识机制44 4.4.3基于交易的共识机制45 4.4.4基于分片的共识机制46 第五章、6G区块链部署案例48 5.16G区块链应用于智慧工厂的场景48 5.26G区块链的关键技术在智慧工厂场景下的选择49 5.3智慧工厂场景区块链相关流程50 总结与展望51 贡献单位52 4 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 图目录 图1-1区块链体系架构7 图1-26G区块链结构图11 图1-3区块链系统分类13 图2-16G区块链整体架构15 图2-2区块链视角和基础设施视角图示16 图2-3区块链服务架构16 图2-46G区块链模块化架构18 图2-5区块链的创建18 图2-6区块链模式19 图3-1区块链存储PKI数据21 图3-2基于区块链和IPFS的跨域认证21 图3-3基于DPKI的完整证书上链管理方案23 图3-4无证书跨域认证24 图3-5基于区块链的分布式身份认证系统架构26 图3-6区块链的跨域网络切片28 图3-7区块链在算力网络中的应用29 图3-8两级NRF架构31 图3-9基于区块链的服务注册和发现方案32 图3-10基于区块链的联盟网络组网新生态34 图4-1区块链互通示意图37 图4-2可编辑区块链结构43 图4-3分片区块链46 图5-1基于区块链的智慧工厂架构49 5 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 表目录 表1-1公有链，联盟链，私有链的比较13 表4-1符号信息26 6 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 第一章区块链网络和6G通信网 1.1区块链网络体系架构 区块链本质是一种分布式共享账本，由网络节点共同维护的区块以链式结构组成。通过分布式账本技术、密码学、共识算法、智能合约等多种技术的有效组合，保障在不通过第三方中介机构信用背书条件下，实现了数据的防篡改、防伪造、可追溯、可审计等，共同创造出一种低成本高可靠的基础设施。 区块链体系架构可分为六层，如图1-1所示，自下而上分别是数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层。 图1-1区块链体系架构 数据层的功能主要是数据存储、账户和交易的实现与安全。数据层定义三个级别的分层数据结构，分别是：交易结构、区块结构和链式结构，并通过密码学技术来保障交易数据的安全性。实际中，区块网络可以为线性链表，也可以是有向无环图（DAG）。 网络层主要定义了三方面内容：区块链网络的拓扑结构、区块或交易等数据传播协议和验证机制。区块链的节点具有分布式、自治性等特性，因而区块链采用对等（PeertoPeer,P2P）网络结构。每个节点地位对等，都可以作为资源/服务的使用者和提供者。每个节点都是一项或多项功能的集合，每个节点都参与验证并传播交易及区块信息，发现并维持与对等节点的连接。区块链中节点间数据传 7 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 播协议大多建立在TCP/IP之上，任一新节点要传输交易或区块等数据，首先需要发现并连接至区块链网络中的路由节点。在区块链网络中，节点时刻监听网络中广播的数据。当接收到邻居节点发来的新交易和新区块时，首先会验证这些交易和区块是否有效。如检查区块数据结构、交易语法、输入输出、数字签名等。只有通过验证的交易和区块才会被处理。如新交易被放入待打包的交易池，同时继续向邻居节点转发；若没有通过验证，则立即丢弃，从而保证无效交易和区块不会在区块链网络中继续传播。 共识层主要保证在不可信的网络环境下实现账本数据全网存储的一致性。区块链共识一般可分为基于证明、基于投票、基于交易、基于分片等四类。区块链共识过程包含以下步骤：①记账节点选择。记账节点负责打包交易进区块。②区块上传。选出的记账节点按照一定的策略将交易池中未确认的交易打包进区块，并将新区块广播给全网所有参与者验证。③区块验证。参与节点在收到记账节点发来的新区块后，将验证区块和交易的有效性。④区块上链。只有获得一定比例参与节点的认可，该区块才会被作为有效区块放在区块链尾部，从而形成一条从创世区块到最新区块高度的完整链条。 激励层主要出现在公有链中，包含激经济激励的发行制度和分配制度，其功能是提供激励措施，鼓励节点参与区块链中安全验证工作，并将经济因素纳入到区块链技术体系中，激励遵守规则参与记账的节点并惩罚不遵守规则的节点。激励层设计的主要目标是保证参与节点价值分配的合理性和机理相容性，通过合理有效的分配机制实现各参与节点的利益最大化，并且能够有效机理更多节点参与，从而保证区块链的稳定性和可持续运行。发行Token是常见的激励机制。在现阶段的联盟链中，也可以存在激励机制，激励机制可以为非虚拟货币的形式。 合约层封装了各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程性的体现。智能合约，是一段写在区块链上的代码，一旦某个事件触发合约中的条款，代码就自动执行，不再需要人为干预。智能合约生命周期简单概况为合约创建、合约开发、合约部署、合约执行、合约升级和合约销毁。合约部署的时候被编译成操作码存储在区块链上，对应一个存储地址。当合约规定的条件发生时，会发送一笔交易到该合约地址，全网节点都会执行合约的操作码，最后将执行结果写入区块链。智能合约可灵活嵌入各种数据和资产，实现安全高效的信息交换、价值转移和资 产管理等。 8 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 应用层主要定义区块链应用的准则模型、垂直行业及开发工具等。通过Web前端技术、移动开发技术等开发工具设计友好的图形化接口，服务于不同垂直行业中区块链落地应用开发。 1.2区块链使能6G通信网 1.2.1区块链使能6G可信 6G网络架构将支持按需部署的能力，包括5G网络已有的连接能力，还包括计算能力、数据能力、可信能力等多种能力，不同的能力相互支撑，互为调用。区块链可信能力的一种，是天然的多方共建的信任机制，可以为网络提供不可篡改的存储、自动化的交易执行、多方共识的信任机制，是可信能力中重要的组成部分等。6G将区块链功能引入网络，为6G网络提供新的安全服务，进一步提高安全能力。另外，也可以开放给第三方，以向其提供服务和所需的安全支持。 1.2.26G区块链定义 当前，针对于区块链使能6G的研究中，业界的研究重点都在业务场景对区块链的使用，区块链以“带外”的形式独立于通信网的业务流程，缺少对6G区块链的概念和架构定义。带外部署的模式下，区块链的部署和动态管理流程、数据上链的流程和通信网的通信流程完全变成不可耦合的三个流程，不利于对区块链生命周期和业务流程的标准化定义。因此，区别于外挂式的能力，6G区块链能力内生于网络，基于以下五个方面的诉求： 1、从6G架构演进维度，6G网络可以提供超越连接的服务能力。基于6G网络基础设施的区块链服务，具体体现为服务于6G业务的BC4Net和服务于对外第三方业务的BCaaS。BC4Net：通信网通信网业务在多方协作、审计追溯、安全交易、身份管理等方面，需要6G基础设施为其提供建设、维护、运行、管理区块链的服务。BCaaS：提供超出通信网的业务范围，对外开放服务于外部各行各业，为第三方业务构建区块链基础设施。总之，基于6G这样一个无处不在的、智能普惠的网络，以6GBC服务的方式赋能通信网业务和第三方业务，构筑了6G网络架构的商业 9 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 竞争力。 2、从6G组网生态维