基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸機制

劉江，霍如，李誠成，鄒貴今，黃韜，劉韻潔

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基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸機制

劉江1,2，霍如2，李誠成1,2，鄒貴今1,2，黃韜1,2，劉韻潔1,2

（1.北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室，北京 100876；2.北京工業大學北京未來網絡科技高精尖創新中心，北京 100124）

近年來關于區塊鏈的研究得到極大關注，然而基于TCP/IP的通信對這種大量數據內容廣播模式的支撐并不充分。基于命名數據網絡，設計全新的支持區塊鏈推送服務的節點模型和特殊的讀寫表過程，提出完善的信息傳輸機制，通過請求聚合和數據緩存減少網內冗余流量并加速通信傳輸。同時給出基于本架構的虛擬貨幣應用實例，并通過仿真驗證本方案性能的優勢，進一步展望未來相關的研究方向。

命名數據網絡；區塊鏈；信息推送；內容廣播；反向讀寫表項

1 引言

2015年下半年，區塊鏈的概念迅速崛起，全球許多金融機構和相關的IT企業掀起了一場在經濟和互聯網方面區塊鏈技術帶來的商機熱潮。如果說互聯網是實現了信息的傳播，那么區塊鏈就是進一步實現了價值的轉移，可以說區塊鏈技術是互聯網后下一代發展的顛覆性技術之一。該技術將某個時間段內的數據存儲在一個區塊內，不同的區塊按照時間順序就形成了一個鏈狀結構，同時使用非對稱密鑰和散列算法等密碼學方法加密這些信息數據，保證數據的不可篡改和安全性，在沒有第三方信任機構的情況下，全網也能達成共識和完全的信任，形成了一個去中心化的分布式數據庫。目前，區塊鏈技術不僅在金融行業體現了巨大的應用前景，而且在大數據、物聯網、人工智能等信息技術領域也有著互相影響的助力。

區塊鏈技術越火，應用的范圍越廣，就對這個通信網絡的要求越高，從而保證其相關業務的性能。對于這種大量的數據在網絡中同步傳輸的模式，人們希望有更加匹配這種模式的網絡架構，來優化區塊鏈技術相關業務的傳輸。現有的IP網絡需要2個主機端多次握手連接后才能進行后續數據分組的轉發，且就廣播而言，一個主機如果要將數據廣播給網絡中的所有個節點，就需要封裝個數據分組，分別發送給這個節點，造成統一數據的冗余傳輸，如果發生分組丟失現象，則更增加網絡的負擔。在未來網絡解決數據傳輸的網絡架構中，命名數據網絡（NDN, named-data networking）一直是備受關注的重點研究架構，它作為一個分布式的網絡架構，盡管沿用了IP網絡的沙漏模型，但是卻是以內容名字作為“細腰”，實現了基于內容命名的路由和轉發，更加符合用戶對互聯網的直觀使用方式。命名數據網絡請求聚合和內容緩存的優良特性，能夠為區塊鏈技術信息傳輸提供更好的加速服務并且減輕整個網絡的流量負載。

盡管命名數據網絡在屬性上符合解決區塊鏈技術信息傳輸問題的思路，但是目前區塊鏈技術是一種基于點對點的主動推送數據的通信模式，而命名數據網絡則是一種基于用戶主動請求從內容源端拉取內容的網絡架構。為了讓命名數據網絡能夠更好地支撐區塊鏈技術的相關業務，本文提出了一種新穎的基于命名數據網絡的區塊鏈技術信息傳輸機制，在原有支持內容分發業務的基礎上，引入了推送服務業務，改進了原有的命名數據網絡節點模型，當節點收到請求分組后，首先判斷請求分組的業務類型，對于推送服務類型的業務，通過設計的推送服務待定興趣表來進行讀寫表處理，并且通過反向寫表項的過程一次完成由推送方主動發起數據分組推送過程。在這種大量數據傳輸的區塊鏈技術相關業務中，本文提出的機制可以為這類實時性的推送業務提供加速服務，并減輕整個網絡重復的冗余流量傳輸。

2 區塊鏈技術

2.1 研究背景

區塊鏈由一系列根據時間順序生成的記錄交易數據的區塊（block）鏈接組合形成，構成了系統內所有節點共享的交易數據庫。通過區塊鏈技術形成存儲的數據具有不可篡改和無法偽造的時間戳，任何交易都有完整的證據鏈和可信任的追溯環節。區塊鏈技術起源于虛擬貨幣，2008年虛擬貨幣誕生，緊接著，2009年出現了序號為0的虛擬貨幣創世區塊，并與序號為1的區塊相連形成了鏈，標志著區塊鏈的誕生[1]。

區塊鏈的宗旨是要去中心化和實現匿名，建立自己系統內公開的信任機制[2]。其信任機制建立在非對稱密碼學基礎上，系統使用者不需要了解對方基本信息即可進行可信任的價值交換，即在沒有中心機構的情況下達成共識，提高了傳統網絡交易的效率。任何人在任何時間都能夠通過相同的技術在區塊鏈上錄入自己的信息，而區塊鏈在數據透明的基礎上對所有交易對象都是匿名存在的，一定程度上保證了私人信息的安全性。它不依賴第三方，而是通過自身分布式節點進行網絡數據的存儲、驗證、傳遞和交流，解決了傳統互聯網交易中基于信任而存在的第三方中介運營成本過大、網絡信息安全性不高的問題[3]。

區塊鏈技術是具有普適性的底層技術框架，目前，一般認為區塊鏈技術正處于2.0模式（可編程金融）的初期，眾多如智能合約、電子商務、證券交易、股權眾籌、物聯網和P2P借貸等各類基于區塊鏈技術的互聯網金融應用相繼涌現，發展前景廣闊。未來區塊鏈將更多地應用于如新型寬帶網絡、保險行業風險評估、藝術交易、法律公證、數字資產等生產、生活中的各個方面。

2.2 區塊鏈技術原理

區塊鏈技術是基于密碼學中橢圓曲線數字簽名算法（ECDSA）實現去中心化的點對點系統設計，將區塊以鏈的方式組合在一起形成數據結構，以參與者對全網交易記錄的事件順序和當前狀態建立共識為基礎，存儲有先后關系的、能在系統內驗證的數據，并用密碼學保證這些數據不可篡改和不可偽造。區塊鏈技術原理如圖1所示，區塊鏈由一系列按時間順序排列的區塊組成，每個區塊由上個區塊的散列值與本區塊的內容、時間戳、數字簽名和共識機制共同組成，對于不同的應用來說，主要體現在存儲內容和共識機制不同。

圖1 區塊鏈技術原理

區塊鏈的核心技術主要包括4個方面。

1) 區塊+鏈

區塊鏈改進了傳統的數據庫結構，將數據分成若干區塊，每個區塊記錄著它被創建期間發生的所有交易活動信息，這些區塊按照時間的先后順序鏈接在一起，形成一個完整且不可篡改的交易數據庫，并被系統內的所有節點共享。

2) 非對稱加密算法和授權技術

區塊鏈技術的密鑰對中的公鑰全網公開，所有人都可以用自己的公鑰來加密一段內容，驗證內容的真實性；私鑰只有信息擁有者可知，被加密的內容只有通過相應的私鑰才能解密，保證內容的安全性。在區塊鏈應用的交易中，公鑰加密交易信息，私鑰解密交易信息；同時私鑰對信息簽名，公鑰驗證簽名，通過公鑰簽名驗證信息可以確認該交易信息是否由私鑰持有人發出。整個過程中，交易信息是透明公開的，但賬戶信息采用純數學方式高度加密，實現交易匿名，保證隱私安全。

3) 共識機制

由于點對點網絡下存在較高的網絡時延，各個節點所觀察到的事務先后順序不可能完全一致，因此，區塊鏈技術需要一種機制使所有通信節點對于在差不多時間內發生的事務的先后順序達成共識。這種對一個時間窗口內事務的先后順序達成一致的算法被稱為共識機制。常用的共識算法類別有工作量證明（POW）、權益證明（POS）、代議制權益證明（DPOS）和過去時間證明（POeT）等。

4) 腳本

一個腳本本質上是眾多指令的列表，具有可編程性，這些指令記錄著每一次價值交換活動中，交易雙方進行交易需要滿足的附加條件，而在去中心化的環境下，所有的協議都需要提前取得共識，而腳本的引入就使區塊鏈技術能有機會去處理一些系統中無法預見到的交易模式，增加了該技術的實用性。

2.3 區塊鏈技術優勢及需求

區塊鏈技術與金融市場應用有很高的契合度，R3CEV、納斯達克等各金融機構相繼投入區塊鏈技術的研發中。區塊鏈在很大程度上實現了金融脫媒，這對第三方支付、資金托管等存在中介機構的商業模式來說是顛覆性的變革[1]；基于區塊鏈的智能寬帶網絡也正致力于從集中式轉變為分布式，使共享的沒有信任關系的網絡節點實現安全的信息傳輸[4]；在醫療方面，區塊鏈的非對稱加密技術可以使健康數據被更好地保護起來，防止非正常泄露帶來的嚴重后果，便于建立一個全人類安全的健康數據庫；而且在如今發展迅速的物流供應領域，區塊鏈技術能為供應鏈中的物流信息提供認證服務，通過區塊鏈數據庫的源頭追蹤功能就可以很快地找到問題所在，實時追蹤商品流轉信息，實現全透明消費[5]。可以預見，未來區塊鏈技術將更多地被應用到人們生活的方方面面。

可以看出，區塊鏈的推廣日益增長，隨著區塊鏈應用的不斷普及，更多的數據會在網絡中傳輸，為了給用戶提供更好的體驗并且保證應用業務的實時性，如何保證高效良好的區塊鏈信息傳輸成為未來一個值得研究的問題。在這個問題的研究過程中，要充分考慮到支持分布式網絡、支持點對點通信、支持內容推送、很好地支持內容廣播、更好地緩解網絡信息傳輸壓力等特征。

3 命名數據網絡

3.1 研究背景

隨著內容的增多和終端設備不斷地加入，互聯網逐漸由一個傳統的端到端通信網絡向一個分布式內容分發網絡的方向發展。由于在TCP/IP網絡架構下，IP地址數量是有限的，這將越來越難以滿足日益增多的互聯網終端設備，同時基于端到端連接的通信模式將會導致路由條目的急劇增多，增大骨干網的流量壓力，原有的“細腰”IP層將會成為限制網絡內容增長、接入設備增多以及網絡流量增加的瓶頸。

命名數據網絡借鑒并保留了原有TCP/IP網絡體系架構的沙漏模型，但NDN在沙漏模型的“細腰”部位采用了內容塊（content chunk），也就是將網絡中的內容資源等信息與IP地址之間的關系解耦，轉而與內容的命名綁定，將網絡的關注點從“在哪里”轉變成“是什么”，適應了當前互聯網對內容需求不斷增加的趨勢。NDN屬于信息中心網絡（ICN, information-centric networking）中分布式架構的代表，即NDN中的每一個節點都擁有全網的狀態信息，可以獨立地實現路由計算、路由選擇以及轉發。此外，ICN體系中還有集中式架構，主要有面向數據的網絡體系架構[6]、發布/訂閱式網絡體系架構[7,8]等，這些架構以集中式路由選擇策略為核心，由網絡控制系統收集全網狀態信息并實現路由計算和路由選擇。在經歷概念提出、協議棧定義、數據結構與關鍵技術設計以及命名鏈路狀態路由協議[9]的設計之后，目前，NDN項目組將研究的重點放在NDN轉發守護進程[10,11]上，并且基于上述的研究完成了一張全球范圍的NDN試驗床的搭建工作，并在不斷地更新與維護。

此外，學術界和產業界也在積極地將NDN與物聯網、車聯網等概念進行結合，希望將NDN內容分發的優勢運用到現有的網絡中。

3.2 命名數據網絡通信模型

NDN中交互的分組分為2類，分別是Interest（請求）分組和Data（數據）分組。NDN作為請求方驅動的網絡，Interest分組是由內容請求方向內容源發出的、用于請求相應內容的請求分組；Data分組則是由內容源或內容緩存節點返回的內容。命名數據網絡單個節點通信流程如圖2所示，每個NDN節點都包含3種數據結構，分別是內容緩存庫（CS, content store）、待定興趣表（PIT, pending interest table）和轉發信息表（FIB, forwarding information base）[12]。CS用于緩存節點收到的數據分組內容，相同的內容請求可能會在路由器節點得到快速及時的響應，從而減少了內容請求對于內容源的訪問次數并避免冗余流量的重復傳輸。PIT用于記錄已經轉發出去但未被響應的請求分組的內容名及其來源的接口，PIT可以讓經過一個節點并請求具有相同內容請求分組匯聚在一個表項中，這個過程僅轉發一個該請求分組，返回的數據分組按照PIT的指示，沿請求分組轉發的路徑反向返回，準確到達請求方。FIB類似于TCP/IP網絡中的FIB，都是依靠路由協議生成，記錄著當前節點通往內容源或內容緩存節點的下一跳接口，是節點轉發請求分組的依據。

圖2 命名數據網絡單個節點通信流程

因此，NDN的通信流程可以分成2種情況，如圖3所示。

圖3 命名數據網絡全網通信流程

1) 當NDN節點收到一個請求分組時，首先檢查CS中是否有請求分組所需請求的內容，若有，則將內容從請求分組到來的端口轉發回請求方；若沒有，則檢查PIT中是否已經記錄著所請求的內容名，若已有記錄，說明已經有請求相同內容的請求分組經過該節點并轉發出去，此時，只需要將當前請求分組到來的端口記錄到PIT中即可；若PIT中無匹配的表項，則在PIT中添加完整的表項并基于FIB和轉發策略將請求分組向內容源方向進行轉發。

2) 當NDN節點收到一個數據分組時，首先通過最長前綴匹配的方式找到匹配的PIT，并將數據分組按照匹配表項給出的端口向請求方轉發；若沒有匹配的PIT，說明當前節點以及相關的請求方不需要該數據分組中的內容，則丟棄該數據分組。每當NDN節點收到并轉發一個數據分組，都會將PIT中匹配的表項刪除，同時將數據分組中的內容緩存在該節點的CS中。

由于NDN的每一個數據分組自身都攜帶著命名前綴和簽名，內容的請求和獲取與請求方、發布方的身份以及位置都沒有關系，因此，通過緩存內容的方式可就近響應內容的請求，不僅可以減少請求與響應之間的時間間隔，減輕請求對內容源服務器的訪問壓力，同時在出現分組丟失時，可以向最近的緩存節點請求并獲取內容，而不需要再次向遠處的服務器請求，在多播和請求重傳場景下的內容轉發性能得以提升[12]。與TCP/IP網絡中需要事先建立端到端連接的緩存機制不同，NDN中內容的請求和獲取不依賴于端到端連接的傳輸模式，而是一種內容分發式的查找與傳輸。如圖3所示，當查找最近的緩存節點沒有相應可用的緩存內容時，請求分組會最終到達內容源服務器（過程①和②）。若發現節點緩存有可用的內容時，緩存節點會就近響應請求，并將內容返回給請求方（過程③和④）。

3.3 命名數據網絡優勢

作為一個請求方驅動的內容分發網絡，NDN具有網內緩存機制，可以加速內容數據的同步；并且NDN關注的是內容本身，NDN分組結構可以將數據安全細化到分組層面，即對每一個分組進行簽名和驗證，很好地細化了安全粒度并保證安全性；同時鏈路狀態與緩存內容狀態保持一致性，基于命名數據鏈路狀態路由協議（NLSR, named-data link state routing protocol），不僅可以保證NDN中各節點鏈路狀態的全網一致性，同時可以保證NDN各節點緩存內容狀態的一致性，即運行NLSR的NDN中的任意一個NDN節點，通過維持一個鏈路狀態數據庫（LSDB, link state database），可以知道某個內容的內容源和內容緩存節點在網絡中的位置以及如何到達這部分節點。

區塊鏈技術作為一個去中心化的分布式數據廣播通信模式，在解決其信息傳輸問題方面，如果采用NDN模型，將有以下優勢。

1) NDN的網內緩存機制可以緩解新區塊全網同步在IP網絡端到端連接產生的大量通信開銷，還可以減少訪問區塊所在節點的網絡流量，避免網絡擁塞，同時加快區塊同步的速度。

2) NDN基于名字的路由和轉發，在安全隱私方面相對于現在的IP網絡是一個很大的優勢，與區塊鏈“隱藏交易各方信息，公開交易內容”的設計思想高度吻合。

3) NDN中鏈路狀態與緩存內容狀態的一致性，可以滿足區塊鏈技術需要全網各節點備份相同的區塊鏈數據的需求一致。同時也是去中心化的表現，符合區塊鏈技術的設計思路。

4 基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸架構

傳統的命名數據網絡是基于用戶“分發”（pull）的模式來完成通信過程的，即用戶會主動在網絡中發起對數據對象的請求分組，再通過路由器節點的路由和轉發，將該請求分組送達內容源，進而獲取到用戶的數據對象。然而，對于區塊鏈技術而言，其應用場景都是基于點對點傳輸的實時通信，即每個通信節點主動將自己產生的數據對象“推”（push）送給對應應用場景里的所有其他通信節點。因此，如果人們基于命名數據網絡來解決區塊鏈信息傳輸的問題，就需要命名數據網絡也支持這種用戶訂閱的模式，通信節點僅會將其本身產生的數據對象推送給已知的訂閱用戶（即應用場景中的其他點對點通信節點）。

因此，在基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸架構中，人們仍然在兼容命名數據網絡現有通信模式（即保留其支持分發服務的特征）的情況下，同時增加其支持推送服務的能力。通過構造特殊的請求分組格式，觸發通信節點將其產生的數據對象推送給應用場景內的所有其他目標通信節點。

對于區塊鏈應用場景的每個通信節點（用戶終端或服務器）在命名數據網絡通信環境中，如果想接收到產生數據對象的節點“推”送的數據對象，就需要所有的通信節點定期向網絡中發送請求分組，這部分請求分組的類型即控制信令類型，路由建立算法如算法1所示，用于表達自身節點的活躍狀態（繼續參與被動推送和主動請求的應用場景或退出該應用場景）。如果請求分組中節點表達自身為活躍狀態，則路由器中相應添加此條路由項，再轉發到下一路由器重復上述過程；如果請求分組中節點表達自身為退出狀態，則路由器刪除相應的路由項。接收到該種請求分組的節點再繼續響應一個表明已添加該節點到接收“推”送信息聯系人列表或已刪除該聯系人的數據分組。因此，命名數據網絡中的路由器就是根據節點發送的請求分組帶有的信息來建立整個網絡中的初始路由，便于后續通信的路由和轉發。

算法1 基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸架構節點路由建立算法

1) /*判斷請求分組類型*/

if 請求分組類型 = 控制信令類型then

goto 3)

2) /*非控制信令類型請求分組處理*/

if 請求分組類型 = 推送服務類型then

查詢PPIT處理

else /*請求分組類型 = 內容分發類型*/

查詢PIT處理

goto 4)

3) /* 區塊鏈應用場景驅動節點動態路由表建立*/

if 通信節點狀態 = positive then

if FIB中不存在該通信節點信息then

在FIB中添加該通信節點名字和請求分組來的端口號

else /* FIB中存在該通信節點信息*/

goto 5)

else /*通信節點狀態 = negative*/

在FIB中刪除該通信節點名字和請求分組來的端口號

goto 5)

4) 根據FIB轉發請求分組到下一節點

exit

5) 控制信令請求分組轉發到下一節點

在基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸架構的設計中，將區分“推”送類型的請求服務和“分發”類型的請求服務。因此，在原有命名數據網絡節點模塊的原型基礎上，增加推送服務待定興趣表（PPIT），用于記錄實時“推”送類型服務的請求分組信息，而待定興趣表（PIT）仍然只負責記錄非實時“分發”類業務的請求分組信息。PPIT的功能類似于PIT，負責指導數據分組“回傳”的路徑，需要在請求分組發的過程中記錄下請求的“推”送內容名和數據分組回傳應該經過的端口號。考慮到“推”送類型業務主動將自己產生的數據內容“推”送給應用場景中的其他通信節點的特征，為了減少交互次數，提高鏈路利用率并減小內容傳輸時延，通過“推”送方主動發送的請求分組來構造一個假的接收方發來的對該“推”送內容的請求，建立一個反向的寫待定興趣表過程，如算法2所示，這樣不需要接收方請求就可以將內容推送過去。同時考慮到實時類業務的持續推送，避免對同一內容的后續內容塊再重復發送請求分組或數據分組造成時延、體驗差等問題，在數據回傳的過程中，PPIT將不會刪除已完成記錄條目，同時會增加記錄數據分組序列號的功能。具體通信流程如圖4所示。

算法2 “推”送類型業務PPIT建立算法

1) /*判斷請求分組類型*/

if 請求分組類型 = push類then

goto 2)

else /*請求分組類型 = pull類*/

執行PIT表建立過程

exit

2) /*推送方主動發送特殊請求分組，建立PPIT*/

if PPIT中不存在該待推送內容信息then

PPIT記錄推送內容名字

/*構造反向的寫待定興趣表過程*/

PPIT記錄從本節點發送出去的端口號到相應的入端口表項中

/*記錄時間戳，便于區分同一數據內容的不同的內容塊*/

PPIT記錄數據對象序列號

else /* PPIT中存在該待推送內容信息，判斷該請求分組出端口號和入端口號是否匹配*/

if out port = in port then

exit

else

記錄出端口號在入端口表項中

當有請求分組到達時，首先在內容緩存器CS中查找是否已經緩存該內容，若有則直接返回該內容數據分組，否則判定該請求分組的類型。若為區塊鏈應用（即推送類型）請求分組，則查詢推送服務待定興趣表PPIT，如果該請求內容的名字已經在PPIT中存在，則相應地進行寫反向待定興趣表過程；如果該請求內容的名字在PPIT中不存在，則相應地添加該請求分組全部信息條目（內容名字、寫反向待定興趣表入端口表項端口號、推送內容序列號），再通過路由信息表進行路由轉發到下一節點。如果判定該請求分組類型為分發類服務請求分組，則按照常規的待定興趣表PIT操作進行處理。而在數據分組處理的過程中，首先判斷數據分組的類型，如果是分發類業務的數據分組，則按照常規的命名數據網絡流程處理；如果是區塊鏈業務的數據分組，則在相應的PPIT中進行查詢，若數據分組中的內容序列號不小于PPIT中對應條目的序列號，則按照PPIT中記錄的端口號進行轉發，表明該數據分組中包含的是其他用戶實時請求的當前最新產生的業務數據或者相應業務數據后續內容塊的持續推送；若數據分組中的內容序列號小于PPIT中對應條目的序列號，盡管該數據分組也是推送類型的，但是卻不是實時業務，則通過PIT進行下一步的處理。

圖4 基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸通信流程

盡管這里增加了新的表結構，但是通過反向寫待定興趣表的過程，使支持推送類型業務的NDN仍然只需發送一次請求就可以對應獲得一個數據分組，這意味著建立新表本身不會帶來附加的分組開銷。事實上，引入新表增加的是路由器的處理能力，要求路由器在收到請求分組時，首先分析分組類型，一方面基于現有硬件的發展能力，另一方面基于NDN本身的以數據命名的思想和方式，所以這并不會給路由器的處理過程增加太多的復雜度，就能實現新的業務支撐能力。

5 基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸實例/應用場景

正如第2節所述，隨著區塊鏈技術的不斷發展，其衍生出多種形態，包括公有鏈、私有鏈、聯盟鏈和側鏈。結合區塊鏈技術目前主要的應用趨勢，本節主要以公有鏈的形式為代表，詳細介紹虛擬貨幣這種基于區塊鏈技術的應用場景是如何在本文提出的基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸架構之上實現通信和交易過程的。

虛擬貨幣作為一個典型的公有鏈形式，是區塊鏈技術最早且最有代表性的應用場景。在基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸架構之上部署的虛擬貨幣應用場景如圖5所示。當用戶A使用虛擬貨幣向商家Z付款完成一筆交易時，首先A發送正常的請求分組給Z獲取Z的收款地址（該地址用于存放虛擬貨幣），Z收到該請求分組后創建一個新地址用于接收A的款項，并將該地址通過數據分組回傳給A。A收到Z的數據分組后，在自己的“錢包”（包含多個虛擬貨幣地址）中選擇付款地址，并用相應的私鑰（每個地址對應一個私鑰）加密該筆交易申請。這里假定參與虛擬貨幣交易的礦工為圖5中所示的礦工C~礦工G，用戶A已經添加礦工C~礦工G為自己的聯系人列表。此時用戶A發送push類型請求分組給所有聯系人列表成員（包括所有的礦工和商家Z），網絡中的路由器節點進行反向寫PPIT過程，構造一種所有礦工和商家Z向用戶A共同發起對該筆交易申請的請求分組的“假象”，然后用戶A將該筆交易申請以push類型數據分組的形式發送出去，網絡中的路由器節點根據PPIT中記錄的信息轉發該數據分組到所有虛擬貨幣應用場景中的通信節點。礦工C~礦工G收到數據分組后，使用相應的公鑰驗證該筆交易的合法性，將一段時間內的交易數據打包成一個新的交易塊，計算新的散列值，從而形成新的賬本，最先計算出符合規則的散列值的礦工（比如礦工D），會獲得虛擬貨幣獎勵，包含在這個新的區塊中，礦工D同樣發送push類型請求分組給所有其他礦工，建立PPIT之后，D再發送它計算好的區塊以push類型數據分組形式給其他礦工，以記錄下這筆交易，保證交易生效和賬本不可篡改。

在這個過程中，賬本中每個區塊都會在網絡路由器節點中緩存下來，便于后續新加入虛擬貨幣應用中的任何人來獲取區塊，存儲完整的賬本或去加入驗證交易的礦工行列，減少用戶獲取數據的時延并且更好地保證用戶體驗。同時，基于命名數據網絡特有的路由器PIT和本文提出的PPIT結構和設計，請求分組具有聚合的特征，避免了數據分組大量的重復傳輸，緩解了網絡的壓力，更適合未來內容量和數據傳輸量大幅度增加的場景。

圖5 在基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸架構中部署虛擬貨幣應用場景

6 仿真結果與分析

命名數據網絡基于名字路由、路由器PIT聚合特征、路由器緩存能力的設計原理，能夠天然支持多播和廣播，相比IP網絡基于端到端的連接通信設計相比，可以在一定程度上減少網絡流量的冗余、擁塞和傳輸的開銷，優化網絡性能。這里采用如圖5所示的應用場景，采用一個典型的星型拓撲連接一個用戶、一個商家和5個礦工，在規定的7×104s時間內由用戶A向商家Z發起100筆交易，5個礦工配有相同且充足的計算和存儲能力，假定每個區塊數據分組的固定大小為1 MB。

如圖6所示，隨著時間的變化，交易不斷發生，每發生一筆交易，由礦工進行驗證和記賬，生成區塊，一般一個區塊的生成平均大概在10~15 min左右。對于不同的網絡而言，由于通信模式的不同，區塊鏈信息在傳輸過程中會有不同的通信開銷，如圖7所示，由于命名數據網絡的設計充分支持多播，基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸相比基于IP網絡的區塊鏈信息傳輸可以降低網內流量達到17%左右。

圖6 規定時間內形成區塊鏈的區塊數目變化

圖7 形成區塊鏈過程中網絡中流量占比統計結果

7 未來網絡技術與區塊鏈技術研究展望

綜上所述，本文提出的改進的命名數據網絡模式在解決區塊鏈信息傳輸問題上有明顯優勢，源端可以主動推送數據內容給所有的接收方，并且利用NDN聚合的特性，一份數據可以通過分叉的方式發送給所有的接收方，數據發送失敗或再次被請求都可能在路由器中得到命中，可以很好地支撐基于區塊鏈技術的各類交易記賬型應用，從通信的角度看，保證這些業務具有更好的實時性。盡管命名數據網絡對于區塊鏈技術的通信問題可以提供很好的解決方案，但是仍然希望可以使更多有前景的未來網絡技術與區塊鏈技術進行融合，讓未來網絡技術和區塊鏈技術更好地服務彼此，進一步推廣應用。

軟件定義網絡是目前應用最為廣泛的未來網絡技術之一，通過控制平面和數據平面的分離，能夠通過中央控制器以全局的視角智能化地管理整個網絡。而在區塊鏈的分類中，包括公有鏈、聯盟鏈和私有鏈等，它們各自具有不同的去中心化程度，企業級的聯盟鏈和用戶級的私有鏈算是部分去中心化的模式，少數級別較高的用戶系統甚至具有修改或者讀取其他普通用戶系統的能力。例如，在智能電網的應用中，普通用戶不僅可以消耗電能，也可以產生電能并把自產的電能賣給其他用戶，這些普通用戶的交易可以通過區塊鏈技術來完成共享賬本的建立，同時在電網級的私有鏈中需要有更高級別的管理系統，結合軟件定義網絡集中管控的能力，可以實現對整個電網進行全局實時監管。因此，在未來的研究中，可以從區塊鏈技術（私有鏈）和軟件定義網絡結合的角度去考慮如何加速智能業務的快速部署和實現。

隨著互聯網規模的不斷壯大及其使用的普及化，復雜多樣的信息內容源源不斷地產生，因此，“大數據”這一概念是在互聯網發展到一定的階段自然呈現出來的現象和特征。而如果想讓這些大數據產生出更多真實的價值，就涉及方方面面諸如隱私安全權益等的問題。為了讓大數據發揮其更大的價值，未來可以利用區塊鏈這種具有高可信任性、安全性和不可篡改性的特征來解決這一問題。例如區塊鏈技術中采用非對稱加密技術和散列加密算法能夠保證數據私密性，可以杜絕數據共享中的信息安全問題，大數據在被利用的同時又不會暴露數據來源的任何個人信息。同時區塊鏈技術作為基于全網共識的特殊數據庫能夠保證數據的不可篡改。如此，在未來的研究中，可以從區塊鏈技術和大數據技術結合的角度展開研究，讓大數據的角色更加活躍起來。

8 結束語

本文簡要綜述了區塊鏈技術和命名數據網絡的原理并詳細分析了各自的特征、優勢以及應用前景。基于充分的研究并針對區塊鏈技術信息傳輸問題，提出了一種基于命名數據網絡的區塊鏈信息傳輸的架構，改進了原有的僅支持用戶“分發”模式的命名數據網絡模型，設計了新的增加支持源端“推”送模式的節點模型和特殊的寫表項過程，使區塊鏈技術在命名數據網絡上的部署達到了更好的契合度。同時，就虛擬貨幣場景，給出了完整的基于本文提出架構的應用場景實例，有助于更好地理解本架構的實施原理，并且通過仿真驗證本方案的性能優勢。最后，就未來網絡技術與區塊鏈技術彼此推動的一些領域給出一定的研究展望，并將進一步展開研究工作。

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Information transmission mechanism of Blockchain technology based on named-data networking

LIU Jiang1,2, HUO Ru2, LI Chengcheng1,2, ZOU Guijin1,2, HUANG Tao1,2, LIU Yunjie1,2

1. State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China 2. Beijing Advanced Innovation Center for Future Internet Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

Recent researches on blockchain have been greatly concerned by academia and industry, while the communication based on TCP/IP protocol was not enough for broadcasting a large volume of data in blockchain technology. Therefore, a novel node model supporting push service for blockchain technology and a special procedure reading-writing the table of the node model were designed based on the named-data networking, which was a distributed network architecture supporting data transmission naturally. And then the information transmission architecture of blockchain technology via named-data networking was proposed. With the aggregation of the requests and data caching, this architecture could reduce the traffic redundancy and accelerate the communication speed. Meanwhile, a use case of bitcoin based on the proposed architecture was given, in order to better understand the architecture. A numerical simulation was used to verify the performance advantages of the proposed scheme. In addition, some related future research directions were presented.

named-data networking, blockchain, information pushing, content broadcasting, read and write the table entry reversely

TP302

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2018005

劉江（1983-），男，河南鄭州人，博士，北京郵電大學副教授，主要研究方向為網絡體系架構、網絡虛擬化、軟件定義網絡、信息中心網絡等。

霍如（1988-），女，黑龍江哈爾濱人，博士，北京工業大學講師，主要研究方向為計算機網絡、信息中心網絡、網絡緩存策略與算法等。

李誠成（1989-），男，河北石家莊人，北京郵電大學博士生，主要研究方向為軟件定義網絡、信息中心網絡、5G網絡架構等。

鄒貴今（1993-），男，廣東揭西人，北京郵電大學碩士生，主要研究方向為信息中心網絡、計算機網絡。

黃韜（1980-），男，重慶人，博士，北京郵電大學教授，主要研究方向為路由與交換、軟件定義網絡、內容分發網絡等。

劉韻潔（1943-），男，山東煙臺人，中國工程院院士，北京郵電大學教授，主要研究方向為未來網絡技術、網絡體系架構、網絡融合與演進等。

2017-04-20；

2017-12-21

國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2015AA016101）；北京市科技新星基金資助項目（No.Z151100000315078）；信息網絡領域開源平臺及技術發展戰略基金資助項目（No.2016-XY-09）；我國未來網絡技術、平臺、體制創新戰略研究基金資助項目（No.2013-ZX-04）

: The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No.2015AA016101), Beijing New-Star Plan of Science and Technology (No.Z151100000315078), Open Source Platform and Technology Development Strategy of Information and Networks Foundation (No.2016-XY-09), Research on Future Network Technology, Platform and System Innovation Strategy Foundation of China (No.2013-ZX-04)