元宇宙中區塊鏈的應用與展望

宋曉玲，劉勇，董景楠，黃勇飛

元宇宙中區塊鏈的應用與展望

宋曉玲，劉勇，董景楠，黃勇飛

（重慶郵電大學計算機科學與技術學院，重慶 400065）

元宇宙是虛擬數字世界與真實物理世界無縫融合的新生態，近來引發了各界的廣泛關注。區塊鏈、人工智能、虛擬現實/增強現實及傳感技術、移動通信及泛在計算等各種新型互聯網技術愈發成熟，使元宇宙的進一步發展成為可能。關于元宇宙的研究主要涉及產業項目、基礎設施、關鍵技術、隱私安全等方面，這些研究雖然涉及區塊鏈技術，但未具體指出區塊鏈應用于元宇宙的優勢及具體應用方式。區塊鏈技術不僅可以為元宇宙提供開放自由的去中心化環境，而且可以為其提供公平合理的數字資產分配機制。主要從區塊鏈賦能元宇宙中數字身份和數字資產管理的角度出發，分析了元宇宙的發展歷程和特征，討論了元宇宙發展所需核心技術及面臨的挑戰。同時研究了區塊鏈的關鍵技術，并從區塊鏈的本質特征及與其他技術融合優勢兩個方面對區塊鏈應用于元宇宙做可行性分析。進一步提出元宇宙生態體系架構，重點詳細分析了基于區塊鏈的自我主權身份管理模型、區塊鏈?非同質化通證（NFT，non-fungible token）工作流程及其在元宇宙中的應用。結合區塊鏈和元宇宙的最新研究進展，從基礎設施、通信和計算資源管理機制、監管與隱私保護以及區塊鏈可擴展和互操作性4個方面指出區塊鏈應用于元宇宙將面臨的挑戰和未來的研究方向。

元宇宙；區塊鏈；非同質化通證；數字身份；去中心化

0 引言

自互聯網出現以來，人們對數字空間的探索從未停止，2021年元宇宙的概念在網絡上迅速引起熱議，引發了各個行業的廣泛關注。在現實需求和建設元宇宙可行性前景的驅動下，國內外互聯網知名企業已開始全力布局發展元宇宙，如Facebook、微軟、騰訊及NVIDIA都宣布了他們對元宇宙的投資，特別是Facebook將自己改名為Meta，致力于打造未來的Meta世界[1]。元宇宙本質是Web3.0，始于游戲但不終止于游戲，它是互聯網發展過程中一次新的轉折點，其出現將使人們的生活、體驗、價值認知等發生翻天覆地的改變。隨著虛擬現實（VR，virtual reality）/增強現實（AR，augmented reality）、人工智能、5G、腦機接口、云計算、區塊鏈等關鍵技術愈發成熟，元宇宙的發展成為可能。VR和AR提供沉浸式3D體驗；5G網絡為大規模的元宇宙設備提供高可靠和低時延連接；可穿戴傳感器和腦機接口（BCI，brain-computer interface）可使用戶在元宇宙中自由交互；人工智能（AI，artificial intelligence）可實現元宇宙中大規模應用的創建和渲染；區塊鏈和非同質化通證（NFT，non-fungible token）將元宇宙中的數據進行資產化并形成新的可信機制和協作模式，在確定數字資產的所有權方面具有重要作用，其去中心化的特征為元宇宙發展提供必要條件。

區塊鏈起源于中本聰提出的比特幣，是一個分布式、不可變、允許透明交易的賬本[2]。區塊鏈技術是現代密碼學、點對點網絡、一致性分布式存儲和智能合約的結合，可以實現數據交換、處理和存儲。共識機制是其關鍵技術，可以實現元宇宙中匿名和可靠的交易，這些規則和范式與元宇宙是相通的，區塊鏈可以作為元宇宙基礎結構體系中必不可少的一塊基石。目前，各界對區塊鏈的研究主要涉及系統模型、共識機制、數據安全與隱私、數據存儲及性能評價等，同時區塊鏈技術已經被應用于工業互聯網、數字醫療、專利保護、資產管理和政府監管等領域。那么，區塊鏈如何賦能元宇宙？元宇宙中的區塊鏈技術主要涉及哪些方面？應用過程中會出現哪些挑戰？這些問題將引發各界對區塊鏈技術的進一步思考和研究，這是本文的研究重點。

關于元宇宙有不同方面的研究。Dionisio等[3]指定了可行的3D虛擬世界（或元宇宙）的4個特征，即普遍性、真實感、可擴展性和互操作性，并討論了底層虛擬世界技術的持續改進。Lee等[4]對實現元宇宙所用到的8種技術做了綜述研究，通過討論6個以用戶為中心的因素來說明元宇宙是一個自我維持、持久和共享的虛擬世界。Ning等[5]從國家政策、產業項目、基礎設施、配套技術、虛擬現實等方面對元宇宙的發展現狀進行了介紹。Park等[6]討論了元宇宙中涉及的3個組件（硬件、軟件和內容），并回顧了元宇宙中用戶交互、實施方面的代表性應用程序。Leenes等[7]從社會和法律角度調查在線游戲《第二人生》中潛在的隱私風險。Wang等[8]從安全隱私方面分析了元宇宙將會面臨哪些安全威脅。除了以上對元宇宙的綜合性研究，研究者在醫療健康[9]、零售[10]、教育[11]、社會商品[12]和藝術[13]等社會應用方面也有一定的研究。

同時，研究者在區塊鏈與元宇宙結合方面也有一些研究。Mozumder等[14]提出了元宇宙中基于區塊鏈的數據用作可追溯數據。Yang等[15]研究了人工智能和區塊鏈技術在未來元宇宙構建中的應用潛力。Xu等[16]在區塊鏈的基礎上設計了審核元宇宙的訪問通信模型。Gadekallu等[17]通過項目展示了區塊鏈在元宇宙應用程序和服務中的作用，并研究了區塊鏈對元宇宙中關鍵技術的影響。Nguyen等[18]針對元宇宙匯總資源需求量大、互操作性強及安全隱私問題設計了基于區塊鏈的新技術框架。雖然以上研究或多或少涉及元宇宙中的區塊鏈技術研究，但并未具體指出區塊鏈應用于元宇宙的優勢及與具體應用方式相關的研究。

本文主要對元宇宙進行了概述，討論了區塊鏈的關鍵技術，從區塊鏈賦能元宇宙中數字身份和數字資產管理的角度重點分析區塊鏈應用在元宇宙中的可行性及其應用方式。本文的主要貢獻包括以下4個方面。

1) 討論元宇宙的發展、特征、核心技術及其面臨的挑戰。

2) 根據區塊鏈的關鍵技術特征和元宇宙的挑戰，對區塊鏈應用于元宇宙做可行性分析。

3) 提出一個元宇宙生態體系架構，重點分析討論自我主權身份管理模型、區塊鏈?NFT工作流程及其在元宇宙中的應用。

4) 總結并指出區塊鏈應用于元宇宙將面臨的一些挑戰和研究方向，如基礎設施、通信和計算資源管理機制、數據安全與隱私等方面。

1 元宇宙概述

1.1 元宇宙的發展

本節從元宇宙的來源出發，從不同的視角分析討論元宇宙的概念，并闡述其發展所經歷的3個階段和發展的必然性。

（1）元宇宙的來源及概念

元宇宙的概念起源于1992年出版的科幻小說《雪崩》[19]，這本小說描述了一個人們以虛擬形象在三維空間中跨越不同平臺進行沉浸式共享空間體驗并可以與各種軟件進行交互的世界，小說將此世界命名為Metaverse，“元宇宙”是單詞“Metaverse”的翻譯，Metaverse=Meta（超越）+Verse（宇宙的后綴）。元宇宙是一個虛擬的數字世界，更確切地說，元宇宙是未來的虛擬世界。電影《頭號玩家》描繪了人們向往的元宇宙的樣子，它有可以跨越實體和虛擬數字世界的完整運行的經濟體系。所有人不僅可以在這個世界享用已有的設施，而且可以通過自己參與開發、創作等來進行各種數字空間活動。

元宇宙的概念仍在不斷發展還沒有特別明確標準的定義，本文從不同視角對元宇宙的概念進行闡釋。從社會發展的視角，元宇宙是高度數字化、智能化發展下的人類社會體系新形態，將虛擬世界和現實世界的經濟系統、社交系統、身份系統進行密切融合，實現人人互聯、物物互聯、人物互聯、關系互聯、價值互聯、虛實互聯和智能互聯等多種形態的互聯；從經濟發展的視角，元宇宙是一個屬于用戶的、開放的、去中心化且具有連通性的可編輯沉浸式數字經濟系統，在此系統中數字資產由用戶創造，資產所有權完全歸用戶所有；從科技發展的視角，元宇宙是科技發展到一定程度融合各種新型技術后出現的一個虛實平行的新形態，將開啟信息化發展的新階段；從互聯網發展的視角，元宇宙被認為是繼網絡和移動互聯網革命之后的新一代互聯網發展范式，集合了各種各樣的虛擬元件，其用戶可以開發和探索這個與現實世界平行的數字虛擬世界。從本質上說，元宇宙是一場現實世界與數字世界的接口，抽象的程序界面最終會被沉浸式的體驗所代替，現實世界將通過沉浸式體驗與數字世界無縫連接。

（2）元宇宙的發展

元宇宙的發展主要包括3個階段：數字孿生、數字原生代、元宇宙[8]，如圖1所示。

圖1 元宇宙發展的3個階段

Figure 1 Three phases of the Metaverse development

數字孿生階段是制作一個由高保真的虛擬環境、人和物組成的鏡像世界，其目的是為現實世界提供一個生動的數字表示空間。這一階段涉及的組件和虛擬活動是對現實世界的模仿。數字原生代階段主要專注于原創內容的創造，數字世界中創造的內容和現實世界中的內容關聯部分具有了交集，以虛擬用戶為代表的數字原生代可以在數字世界具有自己的見解和創新，但這種狀態只存在于虛擬空間并在一定限度上會影響現實世界。元宇宙階段的數字世界逐漸成熟為一個可以將現實同化為自身的、持續的可自我維護的超現實世界，這一階段將實現數字世界和現實世界的無縫融合與共生，虛擬數字世界的范圍將比現實世界更大，可能會出現現實世界中不存在的場景和活動，因此又可以稱之為超現實階段。

由以上3個階段可以看出元宇宙的出現并不偶然而且符合事物發展規律。從社會發展的角度，元宇宙的實現是整個人類文明的一次競爭，社會發展中的內容載體、傳播方式、交互方式、參與感長期缺乏突破，而高沉浸度的元宇宙世界可實現多人實時協作和創造性游玩，這將深刻地改變人類原本的生存方式。從經濟發展的角度，元宇宙把虛擬與現實相結合，使用區塊鏈和NFT技術構建虛擬經濟體系，屬于數字經濟的一個子集，其虛擬資產市場中的虛擬服裝、虛擬土地、虛擬偶像等虛擬商品與現實疊加可以激發更廣闊的商業潛能。從技術發展的角度，元宇宙滿足VR/AR、人工智能、腦機接口、5G、區塊鏈等這些新技術的發展，能夠模糊虛擬與現實的邊界。由此可以看出，探索元宇宙是必然趨勢。

1.2 元宇宙的特征

元宇宙雖然還沒有一個確切的定義，但其具備一些各界公認的特征，而這些特征是目前任何一個網絡或系統都不具備的，本文從4個方面概括元宇宙的特征，分別是超時空化、去中心化、自由開放、沉浸交互，如表1所示。

表1 元宇宙的特征

（1）超時空化

元宇宙的超時空化特征主要體現在虛擬數字世界與現實世界的無縫融合并且虛實兩個世界之間相互平行又相互影響，可使每個用戶實現自身價值的最大化而真正擺脫現實世界的約束。首先，每個人都可以在虛擬數字世界中重塑自我形象和身份體系，使現實身份在虛擬數字世界中得到充分映射，進一步促進現實社區和虛擬社群相融合并壯大崛起。其次，虛擬資產中的數據將成為核心資產并且與現實世界中的真實資產相對應，如現實世界中的藝術品可以在元宇宙中進行拍賣、元宇宙中的房產可以對應現實世界的房產來進行售賣和租用等。同時，現實世界中的資產不僅可以平行到虛擬世界而且用戶的數字資產所有權將會得到充分保護，并促進現實世界中價值分配發生新變化。

（2）去中心化

相對于傳統互聯網中心化的運營機制，元宇宙是一個去中心化系統。元宇宙系統中所有節點交互無須通過某個特定中心節點做認證，而且每個節點都存儲系統中所有交互數據的副本。這樣節點不僅擺脫強制性的中心控制而且對自己的數據擁有管理權。同時在元宇宙中進行數據交易時，用戶是供需互換互動的孿生關系而不再有生產者和消費者的劃分，這更加體現了虛擬世界各種交互關系的透明性和公平性。

（3）自由開放

自由開放使元宇宙中的用戶不僅可以創造自己想要的身份和角色而且可以隨意出入并自由活動，同時各類用戶還可以自行去創造自己的作品并根據自己的需要給創作的內容制定規則。在這個開放的環境中，每個人的創作內容都歸自己所有并可以像真實世界一樣自由轉移買賣。除此之外，多個元宇宙系統之間又是開放的，它們相互開放自己的技術接口，讓用戶可以自由地編輯內容和自由買賣。這種自由開放式的創造和組織服務關系，將給每個用戶帶來無限的存在感和自由感。

（4）沉浸交互

沉浸式是當人們在進行某種活動時全部精神都投入當前行為之中而不被其他信息干擾或打斷，同時能夠產生高度的興奮和充實感。元宇宙中的高沉浸式主要體現在沉浸式情境與沉浸式活動兩個方面。首先，元宇宙交互情境有著比現實更豐富的感知，元宇宙中有著比現實世界更逼真唯美的環境，同時用戶在這樣的環境中不僅可以自由地來回穿梭而且體驗更自由豐富，如可以飛翔或做瞬時地理遷移，這種釋放性的體驗每時每刻都在發生變化從而使其對這種虛擬情境更加留戀。其次，元宇宙的交互活動可以讓用戶獲得更強的臨場感和體驗感，與現實世界一樣，元宇宙中的每個人都有自己的身份和朋友，同時存在開放的社交文明和經濟系統，從而使用戶可以一起專注地共處，當用戶沉浸在活動交互中時主觀的時間感會改變而感覺不到時間的流逝并且對整個交互活動過程具有主控感。

1.3 元宇宙的核心技術

元宇宙發展離不開各種新型技術的支撐，本文將影響元宇宙發展的關鍵核心技術概括為：區塊鏈技術、VR/AR及傳感技術、人工智能技術、移動通信技術和泛在計算技術。元宇宙的核心技術如圖2所示，這些技術的綜合運用將給元宇宙的建設提供強大保障。

區塊鏈技術的去中心化特質可以將元宇宙中的數據進行資產化并形成新的可信機制和協作模式。其中共識機制和各種加密機制是實現區塊鏈去中心化的關鍵技術，確保所有參與者無須經過中央權威機構驗證而直接進行交互[20]，這符合元宇宙去中心化的特征。智能合約由事件驅動，具有自動化、可編程、不易篡改等特性，能夠封裝區塊鏈系統中各節點的復雜行為[21]，未來可以作為元宇宙中的智能軟件代理機器人。NFT是鏈下資產的鏈上憑證，將成為元宇宙中數字資產確權的令牌，通過NFT可實現虛擬資產和現實資產的交互[22]。除此之外，去中心化自組織（DAO，decentralized autonomous organization）、去中心化金融（DeFi，decentralized finance）等區塊鏈應用將進一步激發創作者經濟時代，并確保宇宙中的交互具有完整性、透明性和確定性，從而形成一個健康連通的虛擬生態環境。

圖2 元宇宙核心技術

Figure 2 Core technology of the Metasverse

從技術演進的角度來看，現階段元宇宙最有可能依托VR/AR來實現。具有代表性的元宇宙應用中[23]，區塊鏈、VR/AR和人工智能都是其核心技術，如表2所示。其中VR/AR及傳感技術是通往元宇宙的關鍵接口，AR可以將數字信息疊加在物理環境上，而VR則可以讓用戶生動地體驗數字世界[24]。其中主要涉及的關鍵技術有：環境建模技術[25-27]、立體聲合成和立體顯示技術[28-30]、觸覺反饋技術[31-32]、交互技術[33-36]等。同時集合VR頭戴式設備、運動追蹤設備、超移動設備等硬件設備可以催生多種應用場景，一定程度上可以增強用戶的沉浸式體驗，進而改變用戶與數字世界的交互方式實現虛實共生。

人工智能可以用智能化的方式廣泛聯結各領域知識與技術，已成為新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力。元宇宙中人工智能將更多地承擔輔助內容生產的工作，如機器學習[37]、計算機視覺[38]、智能語音[39]等技術的應用可以降低用戶內容創作門檻，同時加速內容生產和分發進程，豐富元宇宙的內容生態，滿足不斷發展的元宇宙對優質內容的需求。

表2 元宇宙的應用

泛在計算技術是邊緣計算[40]、智能計算[41]、云計算[42]等技術的總稱，由計算機、服務器、高性能計算集群和各類智能終端來承載。其為元宇宙中無處不在的信息獲取、監控、眾包、擴增實境、生物識別等提供支持，推進信息化構建模型與現實世界保持適用和同步，保證元宇宙中各種高性能交互對算力的需求。因此，泛在計算是未來元宇宙世界最重要的基礎技術資源之一。

5G/6G具有超容量、低時延等特點，為元宇宙中海量連接和各種低時延高并發交互提供通信保障[43]。這意味著無論在何時何地都將更容易地傳輸視頻、音頻等信號，從而模糊物理世界和數字世界之間的界限，進一步助力元宇宙中的沉浸式感官體驗。

綜上所述，區塊鏈技術、VR/AR及傳感技術、人工智能技術、移動通信技術和泛在計算技術在元宇宙發展建設中都起著舉足輕重、不可替代的作用，各種新型互聯網技術之間如何無縫融合或許將成為未來探討的重要方向。

2 區塊鏈技術介紹

區塊鏈是一種利用塊鏈結合式數據結構來存儲和驗證數據、利用共識算法來生成和更新數據、利用密碼學方式保證數據傳輸和訪問的安全、利用自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的全新的分布式基礎架構和計算范式。本節主要從區塊鏈的區塊結構、共識機制、智能合約3個方面來闡述區塊鏈的關鍵技術。

2.1 區塊鏈的區塊結構

區塊鏈上一個完整的存儲單元由區塊頭和區塊體組成，被稱為區塊，其結構如圖3所示。

圖 3 傳統的區塊結構

Figure 3 Traditional blocks Structure

區塊體存儲主要交易內容信息；區塊頭所占空間一般較小，主要存儲當前區塊的特征值，包括哈希值、Merkle根、時間戳、難度值和隨機值等，這些字段一般與驗證相關。其中哈希值是前一個區塊的哈希；時間戳是生成當前區塊的時間，可以證明區塊的存在，也是鏈上區塊排序的依據；難度值由當前鏈上共識算法設置，隨機值是通過共識算法解出的；Merkle根是區塊鏈溯源的重要組件，每個區塊中的交易會根據時間順序進行分組哈希，通過遞歸計算出哈希值并以Merkle樹的結構形式存儲在區塊體中，最后生成Merkle根存儲在區塊頭中。

由區塊結構可以看出區塊頭里的相關數據決定了區塊鏈中的區塊是不可偽造和不易篡改的，保證了去中心化交易的信任度。生成Merkle樹的哈希函數具有單向性和抗碰撞性，這使區塊鏈的安全性得到充分的保障。另外在區塊鏈上進行交易時還需要簽名和認證機制，這些機制采用的是非對稱加密技術，很大程度上確保了區塊鏈交易和數據的隱私性。但是，當面對龐大的數據量時，區塊鏈可擴展性方面的能力明顯不如中心服務器，因此，很多研究者對區塊鏈的鏈式結構進行了分析和改進，嘗試使用有向無環圖（DAG，directed acyclic graph）結構代替鏈式結構以提高其存儲能力。Cao等[44]提出了一種基于DAG的區塊鏈系統授權框架，并設計了與其相關的兩種算法和共識機制，Wang等[45]對基于DAG的IOTA網絡的特性、功能、性能、安全方面進行了分析，并指出基于DAG的模塊化設計還有待于進一步研究。Gai等[46]提出了一個BlockDAG模型，并為其設計了一種共識機制，進一步給出了核心算法——BlockDAG排序算法和塊合并算法。Xie等[47]在給出結合有向無環圖和分片的區塊鏈擴展方案的基礎上，設計了一種計算效率高的共識算法，提高了資源利用效率。以上研究進一步表明了基于有向無環圖的數據結構更適合物聯網應用和大數據應用，元宇宙數據時代更需要區塊鏈的高存儲，因此對于區塊鏈的擴展性還有待進一步研究。鏈式結構與有向無環圖結構的比較如表3所示。

表3 鏈式結構與有向無環圖結構的比較

2.2 共識機制

共識機制決定了節點是否擁有區塊打包權，每個競爭打包權的節點必須遵守這套共識規則，這套規則是系統事先設定好的、每個節點公認的、公平的競爭制度。其本質是共識算法，核心要素是達成一致、公平公正、容錯機制、激勵機制。接下來通過闡述區塊鏈上的共識交易過程，討論共識機制的工作原理、分類、改進方法及存在的問題。

2.2.1 共識交易

區塊鏈系統采用點對點的交易形式，與傳統的中心化交易不同，整個交易過程不需要第三方驗證，系統中所有節點集體監督交易結果，本文將這種交易稱為共識交易。共識交易中不存在特殊的中心節點，每個節點既需要驗證轉發交易又需要維護交易記錄。去中心化交易流程如圖4所示。

交易發起方首先產生一筆交易，然后廣播到點對點（P2P，peer to peer）網絡中，網絡中收到交易的節點會對交易信息進行驗證，驗證內容包括：發起交易方的身份、雙花問題和資產的合理性等。經過一定量的節點驗證無誤后，此筆交易就會被放入交易池中等待打包入塊。此時，網絡

中的所有節點都在為獲得打包塊的權利，努力克服一系列難題，最終獲得打包權的節點從交易池中按照交易時間順序打包成區塊上鏈，上鏈后并再次廣播到P2P網絡中，以致系統中的節點存儲新的區塊，完成整個交易。

圖4 去中心化交易流程

Figure 4 Process of decentralized transaction

2.2.2 共識算法

在去中心化交易過程中最關鍵的是共識算法的執行，目前已經有大量研究者對共識算法進行了研究，并從不同的角度進行了分類，如隨機類、證明類、選舉類和混合類共識算法[22]。共識算法分類如表4所示，這些共識算法大部分是基于工作量證明（PoW，proof of work）和權益證明（PoS，proof of stake）的共識，每個共識算法的最終目的都是選出打包區塊的節點（又稱記賬節點）。

表4 共識算法分類

注：權益流通證明（PoSV，proof of stake velocity）；燃燒證明（PoB，proof of burn）；委托權益證明（DPoS，delegated proof of stake）；實用拜占庭容錯（PBFT，practical Byzantine fault tolerance）；授權拜占庭容錯（DBFT，democratic Byzantine fault tolerance）；時間流逝證明（PoET，proof of elapsed-time）；活動證明（PoA，proof of activity）。

由于在算法設計上很難克服公平、安全、效率的不可能三角問題，所以已有的對共識算法的研究和改進主要集中在以下幾個方面：通過調整工作量難題參數或隨機函數類型來優化區塊鏈系統的整體性能；通過權益證明和工作量證明相結合，減少能耗浪費和提高吞吐量；通過共識算法和分片技術相結合，從不同的角度提高區塊鏈的擴展性等。隨著研究者不斷地對共識算法進行研究和改進，共識算法在性能方面已有了很大的提升，但還存在一些問題：共識效率低，如共識速度；工作量證明共識算法存在算力集中化、選舉性能低、資源浪費等，這些問題雖然有了改進，但離實際需求還有一定的距離，同時改進共識算法后也會帶來區塊容量變大、出塊時間加長等；權益證明類共識算法一定程度上解決了資源浪費的問題，但還存在一些安全性問題，如無權益攻擊、粉碎攻擊等。由此可以看出，共識算法在安全性、能耗、可擴展性、出塊速度等方面還需要進一步研究和提高。并且在整個共識過程中獲得記賬權的節點會得到一些獎勵，稱與獎勵相關的措施為激勵機制。激勵機制用來激勵系統中所有的節點活躍起來競爭記賬權，從而確保每一筆交易都可以上鏈，并縮短上鏈時間，那么共識算法和激勵機制適配結合的研究或許將成為需要關注的一個重要方向。

2.3 智能合約

智能合約可理解為由計算機程序自動執行的智能合同，這份合同需按照預設合約條款擬定并部署到區塊鏈上。其具有可編程性、不易篡改性和去信任等特性，有了智能合約可以在不需要第三方參與的情況下，通過執行合約條款嵌入各種數據、交易資產、管理數字資產等。智能合約具有可編程性和自動執行性，并可以封裝區塊鏈網絡中各節點的復雜行為，因此可以作為虛擬世界中的智能軟件代理機器人。智能合約通常具有以下功能：

1) 使用特定操作自動激活事務，事務在回應他人時傳輸或在預定的時間自動傳輸；

2) 支持多重簽名的交易，但需要重要參與者全都驗證簽名后，交易才會被分發；

3) 可以為特定應用程序的數據提供存儲空間，類似于成員記錄、布爾值或列表狀態；

目前對智能合約的研究主要集中在智能合約的開發、安全、漏洞檢測等方面，Huang等[59]從生命周期的角度對智能合約的安全漏洞問題進行了分析總結，并提出在開發智能合約時需要從安全設計、安全實現、部署前測試、監測和分析4個階段檢測安全漏洞。文獻[60-62]提出了智能合約執行并行模型，以此來提高區塊鏈的吞吐量。Dusdar等[21]提出了彈性智能合約的參考架構，并在物聯網環境下實現多個區塊鏈之間的分析。Cai等[63]針對區塊鏈智能合約對量子攻擊的安全性能，提出了一種基于輕量級量子盲簽名的智能合約，給出了智能合約量子盲簽名的生命周期和簽名規則。元宇宙中的各種交易依賴于智能合約同時會對智能合約提出新的要求，這給智能合約進一步的研究提出新的挑戰。

3 區塊鏈應用于元宇宙的可行性分析

通過對區塊鏈的關鍵技術分析可以看到區塊鏈中的很多規則范式與元宇宙是相通的，本節主要討論區塊鏈的分類及關鍵特征和元宇宙發展過程中面臨的挑戰，從區塊鏈本身特征和區塊鏈與元宇宙中其他技術融合兩方面分析區塊鏈在元宇宙中的應用優勢。

3.1 區塊鏈的分類及關鍵特征

根據區塊鏈的開放程度可以分為以下3類：公有鏈、聯盟鏈和私有鏈[64]。3類區塊鏈性能的對比如表5所示。

表5 不同類型區塊鏈的對比

公有鏈中任何節點都可以自由進出網絡并參與打包新區塊和維護區塊的內容，網絡中不存在任何中心化的服務端節點，是一個全公開的鏈；聯盟鏈是指定的多個組織機構中的節點可參與的區塊鏈，其數據只允許系統內不同組織進行記錄維護，是一個半公開的鏈；私有鏈中的節點加入網絡需要授權并且各個節點的讀寫權限都會受到控制，是一個非公開的鏈。

元宇宙是一個完全去中心化開放自由的虛擬空間，因此通過3類區塊鏈性能的對比可以看出公有鏈應用于元宇宙的可能性最大。

區塊鏈技術是現代密碼學、點對點網絡通信、一致性分布式存儲和智能合約的結合，在數據管理方面具有一些顯著的特征，本節主要從去中心化、透明性、不易篡改性、抗抵賴性、可追蹤性、持久性、可審核性和匿名性8個方面來總結說明，如表6所示。

表6 區塊鏈的關鍵特征描述

3.2 元宇宙發展的挑戰

元宇宙是充分開放自由的虛擬數字世界，雖然現實中一些應用已經具備了元宇宙的某些性能，但距離其成熟仍然還需要一段時間，在這個發展過程中存在著各種各樣的挑戰。

（1）安全與隱私

元宇宙中的安全和隱私問題是阻礙其進一步發展的主要因素。從海量數據流的管理、無處不在的用戶活動分析、人工智能算法的不公平結果到物理基礎設施和人體的安全，都有可能會出現廣泛的安全破壞和隱私侵犯。首先，元宇宙是各種新型技術的集成，這些新技術的弱點和內在缺陷也將被元宇宙繼承，如可穿戴設備或云存儲被劫持、虛擬“貨幣”被盜、人工智能制造假新聞等新型技術風險事件層出不窮。其次，在各種技術交織的驅動下，現有威脅的影響在虛擬世界中會被放大并變得更加嚴重，甚至可能會滋生物理和網絡空間中不存在的新威脅，如虛擬跟蹤和虛擬“間諜”[7]。特別是元宇宙中為了使用AI算法構建虛擬場景，用戶將不可避免地佩戴內置傳感器的可穿戴AR/VR設備，全面收集腦電波模式、面部表情、眼動、手動、語音和生物特征以及周圍環境。這些構建真實世界的數字副本所涉及的個人數據將更細粒度地無處不在[66]。此外，用戶需要在元宇宙中被唯一識別，這意味著耳機、VR眼鏡或其他設備可以被非法用于跟蹤用戶的真實位置，甚至黑客可以利用系統漏洞和入侵設備，并將其作為切入點入侵現實世界的設備，以威脅個人安全和基礎設施，如通過高級持續威脅攻擊家用電器、電網系統、高速鐵路系統和供水系統等[57]。

（2）身份認證管理

隨著人工智能的發展，人類和機器人之間的區別越來越小，導致深度造假無處不在并且相對容易實施，身份驗證和授權問題很容易在元宇宙中升級，因此元宇宙中需要為身份驗證提供保障，同時防止黑客攻擊其他虛擬角色。

（3）數據激增與濫用

互聯網數據增長一直呈上升趨勢，元宇宙中將會產生更大量、更多樣、更隱私的數據，如通過使用可穿戴傳感器和其他智能設備將現實世界的用戶基本信息及環境敏感信息等數據輸入元宇宙，同時這些數據可能被大量應用程序訪問，在存儲和使用這些數據時可能會被黑客利用或泄露。

（4）計算智能

為了獲得高質量的元宇宙體驗，處理數據的能力需要進一步增強，不僅涉及數據操作、傳輸和存儲而且需要支持多用戶高并發。云計算需要增加計算能力，同時邊緣端設備需要更高的計算智能和效率。

（5）數據結構復雜

元宇宙中為實現用戶與虛擬形象/環境之間的交互需要安全融合大量多模式用戶敏感的大數據，同時其超時空性極大地增加了信任管理的復雜度和難度。隨著現實與虛擬的界限日益模糊，監管和取證更容易混淆現實和虛構，如Deepfake事件[68]。

（6）互操作性和擴展性

用戶需要在不同場景和模式下自由地并發穿梭和活動，這就需要透明的元宇宙系統和輕量級的、易于訪問及可遷移的工具，但目前大型虛擬數字世界使用的幾乎都是高度異構的軟硬件和通信結構，這限制了元宇宙的互操作性和可擴展性。

3.3 區塊鏈應用在元宇宙中的優勢

結合元宇宙發展的挑戰，區塊鏈在元宇宙中將是一個很有前途的解決方案[17]，如圖5所示。區塊鏈的關鍵優勢是去中心化的共識機制，該機制適合元宇宙開放自由地創造和交互，智能合約可以自動化管理元宇宙各種用戶之間的復雜交互等。本節主要從區塊鏈本身特征和區塊鏈與元宇宙中其他技術融合兩方面闡述區塊鏈在元宇宙中的應用優勢。

圖5 區塊鏈應用于元宇宙

Figure 5 Blockchain applied to the Metaverse

3.3.1 區塊鏈本身的特征優勢

區塊鏈本身的特質使其在金融服務、征信權屬管理、資源共享、供應鏈管理和公共網絡服務方面具有很大的應用價值[69]。區塊鏈本身的關鍵技術屬性符合元宇宙中基本組件的需求，除此之外，區塊鏈具有的一些特征可以促使元宇宙良好健康地發展，主要體現在以下幾個方面。

（1）安全性與隱私性

用戶信息的安全性與隱私性是元宇宙中用戶和服務的關鍵問題，區塊鏈技術是現代密碼學、點對點網絡通信、一致性分布式存儲和智能合約的結合，可以在沒有第三方權威機構認證的情況下保護元宇宙用戶和服務提供商的資產和活動[70-71]。首先，用戶將自己沉浸在虛擬世界中會產生大量的用戶私有數據和內容，如游戲道具、數字收藏品和交互數據等。通過區塊鏈技術將元數據和媒體數據上鏈存儲，這些數據內容成為數字資產，可以使用區塊鏈和NFT證明其所有權和唯一性。區塊鏈對鏈上所有交易信息具有抗抵賴性、不易篡改性，這在一定程度上可以保護元宇宙中交互數據的隱私和安全。其次，在構建和維護元宇宙期間，由物聯網設備或傳感器支持的虛實同步數據被記錄為區塊鏈中的事務。這些與虛擬角色相關的數據和邊緣資源可以通過區塊鏈以安全互操作的方式管理。再次，區塊鏈涉及的隱私保護方法主要有：混淆機制、零知識證明、同態加密、環簽名、通道隔離、權限限制、承諾方案、基于屬性加密[72]及按需披露的隱私保護機制[73]等，并且區塊鏈還可以與隱私計算技術結合，一定程度上減少算力開銷，具備良好的信息隱蔽性[74]。

（2）抗抵賴性和可審核性

區塊鏈的抗抵賴性和可審核性是元宇宙去中心化經濟系統的基礎，元宇宙中的“貨幣”、商品和轉賬記錄等與交易相關的信息都被永久地記錄在區塊鏈中，這些記錄不僅防篡改而且可對商品進行追蹤審核，為元宇宙中的數字經濟提供保障。

（3）透明性和匿名性

區塊鏈中上鏈的商品和服務信息都具有透明性并且參與的節點都可以開放獲取，這解決了傳統網絡的信息不對稱問題，滿足元宇宙中各種信息的開放特性。另外，因為區塊鏈上的所有交易都是加密簽名且地址屬于匿名交易，因此區塊鏈用戶的匿名性可最大程度上保護元宇宙中用戶的隱私。

（4）可擴展性和互操作性

元宇宙的可擴展性允許大量用戶同時沉浸在元宇宙中，同時互操作性允許不同元宇宙用戶之間進行無縫交互，因此，區塊鏈中的共識機制和智能合約一定程度上滿足可擴展性和互操作性，但對于各應用之間的跨鏈操作技術，目前還不是特別成熟。

（5）公平性和平等性

區塊鏈的去中心化特質可以使元宇宙中的用戶無論其在現實世界中的物理屬性是怎樣的都可以擁有公平和平等的體驗。

（6）數字資產的所有權

創作者經濟是元宇宙中經濟特征的重要組成部分，元宇宙的所有參與者將成為這個虛擬世界中數字內容的創造者（UGC，user-generated content）[75]，其唯一性和所有權可以通過區塊鏈中的NFT來確認和交易。

3.3.2 區塊鏈與其他技術融合

區塊鏈應用于元宇宙除了本身的特征優勢外，其與元宇宙中其他關鍵技術融合也顯示出極大的潛力，可以促進構建虛擬世界中各種應用程序和服務的沉浸式體驗。本小節主要討論區塊鏈與VR/AR及智能傳感技術、人工智能技術和其他技術的融合。

（1）區塊鏈與VR/AR及智能傳感技術

VR/AR及智能傳感技術通過提供元宇宙中虛擬對象和真實物理對象的實時表示而賦予元宇宙身臨其境的真實體驗。然而，利用這些技術收集的數據信息來源復雜且可能含有大量與用戶隱私相關的敏感數據，同時這些數據在各種傳感設備之間交換、傳輸或共享時可能會有利益沖突或安全威脅，因此這些數據應該具有透明性和可追蹤性，那么可以通過建立基于區塊鏈的應用程序記錄并追蹤數據來源確保數據的合理性和安全性，區塊鏈的共識機制確保各種數據的驗證和AR/VR利益相關者之間的信任[76]。

（2）區塊鏈與人工智能技術

元宇宙需要通過人工智能技術輔助內容生產和人機交互來滿足不斷發展的需求，如角色創建、語言處理等。人工智能可以降低內容的生產成本，因此元宇宙會大量使用各種復雜的AI應用程序，但AI應用程序有時可能會犯錯或出現不公平決策，甚至會出現深度造假和資源濫用的問題[77]，這可能導致用戶對元宇宙失去信任。區塊鏈技術可以幫助元宇宙用戶在控制自己的私有數據的同時避免深度造假，用戶通過零知識證明可以在不透露私有信息內容的情況下給AI應用程序提供特定信息。區塊鏈還可以提供審計跟蹤來檢查元宇宙中所有發生的事務的可靠性，使元宇宙中從粗粒度到細粒度的敏感數據和信息得到更好的保護。

（3）區塊鏈與其他技術

首先，元宇宙中的通信基礎設施必須滿足前所未有的服務水平要求，如超高的數據速率、通信量等，6G軟件化、虛擬化和云化的運行模式可以促進敏捷高效的管理和網絡編排，但同時會導致網絡可靠性低、出現安全漏洞、數據隱私性低和多訪問控制等安全性問題[78]。區塊鏈技術可以通過共識機制實現去中心化并消除單點故障提高抗攻擊能力，同時鏈上交互存在可追溯性和不易篡改性，因此區塊鏈可以為未來網絡提供信任基礎。其次，邊緣計算和云計算等技術可以保證元宇宙中各種高性能交互對算力的需求，而在實際運行中邊緣計算會把云資源和服務擴展到網絡的邊緣并分布在網絡的另一端，存在去中心化管理和安全性低的問題。將區塊鏈和邊緣計算集成到一個系統中，可以對分布在邊緣的網絡、存儲和計算進行可靠的訪問和控制，從而安全地提供近端大規模的網絡服務器、數據存儲和有效性計算[79]。

圖6 元宇宙生態體系架構

4 區塊鏈在元宇宙中應用

區塊鏈在元宇宙中具有一定的應用優勢，本節通過介紹元宇宙生態體系架構來討論元宇宙生態中各模塊之間的協作過程，并重點說明區塊鏈在此生態體系中的作用。從元宇宙交互中涉及的數字身份管理和數字資產管理兩個核心方面分析區塊鏈在元宇宙中的應用。

4.1 元宇宙生態體系架構

元宇宙虛擬世界是綜合運用多種技術，實現物理空間和數字空間的無縫融合，本文從元宇宙空間交互完整性角度提出一種元宇宙生態體系架構，如圖6所示。元宇宙生態體系中有現實空間、虛擬空間、核心技術和建設基礎4個模塊，在這個生態中各模塊不是獨立的而是相互聯系相互影響的，虛擬空間和現實空間的內容和事務相互影響和映射，現實空間中的數據資料需要通過核心技術模塊的計算處理傳入虛擬空間，同時核心技術模塊又是虛擬空間良好運行的技術支撐，建設基礎模塊不僅是虛擬空間和核心技術的基礎，而且離不開核心技術的支撐。

（1）現實空間模塊

現實空間主要是現實世界中各種數據要素和資料的產生過程，現實世界中的人主要通過擴展現實（XR，extended reality）或腦機接口技術（BCI，brain computer interface）與物聯網感應器（如手機、VR眼鏡、汽車等）進行交互來產生一定的生活數據，如行程數據、數字產品使用偏好等，這些數據將在各種網絡中進行傳輸，同時與服務器相關的計算設施會對這些復雜的數據進行計算分析和分類，從而形成初步的數據資料。很多組織機構將這些數據資料視為不可忽視的財富。首先，這些數據資料經過核心技術模塊中智能計算層的分析和計算可以支撐虛擬空間的建設。其次，虛擬空間中的各種數字虛擬活動又會影響到現實人類社會的發展。此模塊主要涉及硬件設備的開發、通信設備的建設范式、腦機結構技術的創新、大數據智能分析等新型技術。

（2）核心技術模塊

本文把核心技術模塊分成3個層次：去中心化層、數字孿生層和智能計算層，這3層之間互為基礎和支撐。首先，去中心化層主要涉及區塊鏈技術，區塊鏈在此不僅為元宇宙提供去中心化的經濟交易支持，而且通過智能合約、共識、加密等技術還可以提高各種虛擬數字活動之間的交互性和安全性，通過NFT確認數據資產的所有權。其次，數字孿生層主要涉及數字孿生技術，這種技術應用于網絡可以創建物理空間的虛擬鏡像，即搭建數字孿生網絡平臺，此平臺能夠助力網絡實現低成本試錯、智能化決策和高效率創新，這樣通過現實空間和數字孿生技術實時交互、相互影響。最后，智能計算層主要涉及人工智能、云計算、邊緣計算等技術，人工智能技術更多地承擔輔助內容生產的工作，可以降低用戶內容的創作門檻。智能計算主要為虛擬數字空間中無處不在的信息獲取、監控、眾包、擴增實境、生物識別等提供支持，推進信息化構建模型與現實世界保持適用和同步。此模塊主要涉及機器學習、計算機視覺、智能語音、邊緣計算、云計算等技術。

（3）虛擬空間模塊

虛擬空間是元宇宙生態的基本組成部分，主要由數字用戶和數字活動兩部分組成，數字用戶可以認為是人類在元宇宙中的虛擬化身，是現實人類的映射，數字用戶可以通過虛擬數字空間中的各種應用程序創造內容，如購物清單、拍賣記錄、辦公數據、游戲娛樂偏好等數據資料。這些數據資料會影響到現實空間人類的生活，如在現實空間中可以根據大量的購物清單分析用戶的購物喜好，加大對某種商品的生產。虛擬數字空間是數字用戶寄生的場所并時刻為每個數字用戶提供各種各樣的虛擬服務。此模塊主要涉及數字用戶管理和虛擬應用程序開發技術。

（4）建設基礎模塊

此模塊是虛擬數字空間和核心技術的基礎，類似于很多分層框架里的物理層，主要包括物理實體、邏輯規則和基礎材料，如光纖、無線通道、各種各樣的協議等，主要為數據傳輸提供信道通路，數據通路可以是一個物理媒體，也可以是多個物理媒體的組成。此模塊主要涉及各種接口標準的設定、無線通道的建設、各種傳輸協議規則的制定等。

4.2 數字身份管理

數字身份是數字世界中節點用戶的標識，身份信息分散在各種應用程序中，由多種不同屬性信息組合并映射節點用戶的真實身份，其屬性信息包括交易信息、社交信息、娛樂信息等，屬性信息越全面數字身份就越完整。用戶實體在虛擬數字世界的行為越來越豐富從而形成一個新的自我，新自我是用戶實體在虛擬數字世界的演繹和延續也是一種重生。擁有自主主權的數字身份是在虛擬數字世界活動的必要條件，這符合元宇宙的應用需求。

（1）數字身份定義

數字身份在數字世界中代表一組特定實體的數字序列，是將真實身份信息濃縮為數字標識的一組特定的數字序列代碼，是連接物理世界和虛擬數字世界的基礎設施，是一張通往虛擬數字活動的通行證[80]。元宇宙中通過簽署一個經過驗證的數字身份就可以在其中從事任何形式的活動，如社交、娛樂、投資、買賣等，如同人們在現實活動空間中會使用身份證等有效證件來證明自己或鑒別他人。元宇宙中的數字身份很重要，它代表用戶的身份、真實性和所有權[81]。

（2）數字身份形式

數字身份是物理世界到虛擬數字世界的身份映射，如果數字身份散亂，則基于數字身份產生的數據將無法統計和追溯也就無法開展數據治理工作。隨著互聯網的出現和普及，數字身份的形式經歷了3個階段：中心化數字身份、聯盟數字身份、去中心化數字身份[82]。3種數字身份的相關特點、表現形式和存在的問題如表7所示。

表7 3種數字身份的比較

（3）去中心化數字身份

去中心化數字身份主要包括：身份標識、身份認證、身份隱藏3個要素。其中，身份標識是用戶節點身份的憑證是數字資產擁有權的基礎，身份認證和身份隱藏為交易中的隱私保護提供有力保障[83]。身份標識證明本人身份的憑證，區塊鏈系統中的身份標識大多基于非對稱密碼算法來實現，根據區塊鏈系統開放程度的不同，其身份標識方法存在著一定的差異，區塊鏈上使用的身份標識方法主要有三種：公鑰身份標識、數字證書身份標識、去中心化身份（DID，decentralized identity）標識。公鑰身份標識大多基于公鑰密碼體系的橢圓曲線密碼算法來構建用戶。聯盟鏈更關注強監管環境下客戶身份識別，采用的是數字證書標識身份，這種身份識別方式是基于數字證書的身份管理機制。DID標識是一種新的可以支持驗證的去中心化數字身份標識方法，具有全局唯一性、高可用性、可解析性和加密可驗證性[84]，通常與加密機制關聯建立安全通信。

身份認證在區塊鏈系統中通過確認交易者身份的過程來確定該用戶是否具有對數字資產數據的訪問和使用權限[85]。區塊鏈系統中的身份認證方式有三種：匿名認證、實名認證、可控匿名認證[86]。匿名認證是消息的發送方和接收方都是匿名的，區塊鏈系統通過加密技術隱藏交易雙方的地址、金額等內容，以致不能判定交易者的真實身份。實名認證是一種對用戶信息真實性進行的驗證審核，目的是實現用戶的準入控制，認證過程必須符合交易監管要求。目前大多數聯盟鏈要求用戶進行實名認證。可控匿名認證是根據實際監管的需求，在保護合理匿名需求的同時可以恢復交易者真實身份的過程，既解決了隱私保護的問題又使整個交易過程監管可控。

身份隱藏主要是交易過程中不透露任何與身份相關的信息，其目的是保護用戶身份隱私，區塊鏈中的身份隱藏技術主要有混幣機制和無標識交易技術。混幣機制是指在交易過程中增加中間環節對多個交易進行混淆，從而增加攻擊者的分析難度，保護用戶身份隱私[87]。無標識交易技術是指在鏈上資產的表示，如UTXO中不包含資產所有者的身份標識，資產權屬變更過程中的交易確認是由用戶采用資產表示中的秘密因子進行相應的密碼運算來完成的，接收方通過密碼運算的結果來判斷資產權屬和交易的正確性。

（4）自我主權身份應用模型

自我主權身份通常不是一個全局的、絕對的結構，用戶通過此身份可以完全控制自己的個人信息并可以根據需要共享自己希望共享的信息[88]。區塊鏈技術的去中心化網絡設施，可以幫助節點用戶實現一個自我主權身份從而讓用戶控制自己的信息。基于區塊鏈構建的自我主權數字身份應用模型由4部分組成：簽發者、持有者、驗證者、憑證文檔相關信息，如圖7所示。

模型中的簽發者、持有者、驗證者可以是任意設備、應用、個人或者組織，他們之間的關系是簽發者向持有者簽發可驗證憑證，持有者向驗證者共享出示其身份文檔信息。例如，由學生（持有者）、公司（驗證者）、學校（簽發者）組成的應用模型中，數字身份持有者（學生）擁有自己的簡歷文檔信息，那么學校（簽發者）會校驗其簡歷中學歷的準確性，公司（驗證者）會根據自己的招聘需求查詢學生（持有者）身份憑證信息，判斷其是否滿足用人需求。模型的整個流程如下：首先，數字身份持有者需要在區塊鏈網絡上注冊自我主權身份，然后擁有加密的身份憑證數據、加密的可驗證憑證和證書憑證；其次，數字身份簽發者也需要到區塊鏈網絡中注冊，然后向持有者簽發證書、可驗證憑證等聲明并同時把這些聲明發行上鏈，并進一步生成可驗證憑證；再次，數字身份驗證者在區塊鏈上注冊后，根據出示的證書和聲明來查詢區塊鏈網絡上存儲的相關憑證，從而驗證持有者的身份。

圖7 自我主權數字身份應用模型

Figure 7 Self-sovereign digital identity application model

已有很多研究者對基于區塊鏈的自我主權身份在互聯網、物聯網、車聯網等領域的應用進行了研究，并證明了其在身份認證方面的有效性、可行性和安全性。在互聯網環境下，Fan等[89]對基于區塊鏈的身份安全認證系統進行了仿真分析，分析結果表明：區塊鏈在頒發有效的數字證書后，能夠準證輸入公鑰的用戶身份信息，具有系統容錯性和安全性。考慮到移動互聯網中的個人隱私問題，Xu等[90]提出了一種基于區塊鏈的身份管理和認證方案，用戶使用自我主權身份實現自己的身份由自己控制，并通過實驗表明了該方案可降低撤銷和通信開銷。針對物聯網中容易發生單點故障問題，Cui等[91]研究了基于區塊鏈的物聯網多認證方案，實現了各種通信場景下的節點身份相互認證，分析表明該方案具有綜合安全性和較好的性能。在邊緣和物聯網環境下，Ma等[92]提出了一種基于區塊鏈的去中心化身份認證模型，評估證明了該方案更安全、更可靠且容錯性更強。在車聯網中針對受信任的權威機構不透明、撤銷證書的工作量大、身份驗證和消息驗證計算開銷大的問題，Lu等[93]提出基于區塊鏈的VANET保護隱私認證方案，通過使用新的MPT（Merkle patricia tree）數據結構提出了一種不帶可撤銷列表的分布式認證方法，并在Hyperledger Fabric平臺上進行了性能和有效性的評估。Malik等[94]提出了一種基于區塊鏈的車輛網絡認證與撤銷框架，通過減少對可信授權機構的身份驗證依賴，不僅降低了計算和通信開銷，而且可以快速更新共享區塊鏈分類賬本中被撤銷車輛的狀態。此外，在電網環境下，楊冠群等[95]提出了基于DID的身份管理協議，實現了實體身份的自主控制、細粒度訪問控制和可信數據交換，通過系統實驗和性能分析證明了所設計系統的可用性和有效性。

綜上可以看出，自我主權身份在區塊鏈中通過匿名化、數字證書或者可控認證等身份認證方式以及身份標識和身份隱藏技術實現數字身份的完全去中心化管理[96]是有效可行且安全的。同時符合元宇宙的去中心化和自由開放的特征，不僅使用戶節點擁有自主可控的數字身份，而且可以為元宇宙中的交互提供用戶管理基礎。

4.3 數字資產管理

元宇宙是一個屬于用戶的、具有連通性的、去中心化的沉浸式虛擬數字經濟空間，此空間存在原始數據資產、用戶創造的數字資產、現實世界平行到虛擬世界的數字資產等各種形式的數字資產。這些數字資產所有權歸用戶所有。本節從數字資產的定義和所有權形式入手，分析總結了NFT的特點以及區塊鏈?NFT的工作流程。

（1）數字資產的定義

從內容上講，網絡中一切以數字形式存儲的內容都可以成為數字資產，如各種業務流程、業務系統、電子表格、文本文件、音頻文件等數字化的運營數據都可以被認為是數字資產。從本質上講，數字資產是數字對象衍生出的一組經濟權利的集合體，是原生的、包含全量信息的、以數字形式展現和流轉的資產，如數字化后的物流單據、訂貨合同、發票等。數字資產[97]是數字經濟的中心，數字經濟是元宇宙中的經濟主體，區塊鏈技術將數字資產表達為通證，實現了現實世界的資產在虛擬數字世界的數字化表達，這是元宇宙中數字經濟的基礎。

（2）數字資產的所有權形式

區塊鏈上的數字資產形式主要有兩種：同質化數字資產和非同質化數字資產。同質化數字資產是指資產之間遵循相同的規則，具有可置換性、可分割性、可代替性等特征，如比特幣、以太幣等數字加密“貨幣”，這類資產一般具有固定的價值，交易過程中更多關注的是他們的數量而不是他們本身的特性。而非同質化數字資產與之完全相反，非同質化數字資產具有獨特性和唯一性，并且不能分割、彼此之間不能自由交換，如虛擬房屋、藝術品、游戲裝備道具等，這類資產的價值往往會隨著市場和稀缺性而出現浮動。

去中心化交易中同質化數字資產的形式較單一，主要是加密數字貨幣的形式，非同質化數字資產較豐富，音樂、電影、電視劇、課程、游戲、虛擬設備、虛擬房產、藝術品等經過數字化后，都可以作為區塊鏈上的非同質化數字資產。那么在交易過程中如何保證其“防復制”呢？2017年，以太坊上發布了一款使用NFT的加密貓（Crypto Kitties）游戲[98]，隨著這款游戲的火爆，NFT獲得了廣泛的關注。

（3）非同質化通證

NFT是與同質化通證（FT，fungible token）相對應的概念，也被稱為非同質化代幣。每一個NFT在區塊鏈中是獨一無二、不可分割、不可替代的，NFT的6個特征以及描述如表8所示。

表8 NFT的特征描述

NFT本質是一種特殊的具有稀缺性的鏈上數字資產，其用來驗證并表達數字資產的所有權，通過智能合約來實現數字資產的轉移并在區塊鏈上記錄所有權轉移的整個過程[22]。NFT是鏈下資產的鏈上憑證，將成為虛擬數字世界數字資產確權的令牌。與普通數字資產不同，NFT加密資產可以隨用隨取，也能賦予數字資產所有者真正的所有權。

（4）區塊鏈?NFT工作流程

元宇宙中的資產主要來自兩方面：現實世界中抽象后的數字資產、數字世界固有的和交互中產生的數字資產。NFT是這些資產的版權憑證，是元宇宙中資產流轉必不可少的介質，區塊鏈? NFT工作流程如圖8所示。

首先，創作者上傳作品到服務器形成NFT元數據，這些作品以圖片、視頻、音頻等形式呈現并包含ID、名稱、創作時間等一些關鍵屬性。然后，這些元數據經過區塊鏈上節點共識生成NFT憑證并可以通過智能合約進行交易。創作者可以把資產所有權通過NFT憑證轉讓給賣方，那么賣方從鏈上通過智能合約獲取到憑證后就對資產具有擁有權并可以進行交易。如果有買方購買數字資產，可以通過顯示設備（如DAPP）瀏覽觀察資產，一旦交易成功買方將從區塊鏈上得到資產所有權憑證（NFT）同時從服務器獲取資產元數據，獲取到的元數據會被買方重新存入服務器并賦予新的屬性。

目前關于NFT的相關研究較少，但基于區塊鏈?NFT的交易在物聯網、能源資產交易等系統中已實現一些具體應用。Karandikar等[100]提出了一個基于區塊鏈統一能源資產交易的系統，通過使用NFT建模實現能源資產價值交換。Sghaier等[101]引入ERC721標準下的NFT為物聯網設備提供安全的認證和授權，并在基于以太坊的私有鏈上進行了驗證。Arcenegui等[102]通過使用區塊鏈和NFT來確認物聯網設備的唯一且不可分割性，實現了物聯網設備之間的自動化交易，并保證了數據和操作的可追溯性。綜合以上流程及區塊鏈在各系統中應用可以看出，基于區塊鏈?NFT的資產交易無須通過任何第三方服務認證即可完成，這也符合元宇宙去中心化開放自由的規則，可以為元宇宙中產生的各種數據交互提供保障。

圖8 區塊鏈?NFT的工作流程

Figure 8 The working process of blockchain-NFT

區塊鏈在元宇宙中的數字身份管理和數字資產管理兩方面有著巨大的應用潛力。同時除了這兩方面的應用外，區塊鏈在元宇宙中的數據自治、去中心化金融、版權保護、智能軟件代理等方面也具有很大的發展空間，值得進一步探究。

5 未來研究方向

區塊鏈可以作為元宇宙建設的核心技術支撐。元宇宙的出現將促進各種新型技術的加速融合，本文從以下4個方面討論元宇宙中這些技術存在的挑戰并指明了未來的研究方向。

（1）基礎設施

在區塊鏈和多種分布式應用的引領下，互聯網正步入下一場革命，去中心化思想正引領著這場革命。元宇宙中應該考慮所有人的基本訪問權并將維護網絡作為自己的職責，然而，現有網絡基礎設施的固有特點不可能實現理想的去中心化。因為對于個人來說，訪問網絡從來都不是自由的，為了使互聯網實現理想的去中心化，自由和去中心化的網絡接入基礎設施的設計和建設將是一個未來研究的方向。

（2）通信和計算資源管理機制

元宇宙中的區塊鏈需要通過多方共識達成一致，這會產生大量的通信和計算資源開銷，同時計算資源將被納入元宇宙資源范圍作為元宇宙中的集成資產。以上過程需要解決兩個問題：使用區塊鏈構建元宇宙過程中，誰來為大量通信和計算成本買單；如何量化用戶或服務提供商使用的通信和計算資源，來確定元宇宙服務的成本和價格。在此基礎上，元宇宙的發展可能需要設計新的通信和計算資源管理機制。

未來，元宇宙中的通信應該是基于區塊鏈的分布式網絡，加密地址將是元宇宙提供服務的必需信息，這就導致傳統的路由協議（如IPv4/IPv6）可能不再適用，更重要的是不能根據這些加密地址精確地獲取節點連接性、鏈路容量、路徑可達性等方面的網絡拓撲。因此，設計有效的完全加密的元宇宙本地通信路由方案是一個具有挑戰性的問題。同時元宇宙通信系統中可能沒有專門的實體負責路由功能。因此，確定由誰以及如何更新、分析、存儲與路由相關的數據，從而實現數據傳輸的低時延和高可靠是一個相當具有挑戰性的問題。此外，還有一個實際問題即一些用戶節點在交互過程中可能不太愿意幫助其他人轉發數據；那么精心設計區塊鏈系統的激勵方案來激勵用戶參與路由相關的活動可能是一個解決方案。

（3）監管與隱私保護

考慮到元宇宙中用戶身份的安全與隱私，加密身份框架設計是必不可少的，同時需引發監管層面的關注，即法律應該如何監管這種加密身份。基于區塊鏈的所有信息都被加密并封裝到點對點加密隧道中，這意味著執法很難干預并可能成為犯罪活動的“保護罩”而成為執法的障礙。對于這種情況，可以在加密身份框架設計階段考慮更多的法律因素，實現逐項管制從而避免沖突的發生。元宇宙作為一個全新的領域需要建立自己的法律倫理框架來規范用戶的行為，由此從法律和工程的角度來探討和設計元宇宙的監管規則值得做進一步研究。又由于元宇宙中不僅要對實體資產進行鏈下監管，還要對虛擬資產進行鏈上監管。那么鏈上監管和鏈下監管如何相互融合進行泛中心化監管可能會成為未來需要解決的問題。

未來基于區塊鏈的加密身份和地址可能會面臨量子計算的挑戰，特別是區塊鏈中采用的公鑰方案，如RSA、ECC等在量子計算機下將喪失所有的安全性。隨著基于格的密碼學的引入，出現了許多量子證明算法，同時格密碼技術被視為下一代公鑰的基礎，幫助區塊鏈對抗基于公鑰的加密身份，防止量子攻擊。設計防量子攻擊的區塊鏈加密方案將是一個值得探討的問題。

（4）區塊鏈的可擴展性和互操作性

區塊鏈的可擴展性和互操作性是支持元宇宙廣泛連接和交互的基礎。然而，區塊鏈的可擴展性和互操作性仍處于起步階段。一些初始的擴展方案，如脫鏈、分片和跨鏈，允許區塊鏈技術提供作為元宇宙基礎設施的愿景。然而，仍然缺乏標準化的協議允許區塊鏈的可擴展性和互操作性得到有效利用和開發。標準化的可擴展性和互操作性將允許元宇宙用戶更平穩地共享3D世界，而不會中斷不同區塊鏈系統之間的遠程操作。

元宇宙中的應用程序產生的海量數據將給用戶和服務提供商帶來數據處理與存儲的挑戰，將這些UGC存儲在云端和邊緣服務器上是潛在的解決方案，因此，將區塊鏈與邊緣計算結合，從而設計智能計算框架來處理和緩存接近數據源的UGC數據值得做進一步的探討和研究。

元宇宙中的虛擬經濟系統與現實經濟系統緊密相連。元宇宙中的用戶必須先購買通信和計算資源，才能使用實體貨幣訪問虛擬數字世界，此外，元宇宙的創造者經濟允許玩家創造和銷售NFT來創造收益，用戶在元宇宙中所產生的收入可以通過互操作性返回到現實世界的實體經濟系統中。上述操作可以使元宇宙的虛擬經濟得以維持，同時實體經濟系統流通性也將大大增加，因此，探索使用新的區塊鏈技術來安全實時地同步現實和虛擬經濟系統是非常重要的。

6 結束語

元宇宙是現實物理世界和虛擬數字世界相互融合的新世界，也是人工智能、泛在計算、移動網絡、區塊鏈、VR/AR等新型互聯網技術的綜合應用場景。在元宇宙中，區塊鏈具有去中心化、透明性、不易篡改性、抗抵賴性、匿名性等特征，是元宇宙建設必不可少的技術之一。本文主要對元宇宙做了概述，從區塊鏈的關鍵技術出發，重點討論區塊鏈應用在元宇宙中的可行性分析及其應用方式，提出了元宇宙生態體系架構，并分析討論自我主權身份管理模型、區塊鏈?NFT工作流程及其在元宇宙中的應用，將為今后元宇宙中區塊鏈技術的研究提供理論基礎。

通過元宇宙可以看到區塊鏈所展現出來的巨大驅動力，需要進一步研究元宇宙和區塊鏈之間的內在邏輯。總體來說，區塊鏈在元宇宙中的應用還處于初期階段，元宇宙可能會重新定義區塊鏈并把區塊鏈技術的發展帶入一個全新階段。

[1] FACEBOOK INC. Introducing Meta: a social technology company[EB].

[2] NAKAMOTO S. Bitcoin: a peer-to-peer electronic cash system[R]. 2008.

[3] DIONISIO J D N, III W G B, GILBERT R. 3D virtual worlds and the metaverse: current status and future possibilities[J]. ACM Computing Surveys (CSUR), 2013, 45(3): 1-38.

[4] LEE L H, BRAUD T, ZHOU P Y, et al. All one needs to know about metaverse: a complete survey on technological singularity, virtual ecosystem, and research agenda[J]. arXiv preprint arXiv:2110.05352, 2021.

[5] NING H, WANG H, LIN Y, et al. A survey on Metaverse: the state-of-the-art, Technologies, applications and challenges[J]. arXiv preprint arXiv:2111.09673, 2021.

[6] PARK S M, KIM Y G. A Metaverse: taxonomy, components, applications, and open challenges[J]. IEEE Access, 2022, 10: 4209- 4251.

[7] LEENES R. Privacy in the Metaverse[C]//IFIP International Summer School on the Future of Identity in the Information Society. 2007: 95-112.

[8] WANG Y T, SU Z, ZHANG N, et al. A Survey on Metaverse: Fundamentals, Security, and Privacy[J]. arXiv preprint arXiv:2203. 02662, 2022.

[9] THOMASON J. MetaHealth-how will the Metaverse change health care[J]. Journal of Metaverse, 2021, 1(1): 13-16.

[10] BOURLAKIS M, PAPAGIANNIDIS S, LI F. Retail spatial evolution: paving the way from traditional to metaverse retailing[J]. Electronic Commerce Research, 2009, 9(1): 135-148.

[11] DíAZ J, SALDA?A C, AVILA C. Virtual world as a resource for hybrid education[J]. International Journal of Emerging Technologies in Learning (iJET), 2020, 15(15): 94-109.

[12] DUAN H H, LI J Y, FAN S ZH, et al. Metaverse for social good: a university campus prototype[C]//Proceedings of the 29th ACM International Conference on Multimedia. 2021: 153-161.

[13] NEVELSTEEN K J L. Virtual world, defined from a technological perspective and applied to video games, mixed reality, and the Metaverse[J]. Computer Animation and Virtual Worlds, 2018, 29(1): 1-22.

[14] MOZUMDER M A I, SHEERAZ M M, ATHAR A, et al. Overview: Technology Roadmap of the Future Trend of Metaverse based on IoT, Blockchain, AI Technique, and Medical Domain Metaverse Activity[C]//International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT). 2022: 256-261.

[15] YANG Q L, ZHAO Y T, HUANG H W, et al. Fusing blockchain and AI with metaverse: a survey[J]. arXiv preprint arXiv:2201.03201, 2022.

[16] XU H, LI Z H, LI Z Y, et al.Metaverse Native Communication: A Blockchain and Spectrum Prospective[J]. arXiv preprint arXiv:2203.08355, 2022.

[17] GADEKALLU T R, HUYNH-THE T, WANG W ZH, et al. Blockchain for the Metaverse: a review[J]. arXiv preprint arXiv:2203. 09738, 2022.

[18] NGUYEN C T, HOANG D T, NGUYEN D N, et al. MetaChain: A novel blockchain-based framework for Metaverse applications[J]. arXiv preprint arXiv:2201.00759, 2021.

[19] JOSHUA J. Information bodies: computational anxiety in neal stephenson's snow crash[J]. Interdisciplinary Literary Studies, 2017,19 (1): 17-47.

[20] 袁勇, 倪曉春, 曾帥, 等. 區塊鏈共識算法的發展現狀與展望[J]. 自動化學報, 2018, 44(11): 2011-2022.

YUAN Y, NI X C, ZENG S, et al. Blockchain consensus algorithms: the state of the artand future trends[J]. Acta Automatica Sinica, 2018, 44(11): 2011-2022.

[21] DUSTDAR S, FERNáNDEZ P, GARCíA J M, et al. Elastic smart contracts in blockchains[J]. IEEE/CAA Journal of AutomaticaSinica, 2021, 8(12): 1901-1912.

[22] WANG Q, LI R J, WANG Q, et al. Non-fungible token (NFT): overview, evaluation, opportunities and challenges[J]. arXiv preprint arXiv:2105.07447, 2021.

[23] XU M, NG W C, LIM W Y B, et al. A full dive into realizing the edge-enabled metaverse: visions, enabling technologies, and challenges[J]. arXiv preprint arXiv:2203.05471, 2022.

[24] KOUTITAS G, SMITH S, LAWRENCE G. Performance evaluation of AR/VR training technologies for EMS first responders[J]. Virtual Reality, 2021, 25(1): 83-94.

[25] LIUBOGOSHCHEV M, RAGIMOVA K, LYAKHOV A, et al. Adaptive cloud-based extended reality: modeling and optimization[J]. IEEE Access, 2021, 9:35287-35299 .

[26] ZHAO H J, WU B. Three‐dimensional face modeling technology based on 5G virtual reality binocular stereo vision[J]. International Journal of Communication Systems, 2022, 35(5): e4651.

[27] BRUMENT H, BRUDER G, MARCHAL M, et al. Understanding, modeling and simulating unintended positional drift during repetitive steering navigation tasks in virtual reality[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2021, 27(11): 4300-4310.

[28] LU J. Research on optical display technology of virtual reality technology based on optical image[C]//Journal of Physics: Conference Series. 2021, 1802(3): 032011.

[29] TIAN T, SONG G L, CHEN X, et al. Monocular stereo vision of image feature-aware interactive generation[C]//2021 International Conference on Computer Technology and Media Convergence Design (CTMCD). 2021: 281-286.

[30] ZHENG M, TIE Y, ZHU F, et al. Research on panoramic stereo live streaming based on the virtual reality[C]//2021 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). 2021: 1-5.

[31] CUI D, MOUSAS C. Evaluating wearable tactile feedback patterns during a virtual reality fighting game[C]//2021 IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality Adjunct (ISMAR-Adjunct). 2021: 328-333.

[32] SIM D, BAEK Y, CHO M, et al. Low-latency haptic open glove for immersive virtual reality interaction[J]. Sensors, 2021, 21(11): 3682.

[33] HUANG S S, QI D Q, YUAN J B, et al. Review of studies on target acquisition in virtual reality based on the crossing paradigm[J]. Virtual Reality & Intelligent Hardware, 2019, 1(3): 251-264.

[34] YANG L, HUANG J, TIAN F, et al. Gesture interaction in virtual reality[J]. Virtual Reality & Intelligent Hardware, 2019, 1(1): 84-112.

[35] YANG L, W U D, HUANG J, et al. Influence of multi-modality on moving target selection in virtual reality[J]. Virtual Reality & Intelligent Hardware, 2019, 1(3): 303-315.

[36] CUI D, KAO D, MOUSAS C. Toward understanding embodied human-virtual character interaction through virtual and tactile hugging[J]. Computer Animation and Virtual Worlds, 2021, 32(3-4): e2009.

[37] SARKER I H. Machine learning: algorithms, real-world applications and research directions[J]. SN Computer Science, 2021, 2(3): 1-21.

[38] GUO M H, XU T X, LIU J J, et al. Attention mechanisms in computer vision: A survey[J]. Computational Visual Media, 2022: 1-38.

[39] ALAM M, SAMAD M D, VIDYARATNE L, et al. Survey on deep neural networks in speech and vision systems[J]. Neurocomputing, 2020, 417: 302-321.

[40] CAO K, HU S, SHI Y, et al. A survey on edge and edge-cloud computing assisted cyber-physical systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2021, 17(11): 7806-7819.

[41] TONG Z, YE F, YAN M, et al. A survey on algorithms for intelligent computing and smart city applications[J]. Big Data Mining and Analytics, 2021, 4(3): 155-172.

[42] ABDULQADIR H R, ZEEBAREE S R M, SHUKUR H M, et al. A study of moving from cloud computing to fog computing[J]. Qubahan Academic Journal, 2021, 1(2): 60-70.

[43] JIANG W, HAN B, HABIBI M A, et al. The road towards 6G: a comprehensive survey[J]. IEEE Open Journal of the Communications Society, 2021, 2: 334-366.

[44] CAO M R, CAO B, HONG W, et al. DAG-FL: direct acyclic graph-based blockchain empowers on-device federated learning[C]//ICC 2021-IEEE International Conference on Communications. 2021: 1-6.

[45] WANG T Y, WANG Q, SHEN Z Y, et al. Understanding intrinsic characteristics and system implications of DAG-based blockchain[C]//2020 IEEE International Conference on Embedded Software and Systems (ICESS). 2020: 1-6.

[46] GAI K K, HU Z Y, ZHU L H, et al. Blockchain meets DAG: a BlockDAG consensus mechanism[C]//International Conference on Algorithms and Architectures for Parallel Processing. 2020: 110-125.

[47] XIE J, ZHANG K, LU Y L, et al. Resource-efficient DAG blockchain with sharding for 6G networks[J]. IEEE Network, 2022, 36(1): 189-196

[48] LI J R, WOLF T. A one-way proof-of-work protocol to protect controllers in software-defined networks[C]//Proceedings of the 2016 Symposium on Architectures for Networking and Communications Systems. 2016: 123-124.

[49] GANESH C, ORLANDI C, TSCHUDI D. Proof-of-Stake protocols for privacy-aware blockchains[C]//Proceedings of the 38th Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques. 2019: 690-719.

[50] REN L. Proof of stake velocity: building the social currency of the digital age[J]. Self-published white paper, 2014.

[51] KARANTIAS K, KIAYIAS A, ZINDROS D. Proof-of-burn[C]// International conference on financial cryptography and data security. 2020: 523-540.

[52] YANG F, ZHOU W, WU Q Q, et al. Delegated proof of stake with downgrade: A secure and efficient blockchain consensus algorithm with downgrade mechanism[J]. IEEE Access, 2019, 7: 118541-118555.

[53] GAO S H, YU T Y, ZHU J M, et al. T-PBFT: An EigenTrust-based practical Byzantine fault tolerance consensus algorithm[J]. China Communications, 2019, 16(12): 111-123.

[54] CRAIN T, GRAMOLI V, LARREA M, et al. DBFT: efficient leaderless Byzantine consensus and its application to blockchains[C]//2018 IEEE 17th International Symposium on Network Computing and Applications (NCA). 2018: 1-8.

[55] KIAYIAS A, RUSSELL A, DAVID B, et al. Ouroboros: a provably secure proof-of-stake blockchain protocol[C]//Annual international cryptology conference. 2017: 357-388.

[56] CHEN L, XU L, SHAH N, et al. On security analysis of proof-of-elapsed-time (POET)[C]//International Symposium on Stabilization, Safety, and Security of Distributed Systems. 2017: 282-297.

[57] GILAD Y, HEMO R, MICALI S, et al. Algorand: scaling Byzantine agreements for cryptocurrencies[C]//Proceedings of the 26th symposium on operating systems principles. 2017: 51-68.

[58] BENTOV I, LEE C, MIZRAHI A, et al. Proof of activity: Extending bitcoin's proof of work via proof of stake [extended abstract] y[J]. ACM SIGMETRICS Performance Evaluation Review, 2014, 42(3): 34-37.

[59] HUANG Y F, BIAN Y Y, LI R P, et al. Smart contract security: a software lifecycle perspective[J]. IEEE Access, 2019, 7: 1.

[60] DICKERSON T, GAZZILLO P, HERLIHY M, et al. Adding concurrency to smart contracts[J]. Distributed Computing, 2020, 33(3): 209-225.

[61] BARTOLETTI M, GALLETTA L, MURGIA M. A true concurrent model of smart contracts executions[C]//International Conference on Coordination Languages and Models. 2020: 243-260.

[62] SARAPH V, HERLIHY M. An empirical study of speculative concurrency in ethereum smart contracts[J]. arXiv preprint arXiv:1901.01376, 2019.

[63] CAI Z Y, QU J, LIU P P, et al. A blockchain smart contract based on light-weighted quantum blind signature[J]. IEEE Access, 2019, 7: 138657-138668.

[64] XU X W, WEBER I, STAPLES M, et al. A taxonomy of blockchain-based systems for architecture design[C]//2017 IEEE international conference on software architecture (ICSA). 2017: 243-252.

[65] 孟小峰, 劉立新. 基于區塊鏈的數據透明化:問題與挑戰[J]. 計算機研究與發展, 2021, 58(2): 237-252.

MENG X F, LIU L X. Blockchain-based data transparency: lssues and challeges[J]. Journal of Computer Research and Development, 2021, 58(2): 237-252.

[66] FALCHUK B, LOEB S, NEFF R. The social metaverse: Battle for privacy[J]. IEEE Technology and Society Magazine, 2018, 37(2): 52-61.

[67] HU P F, LI H X, FU H, et al. Dynamic defense strategy against advanced persistent threat with insiders[C]//2015 IEEE Conference on Computer Communications (INFOCOM). 2015: 747-755.

[68] WESTERLUND M. The emergence of deepfake technology: A review[J]. Technology Innovation Management Review, 2019, 9(11).

[69] 章峰, 史博軒, 蔣文保. 區塊鏈關鍵技術及應用研究綜述[J]. 網絡與信息安全學報, 2018, 29(4): 22-29.

ZHANG F, SHI B X, JIANG W B. Review of key technology and its application of blockchain[J]. Chinese Journal of Network and Information Security, 2018, 29(4): 22-29.

[70] ZHENG Z B, XIE SH A, DAI H N, et al. Blockchain challenges and opportunities: A survey[J]. International Journal of Web and Grid Services, 2018, 14(4): 352-375.

[71] JIANG Y, KANG J W, NIYATO D, et al. Reliable coded distributed computing for metaverse services: coalition formation and incentive mechanism design[J]. arXiv preprint arXiv:2111.10548, 2021.

[72] 王晨旭, 程加成, 桑新欣, 等. 區塊鏈數據隱私保護：研究現狀與展望[J]. 計算機研究與發展, 2021, 58(10): 2099-2119.

WANG C X, CHENG J C, SANG X X, et al. Data privacy-preserving for blockchain: state of the art and trends[J]. Journal of Computer Research and Development, 2021, 58(10): 2099-2119.

[73] 李少卓, 王娜, 杜學繪. 按需披露的區塊鏈隱私保護機制[J]. 網絡與信息安全學報, 2020, 46(3): 19-29.

LI S Z,WANG N, DU X H. Privacy protection mechanism of on-demand disclosure on blockchain[J]. Chinese Journal of Network and Information Security, 2020, 46(3): 19-29.

[74] 劉峰, 楊杰, 李志斌, 等. 一種基于區塊鏈的泛用型數據隱私保護的安全多方計算協議[J]. 計算機研究與發展, 2021, 58(2): 281-290.

LIU F, YANG J, LI Z B, et al. A secure multi-party computation protocol for universal data privacy protection based on blockchain[J]. Journal of Computer Research and Development, 2021, 58(2): 281-290.

[75] LEE L H, LIN Z J, HU R, et al. When creators meet the metaverse: a survey on computational arts[J]. arXiv preprint arXiv:2111.13486, 2021.

[76] KUMAR S, BHARTI A K, AMIN R. Decentralized secure storage of medical records using blockchain and IPFS: a comparative analysis with future directions[J]. Security and Privacy, 2021, 4(5): e162.

[77] HUSSAIN A A, AL-TURJMAN F. Artificial intelligence and blockchain: a review[J]. Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, 2021, 32(9): e4268.

[78] HEWA T, GüR G, KALLA A, et al. The role of blockchain in 6G: challenges, opportunities and research directions[J]. 2020 2nd 6G Wireless Summit (6G SUMMIT), 2020: 1-5.

[79] YANG R ZH, YU F R, SI P, et al. Integrated blockchain and edge computing systems: A survey, some research issues and challenges[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2019, 21(2): 1508-1532.

[80] CAMP J L. Digital identity[J]. Technology & Society Magazine IEEE, 2004, 23(3): 34-41.

[81] ALLISON A, CURRALL J, MOSS M, et al. Digital identity matters[J]. Journal of the American Society for Information Science and Technology, 2005, 56(4): 364-372.

[82] GOODELL G, ASTE T. A decentralized digital identity architecture[J]. Frontiers in Blockchain, 2019: 17.

[83] 崔久強, 呂堯, 王虎. 基于區塊鏈的數字身份發展現狀[J]. 網絡空間安全, 2020, 11(6): 25-29.

CUI J Q, LYU Y, WANG H. The development of blockchain-aided digital identity[J]. Cyberspace Security, 2020, 11(6): 25-29.

[84] AVELLANEDA O, BACHMANN A, BARBIR A, et al. Decentralized identity: Where did it come from and where is it going[J]. IEEE Communications Standards Magazine, 2019, 3(4): 10-13.

[85] LIM S Y, FOTSING P T, ALMASRI A, et al. Blockchain technology the identity management and authentication service disruptor: a survey[J]. International Journal on Advanced Science, Engineering and Information Technology, 2018, 8(4-2): 1735-1745.

[86] 姚前, 張大偉. 區塊鏈系統中身份管理技術研究綜述[J]. 軟件學報, 2021, 32(7): 2260-2286.

YAO Q, ZHANG D W. Survey on identity management in blockchain. Ruan Jian Xue Bao/Journal of Software, 2021, 32(7): 2260-2286.

[87] YU X Y, WANG Z J, WANG Y L, et al. Impsuic: a quality updating rule in mixing coins with maximum utilities[J]. International Journal of Intelligent Systems, 2021, 36(3): 1182-1198.

[88] FERDOUS M S, CHOWDHURY F, ALASSAFI M O. In search of self-sovereign identity leveraging blockchain technology[J]. IEEE Access, 2019, 7: 103059-103079.

[89] FAN P F, LIU Y ZH, ZHU J Y, et al. Identity management security authentication based on blockchain technologies[J]. International Journal of Network Security, 2019, 21(6): 912-917.

[90] XU J, XUE K P, TIAN H Y, et al. An identity management and authentication scheme based on redactable blockchain for mobile networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2020, 69(6): 6688-6698.

[91] CUI ZH H, XUE F, ZHANG SH Q, et al. A hybrid blockchain-based identity authentication scheme for multi-WSN[J]. IEEE Transactions on Services Computing, 2020, 13(2): 241-251.

[92] MA Z F, MENG J L, WANG J H, et al. Blockchain-based decentralized authentication modeling scheme in edge and IoT environment[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2021, 8(4): 2116-2123.

[93] LU Z J, WANG Q, QU G, et al. A blockchain-based privacy-preserving authentication scheme for VANETs[J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, 2019, 27(12): 2792-2801.

[94] MALIK N, NANDA P, ARORA A, et al. Blockchain based secured identity authentication and expeditious revocation framework for vehicular networks[C]//2018 17th IEEE International Conference On Trust, Security And Privacy In Computing And Communications/ 12th IEEE International Conference on Big Data Science and Engineering (TrustCom/BigDataSE). 2018: 674-679.

[95] 楊冠群, 劉蔭, 徐浩, 等. 基于區塊鏈的電網可信分布式身份認證系統[J]. 網絡與信息安全學報, 2021, 7(6): 88-98.

YANG G Q, LIU Y, XU H, et al. Credible distributed identity authentication system of microgrid based on blockchain[J]. Chinese Journal of Network and Information Security, 2021, 7(6): 88-98.

[96] KUBACH M, SCHUNCK C H, SELLUNG R. et. al. Self-sovereign and Decentralized identity as the future of identitymanagement[C]//Open Identity Summit 2020 - Lecture Notes in Informatics (LNI) - Proceedings. 2020: 35-47.

[97] TOYGAR A, ROHM JR C E, ZHU J. A new asset type: digital assets[J]. Journal of International Technology and Information Management, 2013, 22(4): 7.

[98] Cryptokitties[EB].

[99] Axieinfinity[EB].

[100] KARANDIKAR N, CHAKRAVORTY A, RONG C M. Blockchain based transaction systemwith fungible and non-fungible tokens for a community-based energy infrastructure[J]. Sensors, 2021, 21(11): 3822.

[101] SGHAIER OMAR A, BASIR O. Capability-based non-fungible tokens approach for a decentralized AAA framework in IoT[M]//Blockchain Cybersecurity, Trust and Privacy. Cham: Springer, 2020.

[102] ARCENEGUI J, ARJONA R, BATURONE I. Secure management of IoT devices based on blockchain non-fungible tokens and physical unclonable functions[C]//Proceedings of the International Conference on Applied Cryptography and Network Security. 2020: 24-40.

Application and prospect of blockchain in Metaverse

SONG Xiaoling, LIU Yong, DONG Jingnan, HUANG Yongfei

School of Computer Science and Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

The metaverse is a new ecology that seamlessly integrates the virtual digital world and the real physical world, and has recently attracted widespread attention from all walks of life. With the maturity of various new IT technologies such as blockchain technology, artificial intelligence technology, VR/AR and sensing technology, mobile communication technology and ubiquitous computing technology, the further development of the Metaverse is possible. At present, research on the Metaverse mainly involves industrial projects, infrastructure, key technologies, privacy and security, etc. Although blockchain technology is covered in these studies, the specific points about the advantages of blockchain applied to the Metaverse are still lacked. Blockchain technology can not only provide an open and free decentralized environment for the Metaverse, but also act as a fair and reasonable digital asset distribution mechanism. The digital identity and digital asset management in the Metaverse empowered by blockchain was studied. The development process and characteristics of the Metaverse were analyzed. And the core technologies and challenges faced by the development of the Metaverse were discussed. Meanwhile, the key technologies of the blockchain were studied, and the feasibility of applying the blockchain to the Metaverse was analyzed from two aspects: the essential characteristics of the blockchain and the advantages of other technology integration. The Metaverse ecosystem architecture was further proposed, and the blockchain-based self-sovereign identity management model, blockchain-NFT workflow and its application in the Metaverse were analyzed in detail. Furthermore, combining the latest research progress of blockchain and the Metaverse, it was pointed out that the application of blockchain to the Metaverse will be from four aspects: infrastructure, communication and computing resource management mechanisms, regulation and privacy protection, and blockchain scalability and interoperability. Then the related challenges ahead and future research directions were presented at last.

Metaverse, blockchain, NFT, digital identity, decentralization

TP393

A

10.11959/j.issn.2096?109x.2022045

宋曉玲（1985?），女，河南鄭州人，重慶郵電大學博士生，主要研究方向為區塊鏈技術及應用，數據安全及隱私保護，網絡安全。

劉勇（1978?），男，重慶人，重慶郵電大學副教授，主要研究方向為區塊鏈、大數據、人工智能。

董景楠（1992?），男，河南許昌人，重慶郵電大學博士生，主要研究方向為區塊鏈、信息安全、邊緣計算、大數據。

黃勇飛（1988?），男，湖南衡陽人，重慶郵電大學博士生，主要研究方向為區塊鏈技術及應用，量子密碼。

2022?04?18；

2022?06?09

宋曉玲，sxllyu@126.com

宋曉玲, 劉勇, 董景楠, 等. 元宇宙中區塊鏈的應用與展望[J]. 網絡與信息安全學報, 2022, 8(4): 45-65.

SONG X L, LIU Y, DOGN J N, et al. Application and prospect of blockchain in Metaverse[J]. Chinese Journal of Network and Information Security, 2022, 8(4): 45-65.