影响千万人的创新：区块链与边缘计算的结合

可能影响到千万人的创新——区块链与边缘计算的结合原理介绍（上篇）区块链和边缘计算是分布式计算的两个不同分支演化而来的两个概念，在当前学术界和工业界得到了广泛的关注。

不少专家、学者认为将二者结合起来，可以发挥巨大的优势、应用前景广阔。

我们先来了解两者的基本概念和特性：区块链是什么?区块链是多种技术的整合，包含链式数据结构、分布式存储、加密算法、共识机制等核心技术。

它是一种全新的分布式架构与计算方式；是加密数据库，利用块链式数据结构来存储数据与验证数据，提供了不可变的数据存储；利用分布式节点、共识算法来生成和更新数据，提供了去中心化的节点验证方式。

所以区块链技术具有信息共享、隐私安全、数据可靠和智能合约自动高效等特点，以区块链为底层技术的价值互联网既杜绝了信息篡改问题，又保证了信息的高速度传播。

不过，区块链在当前的发展阶段还存在一些缺陷，例如应用范围受到性能局限、标准各异阻碍区块链间互通等。

边缘计算是什么？边缘计算是是指一种新型的在网络边缘执行分布式计算的模型，边缘节点可以提供数据处理的第一步，从而限制传输到中央服务器的数据量，是与云计算相对的概念。

边缘计算与集中式的云计算最大的不同，就在于其计算能力下沉，降低了移动交付的端到端时延。

移动边缘计算（MEC）是在靠近物联设备终端的位置上进行数据处理的方法；云服务应该被转移到更靠近终端用户的地方，即移动网络的边缘节点，这样能够降低网络负载，减少延迟和能耗，确保高效的网络运营和业务分发能力，改善终端用户的体验。

移动边缘计算是推动5G 系统发展的关键技术之一。

而雾计算（FC）被认为是边缘计算更一般化的概念。

他们都具有靠近终端用户、密集分布、低延迟、移动性、位置感知等特性。

虽然这几个概念有所差异，但他们的研究领域通常是可以重叠并且互换的，所以下文将统一使用边缘计算这一术语。

那么区块链和边缘计算是相互矛盾，还是可以结合的呢？目前的理论研究显示两者结合有着广阔的前景，并且相互融合对两者发展都具有重要意义。

区块链对边缘计算的补充边缘计算及其配套解决方案面临的难题和挑战主要包括以下方面。

数据安全保护：边缘计算其控制层的设计思路与中心化的云计算类似，具有中心化的控制层，中心化的控制层则意味存在数据和隐私的丢失、篡改、泄露等安全问题，分散的控制方式可能更易遭到攻击同时带来额外的安全风险。

在具有高移动性的移动边缘网络中，使用区块链灵活透明地统筹密钥管理程序中的成员出入，能够大大提高密钥管理的效率和准确性，保护参与者的密钥及数据安全。

加入区块链的节点数据则更容易被监控和追溯、防范风险事件的发生。

个人/组织隐私保护：除了数据安全，在移动边缘计算场景下进行个人/组织隐私保护也是其巨大的挑战。

通过例如Fabric区块链的多通道（channel）数据分段与隔离方案并且允许用户自定义敏感数据的加密方法，并提供条件访问和授权解密查询的方法，通过受保护的智能合约进行各项操作。

边缘计算对区块链的补充区块链已经成为一种非常有效的分布式数据管理框架，已经被广泛应用于众多领域，如：金融交易支持、供应链管理、医疗数据维护等等。

在这些领域中，由于区块链技术中的两个重要概念一致性和工作量证明，需要通过部署大量的分布式计算维护节点区块链才能得以应用，而区块链上数据的增添需要工作量证明，例如比特币需要大量的矿机耗费大量的算力完成过程需要，这对设备的计算性能和能耗提出了高要求。

虽然工作量证明并不是区块链的唯一算法，面对区块链的资源有限的性能瓶颈确实使市场基数更庞大的移动用户、以及物联网终端设备很难应用区块链技术。

而边缘计算，则对于资源受限的移动设备而言，提供了一种更便捷的、低时延、且呈现分布式的计算卸载平台。

由于边缘计算设备相比一般的用户移动设备（如普通的智能手机、个人电脑、可穿戴设备）具有强大的计算和存储能力，而区块链的服务需要强大的计算能力支撑。

因此，边缘计算为更广大的移动用户享受区块链服务提供了可能。

总而言之，区块链与边缘计算的融合是令人非常看好的一个创新方向，拥有非常广阔的市场前景以及非常丰富的想象空间。

应用场景（下篇）区块链和边缘计算是分布式计算的两个不同分支演化而来的两个概念，专家学者认为两者的结合将会突破各自的局限和困境，带来更巨大的发展前景以及丰富的想象空间。

区块链整合了链式数据结构、分布式存储、加密算法、共识机制等核心技术，具有信息共享、隐私安全、数据可靠和智能合约自动高效等特点。

不过由于分布式记账、共识算法等核心机制需耗费大量的计能算力，对网络性能要求很高。

边缘计算作为在网络边缘执行分布式计算的模型，相对云计算最大的不同就在于其计算能力下沉，边缘节点可以提供数据处理的第一步，降低了移动交付的端到端时延。

但是中心化的控制层存在数据丢失和泄露问题、以及分布式的终端容易遭受攻击等。

相关研究认为“区块链+边缘计算”的结合一方面可以改善边缘计算的数据安全、隐私保护问题，另一方面可以实现计算资源的高效分配，充分发挥两者优势、达到互补共赢的效果。

一些学者总结了区块链技术在边缘计算的技术研究现状和发展，并列举了众多的应用场景，例如内容分发网络、智慧城市、工业物联网、边缘人工智能计算、无人机、智慧医疗、车联网等，本文重点介绍前四者。

内容分发网络AK E, Canberk B.（2019.6）认为视频点播（VoD）和直播，是当今最流行的请求类型，但互联网基础设施并不是为直播和海量内容而设计的。

因此，随着时间的推移，向客户交付和满足这些请求一直是一个问题。

概念验证了区块链辅助内容交付网路（BCDN）模型，通过具有路由原理和编排模块的架构显著降低延迟以及减少资源使用。

内容分发网络场景中利用移动边缘计算能够有效提高数据传输速率、存储性能和容错率。

每个内容分发实体可以是资源的提供者，也可以是资源的使用者。

结合区块链的边缘计算的应用，可以对用户资源的贡献、边缘计算资源的占用情况都作为区块链数据永久记录在块数据。

区块链不仅增强了移动边缘计算资源的安全性，也规范了边缘资源的占用与消耗。

通过智能合约既可以通过预设交易规则确保交易安全和高效执行,也可以定义应用的优先级，来确保物联网设备可以从边缘服务器获取资源数量。

智慧城市数字中国、智慧社会驱动我国新型智慧城市发展进入新阶段，构建“以安全建设为前提、以数据汇聚与计算为先导、以广泛智慧应用为驱动”的新型智慧城市，已成为当前建设潮流。

无论是智慧政务、智慧园区、智慧楼宇、城市运营中心等必然涉及到大量的隐私数据，在对隐私安全日益重视的今天，政府必定十分重视安全防护。

而区块链共识机制和链上数据不可更改的特性，可以保障智慧城市信息数据的真实性和安全性，并且打破信息孤岛，构建可信的数据生态环境，降低数据共享的经济成本。

通过智能感知设备来收集和处理来自移动边缘节点和移动设备的多媒体请求数据，将处理的结果放入区块链中进行安全存储和共享，保护运营数据中心与智能设备和传感器之间的信息安全，降低延迟和提高传输效率。

使得各种智慧城市服务能更快响应用户以及实现更好的个人数据隐私保护。

工业物联网物联网中需要解决安全、计算资源分配不均，及监管诸多问题，通过区块链可以有效解决一系列问题，例如数字身份认证、资源管理分配、监管追溯等。

但区块链技术与物联网的结合首先是数据量与系统性能的问题，分布式账本的用户规模越大，对系统运行性能要求就越高，系统整体效能优化难度也越大；其次是计算能力和响应时间的问题，因为海量数据的计算和存储很难在物联网设备实现。

物联网设备本身的计算能力和存储空间不足，所以传统以云为中心的物联网架构必须向去中心化和分布式计算转移，在物联网场景下边缘计算与区块链的结合是大势所趋。

以物联网设备群为例，边缘计算将终端设备与中心的数据交互减少可以降低数据量，充当物联设备的“局部大脑”，存储和处理同一场景中不同物联设备的终端数据，对设备的状态程序等进行优化和修正，从而达到应用的整体性能最优。

边缘计算强调轻量级计算，区块链所存储的大量数据可以用于数据分析，而且通过边缘设备对物联网设备进行管理，区块链可以通过共识机制与分布式网络对物联网设备进行去中心化管理。

最后物联终端设备可以将数据“寄存”到边缘计算服务器，并且区块链从数据的链式结构上保证了数据的不可改变性，在区块链技术的帮助下可以保证数据的可靠性和提升安全性。

边缘人工智能系统边缘人工智能计算或边缘智能（edge AI/edge intelligence）的研究正获得越来越多的关注。

边缘计算利用人工智能的技术和方法可以更大规模地释放其潜力，而人工智能借助边缘计算的场景和平台可以拓展更多的应用和创新架构。

在边缘人工智能计算中，智能算法的运行是由多个分布式设备完成，为了协作完成计算任务或联合进行智能群体决策，这些设备之间需要频繁通信。

这些分散的设备通信面临着多种网络安全攻击的威胁，传输的信息可能泄露或被篡改。

通过区块链保障信息的不被篡改和可追溯、可恢复的，正好可以在边缘人工智能计算的场景下发挥重要作用. 同时，区块链的智能合约、零知识证明等也可能为各方信息的共享与交互提供一种有效的激励机制。

随着国家对区块链技术的大力支持、以及5G、边缘计算等技术的广泛应用，相信“区块链+边缘计算的组合”必然能为用户提供更灵活的功能支持、满足更多更复杂的应用场景，使其市场得到爆发式的发展。

【作者简介】BenLee十多年从业经验，资深产品专家，曾在多个知名企业担任产品总监、产品经理职务，完成多个金融科技产品从0到1的搭建。

金融专栏作者，讲师，华南理工大学MBA、中级金融经济师。