实现对数据的信任换取材料 4.0受亨利·罗伊斯研究所委托用于先进材料研究和创新2021 年 7 月与合作 2实现对材料 4.0 数据交换的信任关于路线图和景观美化本报告受亨利·罗伊斯先进材料研究所委托，作为其召集和支持英国先进材料界帮助促进和发展新研究活动的一部分。最重要的目标是将先进材料社区聚集在一起，讨论、分析和吸收新兴材料研究的机会，以造福于经济和社会。此类研究最终与国家和全球驱动因素有关，即向零碳过渡、可持续制造、数字和通信、循环经济以及健康和福祉。 3实现对材料 4.0 数据交换的信任内容分布式系统可以解决的挑战 614运营 15战略16生态系统 16从分布式系统中产生影响的关键推动力 25404244 4实现对材料 4.0 数据交换的信任伊恩·托德教授亨利·罗伊斯研究所材料 4.0 路线图的项目负责人和科学负责人前言材料 4.0 旨在从根本上改变材料创新的速度和响应能力，增加其对社会和经济的影响。材料和制造业占英国 GDP 的 15%，在实现向净零碳过渡等技术和社会目标方面发挥着关键作用。此类进展将需要批准和接受处于开发早期阶段或尚未发现的材料。新材料开发速度面临的主要挑战之一是在系统之间共享敏感数据所需的缓慢而复杂的系统派对。这些阻碍性系统无法深入了解这些材料的技术适用性，但由于无法就共享关键数据的条款达成一致，往往会导致延误甚至失败。本文的目的是指导材料界关于解决这一障碍的方法的思考过程。这将通过就数字安全和数据信任方面的现有和新兴技术提供专家意见来实现，以用于材料和制造中的应用。 5实现对材料 4.0 数据交换的信任执行摘要在材料开发中，总是有理由不交换数据。本文探讨了分布式系统如何消除一些障碍，以及在其他领域已经做到了这一点。当以去中心化的方式进行协作时，各方必须能够在没有传统的中央机构来管理交互的情况下相互信任。必须建立一套相互的规则和政策来管理流程，然后由任何参与实体同意。这通常是人类层面的共识：各方之间的相互协议。由于比特币或以太坊等加密货币的活动，分布式系统最近成为焦点。但是，还有其他几种分布式系统工具可用于调整未知或不信任方的知识状态。这些立即适用于围绕材料 4.0 的挑战，应以适当的方式进行探索。个人和企业层面的好奇心已经转化为对支持这些发明的一些核心技术更广泛适用性的真正兴趣——尤其是区块链，一种分布式账本。分布式系统现在正在对不同行业产生影响，例如制药、建筑、核能、航空航天和食品和饮料。对于材料工程和制造业来说，有一个独特的机会来创新和探索使用分布式系统的多方如何提高跨供应链的信任。 材料中信任和数据交换的挑战实现对材料数据交换的信任4.06 加速新材料的发现、创新和验证。7实现对材料 4.0 数据交换的信任 材料中信任和数据交换的挑战材料 4.0 提出了一场数字材料革命，以加速新材料的发现、创新和验证。其目标是最大化材料数据的价值，并通过网络物理系统将数字和物理联系起来，以预测、分类和控制材料性能。这种跨学科方法将支持使用寿命更长的改进产品，并实现其智能重复使用，弥合当前机会之间的差距和能力。通过材料 4.0 计划，组织将变得以数据为中心，但在材料科学和工程文化中，经常有不共享数据的理由——主要是出于信任。材料对于产品性能、安全性、使用寿命和可持续性至关重要。因此，开发新材料的组织非常保护他们的数据。然而，材料创新很慢，目前的开发周期是以几十年而不是几个月或几年来衡量的。因此，在建立信任和数据交换方面存在巨大的机会。不仅要缩短开发生命周期，还要提高材料性能，降低材料开发成本，减少材料对环境的影响，提高公众对材料的信任度。共识如何促成信任？当以分散的方式进行协作时，没有传统的中央权威为了管理互动，各方必须能够相互信任。相反，建立了一套共同的规则和政策来管理流程，这些规则和政策得到任何参与实体的同意。这个被称为共识，是在人或组织层面制定的各方之间的相互协议。例如，这可能涉及一个由各方组成的财团，利用指导小组就特定行业应用的材料质量新标准达成一致，或者联合国安理会就对一个背信弃义的国家的适当制裁达成一致。另一方面，分布式账本使用共识算法。这些是分布式系统中节点使用的数学过程确保每个人都拥有相同数据的相同副本，从而确保网络作为一个整体运行。这些计算机级别的系统和流程有力地支持和增强了人类级别的协议和协作。实现对材料数据交换的信任4.08 分布式账本是不可变的，并为系统内的交易和条目提供无可争议的审计跟踪。虽然这并不能保证所有信息都是正确的，但它确实为不良行为者提供了威慑，因为潜在恶意事件的记录无法删除。分布式系统还可以结合可验证的凭据来验证参与者的身份。这提供了无需外部授权即可执行这些检查的额外安全层。这些系统的多方性质促进了协作，并有助于随着时间的推移建立更大的信任。互动各方都有一个共同目标，即希望保持其数据安全并确保记录的完整性，因此有共同的动机来促进良好行为，同时限制任何破坏这种行为的企图。使用适当的技术，例如分布式账本、身份或文件系统，本质上有助于在生态系统内的各方之间建立信任和可信度。相信每个参与者都同意一套相互的不可变规则和政策，这些规则和政策是为管理流程而建立的。这允许所有各方信任这些过程的结果。图 1 - 共识如何实现信任？实现对材料数据交换的信任4.09 负责任的数字创新根据剑桥另类金融中心的估计，比特币挖矿的全球用电量现在超过了阿根廷或阿拉伯联合酋长国的总用电量。这种高能耗的结果是使用工作量证明 (PoW) 算法来确保网络以单一的真实视图（共识）运行。工作量证明是一种数学方法，一方通过该方法向其他方证明一定数量的已经花费了计算工作来保护系统。结果，用户因消耗大量能量而进行大量计算而获得奖励。这个问题在非绿色能源组合的国家以及能源成本得到补贴的国家（例如委内瑞拉、伊朗和中国）更加复杂，因此市场行为不再限制非经济活动。替代的、节能的共识算法是全球分布式账本社区中积极研究和开发的一个领域。事实上，可追溯到 1980 年代后期的原始共识算法消耗的能量最少。尽管这些算法已经发展，但它们今天仍然被许多在私人分类账或企业分类账空间工作的项目使用。公共分布式账本/区块链也正在远离工作量证明。取而代之的是以太坊 2.0 等知名项目过渡到权益证明算法，在这种算法中，用户将价值置于风险之中，而不是消耗计算能力。然而，由于项目内部的政治决策，比特币不太可能脱离 PoW 机制。分布式系统在确保正确的各方在正确的时间访问正确的数据方面发挥着重要作用。这包括验证断言和数据，以证明产品的制造方式会对环境产生积极影响。重要的是要确保数字技术的使用不会增加现有运营的碳足迹。因此，在设计分布式系统时，重要的是：•确保数据存储在对环境有利的（物理）位置——这可能是在使用 100% 可再生能源的数据中心•像对待实物资产一样对待所有数据：了解存储的经济和环境成本，只存储必要的数据并丢弃多余的数据•了解分布式账本只是分布式系统工具包中的一种工具，必须与其他工具一起适当使用•如果账本构成最终基础设施的必要部分，请选择适合预期网络拓扑和参与者组合的共识算法实现对材料数据交换的信任4.010 实现对材料数据交换的信任4.011分布式系统是指高度弹性和协调的计算机、进程或组织网络，不依赖于中央可信方。 分布式系统简介分布式系统背后的术语和概念可以追溯到 1960 年代网络的早期。然后，兰德公司的 Paul Baran 正在探索能够抵御核攻击的拓扑，并发明了分组交换的概念1.这一概念由英国国家物理实验室的唐纳德戴维斯同时构思和命名，他的工作反馈到了阿帕网的创建——当今互联网的前身。在最基本的层面上，网络由相互连接的节点组成，其中节点是消息的发起点、消费点或重定向点。在物理层面，节点通常指的是单个服务器2，但这些可以被认为代表网络中的各个利益相关者，例如公司、实验室或监管机构。这些节点和互连的排列可以采用三种不同的可能拓扑形式，如 Baran 所述：•集中式 - 典型的客户端-服务器基础架构，其中所有消息都由中央协调点中继，提供高漏洞的单点•去中心化——一个中心辐射模型，其中外围节点连接到中心集线器，形成小集群，然后相互连接。这就是当今互联网的形态，对主要集线器的针对性攻击可以阻止更远的节点进行通信•分布式 - 完全平坦的拓扑，没有任何层次结构和更多的互连。消息可以通过冗余连接绕过故障节点由于比特币或以太坊等加密货币的活动，分布式系统最近脱颖而出。个人和公司层面的好奇心或猜测已经转化为真正的兴趣，从而更广泛地适用于支撑这些发明的一些核心技术——最著名的是区块链，一种分布式账本形式3.虽然分布式账本是计算机科学中一项了不起的发明，用于调整不知情或不信任方的知识状态，但它们并不是这个古老的多样化和不断增长的领域的唯一产品。其他分布式系统工具包括：•无信任的文件共享•流程自动化以协调独立各方•具有嵌入式出处的去中心化资产登记•自我主权身份将隐私和控制权交还给利益相关者•从原始数据中提取价值而不泄露基础数据的隐私增强密码学其中一些直接适用于材料 4.0 的挑战，应进行相应探索。实现对材料数据交换的信任4.012 所有消息都由一个中央协调点中继，提供一个高漏洞点。去中心化分散式“集线器和辐条”模型，其中外围节点连接到中心集线器，形成小集群，然后这些集群互连。完全平坦的拓扑，没有任何层次结构和更多的互连。消息可以通过冗余连接绕过故障节点。图 2 - 分布式系统简介实现对材料数据交换的信任4.013集中 对行业的潜在好处和影响实现对材料数据交换的信任4.014 15实现对材料 4.0 数据交换的信任对行业的潜在好处和影响信任和数据交换的三个主要好处类别会影响材料行业：运营、战略和联盟。经营效益运营收益可以分为三个不同的方面：•流程优化——节点内的数据流（工厂、设施、组织等）。通过推动节点内的信任和数据交换，可以在生产系统中创建更深入的洞察力，帮助降低成本、提高质量和改进交付计划。额外的数据洞察力为审计和合规创造了好处，而检查可以远程进行，频率更高，以提供额外的价值。过程资源价值•资源优化——网络中的数据流。通过推动跨网络的信任和数据交换，人力资本和物质资源得到优化，以提高生产力并减少浪费。总体而言，这对可持续性产生了积极影响，特别是在温室气体排放方面，应该成为英国工业的战略重点。通过定义出处，行业将获得完整的、可审计的供应网络地图（不包括标识符），从而实现问责制和弹性概述。•创造新价值——数据洞察。用户通过可用于激励实现可持续发展目标的数据洞察力获得更快、更便宜的融资。对审计和合规性的额外洞察提供了更准确的风险概况，这还可以降低保险成本。所有这些加起来就是降低成本和提高盈利能力的结合，以及收入增长的潜力。 16实现对材料 4.0 数据交换的信任战略利益战略利益是长期的，难以衡量，但对行业具有更大的潜在影响。这些包括：•数据驱动的政策制定和更快的行业交付•场景规划与建模•风险管理•提高公众对新材料开发的信任•加速净零议程生态系统效益当多方找到建立信任和交换数据的有效方法时，就可以实现这些目标：•进入新市场——通过开发不同材料/行业的领域知识并消除进入壁垒•创建新服务 - 将新材料和相关共享数据开发成更高价值、更高影响力的产品，在进入市场之前测试商业模式选项并加快产品开发周期新市场社会服务净零商业模式相信 17实现对材料 4.0 数据交换的信任信息流和技术实现材料 4.0 的预期目标需要许多信息流信息可以通过授权的中央具有监管或行业权力的机构，以确保全面的数据采集和标准化。或者，它们可以在需要时直接在有充分理由访问数据的人之间传递。这种去中介化和直接互连也是分布式系统主张的一部分。我们现在将探索其中三种技术，并附上关于它们对材料 4.0 的适用性的思考练习。分布式账本是按时间顺序排列的、不可否认的、不可伪造的状态记录。这些可以与可编程逻辑相结合，以调节状态转换和存在的密码证明，并由人或机器对机器的信息提供。这些功能可以，对于第一次，最大限度地减少数字空间中的知识不平衡和协调成本。分布式账本技术 (DLT) 的适当设计和部署可以使多个独