區塊鏈技術與應用綜述

姜 鑫 王飛

（甘肅政法大學網絡空間安全學院，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

早在2008年，一篇名為《比特幣：一種點對點式的電子現金系統》[1]的文章引起了學界廣泛的關注，化名為中本聰的學者首次在世界范圍內提出了一種電子加密貨幣——比特幣(bitcoin)，比特幣的基礎支撐技術就是區塊鏈技術，區塊鏈技術被描述為一個分布式賬本，具有去中心化、不可篡改和可信賴等特性。區塊鏈技術結合了許多傳統信息技術的內容，如分布式數據存儲、分散且獨立的點對點的事務處理，智能化的共識機制，可編程的智能合約，非對稱加密技術等。在大型計算機、個人計算機、互聯網、移動社交四次顛覆式計算范式后，區塊鏈技術被認為是第五次顛覆式計算范式[2]。

2 相關概念簡介

2.1 區塊鏈的特性

2.1.1 去中心化

區塊鏈去中心化的概念為：區塊鏈的整個運作過程是基于整個分布式系統各個節點共同完成的，分布式節點間的信任關系是依賴于純數學方法而不是中心機構，從而使得分布式系統成為一個去中心化的可信任的系統[3]。相較于中心化的應用，用戶既是信息提供方，也是信息參與方。

2.1.2 不可篡改

區塊鏈使用哈希值來保證區塊鏈數據的不可篡改，區塊鏈中每一個區塊的塊頭都保存著上一個區塊塊頭的哈希值，而塊頭中包含了存儲在本區塊中的所有交易，一旦其中一個交易被篡改，哈希值必定會發生改變，必須更改掉后面所有區塊塊頭的哈希值才能保持一致，這就給篡改數據帶來了海量的工作量。從區塊鏈的整體架構來看，賬本由全體節點維護，群體協作的共識過程和強關聯的數據結構保證節點數據一致且基本無法被篡改，進一步使數據可驗證和追溯[4]。

2.1.3 可信賴

區塊鏈的數據交換完全依賴于數學算法，或者說依賴于每個節點的算力來組成強大的系統總體計算能力，在沒有人為干預的情況下也可以防御外部攻擊。參與者可以在無信任的環境中，甚至在完全匿名的情況下完成交易。區塊鏈保護交易雙方的隱私，并保證了交易雙方的安全和可信度。此外，區塊鏈上的每個節點都完整地儲存了所有的交易內容，只要不超過該區塊鏈中所有節點的51%被黑客所操縱，區塊鏈中的數據就是可信的。

2.2 區塊鏈類型

根據區塊鏈的特性，我們通常把區塊鏈分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈，如表1所示。

表1 區塊鏈分類

2.3 區塊鏈基礎架構

目前區塊鏈基礎架構劃分使用最廣泛的，是袁勇等人[3]提出的區塊鏈技術的基礎架構模型，整體架構由數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層組成總共六層結構。

其中，數據層封裝了基礎區塊以及相關的非對稱加密技術和哈希函數，以及時間戳等內容。網絡層包括分布式組網機制、數據傳播機制和數據驗證機制。共識層主要封裝了網絡節點的各種共識算法，比如常用的PoW和PoS等算法。激勵層將經濟因素整合到區塊鏈技術體系中，是區塊鏈金融相關應用的核心部分，主要包括經濟激勵的發行機制和分配機制；合約層主要封裝了各種腳本，算法和智能合約，用于實現區塊鏈最基礎的可編程功能；應用層封裝了區塊鏈的各種應用場景和案例。

3 區塊鏈的關鍵技術

3.1 共識機制

共識機制[4]是區塊鏈的核心內容，在中心化的網絡中，由于只有一個中心節點，幾乎不需要考慮共識的問題，而在分布式的系統中，節點想要達成共識來保證數據的一致性是一件比較困難的事。目前區塊鏈中最常使用工作量證明（PoW）來保證各個賬本之間數據的一致性，并防止區塊鏈出現分叉，這也是最早比特幣所使用的共識機制。共識機制的思想是通過區塊鏈中節點間的算力競賽來達成對數據的共識，所有節點都可以參與到“挖礦”的競賽中，通過計算一個隨機數（Nonce），以使塊頭的雙SHA256 的哈希值小于或等于某個值，快速計算該隨機數的節點將獲得計費權和出塊獎勵。

3.2 智能合約

智能合約[5-6]可以理解為是一個可自動執行的計算機程序并被部署于區塊鏈之中，可以根據開發者的需求對智能合約進行編程，是目前區塊鏈相關應用開發的核心部分。曹儐等人[7]根據智能合約的定義，提出了智能合約的運行原理模型，如圖1所示。

圖1 智能合約運行原理[7]

基于區塊鏈的智能合約技術可以應用于多個場景之中[8]，如共享經濟、物聯網、金融資產處理、數字支付、多重簽名合約、云計算等多個應用場景。目前的智能合約使用的是IF-THEN 的合約模式，是按一套固定的邏輯來執行的，并不能算是智能。在未來，隨著人工智能技術的不斷發展，IFTHEN 的合約模式將會被WHAT-IF[3]的模式取代，使得智能合約變得更加智能化，以滿足未來更加復雜的需求場景。

3.3 Merkle樹

擁有記賬權的節點將系統中的合法交易打包進區塊后，將該區塊加入進區塊鏈中，這些交易在區塊中就是以Merkle樹的結構來存儲的，如圖2所示。

圖2 Merkle樹中的交易哈希[9]

區塊鏈中的Merkle樹包含了根哈希值(Root Hash)，以及各個分支哈希值和組成分支哈希值的單個葉子哈希值，葉子即每個單獨的交易。這樣的結構使得Merkle 樹具有驗證區塊中交易數據的存在性和完整性的功能。例如，要驗證圖2中的交易Tx3存在性和完整性，一個沒有保存整個區塊鏈數據的節點，可以向其它存儲完整數據的全節點請求從Tx3至根部的哈希值序列（即哈希節點Hash2、Hash3、Hash23、Hash01、Root Hash），通過比較哈希值來快速確定交易Tx3是否存在或被篡改。

3.4 非對稱加密技術

密碼學中的非對稱加密[10]需要一個密鑰對即公鑰和私鑰，其中公鑰相較于私鑰可以被公開，而私鑰只有持有者本人知道，通過公鑰是無法推算出私鑰的。常見的非對稱加密算法有RSA、Rabin、Elgamal、橢圓曲線密碼和數字簽名等，消息的發送者使用公鑰或私鑰對明文進行加密，將密文發送給接收方，接收方用相對應的密鑰就可以解密。

4 區塊鏈的應用

隨著近幾年來對區塊鏈技術的不斷探索和研究[11-13]，人們開始嘗試在各個傳統領域中引入區塊鏈的概念來提升數據安全和數據共享效率，其中，就包括一些比較關鍵的領域，如醫療、供應鏈、網絡空間安全、能源互聯網等。

4.1 區塊鏈與醫療信息

進入21世紀以來，隨著互聯網的不斷普及，醫療機構將所有信息轉入了線上，把信息存儲到本地管理系統的數據庫之中，但其中心化的應用模式造成了許多問題與不便。隨著區塊鏈技術的發展，其在醫療機構中的數據安全和數據共享方面的優勢逐漸顯現出來。薛騰飛等人[14]提出了基于區塊鏈技術的醫療數據共享模型，使用改進后的共識機制來實現各個醫療機構間的數據共享。梅穎[15]將區塊鏈用于安全存儲醫療記錄，有利于病人對自己個人信息的控制和隱私醫療數據的安全。巫光福等人[16]在聯盟鏈的框架內，提出了基于(p,α,k)匿名隱私算法的EHR隱私信息問題的解決方案。

4.2 區塊鏈與供應鏈

將供應鏈中的信息放到區塊鏈上，不僅保證了供應鏈中各個環節的信息不會被篡改，而且通過將供應鏈過程中的各個角色入鏈，可以顯著提高信息共享效率。汪傳雷等人[17]通過研究區塊鏈與供應鏈物流信息資源的關系，提出了一種基于區塊鏈的供應鏈物流信息生態圈模型，完善了供應鏈物流信息生態。朱建明等人[18]通過分析區塊鏈的特性和結構，創造性地提出了基于區塊鏈的B2B+B2C供應鏈動態多中心協同認證模型。陸堯等人[19]通過將區塊鏈、比特幣協議確定性分層錢包與多重簽名技術相結合，提出了基于比特幣技術的供應鏈管控與溯源方案，解決了傳統供應鏈管理方案中的一些常見的問題。

4.3 區塊鏈與網絡空間安全

區塊鏈的特性可以有效保證數據的安全性問題，篡改其中一個數據就會導致整個鏈條的哈希值發生變化，只要絕大多數的節點是誠實節點，就不會影響到整個系統的安全。陳燁等人[20]通過研究區塊鏈在管理體系和物聯網中的應用方法，提出了基于區塊鏈技術的網絡安全機制，有利于提升網絡空間的安全性。劉宇等人[21]利用了聯盟鏈的特性，提出了一種基于聯盟區塊鏈的體域網信息安全方案，有利于保障無線體域網傳感器數據的安全和降低傳感器功耗。黃克振等人[22]利用區塊鏈的一般特性，提出了一種基于區塊鏈的網絡安全威脅情報共享模型，有效提高網絡攻擊防御方響應能力和防御效果。

4.4 區塊鏈與能源互聯網

和傳統的中心化應用一樣，能源互聯網數據安全和數據共享問題存在著諸多安全性問題，而將能源互聯網部署在區塊鏈上，可以很好地避免此類問題的出現。郭佳程等人[23]通過基于側鏈的三層網絡協同工作鏈碼體系和分布式能源動態調度機制，提出了一種基于區塊鏈技術的可信分布式能源共享網絡，提高了能源互聯網的網絡性能、隱私安全和能源調度能力。邰雪等人[24]利用區塊鏈中的智能合約技術，提出了一種能源互聯網中基于區塊鏈的電力交易和阻塞管理方法，提高了電力交易效率和阻塞管理方法的穩定性。

4.5 區塊鏈與其它領域

在未來，區塊鏈與新技術和主流發展方向的結合將會是一種新趨勢，比如，5G和人工智能等新技術，智慧城市[25-27]等主流發展方向。5G作為最高效的新一代無線通信技術，對于實現萬物互聯的社會經濟體系是十分必要，區塊鏈技術可以利用自己在數據安全方面的優勢，應用于5G之中幫助解決許多安全問題，許丹丹等人[28]通過對比區塊鏈與5G技術，探索未來5G與區塊鏈可能的應用場景；人工智能技術是近年來的熱門技術，其關鍵在于機器學習和深度學習算法，而這些算法都需要大量的數據集作為支持，Kim等人[29]利用區塊鏈驗證聯合學習框架下的分發模型的完整性，并根據計算成本提供相應的激勵，優化整體學習效果；智慧城市是指利用ICT優化公共資源利用效果、提高居民生活質量、豐富設施信息化能力的研究領域，Bao等[30]利用區塊鏈高效認證和管理用戶標識，保護車主的身份、位置、車輛信息等個人數據。

5 結束語

本文介紹了區塊鏈的主要特性，包括去中心化、不可篡改和可信賴，以及區塊鏈的三種類型：私有鏈、聯盟鏈和公有鏈，把區塊鏈系統分為了6層，整體架構由數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層組成。還介紹了區塊鏈中的關鍵技術如共識機制、智能合約、Merkle 樹和非對稱加密技術，最后總結區塊鏈目前的熱門應用領域，介紹了區塊鏈在幾大傳統領域中的應用，如醫療、供應鏈、網絡空間安全和能源互聯網，關注了區塊鏈與最新技術和主流發展方向的結合。區塊鏈作為目前數據安全和數據共享領域的熱門技術，把區塊鏈技術與新技術的結合，將會是未來研究的趨勢。