區(qū)塊鏈技術(shù)在跨域數(shù)據(jù)共享與隱私保護(hù)中的應(yīng)用研究

高航 俞學(xué)勱

［摘 要］文章深入探討區(qū)塊鏈技術(shù)在跨域數(shù)據(jù)共享和隱私保護(hù)中的應(yīng)用。首先，分析區(qū)塊鏈技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)；其次，以區(qū)塊鏈技術(shù)的基本原理引出區(qū)塊鏈技術(shù)在跨域數(shù)據(jù)共享與隱私保護(hù)中的應(yīng)用；再次，分析當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，包括可擴(kuò)展性、隱私保護(hù)、互操作性和法規(guī)合規(guī)性等方面；最后，為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，提出相應(yīng)的解決方案和技術(shù)，包括分層架構(gòu)、零知識(shí)證明、跨鏈協(xié)議和法規(guī)技術(shù)。此外，文章還詳細(xì)介紹這些解決方案和技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法，以及它們?cè)趯?shí)際中的應(yīng)用，并探討區(qū)塊鏈技術(shù)在跨域數(shù)據(jù)共享和隱私保護(hù)中應(yīng)用的未來研究方向和應(yīng)用展望。

［關(guān)鍵詞］區(qū)塊鏈；跨域數(shù)據(jù)共享；隱私保護(hù)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.22.060

［中圖分類號(hào)］TP311［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］1673-0194（2023）22-0185-03

0? ? ?引 言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)的一種重要資源。然而，如何在保護(hù)隱私的同時(shí)實(shí)現(xiàn)跨域數(shù)據(jù)共享，成為一個(gè)亟待解決的問題。區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新興的分布式賬本技術(shù)，因其去中心化、透明性和不可篡改性等特點(diǎn)，被視為解決這個(gè)問題的一種可行的方案。本文的目的是探索區(qū)塊鏈技術(shù)在跨域數(shù)據(jù)共享和隱私保護(hù)中的應(yīng)用，并評(píng)估這種技術(shù)的效果和潛力。

1? ? ?區(qū)塊鏈技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

1.1? ?現(xiàn) 狀

區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)在金融、供應(yīng)鏈、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。盡管區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括但不限于數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、不同區(qū)塊鏈平臺(tái)之間的互操作性以及合規(guī)性等方面的問題。

1.2? ?發(fā)展趨勢(shì)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見區(qū)塊鏈技術(shù)將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。

（1）增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。隨著區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的交易數(shù)量不斷增加，如何提高系統(tǒng)的處理能力、滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的需求，成為一個(gè)重要的研究方向。目前，研究者正在探索多種方法來增強(qiáng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，包括分片技術(shù)、狀態(tài)通道技術(shù)以及側(cè)鏈技

術(shù)等［1］。

（2）加強(qiáng)數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)。雖然區(qū)塊鏈技術(shù)的透明性為數(shù)據(jù)提供了一定程度的安全保障，但也使得數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)成為一個(gè)挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，研究者正在探索如何在保證數(shù)據(jù)透明性的同時(shí)保護(hù)用戶的隱私。目前，零知識(shí)證明技術(shù)、同態(tài)加密技術(shù)以及多方計(jì)算技術(shù)等被廣泛應(yīng)用于區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)。

（3）增強(qiáng)區(qū)塊鏈平臺(tái)的互操作性。目前市場(chǎng)上存在多種區(qū)塊鏈平臺(tái)，如何實(shí)現(xiàn)不同區(qū)塊鏈平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)共享，是一個(gè)亟待解決的問題。為此，跨鏈技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過建立一種可以在不同區(qū)塊鏈平臺(tái)之間傳輸信息的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈平臺(tái)之間的互操作性。這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得一些成果［2］。

（4）滿足合規(guī)性要求。區(qū)塊鏈技術(shù)的分散化特性使其在滿足合規(guī)性方面面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)樵S多法律和規(guī)定是為中心化系統(tǒng)制定的，區(qū)塊鏈技術(shù)的分散化特性使得其難以適應(yīng)這些規(guī)定。為了解決這個(gè)問題，要開發(fā)新的法規(guī)技術(shù)，以幫助區(qū)塊鏈系統(tǒng)滿足合規(guī)性要求。

2? ? ?區(qū)塊鏈技術(shù)在跨域數(shù)據(jù)共享與隱私保護(hù)中的應(yīng)用

2.1? ?區(qū)塊鏈技術(shù)的基本原理

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種革命性的分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，它的核心理念是去中心化。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)或幾個(gè)中心化的服務(wù)器上，這些服務(wù)器由一個(gè)中心機(jī)構(gòu)控制和管理［3］。然而，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分布在網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一份完整的數(shù)據(jù)副本。這種去中心化的特性使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有高度透明性和安全性。

區(qū)塊鏈的工作原理主要包括區(qū)塊的生成、驗(yàn)證和添加到鏈上的過程。首先，當(dāng)一個(gè)新的交易發(fā)生時(shí)，這個(gè)交易會(huì)被添加到一個(gè)待處理的交易池中。然后，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)（也被稱為礦工）會(huì)從交易池中選擇一些交易，通過解決一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題來生成一個(gè)新的區(qū)塊。一旦一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功地生成一個(gè)新的區(qū)塊，這個(gè)區(qū)塊就會(huì)被添加到區(qū)塊鏈上，同時(shí)這個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)得到一定的獎(jiǎng)勵(lì)。

2.2? ?區(qū)塊鏈技術(shù)在跨域數(shù)據(jù)共享中的應(yīng)用

區(qū)塊鏈技術(shù)在跨域數(shù)據(jù)共享中的應(yīng)用已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、透明性和不可篡改性等特性使其成為跨域數(shù)據(jù)共享的理想選擇。

首先，區(qū)塊鏈技術(shù)在醫(yī)療健康數(shù)據(jù)共享中的應(yīng)用已經(jīng)取得顯著進(jìn)展。在這一領(lǐng)域，區(qū)塊鏈技術(shù)可以確保數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，同時(shí)也可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可用性。例如，一種名為BOSS：A Blockchain Off-State Sharing System的系統(tǒng)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)來確保大型生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)文件的完整性和保管鏈［4］。該系統(tǒng)只傳輸加密的文件，加密密鑰被存儲(chǔ)在安全的地方，只有經(jīng)過授權(quán)才可以訪問。接收者必須從發(fā)送者那里請(qǐng)求相應(yīng)的加密密鑰來解密這些加密文件，所有的請(qǐng)求都通過交易來建立可靠的保管鏈。其次，區(qū)塊鏈技術(shù)也可以用于供應(yīng)鏈管理。通過實(shí)時(shí)跟蹤產(chǎn)品的生產(chǎn)和運(yùn)輸過程，提高供應(yīng)鏈的透明度。

2.3? ?區(qū)塊鏈技術(shù)在隱私保護(hù)中的應(yīng)用

區(qū)塊鏈技術(shù)在隱私保護(hù)中的應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)為其具有去中心化、透明性和不可篡改性等特性。

2.3.1? ?AI和區(qū)塊鏈集成的隱私保護(hù)

有研究探討了人工智能（Artificial Intelligence，

AI）和區(qū)塊鏈技術(shù)的集成，以及由此產(chǎn)生的隱私保護(hù)技術(shù)。這些技術(shù)不僅保護(hù)了個(gè)人隱私，還確保了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性［4］。

2.3.2? ?Azure區(qū)塊鏈工作臺(tái)密鑰管理系統(tǒng)的漏洞分析

隨著區(qū)塊鏈的普及，越來越多的人尋求將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到他們的項(xiàng)目中。盡管區(qū)塊鏈技術(shù)本身通過其算法得到了較好的保護(hù)，但其隱私依賴于常規(guī)的密碼學(xué)，而密鑰管理協(xié)議中的錯(cuò)誤或漏洞可能會(huì)影響其安全性。

2.3.3? ?區(qū)塊鏈技術(shù)中的差分隱私

區(qū)塊鏈技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但這種增長(zhǎng)也引發(fā)了一些關(guān)于在區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的隱私和安全性問題。使用數(shù)據(jù)擾動(dòng)策略，如差分隱私來保護(hù)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的隱私，可能是克服區(qū)塊鏈隱私問題的新方法。

2.4? ?經(jīng)典案例研究

區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，本節(jié)將探討兩個(gè)具體的區(qū)塊鏈應(yīng)用案例，以揭示其在跨域數(shù)據(jù)共享和隱私保護(hù)中的潛力。

2.4.1? ?區(qū)塊鏈在加密貨幣中的應(yīng)用

在相關(guān)論文中，有研究者回顧了區(qū)塊鏈的概念及其潛在的應(yīng)用，特別是在加密貨幣中的應(yīng)用。研究中包含了一個(gè)關(guān)于區(qū)塊鏈在迪拜應(yīng)用的詳細(xì)案例，在這個(gè)案例研究中，迪拜政府正在積極探索區(qū)塊鏈技術(shù)在公共服務(wù)中的應(yīng)用，以提高政府工作效率和公眾信息透明度［5］。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、透明性和不可篡改性等特性使其成為提高公共服務(wù)效率的理想選擇。通過實(shí)時(shí)跟蹤和驗(yàn)證交易，區(qū)塊鏈技術(shù)可以提高公共服務(wù)的透明度，減少欺詐和腐敗，提高公眾對(duì)公共服務(wù)的信任度。

2.4.2? ?區(qū)塊鏈在電子健康領(lǐng)域的應(yīng)用

在電子健康（eHealth）領(lǐng)域，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用日益受到關(guān)注。電子健康系統(tǒng)的發(fā)展給人們的生活帶來了極大的便利，研究人員一直在嘗試將新技術(shù)與電子健康系統(tǒng)相結(jié)合，以使其更好地服務(wù)于患者。區(qū)塊鏈技術(shù)因其獨(dú)特的分布式防篡改和隱私保護(hù)等特性，在電子健康系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越受歡迎。然而，由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全問題，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的電子健康系統(tǒng)存在許多安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的瑣碎交易和智能合約的頻繁調(diào)用給基于區(qū)塊鏈的電子健康系統(tǒng)帶來了額外的成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。更糟糕的是，電子醫(yī)療記錄是由醫(yī)療機(jī)構(gòu)而非患者控制的，容易導(dǎo)致隱私泄露。為了解決這些問題，有研究者提出了一個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享和隱私保護(hù)的電子健康系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了變色龍哈希函數(shù)來抵抗底層區(qū)塊鏈攻擊，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)新的鏈結(jié)構(gòu)，為區(qū)塊鏈的權(quán)重作出貢獻(xiàn)。該系統(tǒng)允許患者以隱私保護(hù)的方式在不同的醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間共享他們的電子醫(yī)療記錄。

3? ? ?區(qū)塊鏈技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與解決方案

3.1? ?面臨的挑戰(zhàn)

盡管區(qū)塊鏈技術(shù)擁有巨大的潛力，但仍面臨一定的挑戰(zhàn)。

（1）可擴(kuò)展性：隨著交易數(shù)量增加，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可能變得更慢、效率更低。這對(duì)于需要快速處理大量交易的系統(tǒng)來說是一個(gè)重大問題。

（2）隱私：雖然透明度是區(qū)塊鏈的關(guān)鍵特性之一，但它也可能成為一個(gè)缺點(diǎn)。敏感信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有參與者都是可見的，這對(duì)于需要保密性的應(yīng)用來說是一個(gè)問題。

（3）互操作性：市場(chǎng)上有許多不同的區(qū)塊鏈平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)都有其獨(dú)特的功能。然而，這些平臺(tái)通常無法相互通信，使得整合不同的區(qū)塊鏈解決方案變得困難。

（4）法規(guī)合規(guī)性：區(qū)塊鏈以分散的方式運(yùn)作，這可能使其難以遵守為中心化系統(tǒng)制定的法律和規(guī)定。

3.2? ?解決方案和技術(shù)

為應(yīng)對(duì)區(qū)塊鏈面臨的挑戰(zhàn)，可以通過以下幾種解決方案和技術(shù)。

（1）分層架構(gòu)。這涉及為區(qū)塊鏈的不同功能創(chuàng)建單獨(dú)的層。例如，可以將交易處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開，創(chuàng)建一個(gè)處理交易的層和一個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的層。這樣每個(gè)層都可以針對(duì)其特定功能進(jìn)行優(yōu)化，從而增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。一種名為BOSS：A Blockchain Off-State Sharing System的系統(tǒng)就采用了這種分層架構(gòu)，通過將區(qū)塊鏈的狀態(tài)存儲(chǔ)在鏈下，顯著增強(qiáng)了區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性。

（2）零知識(shí)證明。這是允許一方向另一方證明他們知道某個(gè)特定信息的加密方法，而無須揭示該信息本身。

（3）跨鏈協(xié)議。這是不同區(qū)塊鏈平臺(tái)能夠進(jìn)行通信的協(xié)議。例如，可以開發(fā)一種協(xié)議，使得以太坊和比特幣這兩個(gè)不同的區(qū)塊鏈可以互相發(fā)送交易信息。

（4）法規(guī)技術(shù)。這涉及使用技術(shù)來幫助使用者遵守法規(guī)。例如，可以使用區(qū)塊鏈技術(shù)來創(chuàng)建一個(gè)透明的、不可篡改的審計(jì)跟蹤程序，以滿足法規(guī)對(duì)數(shù)據(jù)完整性和透明度的要求。一篇名為Blockchain-Empowered Trustworthy Data Sharing：Fundamentals，Applications，

and Challenges的研究就探討了如何利用區(qū)塊鏈技術(shù)來滿足數(shù)據(jù)共享的法規(guī)要求，包括數(shù)據(jù)的所有權(quán)、訪問控制、審計(jì)跟蹤等方面。

4? ? ?未來研究方向和應(yīng)用展望

4.1? ?未來研究方向

區(qū)塊鏈技術(shù)在跨域數(shù)據(jù)共享和隱私保護(hù)中的應(yīng)用仍有許多需探索的方面，以下是一些可能的研究方向。①區(qū)塊鏈與AI的融合。研究如何將區(qū)塊鏈技術(shù)與AI技術(shù)結(jié)合，以提高數(shù)據(jù)的安全性。②區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。研究如何利用區(qū)塊鏈技術(shù)保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的隱私和安全。③區(qū)塊鏈在電子設(shè)備逆向物流中的應(yīng)用。研究如何利用區(qū)塊鏈技術(shù)來追蹤和管理電子設(shè)備的逆向物流活動(dòng)，以保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私和安全。④區(qū)塊鏈在醫(yī)療數(shù)據(jù)安全中的應(yīng)用。研究如何利用區(qū)塊鏈技術(shù)來保護(hù)醫(yī)療數(shù)據(jù)的隱私和安全。

4.2? ?未來應(yīng)用展望

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)不斷發(fā)展和完善，其在跨域數(shù)據(jù)共享和隱私保護(hù)中的應(yīng)用前景廣闊。未來，我們期望看到以下發(fā)展趨勢(shì)。①更強(qiáng)的可擴(kuò)展性。通過改進(jìn)區(qū)塊鏈的架構(gòu)和協(xié)議，提高其處理大量交易的能力，從而滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)共享的需求。②更強(qiáng)的隱私保護(hù)。通過引入更先進(jìn)的加密和隱私保護(hù)技術(shù)，如零知識(shí)證明技術(shù)，提高區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)水平。③更好的互操作性。通過開發(fā)跨鏈協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)塊鏈平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)共享和通信，從而提高區(qū)塊鏈的互操作性。

5? ? ?結(jié)束語

區(qū)塊鏈技術(shù)在跨域數(shù)據(jù)共享和隱私保護(hù)中的應(yīng)用擁有巨大的潛力和廣闊的前景。然而，這還是一個(gè)相對(duì)較新的研究領(lǐng)域，需要進(jìn)一步研究和探索。期待看到更多的研究和實(shí)踐來推動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)共享和隱私保護(hù)中的挑戰(zhàn)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值最大化和個(gè)人隱私有效保護(hù)。

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