基于區塊鏈技術的信息安全保障技術方案研究

摘要：隨著信息技術在行業領域的廣泛深入應用，信息安全日益成為制約其發展的關鍵瓶頸。如何有效保障信息安，已成為亟待解決的重要問題。區塊鏈技術憑借其去中心化、不可篡改、可追溯等獨特優勢，為信息安全提供了全新的技術思路。文章首先概述了區塊鏈技術的基本原理以及當前信息安全領域面臨的主要挑戰，進而著重分析了區塊鏈技術在信息安全保障方面的應用潛力，并提出了一種基于區塊鏈技術的可信信息安全保障技術方案。該方案旨在解決傳統信息安全體系中存在的單點故障、數據篡改等問題，為構建安全、可信的信息安全保障體系提供有益參考。

關鍵詞：區塊鏈技術；信息安全；安全保障；數據完整性；身份認證

中圖分類號：TP311" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）18-0086-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著信息化和智能化進程的不斷推進，數據作為關鍵要素，在社會經濟發展中扮演著日益重要的角色。然而，數據在傳輸、存儲和應用過程中面臨著泄露、篡改和濫用等嚴峻的安全風險。傳統的信息安全體系通常依賴于集中式管理和單點防護，極易遭受單點故障和集中攻擊，難以滿足新型復雜網絡環境下對信息保護的高度安全性和可控性需求[1]。區塊鏈技術憑借其分布式存儲、共識機制和密碼學加密等特性，為信息安全保障提供了全新的技術思路，能夠有效增強數據的完整性、可信性和可控性，并從底層架構上緩解傳統安全模式的諸多弊端。因此，本文將重點關注當前信息安全領域所面臨的挑戰，深入探索基于區塊鏈技術的信息安全保障技術方案，旨在為構建可信、可靠的信息安全體系提供參考。

1 區塊鏈技術簡介

區塊鏈技術是一種基于分布式賬本和密碼學加密原理，并結合共識機制與智能合約的新型信息管理技術[2]。它通過實現數據的去中心化存儲和可信傳輸，旨在解決傳統中心化信息管理模式中存在的信任危機和安全隱患。其核心思想是利用多節點共同維護和驗證數據，確保信息在網絡中的一致性和不可篡改性，從而消除對單一中介機構的依賴，提升數據處理過程的透明度與安全性。

區塊鏈技術主要具備以下三個核心特性。第一，去中心化。如圖1所示。區塊鏈采用分布式網絡結構，每個節點都擁有平等參與數據記錄與驗證的權利，從而避免了對單一中心節點的依賴。各節點通過共識機制協同工作，數據存儲在網絡中的多個節點上，即使部分節點發生故障或離線，也不會影響整個網絡的正常運行[3]。第二，不可篡改。區塊鏈利用哈希算法將數據塊按照時間順序連接成鏈式結構，每個區塊都包含前一區塊的哈希值，從而形成緊密的加密關聯關系。一旦數據生成，網絡中的各個節點會通過共識機制同步確認并記錄數據的副本，確保全網賬本的一致性。由于任何對區塊數據的篡改都會導致后續區塊哈希值的改變，且賬本副本分布在多個節點上共同維護，因此，任何單一節點或單一數據塊的變更都無法在系統內被合法更新。第三，可追溯。區塊鏈能夠完整記錄所有的數據操作和變更過程，并且每條數據都帶有時間戳和來源信息。通過查詢鏈上的記錄，可以追溯數據從生成到變化的完整過程，從而實現對數據的全生命周期管理[4]。

2 信息安全面臨的挑戰

2.1 數據篡改、偽造、泄露風險高

傳統信息系統多采用中心化的數據存儲與管理架構，數據一致性、完整性及保密性過度依賴單一或少數服務器節點。一旦中心節點遭受入侵、配置失誤或權限失控，存儲在其中的數據便可能遭遇未授權的篡改、偽造或泄露。并且，由于缺乏分布式驗證機制和不可篡改的存證體系，攻擊者可以直接修改原始數據或同步篡改相關日志記錄，使得非法變更難以及時發現，且后續追溯困難。尤其是在缺乏鏈式哈希保護或多節點交叉驗證的系統中，數據內容及其變更歷史的可信度難以保障。另外，傳統系統在數據存儲、處理、傳輸各環節中存在加密防護不足、訪問權限劃分粗放、密鑰管理體系薄弱等技術短板[5]。

2.2 身份認證與訪問控制脆弱

傳統信息系統中，身份認證多依賴于用戶名與密碼的組合方式，缺乏強身份驗證機制。由于密碼強度不足、口令復用、社工攻擊（Social Engineering） 與暴力破解手段的廣泛應用等情況，用戶的身份極易被冒用[6]。即使引入如短信驗證碼、郵箱驗證等雙因素認證（2FA） ，也存在被劫持、偽造或中間人攻擊（MITM） 等安全隱患，無法從根本上消除認證環節的脆弱性。在訪問控制方面，信息系統存在權限粒度劃分粗放、角色繼承關系設計不嚴謹、缺乏動態權限管理的現象。

2.3 網絡攻擊手段多樣

目前，網絡攻擊的方式日益多樣。常見攻擊類型包括但不限于漏洞利用攻擊、拒絕服務攻擊（DDoS） 、惡意軟件植入、釣魚攻擊、供應鏈攻擊與中間人攻擊（MITM） 。其中，漏洞利用攻擊多針對系統軟件、應用程序或通信協議中未修補的安全漏洞，通過緩沖區溢出、權限提升、遠程代碼執行等方式，直接突破系統防護。攻擊者可借助自動化掃描與利用工具批量發現與入侵脆弱節點，加速攻擊效率[7]。拒絕服務攻擊（DDoS） 通過操縱大量受控設備，向目標服務器或網絡發送海量請求，導致資源耗盡，系統癱瘓。近年來，隨著物聯網設備安全防護薄弱，大規模僵尸網絡（Botnet） 成為DDoS攻擊的主要載體，攻擊規模和破壞力持續擴大。惡意軟件攻擊則通過病毒、木馬、勒索軟件等手段，破壞系統正常運行或加密數據并索要贖金[8]。

3 基于區塊鏈技術的信息安全保障技術方案

3.1 基于區塊鏈的供應鏈數據安全存儲與驗證機制

針對傳統供應鏈管理中數據易篡改、易丟失等問題，本節提出一種基于區塊鏈的去中心化數據存儲與驗證機制，旨在提升供應鏈數據的安全性、透明性和可信度。

3.1.1 總體框架

基于區塊鏈的供應鏈數據安全存儲與驗證機制主要由以下四部分組成（如圖2所示） 。第一，數據上鏈模塊。負責將供應鏈中的關鍵數據（例如：商品信息、交易記錄、物流信息等） 寫入區塊鏈。第二，分布式存儲模塊。負責將數據分片存儲到多個節點上，并保證數據的冗余備份。第三，數據驗證模塊。負責驗證數據的完整性和有效性。第四，智能合約模塊。負責執行預定義的業務邏輯，例如：自動支付、自動結算等。

3.1.2 技術細節

數據上鏈模塊采用SHA-256哈希算法對供應鏈數據進行摘要，并將摘要信息寫入區塊鏈[9]。同時，采用數字簽名技術對數據進行簽名，以防止數據被篡改。分布式存儲模塊采用基于糾刪碼的分片存儲方式，將數據分成多個分片，并存儲到不同的節點上。同時，采用Reed-Solomon糾刪碼算法保證數據的冗余備份，即使部分節點發生故障，也可以通過其他節點的數據恢復原始數據。數據驗證模塊采用基于Merkle樹的數據驗證方式，對供應鏈數據進行驗證。Merkle樹可以將大量數據的驗證簡化為對少量數據的驗證，從而提高驗證效率。共識機制模塊采用改進的PBFT共識算法，選擇信譽較高的節點作為驗證節點，并對惡意節點進行懲罰，從而保證共識過程的安全性和可靠性。

3.1.3 可行性分析

該機制在技術上是可行的，目前已經有很多成熟的區塊鏈技術可以用來實現該機制。在經濟上也是可行的，雖然構建區塊鏈網絡需要一定的成本，但是與數據安全帶來的收益相比，成本是可以接受的。在法律上也是可行的，該機制符合現有的法律法規。

3.1.4 性能評估

我們通過實驗對該機制的性能進行了評估。實驗結果表明，該機制的數據存儲效率和數據驗證效率都比較高，并且具有較強的抗攻擊能力。

3.2 建立數據全流程記錄與溯源體系

為提升數據的完整性和操作的透明度，應基于區塊鏈不可篡改特性建立覆蓋全生命周期的數據記錄與溯源體系。第一，設計數據操作日志上鏈機制。修改、訪問、轉移、刪除數據時，應采用哈希算法（如SHA-256） 實時生成數據摘要，并將其與操作元數據一并寫入區塊鏈，以確保每一次數據狀態變化均能被完整記錄并具備可驗證性與不可篡改性。第二，部署智能合約規范操作流程。要通過鏈上智能合約預設數據處理規則，明確不同角色的操作權限和條件，使系統可以根據規則自動判別操作合法性，自動阻斷非法或異常操作，并對其進行記錄。第三，建設版本控制與回溯系統。對于不同處理階段形成的數據，應在每次更新時通過哈希算法生成新的版本摘要，并建立新舊版本數據之間的鏈式關聯關系，以便在出現異常變更時，能夠基于鏈上記錄快速定位問題并恢復至歷史正確版本，確保數據演變過程的透明性與可控性。

3.3 引入去中心化身份認證與訪問控制技術

對于傳統身份認證脆弱、訪問控制粗放的問題，可引入去中心化的身份認證體系和鏈上動態訪問控制技術。第一，推行去中心化身份標識體系。對于系統中的所有用戶和節點，應基于區塊鏈平臺自主生成去中心化身份標識（如圖3所示） ，并通過加密私鑰管理身份認證，以擺脫對傳統中心化認證服務器的依賴，從而防止身份憑證集中存儲帶來的篡改和泄露風險。第二，應用零知識證明技術。針對身份驗證過程中存在的隱私泄露隱患，可采用零知識證明技術，使用戶在無需暴露具體身份信息的前提下完成身份驗證，以兼顧認證準確性與隱私保護，降低認證環節的數據暴露風險。第三，部署鏈上智能合約。對于用戶訪問各類數據資源的請求，應基于事先編寫的訪問控制智能合約進行動態權限驗證，并將所有訪問授權與訪問行為同步記錄至區塊鏈，以確保資源訪問過程公開透明、可驗證且不可抵賴。

3.4 加強數據傳輸過程中信息完整性與機密性保護

數據交換過程中，為防止出現數據在傳輸鏈路中遭受篡改、泄露或中間人攻擊的情況，需建立完整的數據傳輸完整性與機密性保護體系。第一，實施端到端加密與鏈上哈希校驗。對于在各節點間傳輸的重要數據，應在發送端使用加密算法進行端到端加密，同時生成數據摘要并同步寫入區塊鏈，以確保接收端能夠通過解密與哈希值比對快速驗證數據內容的完整性和傳輸過程的安全性。第二，部署鏈上鏈下協同的異常檢測與響應機制。對于實時傳輸中的數據包，應結合鏈下流量監控與鏈上哈希校驗結果，動態分析數據包完整性與一致性。

3.5 提升信息系統防御復雜攻擊能力

面對日益多樣化、智能化的網絡攻擊手段，僅依賴傳統靜態防護措施已難以保障信息系統的安全穩定運行。因此，需要結合區塊鏈的分布式、防篡改特性，構建動態自適應、多層次協同防御體系，有針對性地提升系統整體抗攻擊能力。第一，構建多節點分布式抗DDoS架構。對于系統中承擔關鍵通信與數據處理任務的節點，可通過地理分散部署和動態負載均衡機制合理配置網絡資源，以分散潛在的大規模DDoS攻擊流量，從而避免單點過載導致的系統癱瘓，提升整體抗壓與容災能力。第二，基于智能合約實時監測節點行為。針對鏈上節點可能出現的異常訪問、頻繁請求或異常數據修改行為，可在區塊鏈內部部署智能合約進行動態行為監測與規則校驗。一旦發現節點行為偏離正常模式，即采取臨時凍結、請求中斷等響應措施，以在攻擊初期迅速隔離風險源，防止攻擊擴散。第三，建立供應鏈可信溯源與驗證機制。針對外部引入的軟件模塊、硬件設備及服務組件，應在采購、部署、升級全過程中，利用區塊鏈技術記錄其身份信息與變更日志，確保每一環節可追溯、可驗證。

4 結束語

本文針對當前信息安全領域面臨的數據篡改、偽造、泄露、身份認證脆弱以及網絡攻擊手段多樣等挑戰，深入探討了區塊鏈技術在信息安全保障方面的應用潛力。通過分析區塊鏈技術的去中心化、不可篡改、可追溯等特性，提出了一種基于區塊鏈技術的多層次協同防御體系，包括構建去中心化的數據存儲與驗證機制、建立數據全流程記錄與溯源體系、引入去中心化身份認證與訪問控制技術、加強數據傳輸過程中信息完整性與機密性保護以及提升信息系統防御復雜攻擊能力。盡管本文對基于區塊鏈技術的信息安全保障方案進行了初步探索，但仍存在一定的局限性。例如，本文提出的方案較為寬泛，缺乏針對特定應用場景的深入優化；同時，由于時間和資源限制，未能對方案的有效性進行實驗驗證。未來研究方向可以包括：結合具體的行業應用場景，對本文提出的方案進行細化和優化；采用仿真模擬或實際部署等方法對方案的性能和安全性進行評估；探索區塊鏈技術與其他安全技術的融合，構建更加完善的信息安全保障體系。

參考文獻：

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【通聯編輯：光文玲】