姜 鑫 王飛

（甘肅政法大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

早在2008年，一篇名為《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》[1]的文章引起了學(xué)界廣泛的關(guān)注，化名為中本聰?shù)膶W(xué)者首次在世界范圍內(nèi)提出了一種電子加密貨幣——比特幣(bitcoin)，比特幣的基礎(chǔ)支撐技術(shù)就是區(qū)塊鏈技術(shù)，區(qū)塊鏈技術(shù)被描述為一個(gè)分布式賬本，具有去中心化、不可篡改和可信賴等特性。區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合了許多傳統(tǒng)信息技術(shù)的內(nèi)容，如分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分散且獨(dú)立的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的事務(wù)處理，智能化的共識(shí)機(jī)制，可編程的智能合約，非對(duì)稱加密技術(shù)等。在大型計(jì)算機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)社交四次顛覆式計(jì)算范式后，區(qū)塊鏈技術(shù)被認(rèn)為是第五次顛覆式計(jì)算范式[2]。

2 相關(guān)概念簡(jiǎn)介

2.1 區(qū)塊鏈的特性

2.1.1 去中心化

區(qū)塊鏈去中心化的概念為：區(qū)塊鏈的整個(gè)運(yùn)作過程是基于整個(gè)分布式系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)共同完成的，分布式節(jié)點(diǎn)間的信任關(guān)系是依賴于純數(shù)學(xué)方法而不是中心機(jī)構(gòu)，從而使得分布式系統(tǒng)成為一個(gè)去中心化的可信任的系統(tǒng)[3]。相較于中心化的應(yīng)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(qū)塊鏈?zhǔn)褂霉Ｖ祦肀ＷC區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的不可篡改，區(qū)塊鏈中每一個(gè)區(qū)塊的塊頭都保存著上一個(gè)區(qū)塊塊頭的哈希值，而塊頭中包含了存儲(chǔ)在本區(qū)塊中的所有交易，一旦其中一個(gè)交易被篡改，哈希值必定會(huì)發(fā)生改變，必須更改掉后面所有區(qū)塊塊頭的哈希值才能保持一致，這就給篡改數(shù)據(jù)帶來了海量的工作量。從區(qū)塊鏈的整體架構(gòu)來看，賬本由全體節(jié)點(diǎn)維護(hù)，群體協(xié)作的共識(shí)過程和強(qiáng)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)一致且基本無法被篡改，進(jìn)一步使數(shù)據(jù)可驗(yàn)證和追溯[4]。

2.1.3 可信賴

區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)交換完全依賴于數(shù)學(xué)算法，或者說依賴于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的算力來組成強(qiáng)大的系統(tǒng)總體計(jì)算能力，在沒有人為干預(yù)的情況下也可以防御外部攻擊。參與者可以在無信任的環(huán)境中，甚至在完全匿名的情況下完成交易。區(qū)塊鏈保護(hù)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(qū)塊鏈上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都完整地儲(chǔ)存了所有的交易內(nèi)容，只要不超過該區(qū)塊鏈中所有節(jié)點(diǎn)的51%被黑客所操縱，區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)就是可信的。

2.2 區(qū)塊鏈類型

根據(jù)區(qū)塊鏈的特性，我們通常把區(qū)塊鏈分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈，如表1所示。

表1 區(qū)塊鏈分類

2.3 區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)

目前區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)劃分使用最廣泛的，是袁勇等人[3]提出的區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)模型，整體架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、合約層和應(yīng)用層組成總共六層結(jié)構(gòu)。

其中，數(shù)據(jù)層封裝了基礎(chǔ)區(qū)塊以及相關(guān)的非對(duì)稱加密技術(shù)和哈希函數(shù)，以及時(shí)間戳等內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)層包括分布式組網(wǎng)機(jī)制、數(shù)據(jù)傳播機(jī)制和數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制。共識(shí)層主要封裝了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各種共識(shí)算法，比如常用的PoW和PoS等算法。激勵(lì)層將經(jīng)濟(jì)因素整合到區(qū)塊鏈技術(shù)體系中，是區(qū)塊鏈金融相關(guān)應(yīng)用的核心部分，主要包括經(jīng)濟(jì)激勵(lì)的發(fā)行機(jī)制和分配機(jī)制；合約層主要封裝了各種腳本，算法和智能合約，用于實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈最基礎(chǔ)的可編程功能；應(yīng)用層封裝了區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場(chǎng)景和案例。

3 區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 共識(shí)機(jī)制

共識(shí)機(jī)制[4]是區(qū)塊鏈的核心內(nèi)容，在中心化的網(wǎng)絡(luò)中，由于只有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，幾乎不需要考慮共識(shí)的問題，而在分布式的系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)想要達(dá)成共識(shí)來保證數(shù)據(jù)的一致性是一件比較困難的事。目前區(qū)塊鏈中最常使用工作量證明（PoW）來保證各個(gè)賬本之間數(shù)據(jù)的一致性，并防止區(qū)塊鏈出現(xiàn)分叉，這也是最早比特幣所使用的共識(shí)機(jī)制。共識(shí)機(jī)制的思想是通過區(qū)塊鏈中節(jié)點(diǎn)間的算力競(jìng)賽來達(dá)成對(duì)數(shù)據(jù)的共識(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都可以參與到“挖礦”的競(jìng)賽中，通過計(jì)算一個(gè)隨機(jī)數(shù)（Nonce），以使塊頭的雙SHA256 的哈希值小于或等于某個(gè)值，快速計(jì)算該隨機(jī)數(shù)的節(jié)點(diǎn)將獲得計(jì)費(fèi)權(quán)和出塊獎(jiǎng)勵(lì)。

3.2 智能合約

智能合約[5-6]可以理解為是一個(gè)可自動(dòng)執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序并被部署于區(qū)塊鏈之中，可以根據(jù)開發(fā)者的需求對(duì)智能合約進(jìn)行編程，是目前區(qū)塊鏈相關(guān)應(yīng)用開發(fā)的核心部分。曹儐等人[7]根據(jù)智能合約的定義，提出了智能合約的運(yùn)行原理模型，如圖1所示。

圖1 智能合約運(yùn)行原理[7]

基于區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)可以應(yīng)用于多個(gè)場(chǎng)景之中[8]，如共享經(jīng)濟(jì)、物聯(lián)網(wǎng)、金融資產(chǎn)處理、數(shù)字支付、多重簽名合約、云計(jì)算等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)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(zhí)行的，并不能算是智能。在未來，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，IFTHEN 的合約模式將會(huì)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(fù)雜的需求場(chǎng)景。

3.3 Merkle樹

擁有記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)將系統(tǒng)中的合法交易打包進(jìn)區(qū)塊后，將該區(qū)塊加入進(jìn)區(qū)塊鏈中，這些交易在區(qū)塊中就是以Merkle樹的結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)的，如圖2所示。

圖2 Merkle樹中的交易哈希[9]

區(qū)塊鏈中的Merkle樹包含了根哈希值(Root Hash)，以及各個(gè)分支哈希值和組成分支哈希值的單個(gè)葉子哈希值，葉子即每個(gè)單獨(dú)的交易。這樣的結(jié)構(gòu)使得Merkle 樹具有驗(yàn)證區(qū)塊中交易數(shù)據(jù)的存在性和完整性的功能。例如，要驗(yàn)證圖2中的交易Tx3存在性和完整性，一個(gè)沒有保存整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，可以向其它存儲(chǔ)完整數(shù)據(jù)的全節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求從Tx3至根部的哈希值序列（即哈希節(jié)點(diǎn)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(duì)稱加密技術(shù)

密碼學(xué)中的非對(duì)稱加密[10]需要一個(gè)密鑰對(duì)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(duì)稱加密算法有RSA、Rabin、Elgamal、橢圓曲線密碼和數(shù)字簽名等，消息的發(fā)送者使用公鑰或私鑰對(duì)明文進(jìn)行加密，將密文發(fā)送給接收方，接收方用相對(duì)應(yīng)的密鑰就可以解密。

4 區(qū)塊鏈的應(yīng)用

隨著近幾年來對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷探索和研究[11-13]，人們開始嘗試在各個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域中引入?yún)^(qū)塊鏈的概念來提升數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)共享效率，其中，就包括一些比較關(guān)鍵的領(lǐng)域，如醫(yī)療、供應(yīng)鏈、網(wǎng)絡(luò)空間安全、能源互聯(lián)網(wǎng)等。

4.1 區(qū)塊鏈與醫(yī)療信息

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷普及，醫(yī)療機(jī)構(gòu)將所有信息轉(zhuǎn)入了線上，把信息存儲(chǔ)到本地管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)之中，但其中心化的應(yīng)用模式造成了許多問題與不便。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，其在醫(yī)療機(jī)構(gòu)中的數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)共享方面的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來。薛騰飛等人[14]提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享模型，使用改進(jìn)后的共識(shí)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)共享。梅穎[15]將區(qū)塊鏈用于安全存儲(chǔ)醫(yī)療記錄，有利于病人對(duì)自己個(gè)人信息的控制和隱私醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全。巫光福等人[16]在聯(lián)盟鏈的框架內(nèi)，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(qū)塊鏈與供應(yīng)鏈

將供應(yīng)鏈中的信息放到區(qū)塊鏈上，不僅保證了供應(yīng)鏈中各個(gè)環(huán)節(jié)的信息不會(huì)被篡改，而且通過將供應(yīng)鏈過程中的各個(gè)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(qū)塊鏈與供應(yīng)鏈物流信息資源的關(guān)系，提出了一種基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈物流信息生態(tài)圈模型，完善了供應(yīng)鏈物流信息生態(tài)。朱建明等人[18]通過分析區(qū)塊鏈的特性和結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性地提出了基于區(qū)塊鏈的B2B+B2C供應(yīng)鏈動(dòng)態(tài)多中心協(xié)同認(rèn)證模型。陸堯等人[19]通過將區(qū)塊鏈、比特幣協(xié)議確定性分層錢包與多重簽名技術(shù)相結(jié)合，提出了基于比特幣技術(shù)的供應(yīng)鏈管控與溯源方案，解決了傳統(tǒng)供應(yīng)鏈管理方案中的一些常見的問題。

4.3 區(qū)塊鏈與網(wǎng)絡(luò)空間安全

區(qū)塊鏈的特性可以有效保證數(shù)據(jù)的安全性問題，篡改其中一個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鏈條的哈希值發(fā)生變化，只要絕大多數(shù)的節(jié)點(diǎn)是誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)，就不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的安全。陳燁等人[20]通過研究區(qū)塊鏈在管理體系和物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用方法，提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，有利于提升網(wǎng)絡(luò)空間的安全性。劉宇等人[21]利用了聯(lián)盟鏈的特性，提出了一種基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的體域網(wǎng)信息安全方案，有利于保障無線體域網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)的安全和降低傳感器功耗。黃克振等人[22]利用區(qū)塊鏈的一般特性，提出了一種基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全威脅情報(bào)共享模型，有效提高網(wǎng)絡(luò)攻擊防御方響應(yīng)能力和防御效果。

4.4 區(qū)塊鏈與能源互聯(lián)網(wǎng)

和傳統(tǒng)的中心化應(yīng)用一樣，能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)共享問題存在著諸多安全性問題，而將能源互聯(lián)網(wǎng)部署在區(qū)塊鏈上，可以很好地避免此類問題的出現(xiàn)。郭佳程等人[23]通過基于側(cè)鏈的三層網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作鏈碼體系和分布式能源動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的可信分布式能源共享網(wǎng)絡(luò)，提高了能源互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能、隱私安全和能源調(diào)度能力。邰雪等人[24]利用區(qū)塊鏈中的智能合約技術(shù)，提出了一種能源互聯(lián)網(wǎng)中基于區(qū)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(wěn)定性。

4.5 區(qū)塊鏈與其它領(lǐng)域

在未來，區(qū)塊鏈與新技術(shù)和主流發(fā)展方向的結(jié)合將會(huì)是一種新趨勢(shì)，比如，5G和人工智能等新技術(shù)，智慧城市[25-27]等主流發(fā)展方向。5G作為最高效的新一代無線通信技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)體系是十分必要，區(qū)塊鏈技術(shù)可以利用自己在數(shù)據(jù)安全方面的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于5G之中幫助解決許多安全問題，許丹丹等人[28]通過對(duì)比區(qū)塊鏈與5G技術(shù)，探索未來5G與區(qū)塊鏈可能的應(yīng)用場(chǎng)景；人工智能技術(shù)是近年來的熱門技術(shù)，其關(guān)鍵在于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，而這些算法都需要大量的數(shù)據(jù)集作為支持，Kim等人[29]利用區(qū)塊鏈驗(yàn)證聯(lián)合學(xué)習(xí)框架下的分發(fā)模型的完整性，并根據(jù)計(jì)算成本提供相應(yīng)的激勵(lì)，優(yōu)化整體學(xué)習(xí)效果；智慧城市是指利用ICT優(yōu)化公共資源利用效果、提高居民生活質(zhì)量、豐富設(shè)施信息化能力的研究領(lǐng)域，Bao等[30]利用區(qū)塊鏈高效認(rèn)證和管理用戶標(biāo)識(shí)，保護(hù)車主的身份、位置、車輛信息等個(gè)人數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了區(qū)塊鏈的主要特性，包括去中心化、不可篡改和可信賴，以及區(qū)塊鏈的三種類型：私有鏈、聯(lián)盟鏈和公有鏈，把區(qū)塊鏈系統(tǒng)分為了6層，整體架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、合約層和應(yīng)用層組成。還介紹了區(qū)塊鏈中的關(guān)鍵技術(shù)如共識(shí)機(jī)制、智能合約、Merkle 樹和非對(duì)稱加密技術(shù)，最后總結(jié)區(qū)塊鏈目前的熱門應(yīng)用領(lǐng)域，介紹了區(qū)塊鏈在幾大傳統(tǒng)領(lǐng)域中的應(yīng)用，如醫(yī)療、供應(yīng)鏈、網(wǎng)絡(luò)空間安全和能源互聯(lián)網(wǎng)，關(guān)注了區(qū)塊鏈與最新技術(shù)和主流發(fā)展方向的結(jié)合。區(qū)塊鏈作為目前數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)共享領(lǐng)域的熱門技術(shù)，把區(qū)塊鏈技術(shù)與新技術(shù)的結(jié)合，將會(huì)是未來研究的趨勢(shì)。