發(fā)布時間：2020-01-14所屬分類：計算機職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 區(qū)塊鏈作為源于比特幣的一種去中心化的信任管理方法，為解決長期困擾互聯(lián)網(wǎng)的信任問題提供了一種實用的方法，已經(jīng)成為了近幾年互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的研究和開發(fā)熱點。由于區(qū)塊鏈成功地應用于比特幣，使得現(xiàn)有對于區(qū)塊鏈的研究無法擺脫數(shù)字貨幣應用的限制，
摘要: 區(qū)塊鏈作為源于比特幣的一種去中心化的信任管理方法，為解決長期困擾互聯(lián)網(wǎng)的信任問題提供了一種實用的方法，已經(jīng)成為了近幾年互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的研究和開發(fā)熱點。由于區(qū)塊鏈成功地應用于比特幣，使得現(xiàn)有對于區(qū)塊鏈的研究無法擺脫數(shù)字貨幣應用的限制，由此也產(chǎn)生了某些較為混亂的區(qū)塊鏈概念和提法，這也就制約了區(qū)塊鏈在其他非數(shù)字貨幣領(lǐng)域的應用。文中討論了區(qū)塊鏈應用的現(xiàn)狀和區(qū)塊鏈應用存在的問題，在分析面向比特幣的區(qū)塊鏈的概念和原理基礎上，梳理了區(qū)塊鏈的信任控制、公用賬本、交易可信等技術(shù)特征，提出了一種面向非數(shù)字貨幣的區(qū)塊鏈通用應用模型，探討了基于該應用模型的設計和實現(xiàn)區(qū)塊鏈應用的關(guān)鍵技術(shù)問題，并且通過一個物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可信管理的應用實例說明了該區(qū)塊鏈通用應用方案的可行性和實用性。
關(guān)鍵詞: 比特幣; 區(qū)塊鏈; 去中心化; 信任管理; 互聯(lián)網(wǎng)應用
基于機器學習的“人工智能”與基于比特幣的 “區(qū)塊鏈”已經(jīng)被國際上認為是對現(xiàn)有技術(shù)最具有破壞性的技術(shù)，或者稱為是“革命性技術(shù)”。現(xiàn)在的 “人工智能”和“區(qū)塊鏈”將從根本上重塑我們的生活、工作和交互方式[1]。
現(xiàn)在的基于機器學習的“人工智能”是由于機器學習在深度學習領(lǐng)域的突破，使得機器可以通過大量數(shù)據(jù)的訓練，多層次自動調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)而構(gòu)成一種對于特定應用場景，例如人臉識別，提供高準確判斷能力的智能算法。這種智能算法究竟是如何構(gòu)成的，人類的專家無法解決。但這個智能算法對于特定應用場景的判斷精確度已經(jīng)高于人類，所以，現(xiàn)在的學術(shù)界和工業(yè)界認為這是“人工智能”。但這種“人工智能”已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的人工智能，這是由機器決定的智能，與“人工”已經(jīng)無關(guān)了，應該更加準確地稱為“機器智能”。
同樣，區(qū)塊鏈也不是現(xiàn)在的網(wǎng)絡權(quán)威或者網(wǎng)絡安全權(quán)威發(fā)明的，而是由自稱為“中本聰”的一個人或一 個 團 隊，在構(gòu)建全球去中心化數(shù)字貨幣體系———比特幣的過程中設計和實現(xiàn)的一種去中心化的信任管理機制。區(qū)塊鏈這種信任管理機制在比特幣部署和使用將近十年時間內(nèi)一直運行正常，使得研究人員對于區(qū)塊鏈在其他互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應用產(chǎn)生了很大的興趣，開始考慮通過區(qū)塊鏈解決長期困擾互聯(lián)網(wǎng)的信任問題。而為了應用區(qū)塊鏈的去中心化信任管理機制，就需要理解和掌握區(qū)塊鏈這類完全源于“實踐”而產(chǎn)生的“真知”。
文獻[2]是我們看到的較早的一篇詳細分析比特幣以及其他網(wǎng)絡數(shù)字貨幣相關(guān)概念和機制的綜述性論文。
文獻[3]認為區(qū)塊鏈可以準確地跟蹤互聯(lián)網(wǎng)中任何形式的交易，可以在物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字標識、知識產(chǎn)權(quán)保護、網(wǎng)絡安全等方面得到更加廣泛的應用。
我們認為，無論是“機器智能”在某些應用領(lǐng)域找到了優(yōu)于人類智能的判定方法，還是區(qū)塊鏈找到了機器進行信任管理機制，這都需要人類研究人員對這些“智能判斷方法”和“信任管理機制”進一步分析和研究，努力發(fā)現(xiàn)隱藏在其背后的自然規(guī)律和規(guī)則，并將這些規(guī)律或規(guī)則用于指導和拓展人類在智能化和信任管理方面的進一步實踐活動。
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基于這種考慮，本文在將在分析現(xiàn)有區(qū)塊鏈應用現(xiàn)狀的基礎上，詳細分析面向比特幣的區(qū)塊鏈機制，提煉出其技術(shù)特征，并且基于區(qū)塊鏈的技術(shù)特征提出一個通用的區(qū)塊鏈應用模型，探討將區(qū)塊鏈應用于非數(shù)字貨幣領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題，在此基礎上形成一個面向非數(shù)字貨幣領(lǐng)域的區(qū)塊鏈通用應用方案，為區(qū)塊鏈應用提供一個較為通用的參考架構(gòu)。 1 區(qū)塊鏈應用研究現(xiàn)狀區(qū)塊鏈屬于集成網(wǎng)絡技術(shù)、密碼技術(shù)、安全技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)的應用類技術(shù)，目前區(qū)塊鏈的研究主要側(cè)重于比特幣系統(tǒng)的區(qū)塊鏈方法的研究，以及區(qū)塊鏈在其他非數(shù)字貨幣領(lǐng)域的應用的研究。所以，區(qū)塊鏈應用的研究現(xiàn)狀基本上反映了區(qū)塊鏈的研究現(xiàn)狀。
目前區(qū)塊鏈的主要應用領(lǐng)域包括數(shù)字貨幣領(lǐng)域的應用、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應用、數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域的應用、標識管理領(lǐng)域的應用、以及其他領(lǐng)域的應用。下面主要從這些方面分析區(qū)塊鏈應用的研究現(xiàn)狀，并且梳理目前區(qū)塊鏈應用面臨的問題。
( 1) 數(shù)字貨幣領(lǐng)域的應用
區(qū)塊鏈源于數(shù)字貨幣的應用，分析區(qū)塊鏈在數(shù)字貨幣領(lǐng)域的應用是研究區(qū)塊鏈的起點和基礎。文獻[2]詳細討論了比特幣的區(qū)塊鏈的塊結(jié)構(gòu)、交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、以及將交易形成塊鏈接的區(qū)塊鏈的機制，明確了比特幣這類互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字貨幣的最大貢獻在于: 通過引入?yún)^(qū)塊鏈機制以及解決區(qū)塊鏈分叉的共識協(xié)議，解決了去中心化的數(shù)字貨幣面臨的數(shù)字貨幣“重復使用”和對于交易驗證共識機制的“女巫攻擊”兩大問題，在互聯(lián)網(wǎng)中首次實現(xiàn)了去中心化的數(shù)字貨幣。
文獻[3]分析了比特幣和區(qū)塊鏈的未來發(fā)展前景，認為僅僅是因為目前參與比特幣交易的有效性驗證( 本文將這個過程稱為“淘金”) 的收益較高而引人關(guān)注，今后應用面廣并且具有發(fā)展?jié)摿Φ倪�是區(qū)塊鏈。因為區(qū)塊鏈是一個準確跟蹤網(wǎng)絡環(huán)境下任何形式交易的工具，在物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字標識、知識產(chǎn)權(quán)等領(lǐng)域可能具有很好的應用前景。
文獻[4]認為面向比特幣的區(qū)塊鏈所采用的技術(shù)都是已有的技術(shù)，比特幣的主要創(chuàng)新是形成區(qū)塊鏈的工作量證明的機制，這種機制使得對等結(jié)點可 以 無 需 可 信 的 中 央 權(quán) 威 而 進 行 可 信 的操作。
( 2) 物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應用
基于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來的物聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)不同于互聯(lián)網(wǎng)僅僅提供透明數(shù)據(jù)傳遞的能力，而成為提供自主數(shù)據(jù)采集、存儲、處理等服務的新一代的信息基礎設施。為了確保物聯(lián)網(wǎng)服務的可信，首先需要確保物聯(lián)網(wǎng)采集、存儲和處理的數(shù)據(jù)可信。而物聯(lián)網(wǎng)連接龐大數(shù)量的數(shù)據(jù)采集裝置，現(xiàn)有的基于云的物聯(lián)網(wǎng)應用模式面臨多方面的挑戰(zhàn)。
文獻[5]較為系統(tǒng)和全面地探討了采用基于區(qū)塊鏈的標識管理解決大量物聯(lián)網(wǎng)裝置的標識管理問題，使得物聯(lián)網(wǎng)在裝置接入能力方面具有可縮放能力，同時也具有防范對于物聯(lián)網(wǎng)裝置惡意攻擊以及篡改物聯(lián)網(wǎng)裝置采集數(shù)據(jù)的能力; 利用區(qū)塊鏈提供物聯(lián)網(wǎng)裝置的可信本地數(shù)據(jù)存儲和管理能力，可以幫助物聯(lián)網(wǎng)裝置擺脫不必要的云連接。
IBM 公司投入較多的資源研究區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中的應用，文獻[6]描述了該公司在供應鏈、具有自動駕駛能力的自治車輛、以及工廠設備管理等方面的應用案例，有助于了解區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應用思路。
文獻[7]分析了區(qū)塊鏈的控制腳本———智能合約在物聯(lián)網(wǎng)應用場景下自動化工作流的作用。由于物聯(lián)網(wǎng)是連接物品的互聯(lián)網(wǎng)，這樣無需人工干預的自動運行的工作模式可以滿足物聯(lián)網(wǎng)的應用需求。
文獻[8]探討了采用區(qū)塊鏈的機制和方法改變目前以云為中心的物聯(lián)網(wǎng)應用模式，提出了基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)的概念。該文獻引用了其他區(qū)塊鏈研究者在 2015 年提出的、有關(guān)區(qū)塊鏈可應用性演進的三個版本的思路: 從面向比特幣的區(qū)塊鏈( 區(qū)塊鏈 1. 0) ，然后演進到智能合約( 區(qū)塊鏈 2. 0) ，然后再進入正義、有效和協(xié)同的應用( 區(qū)塊鏈 3. 0) ，說明對于區(qū)塊鏈不斷階段的應用。我們并不認為這種區(qū)塊鏈應用演進的不同版本提法，在技術(shù)層面具有合理和可信的理由。
( 3) 數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域的應用
將區(qū)塊鏈應用于數(shù)據(jù)管理的主要出發(fā)點是: 如何通過引入?yún)^(qū)塊鏈機制，消除目前基于云計算的網(wǎng)絡應用中信任缺失的問題。這里有兩種不同的思路: 其一是利用區(qū)塊鏈機制改造現(xiàn)有的云數(shù)據(jù)管理的模式，使得云存儲的數(shù)據(jù)安全可信; 其二是利用區(qū)塊鏈機制實現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)的本地存儲，避免使用 云 數(shù) 據(jù) 存 儲 而 造 成 數(shù) 據(jù) 泄 露 或 訪 問 的失控。
文獻[9]討論了在云存儲的電子醫(yī)療記錄、電子健康記錄和個人健康記錄中引入?yún)^(qū)塊鏈實現(xiàn)安全管理的技術(shù)方案，采用了時間順序化的數(shù)據(jù)鏈，可以確保數(shù)據(jù)在采集、存儲、訪問、處理過程中不會被假冒和誤用; 采用了專有鏈，只有與自己相關(guān)的家屬和親友可以看到這些電子健康記錄和個人健康記錄。這樣，既可以滿足實時共享醫(yī)療記錄和健康記錄，有可以保證醫(yī)療記錄和健康記錄的安全性和隱私性。
文獻[10]給出了一個完整而詳細的、在云存儲環(huán)境下基于區(qū)塊鏈實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性管理的技術(shù)方案。文獻[11]給出了一個完整而詳細的、在云存儲環(huán)境下基于區(qū)塊鏈實現(xiàn)具有隱私保護的數(shù)據(jù)溯源的技術(shù)方案。這兩個技術(shù)方案說明了區(qū)塊鏈的應用可以獨立于數(shù)據(jù)的存儲，這是因為區(qū)塊鏈本質(zhì)上僅僅是一個去中心化信任管理的機制。
文獻[12]將區(qū)塊鏈與關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行對比，羅列了是否需要采用區(qū)塊鏈的判定條件，對于正確使用區(qū)塊鏈進行數(shù)據(jù)管理提供了評判依據(jù)。
文獻[13]認為區(qū)塊鏈可能改變現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的應用現(xiàn)狀，實現(xiàn)基于區(qū)塊鏈的快捷而無需人工參與的數(shù)據(jù)管理。區(qū)塊鏈的交易不可更改性和透明性可以減少人工錯誤，以及減少由于數(shù)據(jù)沖突而需要的人工干預。
( 4) 云服務領(lǐng)域的應用
現(xiàn)在的云服務都是通過建立龐大的數(shù)據(jù)中心提供，這與網(wǎng)絡計算的理念并不吻合，不僅造成了很大的資源浪費和生態(tài)環(huán)境的破壞，也存在較多的安全和隱私方面的隱患。其可持續(xù)發(fā)展性值得懷疑。而基于區(qū)塊鏈的云服務，則是采用可以利用的網(wǎng)絡閑散資源提供可信云服務的技術(shù)理念，是一個具有難以估量的應用前景和商業(yè)價值的技術(shù)發(fā)展方向。
雖然文獻[14]提出了采用區(qū)塊鏈再造云的想法，由于并沒有提供明確的模型，無法判斷這種想法是否實用。文獻[15]認為云服務現(xiàn)在的主要問題是信任管理，如何對云服務的每一步都提供跟蹤審計? 這是現(xiàn)有云服務無法解決的問題。引入?yún)^(qū)塊鏈有可能提高云服務的信任度。
而文獻[16]分析了目前三種基于區(qū)塊鏈的、去中心化的云服務項目，也就是基于傳統(tǒng)的對等網(wǎng)絡 ( P2P 網(wǎng)絡) 中的每個網(wǎng)絡結(jié)點既可以是提供服務的服務器，又可以是使用服務的客戶端的理念，應用區(qū)塊鏈對網(wǎng)絡結(jié)點進行去中心化的信任管理。這種應用區(qū)塊鏈提供的云服務是一個去中心化的可信虛擬云服務，屬于一類不需要建立龐大的、耗費能源的數(shù)據(jù)中心的云服務，也是真正利用閑散網(wǎng)絡資源提供云服務的技術(shù)方案，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α＿@篇文獻認為這三種基于區(qū)塊鏈的可信虛擬云服務項目還是基于現(xiàn)有約定成俗的區(qū)塊鏈機制( 例如都是基于以太坊的平臺) ，缺少系統(tǒng)研究的支撐。這從另一個角度反映了目前對于區(qū)塊鏈機制研究方面的缺失，以及實際的區(qū)塊鏈應用面臨的、需要系統(tǒng)性研究才能解決的技術(shù)難題。
( 5) 標識管理領(lǐng)域的應用
目前互聯(lián)網(wǎng)的應用主要采用基于注冊服務器的集中式標識管理，這種集中式的標識管理容易造成個人數(shù)據(jù)泄露、個人標識( 例如銀行卡賬戶、手機號碼等) 被假冒或盜用，造成個人隱私泄露或個人財產(chǎn)的損失。
文獻[17]討論從命名的角度對于基于區(qū)塊鏈的標識管理的分類: 其一是自管理標識，用戶自己擁有和控制自己的標識以及綁定的個人信息，無需依賴任何外部管理機構(gòu)，也不存在任何該標識被收回的可能。其二是去中心化的可信標識，這是由某個專用服務基于已有可信證書( 例如護照) 提供的用戶標識證明的服務，并且標識的真實性證明數(shù)據(jù)被保留在區(qū)塊鏈中，可用于后續(xù)第三方的驗證。
文獻[17]認為雖然基于區(qū)塊鏈的標識管理試圖提供去中心化的標識管理，并且防范中間人攻擊，但現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈的標識管理方案還是依賴于標識管理中心，也并不能控制標識管理的所有環(huán)節(jié)而真正防范中間人攻擊。所以，目前基于區(qū)塊鏈的標識管理方案并沒有真正提供去中心化的標識管理能力。
文獻[18]認為基于區(qū)塊鏈的標識管理可以允許對等共享個人標識以及相關(guān)的信息，這樣可以提供對個人數(shù)據(jù)更大的控制力度，減少個人信息泄露的風險。而結(jié)合標識驗證和數(shù)字標識符可以提供數(shù)字水印，實現(xiàn)對于電子版的論文和著作等知識產(chǎn)權(quán)的保護。
標識管理在互聯(lián)網(wǎng)中的最主要服務是域名服務，文獻[18]討論了提供基于區(qū)塊鏈的去中心化域名服務和用于安全訪問網(wǎng)頁的證書服務的動因、原理、實現(xiàn)方案、以及存在的問題，認為目前互聯(lián)網(wǎng)的域名服務存在受到拒絕服務攻擊、域名服務欺騙、域名服務緩存記錄篡改，以及攻破域名服務器或攻破證書服務器之后發(fā)布假域名對應的網(wǎng)絡地址，或發(fā)布假證書等攻擊，而采用基于區(qū)塊鏈的去中心化域名服務和證書服務，可以提供更加安全可信的域名服務和證書服務; 并在此基礎上，討論了去中心化的互聯(lián)網(wǎng)服務的相關(guān)技術(shù)方案，認為雖然現(xiàn)在已經(jīng)提供的互聯(lián)網(wǎng)去中心化服務很振奮人，但這方面的技術(shù)并不成熟，還存在可縮放性較低和能耗過高等技術(shù)問題。
( 6) 其他領(lǐng)域的應用
由于去中心化的信任管理是互聯(lián)網(wǎng)一直缺失的能力，所以，互聯(lián)網(wǎng)其他應用也都在探索有關(guān)區(qū)塊鏈的可能應用，例如在電子選舉、網(wǎng)上拍賣、供應鏈等領(lǐng)域的應用。
文獻[19]討論了基于區(qū)塊鏈的電子投票應用，這類應用雖然與大部分的區(qū)塊鏈應用一樣都沒有達到標準化程度，但在全球各地已經(jīng)有了幾個成功運行的系統(tǒng)，其中包括城市居民參與城市管理、公司股東參與公司管理、以及輔助國家選舉等方面的投票應用。該文獻認為: 傳統(tǒng)的投票強調(diào)投票狀態(tài)的權(quán)威性，而基于區(qū)塊鏈的電子投票強調(diào)投票者的透明性，這個過程是透明、去中心化、自下而上的。而采用基于區(qū)塊鏈的電子投票帶來的益處是: 可以消除投票的舞弊，鼓勵更多的選民參與投票，提供嚴格的身份驗證功能，提供嚴格的投票人的隱私保護，加快計票的速度，杜絕不確定的選票，提供更加透明和清晰的、經(jīng)得起后續(xù)審計的選票過程。而目前基于區(qū)塊鏈的電子投票存在的問題是: 公眾對于基于區(qū)塊鏈的電子投票的信任和信心; 區(qū)塊鏈技術(shù)的成熟度，以及基于區(qū)塊鏈的電子投票軟件系統(tǒng)的成熟度。
文獻[20]羅列和分析了區(qū)塊鏈在個人數(shù)據(jù)管理、知識產(chǎn)權(quán)保護、金融交易拍賣、軟件和互聯(lián)網(wǎng)的安全和隱私保護、社會治理、商業(yè)和供應鏈、物聯(lián)網(wǎng)、以及健康衛(wèi)生等方面的應用，并且以保險業(yè)為例，討論了可能的區(qū)塊鏈應用以及基于區(qū)塊鏈的技術(shù)方案，分析了適用于保險業(yè)的區(qū)塊鏈應用評價指標。
( 7) 區(qū)塊鏈應用存在的問題
從以上區(qū)塊鏈在不同領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀可以看出，區(qū)塊鏈應用研究和開發(fā)十分活躍，其結(jié)果也令人對于未來的區(qū)塊鏈應用發(fā)展前景充滿信心。但也反映出了目前存在的問題: 除比特幣之外的應用都不成熟，沒有完全把握這類技術(shù)本質(zhì)，無法駕馭這類技術(shù)的復雜度，缺少公認的區(qū)塊鏈應用技術(shù)體系等。
文獻[21]認為區(qū)塊鏈是一類尚未成熟的技術(shù)，但卻受到了大量的、言過其實的報道。該文獻通過對 23 個區(qū)塊鏈應用項目的分析，得出結(jié)論: 大部分區(qū)塊鏈應用項目從無法從區(qū)塊鏈應用的獲益。在此基礎上，該文獻提出了 10 條評價是否適合應用區(qū)塊鏈的指標: 不可更改，透明，信任，標識，分布，工作流，交易，歷史記錄，生態(tài)系統(tǒng)，低效率。并且給出了 “信任”16% 的權(quán)重，“生態(tài)系統(tǒng)”15% 的權(quán)重，“不可更改”、“透明”、“交易”分別為 12% 的權(quán)重，“分布” 10% 權(quán)重，這六項評價指標就占了 77% 的權(quán)重，屬于核心評價指標。
區(qū)塊鏈屬于應用類技術(shù)，涉及到密碼學、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡空間安全、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字貨幣、網(wǎng)絡可信管理等諸多信息和通信技術(shù)領(lǐng)域的理論和技術(shù)，需要具有較為系統(tǒng)和深入的信息和通信技術(shù)應用研究基礎，才能進行深入研究和提煉區(qū)塊鏈的概念和原理。雖然國際上對于區(qū)塊鏈具有一定程度的研究，但尚沒有到達深入和完善的程度。這樣也就很難開展高效和實用的區(qū)塊鏈應用研究和開發(fā)。
我們認為目前影響區(qū)塊鏈應用的主要技術(shù)問題包括: 如何明確定義區(qū)塊鏈? 如何準確描述區(qū)塊鏈的技術(shù)特征? 如何構(gòu)建面向非數(shù)字貨幣領(lǐng)域的通用區(qū)塊鏈應用技術(shù)體系?
目前區(qū)塊鏈的應用都是基于現(xiàn)有的區(qū)塊鏈開源平臺展開的，例如以太坊[22]平臺和超級賬本[23]平臺。這些開源平臺提供了較為方便的區(qū)塊鏈應用開發(fā)環(huán)境，對于區(qū)塊鏈應用原型的開發(fā)起到了促進作用。這些開源平臺并不能解決區(qū)塊鏈應用技術(shù)基礎面臨的問題。
