發布時間：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網的信任問題提供了一種實用的方法，已經成為了近幾年互聯網技術領域的研究和開發熱點。由于區塊鏈成功地應用于比特幣，使得現有對于區塊鏈的研究無法擺脫數字貨幣應用的限制，
摘要: 區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網的信任問題提供了一種實用的方法，已經成為了近幾年互聯網技術領域的研究和開發熱點。由于區塊鏈成功地應用于比特幣，使得現有對于區塊鏈的研究無法擺脫數字貨幣應用的限制，由此也產生了某些較為混亂的區塊鏈概念和提法，這也就制約了區塊鏈在其他非數字貨幣領域的應用。文中討論了區塊鏈應用的現狀和區塊鏈應用存在的問題，在分析面向比特幣的區塊鏈的概念和原理基礎上，梳理了區塊鏈的信任控制、公用賬本、交易可信等技術特征，提出了一種面向非數字貨幣的區塊鏈通用應用模型，探討了基于該應用模型的設計和實現區塊鏈應用的關鍵技術問題，并且通過一個物聯網數據可信管理的應用實例說明了該區塊鏈通用應用方案的可行性和實用性。
關鍵詞: 比特幣; 區塊鏈; 去中心化; 信任管理; 互聯網應用
基于機器學習的“人工智能”與基于比特幣的 “區塊鏈”已經被國際上認為是對現有技術最具有破壞性的技術，或者稱為是“革命性技術”�，F在的 “人工智能”和“區塊鏈”將從根本上重塑我們的生活、工作和交互方式[1]。
現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域的突破，使得機器可以通過大量數據的訓練，多層次自動調整神經網絡參數而構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高于人類，所以，現在的學術界和工業界認為這是“人工智能”。但這種“人工智能”已經不是傳統意義上的人工智能，這是由機器決定的智能，與“人工”已經無關了，應該更加準確地稱為“機器智能”。
同樣，區塊鏈也不是現在的網絡權威或者網絡安全權威發明的，而是由自稱為“中本聰”的一個人或一 個 團 隊，在構建全球去中心化數字貨幣體系———比特幣的過程中設計和實現的一種去中心化的信任管理機制。區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一直運行正常，使得研究人員對于區塊鏈在其他互聯網領域的應用產生了很大的興趣，開始考慮通過區塊鏈解決長期困擾互聯網的信任問題。而為了應用區塊鏈的去中心化信任管理機制，就需要理解和掌握區塊鏈這類完全源于“實踐”而產生的“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絡數字貨幣相關概念和機制的綜述性論文。
文獻[3]認為區塊鏈可以準確地跟蹤互聯網中任何形式的交易，可以在物聯網、數字標識、知識產權保護、網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”在某些應用領域找到了優于人類智能的判定方法，還是區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，努力發現隱藏在其背后的自然規律和規則，并將這些規律或規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。
相關期刊推薦：《南京郵電大學學報(自然科學版)》(簡稱南郵學報)是由江蘇省教育廳主管、南京郵電大學主辦的以通信、電子和信息學科為特色的專業性學術期刊，創刊于1960年，是全國創辦最早的電子通信類期刊之一。南郵學報主要刊登電子通信和信息技術的應用基礎理論與工程技術研究學術論文。有投稿需求的作者，可以直接與期刊天空在線編輯聯系。
基于這種考慮，本文在將在分析現有區塊鏈應用現狀的基礎上，詳細分析面向比特幣的區塊鏈機制，提煉出其技術特征，并且基于區塊鏈的技術特征提出一個通用的區塊鏈應用模型，探討將區塊鏈應用于非數字貨幣領域的關鍵技術問題，在此基礎上形成一個面向非數字貨幣領域的區塊鏈通用應用方案，為區塊鏈應用提供一個較為通用的參考架構。 1 區塊鏈應用研究現狀區塊鏈屬于集成網絡技術、密碼技術、安全技術和數據技術的應用類技術，目前區塊鏈的研究主要側重于比特幣系統的區塊鏈方法的研究，以及區塊鏈在其他非數字貨幣領域的應用的研究。所以，區塊鏈應用的研究現狀基本上反映了區塊鏈的研究現狀。
目前區塊鏈的主要應用領域包括數字貨幣領域的應用、物聯網領域的應用、數據管理領域的應用、標識管理領域的應用、以及其他領域的應用。下面主要從這些方面分析區塊鏈應用的研究現狀，并且梳理目前區塊鏈應用面臨的問題。
( 1) 數字貨幣領域的應用
區塊鏈源于數字貨幣的應用，分析區塊鏈在數字貨幣領域的應用是研究區塊鏈的起點和基礎。文獻[2]詳細討論了比特幣的區塊鏈的塊結構、交易的數據結構、以及將交易形成塊鏈接的區塊鏈的機制，明確了比特幣這類互聯網數字貨幣的最大貢獻在于: 通過引入區塊鏈機制以及解決區塊鏈分叉的共識協議，解決了去中心化的數字貨幣面臨的數字貨幣“重復使用”和對于交易驗證共識機制的“女巫攻擊”兩大問題，在互聯網中首次實現了去中心化的數字貨幣。
文獻[3]分析了比特幣和區塊鏈的未來發展前景，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注，今后應用面廣并且具有發展潛力的還是區塊鏈。因為區塊鏈是一個準確跟蹤網絡環境下任何形式交易的工具，在物聯網、數字標識、知識產權等領域可能具有很好的應用前景。
文獻[4]認為面向比特幣的區塊鏈所采用的技術都是已有的技術，比特幣的主要創新是形成區塊鏈的工作量證明的機制，這種機制使得對等結點可 以 無 需 可 信 的 中 央 權 威 而 進 行 可 信 的操作。
( 2) 物聯網領域的應用
基于互聯網發展起來的物聯網，已經不同于互聯網僅僅提供透明數據傳遞的能力，而成為提供自主數據采集、存儲、處理等服務的新一代的信息基礎設施。為了確保物聯網服務的可信，首先需要確保物聯網采集、存儲和處理的數據可信。而物聯網連接龐大數量的數據采集裝置，現有的基于云的物聯網應用模式面臨多方面的挑戰。
文獻[5]較為系統和全面地探討了采用基于區塊鏈的標識管理解決大量物聯網裝置的標識管理問題，使得物聯網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網裝置惡意攻擊以及篡改物聯網裝置采集數據的能力; 利用區塊鏈提供物聯網裝置的可信本地數據存儲和管理能力，可以幫助物聯網裝置擺脫不必要的云連接。
IBM 公司投入較多的資源研究區塊鏈在物聯網中的應用，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，有助于了解區塊鏈在物聯網領域的應用思路。
文獻[7]分析了區塊鏈的控制腳本———智能合約在物聯網應用場景下自動化工作流的作用。由于物聯網是連接物品的互聯網，這樣無需人工干預的自動運行的工作模式可以滿足物聯網的應用需求。
文獻[8]探討了采用區塊鏈的機制和方法改變目前以云為中心的物聯網應用模式，提出了基于區塊鏈的物聯網的概念。該文獻引用了其他區塊鏈研究者在 2015 年提出的、有關區塊鏈可應用性演進的三個版本的思路: 從面向比特幣的區塊鏈( 區塊鏈 1. 0) ，然后演進到智能合約( 區塊鏈 2. 0) ，然后再進入正義、有效和協同的應用( 區塊鏈 3. 0) ，說明對于區塊鏈不斷階段的應用。我們并不認為這種區塊鏈應用演進的不同版本提法，在技術層面具有合理和可信的理由。
( 3) 數據管理領域的應用
將區塊鏈應用于數據管理的主要出發點是: 如何通過引入區塊鏈機制，消除目前基于云計算的網絡應用中信任缺失的問題。這里有兩種不同的思路: 其一是利用區塊鏈機制改造現有的云數據管理的模式，使得云存儲的數據安全可信; 其二是利用區塊鏈機制實現敏感數據的本地存儲，避免使用 云 數 據 存 儲 而 造 成 數 據 泄 露 或 訪 問 的失控。
文獻[9]討論了在云存儲的電子醫療記錄、電子健康記錄和個人健康記錄中引入區塊鏈實現安全管理的技術方案，采用了時間順序化的數據鏈，可以確保數據在采集、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療記錄和健康記錄，有可以保證醫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、在云存儲環境下基于區塊鏈實現數據完整性管理的技術方案。文獻[11]給出了一個完整而詳細的、在云存儲環境下基于區塊鏈實現具有隱私保護的數據溯源的技術方案。這兩個技術方案說明了區塊鏈的應用可以獨立于數據的存儲，這是因為區塊鏈本質上僅僅是一個去中心化信任管理的機制。
文獻[12]將區塊鏈與關系數據庫進行對比，羅列了是否需要采用區塊鏈的判定條件，對于正確使用區塊鏈進行數據管理提供了評判依據。
文獻[13]認為區塊鏈可能改變現有數據庫的應用現狀，實現基于區塊鏈的快捷而無需人工參與的數據管理。區塊鏈的交易不可更改性和透明性可以減少人工錯誤，以及減少由于數據沖突而需要的人工干預。
( 4) 云服務領域的應用
現在的云服務都是通過建立龐大的數據中心提供，這與網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環境的破壞，也存在較多的安全和隱私方面的隱患。其可持續發展性值得懷疑。而基于區塊鏈的云服務，則是采用可以利用的網絡閑散資源提供可信云服務的技術理念，是一個具有難以估量的應用前景和商業價值的技術發展方向。
雖然文獻[14]提出了采用區塊鏈再造云的想法，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? 這是現有云服務無法解決的問題。引入區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塊鏈的、去中心化的云服務項目，也就是基于傳統的對等網絡 ( P2P 網絡) 中的每個網絡結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，應用區塊鏈對網絡結點進行去中心化的信任管理。這種應用區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、耗費能源的數據中心的云服務，也是真正利用閑散網絡資源提供云服務的技術方案，具有很大的發展潛力。這篇文獻認為這三種基于區塊鏈的可信虛擬云服務項目還是基于現有約定成俗的區塊鏈機制( 例如都是基于以太坊的平臺) ，缺少系統研究的支撐。這從另一個角度反映了目前對于區塊鏈機制研究方面的缺失，以及實際的區塊鏈應用面臨的、需要系統性研究才能解決的技術難題。
( 5) 標識管理領域的應用
目前互聯網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據泄露、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的損失。
文獻[17]討論從命名的角度對于基于區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，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據被保留在區塊鏈中，可用于后續第三方的驗證。
文獻[17]認為雖然基于區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，但現有的基于區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節而真正防范中間人攻擊。所以，目前基于區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]認為基于區塊鏈的標識管理可以允許對等共享個人標識以及相關的信息，這樣可以提供對個人數據更大的控制力度，減少個人信息泄露的風險。而結合標識驗證和數字標識符可以提供數字水印，實現對于電子版的論文和著作等知識產權的保護。
標識管理在互聯網中的最主要服務是域名服務，文獻[18]討論了提供基于區塊鏈的去中心化域名服務和用于安全訪問網頁的證書服務的動因、原理、實現方案、以及存在的問題，認為目前互聯網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布假域名對應的網絡地址，或發布假證書等攻擊，而采用基于區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網服務的相關技術方案，認為雖然現在已經提供的互聯網去中心化服務很振奮人，但這方面的技術并不成熟，還存在可縮放性較低和能耗過高等技術問題。
( 6) 其他領域的應用
由于去中心化的信任管理是互聯網一直缺失的能力，所以，互聯網其他應用也都在探索有關區塊鏈的可能應用，例如在電子選舉、網上拍賣、供應鏈等領域的應用。
文獻[19]討論了基于區塊鏈的電子投票應用，這類應用雖然與大部分的區塊鏈應用一樣都沒有達到標準化程度，但在全球各地已經有了幾個成功運行的系統，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: 傳統的投票強調投票狀態的權威性，而基于區塊鏈的電子投票強調投票者的透明性，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、經得起后續審計的選票過程。而目前基于區塊鏈的電子投票存在的問題是: 公眾對于基于區塊鏈的電子投票的信任和信心; 區塊鏈技術的成熟度，以及基于區塊鏈的電子投票軟件系統的成熟度。
文獻[20]羅列和分析了區塊鏈在個人數據管理、知識產權保護、金融交易拍賣、軟件和互聯網的安全和隱私保護、社會治理、商業和供應鏈、物聯網、以及健康衛生等方面的應用，并且以保險業為例，討論了可能的區塊鏈應用以及基于區塊鏈的技術方案，分析了適用于保險業的區塊鏈應用評價指標。
( 7) 區塊鏈應用存在的問題
從以上區塊鏈在不同領域的應用現狀可以看出，區塊鏈應用研究和開發十分活躍，其結果也令人對于未來的區塊鏈應用發展前景充滿信心。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本質，無法駕馭這類技術的復雜度，缺少公認的區塊鏈應用技術體系等。
文獻[21]認為區塊鏈是一類尚未成熟的技術，但卻受到了大量的、言過其實的報道。該文獻通過對 23 個區塊鏈應用項目的分析，得出結論: 大部分區塊鏈應用項目從無法從區塊鏈應用的獲益。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，生態系統，低效率。并且給出了 “信任”16% 的權重，“生態系統”15% 的權重，“不可更改”、“透明”、“交易”分別為 12% 的權重，“分布” 10% 權重，這六項評價指標就占了 77% 的權重，屬于核心評價指標。
區塊鏈屬于應用類技術，涉及到密碼學、數據安全、網絡空間安全、互聯網、數字貨幣、網絡可信管理等諸多信息和通信技術領域的理論和技術，需要具有較為系統和深入的信息和通信技術應用研究基礎，才能進行深入研究和提煉區塊鏈的概念和原理。雖然國際上對于區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塊鏈應用研究和開發。
我們認為目前影響區塊鏈應用的主要技術問題包括: 如何明確定義區塊鏈? 如何準確描述區塊鏈的技術特征? 如何構建面向非數字貨幣領域的通用區塊鏈應用技術體系?
目前區塊鏈的應用都是基于現有的區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塊鏈應用開發環境，對于區塊鏈應用原型的開發起到了促進作用。這些開源平臺并不能解決區塊鏈應用技術基礎面臨的問題。
SCISSCIAHCI
