发布时间：2020-01-14所属分类：计算机职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要: 区块链作为源于比特币的一种去中心化的信任管理方法，为解决长期困扰互联网的信任问题提供了一种实用的方法，已经成为了近几年互联网技术领域的研究和开发热点。由于区块链成功地应用于比特币，使得现有对于区块链的研究无法摆脱数字货币应用的限制，
摘要: 区块链作为源于比特币的一种去中心化的信任管理方法，为解决长期困扰互联网的信任问题提供了一种实用的方法，已经成为了近几年互联网技术领域的研究和开发热点。由于区块链成功地应用于比特币，使得现有对于区块链的研究无法摆脱数字货币应用的限制，由此也产生了某些较为混乱的区块链概念和提法，这也就制约了区块链在其他非数字货币领域的应用。文中讨论了区块链应用的现状和区块链应用存在的问题，在分析面向比特币的区块链的概念和原理基础上，梳理了区块链的信任控制、公用账本、交易可信等技术特征，提出了一种面向非数字货币的区块链通用应用模型，探讨了基于该应用模型的设计和实现区块链应用的关键技术问题，并且通过一个物联网数据可信管理的应用实例说明了该区块链通用应用方案的可行性和实用性。
关键词: 比特币; 区块链; 去中心化; 信任管理; 互联网应用
基于机器学习的“人工智能”与基于比特币的 “区块链”已经被国际上认为是对现有技术最具有破坏性的技术，或者称为是“革命性技术”。现在的 “人工智能”和“区块链”将从根本上重塑我们的生活、工作和交互方式[1]。
现在的基于机器学习的“人工智能”是由于机器学习在深度学习领域的突破，使得机器可以通过大量数据的训练，多层次自动调整神经网络参数而构成一种对于特定应用场景，例如人脸识别，提供高准确判断能力的智能算法。这种智能算法究竟是如何构成的，人类的专家无法解决。但这个智能算法对于特定应用场景的判断精确度已经高于人类，所以，现在的学术界和工业界认为这是“人工智能”。但这种“人工智能”已经不是传统意义上的人工智能，这是由机器决定的智能，与“人工”已经无关了，应该更加准确地称为“机器智能”。
同样，区块链也不是现在的网络权威或者网络安全权威发明的，而是由自称为“中本聪”的一个人或一 个 团 队，在构建全球去中心化数字货币体系———比特币的过程中设计和实现的一种去中心化的信任管理机制。区块链这种信任管理机制在比特币部署和使用将近十年时间内一直运行正常，使得研究人员对于区块链在其他互联网领域的应用产生了很大的兴趣，开始考虑通过区块链解决长期困扰互联网的信任问题。而为了应用区块链的去中心化信任管理机制，就需要理解和掌握区块链这类完全源于“实践”而产生的“真知”。
文献[2]是我们看到的较早的一篇详细分析比特币以及其他网络数字货币相关概念和机制的综述性论文。
文献[3]认为区块链可以准确地跟踪互联网中任何形式的交易，可以在物联网、数字标识、知识产权保护、网络安全等方面得到更加广泛的应用。
我们认为，无论是“机器智能”在某些应用领域找到了优于人类智能的判定方法，还是区块链找到了机器进行信任管理机制，这都需要人类研究人员对这些“智能判断方法”和“信任管理机制”进一步分析和研究，努力发现隐藏在其背后的自然规律和规则，并将这些规律或规则用于指导和拓展人类在智能化和信任管理方面的进一步实践活动。
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基于这种考虑，本文在将在分析现有区块链应用现状的基础上，详细分析面向比特币的区块链机制，提炼出其技术特征，并且基于区块链的技术特征提出一个通用的区块链应用模型，探讨将区块链应用于非数字货币领域的关键技术问题，在此基础上形成一个面向非数字货币领域的区块链通用应用方案，为区块链应用提供一个较为通用的参考架构。 1 区块链应用研究现状区块链属于集成网络技术、密码技术、安全技术和数据技术的应用类技术，目前区块链的研究主要侧重于比特币系统的区块链方法的研究，以及区块链在其他非数字货币领域的应用的研究。所以，区块链应用的研究现状基本上反映了区块链的研究现状。
目前区块链的主要应用领域包括数字货币领域的应用、物联网领域的应用、数据管理领域的应用、标识管理领域的应用、以及其他领域的应用。下面主要从这些方面分析区块链应用的研究现状，并且梳理目前区块链应用面临的问题。
( 1) 数字货币领域的应用
区块链源于数字货币的应用，分析区块链在数字货币领域的应用是研究区块链的起点和基础。文献[2]详细讨论了比特币的区块链的块结构、交易的数据结构、以及将交易形成块链接的区块链的机制，明确了比特币这类互联网数字货币的最大贡献在于: 通过引入区块链机制以及解决区块链分叉的共识协议，解决了去中心化的数字货币面临的数字货币“重复使用”和对于交易验证共识机制的“女巫攻击”两大问题，在互联网中首次实现了去中心化的数字货币。
文献[3]分析了比特币和区块链的未来发展前景，认为仅仅是因为目前参与比特币交易的有效性验证( 本文将这个过程称为“淘金”) 的收益较高而引人关注，今后应用面广并且具有发展潜力的还是区块链。因为区块链是一个准确跟踪网络环境下任何形式交易的工具，在物联网、数字标识、知识产权等领域可能具有很好的应用前景。
文献[4]认为面向比特币的区块链所采用的技术都是已有的技术，比特币的主要创新是形成区块链的工作量证明的机制，这种机制使得对等结点可 以 无 需 可 信 的 中 央 权 威 而 进 行 可 信 的操作。
( 2) 物联网领域的应用
基于互联网发展起来的物联网，已经不同于互联网仅仅提供透明数据传递的能力，而成为提供自主数据采集、存储、处理等服务的新一代的信息基础设施。为了确保物联网服务的可信，首先需要确保物联网采集、存储和处理的数据可信。而物联网连接庞大数量的数据采集装置，现有的基于云的物联网应用模式面临多方面的挑战。
文献[5]较为系统和全面地探讨了采用基于区块链的标识管理解决大量物联网装置的标识管理问题，使得物联网在装置接入能力方面具有可缩放能力，同时也具有防范对于物联网装置恶意攻击以及篡改物联网装置采集数据的能力; 利用区块链提供物联网装置的可信本地数据存储和管理能力，可以帮助物联网装置摆脱不必要的云连接。
IBM 公司投入较多的资源研究区块链在物联网中的应用，文献[6]描述了该公司在供应链、具有自动驾驶能力的自治车辆、以及工厂设备管理等方面的应用案例，有助于了解区块链在物联网领域的应用思路。
文献[7]分析了区块链的控制脚本———智能合约在物联网应用场景下自动化工作流的作用。由于物联网是连接物品的互联网，这样无需人工干预的自动运行的工作模式可以满足物联网的应用需求。
文献[8]探讨了采用区块链的机制和方法改变目前以云为中心的物联网应用模式，提出了基于区块链的物联网的概念。该文献引用了其他区块链研究者在 2015 年提出的、有关区块链可应用性演进的三个版本的思路: 从面向比特币的区块链( 区块链 1. 0) ，然后演进到智能合约( 区块链 2. 0) ，然后再进入正义、有效和协同的应用( 区块链 3. 0) ，说明对于区块链不断阶段的应用。我们并不认为这种区块链应用演进的不同版本提法，在技术层面具有合理和可信的理由。
( 3) 数据管理领域的应用
将区块链应用于数据管理的主要出发点是: 如何通过引入区块链机制，消除目前基于云计算的网络应用中信任缺失的问题。这里有两种不同的思路: 其一是利用区块链机制改造现有的云数据管理的模式，使得云存储的数据安全可信; 其二是利用区块链机制实现敏感数据的本地存储，避免使用 云 数 据 存 储 而 造 成 数 据 泄 露 或 访 问 的失控。
文献[9]讨论了在云存储的电子医疗记录、电子健康记录和个人健康记录中引入区块链实现安全管理的技术方案，采用了时间顺序化的数据链，可以确保数据在采集、存储、访问、处理过程中不会被假冒和误用; 采用了专有链，只有与自己相关的家属和亲友可以看到这些电子健康记录和个人健康记录。这样，既可以满足实时共享医疗记录和健康记录，有可以保证医疗记录和健康记录的安全性和隐私性。
文献[10]给出了一个完整而详细的、在云存储环境下基于区块链实现数据完整性管理的技术方案。文献[11]给出了一个完整而详细的、在云存储环境下基于区块链实现具有隐私保护的数据溯源的技术方案。这两个技术方案说明了区块链的应用可以独立于数据的存储，这是因为区块链本质上仅仅是一个去中心化信任管理的机制。
文献[12]将区块链与关系数据库进行对比，罗列了是否需要采用区块链的判定条件，对于正确使用区块链进行数据管理提供了评判依据。
文献[13]认为区块链可能改变现有数据库的应用现状，实现基于区块链的快捷而无需人工参与的数据管理。区块链的交易不可更改性和透明性可以减少人工错误，以及减少由于数据冲突而需要的人工干预。
( 4) 云服务领域的应用
现在的云服务都是通过建立庞大的数据中心提供，这与网络计算的理念并不吻合，不仅造成了很大的资源浪费和生态环境的破坏，也存在较多的安全和隐私方面的隐患。其可持续发展性值得怀疑。而基于区块链的云服务，则是采用可以利用的网络闲散资源提供可信云服务的技术理念，是一个具有难以估量的应用前景和商业价值的技术发展方向。
虽然文献[14]提出了采用区块链再造云的想法，由于并没有提供明确的模型，无法判断这种想法是否实用。文献[15]认为云服务现在的主要问题是信任管理，如何对云服务的每一步都提供跟踪审计? 这是现有云服务无法解决的问题。引入区块链有可能提高云服务的信任度。
而文献[16]分析了目前三种基于区块链的、去中心化的云服务项目，也就是基于传统的对等网络 ( P2P 网络) 中的每个网络结点既可以是提供服务的服务器，又可以是使用服务的客户端的理念，应用区块链对网络结点进行去中心化的信任管理。这种应用区块链提供的云服务是一个去中心化的可信虚拟云服务，属于一类不需要建立庞大的、耗费能源的数据中心的云服务，也是真正利用闲散网络资源提供云服务的技术方案，具有很大的发展潜力。这篇文献认为这三种基于区块链的可信虚拟云服务项目还是基于现有约定成俗的区块链机制( 例如都是基于以太坊的平台) ，缺少系统研究的支撑。这从另一个角度反映了目前对于区块链机制研究方面的缺失，以及实际的区块链应用面临的、需要系统性研究才能解决的技术难题。
( 5) 标识管理领域的应用
目前互联网的应用主要采用基于注册服务器的集中式标识管理，这种集中式的标识管理容易造成个人数据泄露、个人标识( 例如银行卡账户、手机号码等) 被假冒或盗用，造成个人隐私泄露或个人财产的损失。
文献[17]讨论从命名的角度对于基于区块链的标识管理的分类: 其一是自管理标识，用户自己拥有和控制自己的标识以及绑定的个人信息，无需依赖任何外部管理机构，也不存在任何该标识被收回的可能。其二是去中心化的可信标识，这是由某个专用服务基于已有可信证书( 例如护照) 提供的用户标识证明的服务，并且标识的真实性证明数据被保留在区块链中，可用于后续第三方的验证。
文献[17]认为虽然基于区块链的标识管理试图提供去中心化的标识管理，并且防范中间人攻击，但现有的基于区块链的标识管理方案还是依赖于标识管理中心，也并不能控制标识管理的所有环节而真正防范中间人攻击。所以，目前基于区块链的标识管理方案并没有真正提供去中心化的标识管理能力。
文献[18]认为基于区块链的标识管理可以允许对等共享个人标识以及相关的信息，这样可以提供对个人数据更大的控制力度，减少个人信息泄露的风险。而结合标识验证和数字标识符可以提供数字水印，实现对于电子版的论文和著作等知识产权的保护。
标识管理在互联网中的最主要服务是域名服务，文献[18]讨论了提供基于区块链的去中心化域名服务和用于安全访问网页的证书服务的动因、原理、实现方案、以及存在的问题，认为目前互联网的域名服务存在受到拒绝服务攻击、域名服务欺骗、域名服务缓存记录篡改，以及攻破域名服务器或攻破证书服务器之后发布假域名对应的网络地址，或发布假证书等攻击，而采用基于区块链的去中心化域名服务和证书服务，可以提供更加安全可信的域名服务和证书服务; 并在此基础上，讨论了去中心化的互联网服务的相关技术方案，认为虽然现在已经提供的互联网去中心化服务很振奋人，但这方面的技术并不成熟，还存在可缩放性较低和能耗过高等技术问题。
( 6) 其他领域的应用
由于去中心化的信任管理是互联网一直缺失的能力，所以，互联网其他应用也都在探索有关区块链的可能应用，例如在电子选举、网上拍卖、供应链等领域的应用。
文献[19]讨论了基于区块链的电子投票应用，这类应用虽然与大部分的区块链应用一样都没有达到标准化程度，但在全球各地已经有了几个成功运行的系统，其中包括城市居民参与城市管理、公司股东参与公司管理、以及辅助国家选举等方面的投票应用。该文献认为: 传统的投票强调投票状态的权威性，而基于区块链的电子投票强调投票者的透明性，这个过程是透明、去中心化、自下而上的。而采用基于区块链的电子投票带来的益处是: 可以消除投票的舞弊，鼓励更多的选民参与投票，提供严格的身份验证功能，提供严格的投票人的隐私保护，加快计票的速度，杜绝不确定的选票，提供更加透明和清晰的、经得起后续审计的选票过程。而目前基于区块链的电子投票存在的问题是: 公众对于基于区块链的电子投票的信任和信心; 区块链技术的成熟度，以及基于区块链的电子投票软件系统的成熟度。
文献[20]罗列和分析了区块链在个人数据管理、知识产权保护、金融交易拍卖、软件和互联网的安全和隐私保护、社会治理、商业和供应链、物联网、以及健康卫生等方面的应用，并且以保险业为例，讨论了可能的区块链应用以及基于区块链的技术方案，分析了适用于保险业的区块链应用评价指标。
( 7) 区块链应用存在的问题
从以上区块链在不同领域的应用现状可以看出，区块链应用研究和开发十分活跃，其结果也令人对于未来的区块链应用发展前景充满信心。但也反映出了目前存在的问题: 除比特币之外的应用都不成熟，没有完全把握这类技术本质，无法驾驭这类技术的复杂度，缺少公认的区块链应用技术体系等。
文献[21]认为区块链是一类尚未成熟的技术，但却受到了大量的、言过其实的报道。该文献通过对 23 个区块链应用项目的分析，得出结论: 大部分区块链应用项目从无法从区块链应用的获益。在此基础上，该文献提出了 10 条评价是否适合应用区块链的指标: 不可更改，透明，信任，标识，分布，工作流，交易，历史记录，生态系统，低效率。并且给出了 “信任”16% 的权重，“生态系统”15% 的权重，“不可更改”、“透明”、“交易”分别为 12% 的权重，“分布” 10% 权重，这六项评价指标就占了 77% 的权重，属于核心评价指标。
区块链属于应用类技术，涉及到密码学、数据安全、网络空间安全、互联网、数字货币、网络可信管理等诸多信息和通信技术领域的理论和技术，需要具有较为系统和深入的信息和通信技术应用研究基础，才能进行深入研究和提炼区块链的概念和原理。虽然国际上对于区块链具有一定程度的研究，但尚没有到达深入和完善的程度。这样也就很难开展高效和实用的区块链应用研究和开发。
我们认为目前影响区块链应用的主要技术问题包括: 如何明确定义区块链? 如何准确描述区块链的技术特征? 如何构建面向非数字货币领域的通用区块链应用技术体系?
目前区块链的应用都是基于现有的区块链开源平台展开的，例如以太坊[22]平台和超级账本[23]平台。这些开源平台提供了较为方便的区块链应用开发环境，对于区块链应用原型的开发起到了促进作用。这些开源平台并不能解决区块链应用技术基础面临的问题。
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