区块链系统中的分布式数据管理技术——挑战与展望

区块链是在数字加密货币的应用基础之上发展起来的一种分布式数据库技术.区块链系统具有去中心化、不可篡改、分布共识、可溯源和最终一致性等特点,这使其可以用于解决不可信环境下数据管理问题.区块链独特的数据管理功能已经成为各领域应用中发挥区块链价值的关键.本文基于对比特币、以太坊、超级账本等代表性区块链系统的研究分析,阐述区块链系统中分布式数据管理技术.首先,深入讨论区块链系统与传统分布式数据库系统之间的异同点,从分布式部署模式、节点角色、链拓扑结构等多个方面给出区块链的分类.然后,详细分析各类区块链系统所使用的数据存储结构、分布式查询处理与优化技术及其优缺点.最后,总结区块链系统的分布式数据管理技术在各专门领域应用中所面临的挑战和发展趋势.     

区块链的数据管理技术综述

最近几年,随着加密货币和去中心化应用的流行,区块链技术受到了各行业极大的关注.从数据管理的角度,区块链可以视作是在一个分布式环境下众多不可信节点共同维护且不可篡改的账本.由于节点间相互不可信,区块链通过共识协议,确保数据存储的一致性,实现去中心化的数据管理.针对区块链的安全性以及共识协议,已有诸多工作进行全面的分析.将从数据管理的角度,分析区块链技术与传统数据库下数据管理技术的异同.分布式数据管理的研究已经持续数十年,涵盖了数据存储模式、事务处理机制、查询执行与验证、系统可扩展性等诸多方面,并已有诸多技术广泛应用于实际的分布式数据库中.该类工作往往假定存在中心可信节点或者节点只可能发生崩溃而不存在恶意攻击.然而在区块链环境中,系统设计需考虑不可信节点可能的攻击行为以及拜占庭容错.这给数据管理带来了新的问题与挑战.因此,将梳理并分析国内外有关区块链数据管理的文献,并展望未来的研究方向.     

基于区块链的供应链可信数据管理

为解决传统供应链中贸易数据潜在伪造、篡改等安全问题,提出了一种基于区块链技术的供应链可信数据管理方案.首先,以智能合约将贸易规则代码化,防范履约风险和提高贸易数据处理可信性;其次,采用ZSS04方案和抽样技术交互完成贸易数据完整性检验;再次,设计了适用于供应链的分布式共识机制,以提高贸易数据存储可信性;最后,利用区块链技术所具有的原生特性实现非可信环境下的可信数据管理.分析以及实验结果表明,该方案能够为供应链中贸易数据管理提供新的思路和技术支持.     

区块链公链应用的典型安全问题综述

区块链作为互联网金融的颠覆性创新技术,吸引学术研究和工程应用领域广泛关注,并被持续推广应用到各种行业领域中.以公有链为代表的区块链系统具有弱中心化、信任共识、平台开放、系统自治、用户匿名、数据完整等特点,在缺乏集中可信的分布式场景中实现可信数据管理和价值交易.但区块链作为新兴信息技术,由于自身机制和周边设施不够完善、用户安全观念不够成熟等原因,也面临安全威胁和挑战.本文首先介绍了区块链技术,回顾其面临的安全风险;其次以比特币和以太坊两个典型系统为例,剖析了针对面向代币交易和应用的区块链系统的各类安全威胁以及应对方法;接着分析了钱包交易所等区块链周边设施和区块链用户的安全隐患;最后对文中安全问题进行了分类总结,提出可行技术线路和防御方法,展望当前区块链安全的研究热点和发展趋势.     

区块链服务网络的构建机理与技术实现

联盟链技术是我国区块链发展和应用的主阵地.传统联盟链应用存在底层技术平台异构、应用技术门槛高、成链成本大、运维监管难等瓶颈问题,限制了区块链技术与应用发展.提出一种区块链公用基础设施——区块链服务网络(blockchain-based service network, BSN)的构建机理,阐述BSN的技术架构和实现机制. BSN已于2020年4月在中国正式商用,能够显著降低区块链开发、部署、运维、互通和监管成本,有利于区块链技术向企业、政府、行业等领域推广应用,为我国新型智慧城市建设和数字经济发展提供了可信可控的公用基础设施和服务载体.     

Web 3.0背景下可信区块链技术赋能智慧农业的研究

目前，农产品溯源数据管理中存在维护成本高、数据安全性低等不足，给消费者和生产者带来了很大的风险。基于此，探讨可信区块链技术在智慧农业溯源中的应用，具有一定的实际应用意义。     

基于区块链的商业数据共享模型

针对现有商业数据管理中存在的安全隐患和无法共享等问题,提出一个基于区块链的商业数据共享模型.通过区块链智能合约技术实现商业数据中心身份认证和商业数据的所有权确定;通过星际文件系统等技术,实现商业数据的保护、共享等基本操作;通过联盟中心和公有区块链相结合的方式,在保障商业数据安全的前提下降低成本.该模型具有去中心化、不可篡改、安全共享等特性,有益于促进商业数据管理的转型升级.     

基于工业互联网的区块链技术应用研究

随着工业的迅速发展,现已全面进入互联网时代,而工业互联网的发展离不开新兴技术,除了大家常提到的物联网,就是区块链这一新兴技术了。文中重点讲述了区块链技术在工业互联网中的应用,通过融合区块链技术,打造一个高安全、智能化的新型工业体系。依靠区块链技术的可信、安全、溯源等特性,对工业互联网实现信用保障,并综合工业互联网和区块链技术的优势,提出基于工业互联网的区块链技术应用前景和架构设想。     

基于区块链技术的身份认证研究综述

区块链技术由中本聪于2008年的白皮书中提出。作为点对点网络中的一种去中心化和分布式公共账本技术,区块链应用链接块结构来验证和存储数据,用可信共识机制来同步数据变化,为身份认证的实现提供了一种可信的技术方案。与传统集中式认证方式相比,基于区块链技术的身份认证可以在保护数据真实可靠、节点隐私安全的同时实现数据共享。文中概述了基于区块链技术的身份认证研究现状及进展。首先,从区块链的技术架构、分类以及共识算法系统地介绍了区块链的一些基本理论;然后重点介绍了口令认证技术、生物识别技术、PKI技术以及其结合区块链应用的身份认证目前的研究现状;接着从物联网、车联网、智能电网、金融、医疗等应用方面介绍了基于区块链的身份认证技术的研究进展;最后分析了区块链身份认证技术目前存在的问题,并展望了未来的发展趋势。     

区块链数据安全服务综述

区块链是由一系列网络节点构建的一种分布式账本,本身具有不可篡改性、去中心化、去信任化、密码算法安全性和不可否认性等安全属性,对基于区块链实现的安全服务进行了综述,这些安全服务包括数据机密性、数据完整性、身份认证、数据隐私、数据可信删除.首先介绍了区块链和公钥密码学的基础知识,并围绕上述5种安全服务,给出了用户真实场景中面临的安全问题以及传统的解决方案,讨论了这些传统实现方案所面临的问题,之后介绍了使用区块链技术解决相关问题的实现方案,最后讨论了区块链的价值以及面临的问题.     

区块链在数据安全领域的研究进展

大数据时代,数据已成为驱动社会发展的重要的资产.但是数据在其全生命周期均面临不同种类、不同层次的安全威胁,极大降低了用户进行数据共享的意愿.区块链具有去中心化、去信任化和防篡改的安全特性,为降低信息系统单点化的风险提供了重要的解决思路,能够应用于数据安全领域.该文从数据安全的核心特性入手,介绍区块链在增强数据机密性、数据完整性和数据可用性三个方向的最新研究成果,对各研究方向存在的缺陷进行分析,进而对未来发展方向进行了展望.该文认为,区块链技术的合理应用能够增强分布式环境下的数据安全,有着广阔的前景.     

基于区块链的企业管理系统框架设计与分析

区块链技术如何赋能现代企业管理,越来越受到广泛的关注。企业资源计划（ERP,enterprise resource planning）技术将现代信息技术与企业生产流程管理紧密结合,有效加强了企业的工作效率和管理水平,但存在中心化结构特有的设备安全、数据安全、工控安全、信息泄露等固有的痛点问题。针对当前ERP系统暴露的问题,利用区块链的去中心化、去信任化、公开透明、可信数据库、可追溯性等特点,提出一种基于区块链的现代企业管理ERP系统框架模型。重点解决企业生产与管理流程中的数据可信和高效协同问题,并引入区块链的激励机制,利用Token强化协同管理,提高效率,为企业效绩评估与考核提供一种新思路。     

区块链在数据完整性保护领域的研究与应用进展

数据作为一种现代信息社会不可或缺的新兴资源,从产生伊始就面临着被各方篡改的风险。遭到篡改的数据在可用性与真实性方面都会大打折扣。而区块链因其不可篡改、去中心化、防止单点故障的特性天然契合数据完整性保护的要求。首先,简述了区块链技术背景与数据保护的核心要求;其次,按照区块链类型将现有区块链数据完整性保护成果进行分类和介绍,并对各成果的优势与不足结合数据完整性保护进行总结;然后,将现有数据完整性保护技术分类并与区块链数据完整性保护技术进行比较,分析传统数据完整性保护技术的不足与区块链数据完整性保护技术的优势;最后,总结区块链数据完整性保护技术的不足之处,并给出解决思路。     

元宇宙中区块链的应用与展望

元宇宙是虚拟数字世界与真实物理世界无缝融合的新生态,近来引发了各界的广泛关注。区块链、人工智能、虚拟现实/增强现实及传感技术、移动通信及泛在计算等各种新型互联网技术愈发成熟,使元宇宙的进一步发展成为可能。关于元宇宙的研究主要涉及产业项目、基础设施、关键技术、隐私安全等方面,这些研究虽然涉及区块链技术,但未具体指出区块链应用于元宇宙的优势及具体应用方式。区块链技术不仅可以为元宇宙提供开放自由的去中心化环境,而且可以为其提供公平合理的数字资产分配机制。主要从区块链赋能元宇宙中数字身份和数字资产管理的角度出发,分析了元宇宙的发展历程和特征,讨论了元宇宙发展所需核心技术及面临的挑战。同时研究了区块链的关键技术,并从区块链的本质特征及与其他技术融合优势两个方面对区块链应用于元宇宙做可行性分析。进一步提出元宇宙生态体系架构,重点详细分析了基于区块链的自我主权身份管理模型、区块链-非同质化通证（NFT,non-fungible token）工作流程及其在元宇宙中的应用。结合区块链和元宇宙的最新研究进展,从基础设施、通信和计算资源管理机制、监管与隐私保护以及区块链可扩展和互操作性4个方面指出区块链应用于元宇宙将面临的挑战和未来的研究方向。     

基于区块链与可信计算的数据交易方案

针对当前数据交易过程中数据容易被拷贝的问题以及数据保密的实现,提出一种基于区块链与可信计算的数据交易方案。首先,利用区块链记录数据信息、交易信息以及数据使用记录,这可帮助数据资产确权以及数据溯源;然后,利用可信计算与加密算法来保证交易数据传输安全;最后,用数据主体与数据需求方提供的算法在可信计算环境中完成计算,之后输出结果并加密返回给需求方。所提方案在确保数据主体不泄露数据的情况下,让需求方可以使用数据进行计算,且通过可信加密保证了传输安全。     

基于区块链的分布式电能量数据可信存储机制

针对电能量数据中心化存储面临中心单点故障、恶意篡改等问题,利用区块链的去中心化、防篡改、高度可拓展特点,通过构建电能量数据星际存储联盟链（ISCB）,提出一种包括身份认证、传感数据上传、IPFS（星际文件系统）存储、区块链上传、访问验证5个部分的可信存储机制。针对电能量数据来源广、容量大等特点,将区块链技术与星际文件系统相结合,链上保存 IPFS 返回的数据哈希及查询属性,有效地解决了电能量数据区块链存储扩容及数据篡改识别问题。     

语义区块链研究综述

区块链因具有去中心化、不可窜改、可追溯、集体维护、可编程和安全可信等特点,已应用于金融、物联网、供应链与物流链管理、数字资源版权管理等行业,但因缺乏链间互操作、无法索引查询等问题,极大制约了它的深入应用.语义Web技术和区块链技术融合产生的语义区块链技术,有望解决这些相关问题.为方便研究者系统地了解语义区块链的研究现状和发展趋势,对语义区块链技术进行了综述.首先,分析了区块链对语义Web技术的需求、语义区块链的优点;然后,分析和总结了语义区块链的研究和应用现状,包括区块链本体的设计、区块链数据的语义描述、语义数据的存储、智能合约的语义化、语义区块链的相关应用;最后,对语义区块链的主要研究方向进行了展望.     

一种弱中心化的银行可信数据管理方案

针对传统银行系统的中心化数据存储模式高效便捷但不透明、而新兴的去中心化的应用系统公开透明但共识机制低效的问题,提出了一种面向银行系统的总分双链的弱中心化可信数据管理方案。该模式的核心思想是应用区块链技术打造彼此交叉且相互印证的总分双链的数据存储结构,并利用分户账回溯定位技术,结合大量轻客户端基于密码学技术的分布式监督为个体提供交易验证的可能,从而实现数据的中心化可信存储与管理。它将中心化的数据存储与去中心化的数据验证相结合,从而兼有中心化管理的高效性和分布式机制的透明性,其本质上是一种民主监督下的中心模式,在满足银行独立,完全掌控数据的同时能够自证清白,并兼顾隐私与监督之间的平衡。