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.     

区块链与可信数据管理:问题与方法

作为支撑比特币实现无中心高可信的账本管理的技术,区块链在金融领域得到了广泛关注.区块链实现了不完全可信环境中的可信数据管理,具有去中心化、防篡改、不可抵赖、强一致和完整性等特性,同时也具有高延迟和低吞吐率的性能问题.在互联网技术发展,新型应用层出不穷的大背景下,借鉴区块链在数字加密货币应用中的成功经验,探索可信数据管理的理论、技术,并设计、实现系统,是学术界所面临的重要问题.本文从可信数据管理角度,介绍区块链相关的技术和研究进展,包括分布式共识、智能合约、数据溯源等,并分析应用对可信数据管理所提的需求和研究挑战.     

基于区块链物联网的抽样检测平台

当前我国的抽样检测平台信息化智能化程度较低导致抽检工作效率低下, 且中心化平台导致了数据可篡改与来源不可信问题. 针对这些问题, 提出了一种面向抽样检测的区块链技术方案, 利用区块链中联盟链多中心化、不可篡改、隐私保护等特点, 结合物联网终端设备对过程的智能感知, 实现了数据安全可信, 过程可追溯可监控的抽样检测平台, 提高了抽样检测的效率与检测结果的可信性, 保障了数据的安全性.     

人工智能系统可信性度量评估研究综述

近年来, 人工智能技术突飞猛进, 人工智能系统已经渗透到人们生活中, 成为人们生活中不可或缺的一部分. 然而, 人工智能系统需要数据训练模型, 数据扰动会对其结果造成影响. 并且随着人工智能系统业务多样化, 规模复杂化, 人工智能系统的可信性愈发受到人们的关注. 首先, 在梳理不同组织和学者提出的人工智能系统可信属性基础上, 提出人工智能系统的9个可信属性; 接着, 从数据可信性、模型可信性和结果可信性分别介绍现有的人工智能系统数据、模型、结果可信性度量方法, 设计人工智能系统可信证据收集方法. 其次, 总结当前人工智能系统的可信度量评估理论与方法. 然后, 结合基于属性的软件可信评估方法与区块链技术, 建立一个人工智能系统可信度量评估框架, 包括可信属性分解及可信证据获取方法、联邦式可信度量模型与以及基于区块链的人工智能系统可信度量评估架构. 最后, 讨论人工智能系统可信度量技术面临的机遇和挑战.     

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.     

基于智能合约的以太坊可信存证机制

针对以太坊平台提供的数据管理功能简单且存在低吞吐率和高延迟的问题，提出一种基于智能合约的以太坊可信存证机制。首先针对以太坊平台暴露的数据管理问题提出一个基于智能合约的以太坊可信存证框架，然后通过集中化数据统一处理、认证数据分布式存储以及高效动态取证这几个方面阐述所提机制的框架和实现，最后通过基于智能合约的系统开发表明了该机制的可实现性。实验及分析结果表明，该方法与传统关系数据库存证相比，增加了处理可信性、存储可信性和访问可信性；与区块链存证相比，丰富了数据管理功能、降低了区块存储成本、提高了存证效率。     

基于嵌套Merkle Hash tree区块链的云数据动态审计模型

云存储凭借高扩展性、高可靠性、低成本的数据管理优点得到用户青睐。然而,如何确保云数据完整性成为亟待解决的安全问题。当前最成熟、高效的云数据完整性审计方案是基于半可信第三方来提供公共审计服务,但基于半可信第三方审计方案存在单点失效、算力瓶颈和错误数据定位效率低等问题。为了解决上述问题,提出了基于区块链的云数据动态审计模型。首先,采用分布式网络、共识算法建立一个由众多审计实体组成的区块链审计网络,并以此来解决单点失效和算力瓶颈问题;然后,在保证区块链数据可信度的前提下,引入变色龙哈希算法和嵌套MHT结构,以实现云数据标签在区块链上的动态操作;最后,借助嵌套MHT结构以及辅助路径信息,提高了在审计发生错误时对错误数据的定位效率。实验结果表明,与基于半可信第三方云数据动态审计方案相比,所提模型显著提高了审计效率,降低了数据动态操作时间开销,并提升了错误数据定位效率。     

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.     

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。     

基于云平台的区块链组网方案及数据共享存储机制

为解决在区块链上进行数据存储和共享过程中面临的交易确认效率低以及存储空间利用率低的问题,本文提出一种基于云平台部署的区块链组网方案以及与其适配的数据共享存储方案。首先,通过对传统的全连接区块链组网进行分解和重构,形成一种基于子网的非全连接组网方案,将交易确认的范围限定在有限的节点之内;其次,通过将数据依次划分为事务数据-敏感状态数据-非敏感状态数据3个层次进行管理,节点只保存与状态转移相关的事务数据以保障不可篡改性,状态数据则在云平台上实现不同程度的共享存储,最大限度优化了存储空间。实验结果表明,该方案可为区块链中可信数据的存储和共享提供新的思路。     

An integrated framework for blockchain-enabled supply chain trust management towards smart manufacturing

With the development of a new generation of information technology, smart manufacturing has put forward higher requirements for supply chain. It is necessary to ensure the synchronization of the supply chain operation and maintain the reliability of the supply chain management, therefore the trust evaluation for the supply chain becomes extremely important. Traditional supply chain management has problems such as information flow is easy to be tampered with, logistics is difficult to trace, and capital flow is not true, which leads to increased opportunity costs due to the lack of trust among transaction entities in the supply chain. The emergence of blockchain technology provides an opportunity to improve the supply chain ecosystem. In this paper, an integrated framework for blockchain-enabled supply chain trust management towards smart manufacturing is proposed to explain how to enhance trust management with the help of blockchain from the perspectives of information flow, logistics, and capital flow. An optimized trust management model is designed for better entities evaluation in supply chain. A coal mine equipment manufacturing industry scenario is presented to illustrate the effectiveness of the proposed framework.     

基于智能合约的可信筹款捐助方案与平台

传统筹款捐助平台的集中式管理难以满足高可信机制的需求,筹款信息真假难辨,善款流向不透明。区块链技术的去中心化、数据不可篡改、可溯源、点对点交易等特点为构建可信捐助平台奠定了基础。由此以区块链技术为基础,提出了一种基于以太坊智能合约的捐助方案。首先,将筹款信息和捐款交易事件等存储在以太坊区块链上,并利用保证金机制保证了数据的真实性和可溯性;同时,阐述了该方案的架构模型,提出智能合约算法Donate代替人工操作,防止善款挪用和久未到账问题;最后,通过基于智能合约的可信筹款捐助平台验证了该方案的可行性。将所提平台与传统筹款平台比较分析,证明了该平台能安全有效地防止虚假筹款和善款挪用。     

高效抗单点失效的区块链钱包保护方案

利用区块链钱包保存的私钥对交易进行签名是区块链上交易的唯一途径,钱包中存储的私钥一旦丢失或泄露将造成无法挽回的损失.目前主流的钱包管理方案都将钱包集中存储在单个位置或者依赖可信第三方的参与,无法抵抗单点失效.针对区块链的钱包安全问题,提出一个基于无可信中心门限椭圆曲线数字签名的区块链钱包保护方案.该方案在无可信中心参与的情况下由参与者合作生成公私钥和各自的私钥碎片,超过门限阈值的参与者合作才能对交易进行有效签名,可有效抵抗单点攻击,保障钱包安全.经过安全性分析,该方案满足抗伪造性、匿名性、鲁棒性、不可追溯性和不可撤销性.通过效率分析,该方案完成签名仅需常数轮,可在增加较少签名时间的情况下保障区块链钱包安全.     

CoC: A Unified Distributed Ledger Based Supply Chain Management System

Modern supply chain is a complex system and plays an important role for different sectors under the globalization economic integration background. Supply chain management system is proposed to handle the increasing complexity and improve the efficiency of flows of goods. It is also useful to prevent potential frauds and guarantee trade compliance. Currently, most companies maintain their own IT systems for supply chain management. However, it is hard for these isolated systems to work together and provide a global view of the status of the highly distributed supply chain system. Using emerging decentralized ledger/blockchain technology, which is a special type of distributed system in essence, to build supply chain management system is a promising direction to go. Decentralized ledger usually suffers from low performance and lack of capability to protect information stored on the ledger. To overcome these challenges, we propose CoC (supply chain on blockchain), a novel supply chain management system based on a hybrid decentralized ledger with a novel two-step block construction mechanism. We also design an efficient storage scheme and information protection method that satisfy requirements of supply chain management. These techniques can also be applied to other decentralized ledger based applications with requirements similar to supply chain management.     

基于区块链的去中心化物品共享交易服务系统

随着共享经济的发展，对于高可信的分布式交易管理具有迫切的需求，然而，传统的中心化信息系统难以满足。区块链技术提供了一种共享账本机制，为构建可信的分布式交易管理奠定了基础。以支持智能合约的区块链2.0平台——以太坊平台作为基础框架，深入研究基于区块链技术的去中心化共享物品交易服务系统的运行机制与实现技术。设计了基于以太坊的去中心化物品共享交易服务系统框架，提出了基于智能合约机制的交易管理处理流程，详细描述了包括用户接口在内的系统实现技术，并对该系统在交易处理上的性能进行了实验测试。实验结果表明，基于以太坊的交易服务系统在保证交易数据可信性的基础上，平均交易处理速度为每秒21.7条，有索引查询速度为每秒117.6条，具有较高的运行效率。     

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。     

基于区块链的电网可信分布式身份认证系统

基于区块链的身份认证系统大多基于公有区块链平台,本质上仍是传统的中心式身份管理和验证方式,难以满足微电网中可信接入、细粒度访问控制等需求。因此,基于 FISCO BCOS 联盟区块链技术,设计了一个支持多中心的分布式身份认证系统,提出了基于 DID 的身份管理协议,实现了用户身份的自主控制;研究了微网中终端节点的分布式可信接入技术,设计了基于零知识证明的隐私保护凭证,为用户和上层应用构建一个公开透明可信的底层身份架构,满足了不同的隐私安全场景下用户身份的可信可验证的需求,实现了实体身份的自主控制、细粒度访问控制和可信数据交换。通过系统实验和性能分析证明了所设计系统的可用性和有效性。     

基于区块链的5G物联网数据共享方案

海量的物联网数据拥有巨大价值,而现有基于云的数据共享机制,面临单点故障、内部泄露等问题,无法确保用户数据的安全共享。为实现高效可信的数据共享,利用区块链技术,提出了基于区块链的5G物联网数据共享方案。该方案首先设计了数据共享框架和数据共享流程;然后基于闪电网络方案,提出了面向物联网数据共享的链下交易机制。实验分析表明,基于区块链的5G物联网数据共享方案具有较强的抗攻击能力;基于闪电网络的交易机制,能够大幅提高交易吞吐量、降低交易时延。     

区块链关键技术的研究进展

区块链是一种将时序数据以链式结构组合而成、以密码学机制保证交易数据不可篡改的分布式账本,是一种新型分布式计算模式与去中心化基础构架。区块链技术具有去中心化、建立信任关系、集体维护、交易公平和透明、不可篡改、可溯源等特征,已成为工业界和学术界的研究热点。介绍了区块链的组成元素,详细阐述了区块链的基本原理、智能合约、共识机制等关键技术,结合金融、物联网、供应链、医疗系统应用场景,讨论了其利用区块链技术的优化方向。总结了区块链技术在安全、效率、隐私保护等方面存在的不足,给出了相应的应对措施。提出了改进共识机制、匿名性和系统吞吐量的有效方法,为区块链技术的进一步发展和完善提供有益的借鉴和指导。