基于三链的艺术品区块链存证溯源模型

针对现有艺术品流通信息不透明、中心化交易权限不对称等问题,提出一种基于三链的艺术品区块链存证溯源模型.首先,针对艺术品信息单条数据量大的特点,提出基于区块链的对称可搜索加密算法,并结合星际文件系统对艺术品流通记录进行链上链下安全存储.其次,对于艺术品信息有效数据日渐增长的特点,提出基于区块链的倒排快速查询溯源算法,帮助数据用户实现快速溯源定位.同时,首次提出虚假信息联盟链存储失实艺术品流通记录,实现对虚假信息的处理.最后,实验验证了模型的大数据安全存储、快速查询溯源可行性.实验表明该模型可行,查询方法有效.     

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。     

基于区块链的电气设备管理及其应用研究

区块链的分布式、去信任、防篡改的技术特性，为构建长使用寿命电气设备的全生命周期管理提供了新的技术路径。提出了区块链的长使用寿命电气设备管理方法。该方法的核心是设备数据分级存证及其链上数据溯源管理，包括总体系统架构及上链数据结构。首先，通过深入分析长使用寿命电气设备供应链现状，构建基于区块链的电气设备全生命周期管理系统。其次，利用区块链技术的不可篡改和分布式存储特征对核心数据进行存证，构建全流程上链存证追溯体系，从而确保数据不可篡改、可追溯、可追责，以支撑电气设备标识管理、交易合同签订、节点身份管理等业务。试验阶段，以气体绝缘设备(GIS)为例进行了应用试验，验证了该方法的有效性。试验结果进一步说明了所提方法能够为电气设备自动化管理及安全保障提供有价值的参考。     

可监管的区块链交易隐私保护方案

为了解决区块链交易中兼具隐私保护和监管功能的问题,提出一种可监管的区块链交易隐私保护方案。通过采用概率公钥加密算法实现区块链交易用户真实身份的隐藏,利用承诺方案和零知识证明技术实现交易金额的隐私保护,并保证交易的合法性验证,借助基于身份的加密体制实现监管机构对区块链交易的监督,并且监管机构无须存储用户的真实身份和密钥信息,大幅降低存储计算和密钥管理压力。该方案不依赖具体的共识机制,可作为独立模块应用在现有区块链技术中,具有简单和实用的特点,在数字资产、金融科技和能源交易等领域中具有广泛的应用价值。     

基于时序索引的可编辑区块链模型研究

区块链具有去中心化与不可篡改等特点,近年来受到了人们广泛的关注。数据上链便不可篡改会带来恶意交易无法根除和错误交易无法修改等一系列问题。目前可编辑区块链的相关研究大多是以区块粒度进行替换,或者通过增添新交易实现逻辑上的编辑。前者会造成编辑记录无法考证,后者虽可保留错误数据存证,但缺乏安全的访问机制。此外,现有相关研究均未充分考虑待编辑数据的特点,导致后续交易受影响而失效的问题。因此,提出了一种可编辑区块链模型。首先,以一般存证数据为例,重新设计了区块链底层数据结构,增加了时序属性并构建索引;然后提出了新的提交、编辑和查询算法,通过后续追加交易的方式实现了对区块链数据的逻辑编辑,从而在保存错误交易存证的基础上,为用户提供了安全的访问接口。为了解决后续交易失效的问题,在上述工作基础上,针对上下文强相关的交易类型数据,对数据结构及相关算法进行了改进,保证后续交易不受数据编辑的影响。实验表明,该模型可在保证系统性能的基础上实现区块链可编辑。     

基于区块链技术的物联网信息共享安全机制

针对物联网（IoT）信息共享中存在的源数据易被篡改、缺乏信用保障机制以及信息孤岛问题，提出一种基于区块链技术的轻量级物联网信息共享安全框架。该框架采用数据区块链和交易区块链相结合的双链模式:在数据区块链中实现数据的分布式存储和防篡改，并通过改进的实用拜占庭容错（PBFT）机制共识算法，提升数据登记效率；在交易区块链中实现资源和数据交易，并通过基于部分盲签名算法的改进算法，提升交易效率、实现隐私保护。仿真实验部分分别针对抗攻击能力、双链的处理能力和时延进行了验证分析，结果表明该框架具有安全性、有效性和可行性，可应对现实物联网中的大部分场景。     

基于门限秘密共享的区块链分片存储模型

针对存储原因所导致的区块链技术难以在大型业务场景应用的问题,提出了一种基于门限秘密共享的区块链分片存储模型。首先由共识节点使用改进的Shamir门限,将要上链的交易数据进行分片处理;其次,共识节点基于分片数据构造不同的区块,并分发给现存于区块链网络中的其他节点进行存储;最后,当节点要读取交易数据时,在从分发到交易数据分片的n个节点中的k个节点请求数据,并利用拉格朗日插值算法进行交易数据的恢复。实验结果表明,该模型在保证了上链数据安全性、可靠性、隐私性的同时,每个节点的数据存储量约为传统存储方法的1/（k-1）,从而有利于区块链技术在大型业务场景的应用。     

联盟链环境下物联网轻量级网关研究

区块链的分布式和去中心化特性能够有效应对传统物联网架构所面临的设备安全和数据安全挑战。网关作为区块链与物联网融合的关键节点,在融合应用中面临算力、存储资源受限的实际困难,亟需可用的轻量级设计与实现方案。针对这一问题,设计并实现了一种基于联盟链的轻量级区块链-物联网网关原型。首先,基于长安链SPV(Simplified Payment Verification)框架,在网关中实现了关键数据的上链存证与交易数据的过滤精简;其次,从感知设备的行为模式、感知数据两方面进行模式提取与异常识别,保证设备的接入安全和运行安全;最后,针对网关轻节点所存储的区块链默克尔树,提出了一种剪枝算法,加速本组织相关交易数据的验证过程。实验结果表明,设计的轻量级网关具备设备身份可信认证和运行时异常行为检测的可行性,与其它方法相比,默克尔树剪枝优化算法能够大幅度降低交易验证时延。     

基于区块链非同质化代币的软件订阅模型

在软件销售场景中软件订阅和支持模式将成为主流,同时中心化授权在效率和安全性上受服务端限制。针对存储订阅信息的服务端可能遭受攻击导致盗版问题,提出基于非同质化代币的软件订阅模型,编写以太坊智能合约并利用去中心化方案保证订阅信息不可篡改。应用非同质化代币表示软件订阅,在区块链上映射软件订阅的生命周期,软件订阅流程依据代币原生操作完成,同时支持订阅购买者和销售商通过与智能合约交互实现安全的软件销售。根据订阅流程中智能合约调用的手续费开销,在模式设计层面选择发布-订阅区块链预言机,解决以太币汇率变化等相关问题,在系统设计层面设计链上存证和链下支付策略,使得订阅服务流程中的交易手续费不受以太坊主网行情的影响。实验结果表明,该模型通过非同质化代币完整映射软件订阅场景,并保障信息的可信、公开和不可篡改。     

基于区块链的配网物资质量管控平台研究及应用

在传统配网物资质量管控工作中,检测数据和报告等信息保真能力不强、互信度不高、投诉纠纷处理难等问题时有发生。本文利用区块链技术的去中心化、不易篡改、可追溯等优点,集成区块链中P2P网络通信、非对称加密、共识算法、智能合约、分布式存储等先进关键技术,将区块链应用到配网物资质量管控工作之中,实现从抽样、封样、送样、试验到结果出具检测全过程数据信息上链存证和共享。开发的基于区块链的配网物资质量管控平台,具备数据存储稳定性高、更安全可靠、可追溯、可验真等特点,可供电力企业、质检机构、产品供应商等相关利益方使用,改善各方生产关系。既解决质检机构公信力问题,满足质量数据存证需求,又利于各部门、组织间数据共享,满足物资资产全周期管控。     

基于区块链和动态累加器的跨域认证方案

基于区块链的跨域认证利用区块链代替传统的CA机构颁发区块链证书,借助区块链的去中心化和透明性,实现了信任的去中心化;针对现有基于区块链的跨域认证存在着跨域认证效率不高,没有完整的证书管理功能、区块链存储证书开销大的问题,提出了基于区块链和动态累加器的跨域认证方案,设计了区块链证书格式,描述了跨域认证协议,将区块链证书信息映射为累加值,提升了验证效率,通过在智能合约中构建动态累加器,实现证书的注册,撤销和查询功能;实验结果表明,该方案能够有效降低区块链证书存储成本,提升跨域认证效率.     

Building blocks of sharding blockchain systems: Concepts,approaches, and open problems

Sharding is the prevalent approach to breaking the trilemma of simultaneously achieving decentralization, security, and scalability in traditional blockchain systems, which are implemented as replicated state machines relying on atomic broadcast for consensus on an immutable chain of valid transactions. Sharding is to be understood broadly as techniques for dynamically partitioning nodes in a blockchain system into subsets (shards) that perform storage, communication, and computation tasks without fine-grained synchronization with each other. Despite much recent research on sharding blockchains, much remains to be explored in the design space of these systems. Towards that aim, we conduct a systematic analysis of existing sharding blockchain systems and derive a conceptual decomposition of their architecture into functional components and the underlying assumptions about system models and attackers they are built on. The functional components identified are node selection, epoch randomness, node assignment, intra-shard consensus, cross-shard transaction processing, shard reconfiguration, and motivation mechanism. We describe interfaces, functionality, and properties of each component and show how they compose into a sharding blockchain system. For each component, we systematically review existing approaches, identify potential and open problems, and propose future research directions. We focus on potential security attacks and performance problems, including system throughput and latency concerns such as confirmation delays. We believe our modular architectural decomposition and in-depth analysis of each component, based on a comprehensive literature study, provides a systematic basis for conceptualizing state-of-the-art sharding blockchain systems, proving or improving security and performance properties of components, and developing new sharding blockchain system designs.     

A Storage Optimization Scheme for Blockchain Transaction Databases

As the typical peer-to-peer distributed networks, blockchain systems require each node to copy a complete transaction database, so as to ensure new transactions can by verified independently. In a blockchain system (e.g., bitcoin system), the node does not rely on any central organization, and every node keeps an entire copy of the transaction database. However, this feature determines that the size of blockchain transaction database is growing rapidly. Therefore, with the continuous system operations, the node memory also needs to be expanded to support the system running. Especially in the big data era, the increasing network traffic will lead to faster transaction growth rate. This paper analyzes blockchain transaction databases and proposes a storage optimization scheme. The proposed scheme divides blockchain transaction database into cold zone and hot zone using expiration recognition method based on Least Recently Used (LRU) algorithm. It can achieve storage optimization by moving unspent transaction outputs outside the in-memory transaction databases. We present the theoretical analysis on the optimization method to validate the effectiveness. Extensive experiments show our proposed method outperforms the current mechanism for the blockchain transaction databases.     

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。     

边缘计算模式下全同态加密智能合约设计

区块链产生的成千上万的交易信息数据不断被收集到区块链中,会给区块链网络的计算资源和存储空间造成极大负担。为了解决区块链网络计算资源不足和存储空间有限的问题,我们将边缘计算模式应用于联盟链Hyperledger Fabric系统中,在区块链中设计了基于边缘计算模式的智能合约,以提高区块链的存储空间和运行效率。在此基础上,针对区块链存在的数据和用户身份隐私的风险,提出了基于边缘计算模式的全同态加密智能合约。在执行智能合约过程中,调用了微软的全同态加密SEAL库,边缘节点的身份信息和区块链的交易数据受到全同态加密算法BFV的保护,在保持交易数据可计算性的同时,实现了交易信息和边缘节点身份的隐私保护。最后,经过测试和分析,边缘计算模式下的原型系统在14个边缘节点同时访问时的单节点平均访问时间仅为139.68ms,相比于非边缘计算模式下的原型系统具有更好的性能;相比目前响应较快的加密联盟链系统FabZK,本系统平均用时减少35.84%,相比效率提升55.86%。设计的边缘计算模式下的全同态加密智能合约可以有效提高Hyperledger Fabric系统中网络的运行效率,同时减少了对存储空间的要求...     

基于双链的可扩展物联网模型

针对当前区块链和物联网结合面临的存储和交易吞吐量压力进行了研究,提出一种基于双链的可扩展物联网模型.首先,设计了基于交易链和哈希(hash)链的双链存储结构和分区模型,通过交易链差异化存储降低了节点的存储压力,通过hash链提升了系统的整体安全性,并实现了全网数据的自由交易;其次,提出了一种并行多块创建协议(parallel multi-blocks creation protocol,PMCP),降低了系统共识时延,提高了系统的吞吐量,具有良好的可伸缩性;最后,提出了基于信誉的验证者和领导者选举算法,保证了节点选择的随机性和公平性,避免了系统中心化问题,设计了节点信誉值的评估机制,保证了协议的安全性.实验结果表明,该模型存储容量较传统区块链模型有大幅度提升,提高了区块链系统的可扩展性,PMCP协议的吞吐量和时延要明显优于PBFT等协议,所提信誉机制激励节点作出理性选择,可以很好地提升网络的安全性.     

工业区块链中基于CUDA的数据并行处理方法

工业区块链数据交易系统能够使交易双方在没有中间商存在的情况下安全地进行交易,简化了交易流程,降低了交易成本。针对大规模数据上链,现有的一般做法是将源数据的哈希值作为元数据存储到区块链,源数据本身则存储在本地或云端。一方面,传统哈希值的计算方式难以满足工业大规模数据高效上链的需求。另一方面,由于只将元数据存储到了区块链,交易时数据需求者在只收到元数据时无法确认源数据本身是否完整。因此,设计了一种基于CUDA的数据并行处理方法,通过合理的数据分块、线程布局等手段加快大规模工业数据哈希值的计算速度,提高上链效率。并且,基于此方法构建了两方数据完整性验证模型,数据需求者在交易时能够在未得到源数据的情况下,根据证明信息有效地验证源数据的完整性,避免了因传输无用数据而付出的通信代价。对于较大规模工业数据,所提出的计算方法可将哈希值计算效率提升至少22%。同时,由安全性分析可知,在数据拥有者持有签名私钥的特殊情况下,数据需求者在交易时可以对源数据进行完整性验证。     

区块链数据库:一种可查询且防篡改的数据库

随着比特币、以太币等一系列加密货币的兴起,其底层的区块链技术受到越来越广泛的关注.区块链有防篡改、去中心化的特性.以太坊利用区块链技术来构建新一代去中心化的应用平台.BigchainDB将区块链技术与传统的分布式数据库相结合,利用基于联盟投票的共识机制改进传统Pow机制中的节点全复制问题,提高了系统的扩展性与吞吐率.但是现有的区块链系统存储的信息大都是固定格式的交易信息,虽然在每个交易里有数据字段,但是现有的区块链系统并不能经由链上对交易内的数据字段的具体细节进行直接查询.如果想要查询数据字段的具体细节,只能先根据交易的哈希值进行查询,得到该交易的完整信息,然后再检索该交易内的数据信息.数据可操作性低,不具备传统数据库的查询功能.首先提出一种区块链数据库系统框架,将区块链技术应用于分布式数据管理;其次提出一种基于哈希指针的不可篡改索引,根据该索引快速检索区块内数据,以此实现区块链的查询;最后,通过实验测试数据库的读写性能,实验结果表明,所提出的不可篡改索引在保证不可篡改的同时具有较好的读写性能.