学科前沿大作业：区块链技术的相关应用

    摘 要：目前，人们已经在安全的数据隐私保护和可靠的信息追踪方面做了很多努力，但是传统的解决方案仍然存在着信息丢失、隐私泄露等问题，区块链技术的出现使解决这些问题拥有可能。区块链可以通过建立一个集体维护的、防篡改的公共账本来记录历史数据，确保分布式网络中存储数据的安全性和可靠性。它实现了一种去中心化的网络结构，为信息跟踪和隐私保护等领域带来了新的解决方案。近年来，区块链技术逐渐受到各行各业的密切关注，本文总结了现有的基于区块链的系统和应用。可以预见区块链可能为未来各个行业的发展带来新的机遇和挑战。
    关键词：区块链；应用；安全性；可靠性

1 区块链技术简介
    区块链技术起源于比特币。区块链本质上是一个点对点分布式的数据库网络。在区块链系统中，交易数据将由网络中的节点打包成区块，所有区块通过哈希 *** 作连接在一起。一个完整的区块由区块头和区块体组成。区块头封装了用于识别的基本信息，它主要包括版本号、前一区块头部的哈希值、 随机数和目标哈希值等信息。区块体包含每个交易的详细信息和完整的Merkle树，因此可以跟踪和查询每个交易[1]。
    区块链以安全、可验证、透明的方式存储点对点网络中的所有交易。一个完整的区块链系统由许多其他技术一起完成（例如，共识算法、工作z明机制、数字签名、时间戳技术）。区块链系统具有以下特点：（1）去中心化：整个网络不依赖于一个集中的硬件或管理组织；（2）可靠的数据库：所有的节点拥有完整的区块链数据，一个节点的破坏不影响整个区块链的数据完整性；（3）集体维护：整个区块链网络由所有节点共同维护，除非恶意节点的计算能力超过整个网络的50%，否则无法篡改历史数据；（4）安全性和可信性：数据一旦经过验证，将永久保存在区块链数据库中，不会被篡改[2]；（5）匿名性：节点遵循固定的算法进行运算，当事人不需要公开自己的身份。

2 基于区块链的可追溯防伪系统
    传统的可追溯防伪系统主要是基于QR（Quick response）码和RFID（Radio Frequency Identification）技术。这些方法采用集中数据存储的方式来管理产品信息，无法跟踪产品数据的可靠性，消费者对该系统缺乏信任。区块链点对点的安全存储为上述问题提供了新的解决方案。通过集成时间戳，区块链可以在去中心化的环境中建立可靠的验证交易，使区块链数据库易于追溯和难以伪造。
    2.1 供应链可追溯系统
    在信息技术等互联网技术飞速发展的今天，集中的供应链管理系统已经不能满足消费者对产品质量管理的要求。目前相关研究主要集中在提高RFID协议的运行速率和RFID协议的安全性。然而，这些协议仅适用于依赖于集中式数据库的各种RFID应用程序。区块链的分散式架构解决了传统供应链管理系统在涉及多方交易时的数据存储隔离和信任缺失问题。
为了成功地将RFID协议和区块链技术融合在一起，RFID协议标签下的商品和区块链节点之间需要一种安全的通信方法，节点之间的通信协议也应该具有健壮性。[4]提出了一种健壮的超轻量级相互认证的RFID协议，该协议与去中心化数据库协同工作，创建一个基于区块链的安全供应链管理系统。Wang等人提出了一种基于区块链的新型相互认证安全协议，适用于安全性要求高、实时性要求较低的分布式RFID系统。[5]中的工作提供了带有RFID标签的产品的可验证的所有权转移，使用区块链技术来满足各种安全需求。
    2.2 知识产权管理系
    随着现代网络的快速发展，恶意的图像篡改技术应运而生。与此同时，大量的盗版书籍和视频被传播。这些安全漏洞使得人们开始思考知识产权行业对数据隐私保护的问题。目前，大多数解决方案都是的集中式的知识产权保护的方式，并不能从根本上解决这些问题。
多媒体领域的知识产权保护还很薄弱，研究者们在这一领域做了大量的工作。许多研究者认为，关键问题是如何保护数据不被未经授权的用户访问，以及如何证明用户数据的合法性。在此基础上，[6]提出了一种基于区块链的数据保护体系结构和协议，定义了一种新的框架。该框架不仅允许用户存储数据，还允许用户查询、共享和审计数据。隐藏技术为数字视频提供了一种基本的安全服务。为了避免集中式的外部攻击，Zhao等人提出了一种基于区块链的数字视频保护的数据隐藏方法，提高了机密数据和视频的完整性认证。
    2.3 资产交付应用
    近几十年来，资产交割通常依靠第三方信托机构对交易过程进行监督和证明。这种集中的信托机构存在交易记录丢失、信息伪造等问题。区块链被称为一个新的可信安全平台，用于记录所有数字化类型资产的转移。
    目前，已有研究人员利用区块链技术对资产交付认证系统进行了改进。[7]提出了新的分散PoD数字资产认证解决方案。为了跟踪实际项目，Pop等人提出了一种改进的基于区块链的解决方案，解决了集中式股票交易架构的缺点。Utz等人通过引入基于区块链的智能合约生态系统，解决了能源市场中资产、设备和利益相关者的协调问题。

3 基于区块链的数据安全应用
    大数据时代的兴起，导致各行各业的数据规模呈爆炸式增长。与此同时，信任已经成为大数据的最大问题，这将阻碍数据的安全传输。区块链技术结合了防篡改和可追溯性的特点，为数据安全和隐私保护问题提供了一种新的解决方案[3]。
    3.1 金融行业相关应用
    数据隐私保护一直是金融行业的关键安全问题。虽然已经提出了很多隐私保护方案，但传统的数据存储仍然是集中式的，并不能解决本质问题，而区块链技术的出现提出了一些新的解决方案。
目前，由于计算资源和能源资源的限制，区块链在移动设备中的应用还很有限。[8]开发了一种基于深度学习的最优交易，用于边缘资源配置。在[9]中，Jiao等。提出了一种支持移动设备的区块链的边缘计算服务。他们[10]进一步关注云计算服务提供商和矿工之间的交易，并提出了一种基于交易的市场模型来有效分配计算资源。固有的透明度和隐私保护安全的缺乏给许多金融应用程序带来了巨大的挑战，在[11]中，作者提出了一个在以太坊上可验证的密封竞价交易的智能合约系统。Blass等基于交易的安全性需求，提出了一种运行在区块链上的新的交易协议，以确保竞价的保密性。Xia等提出了一种基于区块链的经济系统安全支付路由协议。
    3.2 医疗数据保护应用
    随着信息技术的飞速发展，医疗机构纷纷采用电子信息系统对患者数据进行管理。基于区块链的医疗数据保护具有很大的发展潜力。为了实现医疗数据的保密性、认证性、完整性以及支持细粒度访问控制，Wang等提出了一种基于属性密码系统和区块链技术的健康记录系统。为了打破医疗数据的信息隔离现象，[12]设计了一种基于区块链和云存储的个人医疗数据存储方案。Ji等[13]研究了基于区块链的远程医疗信息系统的位置共享，然后他们提出了一种基于区块链的多级位置共享方案，使用了顺序加密和默克尔树。为了处理由医疗物联网设备产生的受保护的健康信息，Griggs等人[14]创建了一个新的系统，其中传感器使用基于以太坊的私有区块链技术与智能设备通信。在[15]中，Azaria等人提出了一种基于区块链技术来处理电子病历的新型的、分散的病历管理系统。该系统为患者提供了全面的、不可变的日志，并且易于访问。

4 结论
    区块链通过与多种计算机技术的结合，形成了一种新的技术架构，实现了分散的安全存储系统，与传统的集中式模型相比，区块链分散模型可以解决传统集中式模型中机构信任缺失的问题，提高数据的安全性。区块链可以解决云服务和云存储的集中化，也可以惠及各个行业。区块链将有助于改善物联网、智慧城市、供应链系统等多个领域的解决方案。这也将为未来各行业的发展带来新的机遇和挑战。

参考文献:
[1] 代闯闯, 栾海晶, 杨雪莹, 过晓冰, 陆忠华, 牛北方. 区块链技术研究综述[J]. 计算机科学, 2021, 48(S2): 500-508.
[2] 王凯. 区块链安全综述[J]. 长江信息通信, 2021, 34(11): 83-173.
[3] 庞微波. 关于区块链的网络安全技术综述[J]. 网络安全技术与应用, 2021(11): 21-23.
[4] Sidorov M, Ong M T, Sridharan R V, et al. Ultralightweight mutual authentication RFID protocol for blockchain enabled supply chains[J]. IEEE Access, 2019, 7: 7273-7285.
[5] Anandhi S, Anitha R, Venkatasamy S. RFID based verifiable ownership transfer protocol using blockchain technology[C]. 2018 IEEE International Conference on Internet of Things and IEEE Green Computing and Communications and IEEE Cyber, Physical and Social Computing and IEEE Smart Data. IEEE, 2018: 1616-1621.
[6] Vishwa A, Hussain F K. A blockchain based approach for multimedia privacy protection and provenance[C]. 2018 IEEE Symposium Series on Computational Intelligence (SSCI). IEEE, 2018: 1941-1945.
[7] Hasan H R, Salah K. Proof of delivery of digital assets using blockchain and smart contracts[J]. IEEE Access, 2018, 6: 65439-65448.
[8] Luong N C, Xiong Z, Wang P, et al. Optimal auction for edge computing resource management in mobile blockchain networks: A deep learning approach[C]. 2018 IEEE International Conference on Communications (ICC). IEEE, 2018: 1-6.
[9] Jiao Y, Wang P, Niyato D, et al. Social welfare maximization auction in edge computing resource allocation for mobile blockchain[C]. 2018 IEEE International Conference on Communications (ICC). IEEE, 2018: 1-6.
[10] Jiao Y, Wang P, Niyato D, et al. Auction mechanisms in cloud/fog computing resource allocation for public blockchain networks[J]. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 2019, 30(9): 1975-1989.
[11] Galal H S, Youssef A M. Verifiable sealed-bid auction on the ethereum blockchain[C]. International Conference on Financial Cryptography and Data Security. Springer, Berlin, Heidelberg, 2018: 265-278.
[12] Chen Y, Ding S, Xu Z, et al. Blockchain-based medical records secure storage and medical service framework[J]. Journal of Medical Systems, 2019, 43(1): 1-9.
[13] Ji Y, Zhang J, Ma J, et al. BMPLS: Blockchain-based multi-level privacy-preserving location sharing scheme for telecare medical information systems[J]. Journal of Medical Systems, 2018, 42(8): 1-13.
[14] Griggs K N, Ossipova O, Kohlios C P, et al. Healthcare blockchain system using smart contracts for secure automated remote patient monitoring[J]. Journal of Medical Systems, 2018, 42(7): 1-7.
[15] Azaria A, Ekblaw A, Vieira T, et al. Medrec: Using blockchain for medical data access and permission management[C]. 2016 2nd International Conference on Open and Big Data (OBD). IEEE, 2016: 25-30.