区块链发展应用综述

孙雪冬, 刘 铭, 王新民

(长春工业大学 数学与统计学院 长春 130012)

0 引 言

2019年10月24日中共中央政治局会议, 习近平总书记提出要推动区块链技术和相关产业的创新发展。2020年6月5日中国工程院院士陈纯教授在青年精英大会主题为“联盟区块链技术、 平台及应用”的讲话吸引了广大学者的关注。目前区块链技术受到各方的广泛关注, 2019年初国外基金公开区块链布局， 多国央行和重要金融机构从事大量大型实验， 并积极讨论区块链的应用， 但目前我国区块链技术还处于起步阶段, 有关区块链技术的文献大部分讲述的是理论概念, 而对于应用领域需要继续设想和研发, 并对应用体系搭建有待探索和改进[1]。因此, 笔者对现有的区块链技术的应用场景进行总结归纳, 并对未来的应用创新提供自己的相关想法。

1 区块链应用发展

从2009年至今, 区块链经历了从组织、 公司到社会的发展过程, 并且基于区块链的各种数字货币层出不穷, 常见的有dogecoin, bitcoin等, 还有最新的可比比特币的零币Zcash。此外, 区块链还衍生出其他方面的应用, 例如电子商务、 智能合约和文件储存系统等[2]。区块链从出现到发展至今, 其是社会进步和发展的必然产物, 无论是何种类型的区块链, 主要都是利用去中心化和去信任的方式, 共同维护数据库。

2 区块链技术主要算法及工作机制

朱建明等[3]总结指出区块链是由多方共同维护、 并要实现数据的储存一致, 无法篡改的记账技术, 中本聪在比特币白皮书中详细地讲述了区块链系统的建立过程, 解决了当时虚拟货币的双重支付问题。区块链应用的主要工作原理包括哈希算法、 分布式账本和智能合约。陈纯[4]总结并指出联盟区块链的核心技术就是高性能、 高安全、 可监管等核心技术, 落实到具体技术上有共识算法、 加密算法和链上链下数据协同技术。海量终端设备、 复杂网络环境以及异构平台互联将会是区块链技术未来的发展趋势。

2.1 主要算法

2.1.1 哈希算法

哈希算法又叫散列算法, 其作为单向密码机制能保证交易信息不被篡改, 将任意长度的输入值映射成为较短的且具有固定长度的二进制值, 接收一段明文后将其转化成一段位数固定的散列数据, 是区块链应用的基础原理[5]。

2.1.2 分布式账本

分布式账本是一个具备多种信息可交流分享的资产数据库, 每次的交易对应一个块, 每个块连接成链, 是一个不断扩大的账本。其中超级账本(Hyperledger)利用区块链技术建立共同的开放平台以满足不同行业领域的不同需求, 可完全公开, 减轻业务的流程, 便利消费者和商家, 推动了区块链的发展和进步[6]。

2.1.3 智能合约

智能合约是一种计算机协议, 它由事件驱动, 具有状态, 可保管账本上资产的程序, 在合约内容定好时, 当满足合约中的某个条件时合约将自动启动, 执行合约内容并可在没有第三方的情况下执行可追溯的交易[7]。另一方面, 智能合约是由开发人员编写的程序, 很有可能出现一些漏洞。问题主要集中在漏洞防范措施不够完善, 开发者很有可能开发出有漏洞的智能合约, 故有待完善。

2.2 主要工作机制

2.2.1 共识算法

共识机制对特殊节点进行投票, 从而在短时间内对交易进行验证和确认。共识机制对提高区块链的性能起关键性的作用。现有众多的共识算法, 如PoW(Proof of Work)、 PoS(Proof of Stake)、 DPoS(Delegated Proof of Stake)等, 要将区块链技术应用于企业中的大型应用, 对共识机制的应用和设计起关键作用, 但在分布式系统中要想达到绝对意义上的同步是困难的[8-9]。

2.2.2 加密算法

区块链以密码学的方式保证内容的隐秘性, 所以密码学对区块链非常重要, 决定了区块链是否安全。加密算法一般分为对称和非对称加密算法, 两种算法的主要区别在于加密秘钥与解密秘钥是否相同, 区块链应用的密码技术很多, 例如哈希函数、 数字签名、 数字证书等,随着加密技术的不断进步, 对数据的保护也会增强[10-11]。

2.2.3 数据协同

图1为区块链结构图, 展示了区块链的整个技术结构。

图1 区块链结构图Fig.1 Blockchain structure diagram

现有的区块链系统与传统的信息系统之间需要进行平衡协作, 也就是解决链与链之间的协同问题, 两者协同有助于对系统进行监管。当前对如何将链与链之间的数据进行协同的技术研究还处于初步阶段, 而跨链技术有不错的效果, 并能提高每个链之间的互操作性和可延展性[12]。

3 区块链的典型应用

目前区块链技术已经应用于教育、 医疗等很多行业中并有很好的表现。随着区块链应用的逐渐扩展, 未来区块链技术也一定会深入到其他领域, 区块链应用的5个研究领域包括金融、 供应链、 医疗、 教育和能源互联网[13]。在此基础上, 笔者增添了精准扶贫、 物联网以及社会救助等, 图2是对区块链技术在某些行业应用的畅想。

图2 区块链应用全景图Fig.2 Blockchain application panorama

3.1 教育行业

3.1.1 教育资源共享

我国的教育资源存在分布不均、 城市和农村教学资源有差异、 教育资源无法普及等问题。线上教育的出现解决了一部分问题, 但随之而来也出现了其他问题。其中包括平台多, 管理困难、 课程与兴趣不匹配、 教学资源共享难、 教师成果得不到保护以及刷课问题严重等。针对这些现象, 可利用区块链建立在线教育发展路径, 以及对路径优化的保障措施等, 保障区块链基础在线教育平台的稳定发展[14]。

3.1.2 学生信息管理

学生信息复杂且繁多, 准确掌握学生的学习和个人信息有助于教育工作者更好地了解和帮助学生。建立基于区块链的教育数据共享平台, 可全方位保障教师学生的数据信息, 利用数字认证系统可对学生的日常学习进行记录, 包括所有的成绩及奖惩； 加密算法可保护学生的隐私； 授权机制增加安全性[15]。

图3 区块链在教育场景应用示意图Fig.3 Schematic diagram of the application of blockchain in education scenarios

3.1.3 分布协同管理

“学生卡”也叫一卡通, 仅限于在校园内使用, 可起到交易支付等作用, 但经常存在丢失情况。区块链可实现虚拟货币的功能, 利用不可篡改和可追溯性在校园卡丢失时第一时间定位, 完善校园信息安全[16]。图3是区块链技术在教育场景的应用示意图, 展示了区块链技术的4种应用方向。

3.2 医疗行业

3.2.1 医疗信息

我国医疗行业存在患者信息不完善、 医疗信息共享度差和医疗资源信息不对称等问题。为解决这些问题, 可利用区块链共识算法、 分布式账本原理建立医疗信息系统。实现电子医疗病历的共享方案, 可利用区块链和分布式共同管理储存, 以及访问控制系统和共享协议, 高效率地保护患者的身份信息, 防止被他人窃取[17-18]。图4总结了区块链技术在医疗领域应用的7个方面。

图4 医疗领域应用场景图Fig.4 Application scenario diagram in the medical field

3.2.2 药品防伪

目前在药品制作商中有很多商家违规经营, 导致很多未经过合格审批的药品流入市场, 危害消费者。利用区块链技术的共识算法、 可追溯性, 构建药品溯源系统, 将所有的商品在进行生产和销售的环节, 将其全部的信息都上传到区块链系统, 全程追踪药品信息， 确保药品的所有程序是合法的。 一旦药品出现问题, 立即上报监管部门进行审查, 政府监管部门也可以随时抽查[19]。

3.3 食品领域

3.3.1 食品供应链追溯

我国的食品供应链处于集成物流向供应链的过渡阶段, 食品的质量安全很难得到保证。利用区块链协作技术将消费者加入到供应全程, 将每个节点进行协议合作, 由此保证食品的来源可追溯, 提高了食品信息的透明度, 增强消费者的信任度, 可促进消费, 解决食品的不可追溯性问题[20]。在食品的供应环节, 利用条码技术为商品添加标签、 利用电子标签标记食品的位置及路径等信息, 基于区块链去中心化使其不可篡改, 达到可追溯的目的[21]。利用区块链技术框架, 可实现河北省冷链食品追溯一系列过程的安全溯源[22]。

3.3.2 食品安全信用体系

目前, 食品安全信用体系存在信息不对称、 不完整的问题。通过对食品供应链建立食品安全信用体系和模型, 对供应链的每一环节添加跟踪流程, 可保障食品从生产到消费者手中保持健康安全。此外, 用户可随时查看每个商家的信用评分, 帮助有关监察部分进行合理执法, 也会提高系统中所有的食品安全信用的效率和透明度[23]。

3.4 物联网

物联网作为家居生活智能的新体现, 给人们的生活带来了巨大的变化。图5总结了区块链技术在智能家居的应用场景。物联网将大量的传感器与家电等物品连接, 通过互联网实现智能化的管理和操作, 通过家电能传输居民的生活习惯、 爱好等信息给超市等商家, 商家根据信息为住户运送食品, 方便居民与商家, 促进生活的智能化[24]。物联网可实现智能物流, 交通信息。物流公司根据住户的信息及日常生活习惯, 适时为用户投放快递, 交通部门在用户网上购票后, 智能提醒用户天气及出门时间等, 但其在用户隐私信息领域上有极大的挑战。

图5 物联网智能家居应用场景图Fig.5 IoT application scenario diagram

3.5 社会救助

新冠病毒的出现, 给世界人民带来了前所未有的挑战。为更好地保障人民的生命和财产安全, 应急救助系统的建立非常必要。在面对突发状况时, 保证信息的及时、 准确和面对公众的透明度是应急系统面临的巨大挑战。如图6所示, 利用区块链技术的共识机制、 可追溯等特性, 在疫情防控指挥的有关部门全部实行资源信息的实时共享, 实现数据同步, 以备指挥中心掌握数据资源的真实情况, 为防控疫情提供进行调动和指挥的人力、 物力资源信息, 可极大地提高行政效率[25-27]。

图6 社会救助应用场景图Fig.6 Application scene diagram of emergency aid

3.6 精准扶贫

“精准扶贫”作为国家的战略政策, 以促进我国早日实现小康社会。自精准扶贫政策推行以来, 成效显著, 但扶贫工作也存在很多的困难, 如无法准确识别贫困户、 扶贫专项款使用不透明、 脱贫标准不明确等问题[28]。利用区块链可将地方工作人员的流程及贫困户信息上传到链上, 以备查验, 而安全机制、 可追溯性能很好地解决资金去向问题, 能帮助政府加强对精准扶贫工作的监管, 增进对贫困人口的深入了解, 但无论技术还是人才等都需要更多的时间进行完善[29]。准确合理地评估贫困户的标准, 进而应用到区块链, 对未来技术是一个巨大的挑战, 尤其是贫困户的隐私问题得不到保障, 保密机制有待完善。

4 结 语

区块链作为一种新兴技术, 受到了众多关注。但区块链并不是万能的, 区块链虽然能为人们的工作和生活带来便利, 但它也有很多局限性, 拥有诸多不足和不完善的地方, 需要进行不断的改进。虽然当前互联网时代的技术已经很先进, 但对于区块链的高储存、 高能耗问题, 仍然存在诸多挑战。由于系统的稳定性和可靠性无法得到保证, 所以要加大力度, 踏踏实实做好区块链技术的研究。要想利用区块链技术为其更好地构建应用体系, 最主要的挑战就是克服技术发展的局限性, 最重要的工作是完善保密机制, 保护用户的隐私, 保证信息安全[30]。