区块链技术在跨域数据共享与隐私保护中的应用研究

高航 俞学劢

［摘 要］文章深入探讨区块链技术在跨域数据共享和隐私保护中的应用。首先，分析区块链技术的现状与发展趋势；其次，以区块链技术的基本原理引出区块链技术在跨域数据共享与隐私保护中的应用；再次，分析当前区块链技术面临的挑战，包括可扩展性、隐私保护、互操作性和法规合规性等方面；最后，为了应对这些挑战，提出相应的解决方案和技术，包括分层架构、零知识证明、跨链协议和法规技术。此外，文章还详细介绍这些解决方案和技术的具体实现方法，以及它们在实际中的应用，并探讨区块链技术在跨域数据共享和隐私保护中应用的未来研究方向和应用展望。

［关键词］区块链；跨域数据共享；隐私保护

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.22.060

［中图分类号］TP311［文献标识码］A［文章编号］1673-0194（2023）22-0185-03

0     引 言

随着信息技术的飞速发展，数据已经成为现代社会的一种重要资源。然而，如何在保护隐私的同时实现跨域数据共享，成为一个亟待解决的问题。区块链技术作为一种新兴的分布式账本技术，因其去中心化、透明性和不可篡改性等特点，被视为解决这个问题的一种可行的方案。本文的目的是探索区块链技术在跨域数据共享和隐私保护中的应用，并评估这种技术的效果和潜力。

1     区块链技术的现状和发展趋势

1.1   现 状

区块链技术已经在金融、供应链、医疗等多个领域得到广泛的应用。尽管区块链技术的应用前景广阔，但在实际应用中仍然面临着许多挑战。这些挑战包括但不限于数据的隐私保护、系统的可扩展性、不同区块链平台之间的互操作性以及合规性等方面的问题。

1.2   发展趋势

随着技术的不断发展，可以预见区块链技术将朝着以下几个方向发展。

（1）增强系统的可扩展性。随着区块链网络中的交易数量不断增加，如何提高系统的处理能力、满足大规模数据处理的需求，成为一个重要的研究方向。目前，研究者正在探索多种方法来增强区块链系统的可扩展性，包括分片技术、状态通道技术以及侧链技

术等［1］。

（2）加强数据的隐私保护。虽然区块链技术的透明性为数据提供了一定程度的安全保障，但也使得数据的隐私保护成为一个挑战。为了解决这个问题，研究者正在探索如何在保证数据透明性的同时保护用户的隐私。目前，零知识证明技术、同态加密技术以及多方计算技术等被广泛应用于区块链系统中，以实现数据的隐私保护。

（3）增强区块链平台的互操作性。目前市场上存在多种区块链平台，如何实现不同区块链平台之间的数据共享，是一个亟待解决的问题。为此，跨链技术应运而生，通过建立一种可以在不同区块链平台之间传输信息的协议，实现区块链平台之间的互操作性。这一领域的研究已经取得一些成果［2］。

（4）满足合规性要求。区块链技术的分散化特性使其在满足合规性方面面临挑战，因为许多法律和规定是为中心化系统制定的，区块链技术的分散化特性使得其难以适应这些规定。为了解决这个问题，要开发新的法规技术，以帮助区块链系统满足合规性要求。

2     区块链技术在跨域数据共享与隐私保护中的应用

2.1   区块链技术的基本原理

区块链技术是一种革命性的分布式数据库技术，它的核心理念是去中心化。在传统的数据库系统中，数据存储在一个或几个中心化的服务器上，这些服务器由一个中心机构控制和管理［3］。然而，在区块链系统中，数据分布在网络中的所有节点上，每个节点都有一份完整的数据副本。这种去中心化的特性使得区块链系统具有高度透明性和安全性。

区块链的工作原理主要包括区块的生成、验证和添加到链上的过程。首先，当一个新的交易发生时，这个交易会被添加到一个待处理的交易池中。然后，网络中的节点（也被称为矿工）会从交易池中选择一些交易，通过解决一个复杂的数学问题来生成一个新的区块。一旦一个节点成功地生成一个新的区块，这个区块就会被添加到区块链上，同时这个节点会得到一定的奖励。

2.2   区块链技术在跨域数据共享中的应用

区块链技术在跨域数据共享中的应用已经引起广泛的关注。区块链技术的去中心化、透明性和不可篡改性等特性使其成为跨域数据共享的理想选择。

首先，区块链技术在医疗健康数据共享中的应用已经取得显著进展。在这一领域，区块链技术可以确保数据的安全性和隐私性，同时也可以增强数据的可用性。例如，一种名为BOSS：A Blockchain Off-State Sharing System的系统，利用区块链技术来确保大型生物医学数据文件的完整性和保管链［4］。该系统只传输加密的文件，加密密钥被存储在安全的地方，只有经过授权才可以访问。接收者必须从发送者那里请求相应的加密密钥来解密这些加密文件，所有的请求都通过交易来建立可靠的保管链。其次，区块链技术也可以用于供应链管理。通过实时跟踪产品的生产和运输过程，提高供应链的透明度。

2.3   區块链技术在隐私保护中的应用

区块链技术在隐私保护中的应用具有独特的优势，主要体现为其具有去中心化、透明性和不可篡改性等特性。

2.3.1   AI和区块链集成的隐私保护

有研究探讨了人工智能（Artificial Intelligence，

AI）和区块链技术的集成，以及由此产生的隐私保护技术。这些技术不仅保护了个人隐私，还确保了数据的安全性和可靠性［4］。

2.3.2   Azure区块链工作台密钥管理系统的漏洞分析

随着区块链的普及，越来越多的人寻求将区块链技术应用到他们的项目中。尽管区块链技术本身通过其算法得到了较好的保护，但其隐私依赖于常规的密码学，而密钥管理协议中的错误或漏洞可能会影响其安全性。

2.3.3   区块链技术中的差分隐私

区块链技术在不同领域的应用率呈指数级增长，但这种增长也引发了一些关于在区块链中存储的数据的隐私和安全性问题。使用数据扰动策略，如差分隐私来保护区块链数据的隐私，可能是克服区块链隐私问题的新方法。

2.4   经典案例研究

区块链技术已经渗透到各个领域，本节将探讨两个具体的区块链应用案例，以揭示其在跨域数据共享和隐私保护中的潜力。

2.4.1   区块链在加密货币中的应用

在相关论文中，有研究者回顾了区块链的概念及其潜在的应用，特别是在加密货币中的应用。研究中包含了一个关于区块链在迪拜应用的详细案例，在这个案例研究中，迪拜政府正在积极探索区块链技术在公共服务中的应用，以提高政府工作效率和公众信息透明度［5］。区块链技术的去中心化、透明性和不可篡改性等特性使其成为提高公共服务效率的理想选择。通过实时跟踪和验证交易，区块链技术可以提高公共服务的透明度，减少欺诈和腐败，提高公众对公共服务的信任度。

2.4.2   区块链在电子健康领域的应用

在电子健康（eHealth）领域，区块链技术的应用日益受到关注。电子健康系统的发展给人们的生活带来了极大的便利，研究人员一直在尝试将新技术与电子健康系统相结合，以使其更好地服务于患者。区块链技术因其独特的分布式防篡改和隐私保护等特性，在电子健康系统中的应用越来越受欢迎。然而，由于区块链系统的安全问题，利用区块链技术的电子健康系统存在许多安全风险。此外，区块链系统中的琐碎交易和智能合约的频繁调用给基于区块链的电子健康系统带来了额外的成本和安全风险。更糟糕的是，电子医疗记录是由医疗机构而非患者控制的，容易导致隐私泄露。为了解决这些问题，有研究者提出了一个基于区块链技术的医疗数据共享和隐私保护的电子健康系统。该系统结合了变色龙哈希函数来抵抗底层区块链攻击，并在此基础上设计了一个新的链结构，为区块链的权重作出贡献。该系统允许患者以隐私保护的方式在不同的医疗机构之间共享他们的电子医疗记录。

3     区块链技术面临的挑战与解决方案

3.1   面临的挑战

尽管区块链技术拥有巨大的潜力，但仍面临一定的挑战。

（1）可扩展性：随着交易数量增加，区块链网络可能变得更慢、效率更低。这对于需要快速处理大量交易的系统来说是一个重大问题。

（2）隐私：虽然透明度是区块链的关键特性之一，但它也可能成为一个缺点。敏感信息对网络中的所有参与者都是可见的，这对于需要保密性的应用来说是一个问题。

（3）互操作性：市场上有许多不同的区块链平台，每个平台都有其独特的功能。然而，这些平台通常无法相互通信，使得整合不同的区块链解决方案变得困难。

（4）法规合规性：区块链以分散的方式运作，这可能使其难以遵守为中心化系统制定的法律和规定。

3.2   解决方案和技术

为应对区块链面临的挑战，可以通过以下几种解决方案和技术。

（1）分层架构。这涉及为区块链的不同功能创建单独的层。例如，可以将交易处理和数据存储分开，创建一个处理交易的层和一个存储数据的层。这样每个层都可以针对其特定功能进行优化，从而增强整个系统的可扩展性。一种名为BOSS：A Blockchain Off-State Sharing System的系统就采用了这种分层架构，通过将区块链的状态存储在链下，显著增强了区块链的可扩展性。

（2）零知识证明。这是允许一方向另一方证明他们知道某个特定信息的加密方法，而无须揭示该信息本身。

（3）跨链协议。这是不同区块链平台能够进行通信的协议。例如，可以开发一种协议，使得以太坊和比特币这两个不同的区块链可以互相发送交易信息。

（4）法规技术。这涉及使用技术来帮助使用者遵守法规。例如，可以使用区块链技术来创建一个透明的、不可篡改的审计跟踪程序，以满足法规对数据完整性和透明度的要求。一篇名为Blockchain-Empowered Trustworthy Data Sharing：Fundamentals，Applications，

and Challenges的研究就探讨了如何利用区块链技术来满足数据共享的法规要求，包括数据的所有权、访问控制、审计跟踪等方面。

4     未来研究方向和应用展望

4.1   未来研究方向

区块链技术在跨域数据共享和隐私保护中的应用仍有许多需探索的方面，以下是一些可能的研究方向。①区块链与AI的融合。研究如何将区块链技术与AI技术结合，以提高数据的安全性。②区块链在物联网中的应用。研究如何利用区块链技术保护物联网数据的隐私和安全。③区块链在电子设备逆向物流中的应用。研究如何利用区块链技术来追踪和管理电子设备的逆向物流活动，以保护数据的隐私和安全。④区块链在医疗数据安全中的应用。研究如何利用区块链技术来保护医疗数据的隐私和安全。

4.2   未来应用展望

随着区块链技术不断发展和完善，其在跨域数据共享和隐私保护中的应用前景广阔。未来，我们期望看到以下发展趋势。①更强的可扩展性。通过改进区块链的架构和协议，提高其处理大量交易的能力，从而满足大规模数据共享的需求。②更強的隐私保护。通过引入更先进的加密和隐私保护技术，如零知识证明技术，提高区块链数据的隐私保护水平。③更好的互操作性。通过开发跨链协议和标准，实现不同区块链平台之间的数据共享和通信，从而提高区块链的互操作性。

5     结束语

区块链技术在跨域数据共享和隐私保护中的应用拥有巨大的潜力和广阔的前景。然而，这还是一个相对较新的研究领域，需要进一步研究和探索。期待看到更多的研究和实践来推动这个领域的发展，应对数据共享和隐私保护中的挑战，从而实现数据价值最大化和个人隐私有效保护。

主要参考文献

［1］WAHAB J.Privacy in blockchain systems［J］.Journal of Computer Science，2018（4）：1-10.

［2］CONNORS C，SARKAR D.Novel architecture to create and maintain personal blockchains［J］.Journal of Computer Science and Technology，2022（1）：1-15.

［3］HASSAN M U，REHMANI M U，CHEN Jinjun.Differential privacy in blockchain technology：a futuristic approach［J］.Journal of Parallel and Distributed Computing，2020（3）：

1-15.

［4］ZHANG Rui，XUE Rui，LIU Ling.Security and privacy on blockchain［J］.ACM Computing Surveys，2019（3）：

1-34.

［5］拜亚萌，邓小飞.融合区块链和云存储的医疗数据安全存储和共享模型［J］.焦作大学学报，2023（1）：75-79.