2024年4月30日发(作者：)

2020年第11期

技术交流

区块链技术及应用研究综述

单康康袁袁书宏袁张紫徽袁徐锋袁张华袁贾春艳袁洪波

渊浙江大学信息技术中心袁浙江杭州市310027冤

摘要针对区块链可构建信任和传递价值特性袁从数据层面尧财务层面尧应用层面尧体制

层面等多角度研究区块链技术及应用价值重构袁对利用区块链技术在数字资产存证尧保护

用户隐私尧数字资源流通尧跨部门信息系统互联与数据可信共享等应用场景研究进行综

述袁形成基于区块链的安全可信尧稳定可靠尧高效便捷的应用场景和模式袁为区块链技术与

各领域深度融合的技术路径创新与数据价值重构提供一定的借鉴参考遥

关键词区块链曰去中心化曰密码学曰共识机制曰智能合约曰隐私保护

0引言

区块链被视为继蒸汽机尧电气化尧计算机之后的

生确认机制和激励机制保障分布式账本数据同步袁

合约层通过构建可编程的智能数字协议定义业务场

景交易逻辑袁应用层为用户提供各种场景API渊应用

程序接口冤以自定义尧发起和执行智能合约遥

1.2运行原理

区块链工作原理如图1所示遥

第四次工业革命的重要成果袁区块链技术在本质上

是一种通过去中心化尧高信任的方式集体维护一个

可靠数据库的技术方案袁核心技术包括P2P尧密码

学尧智能合约等袁近年来区块链技术在教育尧医疗尧金

融尧政务尧电子存证尧数字身份等各领域不断铺开遥

1

1.1

区块链概述

总体架构

区块链主要分为数据层尧网络层尧共识层尧激励

层尧合约层尧应用层遥区块链分层架构见表1遥数据层

利用Merkle树与链式结构保障数据不可篡改袁网络

层使用P2P协议实现去中心化袁共识层通过区块产

表1

应用层

合约层

激励层

共识层

网络层

数据层

金融

脚本

发行机制

PoW渊工作量证明冤

P2P组网

Merkle树

教育

算法

分配机制

PoS渊权益证明冤

广播通信

链式区块

图1区块链工作原理

区块链分层架构

知识产权

Sandbox

奖励机制

DPoS渊权益授权证明冤

验证机制

HASH函数非对称加密数字签名

PBFT渊实用拜占庭容错冤

医疗

虚拟机

政务

电子合约

基金项目院浙江大学高教研究会2020年度资助课题遥

技术交流

a冤产生的新交易通过P2P网络向全网所有节点

进行广播遥

b冤全网节点接收到新的交易数据袁验证合法后

暂存于新区块中遥

c冤全网节点根据共识算法渊PoW/PoS/DPoS/

PBFT等冤竞争优先记账权遥

d冤得到优先记账权的节点将打包的新区块对全

网进行广播遥

e冤全网节点对接收到的交易进行校验袁确认无

误后将区块追加到已有区块链表中遥

1.3分布式账本

分布式账本数据结构以Merkle树为组织机构袁

交易存储在Merkle树的叶子节点上袁通过两两合并

哈希直至得到根节点作为区块头的组成部分遥区块

头包括时间戳尧随机数Nonce尧前区块Hash值等袁每

个区块头都包含前一区块的Hash值袁使得前后相邻

区块在逻辑上以链的方式环环相扣遥如果某一区块

被试图攻击篡改袁需要对后续所有区块全部重新计

算随机数Nonce和Hash值袁因此从计算角度不易

篡改遥分布式账本记账算法架构如图2所示遥

图3

2020年第11期

方身份没有被篡改遥区块链常用的非对称加密算法

有ECC渊椭圆曲线密码学冤尧RSA渊公开密钥密码体

制冤尧ECDSA渊椭圆曲线签名算法冤等遥

区块加密模型如图3所示遥用户1发起一笔交

易给用户2的加密流程如下遥

区块加密模型

a冤用户1对交易内容进行哈希计算得到唯一的

哈希值袁用私钥对哈希值进行签名遥

b冤用户1将签名后的哈希值尧交易内容等信息

打包后向全网广播遥

c冤用户2接收到广播包后袁根据用户1的公钥

对签名进行验证袁以证明该交易确实由用户1发起曰

同时对交易内容进行哈希计算袁将得到的哈希值与

广播包的哈希值进行校验袁以验证交易对象是否为

用户2及交易内容是否合法遥

d冤与此同时袁区块链全网每个全功能节点都可

以对交易内容进行验证遥

1.5共识机制

共识机制解决全网节点之间数据验证同步和激

励相融问题遥目前主流的共识机制有四种院PoW尧

PoS袁DPoS尧PBFT遥

1冤PoW机制

图2分布式记账算法

1.4加密算法

区块链主要采用哈希算法和非对称加密算法袁

PoW是最经典的共识机制.基于给定难度值在

最快时间通过迭代计算得到一个随机数Nonce以

争夺记账权袁对获得优先记账权的节点给予一定激

励遥PoW共识流程如图4所示遥

2冤PoS机制

PoS通过计算全网节点的持有币量和持币时间

来决定投票权和打包权遥拥有打包权的节点打包交

易后对全网广播袁拥有投票权的节点投票决定最终

哈希算法可以从固定输入得到唯一输出且计算过程

不可逆袁适用于构建区块和确认交易的完整性遥主流

哈希算法有SHA-256尧SHA-384尧SHA-512尧SHA-3

等遥非对称加密算法利用一组公钥私钥对接收到的

交易进行数字签名和验证袁确保交易内容和交易双

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技术交流

图4PoW共识流程

上链的区块袁根据每个节点持有币量和持币时间等

比例降低计算随机数的难度遥

3冤DPoS机制

DPoS是PoS的升级版袁由全网普通节点投票

选出一些代理节点进行交易验证和记账袁代理节点

完成共识后会获得一定数量的激励袁不合格的代理

节点会被投票替换遥

4冤PBFT算法

PBFT广泛使用于联盟链袁是一种能容忍全网

1/3节点出现错误或异常的分布式系统共识算法袁

该算法依赖节点对同一信息的多次重复确认袁从而

达到全网共识遥

1.6智能合约

确保数字身份不被篡改和违规授权使用袁保护个人

隐私不被泄露袁提供基于区块链的统一身份认证尧权

限校验尧免密登录等服务遥

图6基于区块链的运营商身份认证

2.2教育领域

区块链可对教育资源进行数字存证尧保护教育

SmartContract渊智能合约冤最早在1995年由

NickSzabo首次提出袁以计算机指令的方式实现了

传统合约的自动化处理袁本质上是交易双方在区块

链上交易时触发自动执行的一段程序代码遥智能合

约允许在没有第三方的情况下进行可信交易袁这些

交易可追踪且不可逆转袁智能合约机制如图5所示遥

用户信息隐私尧推进数字教育资源流通尧实现多部

门教育信息系统互联和数据可信共享等袁同时可

形成基于区块链的教育联盟基础数据库袁应用于身

份认证尧在线教学尧办事审批尧学分证明尧学术资源共

享等遥

2.3知识产权保护

知识产权保护由于传统登记方式的局限性袁存

在确权难尧盗版严重尧公开性差等诸多问题袁利用区

块链的数字签名在原作与所有权信息之间建立无法

篡改的对应关系遥作者把专利尧软件著作权等作品发

布到知识产权区块链数据库时生成唯一私钥作为作

品所有权的证明袁在区块链上生成唯一真实的且不

可篡改的存在性证明袁从作品的产生尧版权转让等袁

图5智能合约工作机制

每一步都能自动记录保存且不可篡改遥

2.4电子政务

通过区块链技术将数据尧信息上链袁实现对数据

的记录和追踪袁能缩短行政办公周期袁加快资金流

动袁对于提升政府公共服务管理水平和政府办公效

率具有重要的意义遥目前基于区块链的电子政务场

景主要集中在政务服务尧综合监管尧智慧法院尧数字

身份等领域遥

2

2.1

典型应用场景

运营商行业

运营商利用实名认证用户数据库袁可将传统的

集中式查询改造为分布式身份认证联盟链袁建立统

一的登录服务遥基于区块链的运营商身份认证如图

6所示袁通过区块链网络中非对称加密尧智能合约等

技术交流

2.5医疗行业

利用区块链技术对个人医疗记录保存袁形成历

史医疗数据链袁实现医疗机构之间的医疗数据共享遥

基于区块链的医疗链如图7所示袁借助区块链不可

篡改的特性袁不仅使患者的健康信息更加透明可信袁

同时解决医疗机构间数据共享的安全问题遥

2

3

1

2020年第11期

参考文献

n院Apeer-to-peerelectroniccashsys-

tem咱EB/OL暂.咱2019-07-16暂.https院///.

中国区块链技术和产业发展论坛.中国区块链技术和应用

发展白皮书2016咱R暂.2016.

hainTechnology院PrinciplesandApplica-

tions咱J/OL暂.Post-Print.咱2017-11-27暂.https院//.

org/p/hal/journl/.

hainforresearch院perspectivesona

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咱2017-11-27暂.https院///articles/_/5607778.

hain–hypeorgamechanger咱EB/OL暂.

咱2017-10-16暂.https院///2017_10_01_

2017_Blockchain_.

图7基于区块链的医疗链

6

7

MONYAB.1袁500scientistsliftthelidonreproducibility

咱J暂.Nature袁2016袁533渊7604冤院452-454

orypublishingisjustoneoftheconse-

3结束语

利用区块链的可追溯尧不可篡改尧数据加密等特

quencesofgoldopenaccess咱J暂.LearnedPublishing袁2013袁

26渊2冤院79-83.

性袁将跨部门尧跨地域的数据打通袁使各部门具有协

同效应袁解决数据孤岛尧破除数据壁垒尧提升办事效

率袁为探索区块链与各领域深度融合的路径创新与

价值重构提供参考遥

单康康渊1984要冤袁男袁工程师袁硕士袁主要研究方

向为计算机系统与安全遥

收稿日期院2020-07-17

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