区块链技术的应用场景

朱 琦

(安徽三联学院 财会学院，安徽 合肥 230601)

区块链是一种分布式、共享的数据管理解决方案，它涉及到密码学、共识机制与数据不变性理论。密码学技术中的哈希算法保证数据在区块链中的完整性，而共识机制提供可靠性和数据一致性[1]。在区块链中，以块的形式生成和存储数据，并且每个连续的块，以链式数据的形式连接到前面的块结构。每个块都有一个对其引用的前一个块。前一个块的哈希值可以作为区块链的链状结构。引用的时候前一个块的哈希值封锁，前块的哈希值使用前一个块的哈希值。因此，会导致数据不同的散列值，从而允许用户检测任何数据操作。块的副本存储于称为节点的多个站点中，这些站点以分布式方式通过互联网连接。每个用户节点都涉及数据块的存储、验证和维护。每当向区块链添加新区块时，必须有1/2以上的用户批准，并将更新信息通知并同步到网络，信息同步后无法更改。

除了加密货币之外，区块链还有广泛的应用领域。例如，在开发计算机信息系统时，保持内容的完整性或准确性对于赢得用户的信任来说是必不可少的条件。以教育信息系统开发为例，课程信息和师生档案必须防止潜在的篡改。区块链技术提供了一个基于相互信任的系统来确保内容的真实性。该技术可用于存储和管理学生记录，包括证件和证书记录，以防止学位欺诈。学生可以存储评估记录和学习结果并通过区块链实现访问。除此之外，智慧城市可以通过区块链技术共享服务。另外，区块链可用于各种网上金融服务，如在线数字资产管理支付处理和虚拟钱包，智能状态下的合同执行、物联网、安全服务、医学研究等。

1 区块链技术的优势

区块链技术提供了一种加密的分布式数据库。数据可以在一个公开和透明的存储方式下防止数据篡改。区块链技术的优势包括以下几种。

1.1 保护数据完整性

防止在线存储的敏感数据被篡改。区块链可以通过开发技术确保数据完整性。区块链系统使用加密哈希值保证账本的完整性，任何修改区块链的做法将使所有连续的区块失效。区块链提供一个安全高效的数据模型来跟踪所有对世界范围区块链所做的改变。无钥匙签名基于单向的区块链项目生成数字签名的哈希函数，用于验证原产地的时间、完整性和归属地。防篡改的区块链技术以链式数据形式存储数据结构。每当数据存储于块中时，时间戳与该数据的存储相关联，不允许任何在时间戳之后的数据修改。这个特性使得任何人不得操纵分类账簿内已有的数据。

1.2 保护数字身份

传统的身份管理系统成本高昂，容易受到许多在线安全威胁。区块链技术使分散的数字身份系统提供了一种安全的方式来监控和管理用户账户。安全钥匙是建立在网络区块链上的网络数字身份，它允许用户使用智能手机注册验证他们的身份，如新的银行账户和其他公用事业身份。另一项广泛应用的技术——公钥基础设施，通常与区块链一起使用，用于实现增强型身份验证、数据加密和数字签名[2]。这样的系统可以使得系统更加可靠。公钥基础设施通过区块链系统集成验证用户身份的有效性，构成一个基于区块链的公钥基础设施。公钥基础设施是一个分散认证系统，消除认证中心，维护公共分类账及其关联键。研究公司Pomcor在公钥基础设施基础上使用区块链存储已发行和吊销的证书哈希值。它还进一步验证用户拥有证书的本地副本。因此，在没有网络访问的情况下可以验证证书的有效性。

1.3 防止欺诈和数据盗窃

区块链技术提供分散和防篡改的验证方法，防止欺诈和数据盗窃，有助于保护数据免受黑客攻击。防止潜在的欺诈，降低数据被窃取或泄露的可能性。区块链保存资产转移的记录，任何类型的欺诈行为都可以通过区块链技术追踪、检测。数据可以在区块链系统中恢复，每个用户都可以生成和存储数据的完整副本。数据的存储和记录在所有用户站点上同步完成，可以开发共享协议。基于区块链，每个用户都有权生成数据，保留数据的完整副本。这个机制减少了单个站点失败的可能性。大量用户节点参与存储区块链，降低了黑客成功攻击用户节点的机会。

1.4 透明存储

区块链提供了一个完全可供检查的交易分类账。只有经过系统验证的数据才能进入区块链系统。一旦记录下来，数据在区块链系统中即被检出。这使得无法隐藏或删除任何欺诈交易。隐藏或删除数据需要改变大量的区块链，甚至覆盖整个网络。高透明度消除了用于验证事务的检查点，保护关键基础设施。域名系统易受分布式安全漏洞的攻击、拒绝服务攻击或间接攻击。基于区块链的域名系统提供了更好的安全性和可靠性，因为所有域名都存储在本地。不需要域名系统的客户机与服务器进行交互询问。这样的系统可以提供更好的安全性保护，防止间接攻击。

2 区块链技术应用发展前景

在区块链与物联网融合探索中，最有前景的应用是通信技术。物联网设备通常缺乏用户匿名等安全功能以及认证。安全和隐私是涉及网络系统应用物联网设备的两大问题。基于区块链的物联网提供了一个基于信任的安全系统。瑞菲等提出一种完全分散的基于区块链的架构，使用智能合约来实现安全物联网中的数据访问。哈德乔诺和史密斯提出以安全可靠的方式实现传感器数据共享中的隐私保护。区块链通过记录系统区块链分类账的使用来维护记录。记录可用于管理用户，不共享其他任何个人身份信息。用私钥构成数字资产所有权的基础，确保安全，防止任何操纵和欺诈。它可用于银行等金融机构。银行可使用自动创建记录的区块链技术控制访问权限信息。该技术还可用于管理健康记录、保护和管理数字资源，如多媒体和电子邮件记录。

基于区块链的标记化可以作为管理层身份访问信息平台。标记令牌可以是多样的，硬币代币、资产代币、信用代币都可是标记令牌。使用这些令牌绑定物理或数字资产，使用数字代币可以进行供应链管理、知识产权管理，防伪和欺诈检测。令牌服务能帮助公司部署自己品牌的加密支持代币经济，该服务受益于区块链技术提供标记化令牌服务。标记化引入了一个重要的概念，即资产可以由所有者直接管理，而不需要第三方参与。智能合约最初由尼克·萨博于1996年提出。智能合约用于验证和促进合同的执行，它降低了相关成本与承包工作量。以太坊的发展为智能合约代码提供了媒介，智能合同可以促进金融业的基础服务发展。

区块链用于自我管理是区域自我管理一个新的发展方向。分散自治的组织系统签订智能化合约，金融交易记录与程序规则由区块链维护，系统的工作规则由区块链协议确定。区块链技术有助于保持资产的数字化所有权。作为分布式存储系统，区块链可以实现分散的云存储，这有助于提高安全性并减少对中心权利的依赖和数据复制。使用基于区块链的云存储的优点是完全分散、减少数据冗余，有效防止攻击和降低单站点故障率。使用区块链技术，分散储存的数据储存成本比现有亚马逊等其他云存储要低得多。相比之下，区块链每月每兆字节的存储成本约为2美元，低于亚马逊每月每兆字节25美元的成本。

Metadisk是一种基于区块链的分散式文件存储应用程序。史托吉等正在使用以区块链为基础的网络，以提高安全性并减少依赖性。基于区块链的数字投票是一种分布式分类账，其中的块包含交易记录。美国弗吉尼亚州的一家在线投票系统公司，提出了一个基于区块链的安全分布式数字投票系统。研究中确保每个用户只进行一次投票。基于区块链技术，一旦投票被投出和储存，投票数据不能被篡改。使用区块链进行在线投票具有安全性和匿名性。

3 应用场景

基于以上区块链的特征，区块链可以在以下场景得到应用。

3.1 教育领域

区块链技术在教育应用场景中的可用于创建智力成果、供个人储存智力成果、向雇主提供数据。区块链技术能够使艺术家在块链上注册他们的作品。区块链也可以用作存储在虚拟钱包中的“教育货币”[3]。学习过程是输入的过程，学习活动是一个基于应用程序的智能契约，鼓励学生以更好的表现获得更多的奖励。区块链可以用于确保学习过程与区块链储存“教育货币”之间的平衡。由于区块链的不可篡改和安全性，它可以用来存储数据，实现交易互信关系，通过加密货币支付费用。美国大学已经开始使用比特币等加密货币支付学费。例如，尼科西亚纽约国王学院、西蒙·弗雷泽卑诗省的大学接受数字货币支付学费。使用安全方式储存教育记录，区块链技术可以作为学生资料，如学生档案、试卷的安全存储方式。数据无法篡改存储结构，保证记录安全且易于访问。麻省理工学院媒体实验室开发了一个基于区块链的应用程序blockcerts钱包，用于创建、发布和验证基于区块链的证书。这个项目的目标是使个人能够安全地共享不能被篡改的数据记录方式。如，学生通过考试后收到的证书将存储在区块链中，防止数据篡改和学位欺诈。区块链为数据存储提供了一个安全和共享的平台用户数据。储存数据不限于证书，也包括成绩单、出勤率、师生互动信息等数据。索尼和IBM公司正在使用区块链技术开发一个储存教育信息的平台，如成绩单、出勤记录等。学生可以访问与学校共享数据。

3.2 金融与审计领域

比特币等区块链技术应用在金融服务领域可以促进银行业发展，促进货币发行，提高货币使用的便捷性。提供全球汇款的金融市场，减少中间环节，实现点对点交易。区块链技术可以帮助建立P2P金融市场，相对于多主体计算来说更加安全、更快速和更可靠。[4]通过启用智能合约、自动化银行分类账来保护数字资产。

区块链技术有助于提供基于互信关系的审计服务。区块链技术以不可篡改的处理方法完整记录财务数据，以大数据方式实现智能审计，可减少审计工作量。审计过程中使用的财务信息是以不可篡改的方式记录在区块链中，并由授权的所有网络节点共享和监督。区块链技术应用在审计应用层面，可以结合大数据实现人工智能审计以及企业数字资产包括资产所有权、内控程序的执行和评价。

3.3 医疗卫生领域

区块链技术在医疗卫生领域的应用中，病例、处方、支付等信息可以在区块链中记录，并将所有控制方都记录到链上。医院内部的药品、设备等资产管理以及外部的药品运输也都可以通过区块链实现源头可追溯，实现质量过程控制。如，区块链技术可以用在疫苗冷链运输上，控制方可以实时监控疫苗冷链运输过程中的保存湿度、温度、位置等数据并上链存证，形成可追溯的安全保障运输过程。区块链技术利用大数据存储支持电子处方与患者病情的精准匹配，防止修改或滥用处方。区块链电子处方以分布式方式存储，处方不会丢失。写入处方记录易追溯，便于管理部门监管。

3.4 数字公证服务领域

分散公证的区块链技术可以用作数字公证服务。区块链中的时间戳和哈希值验证在特定时间和特定工作的存在可以用于法律证明。使用区块链技术能够做出数字版权证明公证。2019年4月9日我国首个区块链司法判决由北京互联网法院做出。区块链版权平台用户蓝牛仔公司，通过区块链确权、进行侵权线索固化，由北京互联网法院基于区块链技术的“天平链”系统进行自动验证确认侵权，法院迅速做出判决，大大节省了中间环节的时间。

4 应注意的问题

区块链技术与其他技术一样，不是完全完美的技术。在应用前需要考虑区块链技术存在的一些限制性。

4.1 扩展性问题

区块链技术的可扩展性和存储机制要求存储每个事件的状态。虽然这种存储机制具有高级别的安全性，但是受到可扩展性和带宽限制。可扩展性和安全性的目的是建立大规模区块链。以比特币为例，交易数量增大后存在块大小和限制等问题。这种限制使比区块链的广泛应用面临挑战。在比特币中，一个块的大小是1MB，创建一个块约需要10min；块的大小和延迟时间，限制交易数量。当交易次数增加，必然需要解决块大小和延迟等问题。目前，区块链研究领域已经提出了几种方法来改进区块链中的可伸缩性问题。朱嘉明通过引入区块链集群理念，克罗曼等探讨了可伸缩性在区块链中的应用，并提出比特币中的块大小和间隔对于吞吐量和延迟有改进可能性，应保留重大系统事件的分权管理。

4.2 性能问题

区块链具有分布式、点对点的特性。一个基于区块链的交易只有在节点更新各自的分类账后才能更新交易信息，随着账本的增长，存在隐私和安全问题。区块链提供了一个分散的、不变的数据库。事务可由节点验证分布在网络上，用户可以使事务。用户使用的是生成的地址而不是事务的真实身份。尽管有这些优势，目前的应用趋势依旧缺乏完全的隐私。当前区块链系统无法保证交易完全作为整个行动序列的隐私事务。因为事务是通过网络传播并记录在区块链中，网络记录的存在导致区块链技术应用缺乏完整的隐私性。假设区块链可能受到51%的攻击[5]。以51%的比例攻击，一个实体将完全控制大多数网络的哈希值，就能够操纵区块链。区块链也容易受到其他安全攻击，如间接攻击、劫持攻击等。区块链研究领域提出了一种结合区块链内外结合的存储方式——区块链外解决方案。这种方案可以用作存储的替代方案，如集中式云可用于存储数据，以构建保护隐私的个人数据管理平台。

4.3 资源消耗问题

区块链技术应用需要大量资源，如计算、存储设备和电能。从能量角度看来，比特币的需求约为每天1 500万美元。未来估计处理比特币交易的能量消耗是使用信用卡的5 000倍。区块链的同步特征使系统的每一个节点都实时同步更新账本数据，这种模式会产生大量冗余数据，区块链的数据存储量不断增长会大量消耗存储资源。

4.4 区块链程序开发问题

区块链开发的核心实现“去中心”思想。与传统开发以面向服务的理念不同，区块链开发是面向账本和交易。区块链作为一门交叉学科，对人员的素质要求比较高，要求开发人员应具有区块链思维、计算机语言能力和行业实践经验，相应的符合标准的人就更少。

在国内金融、医疗等行业已经拥有基于区块链开发的应用程序。区块链是一种新兴的智能化技术。可验证分布式账本的独特性，会带来多行业应用区块链技术的契机。区块链已经开始初步应用并体现出许多优点，但是，可扩展性、安全性、性能及开发等问题仍需要进一步研究。未来区块链技术在各类应用场景的实践依然有待探索。