區塊鏈技術應用領域及存在問題研究綜述

關 靜

（天津市醫學科學技術信息研究所，天津 300070）

1 區塊鏈技術的起源、概念

1.1 區塊鏈技術起源

區塊鏈技術是在2008 年日本《比特幣，一種點對點的現金貨幣》首次提出的一種以密碼學為支撐、按時間順序存儲的分布式共享數字賬戶，提供一套安全、開放、透明、審計、高效的交易數據記錄和信息交互架構，是解決未來社會發展中信任危機的革命性技術創新。2009 年，第一臺Bitcoin 鎖被挖掘在一個小型服務器上，標志著Bitcoin 的官方誕生，而Bitcoin 底層技術的名詞是區塊鏈。在技術誕生之初，將其應用于解決雙付費問題，可以將各種數字信息技術有機地結合起來，從而提升網絡信息的數字化管理水平和安全性能。

1.2 區塊鏈技術概念

區塊鏈技術是隨著加密數字貨幣逐漸興起的一種新型技術，采用一種分布式計算模式，使用區塊鏈來存儲數據，使用密碼原理確保傳輸和訪問的安全性，數據存儲由互聯網用戶共同維護和監督，擁有去中心化、透明公開、數據不可修改等顯著特點[2]，其使用分布式儲存與算力使整個網絡節點的權利與義務相同，系統中數據本質為全網節點共同維護，從而區塊鏈不再依靠于中央處理節點，實現數據的分布式存儲、記錄與更新，因而其應用也不單局限于貨幣一種資產類型，目前在各行業領域的應用研究較為廣泛。

2 區塊鏈技術的典型應用領域研究

2.1 電子政務領域

目前，區塊鏈在電子政務領域的應用越來越多。2016年澳大利亞郵政公司向選舉事務委員會遞交了區塊鏈選舉系統申請，負責人Tim Adamson 詳述了基于區塊鏈的選舉系統在議會選舉中的應用，該選舉系統具有防篡改性、可追溯性、匿名性和安全性，在公司選舉和社區選舉這類小型選舉中得到了廣泛的應用，并在議會選舉中逐步推廣應用[3]。2016 年，瑞典政府將區塊鏈技術應用于土地登記系統。如果交易雙方同意，在區塊鏈上進行土地交易，所有相關方面包括房地產中介機構、賣方、買方、相關銀行、政府土地管理部門以及稅務機關都可以對土地交易進行控制，確保交易安全、杜絕欺詐行為，應用系統還可以顯著減少文書工作量，大大地提升了交易速度[4]。Suwarsono 等提出了一種創新的基于區塊鏈的增值稅系統應用，靠提高透明度和安全程度來降低金融欺詐行為的發生概率，并闡述了利用該系統實現數字化的可行性[5]。英國政府將區塊鏈技術推廣應用在對福利基金分配的跟蹤以及使用情況兩個方面，并且不久將逐步應用于稅收監管，護照發行，土地登記和食品供應鏈安全。在中國，政務民生作為中國區塊鏈落地的主要示范領域，2018 年，政務民生領域的相關應用開始落地，許多省市積極通過將區塊鏈納入政策規劃進行項目探索，在政府數據共享、電子發票/票據等細分領域得到了廣泛應用。比如在2018 年8 月份，由國家稅務總局深圳市稅務局主導，騰訊技術支持區塊鏈電子發票“稅務鏈”項目啟動。截至2018 年10 月，廣州開發區“政策公信鏈”是區塊鏈政策實施平臺，目的是提高政府政策實現業務流程的效率。2019 年4 月，北京市海淀區推出基于區塊鏈等技術的“不動產登記+用電過戶”同步處理，完成以二手房交易為主題的所有服務的合作辦理。浙江省區塊鏈醫療電子票據平臺于2019 年6 月推出，該平臺成立于浙江省財政廳，采用螞蟻區塊鏈技術進行推廣，目的是優化用戶醫療流程[6]。

2.2 醫療健康領域

目前，在西方國家，對區塊鏈技術在衛生領域的應用進行研究的國家主要是英國和美國等發達國家。2017 年1 月美國食品藥品監督管理局與沃森健康部門簽署協議共同研究、開發和測試區塊鏈技術應用系統，探討如何通過區塊鏈安全的共享患者數據進行醫學研究等目的，涉及相關公共衛生領域的主要數據包括臨床試驗數據、醫療記錄信息、基因組數據、來自移動可穿戴設備數據以及物聯網的健康數據等。2018 年美國5 家最大規模的醫療衛生機構啟動區塊鏈系統平臺，收集與醫療服務機構相關的統計數據信息，存儲與患者相關的醫療與臨床試驗記錄、身體指標等數據信息，并確保患者數據的隱私性。2017 年英國工程和自然科學研究委員會批準了薩里大學一項名為“基于證據的醫療再分配合作模式”研究項目。此項目利用區塊鏈和深度學習等融合技術實現在個性化醫療護理活動中的應用，整合收集到的相關醫療健康數據，并確保對數據安全可靠的存儲和傳播[7]。Medicalchain 利用區塊鏈技術的去中心化優勢研發的項目平臺可以快速透明地交換和使用醫療數據。同時使用雙重區塊鏈結構，第一個是基于Hyperledger Fabric 構建，控制對醫療數據的訪問，避免了傳統溯源系統存在的效率低、數據造假等問題。第二個基于以太坊網絡，由代幣令牌驅動，是平臺所有底層服務和上層應用程序的基礎[8]。在我國，區塊鏈技術在衛生領域的應用主要以醫聯體的合作架構為體系，通過利用區塊鏈技術實現區域范圍內的醫療機構數據庫共用，同時創建了多層的數據保密安全機制，以確保信息數據安全性，并統一設置各醫療機構的訪問管理權限，有效地管控醫療數據[9]。2017 年國內首個醫聯體+區塊鏈的試點項目在常州誕生，項目成功將區塊鏈技術應用于醫聯體底層技術架構的應用，并已實現數據在當地部分醫療機構之間安全的互相調用、共享和操控。通過互聯互通的方式不僅降低了成本、還提高了數據安全性，從根本上解決了醫療機構的“信息孤島”和數據安全隱患問題。趙延紅等提出利用區塊鏈技術的去中心化可以實現病例不再由各個具體醫院管理和保存，使每位患者都能自主掌握自己的健康信息，保護了患者隱私，增強了患者使用醫療數據的自主性。利用區塊鏈技術還可以實現醫院信息共享集成平臺，使各子系統的數據達到真正意義上的共通共享，優化院內的業務流程，并能安全透明地記錄醫療數據編輯軌跡，具有可確權、可溯源的功能，確保醫療信息存儲的安全[10]。耿飆提出了借助區塊鏈技術可以實現基因和醫療數據的安全存儲，而基因和醫療數據是靠私人密鑰來獲取到的，與此同時便生成一個DNA 錢包，這使醫療衛生服務提供者能夠安全共享和統計患者數據，也促進了制藥企業更快地研發出新的藥物[11]。

2.3 能源行業領域

美國的TransActive Grid 項目在能源支付中應用以太坊區塊鏈技術和智能合約，建立基于分布式能源的交易體系，太陽能發電家庭和購電家庭作為雙方用戶，既是生產者也是消費者，且不依賴第三方參與就可以直接開展綠色能源交易、管理交易記錄，是未來社區管理能源系統的發展方向[12]。張麗等作者對商業交換過程中當事人的身份確認、身份采集、身份驗證等涉密安全身份認證問題，從硬件、軟件及企業整合三種方式提出了有效的解決方案[13]。田秀霞教授等設計了基于區塊鏈的智能電表身份認證方案，實現對智能電表用戶身份隱私信息的不可篡改，交易的公平處理以及數據的分布式存儲，從而提高了系統的安全性和可靠性[14]。丁偉等提出了區塊鏈應用于能源互聯網的具體架構，對影響區塊鏈交易的成本和傳播速度兩個影響因素進行了定性分析，建立了數學模型[15]。

2.4 通信領域

從區塊鏈技術的發展現狀看，在通信領域中的應用是很常見的。余明陽等作者提出將區塊鏈技術健康檔案數據共享和安全問題方面與物聯網技術進行深入融合建立信息通信工程建設業務資信平臺，以此進一步降低信息通信工程建設管理的風險性，建立智能邏輯流程、提升信息通信工程管控效率，解決信息文件傳輸困難、交易協調記錄難以追溯等多方面的問題，同時還能夠強化信息通信工程的審計驗收工作[16]。薛淼認為區塊鏈在電信運營商場景的應用仍處于探索階段，一些典型應用如PKI發布、數字身份、數據管理等應用已經在行業內進行試驗，基于區塊鏈的2C/2B 分布式應用孵化與開發需探索創新業務模式，區塊鏈的分布式特征與電信運營商的集中化管理的適配也仍需進一步檢驗[17]。

3 存在的主要問題

任何技術都有其自身局限性，區塊鏈技術正處于快速發展時期，存在許多亟待解決的問題，其中一些問題將對區塊鏈技術的未來應用發展產生不利的影響。

3.1 安全與隱私保護

安全隱私是區塊鏈技術面臨的最重要的問題之一，騰訊聯合安全實驗室和知道創宇公司發布的《2018 上半年區塊鏈安全報告》中顯示區塊鏈因安全問題損失超過27 億美元。針對安全問題，可以從區塊鏈技術參考架構的存儲層、協議層、擴展層、應用層4 個不同層面分析風險因素，存儲層風險因素包括因系統故障、誤操作，或對數據文件的破壞、竊取等情況下導致的數據丟失和泄露。協議層風險因素主要由開源的底層代碼及潛在的協議漏洞引發。擴展層風險因素包括合約代碼漏洞、業務邏輯漏洞等。應用層包括粉塵攻擊、API 誤用等安全漏洞，或者應用服務器系統的安全漏洞、安全管理策略配置不當等應用服務程序造成的系統風險。而區塊鏈技術的安全應用需要從安全開發、代碼審計、安全評估和測試[18]3 個環節實施有效的應對措施以降低風險。針對隱私問題目前常用的方法有很多，如環簽名、混幣技術、零知識證明、同態加密算法等，但是每種方法都有自身的局限性，今后仍將需要更有效的代碼檢測應對方法，例如匿名性檢測、隱私威脅預警等[19]。

3.2 可擴展性不足

當前區塊鏈系統存在兩個嚴重的可擴展性瓶頸：一是交易吞吐量不足導致的性能效率低下，二是鏈與鏈之間的資產（數據）難以交互造成的鏈功能難以擴展。潘晨等總結了提升區塊鏈性能的3 類主流方案（Bitcoin-NG、鏈下支付協議及分片機制）和擴展區塊鏈功能的4 類代表性跨鏈技術（多中心化公證人、側鏈/中繼技術、基于Hash 鎖定、分布式密鑰控制），詳細分析比較了各種方案和技術的優缺點[20]。

3.3 區塊鏈的監管政策不明確

劉宗媛等指出我國對區塊鏈技術的概念、種類、屬性和應用范圍，都還未制定出具體的相關法律法規，目前執行的統一監管制度也不能適應不同的應用場景[21]。王文等認為政府應加強對區塊鏈信息傳播的監管，以防范通過各種方式實施的區塊鏈詐騙行為。另外，政府可以針對ISP提出相應的要求，制定合理的政策，從而對區塊鏈業務進行有效控制，實現對全國區塊鏈業務的不同維度進行監督管理[22]。政府部門要加快培養理論過硬、實踐能力強的區塊鏈技術監管人才，能在未來根據區塊鏈的發展趨勢制定先行監管政策，同時對涉及技術性的監管問題，政府可以考慮以外包第三方技術企業的形式提高監管效率[23]。

4 前景與展望

李慧等學者預測區塊鏈技術的未來研究趨勢將主要有如下幾個方面：一是在區塊鏈編程語言設計方面，新的安全智能合約語言將會是新的研究重點。二是在密碼學實用化方案方面，如何基于密碼學技術，提出實用化的實踐方案，減少開銷。三是在如何優化區塊鏈性能方面，包括：高性能區塊鏈架構設計、應用導向的高效共識協議及優化、可并行的交易處理引擎、網絡通信加速技術等。四是在分布式存儲方面，如何保證分布式存儲數據的一致、完整、可信，并且如何與現有區塊鏈架構相結合[24]。歷史已經向人類充分證明，科技是時代革新、社會發展的重要力量，每一次科技進步都將深刻影響人們的社會生活。毋庸置疑，區塊鏈技術也將如此，區塊鏈作為一種顛覆性的創新革命技術，在未來隨著技術手段更加成熟，可應用的空間也無限廣闊。