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区块链应用若干问题研究

薛腾飞  
【摘要】:近几年,随着比特币的发展和普及,区块链技术的应用与研究呈现出爆发式的增长,得到了各国政府、科技公司、研究机构的广泛关注。最初,区块链技术仅仅只是数字货币交易体系的核心支撑,然而今日,区块链技术已经扩展到金融、贸易、征信、物联网、溯源防伪、娱乐及医疗健康等多个领域,并得到初步应用。由于区块链具有去中心化、可靠数据库、去信任、交易匿名性、集体维护、开源可编程等技术特点,因此可以对存储在区块中的数据实现安全透明的追踪,并能有效保证各参与节点存储数据的准确性与一致性。同时,区块链应用在发展的过程中也遇到了各种各样的问题和挑战。一方面区块链应用存在系统吞吐量低、共识效率低、区块容量小、能源消耗大、数据可用性差等多个问题;另一方面,在与传统行业相结合时存在很多挑战,例如,如何通过区块链技术的多个特性来解决医疗数据共享场景中的问题。本文从上述两个方面出发,首先针对区块链典型应用——比特币中存在的挖矿效率低和能源消耗高的问题,设计了基于贡献量证明的共识机制。其次,为提高区块链应用的数据可用性,同样以比特币为例,本文对比特币交易数据进行分析处理,提出一个比特币用户参与度评估模型。最后,针对医疗领域中存在的医疗数据难以安全、可靠共享的问题,基于区块链技术设计了相应的共识算法以及数据加密共享方案。本文针对区块链应用中的若干问题进行深入研究,主要工作成果如下:第一,提出一个在比特币网络中基于Heuristic规则的用户参与度评估模型。区块链中存在的可用性问题包括两方面,一方面是指开发者难以基于区块链中的数据构建第三方服务;另一方面,区块链应用缺少方便用户分析数据和使用数据的模型及工具。针对以上问题,为增强典型应用比特币中数据的可用性,本文提出用户参与度评估模型。模型通过定义交易金额稳定性和交易数量稳定性等指标,从多个维度评估节点价值,通过改进的LeaderRank节点排序算法度量基于地址交易网络中各节点的参与度。最终,基于Heuristic规则计算出地址与用户实体的映射关系,完成基于用户交易网络的参与度评估。同时,本文分析了用户参与度排序节点的重要性和准确性,并通过对比比特币知名地址列表进一步验证算法的可靠性。用户的参与度得分体现了参与用户对系统的满意程度,对于去中心化的区块链应用这将直接影响该系统的价值与安全性。模型计算的用户参与度得分,可为第三方服务和用户分析数据提供辅助工具和评价依据。第二,提出一个基于贡献量证明的共识算法。以工作量证明为共识机制的区块链应用普遍存在能源浪费的问题,因为工作量证明中需要每个参与共识的节点耗费大量的算力完成哈希计算,以寻找小于给定目标的哈希值。在这类共识算法中,参与共识的节点越多共识越有价值,能源消耗问题随之越严重,同时每个参与节点的挖矿效率会越低,且容易促使各参与节点展开“算力军备竞赛”,从而耗费更多的电力资源和硬件设备。本文首次引入贡献量的概念,提出一个基于“权益证明”和基于工作量证明的混合共识算法。该算法对已成功发布区块的矿工进行虚拟算力奖励,通过调节奖励系数r平衡共识中所需的虚拟算力与实际算力的占比,从而有效地提高诚实矿工的挖矿效率,减少共识带来的能源消耗。本文分析了不同奖励系数下贡献量证明对挖矿难度系数的影响,同时对比工作量证明算法,从安全的角度对引入的贡献量指标做出评估。本文设计了两个仿真实验,对比分析了随着参与节点的增多,在基于工作量证明与基于贡献量证明的区块链中挖矿难度的变化以及挖矿效率的变化。实验证明,贡献量证明可以有效提高矿工的挖矿效率,减少能源损耗。第三,提出一个基于区块链的医疗数据共享模型,用于解决医疗场景中数据共享面临的问题。目前,医疗行业的信息化已基本完成,但在医疗健康数据的存储、安全共享等方面仍面临很多挑战,包括信息孤岛、数据所属权不明确、数据易被篡改、记录遗漏、泄露个人隐私、数据灰色交易等等。本文综述了针对医疗数据共享问题,传统的解决方案以及基于区块链技术解决方案的研究现状。同时通过对前沿的创新算法和医疗行业现状的综合考虑,提出一个基于区块链的医疗数据共享模型。模型通过改进的DPoS完成数据准确性和一致性的共识,在代表节点之间使用密码学抽签算法增加生成区块的随机性,提高攻击者发起攻击的成本。本文根据医疗数据的特点,设计了两个适用于不同场景的代理重加密方案,有效的实现了用户对数据解密权限的安全共享。其中基于哈希算法的代理重加密方案可以适用于大多数场景,算法以智能合约作为第三方代理提供重加密服务,方便用户实现离线的低成本的数据共享。此外,本文从安全性的角度评估了模型中的共识算法和加密方案可能存在的风险,并对比已有的解决方案和模型分析了本方案的优点及特性。本文针对区块链应用的能源消耗、挖矿效率、数据可用性等相关问题展开研究,并设计了相应的模型和算法以及仿真实验。此外,针对医疗应用场景下的实际问题,本文设计基于区块链的解决方案。各模型方案均取得较好成果。


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