區(qū)塊鏈在數(shù)據(jù)流通中的應(yīng)用

閆樹(shù)，卿蘇德，魏凱

中國(guó)信息通信研究院，北京 100191

1 引言

數(shù)據(jù)流通是指在數(shù)據(jù)提供方和數(shù)據(jù)需求方之間按照一定流通規(guī)則進(jìn)行的以數(shù)據(jù)為對(duì)象的行為。這種情況下，數(shù)據(jù)脫離了原有使用場(chǎng)景，變更了使用目的。隨著數(shù)據(jù)的資源價(jià)值逐漸得到認(rèn)可以及大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)日益完整，我國(guó)數(shù)據(jù)流通的需求也日益迫切。無(wú)論是共享還是交易，數(shù)據(jù)流通都使數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)產(chǎn)生端轉(zhuǎn)移至數(shù)據(jù)應(yīng)用端，優(yōu)化了資源配置，正在成為釋放數(shù)據(jù)價(jià)值的重要環(huán)節(jié)[1,2]。

根據(jù)數(shù)據(jù)使用的不同需求，流通的數(shù)據(jù)通常包括原始數(shù)據(jù)和加工處理后的衍生數(shù)據(jù)，涉及數(shù)據(jù)應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）、數(shù)據(jù)報(bào)告、原始數(shù)據(jù)分組、技術(shù)算法、數(shù)據(jù)應(yīng)用等不同類型的數(shù)據(jù)資源商品。結(jié)合不同的數(shù)據(jù)使用需求，數(shù)據(jù)流通服務(wù)提供者通常采用不同的流通模式，如僅為提供方和需求方建立數(shù)據(jù)流通或服務(wù)關(guān)系的“中介型”服務(wù)；自主采集數(shù)據(jù)并對(duì)外銷售的“采產(chǎn)銷”型服務(wù)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工處理，產(chǎn)生有價(jià)值的衍生數(shù)據(jù)或應(yīng)用，并對(duì)外提供的“加工服務(wù)型”服務(wù)。在這些流通模式下數(shù)據(jù)提供方和數(shù)據(jù)需求方通常不是同一實(shí)體[3]①http://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1289.TP.20171110.1508.004.html。

然而，我國(guó)數(shù)據(jù)流通，特別是交易產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)流通，仍然面臨著嚴(yán)重的問(wèn)題，如數(shù)據(jù)隱私保護(hù)問(wèn)題極其突出、數(shù)據(jù)權(quán)屬問(wèn)題需要得到準(zhǔn)確界定、數(shù)據(jù)流通各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一共識(shí)、非法數(shù)據(jù)交易猖獗等。此外，隨著《中華人民共和國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全法》的正式實(shí)施，販賣非法數(shù)據(jù)正式入刑。在配套法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)不盡完善的情況下，許多企業(yè)為了規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，紛紛暫緩或縮小了數(shù)據(jù)流通產(chǎn)業(yè)規(guī)模。數(shù)據(jù)流通產(chǎn)業(yè)面臨近年來(lái)最大的挑戰(zhàn)，亟須通過(guò)新的技術(shù)應(yīng)用提供新的保障。

近年來(lái)興起的區(qū)塊鏈技術(shù)，從技術(shù)角度對(duì)上述問(wèn)題提供了一種解決思路。本文主要介紹區(qū)塊鏈技術(shù)解決數(shù)據(jù)流通痛點(diǎn)中的幾個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景，并梳理利用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通的整體架構(gòu)。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N基于密碼學(xué)原理構(gòu)建的分布式共享數(shù)據(jù)庫(kù)，其本質(zhì)是通過(guò)去中心化和去信任的方式集體維護(hù)一個(gè)可靠數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)方案。該技術(shù)方案允許系統(tǒng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都備份當(dāng)前區(qū)塊鏈的一個(gè)完整副本，每隔一段時(shí)間，系統(tǒng)選出這段時(shí)間記賬最快最好的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)利用密碼學(xué)技術(shù)計(jì)算和驗(yàn)證，將這段時(shí)間內(nèi)的所有有效交易信息和當(dāng)前區(qū)塊鏈的“數(shù)字簽名”記錄到一個(gè)新區(qū)塊上，并將新區(qū)塊鏈接至當(dāng)前區(qū)塊鏈副本的末尾，形成新的區(qū)塊鏈副本。區(qū)塊鏈的任何變動(dòng)都會(huì)依托整個(gè)系統(tǒng)的消息廣播，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)區(qū)塊鏈副本的更新。如上所述，區(qū)塊鏈技術(shù)具備分布式對(duì)等、去信任、集體維護(hù)和無(wú)法篡改四大特點(diǎn)，因而與數(shù)據(jù)流通場(chǎng)景有著天然的契合度。

廣義來(lái)講，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式。其利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問(wèn)安全、利用由自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約編程和操作數(shù)據(jù)。狹義來(lái)講，區(qū)塊鏈?zhǔn)前凑諘r(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊依次連接形成的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是以密碼學(xué)方法保證數(shù)據(jù)塊的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。自區(qū)塊鏈發(fā)展以來(lái)，全球金融體系率先對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行各種試驗(yàn)與糾正。如今，區(qū)塊鏈的發(fā)展已經(jīng)可以通過(guò)分布式賬本、不可篡改等特性，結(jié)合智能合約等技術(shù)，解決實(shí)際的復(fù)雜業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

區(qū)塊鏈平臺(tái)整體上可劃分為網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、數(shù)據(jù)層、智能合約層和應(yīng)用層5個(gè)層次。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不可篡改性，區(qū)塊鏈引入了以區(qū)塊為單位的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。不同區(qū)塊鏈平臺(tái)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)雖有差異，但整體上基本相同。以比特幣為例，每個(gè)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成，區(qū)塊體中存放了自前一區(qū)塊之后發(fā)生的多筆交易；區(qū)塊頭中存放了前塊散列（preblockHash）、隨機(jī)數(shù)（nonce）、Merkle根（Merkle root）等。區(qū)塊鏈基于兩種散列結(jié)構(gòu)保障了數(shù)據(jù)的不可篡改性，即 Merkle 樹(shù)和區(qū)塊鏈表。圖1描述了比特幣的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[4]②http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1826.TP.20171115.2302.006.html。

3 利用區(qū)塊鏈解決數(shù)據(jù)流通中的關(guān)鍵問(wèn)題

通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)，可以在授權(quán)存在、數(shù)據(jù)溯源等數(shù)據(jù)流通的關(guān)鍵問(wèn)題上進(jìn)行改善，同時(shí)實(shí)現(xiàn)智能合約等新交易手段。

3.1 利用區(qū)塊鏈改造授權(quán)存證環(huán)節(jié)

長(zhǎng)期以來(lái)，由于數(shù)據(jù)流通方、加工方、使用方的分離，數(shù)據(jù)二次交易沒(méi)有手段稽核及管控，無(wú)法實(shí)時(shí)校驗(yàn)授權(quán)真實(shí)性，數(shù)據(jù)交易授權(quán)在技術(shù)層面并沒(méi)有過(guò)多進(jìn)展，往往采用如圖2所示的傳統(tǒng)模式。在這種模式下，用戶通過(guò)數(shù)據(jù)提供方或數(shù)據(jù)交易機(jī)構(gòu)等中介機(jī)構(gòu)進(jìn)行一對(duì)一、單獨(dú)的授權(quán)。

在傳統(tǒng)模式下，授權(quán)存證可以被任意篡改，不具備公信力。由于需要相應(yīng)責(zé)任認(rèn)定條款，每個(gè)應(yīng)用和數(shù)據(jù)源公司都需要單獨(dú)簽署協(xié)議。此外，查詢授權(quán)記錄需要單獨(dú)開(kāi)發(fā)接口，而這一點(diǎn)往往被忽略。由于授權(quán)和業(yè)務(wù)流程綁定，用戶加入和退出都較為困難。

圖1 比特幣的兩種散列結(jié)構(gòu)

圖2 據(jù)交易用戶授權(quán)存證的傳統(tǒng)模式

區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展使得這一領(lǐng)域產(chǎn)生了新的突破。在區(qū)塊鏈模式下，完整的授權(quán)鑒權(quán)流程如圖3所示。用戶簽署電子協(xié)議，授權(quán)給數(shù)據(jù)提供方相應(yīng)權(quán)限。數(shù)據(jù)提供方首先通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)本地存儲(chǔ)憑證，進(jìn)而將授權(quán)信息上傳至授權(quán)信息鏈。應(yīng)用系統(tǒng)執(zhí)行鏈上代碼，發(fā)起鏈上查詢，并記錄授權(quán)信息到區(qū)塊。當(dāng)數(shù)據(jù)需求方提交數(shù)據(jù)需求時(shí)，在鏈上發(fā)起鑒權(quán)交易，確認(rèn)用戶是否授權(quán)。接下來(lái)，鏈上驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)返回授權(quán)信息，如確已授權(quán)，則返回相應(yīng)數(shù)據(jù)。

區(qū)塊鏈模式避免了傳統(tǒng)模式的缺陷。任何節(jié)點(diǎn)可以記錄授權(quán)信息，且不可更改。多方可以實(shí)時(shí)共享授權(quán)記錄，查詢效率較高。此外，授權(quán)與業(yè)務(wù)解耦，可隨時(shí)加入和退出。

以中興通訊股份有限公司為例，其基于區(qū)塊鏈推出電子證照共享交換平臺(tái)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的平權(quán)、共建的特點(diǎn)，依據(jù)共建共享的原則實(shí)現(xiàn)全面數(shù)據(jù)歸集；通過(guò)區(qū)塊鏈發(fā)布可信任的證照信息，實(shí)現(xiàn)原始發(fā)布部門數(shù)字簽名的不可篡改和數(shù)據(jù)可信；基于區(qū)塊鏈技術(shù)的非對(duì)稱加密特點(diǎn)，對(duì)每條信息進(jìn)行單獨(dú)加密（每條公民的信息有單獨(dú)的解密私鑰），防止信息泄露，加速推行“互聯(lián)網(wǎng)+政務(wù)服務(wù)”，打造政務(wù)服務(wù)“一張網(wǎng)”，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)電子證照在市級(jí)范圍內(nèi)跨區(qū)域的信息歸集、快速檢索和結(jié)果應(yīng)用，未來(lái)拓展到全省的電子證照共享交換平臺(tái)，打造可信的省市級(jí)政府政務(wù)信息共享開(kāi)放平臺(tái)，保障政府各職能部門之間的數(shù)據(jù)共享開(kāi)放安全。

圖3 數(shù)據(jù)交易用戶授權(quán)存證的區(qū)塊鏈模式

3.2 利用區(qū)塊鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)溯源

區(qū)塊鏈技術(shù)的開(kāi)放性、自治性、去中心化的特點(diǎn)非常適合數(shù)據(jù)交易（流通）溯源。目前，很多專家持有這樣一種觀點(diǎn)：數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈=數(shù)據(jù)資產(chǎn)。區(qū)塊鏈的價(jià)值就體現(xiàn)在對(duì)數(shù)據(jù)構(gòu)造出了某種程度的“唯一性”。將帶有唯一標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)附于區(qū)塊鏈上進(jìn)行交易，很自然地解決了數(shù)據(jù)難以溯源的問(wèn)題。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)參與計(jì)算的節(jié)點(diǎn)共同參與數(shù)據(jù)計(jì)算和記錄，并且互相驗(yàn)證其信息有效性，既可進(jìn)行信息防偽，又提供了可追溯路徑。通過(guò)信息上鏈，各個(gè)區(qū)塊的交易信息即構(gòu)成完整的交易明細(xì)清單，不可篡改地記錄了每筆交易的來(lái)龍去脈。當(dāng)用戶對(duì)某個(gè)區(qū)塊的值有疑問(wèn)時(shí)，可以準(zhǔn)確方便地回溯交易記錄，進(jìn)而對(duì)歷史交易記錄進(jìn)行判別[5]。

當(dāng)前，基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈管控與溯源技術(shù)正在取得快速進(jìn)展。例如，可以結(jié)合區(qū)塊鏈、比特幣相關(guān)技術(shù)和多重簽名技術(shù)設(shè)計(jì)供應(yīng)鏈管控和溯源方案。將供應(yīng)鏈內(nèi)部實(shí)體分為“人物實(shí)體”“產(chǎn)品實(shí)體”和“權(quán)限實(shí)體”，將分層錢包技術(shù)用于實(shí)體密鑰的分配。構(gòu)建基于分層錢包技術(shù)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)編碼體系，確立基于區(qū)塊鏈交易的去中心化權(quán)限管控機(jī)制和物權(quán)轉(zhuǎn)移信息記錄與驗(yàn)證機(jī)制，從而提出利用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈管控與溯源的新思路。

例如，食品安全一直是困擾人們的一大難題。以糧食為例，真正的五常大米年產(chǎn)不過(guò)100多萬(wàn)噸，而市場(chǎng)上銷售五常大米的數(shù)量卻超過(guò)1 500萬(wàn)噸，老百姓很難吃到真正的五常大米。2017年4月，智鏈(ChainNova)公司攜手我國(guó)北方著名農(nóng)場(chǎng)，運(yùn)用基于Hyperledger Fabric 1.0的區(qū)塊鏈技術(shù)和公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（public key infrastructure，PKI）體系認(rèn)證用戶身份，打造了農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈應(yīng)用。此應(yīng)用對(duì)提交請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)字簽名并上傳至區(qū)塊鏈上，從而保證數(shù)據(jù)真實(shí)不可篡改。同時(shí)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)打通鏈上鏈下的全流程數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)了1 296萬(wàn)畝黑土地大米的追蹤溯源與品質(zhì)保障，將真正放心的高品質(zhì)大米送到老百姓手中。

3.3 基于智能合約實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交易

智能合約由計(jì)算機(jī)科學(xué)家、加密大師尼克·薩博于1994年首次提出，是一個(gè)能夠自動(dòng)執(zhí)行合約條款的計(jì)算機(jī)程序，即一個(gè)預(yù)先編好的程序代碼，其對(duì)從外部獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行識(shí)別并判斷。當(dāng)滿足程序設(shè)定的條件時(shí)，隨即觸發(fā)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的合約條款，以此完成交易和智能資產(chǎn)的轉(zhuǎn)移。然而，此概念提出后，因缺乏相應(yīng)平臺(tái)執(zhí)行合約而處于被埋沒(méi)的狀態(tài)。

區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)使智能合約重新被關(guān)注和研究。區(qū)塊鏈技術(shù)中的分布式賬本結(jié)構(gòu)貫穿了業(yè)務(wù)層（如資產(chǎn)）、應(yīng)用層（如智能合約）、中間件層（如分布式交易共識(shí)）和底層技術(shù)層（底層網(wǎng)絡(luò)）。智能合約能夠在應(yīng)用層上進(jìn)行存儲(chǔ)、驗(yàn)證和執(zhí)行，因此智能合約成為區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的重要特征。

以數(shù)據(jù)交易為例，賦予資產(chǎn)一些代碼并在區(qū)塊鏈上運(yùn)行，使其成為全網(wǎng)共享資源，再通過(guò)外部數(shù)據(jù)觸發(fā)智能合約執(zhí)行，以決定網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)資產(chǎn)的流通、分配或轉(zhuǎn)移。智能合約的標(biāo)的物并不限于數(shù)據(jù)，可以是汽車、房子等物質(zhì)產(chǎn)權(quán)，也可以是股權(quán)、票據(jù)、數(shù)字貨幣等非物質(zhì)產(chǎn)權(quán)。

智能合約不僅由代碼定義，還由代碼強(qiáng)制執(zhí)行，因此智能合約完全自動(dòng)且無(wú)法干預(yù)，合約雙方無(wú)需彼此信任。這恰恰符合數(shù)據(jù)交易的需要。數(shù)據(jù)交易機(jī)構(gòu)可以通過(guò)建立規(guī)則，并用代碼表述形式代替合同，實(shí)現(xiàn)鏈上支付功能，提高自動(dòng)化交易水平。

4 利用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通的整體架構(gòu)

利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通，可以從網(wǎng)絡(luò)交換層、共識(shí)機(jī)制層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、智能合約層和數(shù)據(jù)流通層5個(gè)層次進(jìn)行梳理。這5個(gè)層次如圖4所示。

在網(wǎng)絡(luò)交換層，根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》，非許可鏈（又稱公有鏈）的技術(shù)架構(gòu)在物理訪問(wèn)控制、網(wǎng)絡(luò)安全保障、服務(wù)性能要求、系統(tǒng)可靠運(yùn)行等方面并不適應(yīng)國(guó)家的相關(guān)規(guī)定，因此，非許可鏈的架構(gòu)并不適應(yīng)信息系統(tǒng)的等級(jí)保護(hù)規(guī)定，只能采用許可鏈（又稱聯(lián)盟鏈或私有鏈）的方式進(jìn)行部署，需要通過(guò)專線接入、構(gòu)建虛擬私有網(wǎng)（virtual private network，VPN）等方式保證通信的安全可靠。在身份認(rèn)證方面，使用行業(yè)類或者區(qū)域類的電子商務(wù)認(rèn)證授權(quán)機(jī)構(gòu)（CA認(rèn)證）進(jìn)行身份鑒權(quán)和接入控制，例如，做金融大數(shù)據(jù)交易的企業(yè)在進(jìn)行接入時(shí)，需要通過(guò)中國(guó)人民銀行下屬的中國(guó)金融認(rèn)證中心（China Financial Certification Authority，CFCA）的認(rèn)證；在上海做大數(shù)據(jù)交易的機(jī)構(gòu)進(jìn)行接入時(shí)，需要通過(guò)上海市政府授權(quán)建立的上海市數(shù)字證書認(rèn)證中心有限公司（SHECA）的認(rèn)證等。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是一種對(duì)等網(wǎng)絡(luò)（peer-to-peer），系統(tǒng)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效、退出和加入，甚至是惡意節(jié)點(diǎn)的存在，都不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

圖4 區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通的5個(gè)層次

在共識(shí)機(jī)制層，區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制可以按照共識(shí)過(guò)程分為兩類：第一類是概率一致的共識(shí)，工程學(xué)上最終確認(rèn)，如工作量證明（proof of work，POW）機(jī)制、權(quán)益證明（proof of stake，POS）機(jī)制等；第二類是絕對(duì)一致之后再共識(shí)，共識(shí)即確認(rèn)，如拜占庭容錯(cuò)（BFT）以及基于相關(guān)算法的變種（實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（PBFT）算法等）。如前所述，在許可鏈的范疇中，盡可能采用絕對(duì)一致的共識(shí)算法。兩類共識(shí)算法的比較見(jiàn)表1。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，每筆數(shù)據(jù)交易都要持續(xù)跟蹤，采用不同于普通商業(yè)銀行的復(fù)式記賬法模型——基于交易的模型，即針對(duì)未花費(fèi)交易輸出（unspent transaction output，UTXO）模型，更適合數(shù)據(jù)交易的管控和溯源。并且，通過(guò)塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)環(huán)環(huán)相扣的歷史交易信息，通過(guò)非對(duì)稱密碼學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)公私鑰的加解密，有助于數(shù)據(jù)交易之前的數(shù)據(jù)確權(quán)和數(shù)據(jù)上鏈等操作。

在智能合約層，依靠智能合約在隔離沙箱中的獨(dú)立執(zhí)行和相互校對(duì)能力，可以通過(guò)代碼編寫精確表達(dá)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分級(jí)分類管理的權(quán)限控制，有助于實(shí)現(xiàn)多個(gè)政府委辦局之間的層級(jí)映射，也有助于跨層級(jí)、跨部門、跨區(qū)域、跨平臺(tái)、跨行業(yè)的多機(jī)構(gòu)協(xié)作聯(lián)動(dòng)。在隱私保護(hù)方面，主要依托智能合約獨(dú)立運(yùn)行的沙箱環(huán)境，除了數(shù)據(jù)授權(quán)方和利益相關(guān)方，無(wú)人能夠接觸到相關(guān)數(shù)據(jù)，并且嚴(yán)格按照智能合約設(shè)置的數(shù)據(jù)查看權(quán)限進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)，這從一定程度上保證了數(shù)據(jù)的隱私性。更多的隱私保護(hù)技術(shù)在后文會(huì)有更詳細(xì)的描述。通過(guò)智能合約的自動(dòng)執(zhí)行衍生出數(shù)據(jù)的自動(dòng)交易，有助于解決數(shù)據(jù)定價(jià)難、精準(zhǔn)計(jì)費(fèi)難、交易撮合難等諸多問(wèn)題。

在數(shù)據(jù)流通層，依托網(wǎng)絡(luò)交換層、共識(shí)機(jī)制層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、智能合約層等相關(guān)機(jī)制，數(shù)據(jù)提供方相較于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)流通平臺(tái)，更容易對(duì)自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后傳輸，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的確權(quán)管理。數(shù)據(jù)流通平臺(tái)面對(duì)加密后的數(shù)據(jù)，更容易自證清白，避免流通數(shù)據(jù)的泛濫復(fù)制。依托區(qū)塊鏈系統(tǒng)的溯源功能，數(shù)據(jù)所有方可以跟蹤數(shù)據(jù)的流通現(xiàn)狀，并且數(shù)據(jù)的每次使用都需要數(shù)據(jù)所有方的授權(quán)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提供方對(duì)擁有數(shù)據(jù)的自主管控，數(shù)據(jù)需求方可以追溯數(shù)據(jù)的源頭，確保數(shù)據(jù)分析的真實(shí)性，提升數(shù)據(jù)分析的精準(zhǔn)性和有效性。

值得指出的是，為增強(qiáng)數(shù)據(jù)流通的可靠性和安全性，區(qū)塊鏈在研發(fā)設(shè)計(jì)中可以更加關(guān)注以下幾點(diǎn)：一是選擇正確的共識(shí)算法，依據(jù)數(shù)據(jù)流通對(duì)時(shí)效性的要求，綜合考慮共識(shí)算法；二是選擇合規(guī)的個(gè)人信息保護(hù)算法，發(fā)揮區(qū)塊鏈的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)格進(jìn)行個(gè)人信息保護(hù)；三是選擇適合的區(qū)塊鏈部署模式，依據(jù)數(shù)據(jù)流通的特點(diǎn)和安全性要求，以許可鏈為主，確定較為適宜的區(qū)塊鏈部署模式；四是可以將加密算法與數(shù)據(jù)的分級(jí)分類機(jī)制有機(jī)結(jié)合，對(duì)不同級(jí)別、不同敏感度的數(shù)據(jù)采用不同成本的加密算法，從而整體提升數(shù)據(jù)流通效率。

表1 共識(shí)算法對(duì)比

5 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)流通應(yīng)用實(shí)例

區(qū)塊鏈在電子病歷數(shù)據(jù)流通共享等醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。在美國(guó)，由國(guó)家衛(wèi)生信息技術(shù)協(xié)調(diào)辦公室（Office of the National Coordinator for Health Information Technology）主導(dǎo)的電子病歷（electronic medical record，EMR）共享已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段，在此進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹[6,7]③h t t p://w w w.truevaluemetrics.o r g/D B p d f s/T e c h n o l o g y/Blockchain/11-74-ablockchain forhealthcare.pdf。

EMR共享區(qū)塊鏈模型具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。每個(gè)區(qū)塊記錄患者的唯一身份識(shí)別信息、經(jīng)過(guò)加密的病歷以及病歷的時(shí)間戳。為改善數(shù)據(jù)通達(dá)效率，區(qū)塊中還以標(biāo)簽形式記錄了數(shù)據(jù)格式等元數(shù)據(jù)內(nèi)容。所有醫(yī)療數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)于被稱作數(shù)據(jù)湖（data lake）的數(shù)據(jù)庫(kù)中，其可存儲(chǔ)各種不同類型的數(shù)據(jù)（包括圖像、文檔等），這種存儲(chǔ)是加密并結(jié)合數(shù)字簽名技術(shù)的。數(shù)據(jù)湖中的數(shù)據(jù)在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)具有極高的價(jià)值。

當(dāng)醫(yī)療機(jī)構(gòu)開(kāi)出EMR時(shí)，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)數(shù)字簽名來(lái)驗(yàn)證開(kāi)出機(jī)構(gòu)的資格，隨后數(shù)據(jù)被加密傳輸至數(shù)據(jù)湖。同時(shí)，在EMR共享區(qū)塊鏈上，由數(shù)據(jù)湖生成一個(gè)包含患者唯一身份識(shí)別信息的記錄，并告知患者本人。其過(guò)程如圖5所示。

圖5 EMR共享區(qū)塊鏈及數(shù)據(jù)湖信息示意

上傳后的數(shù)據(jù)在訪問(wèn)控制方面非常嚴(yán)格。用戶可以決定誰(shuí)能訪問(wèn)和修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且可查閱到信息在何時(shí)被何人訪問(wèn)。

來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院的一些研究者還提出了利用區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化地處理EMR信息的全新系統(tǒng)，并命名為MedRec。數(shù)據(jù)研究者和公共衛(wèi)生機(jī)構(gòu)等利益相關(guān)者作為“挖礦者”參與網(wǎng)絡(luò)，并獲取經(jīng)過(guò)脫敏、用于科研的相關(guān)衛(wèi)生數(shù)據(jù)。這種“挖礦”過(guò)程可認(rèn)為是一種POW機(jī)制，也可以看作“比特幣”機(jī)制在數(shù)據(jù)流通中的應(yīng)用嘗試。

事實(shí)上，由于歐盟《一般數(shù)據(jù)保護(hù)條例（European General Data Protection Regulation，GDPR）》的公布，數(shù)據(jù)保護(hù)的要求越來(lái)越高，導(dǎo)致更多的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開(kāi)始探索利用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通，區(qū)塊鏈與云計(jì)算和安全審計(jì)等技術(shù)的結(jié)合受到廣泛關(guān)注。

6 其他數(shù)據(jù)安全解決方案

區(qū)塊鏈作為一種共享賬本技術(shù)，要做到數(shù)據(jù)隔離，還需要與其他數(shù)據(jù)安全技術(shù)組合使用，如零知識(shí)證明（zero-knowledge proof）、安全多方計(jì)算（secure multiparty computation，SMC）等。

6.1 零知識(shí)證明

零知識(shí)證明是由Goldwasser等人在20世紀(jì)80年代初提出的。它指的是證明者能夠在不向驗(yàn)證者提供任何有用信息的情況下，使驗(yàn)證者相信某個(gè)論斷是正確的。

證明方和驗(yàn)證方擁有相同的某一個(gè)函數(shù)或一系列的數(shù)值。零知識(shí)證明的一般過(guò)程如下：

● 證明方向驗(yàn)證方發(fā)送滿足一定條件的隨機(jī)值，這個(gè)隨機(jī)值稱為“承諾”；

● 驗(yàn)證方向證明方發(fā)送滿足一定條件的隨機(jī)值，這個(gè)隨機(jī)值稱為“挑戰(zhàn)”；

● 證明方執(zhí)行一個(gè)秘密的計(jì)算，并將結(jié)果發(fā)送給驗(yàn)證方，這個(gè)結(jié)果稱為“響應(yīng)”；

● 驗(yàn)證方對(duì)“響應(yīng)”進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證失敗，則表明證明方不具有其所謂的“知識(shí)”，并退出此過(guò)程。否則，繼續(xù)從第一步開(kāi)始，重復(fù)執(zhí)行此過(guò)程t次。

如果每一次驗(yàn)證方均驗(yàn)證成功，則驗(yàn)證方相信證明方擁有某種知識(shí)。而且此過(guò)程中，驗(yàn)證方?jīng)]有得到關(guān)于這個(gè)知識(shí)的一點(diǎn)信息，成功地保護(hù)了證明方的隱私。

6.2 安全多方計(jì)算

安全多方計(jì)算用于解決一組互不信任的參與方之間保護(hù)隱私的協(xié)同計(jì)算問(wèn)題，安全多方計(jì)算要確保輸入的獨(dú)立性、計(jì)算的正確性，同時(shí)不泄露輸入值給參與方。通常，一個(gè)安全多方計(jì)算問(wèn)題是指在一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算基于任何輸入的任何概率函數(shù)，每個(gè)輸入方在這個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)上都擁有一個(gè)輸入，這個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)要確保輸入的獨(dú)立性、計(jì)算的正確性，而且除了各自的輸入外，不透露任何可用于推導(dǎo)其他輸入和輸出的信息[8]。

可以將安全多方計(jì)算簡(jiǎn)單地概括成如下數(shù)學(xué)模型：在一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)中，有n個(gè)互不信任的參與者P1,P2,…,Pn，每個(gè)參與者Pi秘密輸入xi，他們需要共同執(zhí)行函數(shù)F:(x1,x2,…,xn)→(y1,y2,…,yn)，其中yi為Pi得到的相應(yīng)輸出。在函數(shù)F的計(jì)算過(guò)程中，要求任意參與者Pi（除yi外）均不能夠得到其他參與者Pi(j≠i)的任何輸入信息。

一般化的安全多方計(jì)算協(xié)議，由于其計(jì)算任務(wù)的無(wú)關(guān)性（可以計(jì)算任意的功能函數(shù)），不需要再考慮特定的安全屬性及外部運(yùn)行環(huán)境，所以對(duì)現(xiàn)階段復(fù)雜應(yīng)用的安全保障具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

7 結(jié)束語(yǔ)

區(qū)塊鏈通過(guò)建立一組公共賬本，由網(wǎng)絡(luò)中所有用戶共同記錄，保證信息的真實(shí)性與不可篡改性。這些特性使得區(qū)塊鏈有望成為破解數(shù)據(jù)流通難題的有效工具。然而，區(qū)塊鏈的性能瓶頸和延遲性問(wèn)題也愈發(fā)明顯。除了技術(shù)方面的問(wèn)題，其搭建成本以及與現(xiàn)有系統(tǒng)的融合性都成為制約其未來(lái)發(fā)展的因素。未來(lái)區(qū)塊鏈能否在數(shù)據(jù)流通中發(fā)揮更大的作用，還取決于很多因素。

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