浅析区块链技术综述
FJTCM区块链技术开发学习小组
时间：/03/27
目录
摘要............................................ 1
Abstract........................................ 2
引言............................................ 3
一、区块链的技术特点.............................. 4
1.1去中心化...................................................... 4
1.2透明性........................................................ 4
1.3自治性........................................................ 5
1.4信息不可改性.................................................. 5
1.5匿名性........................................................ 5
二、区块链的关键技术.............................. 6
2.1区块链加密技术及机制.......................................... 6
2.2区块链架构.................................................... 7
三、区块链在各领域的应用进展...................... 9
四、区块链应用面临的问题......................... 13
参考文献....................................... 14
摘要：
从以来，作为比特币底层技术的区块链技术，开始成为继物联网、云计算、大数据和人工智能之后，人们争相研究和应用的热点，并被Gartner列为未来十大技术发展趋势之一。区块链具有去中心化、共识机制、不可篡改、智能合约等特性，是一种全新的、去中心化架构的计算范式。我们将从该技术的技术特点、存在的问题及在医疗领域的发展应用三个大的方面来讨论区块链技术。
关键词：区块链 区块链应用 医疗
Abstract：
In this article, we explore the core functionalities of Block Chain applied to clinical trials and we illustrate concretely its general principle in the context of consent to a trial protocol. Trying to figure out the potential impact of Blockchain implementations in the setting of clinical trials will shed new light on how modern clinical trial methods could evolve and benefit from Blockchain technologies in order to tackle the aforementioned challenges.
引言
自以来，作为继工业革命和互联网之后，可能引发颠覆式产业创新的一种新技术——区块链（Block Chain，简称 BC）技术，在全球经济、金融、物联网以及各个学术领域引发了高度关注。由此 年被人们称为世界区块链元年。被称为是中国的区块链元年，是区块链从实验室走向应用的元年，区块链也从 1.0 时代迈入了 3.0 时代，则是区块链应用与研究高速发展和推进的一年。那么，究竟什么是区块链呢？简单地说，区块链就是一种去中心化的分布式账本数据库，具有去中心化、不可篡改、共识 算法、智能合约四大特点。其开放、自治、数据可追溯等特性，能解决金融、教育、电子政务、文件存储、追溯、防伪等很多领域的技术难点，已成为继物联网、大数据、人工智能之后，产、学、政、 资、研的新热点，并被 Gartner 列为十大技术发展趋势。 为全面、系统地了解区块链技术研究、应用及产业等方面的最新进展和发展趋势，本文在介绍区块链关键技术（原理）的基础上，梳理了近几年来区块链在医疗领域最新应用进展，分析了区块链应用面临的主要问题，展望了区块链未来的发展趋势和应用前景，为后续区块链的进一步研究和应用提供有益参考。
区块链的技术特点
区块链的概念早在20世纪90年代初就被区块链的发明者 ScottStornetta和StuartHaber所提出，，中本聪在其发表的学术论文《比特币：一种点对点的电子现金系统》中提出了基于区块链技术构建比特币系统的理论体系，并于次年将理论付诸于实践，创造了比特币系统的第一个区块——创世区块，并且开发了比特币客户端0.1版。自此，随着比特币价值的攀升和挖矿行为的热炒，区块链这一新词汇也被人们所熟知。 目前，关于区块链并没有统一的定义。不同的机构基于各自的视角给出的定义各不相同，不一而足，但共性的认识是区块链是基于多种计算机技术组合应用形成的分布式公共账本。这个分布式账本使用区块记录交易记录，区块间彼此链接，形成区块链。区块链本身并不是一种创新的技术，而是一种创新思想的体现。它利用众多已有的计算机网络技术和密码学算法构建了一种创造新型信任机制的基础架构，区块链这种基础架构具有许多重要的特性，主要包括：
1.去中心化
区块链的基本特征是去中心化，这意味着区块链不依赖中央处理节点来实现分布式记录，数据存储和更新。区块链技术是通过对密码学算法和计算机网络技术的创新应用，构建了一种去中心化的信任机制。去除对单一个体的信任，而是信任全网所有结点，通过全网结点对所有数据的分布式记录、存储来保证数据记录的真实性和不可抵赖性。由于不需要第三方中介或者权威机构背书，所以在去中心化的区块链网络中，单个节点的安全问题无法对整个区块链网络产生根本影响。
2.透明性
区块链对整个网络节点公开数据记录和更新操作，区块链技术作为分布式账本技术，其网络上运行的程序、规则、节点接入方式都是公开的，并且典型的区 块链网络也是对任意机器开放的，这是形成区块链网络机器信任的基础。网络中每个节点都能够下载存储全网发生的所有历史交易记录完整、一致的账本，参与新的交易的记录和确认，添加区块更新区块链账本，所有的数据记录及操作对于所有节 点都是透明的。要网络中的任一节点都可以通过查看整个账本来确认交易的真实性，从而保证了区块链中记录的交易数据可以被全网所有节点审查、追溯。
3.自治性
整个系统中的节点能对在去信任的环境中自由并且安全的交换数据，是因为区块链技术所使用的是协商一致的规范与协议，让对“人”的信任变成了对机器的信任，所有的人为操作都不能干预。
4.信息不可更改
区块链本质上是去中心化的分布式数据库，数据复制到整个网络的所有节点上，相当于每一个网络结点都拥有所有数据记录的副本，依靠多数节点间的共识来保持数据的一致性。因此只要节点数目足够多、分布足够分散，就没有一个人或组织能够控制和决定所有节点的行为。实现了全网结点对于账本数据的监督，极大地降低了交易欺诈的风险。一旦区块链系统中的信息验证通过后，添加到区块链中，它会被永久的存储并且不可更改。要想更改某一区块的数据记录，理论上必须控制51%以上的结点才能实现，而这实践中是非常难于实现或者所付出的代价远大于收益，而且这种控制将摧毁区块链所构建的信任体系，也会受到区块链运行原则的约束和所有参与者的密切监视和防范。因此可以说区块链区块中的信息是不可篡改的，从而保证了区块链数据记录的安全性与可靠性。
5.匿名性
区块链技术解决了节点之间的信任问题，所有数据的交换和交易都可在匿名的情况下完成。节点之间的数据交换遵循固定且预测的算法，故其数据交互是无须信任的，它可以基于地址而不是个人身份来完成，因此交易双方无须公开身份让对方信任。以比特币系统为例，比特币交易是基于加密地址的，只要知道双方的比特币地址就可以进行交易，而无需对交易双方的现实身份进行认证。甚至一个用户可以拥有数个比特币地址，每笔交易使用单独的一个比特币地址进行，从有效降低了利用比特币地址追踪关联现实身份的概率。
6.区块链技术特点图例
二、区块链的关键技术
区块链的加密技术及机制
区块链利用块链式数据结构来验证与存储数据，利用密码学的方式保证数据传输和访问安全，其理论是基于密码学的，主要涉及到哈希（Hash）算法和 Merkle 树。
哈希(Hash)算法
哈希（也称为散列）算法将任意长度的输入值变换为具有固定长度的二进制值。这个二进制值称 为哈希值（也称为散列值），可用于检验数据的完整性。著名的工作量证明算法（Proof of Work，PoW）、Merkle 树都是哈希算法的应用。区块链不保存原始数据，而是保存该数据的哈希值，Merkle 树中 的节点信息经两次 SHA256 哈希运算（输出长度为 256 位）得到。此外，区块链中常用的签名也 是由私钥和需要被签名的数据经哈希运算而成。
Merkle树
Merkle 树基于数据哈希构建，多用于验证和文件对比，特别是在分布式环境下，可大大减小数据的传输量和计算的复杂度。其数据结构是一棵树，一般为二叉树，也可以为多叉树；其叶子节点 是数据块（如文件或文件集合）的哈希值，非叶子节点则是其所有子节点的哈希值。 区块链中的每个区块都包含了记录于该区块的所有交易，Merkle 树对这些交易进行归纳表示，同时生成该交易集合的数字签名（图 1）。
图 1 Merkle 树中的交易哈希
时间戳
区块链采用时间戳技术来解决数字货币的“重复支付”问题。即系统给每一笔交易盖上正确的时间戳，以此证明在这个时刻这笔交易确实发生，交易中资金的所属权已经转移，之前的资金所有者不能再次使用这笔资金。另外，每一个区块也会盖上正确的时间戳，从而形成一个按时间顺序发展的正确链表。
时间戳为基于区块链的应用提供了一个时间维度，使得数据记录更容易核查、追溯，同时也提供了交易记录的存在 性证明，从而保证了数据的不可篡改和不可伪造性。时间戳技术本身并不复杂，所谓时间戳是指从格林威治时间1970 年01月01日00时00分00秒起至现在的总秒数，通常用一个字符序列表示，唯一地标识某一刻的时间。数字货币是区块链的典型应用，与传统货币是物理实体、具有客观唯一性不同，数字货币是虚拟的、不可见的。在不借助任何第三方中介或者权威机构的情况下能否解决双重支付问题是数字货币生死攸关的问题。所谓双重支付又称为“双花”，是指利用数字货币的虚拟属性用“同一笔钱”完成两次或者多次支付。区块链技术通过加盖数字时间戳、加上验证数字货币是否满足UTXO（未花费交易）和数字签名，有效解决了双重支付的问题。
共识机制
目前区块链的共识机制主要包括POW、POS、DPOS和BFT等（如图2），本文主要介绍工作量证明和权益证明两种共识机制。工作量证明是比特币系统所采用的共识机制。所谓工作指各个节点通过算力竞争寻找一个符合特定要求的区块哈希值，而相关区块哈希值难于计算却容易验证。如果某个结点找一个适合的哈希值并通过验证，那么就证明它确实经过了大量的计算，这就是工作量证明，通过工作量证明可以取得区块的记账权并获得相应的系统币值奖励和交易费用。工作量证明具有完全去中心化、结点可以自由进出的优点，但也存在算力资源浪费巨大、达成共识时间周期过长的缺陷。针对以上问题权益证明进行了改进，权益证明是一种要求节点通过提供拥有一定数量的代币证明来竞争区块链记账权的分布式共识机制。但如果单纯依靠代币数量来决定记账权的归属必然使富有者胜出，从而导致记账权的中心化、降低共识的公正性，因此不同的PoS机制在权益证明的基础上，采用不同方式来增加记账权的随机性来避免中心化。
图2 共识机制的类型
2.区块链的架构
区块链由一系列加盖了时间戳的有效交易区块组成。每个区块都包含了前一个区块的哈希值，是对前一个区块的增强，从创世区块开始逐个链接到当前区块，形成区块链。每一个区块都按照时间顺序在上一个区块之后产生，包含了当前一段时间内的所有交易信息和区块元数据，一旦被确认，几乎不能做修改操作（图 3）。
图 3 区块链及其结构
在区块链中，区块是指一种数据结构，由区块元数据和区块体两部分组成。其中，区块元数据记录的是区块的元数据信息，区块体记录的则是从上一区块产生到此区块创建之间所发生的所有交易。区块链的基本框架如图 4 所示。从下至上包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层共六层[5]；基础数据传输到数据层，在区块主体中组成数据列表，用区块主体中的 Merkle 树记 录，区块主体与存储 Merkle 根、父哈希、时间戳等数据的区块头共同形成区块，多个区块通过区块头的数据形成链式结构；网络中的节点收到上传数据后，通过 P2P 网络向全网广播，各节点自动对其验证。
图 4 区块链的基本框架
3.区块链关键技术图例
三、区块链在各领域的应用进展
1.加密货币
大多数加密货币使用区块链技术来记录交易。例如，比特币网络和以太坊网络都基于区块链。5月8日，Facebook证实，它正在建立一个新的区块链集团，该集团将由之前负责信使的大卫•马库斯（David Marcus）领导。据Verge称，Facebook计划推出自己的加密货币，以促进平台上的支付。
2.智能协议
基于区块链的智能协议是提议的协议，可以部分或完全执行或强制执行，而无需人工交互。智能协议的主要目标之一是自动托管。国际货币基金组织的一次工作人员讨论报告说，基于区块链技术的智能协议可能减少道德风险，并总体上优化协议的使用。但是“还没有出现可行的智能协议系统”，由于缺乏广泛的使用，它们的法律地位还不清楚。
3.金融业服务
金融业的主要部分正在实施分布式分类账，以用于银行业，根据9月IBM的一项研究，这一过程发生得比预期的要快。银行对这项技术感兴趣，因为它有可能加快后台结算系统的速度。瑞士联合银行（UBS）等银行正在开设区块链技术的新研究实验室，以探索如何将区块链用于金融服务以提高效率和降低成本。德国银行Berenberg认为，区块链是一种“过度炒作的技术”，它拥有大量的“概念证明”，但仍有重大挑战，成功案例很少。
4.区块链游戏
一些电子游戏基于区块链技术。2月发布了第一款此类游戏HunterCoin。【unreliable source】另一款区块链游戏是CryptoKitties，于11月发布。该游戏于12月成为头条新闻，当时一个CryptoKitty角色——游戏中的虚拟宠物——以10万美元的价格售出。【不相关引文】CryptoKitties展示了可扩展性Pro。当以太坊上的游戏在以太坊网络上造成严重拥塞时，它会发出哔哔声，大约30%的以太坊交易都是针对游戏的。Cryptokitties还演示了如何使用区块链对游戏资产（数字资产）进行编目。区块链游戏联盟成立于9月，旨在探索区块链在ubisoft和fig等支持下在视频游戏中的替代用途。
5.供应链
在供应链物流和供应链管理中，有许多努力和行业组织正在努力采用区块链。运输联盟（Bita）中的区块链致力于为供应链开发开放标准。Everledger是IBM基于区块链的跟踪服务的首批客户之一。沃尔玛和IBM正在尝试使用区块链支持的系统来监控供应链-区块链的所有节点都由沃尔玛管理，位于IBM云上。
Hyperledger网格为区块链供应链解决方案开发开放组件。
（以上内容来自维基百科）
医疗领域
区块链技术在医疗信息领域的核心应用技术优势十分显著。其去中心化的分布式结构可应用于医疗数据共享;不可篡改的时间戳特性可解决数据和设备追及信息防伪问题;其高冗余度及多私钥的复杂保管权限的优点可解决目前医疗信息化技术的安全认证缺陷;灵活的可编程特性，可帮助医院建立拓展应用等，使区块链的自身技术特点更加适用于医疗场景。包括医联体、医疗去中心化、电子健康档案、医疗器械追溯管理、可穿戴设备、医院信息集成平台、保障数据安全方面等均有所应用。下面就医疗去中心化和电子健康档案进行说明。1）医疗去中心化 区块链技术具有去中心化和幵放性，能够实现一种全新的组织信息形态，每个个体都能够自主掌握自己的健康信息，而不是把信息交付于某个机构来保管。这不仅有助于保护患者隐私，也增强患者使用医疗数据的自主性，实现医疗信息的共享性和医疗的去中心化。2）电子健康档案 通过基于区块链公开的接口程序开发院内的应用系统，完成院内电子健康数据的录人和上传功能。区块链系统将通过分布式数据库的形式存储电子健康档案信息。区块链的访问是通过公钥和私钥完成。公钥是医院、卫生部门等有权限的用户对健康数据的访问权，私钥是个人用户对自己健康数据的访问权。
7.区块链应用图例
四、区块链应用面临的问题
作为近年来兴起的新技术，区块链虽然得到了快速发展，其应用场景和领域也非常广泛，但区块链技术总体还处于发展的初期，存在诸多问题和挑战。除了政策和公众认知方面，区块链还在安全、资源和效率等方面存在一些可能制约其应用和发展的问题。
安全问题
1）51%攻击问题
节点只要掌握全网超过 51% 的算力，就能成功篡改和伪造区块链数据。以比特币为例，据统计中国大型矿池的算力已占全网总算力的 60%以上，理论上这些矿池可以通过合作实施 51%攻击，从而实现比特币的双重支付。虽然，实际系统中为掌握全网 51%算力所需的成本投入远超成功实施攻击后的收益，但 51%攻击的安全性威胁始终存在。
隐私保护问题
区块链系统内各节点并不完全匿名，而是通过地址标识(如比特币公钥地址)来实现数据传输。虽然地址标识并未直接与现实世界的实体身份关联，但区块链数据是完全透明的，随着抗匿名身份识别技术的发展，可实现部分重点目标的定位和识别。另外，在完全去中心化的环境中， 因缺乏有效的安全机制，可能因数据透明造成隐私泄露。
链外数据输入问题
在区块链2.0乃至3.0时代，基于区块链的智能合约更加完备，为区块链增加了应用领域，但同时也增加了与现实世界数据交互的机会，大量来自链外的数据输入可能会给区块链的应用带来安全隐患。如使用区块链进行产品溯源应用时，在理论上还无法证明，可避免从源头的仿冒产品以“正品”的数据被写入区块链。
性能与加密安全问题
为了提升性能，区块链在加密安全方面可能会做一些让步。如为提升交易处理性能，而在非可信环境中使用非拜占庭容错（BFT）的一致性算法，将给区块链的应用带来了安全隐患。
2 .资源与效率问题
资源浪费问题。
区块链产业属于高能耗型产业，基于 PoW 共识机制的区块链系统依赖区块链节点贡献的算力，但只有部分算力得到了奖励，其他算力都是在做无用功，资源浪费很大，影响了其在各个领域的推广应用。
区块膨胀问题。
区块链要求系统内每个节点都保存一份备份，这对于海量数据存储来说要求过高。以比特币为例，完全同步自创世区块至今的区块数据需要约 120GB 存储空间，适用于更大规模的解决方案还有待研发。
交易效率低问题。
交易效率主要受到区块产生时间和区块大小的影响，同样以比特币为例，其交易速度为 7 笔/秒，这将限制区块链在一些高频交易场景（如金融业）中的应用，不便进行实时交易。
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