物联网安全：区块链和可信治理

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一、区块链的产生与发展

2008年10月，中本聪在其论文《比特币：一种点对点电子现金系统》中描述了一种基于区块链技术的区块链。 这种电子现金系统被称为比特币（Bitcoin）。 说到区块链比特币忘记密码的人，就不得不提比特币。 区块链起源于比特币，但后来的发展已经大大超出了比特币的范畴。 2009年1月，比特币系统正式上线，世界上第一个比特币诞生。 此时，比特币在密码学、分布式计算等技术的基础上，融合了区块链的创新技术。 在比特币的世界里，币与链是一体的，也就是说此时的区块链离不开比特币的应用。

2013年，以太坊社区上线，首次实现了链币分离。 在区块链底层技术平台上，实现了支持任何应用的可能性。 这是一次重大的技术飞跃。 但无论比特币还是以太坊，都是公链，任何人都可以参与，很难监管； 直到2015年，联盟区块链才在全球首次出现，其最大的特点是具有访问控制和出色的隐私保护，性能也有了很大的提升。

2019年6月，Facebook加密货币项目《Libra白皮书》正式公布，引起了全球的高度关注，再次将数字货币和区块链技术推向了一个新的阶段。

2. 区块链的概念

区块链是一种由多方共同维护的记账技术，采用密码学技术保证传输和访问安全，实现数据存储一致、难以篡改、防否认记账技术，又称分布式账本技术。 区块链技术为进一步解决互联网中的信任、安全和效率问题提供了新的解决方案，也给互联网、金融等行业的发展带来了新的机遇和挑战。

我们可以用记账的故事来解释区块链。 从根本上说，区块链是一种新的信息记录方式。 比如在某村，张三借给李四100块钱，他想让大家知道这笔账，就通过电台广播了。 当所有的村民听到广播比特币忘记密码的人，收到信息后，都会用自己的方式验证信息的真伪，然后将信息记录在自己的账本上。 结果村民的账本上全是“张三借给李四100元”。 以后这笔贷款不会有纠纷，也不会有做假账的可能。 这个记账系统是分布式的，把账本数据按照时间顺序组装排列成块，块连接起来就形成了我们所说的区块链。 按照时间顺序首尾相接，可以追溯，但不可篡改，因为都是加密的。 如果要被篡改，所有村民都可以验证。 这就是“共识算法”。 这也能说明区块链的一个核心思想：单点发起、全网广播、交叉核对、联合记账。 分布式架构、共识算法、智能合约等一系列技术促成了区块链的实现。

区块链的公开透明、可追溯、不易篡改等特点，使得通过逐层消息回溯，直接证明和确认某一主体的所有行为成为可能，从而确定性地解决信息真实性问题。 在区块链的分布式账本一致性逻辑下，不再需要传统技术领域因不同主体间的不信任而产生的大量“对账”行为。 这对整个互联网的诚信体系，甚至延伸到现实社会中的诚信体系都有很大的价值。

虽然区块链目前是一种建立在现有互联网之上，通过应用软件互联互通的新型网络，但随着时间的推移，它会逐渐下沉到互联网的基础层，与现有互联网融合。 从而共同建设下一代互联网基础设施。

三、区块链的共识机制

共识机制是区块链的核心技术，与区块链系统的安全性、可扩展性、性能效率、资源消耗等密切相关。 从选择记账节点的角度来看，现有的区块链共识机制可以分为五种类型：选举、证明、随机、联盟和混合。

(1) 选举

选举式共识是指矿工节点在每一轮共识过程中通过“投票选举”的方式选出本轮记账节点，最先获得半数以上选票的矿工节点获得记账权。 在实用拜占庭容错（PBFT）系统中，一旦1/3或更多记账员停止工作，系统将无法提供服务； 当所有其他记账人恰好被分成两个网络孤岛时，恶意记账人可以导致系统分叉。

(2) 证明类

证明型共识称为“Proof of X”型共识，即矿工节点必须在每一轮共识过程中证明自己具有一定的能力。 任务。 比赛获胜的矿工节点将获得记账权，包括工作量证明（PoW）共识算法和权益证明（PoS）共识算法。 PoW的核心思想是通过分布式节点的算力竞争来保证数据一致性和共识安全。 PoS 的目的是解决 PoW 中的资源浪费问题。 在 PoS 中拥有最高权益的节点将获得新区块的记账权和收益奖励，无需进行大量的算力竞争。 PoS在一定程度上解决了PoW算力浪费的问题，但是PoS共识算法会导致有权益的参与者通过持币获取利息，容易出现垄断问题。

(3) 随机类

随机共识是指矿工节点按照随机的方式直接确定每一轮的记账节点。 随机共识算法包括Algorand共识算法和经过时间证明（PoET）共识算法。 Algorand共识算法旨在解决PoW共识算法浪费算力、可扩展性弱、容易分叉、确认时间长等缺点。 Algorand 共识算法的优点包括： 低能耗，无论系统中有多少用户，系统每 1500 个用户中只会随机抽取 1 个进行数秒的计算； 民主化，不会有像比特币那样的区块链系统的“矿工”群体； 分叉的概率低于 10^18。

(4)联合班

联盟共识是指矿工节点首先按照一定的方式选出一组代表节点，代表节点依次或通过选举获得记账权。 这是一种以“代议制”为特征的共识算法，如授权的PoS（Delegated Proof of Stake，DPoS）共识算法等。 ”的系统，也可以弥补 PoS 中拥有记账权的参与者不一定愿意参与记账的缺点。

（五）混合班

混合共识是指矿工节点采用多种共识算法的混合方式来选择记账节点，例如PoW+PoS混合共识、DPoS+BFT混合共识等。通过多种共识机制的结合，可以相互学习、取长补短。解决单一共识机制的能耗和安全风险。

共识机制是区块链系统稳定可靠运行的核心关键技术。 不同于传统的中心化系统，区块链系统中的所有网络节点都可以自由参与和独立维护，没有可信的中心节点来承担网络维护和数据存储等任务。 因此，如何让众多地理位置分散、信任关系弱的区块链节点建立一致可信的数据副本，实现系统的稳定运行，是区块链共识机制必须解决的难题。

共识机制的主要功能是解决以下两个基本问题。

1）谁有权写入数据

在区块链系统中，每个骨干网节点都会独立维护一个区块链账本（即区块链系统中的数据库）。 为了避免不同区块链账本的数据混淆，必须设计一种公平的选择机制，每次只选择一个网络节点写入数据。

2）其他人如何同步数据

选定的网络节点写入数据后，其他网络节点必须能够准确及时地同步数据。 为了避免网络中新数据的篡改和篡改，必须设计一种可靠的验证机制，使所有网络节点能够快速验证接收到的数据是否由选定的网络节点写入。

一旦解决了以上两个问题，区块链分布式网络中的节点就可以自发地建立一个一致可信的数据副本。 首先，每隔一段时间，由共识机制选出的节点会选择要存储的交易，构建最小的区块链数据存储结构“区块”，然后将区块数据广播到区块链网络。 其次，全网所有节点对接收到的区块数据进行检测，根据共识机制判断该区块数据是否由合法授权节点发布。 如果区块数据满足共识机制等格式要求，将被添加到节点维护的区块链账本中，完成一次数据同步。 通过重复这两个过程，可以稳定可靠地更新和同步区块链账本，避免数据混淆和数据伪造等问题。

4. 基于区块链的可信监管

从目前的趋势来看，西方区块链技术发展以公链为主，应用和产业发展的重点主要是基于公链的金融创新，而中国区块链技术发展的重点是自主可控的联盟链. 应用和产业发展的重点是区块链如何服务于产业经济、政府服务和社会治理。 2019年以来，联盟链在我国金融、法律、医疗、能源、公益等多个领域都有实际应用。

1) 可信互联网

通过区块链可以实现可靠的信任传递，区块链因此被视为下一代价值互联网和信任互联网的基石。 经过50年的发展，传统互联网给人类社会带来了翻天覆地的变化。 未来50年互联网将走向何方？ 许多研究人员认为，它很可能从信息互联网走向价值互联网和信任互联网。 信息互联网解决了信息传递和信息共享的问题，但不能保证信息的真实性。 无论是人工智能技术还是大数据分析技术，都只能从概率的角度来判断对方在网络上交流的真实性。 信任互联网需要解决的是信息的真实性问题。 区块链被视为信任互联网的重要支撑。

2) 信托金融

2019年，区块链技术助力中国建设银行总行、住房城乡建设部完成全国491个城市公积金中心的互联互通。 在实现数据同步的同时，确保数据权责清晰，有效配合国务院新个税专项扣除规则的实施。 在人才流动频繁的背景下，人们对跨地区办理公积金业务的需求凸显。 以往，要实现“互联互通”，可能需要设立部门对数据进行集中管理，建设物理空间对数据进行集中存储。 现在，通过区块链技术，数据的所有权可以保留在各个公积金中心。 491个公积金中心作为相对平等的节点加入联盟区块链网络，仅通过智能合约即可共享数据。

又如中小企业贷款难。 过去，企业要借钱，需要提供资产担保或股票担保，或者其他企业提供担保。 所有的担保提供、合同签订、工作协调都需要时间，进而影响贷款效率。 现在，如果中小企业有订单或应收账款，可以将订单或应收账款变成区块链上的数字证书，方便银行做出是否发放贷款的决定，从而大大提高贷款处理的效率。

3) 可信追踪

基于区块链的商品溯源解决方案，让商品生产商、分销商、海外派送海关、国际运输商、进口海关、国内物流等在区块链上记录商品流通信息，有别于传统扫描。 与代码溯源相比，整个信息更加公开、透明、可信，让消费者能够确定自己订购的“海淘”是否真的来自某个地方。 对于司法领域的知识产权保护这一棘手问题，区块链技术也大有裨益。 可确保知识产权在产生时即时确认，确认后交易可公开、透明、可信。 如果没有区块链技术，当一个音乐平台向创作者报告某首歌写得很好，这个月下载了1000次时，创作者可能会有疑问：也许是10000次？ 但是有区块链建立之后，所有的交易记录都是真实可信的，平台是造假不了的。

可见，只要涉及到存证、信任、协作、不可篡改等特性，区块链就会有很大的应用空间。 区块链将成为数字经济发展的新动能和社会信用体系的重要支撑，将率先在金融、民生、政务、工业制造等领域得到应用落地.