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2020年 第38卷 第1期    刊出日期：2020-01-31

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2020, 38(1):  0-0. 

摘要 ( 398 )   PDF (48KB) ( 91 )  

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特邀论文

面向边缘人工智能计算的区块链技术综述

方俊杰, 雷凯

2020, 38(1):  1-21.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.001

摘要 ( 2084 )   PDF (2417KB) ( 1952 )  

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区块链构建了一个分布式点对点的系统，作为一种安全可验证的分散确认事务的机制，广泛应用于金融经济、物联网、大数据、云计算和边缘计算领域.边缘人工智能计算（edgeAI computing）即面向边缘网络应用场景的群智AI计算模式.在无人驾驶等高动态、超低延时、资源受限、数据与计算解耦的边缘网络应用场景下，跨域可信、隐私保护、入侵监测、细粒度激励等需求对区块链研究提出了进一步的挑战.关注到人工智能向边缘网络下放的趋势，该文讨论区块链在新兴的边缘人工智能计算领域的应用.首先介绍了区块链技术的基础架构，概述了相关研究和应用方向；接着从边缘人工智能计算的概念与兴起出发，详细分析并讨论了区块链技术在面向边缘人工智能计算领域的应用需求，包括相关研究综述、应用趋势和未来研究方向.此外，还总结了区块链技术应用在边缘人工智能计算方面的优势和未来仍需关注的问题.

区块链

物联网中区块链技术的应用与挑战

何正源, 段田田, 张颖, 张瀚文, 孙毅

2020, 38(1):  22-33.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.002

摘要 ( 1297 )   PDF (3655KB) ( 621 )  

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随着物联网技术的快速发展和广泛应用，分布式网络环境下的身份验证、数据隐私、网络安全等问题变得更加重要，而这些问题可以通过引入区块链技术来得到有效解决.该文简述了区块链的基本概念，介绍了区块链在物联网中的应用场景，并对当前一些相关工作的成果进行了综述；介绍了针对物联网场景下区块链底层技术的研究以及区块链物联网所面临的问题与挑战，希望能对未来区块链物联网的研究有一定的参考价值.

基于树形拓扑网络的实用拜占庭容错共识算法

包振山, 王凯旋, 张文博

2020, 38(1):  34-50.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.003

摘要 ( 978 )   PDF (10188KB) ( 521 )  

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实用拜占庭容错算法在节点数量较多的广域网环境下存在性能瓶颈.为提高该算法的可扩展性，基于树形拓扑网络将全网范围共识拆分为若干子网范围共识；同时引入信誉模型以降低错误节点在共识过程中的影响力，提高系统的安全性、容错性与可靠性.实验结果表明：所提算法的性能明显优于原有算法，表现出良好的可扩展性，可用于大规模许可链系统.

一种基于权益代表的可扩展共识协议

李忠诚, 黄建华, 唐瑞琮, 胡庆春, 夏旭

2020, 38(1):  51-64.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.004

摘要 ( 989 )   PDF (5759KB) ( 713 )  

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区块链系统在去中心化、安全性和可扩展性达到动态平衡的难点在于高效共识机制的设计.为解决现有区块链系统中共识机制面临的安全与性能的瓶颈问题，提出了一种基于权益代表的可扩展共识协议（delegate-based scalable consensus protocol，DSCP）.首先，DSCP采用分区并行共识方式来构建高性能和可拓展的区块链，并通过代理机制生成全网认可的共识区块；其次，为了提高网络分区速度和分区内的共识性能，提出了基于可验证随机函数（verifiable random function，VRF）算法的网络节点快速分区机制，设计了基于投票的分区共识算法（voting-based consensus protocol，VCP）；最后，提出了新的激励和押金机制，以增强DSCP协议的安全性.实验分析表明：与现有的区块链共识协议相比，DSCP有着良好的性能优势.

基于区块链的河长制水质信息存证系统

邹秀清, 罗得寸, 林平, 沈世平, 谢振平, 王玉珏, 丁勇

2020, 38(1):  65-80.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.005

摘要 ( 915 )   PDF (11813KB) ( 391 )  

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针对传统技术面临的数据管理中心化、不公开透明等问题，将区块链技术应用于河长制水质信息管理领域.使用企业级开源框架超级账本技术搭建的河长制水质信息系统将核心水质信息上传至区块链，以实现用户链上信息存证的功能.对于系统中已被非法篡改的水质信息，以验证还原的方式进一步保证数据的安全性和可靠性.实验结果表明：水质信息上链和查询的平均吞吐量达到200 tps以上，最高可达500 tps，符合预期的系统性能要求.

牌类游戏可信存证链系统

苑陈娟, 孙国梓, 李华康, 王纪涛

2020, 38(1):  81-92.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.006

摘要 ( 854 )   PDF (2798KB) ( 315 )  

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目前，市面上棋牌类游戏的信任问题一直得不到有效解决，外挂等作弊手段层出不穷.为此，基于当下区块链去中心化、防篡改的特点提出了一种牌类游戏防作弊方法.通过API接入玩家的牌面信息，使用Huffman Merkle Hash tree （HuffMHT）算法对牌面信息进行数据压缩，采用多种加密算法对压缩后的数据进行加密，并编写智能合约将加密信息锚定在区块链上.任何人只需对比区块链上的发牌信息和出牌信息即可发现是否作弊.实验结果表明，该方法能有效解决牌类游戏的信任问题，确保牌类游戏的安全.

一种结合BLS签名的可拜占庭容错Raft算法

王日宏, 张立锋, 周航, 徐泉清

2020, 38(1):  93-104.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.007

摘要 ( 725 )   PDF (3097KB) ( 728 )  

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针对Raft算法中的拜占庭容错问题，提出结合BLS签名的拜占庭容错（RaftByzantine fault tolerance，RBFT）算法.首先，利用BLS签名实现阈值签名，将投票过程转化为阈值签名过程，并将该过程与Raft算法的AppendEntries消息和RequestVote消息结合，尽可能地减弱容错过程对共识效率的影响；其次，通过增量哈希引入安全状态，保证了日志的不可篡改性；接着引入客户端对Leader节点的动态监控，以避免拜占庭Leader节点消极反馈的发生，进一步保证了算法的活性；最后，由本地多节点仿真实验表明：RBFT算法有效提升了数据吞吐量和可拓展性，并降低了交易延迟.

基于区块链的电子仓单可信存储技术

王文奇, 潘恒, 潘磊, 关云云

2020, 38(1):  105-118.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.008

摘要 ( 1060 )   PDF (9393KB) ( 656 )  

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电子仓单是供应链物流流转过程中的重要凭证，电子仓单及其背后的仓储过程信息必须是可信且不可修改的，而传统数据库技术无法有效解决这一问题.针对仓储物流中物联网的特点，利用区块链技术设计了区块链系统以存储电子仓单及相关物联网信息的总体框架，并设计了基于信誉度的共识算法.基于Bitcoin源码设计了可以存储各种信息以及适合交易运算的底层区块存储系统，并且设计了可以交易电子仓单以及存储仓储信息的交易算法.实验证明了该系统的有效性和可行性.

区块链节点存储优化方案

江云超, 何小卫, 崔一举

2020, 38(1):  119-126.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.009

摘要 ( 938 )   PDF (3462KB) ( 798 )  

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随着区块链技术的不断发展，区块链中的区块也在不断增加，区块链新节点面临越来越大的区块存储以及较长的区块同步时间等问题.为了解决该问题，提出一种区块链节点存储优化方案.首先分析区块链恶意节点概率并计算每个分片中区块的数量；然后获取区块链节点数量以及分片中编号最大区块被恶意节点攻击的概率，计算出每个分片需要存储的副本数量.经实验分析得到：该优化方案减少了区块链节点约50%的区块存储，并减少节点约22%的同步区块时间.因此，该优化方案不仅减少了区块链的节点存储，还提高了新节点加入区块链的效率.

一种病人可控的电子病历安全访问方案

潘恒, 潘磊, 姚中原, 斯雪明

2020, 38(1):  127-138.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.010

摘要 ( 891 )   PDF (4744KB) ( 471 )  

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部分病人对其电子病历访问有全程管控的特殊需求，而现有云环境下的电子病历共享系统却无法满足这一需求，于是提出了一种基于超级账本和星际文件系统的电子病历安全访问方案HyperEHR.该方案设计了由病历请求者所在机构以及病人双重审核且由病人决定病历最终访问权的方法.为保证跨机构之间的医疗数据安全互访，将病历生成、更新以及访问等信息存储在联盟链区块中，而将各医院、诊所产生的具体病历信息和访问控制策略加密存储在云端星际文件系统中.系统实现及分析表明：该方案有较好的可扩展性、互操作性及安全性，可满足病人对其医疗数据访问的管控，有效防止病历隐私泄露.

基于区块链的物联网节点位置隐私保护模型

佘维, 陈建森, 顾志豪, 田钊, 徐力, 刘炜

2020, 38(1):  139-151.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.011

摘要 ( 896 )   PDF (4655KB) ( 272 )  

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物联网正在改变消费者的行为和业务流程.针对物联网设备的信息隐私及安全问题，提出基于区块链技术的物联网设备位置信息保护模型.该模型首先借助区块链技术将记录设备标识，保证物联网设备信息不可篡改；然后基于白名单技术实现分布式哈希表网络，并对设备位置信息进行异或处理以隐藏物联网的网络拓扑，保护物联网设备的位置信息；最后根据k-匿名算法泛化数据的敏感属性为用户提供区域信息统计服务.实验结果证明该模型可以有效隐藏设备位置信息，同时能够提供定制的区域统计服务并且保护用户信息安全.

智能生态网络:知识驱动的未来价值互联网基础设施

雷凯, 黄硕康, 方俊杰, 黄济乐, 谢英英, 彭波

2020, 38(1):  152-172.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.012

摘要 ( 1820 )   PDF (17165KB) ( 260 )  

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未来互联网内容知识化、知识价值化、价值网络化、网络生态化、生态智能化的发展趋势已经越来越显著.针对传统IP互联网架构僵化、内容感知能力弱、多构架/多网络融合能力差、控制调度灵活性低、内生安全与信任维护机制缺失、服务质量模式单一、评价指标及方法落后等不足，创新性地提出智能生态网络（intelligent eco networking，IEN）.IEN基于虚拟化、可编程设备、软硬结合的技术路线，改进信息中心网络构架构，综合分布式人工智能分析决策与区块链共识计算技术，考量存储、计算与带宽网络资源成本/效益指标，构建层次化、智能化、语义化的新型智联网络构架.IEN向后兼容IP协议，向前演进面向跨域、边缘重点场景的命名（或标识）与IP融合异质计算寻址的多模态网络协议，叠加内容、身份鉴授权与多方可信激励机制，增强网络资源分配模型和优化评价体系.通过内容语义检测与身份可信鉴授权，IEN能坚持安全可控与开放包容并重，旨在形成一个高扩展、动态适应、多目标优化的网络基础设施，砥砺探索新一代产业化、经济化、生态化未来互联网，奠定一个开放与共享、协同互惠的智能生态网络.

基于联盟链的微电网身份认证协议

张利华, 胡方舟, 黄阳, 万源华, 李晶晶

2020, 38(1):  173-183.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.013

摘要 ( 979 )   PDF (3711KB) ( 290 )  

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目前，微电网电力交易存在着身份认证协议不安全、交易中心化、数据无法追踪溯源、节点之间缺乏共识等问题，而区块链具有分布式存储、去中心化、数据不可篡改等优势.为此，基于联盟链的微电网身份认证协议，将区块链应用于微电网的身份认证以解决上述问题.首先，使用零知识证明解决了新节点的身份认证问题.其次，将其ID写入Merkle树并在整个联盟链中广播，利用区块链可以保证数据不被篡改的原理确保了数据的安全性和可追溯性，解决了传统电力交易的中心化、数据存储不安全、电力交易无法追踪溯源等问题.最后，凭借着瑞波共识协议所具有的安全高效的优势有效地解决了节点之间的共识问题.通过方案对比可知：该方案采用的零知识证明在身份认证中具有计算开销小及瑞波共识机制算法具备共识速率快的优点.经过安全性分析及性能分析可知：该方案在解决微电网的身份认证安全性问题的同时又能保证节点的运行性能最优.

基于区块链的图书侵权记录存证平台

张逸飞, 曹少中, 祁德力, 王亮, 杨彦红

2020, 38(1):  184-196.  doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2020.01.014

摘要 ( 777 )   PDF (4900KB) ( 204 )  

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针对越来越频繁的音频阅读图书内容对图书构成侵权行为而未能及时有效存证的困境，提出一种以区块链技术对图书版权侵权记录进行自动存证的方案.首先，将网络爬取的音频信息进行处理，与图书内容查重比对后将结果存入私有区块链结构；其次，在基于工作量证明共识的基础上设计实现了复杂度可行的共识算法；最后，结合密码学的摘要信息认证与数字签名验证机制对区块数据进行安全性检查.系统测试结果验证了平台的效率和可靠性.