区块链技术有何进展？UT Dallas最新《区块链研究进展及其应用》，阐述其在物联网边缘计算技术体系以及应用

2022 年 8 月 18 日 专知

如今，区块链已成为讨论的热门话题，并且已经进入了许多行业。从金融到基础设施，区块链或分布式账本在每个工作领域都具有互操作性。来自美国得克萨斯大学达拉斯分校《区块链研究进展及其应用》，非常值得关注！

区块链是一种新兴的去中心化数据收集、共享和存储技术，为各种现实世界的用例提供了丰富的透明、安全、防篡改、安全和鲁棒的账本服务。近年来，区块链技术本身以及采用区块链的应用取得了显著的发展。现有的综述大多局限于区块链或应用的几个特定问题，难以描述当前巨大的区块链生态系统的总体情况。在本文中，我们调研了区块链技术的最新进展及其在现实应用中最活跃的研究课题。我们首先回顾了一般区块链系统中共识机制和存储机制的最新发展。然后，对区块链启用的物联网、边缘计算、联邦学习和几个新兴应用程序(包括医疗健康、COVID-19大流行、社交网络和供应链)进行了广泛的文献研究，其中分别讨论了详细的具体研究主题。最后，我们讨论了未来在学术界和产业界的发展方向、挑战和机遇。

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区块链技术是一种基于点对点网络的去中心化存储技术。对等节点，也称为区块链节点，按照系统中指定的特定智能合约，扮演完全相同的角色，执行相同的功能。在区块链系统中，每个节点都保存区块链存储的整个副本，其中事务被打包成块，每个块通过块哈希与前一个块链接。节点的行为由定义在区块链上的智能合约来监督，其中规定了共识机制和激励机制。共识机制是维护系统分散性和存储块的核心功能，它小心地将分类权赋予被称为矿工的节点之一。激励机制协助共识机制分配工作报酬，激励节点保持诚实工作。图1展示了区块链系统的典型架构。

与现有的传统去中心化数据库存储方法相比，区块链具有特殊的性能和优势，越来越受到学术界和工业界的关注。公共区块链，如比特币，可以使数据在每个节点上可用，从而使每个参与者都透明。由于区块链可以在完全匿名的情况下工作，而不需要在节点之间建立信任，因此可以保护节点的隐私。区块链是防篡改存储，因为块与特定的哈希值链接在一起，如果对块数据进行任何修改，就会导致违规。只要欺诈用户拥有整个区块链系统51%的挖掘能力，区块链存储也不存在单点故障。表1讨论了传统分布式数据库与区块链之间的比较。

区块链在比特币[1]、以太坊[2]、PeerCoin[3]等加密货币应用中已经被证明是一个显著的成功，区块链在许多其他领域的采用是对现有区块链生态系统的不断扩展。例如，在金融账本系统[4]、物联网(IoT)[5]、[6]、边缘和云计算[7]、公共管理[8]、[9]、医疗健康[10]和供应链[11]等领域已经开发了区块链支持系统。

目前的区块链技术还不完善，还存在许多需要改进的地方。这些缺陷也给区块链应用带来了麻烦。研究人员致力于提高区块链系统的处理速度、采用更轻的共识机制、更低的存储成本和更低的通信带宽要求。区块链技术的这些进步可以使仍处于初始阶段的区块链应用受益。然而，这些进步很难在应用之间传播，这是一种自然的差距。这就要求将整个区块链生态系统的多个部分连接在一起，以促进未来的发展。

现有的相关研究大多局限于特定的研究主题。Wang等人[12]和Signh等人[13]调研了近期流行的区块链共识机制。Zhou等人[14]总结了解决区块链可扩展性问题的现有解决方案。他们将解决方案分为三层: Layer0是关于数据传播的，Layer1是关于链上方法的，Layer2是关于链外解决方案的。Zhang et al.[15]和Feng et al.[16]研究了区块链系统的安全和隐私协议。Zhang等[15]试图分析区块链系统如何很好地支持事务的隐私和安全需求，并得出只有一小部分区块链平台可以在实践中实现安全目标。Feng等人总结了最近针对区块链应用中的隐私问题提出的方法。

Gamage et al.[17]在他们的调研中介绍了几个区块链的应用，例如供应链，但是提到的应用大多是区块链的特殊用例，而一些主要的应用则被忽略了，例如物联网和边缘/云计算。Huo等人[18]调研了区块链物联网的研究课题。他们总结说，区块链主要用于物联网的设备安全和管理、数据收集和共享、能源交易、协同生产和可追溯性。Wang et al.[19]和Mollah et al.[20]对近期区块链在物联网(IoT的一个特殊实例)中的应用进行了详细的调研。与普通物联网[21]相比，基于区块链的物联网通常使用更多特定的用例进行研究，例如最近新兴的电动汽车充电和智能停车。邹等人广泛回顾了云计算中区块链的发展，并认为云是一种区块链服务，其中区块链助攻可以提供服务，而区块链是一种云服务，其中区块链服务部署在云上。Liao et al.[23]研究了边缘计算和物联网的重叠领域。关于联邦学习[24]，[25]也有全面的调研，这是一种新兴的分布式机器学习模式，可以保护数据提供者的隐私，减少数据传输消耗。Sreerakhi等人[26]回顾了区块链在供应链中的工作，以发现区块链帮助解决包括信息不对称共享、质量监控和市场造假等挑战的可能性。

对多个研究领域进行文献综述的研究很少。在本文中，我们通过将综述范围扩大到几个最活跃的区块链研究主题和新兴的区块链应用，来连接区块链技术和IT应用的进展。我们构建了包括区块链在内的区块链生态系统及其应用概况，如图2所示。我们回顾了通用区块链技术最近的显著改进。我们选择IoT、边缘计算、联邦学习、医疗健康、社交网络、供应链作为整个区块链生态系统中最具代表性的区块链用例。通过讨论每个用例中最近活跃的研究主题，对这些选定的用例进行了广泛的文献回顾。我们列举了几个剩余的问题，供学术界和工业界总结调研。

本文其余部分的组织如下: 在第2节中，我们首先总结了通用区块链技术最近的重要发展。然后在第3节中，我们回顾了区块链如何为物联网系统和物联网(物联网中的一个特殊用例)服务。接下来在第4节中，将研究区块链支持的边缘计算和联邦学习的主题。在第5节中，我们研究了几个受益于区块链的新兴热点话题，包括医疗健康、COVID-19大流行、社交网络和供应链。接下来，在第6节中，我们讨论了我们对区块链当前开放问题和挑战的发现，然后提出了对未来工作的建议。最后，在第7节对本文进行总结。

通用区块链

一般来说，大多数工作都集中在解决区块链的可扩展性问题，即提高共识效率，增加事务吞吐量，减少计算和通信成本以及存储开销。在本节中，我们将讨论通用区块链系统的共识机制和存储方法的最新进展。工作量证明(PoW)是区块链系统中最流行的共识机制。在基于PoW的区块链系统中，对等点投资强大的机器来解决密码问题，以赢得分账权。虽然在一些知名的应用，如比特币[1]和以太坊[2]中，它被证明是安全和稳定的，但它需要消耗非凡的能量来解决无意义的密码谜题。PoW限制了处理事务的吞吐量，并带来了不断增加的计算和存储开销。

经典的区块链系统需要每个对等存储整个区块链存储的完整副本。这种存储机制不仅浪费了大量的资源，而且使系统逐渐趋于集中。超大的区块链增加了参与者的存储要求，也使系统难以处理数据量大的应用。随着区块链规模的不断扩大，越来越多负担不起存储成本的劣势节点逐渐退出挖掘游戏。最后，系统变得越来越集中。

物联网

物联网允许智能设备通过互联网协议相互连接，实现无处不在的数据交换[71]，[72]。在物联网中工作的设备或对象大多是传感器、微型计算机，它们很容易受到恶意攻击。在物联网中应用区块链技术是提高数据完整性和安全性的一种有前景的解决方案[73]。图3展示了区块链支持的物联网和边缘计算系统的典型结构，这将在下一节中讨论。然而，实现区块链物联网系统还存在一些挑战。由于物联网中设备的计算能力、电池寿命和内存存储能力较低，设备无法处理PoW等重量级共识机制[74]。另一方面，区块链系统大多不能产生高吞吐量，无法满足物联网系统中海量数据生成和存储任务的需求[75]。在本节中，我们首先回顾了最近在一般物联网系统中区块链的工作，然后我们研究了物联网中的一个活跃的特殊用例，即车联网(IoV)。

边缘计算

边缘计算是一种允许位于网络边缘的设备(如智能设备、移动微型计算机、基站和网络接入点)产生、收集、传输和处理数据的技术。边缘计算是物联网的延伸，在许多应用中与物联网重叠。例如，物联网中的传感器或智能对象可能需要连接到一些边缘服务器来完成数据共享和计算。物联网中的一些设备，如电动汽车，也可以被视为边缘计算中的边缘节点。在本节中，我们首先研究一般边缘计算中区块链的发展，然后专门讨论边缘计算中的一个新兴主题，即联邦学习。

新兴应用

在本节中，我们调研了四个新兴的研究领域，其中区块链在相关应用中发挥着越来越重要的作用，为去中心化、系统鲁棒性和安全性带来了影响。

医疗健康

区块链技术在医疗健康领域的潜力已经作为一场革命被展示和讨论了5年多[10]，[143]，[144]。传统医疗系统存在单点故障和网络安全攻击导致的信息泄露问题[145]，同时缺乏透明度、可信任的可追溯性、不可变性、审计、隐私和安全性[146]。区块链技术为解决上述问题提供了有前景的解决方案，可以分散存储和权限管理，保持数据的可追溯、可验证和不可变[147]，[148]。

社交网络

社交网络已经成为我们日常生活中不可缺少的一部分。Facebook、Twitter和微博等社交媒体的用户建立个人资料并发布帖子。用户产生的大量数据由社交媒体提供商管理，有时并不可靠。例如，Facebook近年来发生了几起数据泄露事件。用户无法控制自己的数据，甚至有些数据的隐私问题非常严重。为了解决公共社交网络中的单点故障问题，保证数据安全，保护必要的隐私，区块链技术被发现是一种可能的解决方案[191]，[192]。

供应链

供应链管理是工业的重要组成部分。良好的产品可追溯性使制造商和零售商能够识别零部件和原材料的来源，并以透明的产品信息避免商业欺诈。随着全球供应链网络的日益复杂，传统的供应链管理方法面临着适应效率、可达性、透明度和安全性要求的挑战[204]，[205]。区块链技术可以为供应链提供有效的产品跟踪、透明的信息共享和可靠的抗攻击能力。