區塊鏈核心安全技術分析與應用研究

李大猛 楊體鑫 彭延榮

1.山東省濟南市公安局 2.北京歐科云鏈網絡科技有限公司

引言

近年來，區塊鏈技術逐漸成為全球范圍內的熱門話題。各國政府對區塊鏈技術大多持鼓勵和支持的態度，并將其作為推動數字經濟創新發展的重要動力。2019年10月24日，中共中央政治局在第十八次集體學習中將區塊鏈技術確定為國家核心技術自主創新的重要突破口，這也標志著我國政府對區塊鏈技術的重視程度達到了新的高度。區塊鏈技術具有諸多優勢和廣闊的應用前景，但其安全問題也一直備受關注。由于技術和市場尚未成熟，區塊鏈平臺的安全事件頻發，給用戶資產和數據安全帶來了嚴重威脅。根據歐科云鏈研究院發布的《全球虛擬貨幣犯罪態勢及安全治理白皮書》，僅在2022年，全球因區塊鏈安全事件造成的經濟損失高達206億美元，相當于約1400億元人民幣，可見區塊鏈安全形勢的嚴峻性。為應對這一挑戰，各地公安機關積極尋找應對之策和解決方案。諸如區塊鏈分析、智能合約審計等得到了廣泛應用。本文將詳細介紹這些創新技術應用，探討如何利用區塊鏈底層架構、區塊鏈分析技術等來增強對于加密貨幣犯罪的檢測和防范能力。

一、區塊鏈技術及行業發展概述

區塊鏈本質上是一個不可篡改、數據不斷增長的分布式交易賬本，其原理是節點可以將一段時間內系統中產生的交易數據保存入區塊，每一個區塊通過計算上一區塊散列值以及本區塊的Merkle樹根的散列值等方式彼此相連，形成一種塊鏈式的數據結構。同時，各節點還可以根據權限參與鏈上數據的計算、同步與存儲，進而能夠擁有整個系統的數據備份，在沒有中心機構節點的場景下，通過分布式共識的方式，構建一個多節點平等參與的數據共享網絡。

比特幣是迄今為止最為成功的區塊鏈應用場景。根據oklink.com實時監控統計，截止到2023年10月，平均每天有約62.5億美元的30萬筆交易被寫入比特幣區塊鏈網絡。全球現9000種加密貨幣，總市值超過1.05萬億美元，其中比特幣市值約占49.25%，以太幣和泰達幣緊隨其后。隨著區塊鏈技術的迅速發展，全球區塊鏈產業發展呈現出蓬勃的態勢，眾多區塊鏈企業和項目在全球范圍內涌現，形成了一個快速發展的生態系統。

區塊鏈技術在落地應用時面臨諸多安全問題。區塊鏈技術的應用需要滿足高并發、高可靠性等要求，而目前在性能方面還存在一定的局限性，“勒索”“欺詐”“盜竊”以及黑客攻擊已成為區塊鏈領域巨大的安全威脅。區塊鏈技術衍生的加密貨幣也開始成為洗錢新手段，并且還呈現出愈發明顯的組織化與專業化趨勢。根據歐科云鏈研究院統計的數據，全球區塊鏈犯罪造成的損失金額逐年呈現增長態勢，2017年造成損失為49億美元，到2022年，時隔5年就增長到了206億美元，漲幅達320%。加密貨幣安全事件頻繁，給區塊鏈行業的發展帶來了嚴峻挑戰。尤其是在今年7月，就發生了一起震驚全球的黑客攻擊事件，穩定幣兌換協議Curve遭遇黑客攻擊，造成了價值超過5000萬美元的資產損失。雖然Curve最終成功收回了部分資金，但該事件引發了人們對DeFi（去中心化金融）協議整體安全性的質疑，也凸顯了區塊鏈安全技術建立和發展的緊迫性。

為應對嚴峻的加密貨幣犯罪形勢，全球各地采取了多項措施。首先，加強監管是關鍵一環，如美國、新加坡、香港等地為加強對加密貨幣市場的監管，制定了嚴格的法規和政策，以確保交易平臺和參與者的合規行為，從而維護市場秩序和減少犯罪活動的發生。其次，提高安全性也是重要舉措，為防止黑客攻擊和盜竊行為，各國和地區加強了加密貨幣交易平臺和數字錢包的安全性，采用了多重身份驗證、安存管措施等，以確保用戶的資產安全。此外，國際合作也起到關鍵作用。為打擊跨境加密貨幣犯罪活動，各國正在持續加強合作，共享情報和經驗，建立了跨國合作機制，以便追蹤和凍結涉及犯罪行為的加密貨幣資產。

二、區塊鏈安全技術及應用

區塊鏈技術的設計者在構建區塊鏈系統時就非常注重解決安全問題，以確保數據的安全性和不可篡改性。從不同的維度考慮和保障安全，包括加密算法、共識機制、身份驗證等。同時，隨著區塊鏈技術的不斷創新和業務需求的演變，新的區塊鏈安全保障技術也在不斷涌現。其中，零知識證明就是近兩年發展較快的一種隱私保護技術。

（一）區塊鏈底層架構及相互協作

區塊鏈的底層架構采用一系列安全機制來保障區塊鏈的安全，以下是幾個關鍵方面：

1.加密算法

加密算法是區塊鏈安全的基石，通過加密算法、數字簽名和哈希函數等工具保障了交易和數據的安全性、完整性和認證性。常見的加密算法有AES對稱加密算法、RSA非對稱加密算法以及SHA-256哈希函數。比如比特幣使用SHA-256等哈希函數來確保區塊鏈的完整性，其每個區塊都包含前一個區塊的哈希值，任何對區塊鏈的篡改都會導致哈希值的變化，從而被其他節點發現。

2.共識算法

共識算法確保了區塊鏈網絡中的所有節點就交易和區塊的順序達成一致，常見的共識算法有工作量證明（PoW）、權益證明（PoS）和權益份額證明（DPoS）。全球最大的智能合約平臺以太坊就采用了權益證明PoS共識機制。在PoS共識機制中，參與者的記賬權和獎勵與其在區塊鏈網絡中持有的代幣數量相關。持有更多代幣的節點具有更高的概率被選中作為記賬節點，從而確認交易和生成新的區塊。相較于PoW機制，PoS機制的能源消耗較低，但也引發了一些新的挑戰，如富豪攻擊等。

3.分布式存儲技術

分布式存儲使得數據存儲在網絡中的多個節點上，提高了數據的安全性和可靠性，并增強了抗攻擊和抗故障的能力。而P2P網絡系統作為區塊鏈網絡的通信架構，通過節點之間的直接通信，實現了去中心化的結構，增強了網絡的安全性、可擴展性和魯棒性。

4.身份認證和訪問控制

身份認證和訪問控制是確保只有授權用戶可以訪問和執行操作的關鍵技術，常見的技術包括數字身份、多重簽名、可信執行環境、權限管理和基于角色的訪問控制等。這些底層技術相互協作，構建了區塊鏈的安全基礎，保障了區塊鏈系統的安全性和可信性。

5.典型應用：濟南“城市盾”數據安全鏈平臺

濟南“城市盾”數據安全鏈平臺，就是通過應用區塊鏈底層安全技術，構建的一個安全可信的數據交換生態體系，實現了城市內部網內、網間數據的安全傳輸和交互。

平臺通過統一身份標識和確權認證實現主體單位和網絡設備的身份管理，利用區塊鏈存證確保數據流轉和操作的不可篡改性，通過智能合約自動管理數據分發和訪問授權，對數據進行定向加密發送和銷毀，實現數據的可用性和隱私保護。其中，iBaaS平臺作為聯盟鏈技術架構的一部分，用于存儲存證數據哈希值等基本數據，需要至少3個節點來確保平臺正常運行。CA節點作為證書頒發機構確保聯盟鏈的合法性，Orderer節點負責交易排序和區塊生成，Peer節點負責執行鏈碼實現對賬本的讀寫操作和維護狀態數據和賬本副本。

通過區塊鏈安全底層技術的實踐和應用，濟南“城市盾”逐步構建和完善了濟南市的機關數據防護體系，打造數據監管平臺，確保了數據在使用過程中的安全性、完整性、可用性，為城市數據的安全管理提供了一種創新的解決方案。

（二）區塊鏈核心安全技術及應用

隨著區塊鏈行業的快速發展，保障區塊鏈網絡安全的技術應用逐漸成為業界關注焦點。下面重點介紹智能合約審計、電子數據取證和零知識證明這三種核心安全技術。

1.智能合約安全審計技術與實踐

智能合約本質上是運行在區塊鏈上的程序，由開發人員編寫。執法人員通過監督智能合約的開發和執行過程、遵循安全編碼規范和設計原則、進行安全審計、加強合約語言和虛擬機的安全性等手段，可提高智能合約在區塊鏈系統中的安全性和穩定性，以保障公共安全和防范潛在的攻擊威脅。

（1）監督合約開發過程和安全編碼規范

執法機關可以扮演監督者的角色，確保智能合約的開發人員遵循安全編碼規范和設計原則，包括使用安全的編碼技術、建立智能合約漏洞庫，收集和整理已知的智能合約漏洞和攻擊案例以及實施代碼審查和測試等措施。執法人員還可以通過提供安全編碼指南和培訓，避免重復的漏洞和攻擊，提高智能合約的安全性和穩定性。

（2）安全審計是確保智能合約安全的關鍵環節

在工作過程中，可以與專業的安全審計團隊合作，對智能合約進行全面審查和測試。針對智能合約審計要求包括合約部署前和部署后的審計，這大致涵蓋了測試、審計、監測三大類目，每個類目下面又有各種類型的分析技術和相應的工具。智能合約的審計范圍從合約部署前一直延伸到部署后，流程如圖4所示。

智能合約的安全治理是一個持續的過程，執法機關還可以與區塊鏈技術開發者和安全專家合作，建立合作關系和信息交流渠道，及時了解新的安全威脅和攻擊技術，加強合約語言和虛擬機的安全性，這包括修復已知的設計缺陷和實現問題，引入更嚴格的安全機制和驗證機制，并及時更新合約語言和虛擬機的安全補丁等。通過監督開發者增強此類措施，可以減少合約被利用進行攻擊的風險，提高智能合約的整體安全水平。

2.電子數據取證技術

區塊鏈是一個分布式、不可篡改的賬本，其中包含了大量的交易數據和鏈上智能合約的執行記錄。這些數據具有高度的可信性和完整性，但也存在著海量的數據量和復雜的數據結構。針對加密貨幣相關案件，在電子取證過程中面臨數據量大、數據分散等困難，總結了更具針對性的分析技術和思路。整體思路和相關技術主要包括以下幾個方面：

（1）地址取證技術

錢包地址的來源主要有三個方面：首先，加密貨幣相關的APP和PC程序，可對相關的手機錢包APP、交易所APP、PC程序進行本地數據和云端數據的取證；其次，錢包地址可能來源于聊天軟件的對話記錄，通常以字符串、單詞組合（錢包地址的私鑰）等形式出現，可借助于正則表達式對相關錢包地址進行檢索；最后，錢包地址也可能以圖片的方式保存在相冊等媒體文件或PC電腦上，可通過OCR識別技術識別錢包地址或密鑰的相關圖片，因此加密貨幣錢包地址的取證主要是針對相關檢材的取證，包括交易APP、聊天記錄、相冊等。

（2）交易記錄分析技術

拿到目標錢包地址后，需要對同鏈數據下載、數據清洗，實現目標錢包地址的交易記錄、資金流向分析，涉及到錢包地址交易記錄的分析技術。目前執法人員已經無需單獨下載各公鏈數據，通過區塊鏈瀏覽器，執法人員可以直接查詢目標錢包地址的交易記錄和資金流向信息。

（3）錢包地址歸屬性標簽技術

由于錢包地址具有匿名性，需要通過歸屬性標簽技術，將錢包地址與中心化交易所、錢包供應商和其他實體地址進行關聯，以便后續的調證工作。市面上常見的加密貨幣研判工具已經針對交易所等實體地址、黑地址等進行了標記，這些工具可以自動識別和標注不同類型的地址。

通過以上分析技術和思路，可以更加有針對性地處理加密貨幣相關案件中的數據分析和取證工作，從而克服數據量大、數據分散等困難，提高案件調查和取證的效率和準確性。

3.零知識證明技術

在區塊鏈上，交易和數據往往是公開透明的。為了保護用戶的隱私，隱私保護技術被廣泛應用。隨著以太坊二層網絡的發展，零知識證明技術取得了突飛猛進的發展。但因這項技術相對較新，筆者仍在不斷地探索和了解中，尚未進行大規模實踐應用。

據研究，零知識證明提供了一種有效的、近乎無風險的數據分享方式。利用零知識證明，可以保留對數據的所有權，極大地提高隱私保護，有望使數據泄露事件成為過去式。因此零知識證明一般用于隱私保護、匿名支付和應用拓展領域。相信在網絡安全治理領域，它也將被廣泛采用。

零知識證明分為交互式零知識證明和非交互式零知識證明兩種。其中，非交互式零知識證明，由證明者和驗證者共享密鑰，且僅需進行一輪驗證來使得零知識證明更加有效。非交互式零知識證明是零知識證明技術的一大突破，促進了正在使用零知識證明系統的發展。其主要技術路徑有ZK-SNARK和ZK-STARK。

ZK-STARK（Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge，是一個零知識的、簡潔的非交互式證明，即證明者只需要生成一個證明，而不需要與驗證者進行多輪的通信。區塊鏈系統要確保在網絡上執行交易的正確性，需要通過讓其他計算機（節點）重新運行每筆交易來實現。但這種方法會使每個節點重新執行每筆交易，會減慢網絡的速度，限制可擴展性。節點還必須存儲交易數據，導致區塊鏈的規模呈指數級增長。對于這些限制，ZK-SNARK就發揮了作用。它可以證明在鏈外進行的計算正確性，而不需要節點重新執行每一步計算。這也消除了節點對存儲多余交易數據的需求，提高網絡的吞吐量。因此ZK-SNARK被廣泛應用于區塊鏈和加密貨幣領域，如以太坊中的Zcash和其他隱私幣種。

ZK-STARK（Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge）。與ZK-SNARK不同，是一種可擴展的證明系統，旨在處理大規模的計算任務。ZKSTARK的設計目標是在保持零知識性質的同時，提供高度的可擴展性和透明性。它允許證明者生成一個證明，而驗證者可以在不了解陳述的具體細節的情況下，僅通過驗證證明的正確性來確認陳述的真實性。

三、區塊鏈安全技術發展趨勢分析

區塊鏈安全技術的發展將是一個長久的課題，根據觀察分析和實踐經驗，筆者總結出以下可能的主要發展方向：

1.零知識證明和隱私保護

隨著區塊鏈應用的增加，對隱私和數據保護的需求也越來越高。零知識證明技術的發展將成為重點，以實現在不暴露具體數據的情況下進行驗證和交互。隱私保護協議和技術的進一步研究和應用也將成為關注的焦點。

2.多鏈互操作性和跨鏈技術

隨著區塊鏈網絡的增多，實現不同鏈之間的互操作性將成為重要的發展方向?？珂溂夹g和標準的制定將推動不同區塊鏈網絡之間的資產轉移和交互，提高整個區塊鏈生態系統的可擴展性和互聯互通性。

3.智能合約安全和審計

智能合約是區塊鏈應用的核心組成部分，但智能合約的漏洞和安全問題仍然存在。工具和方法的進一步發展將幫助開發者識別和解決智能合約中的潛在安全隱患。

4.去中心化身份和數字身份管理

隨著數字化的推進，去中心化身份和數字身份管理的重要性也在增強。研究和應用去中心化身份技術，以提供更安全、私密和可控的身份驗證和授權機制，是未來的發展趨勢。

四、結語

通過分析區塊鏈行業的概況，深入探討了區塊鏈安全技術的現狀和發展趨勢。從研究和實踐的角度來看，提高對區塊鏈系統中潛在安全風險的認識，并采取相應的技術措施來保護用戶的數據和資產安全，是推動區塊鏈安全技術創新和發展的重要方向。另外，區塊鏈發展還處于百家爭鳴階段，區塊鏈安全標準化的建立不容忽視。制定統一的安全標準和規范將有助于確保不同區塊鏈系統之間的應用和互操作性，并提供一致的安全保障。