| 基于区块链的网络安全体系结构与关键技术研究进展 |
| 来源：一起赢论文网 日期：2022-01-16 浏览数：807 【 字体： 大 中 小 大 中 小 大 中 小 】 |
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第４４ 卷 第１ 期２０２１ 年１ 月计 算机 学 报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＭＰＵＴＥＲＳＶｏｌ ．４４Ｎｏ．１Ｊａｎ． ２０２１基于区块链的网络安全体系结构与关键技术研究进展徐 恪 凌思通＾李 琦２ ） ’ ３ ）吴 波５ ）沈 蒙６）张智超ｎ’２）姚 苏ｕ’２）刘 昕７）李 琳７）清华大学计算机科学与技术系 北京１００ ０８４）２ ）（北京信息科学与技术国家研究中心 北京 １０００ ８４）３ ）（清华大学网络科学与网络空间研究院 北京 １００ ０８ ４）４ ）（鹏城实验室 广东 深圳 ５１８０００）５ ）（华为技术有限公司２０１２ 实验室 北京 １０００ ８５）６）（北京理工大学计算机学院 北京１０００８ １）７）（咪咕文化科技有限公司 北京 １〇〇〇８８）摘 要 随着互联网技术的不断演进与用户数量的“爆炸式”增长， 网络作为一项基础设施渗透于人们生存、 生活的各个方面， 其安全问题也逐渐成为人们日益关注的重点． 然而， 随着网络规模的扩大以及攻击者恶意行为的多样化、复杂化， 传统网络安全体系架构及其关键技术已经暴露出单点信任、部署困难等诸多问题， 而具备去中心化、 不可篡改等特性的区块链技术为网络安全所面临的挑战提供了新的解决思路． 本文从网络层安全、 应用层安全以及ＰＫＩ 安全三方面对近几年基于区块链的网络安全体系结构与关键技术研究进行梳理， 并将区块链的作用归类为真实存储、真实计算、 真实激励三种情形． 针对区块链的具体应用领域， 本文首先介绍了该领域的安全现状， 然后对区块链的具体应用研究进行了介绍， 并分析了区块链技术在该领域所存在的优势． 本文最后结合现有的解决思路对未来区块链应用中所需要注意的隐私问题、 可扩展性问题、安全问题以及区块链结构演进的方向进行了分析， 并对未来基于区块链的网络安全体系结构与关键技术研究进行了展望．关键词 区块链； 网络安全体系结构； 网络层安全； 应用层安全； ＰＫＩ 安全中图法分类号ＴＰ３ ９３ＤＯＩ号１ ０．１ １８９ ７／ＳＰ．Ｊ．１０１ ６．２０２１．０００５５ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＮｅｔｗｏｒｋＳｅｃｕｒｉｔｙＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＢａｓｅｄｏｎＢｌｏｃｋｃｈａｉｎＸＵＫｅ１ ） ， ２ ） ， ４）ＬＩＮＧＳｉ Ｔｏｎｇ１ ） ， ２ ）ＬＩＱｉ２ ） ， ３）ＷＵＢｏ５ ）ＳＨＥＮＭｅｎｇ６ ）ＺＨＡＮＧＺｈｉ Ｃｈａｏ１）， ２）ＹＡＯＳｕ１）， ２）ＬＩＵＸｉ ｎ７）ＬＩＬｉ ｎ７）１ ：）｛ ＤｅｐａｒＬｍｅｎＬｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ？ ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ＾ Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８ ４）２）｛ＢｅｉｊｉｎｇＮａｔｉ ｏｎａｌＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔ ｅｒｆｏｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＾Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４）３）｛Ｉｎｓｉ ｉ ｉｕｉ ｅｆｏｒＮｅｔ ｗｏｒｋＳｃｉ ｅｎｃｅａｎｄＣｙｂｅｒｓｐａｃｅ？ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉ ｖｅｒｓｉ ｔｙ？， Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４）４ ）｛ ＰｅｎｇＣｈｅｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙ？Ｓｈｅｎｚｈｅｎ－，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５１８００ ０）５）（２０１２Ｌａｂｓ＾ＩｌｕａｗｅｉＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ ． ｂｉｄ． ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８５）６）｛ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔ ｅｒＳｃｉ ｅｎｃｅ？ ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓＬ ｉＬ ｕＬ ｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＾Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１）７）（ ＭｉｇｕＣｕＵｕｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ． ，Ｌｉｄ＾Ｂｅｉｊｉ ｎｇ１０００８８）ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｅｖｏｌ ｕｔｉ ｏｎｏｆＩｎｔｅｒｎｅｔｔｅｃｈｎｏｌ ｏｇｙａｎｄｔｈｅｅｘｐｌ ｏｓｉ ｖｅｌ ｙｉ ｎｃｒｅａｓｉ ｎｇ收稿日期：２０２０ ０２０８； 在线发布日期：２０２０ ０５０９． 本课题得到国家重点研发计划课题（２０１８ＹＦＢ０８０３４０５） 、 国家杰出青年科学基金（６１８２５２ ０４） 、 国家自然科学基金（６１９３２０１６，６１８０２２２２） 、 北京髙校卓越青年科学家计划项目（ＢＪＪＷＺＹＪＩ Ｉ０ １２０１ ９１０００３０１１） 、 国家研究中心项目（ ＢＮＲ２０１９ＲＣ０１０１１） 、 鹏城实验室大湾区未来网络试验与应用环境项目（ＬＺＣ００１９） 、 华为技术有限公司委托项目（Ｉ ＩＦ２０１９０１５００３）资助． 徐 恪， 博士， 教授， 博士生导师， 主要研究领域为互联网体系架构、 髙性能路由器、Ｐ２Ｐ网络、 物联网和网络经济学． Ｅｍａｉｌ ： ｘｕｋｅ＠ｍａｉｌ，ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ． 凌思通， 硕士研究生， 主要研究方向为区块链与网络安全． 李 琦， 博士， 副教授， 主要研究方向为网络安全、 隐私保护、 大数据安全等． 吴 波， 博士， 主要研究方向为网络体系结构、 网络安全、 下一代互联网、 区块链． 沈 蒙， 博士， 副教授， 主要研究方向为网络安全和云计算中的隐私保护算法等．张智超， 硕士研究生， 主要研究方向为联邦学习、 网络安全和区块链．姚 苏， 博士， 助理研究员， 主要研究方向为下一代互联网体系结构和网络安全．刘 昕， 博士， 工程师， 主导业务包括平台开发、 大数据、 产品设计和５Ｇ等．李 琳， 硕士， 工程师， 主导业务包括互联网平台开发、 产品设计、 大数据开发、 系统操作和故障排除等．５ ６ 计 算机 学 报 ２０２１年ｎｕｍｂｅｒｏｆｕｓｅｒｓ，ｔｈｅＩｎｔｅｒｎｅｔｈａｓｂｅｃｏｍｅａｎｉ ｎｔ ｅｇｒａｌｐａｒｔｏｆｐｅｏｐｌ ｅ？ｓｄａｉｌ ｙｌｉ ｆｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｎｅｔｗｏｒｋｓｅｃｕｒｉ ｔｙｈａｓｂｅｃｏｍｅｔｈｅｆｏｃｕｓｏｆａｔｔｅｎｔｉ ｏｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｏｉｎｇｍｕｃｈｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓｅｃｕｒｉｔｙ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐａｎｓｉ ｏｎｏｆｎｅｔｗｏｒｋｓｃａｌ ｅａｎｄｔｈｅｄｉｖｅｒｓｉ ｆｉｃａｔｉ ｏｎｏｆａｔｔａｃｋｅｒｓ？ｍｉ ｓｂｅｈａｖｉ ｏｒｓ，ｓｏｍｅｄｒａｗｂａｃｋｓｈａｖｅｂｅｅｎｅｘｐｏｓｅｄｔｏｔｒａｄｉ ｔｉ ｏｎａｌｎｅｔｗｏｒｋｓｅｃｕｒｉ ｔｙａｒｃｈｉ ｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｉ ｔｓｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌ ｏｇｉ ｅｓ． Ｆｉ ｒｓｔ ｌｙ，ｍｏｓｔｏｆｔｏｄａｙ’ｓｎｅｔｗｏｒｋｓｅｃｕｒｉ ｔｙｉ ｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｓｕｃｈａｓＰＫＩａｎｄＲＰＫＩ，ａｒｅｒｅａｌｉ ｚｅｄａｓａｃｅｎｔｒａｌｉ ｚｅｄａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｃｙｂｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｓｂｕｉ ｌ ｔｏｎｔｈｅｔｒｕｓｔｉ ｎｔｈｅｓｅｃｅｎｔｒａｌ ｉｚｅｄｉ ｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｅｘｐｏｓｅａｓｉ ｎｇｌ ｅｐｏｉ ｎｔｏｆｔｒｕｓｔｐｒｏｂｌ ｅｍ．Ｔｈｅｉ ｎｃｉ ｄｅｎｔｓｏｆＤｉｇｉＮｏｔａｒｈａｃｋｅｄｔｏｉｓｓｕｅｔｈｅｍａｌ ｉｃｉｏｕｓｃｅｒｔｉ ｆｉｃａｔｅｆｏｒｍｏｒｅｔｈａｎ５００ｗｅｂｓｉｔｅｓａｎｄＳｙｍａｎｔｅｃ’ｓｍｉｓｉ ｎｆｏｒｍａｔｉ ｏｎｏｆｍｏｒｅｔｈａｎ３００００ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅｅｘｔｅｎｓｉ ｏｎｖｏｕｃｈｅｒｓａｌ ｌｉ ｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｏｎｃｅｉ ｎｃｉ ｄｅｎｔｓｏｃｃｕｒｉ ｎｔｈｅｓｅｔｒｕｓｔｃｅｎｔｅｒｓ，ｉｔｗｉｌ ｌｂｅａｓｅｖｅｒｅｉ ｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｅｎｔｉｒｅＩｎｔｅｒｎｅｔ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｓｉ ｎｃｅｅａｒｌｙｎｅｔｗｏｒｋａｒｃｈｉ ｔｅｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎａｔｉ ｏｎｄｉ ｄｎｏｔｓｅｒｉ ｏｕｓｌｙｃｏｎｓｉ ｄｅｒｓｅｃｕｒｉ ｔｙ，ｔｈｅｄｅｐｌ ｏｙｍｅｎｔｏｆｍａｎｙｌ ａｔｅｒｐｒｏｐｏｓｅｄｓｅｃｕｒｉｔｙｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｗｉｌ ｌｍｏｄｉ ｆｙｅｘｉｓｔｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓａｎｄａｆｆｅｃｔｎｅｔｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｒｅａｒｅｄｉ ｆｆｉｃｕｌ ｔｉｅｓｉ ｎｔｈｅａｃｔｕａｌｄｅｐｌ ｏｙｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｅｓｅｃｕｒｉ ｔｙｍｅｃｈａｎｉ ｓｍｓ．Ｂｅｓｉ ｄｅｓ，ｗｉｔｈｔｈｅａｄｖｅｎｔｏｆｔｈｅＩｏＴｅｒａ，ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ？ｓｃｏｍｐｌ ｅｘｉ ｔｙｗｉ ｌ ｌｃｏｎｔｉ ｎｕｅｔｏｅｘｐａｎｄ，ａｎｄｎｅｔｗｏｒｋｓｅｃｕｒｉｔｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉ ｏｎｓｈｏｕｌ ｄｂｅｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｄｂｙｍａｎｙｏｒｇａｎｉ ｚａｔｉ ｏｎｓａｎｄｅｖｅｎｔｈｅｗｈｏｌ ｅｐｅｏｐｌ ｅ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅｉ ｓａｌ ａｃｋｏｆａｒｅｌ ｉａｂｌｅｉｎｃｅｎｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉ ｓｍｔｏｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｈｅｃｏｏｐｅｒａｔｉ ｏｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉ ｆｆｅｒｅｎｔｏｒｇａｎｉｚａｔｉ ｏｎｓａｎｄｍｏｂｉ ｌ ｉ ｚｅｕｓｅｒｓ？ｅｎｔｈｕｓｉａｓｍｔｏｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｉ ｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｓｅｃｕｒｉｔｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉ ｏｎ．Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｔｈｅｒｅｉｓｎｏｇｏｏｄｓｏｌ ｕｔｉ ｏｎｆｏｒｔｈｅｓｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｂｕｔｅｍｅｒｇｉ ｎｇｔｅｃｈｎｏｌ ｏｇｙｂｌｏｃｋｃｈａｉ ｎｐｒｏｖｉ 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Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｉ ｓｐａｐｅｒｐｒｏｓｐｅｃｔｓｆｕｔｕｒｅｎｅｔｗｏｒｋｓｅｃｕｒｉｔｙａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌ ｏｇｉｅｓｂａｓｅｄｏｎｂｌ ｏｃｋｃｈａｉｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｂｌ ｏｃｋｃｈａｉ ｎ；ｎｅｔｗｏｒｋｓｅｃｕｒｉ ｔｙａｒｃｈｉ ｔｅｃｔｕｒｅ；ｎｅｔｗｏｒｋ ｌ ａｙｅｒｓｅｃｕｒｉ ｔｙ；ａｐｐｌ ｉ ｃａｔｉ ｏｎｌ ａｙｅｒｓｅｃｕｒｉ ｔｙ；ＰＫＩｓｅｃｕｒｉ ｔｙ徐 恪等： 基于区块链的网络安全体系结构与关键技术研究进展 １ 期１ 引 言自从１９６９ 年ＡＲＰＡＮＥＴ正式投人运行以来，互联网已经发展了５０ 余年， 从最初的仅有４ 个节点到如今全球接近４４ 亿网络用户， 从最初仅用于军事研究目的到如今“互联网＋”涵盖各个领域， 互联网已经作为一项基础设施渗透于人们生存、 生活的各个方面． 然而， 互联网技术在为人们带来诸多便利的同时， 其安全隐患也给人们的生活、财产带来了严峻的挑战． 从２０１８ 年２ 月黑客攻击韩国冬奥会致使会场网络中断￥到２０１８ 年８ 月全球最大的半导体制造商台积电遭受ＷａｎｎａＣｒｙ恶意病毒袭击？， 再到２０１８ 年底万豪酒店集团五亿客户隐私数据泄露？，各种网络安全事件都表明，一旦网络遭受攻击， 将对人们的生活造成极其严重的影响．因此， 如何确保网络安全是网络发展的重点研究对象．一直以来， 研究者们在网络安全领域开展了大量的研究工作， 但是随着网络规模的扩大以及恶意攻击行为的多样化复杂化， 传统网络安全体系结构已经暴露出诸多弊端． 首先， 如今的大部分网络安全基础设施都是基于中心化的体系架构， 例如公钥基础设施（ ＰｕｂｌｉｃＫｅｙＩｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ＰＫＩ） 和资源公钥基础设施（ＲｅｓｏｕｒｃｅＰＫＩ， ＲＰＫＩ）？ 然而， 作为许多现有网络安全技术的信任中心， 这些基础设施却暴露出了严重的单点信任问题． 荷兰安全证书提供商Ｄｌｇｌ Ｎ〇ｔａｒ 遭受人侵为超过５００ 个网站发布恶意证书？， 以及证书颁发机构赛门铁克误发超过三万个证书扩展凭证？等事件都表明，一旦这些信任中心发生事故， 将对整个互联网造成严重的影响． 其次，由于网络架构的早期设计并没有详细考虑安全问题， 而许多后来提出的安全机制（ 例如ＤＮＳｓｅｃ［１］和ＢＧＰｓｅｃ［ ２ ］） 不仅需要对现有网络协议进行改动， 而且还会严重影响网络的运行效率， 从而造成这些机制实际部署上的困境； 此外， 随着万物互联时代的到来， 网络的复杂度将持续扩大， 网络安全建设应该由现阶段的不同组织独立参与发展为多组织协同参与甚至全民参与， 然而目前还缺乏一套可信的激励机制来协调不同组织之间的合作， 并调动大家参与网络安全建设的积极性． 针对这些问题， 区块链技术的出现提供了新的解决思路．区块链是一种集成了Ｐ２Ｐ技术、 密码学、 共识机制以及分布式存储技术的可信分布式数据库， 并且具有可审计、 去中心化、不可篡改等特点［ ３ ］． 正是这些特点促使大量研究人员将区块链应用于网络安全领域． 然而， 现阶段却缺乏对这些研究的系统性梳理工作，２０１７ 年赵阔等人的工作［４］以及我们的前期工作［ ５］都是针对物联网安全领域， 因此没能对区块链在网络安全领域的应用进行系统性介绍； 陈迪等人［ ６ ］的工作主要是对区块链在域间路由安全的应用进行介绍； Ｔａｒａ 等人［７］的工作虽然对基于区块链的安全服务进行介绍， 但并不是主要针对网络安全领域， 其中只是涉及ＰＫＩ、数据隐私、溯源三个方面； 与本文最相似的一篇综述则是来自于２０１８ 年陈烨等人［ ８ ］， 该文章介绍了区块链在网络数据安全和隐私保护、 物联网设备的权限管理以及ＤＤｏＳ 防御三方面的应用， 但该文章所涉及的区块链应用场景较少，且没能对这些应用研究进行分类梳理， 也没能对区块链应用于网络安全所要注意的问题进行分析． 本文对近几年基于区块链的网络安全体系结构与关键技术研究进行梳理， 以ＴＣＰ／ＩＰ网络体系架构为基准， 从网络层安全、 应用层安全以及ＰＫＩ 安全三方面介绍了基于区块链的网络安全体系结构与关键技术研究的最新进展， 并系统性地分析了区块链应用于网络安全领域的优势与不足．本文第２ 节对区块链体系结构与原理进行介绍； 第３ 节对区块链在网络安全的应用进行概述； 之后第４？６ 节分别对区块链在网络层安全、应用层安全以及ＰＫＩ 安全的应用进行具体展开介绍； 第７ 节针对区块链应用在网络安全过程中所需要注意的隐私问题、可扩展性问题、安全问题以及区块链结构演进方向进行分析与展望； 最后对全文进行总结．２ 区块链体系结构区块链这一概念最早起源于２００８ 年中本聪发布的比特币白皮书［９］， 之后分别经历了以太坊［１°］为代表的智能合约时代和ＨｙＰｅｒｌ ｅｄｇｅｒ［ １ １ ］为代表的联盟链时代的发展， 如今区块链已经应用到了数字货①ＨａｃｋｅｒｓＴａｒｇｅｔｅｄｔｈｅＷｉｎｔｅｒＯｌｙｍｐｉｃｓＯｐｅｎｉｎｇＣｅｒｅｍｏｎｙｔ ｏ４Ｅｍｂａｒｒａｓｓ？Ｓｏｕｔ ｈＫｏｒ |
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