區(qū)塊鏈與分享型數(shù)據(jù)庫

錢衛(wèi)寧，金澈清，邵奇峰，周傲英

華東師范大學數(shù)據(jù)科學與工程學院，上海 200062

1 區(qū)塊鏈

自2008年10月31日署名為“中本聰”的比特幣（Bitcoin）文章①https://www.bitcoin.org/bitcoin.pdf發(fā)布以來，加密數(shù)字貨幣已經(jīng)展示了構(gòu)建一個大型、去中心的分布式賬本的可能性。2014年10月22日，在大英圖書館舉辦的盛寶銀行研討會中，多位發(fā)言人都認為在比特幣風潮的背后，區(qū)塊鏈（blockchain）是真正有趣的技術(shù)②https://www.coindesk.com/saxo-bankevent-panelblock-chainintriguingbitcoin-fad/。幾乎同時，相對于比特幣的“區(qū)塊鏈1.0”技術(shù)，被認為是“區(qū)塊鏈2.0”技術(shù)代表的以太坊[1]項目發(fā)布，而Hyperledger項目③https://www.zurich.ibm.com/dccl/papers/cachin_dccl.pdf也隨后在2015年發(fā)布。時至今日，區(qū)塊鏈已成為一大批應(yīng)用的支撐技術(shù)。

雖然區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展迅速，區(qū)塊鏈系統(tǒng)、平臺、應(yīng)用層出不窮，但是它們大都具備以下5個特點。

首先，它們都具有鏈式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。數(shù)據(jù)或交易信息被組織成區(qū)塊；一系列區(qū)塊構(gòu)成鏈；通過對前趨區(qū)塊進行數(shù)字簽名，并將簽名放入后繼區(qū)塊，構(gòu)造、維護區(qū)塊間的鏈接關(guān)系。區(qū)塊內(nèi)交易信息的順序組織以及區(qū)塊間的鏈式結(jié)構(gòu)能夠準確記錄交易流水，實現(xiàn)賬本的功能。

圖1 區(qū)塊鏈的鏈式結(jié)構(gòu)

其次，區(qū)塊鏈是防篡改的。區(qū)塊內(nèi)常用Merkle-tree[2]或其變種生成區(qū)塊的摘要信息，用于區(qū)塊內(nèi)容正確性校驗，而因為前趨區(qū)塊的簽名是后繼區(qū)塊的一部分，所以一個區(qū)塊其實包含了自鏈首開始的全部信息的摘要，可用于之前信息是否篡改的校驗。換言之，要修改一個已記錄在區(qū)塊鏈中的交易，需要修改其所在區(qū)塊后的所有區(qū)塊內(nèi)容，這往往需要極大的計算量或系統(tǒng)中大量節(jié)點的配合，因此通常難以實現(xiàn)，從而實現(xiàn)了防篡改。

第三，區(qū)塊鏈的存儲是分布式、去中心的，不依賴于單一中心節(jié)點。區(qū)塊鏈被多副本地存放在多個節(jié)點上。區(qū)塊鏈的更新需保持副本的同步更新。根據(jù)需要，節(jié)點間的分布式共識協(xié)議可以采用工作量證明（proof of work，POW）、實用拜占庭容錯（practical Byzantine fault tolerance，PBFT）[3]、拜占庭容錯Paxos[4,5]或權(quán)益證明（proof of stake，POS）④http://peerco.in/assets/paper/peercoin-paper.pdf等。雖然去中心的架構(gòu)擺脫了單點故障的問題，提升了系統(tǒng)的頑健性和防篡改的能力，但同時分布式共識協(xié)議也導致了較大的數(shù)據(jù)修改時延和很低的系統(tǒng)吞吐率。

第四，雖然支撐比特幣的區(qū)塊鏈只能支持簡單的交易記錄和查詢，但是新的區(qū)塊鏈平臺大都支持智能合約。智能合約指“以數(shù)字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執(zhí)行這些承諾的協(xié)議”⑤http://www.alamut.com/subj/economics/nick_szabo/smartContracts.html。它常用圖靈完備的通用編程語言或?qū)Ｓ谜Z言實現(xiàn)，用以定義區(qū)塊鏈平臺中復雜的商業(yè)邏輯。錯誤的智能合約實現(xiàn)可能引發(fā)嚴重的系統(tǒng)安全問題[6]⑥https://blog.ethereum.org/2016/07/20/hard-forkcompleted/2016。

第五，當前區(qū)塊鏈技術(shù)和系統(tǒng)的另一個重要特點是它們常和金融應(yīng)用（如加密貨幣、分布式賬本[7]、單據(jù)管理⑦http://xueshu.baidu.com/s?wd=paperuri%3A%289d1982f072 597f8b455f83fb eaf92d59%29&filter=sc_long_sign&tn=SE_xueshusource_2kduw22v&sc_vurl=http%3A%2F%2Fwww.freepa tentsonline.com%2F9679276.html&ie=utf-8&sc_us=15324929 70719900596、首次代幣發(fā)售和眾籌[8]、慈善⑧https://www.technologyreview.com/s/604144/how-blockchain-can-lift-up-the-worlds-poor/等）緊密關(guān)聯(lián)。區(qū)塊鏈技術(shù)以分布式、點對點的方式，提供了可信的賬本管理功能。

目前已有大量工作探索區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)理論、實現(xiàn)方法、應(yīng)用模型。本文試圖從數(shù)據(jù)管理的角度梳理區(qū)塊鏈技術(shù)，并從3個區(qū)塊鏈應(yīng)用出發(fā)，討論區(qū)塊鏈技術(shù)研究的需求與挑戰(zhàn)。

2 數(shù)據(jù)管理的本質(zhì)

在討論區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)管理問題之前，首先簡要介紹數(shù)據(jù)管理的核心問題。

廣義的數(shù)據(jù)管理包含數(shù)據(jù)的獲取、存儲、處理、利用等各個方面的問題。數(shù)據(jù)管理任務(wù)通常由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（database management system，DBMS）和相關(guān)工具承擔。自20世紀70年代關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論誕生以來，關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（relational database management system，RDBMS）由于其在各類數(shù)據(jù)管理應(yīng)用，特別是“關(guān)鍵任務(wù)（missioncritical）”應(yīng)用中表現(xiàn)出的良好易用性、通用性和性能，成為大量數(shù)據(jù)管理任務(wù)的首要甚至是唯一選擇。伴隨著RDBMS產(chǎn)業(yè)的壯大，數(shù)據(jù)庫理論以及存儲、索引、查詢執(zhí)行、查詢優(yōu)化、事務(wù)處理、并發(fā)控制等一系列數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展迅速[9-11]。

數(shù)據(jù)管理的核心問題包括數(shù)據(jù)及其處理方法的建模、數(shù)據(jù)管理任務(wù)實施和管理、系統(tǒng)性能優(yōu)化及其實現(xiàn)、系統(tǒng)的運維等多個方面。

2.1 數(shù)據(jù)模型抽象

數(shù)據(jù)模型的管理是數(shù)據(jù)管理的重要任務(wù)。數(shù)據(jù)模型包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作以及數(shù)據(jù)的完整性約束。正是由于提供了數(shù)據(jù)模型的抽象，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)才能服務(wù)于不同應(yīng)用，以統(tǒng)一的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查功能。

應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)模型是關(guān)系模型（relational model）。它將集合論和數(shù)理邏輯作為理論基礎(chǔ)，將被廣泛接受和使用的SQL語言用于數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)控制和事務(wù)控制。SQL語言是聲明型語言，與過程型的語言相比，簡化了開發(fā)者編寫數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的過程。

由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的巨大成功，很多時候，談?wù)摂?shù)據(jù)管理時就是指采用RDBMS進行數(shù)據(jù)管理。實際數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)模型常是關(guān)系模型的擴展，如對象—關(guān)系模型（object-relational model），它在關(guān)系模型的基礎(chǔ)上添加了用戶定義類型（UDT）、用戶定義函數(shù)（UDF）、觸發(fā)器（trigger）等功能[12]。

2.2 數(shù)據(jù)處理抽象

數(shù)據(jù)模型是對數(shù)據(jù)的抽象，而事務(wù)則是對數(shù)據(jù)處理流程的抽象。在RDBMS中，事務(wù)同樣由SQL語言實現(xiàn)。事務(wù)需要滿足事務(wù)語義，即“ACID”性質(zhì)，指事務(wù)的原子性（atomicity）、一致性（consistency）、隔離性（isolation）和持久性（durability）。正是由于有了事務(wù)處理，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)才可以實現(xiàn)以記賬和訂票為代表的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)管理，在充分利用系統(tǒng)硬件資源的同時，實現(xiàn)正確且高效（低時延、高通量）的數(shù)據(jù)處理[11]。

為了實現(xiàn)事務(wù)處理，DBMS提供了并發(fā)控制和恢復機制，前者主要用以保障事務(wù)的一致性和隔離性，而后者則主要保障原子性和持久性。DBMS中常需要維護數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)多個副本之間的一致性，如多個存儲節(jié)點之間或磁盤與緩存之間的一致性。這些副本存在于一個相對可信的系統(tǒng)環(huán)境內(nèi)部，因此其一致性維護需求不同于區(qū)塊鏈中分布式共識機制面對的需求。

在恢復機制中，常采用數(shù)據(jù)庫日志記錄對數(shù)據(jù)進行的操作和事務(wù)的提交、終止操作。數(shù)據(jù)庫日志從形式上與區(qū)塊鏈中順序記錄的交易流水類似。它們的不同點在于，DBMS中的日志存儲介質(zhì)是可信的，一般并不采用簽名對整個日志序列進行防篡改保護。另外，DBMS中的日志通常只在數(shù)據(jù)庫恢復時使用，而在很多區(qū)塊鏈平臺中，交易流水記錄是唯一的數(shù)據(jù)，因此也是數(shù)據(jù)查詢的對象。

DBMS提供多種形式的事務(wù)接口。存儲過程是一種常用的事務(wù)形式，它是預(yù)先編寫好的事務(wù)程序，存儲于服務(wù)器，被客戶端調(diào)用后執(zhí)行，并在執(zhí)行結(jié)束后將執(zhí)行結(jié)果返回給客戶端。

為了解決客戶端用過程型語言編寫的程序和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器聲明型語言的集合數(shù)據(jù)訪問之間的“阻抗失配（impedance mismatch）”問題，DBMS通常提供游標（cursor）功能，供客戶端程序以逐行記錄為單位與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行交互。

2.3 獨立性與透明性

DBMS提供的接口是聲明型的，其由系統(tǒng)自身實現(xiàn)。在實現(xiàn)時，系統(tǒng)提供了三層視圖和兩層映射，即視圖（外模式）—概念模式（模式）—物理模式（內(nèi)模式）三者之間的映射，如圖2所示[10]。這樣，當數(shù)據(jù)的存儲組織變化或應(yīng)用需求變化時，只需要修改相應(yīng)的模式映射關(guān)系，不用修改系統(tǒng)的其他部分，從而節(jié)約了系統(tǒng)和應(yīng)用的開發(fā)和維護成本。

圖2 數(shù)據(jù)管理的三層視圖、兩層映射

2.4 性能

提供數(shù)據(jù)管理獨立性與透明性的同時，DBMS將應(yīng)用開發(fā)者隔離在查詢執(zhí)行和事務(wù)執(zhí)行的具體細節(jié)之外，承擔了大部分的性能優(yōu)化問題。而性能是DBMS數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵問題。最早的RDBMS——System R的主要開發(fā)者之一Bruce Lindsay認為數(shù)據(jù)庫世界最重要的事情就是系統(tǒng)性能[13]?，F(xiàn)代DBMS通過緩存、索引、查詢執(zhí)行、查詢優(yōu)化、并發(fā)控制等技術(shù)，實現(xiàn)查詢和事務(wù)的計劃優(yōu)化和執(zhí)行優(yōu)化，如圖3所示。近年來，隨著大容量內(nèi)存、高速網(wǎng)絡(luò)、多核/眾核處理機技術(shù)的快速進步，現(xiàn)代DBMS也常通過內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)存儲、查詢和事務(wù)的并行執(zhí)行等技術(shù)提升系統(tǒng)性能。

圖3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能體系結(jié)構(gòu)概覽

2.5 工具與編程接口

除數(shù)據(jù)模式管理、查詢和事務(wù)處理以外，DBMS的管理、運維工具也是數(shù)據(jù)管理中的重要方面。1998年圖靈獎獲得者Jim Gray認為，易用、易管理是數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)要實現(xiàn)的重要目標[14]。此外，隨著近年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的規(guī)模越來越大，涉及的子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)源數(shù)目也逐步增加，因此數(shù)據(jù)集成也是數(shù)據(jù)管理的重要方面，需要專門的工具配合DBMS使用[15]。

3 作為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的區(qū)塊鏈

從數(shù)據(jù)管理角度看，區(qū)塊鏈是一個構(gòu)建在對等網(wǎng)絡(luò)上、采用鏈式存儲的可信數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。將區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行對比，有助于發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、實現(xiàn)方法的新研究問題，也有助于為這種新的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)尋找新應(yīng)用，為改造現(xiàn)有的技術(shù)和系統(tǒng)、適配新型應(yīng)用提供啟發(fā)。

表1 區(qū)塊鏈與DBMS對比

3.1 技術(shù)對比

表1列舉了區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)RDBMS的主要相似點和區(qū)別。首先，兩者都有順序組織的鏈式結(jié)構(gòu)，區(qū)別只在于其作用不同，區(qū)塊鏈的鏈式結(jié)構(gòu)就是數(shù)據(jù)的存儲組織形式，而RDBMS的日志則主要用于數(shù)據(jù)恢復。區(qū)塊鏈中并不單獨存儲數(shù)據(jù)庫的當前狀態(tài)，而數(shù)據(jù)庫的快照是RDBMS中支撐索引、查詢等優(yōu)化技術(shù)的基礎(chǔ)。

其次，RDBMS通常只提供一定程度的硬件容錯，但并不支持防篡改。防篡改是區(qū)塊鏈在對等網(wǎng)絡(luò)中確保數(shù)據(jù)可信的最重要特性。

第三，區(qū)塊鏈，特別是公有鏈，是完全去中心化的，構(gòu)建于對等網(wǎng)絡(luò)。即使是聯(lián)盟鏈，雖然有些系統(tǒng)采用主鏈—支鏈的形式組織節(jié)點，但是區(qū)塊鏈的各項實現(xiàn)機制都假設(shè)無中心節(jié)點存在。與之相反，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)都是強中心的，且認為中心節(jié)點是可信的。這直接導致了在確保數(shù)據(jù)一致性時，區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用的分布式共識算法通常只在分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中用以維護元數(shù)據(jù)。這是兩者性能差異巨大的最主要原因。

第四，當前的主要區(qū)塊鏈平臺并不提供所管理數(shù)據(jù)的模式管理。因此數(shù)據(jù)訪問方式也相應(yīng)地只提供過程型的應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）。缺乏聲明型的接口為復雜數(shù)據(jù)管理任務(wù)應(yīng)用的開發(fā)制造了困難，也成了區(qū)塊鏈系統(tǒng)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)交互和銜接的屏障。

此外，智能合約與RDBMS中的觸發(fā)器和存儲過程具有相似性。值得注意的是，在很多大型的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中，為了保持高性能以及遺留代碼的可維護性，常避免采用觸發(fā)器和存儲過程。

最后，區(qū)塊鏈和傳統(tǒng)RDBMS面向的應(yīng)用不同，區(qū)塊鏈正在承擔越來越多的金融領(lǐng)域跨部門、跨機構(gòu)、跨組織甚至跨行業(yè)的可信數(shù)據(jù)管理任務(wù)。

區(qū)塊鏈和RDBMS的區(qū)別不僅體現(xiàn)在架構(gòu)、功能和實現(xiàn)技術(shù)上，還體現(xiàn)在性能上。當前性能較好的區(qū)塊鏈平臺的數(shù)據(jù)訪問吞吐率見表2[16]。而根據(jù)事務(wù)處理性能委員會（TPC）的數(shù)據(jù)，在TPC-C基準評測下，吞吐率能達到近5萬TPS（transaction per second）⑨http://www.tpc.org/tpcc/results/tpcc_advanced_sort.asp。需要注意的是，TPC-C的負載復雜度遠遠超出當前區(qū)塊鏈平臺能支持的查詢和事務(wù)處理復雜度。和RDBMS相比，區(qū)塊鏈的性能劣勢限制了它在很多需要承受高負載壓力的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的推廣和使用。

3.2 面向領(lǐng)域的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計、實施、應(yīng)用開發(fā)邏輯是“一體適用（one-size-fitsall）”的，即DBMS是通用的，適用于任何領(lǐng)域的任何（結(jié)構(gòu)化）數(shù)據(jù)管理任務(wù)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展也依賴于這一指導思想。2005年，Stonebraker M[17]對這一指導思想提出了疑問。10年以后，獲得2014年度圖靈獎的Stonebraker M則很明確地宣告?zhèn)鹘y(tǒng)DBMS不再適用于任何應(yīng)用場合[18]。這既是由于新硬件的快速發(fā)展顛覆了傳統(tǒng)DBMS研發(fā)時基于的假設(shè)，也是因為應(yīng)用的多樣性導致一個系統(tǒng)優(yōu)化、平衡所有功能和性能指標是不可能的。

表2 部分區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能

隨后，另一位重要的數(shù)據(jù)庫學者Carey M[19]提出了更具建設(shè)性的指導思想，即“分類適用（one size fits a bunch）”，針對一個特定領(lǐng)域的特定需求，設(shè)計專用的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，例如高通量事務(wù)處理需要NewSQL系統(tǒng)、聯(lián)機分析處理（online analytical processing，OLAP）需要列存儲的數(shù)據(jù)庫、文本搜索需要檢索系統(tǒng)、海量和流數(shù)據(jù)處理需要流數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理和處理需要圖數(shù)據(jù)庫，不一而足[20]。

區(qū)塊鏈正是滿足加密貨幣應(yīng)用的可信記賬需求而生的專用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。于是，有兩個問題：區(qū)塊鏈是否也適用于其他可信數(shù)據(jù)管理任務(wù)？如何借鑒區(qū)塊鏈技術(shù)解決更廣泛或其他領(lǐng)域的可信數(shù)據(jù)管理問題？

4 應(yīng)用與討論

4.1 應(yīng)用1：基于區(qū)塊鏈的智能倉單管理系統(tǒng)

2016年，針對鋼鐵商品倉單抵押常見的虛假倉單、重復抵押等問題，研發(fā)了基于區(qū)塊鏈的智能倉單管理系統(tǒng)，提供倉單生成、流通、交易等各環(huán)節(jié)的可信管理，其應(yīng)用架構(gòu)如圖4所示[21]。這是一個典型的聯(lián)盟鏈應(yīng)用，相互協(xié)作的多個節(jié)點（機構(gòu)）通過區(qū)塊鏈共同管理倉單數(shù)據(jù)和倉單的交易、流通信息。與比特幣不同，鏈上的節(jié)點對信息的操作和使用方式不同。鏈上有倉單的擁有者（貨主）、管理者（倉庫）、監(jiān)管者（監(jiān)管公司）、查詢者（金融機構(gòu)）以及倉單抵押、流通、交易過程中涉及的扮演各種角色的節(jié)點。

圖4 區(qū)塊鏈的智能倉單管理系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

針對倉單數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化特點，系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)模式管理。參與單位常需要同時對鏈上的倉單信息和本地數(shù)據(jù)庫信息進行關(guān)聯(lián)，進而進行分析處理。系統(tǒng)在區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了鏈上、鏈下數(shù)據(jù)的一體化查詢處理。

4.2 應(yīng)用2：數(shù)據(jù)流通

安全屋是上海優(yōu)刻得信息科技有限公司的數(shù)據(jù)流通云服務(wù)平臺⑩https://www.ucloud.cn/site/safehouse.html。數(shù)據(jù)在安全屋內(nèi)共享，進行分析處理。在安全屋內(nèi)，一切數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)處理行為都被監(jiān)管與審計，只有數(shù)據(jù)處理結(jié)果可被“帶出”安全屋。系統(tǒng)中進出的數(shù)據(jù)與處理過程都使用區(qū)塊鏈進行記錄，供后續(xù)審計和分析使用。

當前的區(qū)塊鏈技術(shù)不足以支撐安全屋的所有記錄和監(jiān)管需求。一方面，數(shù)據(jù)分析包含大量機器學習和人工智能算法處理，比單純的交易記錄和事務(wù)處理要復雜很多，數(shù)據(jù)處理的記錄方式以及后續(xù)的審計方法都需要進一步探索。另一方面，安全屋內(nèi)數(shù)據(jù)處理流程審計的本質(zhì)是對數(shù)據(jù)項處理過程的回溯查詢[22]，當前的區(qū)塊鏈平臺對于回溯查詢支持仍較弱。

4.3 應(yīng)用3：政府治理

政府擁有大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。依賴這些數(shù)據(jù)，可進行精確、及時的政府治理。近年來，在我國的一些大中型城市，已經(jīng)出現(xiàn)一批利用交通監(jiān)控、社交媒體、行人騎行等各種數(shù)據(jù)進行城市規(guī)劃、城市管理的成功案例。

政府治理不僅依賴自身各職能部門的數(shù)據(jù)，也使用來自于企業(yè)和社會的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的分享、使用需要在一個統(tǒng)一、有監(jiān)管的平臺上進行，區(qū)塊鏈是實現(xiàn)平臺的自然選擇11https://ssrn.com/abstract=2709713 or http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.2709713。與加密貨幣的去中心化不同，政府治理可能是多中心或者弱中心的，節(jié)點在一定程度上可被認為是可信的。區(qū)塊鏈的架構(gòu)、共識機制設(shè)計，乃至數(shù)據(jù)的存儲方式、模型管理、查詢和事務(wù)處理技術(shù)都需要面向政府治理進行裁剪和定制。

4.4 討論

秉持“分類適用”的思想，可以看到，當前面向金融應(yīng)用的區(qū)塊鏈系統(tǒng)并非適用于所有領(lǐng)域。筆者認為，區(qū)塊鏈技術(shù)在以下3方面值得進一步深入探索。

首先，面向弱可信的弱中心或多中心的應(yīng)用環(huán)境，可信數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)架構(gòu)是一個重要問題。很多關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用都處在這樣的環(huán)境中，且社會的組織架構(gòu)本身以及政府職能部門監(jiān)管要求，共同決定了絕對的去中心化系統(tǒng)的適用范圍并不大。這就需要重新審視區(qū)塊鏈本身的結(jié)構(gòu)，研發(fā)更適合場景的系統(tǒng)。

在多中心的架構(gòu)下，華盛頓大學研發(fā)的對等網(wǎng)絡(luò)[23]上的數(shù)據(jù)管理原型系統(tǒng)Piazza[24]是一個有益的參考。Piazza系統(tǒng)中，每個節(jié)點維護自身的數(shù)據(jù)；節(jié)點間數(shù)據(jù)模式可能不同；節(jié)點與鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)庫間維護著數(shù)據(jù)模式的映射；一個節(jié)點上的查詢利用模式映射翻譯后可在對等網(wǎng)絡(luò)上傳播，從而訪問其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。這一組織方式比當前區(qū)塊鏈的節(jié)點數(shù)據(jù)全量備份更靈活。當然，Piazza的數(shù)據(jù)管理機制欠缺對于防篡改和事務(wù)處理的支持也很薄弱，還有大量工作值得探索和嘗試。

其次是系統(tǒng)的性能[16]。無論是分布式共識機制、事務(wù)處理，還是數(shù)據(jù)的存儲組織、索引、查詢乃至分析處理，區(qū)塊鏈系統(tǒng)都有極大的性能優(yōu)化和提升空間。而且?guī)缀跛袘?yīng)用都對區(qū)塊鏈的性能有較高的要求。

最后，鏈式結(jié)構(gòu)天然地保留了數(shù)據(jù)的歷史記錄，然而當前的區(qū)塊鏈系統(tǒng)對回溯查詢[22]的支持仍然薄弱，而回溯查詢對于審計、監(jiān)管等區(qū)塊鏈應(yīng)用而言又是必需的。因此，筆者認為實現(xiàn)高效、靈活的回溯查詢機制對于拓展區(qū)塊鏈應(yīng)用場景具有重要意義。此時，回溯不僅指對交易歷史記錄的回溯，也包括對機器學習等數(shù)據(jù)分析處理過程的回溯。

5 分享型數(shù)據(jù)庫

區(qū)塊鏈部分地解決了金融應(yīng)用中無中心的信任問題。在更廣泛的應(yīng)用場景中，如何在不依賴信用的前提下建立信任，是重要的研究問題。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域首先通過線上（online）數(shù)據(jù)共享，進而實現(xiàn)線下（offline）虛擬或物質(zhì)物品的分享，以實現(xiàn)資源的合理利用和價值提升。這一過程在共享單車的迅速崛起并隨之暴露大量的企業(yè)管理、政府治理、用戶行為問題的歷程中得到了充分的體現(xiàn)。共享單車等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展說明我國在商業(yè)模式創(chuàng)新方面已經(jīng)走到了世界的前沿，商業(yè)模式的創(chuàng)新能否轉(zhuǎn)化為科技創(chuàng)新的驅(qū)動力則是一個國家創(chuàng)新能力的標志。需要發(fā)展新的數(shù)據(jù)管理技術(shù)來為企業(yè)的日常運營、城市的有效治理提供有力的支撐。

能支撐新的數(shù)據(jù)管理需求的系統(tǒng)可以稱為“分享型數(shù)據(jù)庫（sharing d a t a b a s e）”，它應(yīng)能支持核心業(yè)務(wù)（mission-critical application），支撐分享經(jīng)濟業(yè)務(wù)模式（business model），甚至本身也是以分享經(jīng)濟的方式實現(xiàn)的分享經(jīng)濟時代的數(shù)據(jù)庫。區(qū)塊鏈已經(jīng)展示了面向特定領(lǐng)域應(yīng)用，設(shè)計實現(xiàn)這樣的系統(tǒng)的可能性。但在更多的領(lǐng)域，需要類似區(qū)塊鏈的分享型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)解決可信數(shù)據(jù)管理的問題。

分享型數(shù)據(jù)庫應(yīng)秉承“分類適用”的理念，與領(lǐng)域和應(yīng)用緊密結(jié)合。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)不同，分享型數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)形態(tài)將是多樣的：對于涉及“人—財—物”的應(yīng)用，提供完善的事務(wù)處理機制以及一體化的數(shù)據(jù)獲取和管理；對于復雜數(shù)據(jù)的管理，提供結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型和模式的管理；對于涉及數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用，提供豐富的時序和回溯查詢支持；對于涉及數(shù)據(jù)處理審計的應(yīng)用，則在日志的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)事務(wù)、統(tǒng)計乃至機器學習算法處理流程和結(jié)果的理解和記錄；分享型數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)也與應(yīng)用相對應(yīng)，可能是去中心的，也可能是弱中心或者多中心的。

信息化是業(yè)務(wù)發(fā)展和改革的基礎(chǔ)，很多時候也是改革的先鋒，甚至引領(lǐng)應(yīng)用創(chuàng)新。筆者相信，與區(qū)塊鏈促進了金融技術(shù)（FinTech）的演進一樣，分享型數(shù)據(jù)庫將伴隨分享經(jīng)濟而快速發(fā)展。

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