鐵路客運私有鏈共識機制關鍵技術研究

周亮瑾，王富章

ZHOU Liang-jin, WANG Fu-zhang

（中國鐵道科學研究院?研究生部，北京?100081)

(Postgraduate Department, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

近年來，隨著鐵路客運信息化建設與發(fā)展，以及數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術的興起，為鐵路行業(yè)智能化發(fā)展打下了良好的基礎。在“互聯(lián)網(wǎng)+”大數(shù)據(jù)快速發(fā)展中，鐵路客運管理對大數(shù)據(jù)服務的共享度、準確性要求日趨提高。鐵路客運私有鏈是采用基于區(qū)塊鏈技術構建的鐵路行業(yè)的區(qū)塊鏈，其終端節(jié)點由所有產(chǎn)生客運交易的終端設備構成，如售票終端、退票終端、改簽終端、廢票終端、檢票終端、驗票終端、制票終端等；各節(jié)點客運相關業(yè)務產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，從核驗、儲存、傳輸、到實時訪問，采用基于區(qū)塊鏈技術中的共識機制組織，實現(xiàn)各個節(jié)點共同參與、共同治理、共同管理、共同使用客運數(shù)據(jù)，因而結合鐵路客運業(yè)務環(huán)境和應用場景，研究基于區(qū)塊鏈技術構建鐵路客運私有鏈，將現(xiàn)有的客運大數(shù)據(jù)的集中授權管理架構優(yōu)化為去中心的自治管理，緩解集中管理方式下存在的單點故障、集中訪問瓶頸、數(shù)據(jù)不一致、效率低下等問題。因此，構建鐵路客運私有鏈的核心是在私有鏈各個節(jié)點上生成客運交易數(shù)據(jù)，為保證合法數(shù)據(jù)入鏈這一功能的實現(xiàn)，需要通過區(qū)塊鏈技術中的共識機制組織完成，結合鐵路客運應用環(huán)境，進一步研究鐵路客運私有鏈共識機制。

1 鐵路客運私有鏈共識機制分析

1.1 區(qū)塊鏈技術與共識機制

區(qū)塊鏈技術具備共治、共享、去中心、防篡改、可追蹤等特征，是新興的一種互聯(lián)網(wǎng)分布式記賬技術，與依靠中心認證機構提供的結算服務來核驗并處理所有交易數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)支付系統(tǒng)不同，區(qū)塊鏈沒有中心認證機構，幾乎所有的完整節(jié)點都有一份公共總賬的備份，這份總賬可以被視為經(jīng)過認證的記錄[1-3]。區(qū)塊鏈的去中心特性研究始于比特幣，其交易核驗與存儲并不是由一個中心認證機構創(chuàng)造的，而是由網(wǎng)絡中的所有節(jié)點各自獨立競爭完成，即網(wǎng)絡中的所有節(jié)點，依靠著節(jié)點間網(wǎng)絡連接所傳輸?shù)男畔ⅲ罱K得出同樣的結果并維護同一個公共總賬[4-6]。區(qū)塊鏈的形態(tài)有公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈，其核心區(qū)別在于訪問權限的開放程度。共識機制是通過代碼設計來實現(xiàn)信任，即確定區(qū)塊鏈的區(qū)塊構造者，以及維護全網(wǎng)數(shù)據(jù)一致性問題，是區(qū)塊鏈不可或缺的內(nèi)容。共識機制主要包括工作量證明機制 (Proof of Work，POW)、權益證明機制 (Proof of Stake，POS)、股份授權證明機制(Delegated Proof of Stake，DPOS) 3 種類型，需要根據(jù)區(qū)塊鏈不同的基礎鏈、實現(xiàn)應用或者商業(yè)模式選擇不同的共識機制。

（1）工作量證明機制。該機制用工作結果來證明記賬權歸屬，每個區(qū)段都有對應的哈希值，通過計算來決定對區(qū)塊鏈區(qū)塊的記賬權。為爭取記賬權，需要加強算力，以計算出正確的哈希值。比特幣的共識機制采用哈希函數(shù) SHA256 算法，其特點包含容錯性好，需要全網(wǎng)參與運算、資源消耗大，節(jié)點計算時效長。因此，記賬權要求具有較強的節(jié)點算力，提高節(jié)點計算效率。

（2）權益證明機制。該機制采用記賬權歸節(jié)點權益持有量的多少表示獲得記賬權的大小，持有的代幣越多，獲得記賬權的可能性越大，累積的節(jié)點余額越高。

（3）股份授權證明機制。該機制類似于董事會投票，持幣者投出一定數(shù)量的節(jié)點，代理們進行核驗和記賬，為了激勵更多人參與競選，系統(tǒng)會產(chǎn)生少量代幣作為獎勵。該機制對于聯(lián)盟鏈較為適合。

1.2 鐵路客運私有鏈共識機制

鐵路客運私有鏈是基于區(qū)塊鏈技術、在鐵路客運信息領域建立的適合鐵路客運應用環(huán)境的一種分布式技術架構和計算范式，它利用塊鏈式數(shù)據(jù)結構來核驗和存儲算法、利用節(jié)點共識機制來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學來保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問安全。

鐵路客運私有鏈的主要優(yōu)勢包括：有助于隱私信息的保護，有效實現(xiàn)節(jié)點交易數(shù)據(jù)分布，有利于局部信息快捷訪問，弱化中心體系架構下的中心壓力[7-8]，提高節(jié)點交易效率。鐵路客運交易私有鏈共識機制采用工作量證明機制，將鐵路客運私有鏈上產(chǎn)生的交易數(shù)據(jù)進行核驗，來保證數(shù)據(jù)的合法性和正確性，解決客運生產(chǎn)環(huán)境各節(jié)點記賬權問題。例如，由于客票采用實名制，交易記錄著用戶的交易信息和實名信息，因而必須持有客運網(wǎng)絡專用的營業(yè)執(zhí)照方可辦理售票交易，參與客運私有鏈的建立。以客票系統(tǒng)每日交易量為 2 000 萬次為基礎計算，每秒交易 231 次，考慮到 23 ∶ 00 至次日 6 ∶ 00 為業(yè)務辦理低谷，則每秒辦理業(yè)務 327 次，每分鐘接近 2 萬次。按照這樣的交易辦理速度，鐵路客運私有鏈要求共識機制必須快速收斂、對立組塊、迅速成鏈，確保鐵路客運私有鏈高效且穩(wěn)定。

2 鐵路客運私有鏈共識機制關鍵技術

2.1 終端交易的獨立核驗

區(qū)塊鏈技術中，交易核驗是節(jié)點在網(wǎng)絡中發(fā)布交易數(shù)據(jù)，傳遞至臨近節(jié)點，每一個收到交易的節(jié)點首先進行交易數(shù)據(jù)核驗，確保只有合法的交易數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳播，無效交易數(shù)據(jù)將會在第一個節(jié)點處被廢棄。鐵路客運私有鏈的交易核驗，采用雙維交易核驗法進行交易核驗，即區(qū)塊核驗和業(yè)務核驗相結合的核驗方式。區(qū)塊核驗即傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈交易核驗，通過采用哈希根值核驗算法，確保交易節(jié)點的合法性。業(yè)務核驗則是核驗客運交易雙方的真實性，從列車票額服務的排他性和旅客交易的唯一性 (單日、單車、單方向)，確保交易的真實性。交易核驗流程示意圖如圖1 所示。

圖1 交易核驗流程示意圖Fig.1 Transaction verif i cation process

（1）根據(jù)各個終端辦理的業(yè)務類型，按區(qū)塊交易類型約定，填寫交易內(nèi)容，交易的語法和數(shù)據(jù)結構必須正確。記錄交易的字節(jié)數(shù)小于 MAX_BLOCK_SIZE。輸入節(jié)點最新區(qū)塊哈希值、交易票額屬性、加密后旅客屬性。

（2）區(qū)塊核驗。保證提交交易的終端節(jié)點自身是合法節(jié)點。業(yè)務核驗。對交易的交時間、票額的席位屬性 (如交易時間應晚于席位占用時間，席位占用區(qū)段、日期、席別與交易記錄一致等) 進行核驗。旅客部分信息核驗。對旅客信息的后 11 位，進行基本邏輯核驗和旅客出行時間邏輯一致性核驗。如果交易核驗沒有通過，交易數(shù)據(jù)被丟棄，否則交易數(shù)據(jù)進入一個候補區(qū)塊等待入鏈。

（3）核驗評級。記錄節(jié)點最新區(qū)塊產(chǎn)生時間與核驗完畢時間的差值。在收到交易數(shù)據(jù)后，每一個節(jié)點按照接收時的順序，為有效的新交易數(shù)據(jù)建立一個暫時存放用的內(nèi)存池，并對這些交易進行獨立核驗。核驗評級，用于輔助識別異常節(jié)點，如長時間靜默節(jié)點。

2.2 私有鏈區(qū)塊的構建

區(qū)塊是構成私有鏈的基礎結構，由各個交易節(jié)點負責產(chǎn)生。在一個區(qū)塊建立周期內(nèi)，交易被核驗后，節(jié)點將這些交易添加到自己的內(nèi)存池中。內(nèi)存池用來暫存尚未被加入到區(qū)塊的交易記錄。交易節(jié)點記錄核驗交易的同時，繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡上的交易，節(jié)點同時收集、核驗、中繼網(wǎng)絡上接收道德新的交易數(shù)據(jù)，監(jiān)聽其他節(jié)點發(fā)現(xiàn)的新區(qū)塊，伺機把這些交易整合到一個候選區(qū)塊中。節(jié)點間通過工作量證明機制競爭獲得記賬權后，終端節(jié)點需要為內(nèi)存池中的每筆交易分配一個優(yōu)先級，并選擇較高優(yōu)先級的交易記錄來構建候選區(qū)塊。交易的優(yōu)先級是由交易產(chǎn)生的“交易齡”決定，“交易齡”大的交易比那些新的交易擁有更高的優(yōu)先級，以保證客運業(yè)務的交易記錄的及時性。

構建區(qū)塊的過程可以分為 3 步：①終端節(jié)點產(chǎn)生一個未注冊 (候選) 區(qū)塊；②通過求解工作量證明算法獲取記賬權；③注冊區(qū)塊鏈，成為 (正式) 區(qū)塊。這個過程中，最重要的就是通過工作量證明算法節(jié)點獲得記賬權。當終端節(jié)點在工作時，接受從客票網(wǎng)絡收到產(chǎn)生的區(qū)塊，同時為產(chǎn)出區(qū)塊開始準備。在一個區(qū)塊建立周期內(nèi)，終端節(jié)點在完成交易的同時為下一個區(qū)塊做準備。

2.3 節(jié)點的工作量證明

鐵路客運業(yè)務中，節(jié)點的工作量證明是結合客運運營業(yè)務背景設計實現(xiàn)的。它以節(jié)點業(yè)務交易量和交易齡為基礎，獲得節(jié)點工作量證明的價值，這種方式被稱為有價值工作量證明 (Valuable POW，VPOW)。VPOW 不同于傳統(tǒng) POW，傳統(tǒng)的 POW 通過各個節(jié)點的算力證明確定記賬權。這對于交易系統(tǒng)而言，計算資源耗費大，生產(chǎn)系統(tǒng)難以支付這一開銷，需要尋找合適的共識機制，讓所有節(jié)點迅速達成共識，而不過度消費算力資源。有價值工作量證明正是基于此而設計的，其基本思想是將各個節(jié)點的算力進行復用，試圖將交易算力與記賬算力進行融合，從而將記賬權的共識通過有價值工作量證明得以達成。

觀察線下業(yè)務，選擇 5 個車站分別統(tǒng)計車站窗口、代售點窗口和自動售票機分時段售票情況，車站分時段交易量觀察如圖2 所示。從圖2 中可以看出車站業(yè)務交易量不具備明顯的規(guī)律性。

觀察不同時間間隔，鐵路各個窗口辦理售票交易的辦理張數(shù)，得到不同時間間隔售票業(yè)務交易熱力圖如圖3 所示。

圖2 車站分時段交易量觀察Fig.2 The periodic transaction volumes of railway stations

圖3 不同時間間隔售票業(yè)務交易熱力圖Fig.3 The thermodynamic chart of ticket sale volumes with different intervals

圖3 中橫坐標代表每一個時間間隔；縱坐標代表每一個間隔發(fā)售的張數(shù)；中間數(shù)據(jù)方格代表全路共有多少個業(yè)務辦理窗口在這個時間間隔發(fā)售，分別涂上綠色和紅色，綠色方格代表窗口數(shù)多于 1，紅色代表辦理窗口為 1 個。

從圖3 中可以看出，60 s 內(nèi)，基于交易業(yè)務量，會產(chǎn)生多個窗口競爭記賬權的現(xiàn)象，即每一間隔最大交易量出現(xiàn)多個窗口 (綠色色塊)。300 s 往后，最大交易張數(shù)基本是單個窗口唯一確定，因而對于鐵路終端區(qū)塊鏈，區(qū)塊建立時間建議在 300 s 以上。

分析各終端節(jié)點業(yè)務辦理量，將個節(jié)點的業(yè)務交易量賦以價值，發(fā)現(xiàn)監(jiān)聽交易業(yè)務間隔 5 min以上，可以有效保證記賬權節(jié)點選擇算法的快速收斂、進而唯一確定交易量最大的記賬節(jié)點。但在極端特殊的情況下，這種有價值工作量證明方法可能存在多節(jié)點記賬競爭現(xiàn)象，即各個節(jié)點的交易工作量具有相同價值。為避免記賬權算法不收斂，需要在交易工作量證明的基礎上，引入交易齡指標，讓長時間交易無法入鏈的區(qū)塊，交易工作量具有更大價值，從而有效差異化工作量價值，保證算法快速收斂。這種以節(jié)點交易算力為基礎，輔以節(jié)點交易齡差異化評判的工作量證明方式，作為節(jié)點達成共識機制的基礎算法，能夠有效地解決實際客運生產(chǎn)系統(tǒng)中算力有限的問題。鐵路客運私有鏈共識機制的改進正是基于復用交易算力為記賬算力，降低記賬算力開銷的同時價值化節(jié)點工作量，充分利用節(jié)點算力解決傳統(tǒng)區(qū)塊鏈共識機制的算力開銷，為鐵路客運私有鏈的安全穩(wěn)定奠定了基礎。

3 結束語

在對區(qū)塊鏈技術中的共識機制進行研究的基礎上，針對區(qū)塊鏈共識機制計算資源耗費大的特點，結合鐵路客運交易和鐵路私有鏈建立環(huán)境，進行私有鏈的共識機制改進，將工作量證明從單純的算力證明，改進為有意義的價值工作量證明，讓有限的計算資源得以充分利用，同時交易齡的引入，能夠保證私有鏈建立的時效性、數(shù)據(jù)的可用性。這些改進有利于鐵路客運私有鏈的建立與應用，對于突破當前客運的集中式數(shù)據(jù)管理方式，實現(xiàn)鐵路客運內(nèi)部的數(shù)據(jù)信任機制重構、數(shù)據(jù)的高度共享與自治、數(shù)據(jù)的可追溯與防篡改具有重要意義。同時，該技術的應用可以為將來跨行業(yè)的交通客運數(shù)據(jù)保護聯(lián)盟鏈構建做出示范。

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