區(qū)塊鏈在精準(zhǔn)扶貧中的應(yīng)用研究

張力 李秦偉 邱戀

摘 要：針對(duì)區(qū)塊鏈的技術(shù)原理及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了研究，對(duì)實(shí)際扶貧面臨的具體問題進(jìn)行了調(diào)查。提出了MC+nSC的精準(zhǔn)扶貧應(yīng)用模型和跳塊溯源（Hop-Trace）方法，MC為一條主鏈，記錄扶貧過(guò)程中扶貧物資和扶貧代幣交易簡(jiǎn)要信息，nSC為多條次鏈，記錄用戶屬性和物資屬性的簡(jiǎn)要信息。該模型把用戶數(shù)據(jù)、物資數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)分離成三條區(qū)塊鏈和兩種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式即文件存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，形成分層存儲(chǔ)、多鏈協(xié)同查詢的溯源方法即跳塊溯源（Hop-Trace），提高精準(zhǔn)扶貧的數(shù)據(jù)查詢效率。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；哈希樹；溯源；鏈架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP311.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粭l由無(wú)數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)塊連接的數(shù)據(jù)鏈。起源于2008年“中本聰”（Satoshinakamoto）發(fā)表《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》[1]，其特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)防篡改、數(shù)據(jù)溯源。其發(fā)展歷程可歸納為：以比特幣為代表的1.0數(shù)字貨幣模式，以可編程金融系統(tǒng)為主要特征的2.0數(shù)字資產(chǎn)與智能合約模式和以可編程社會(huì)為主的3.0模式[2]。目前，區(qū)塊鏈正處于2.0初期[3]，其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)很快引起了社會(huì)廣泛的關(guān)注，例如：2016年1月，英國(guó)政府發(fā)布專題報(bào)告，積極推進(jìn)區(qū)塊鏈在金融和政府事務(wù)中應(yīng)用[4]；中國(guó)人民銀行召開數(shù)字貨幣研討會(huì)探討采用區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)行虛擬貨幣的可行性，以提高金融活動(dòng)的效率，便利性和透明度；《貴陽(yáng)區(qū)塊鏈發(fā)展和應(yīng)用》白皮書于2016年12月31日正式發(fā)布，旨在五年建成主權(quán)區(qū)塊鏈應(yīng)用示范區(qū)[5]；2017年中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)把區(qū)塊鏈作為七個(gè)主要板塊之一展開五場(chǎng)論壇等，去中心化的比特幣已經(jīng)依靠算法信用創(chuàng)造出與歐洲小國(guó)體量相當(dāng)?shù)娜蛐越?jīng)濟(jì)體。預(yù)計(jì)2027年，全球10%的GDP 將會(huì)通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)存儲(chǔ)[6]。

文獻(xiàn)[7] 提出以能源區(qū)塊鏈為支撐的能源互聯(lián)網(wǎng)基本框架，該框架把能源流分為利用、傳輸和供應(yīng)模塊共同納入一條能源區(qū)塊鏈中，使得鏈下實(shí)體和鏈上信息有映射關(guān)系，文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了多中心認(rèn)證架構(gòu)，并以煤炭行業(yè)為實(shí)例構(gòu)建了相應(yīng)的認(rèn)證模型。部分區(qū)塊鏈應(yīng)用中鏈架構(gòu)都是單鏈，而通用的一條鏈設(shè)計(jì)不符合實(shí)際數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，也涉及到用戶隱私保護(hù)問題。文獻(xiàn)[9]所設(shè)計(jì)的雙鏈結(jié)構(gòu)把賬戶信息分離出來(lái)單獨(dú)成鏈，保證了隱私性，通過(guò)并行計(jì)算提升效率也節(jié)省算力，用于公信和金融服務(wù)。

本文將以區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，改進(jìn)其原有數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)，提出一條主鏈和n條次鏈的MC+nSC應(yīng)用模型，應(yīng)用于精準(zhǔn)扶貧管理過(guò)程。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)原理

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)可分為兩類：當(dāng)前數(shù)據(jù)（待共識(shí)數(shù)據(jù)）、歷史數(shù)據(jù)（鏈數(shù)據(jù)），其運(yùn)作過(guò)程就是把當(dāng)前數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為歷史數(shù)據(jù)。

1.1 區(qū)塊鏈當(dāng)前數(shù)據(jù)

共識(shí)即在多方共享數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)體系中如何對(duì)某一提案達(dá)成正確性和一致性。決策權(quán)越分散的系統(tǒng)達(dá)到共識(shí)的效率就越低，但系統(tǒng)穩(wěn)定性和滿意度就越高；而決策權(quán)越集中的系統(tǒng)更易達(dá)成共識(shí)，但同時(shí)更易出現(xiàn)專制和獨(dú)裁[10]。從1.0到目前為止其共識(shí)機(jī)制包括：工作量證明（Proof of work，PoW）機(jī)制，俗稱挖礦，該機(jī)制解決了雙重支付問題和拜占庭將軍問題[2，11]；權(quán)益證明（Proof of stake， PoS）機(jī)制[12]，本質(zhì)是由系統(tǒng)中具有最高權(quán)益而非最高算力的節(jié)點(diǎn)獲得記賬權(quán)利；授權(quán)股份證明（Delegated proof of stake， DPoS）機(jī)制[13]，讓每一個(gè)持有比特股的人進(jìn)行投票；實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法（PBFT）[14] 是一種容錯(cuò)共識(shí)算法，相比起較早的Byzantine fault-tolerant algorithms算法[11]的復(fù)雜度從指數(shù)級(jí)降低到多項(xiàng)式級(jí)，使其能夠應(yīng)用在分布式系統(tǒng)中，其本質(zhì)是針對(duì)異步狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine）拜占庭系統(tǒng)[15]并能夠容納相當(dāng)于整個(gè)分布式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)1/3的拜占庭節(jié)（惡意節(jié)點(diǎn)）。

1.2 區(qū)塊鏈歷史數(shù)據(jù)

與現(xiàn)有分布式存儲(chǔ)方式不同，區(qū)塊鏈分布式賬本是同步的，而不是在一個(gè)賬本形成之后，再?gòu)?fù)制成多個(gè)備份，系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)達(dá)成一致后將數(shù)據(jù)塊納入鏈中。此時(shí)，當(dāng)前塊數(shù)據(jù)變?yōu)闅v史數(shù)據(jù)并始終不能修改。以比特幣為例，塊中主要數(shù)據(jù)項(xiàng)如圖1。

2 區(qū)塊鏈應(yīng)用需求與架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 區(qū)塊鏈應(yīng)用需求

文獻(xiàn)[16] 以多能源系統(tǒng)協(xié)同4個(gè)場(chǎng)景為例說(shuō)明區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的具體應(yīng)用方式，文獻(xiàn)[17-18]分別描述區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在食品安全溯源，中醫(yī)藥的醫(yī)療、教學(xué)和防偽方面都有極大的應(yīng)用價(jià)值，但缺少具體應(yīng)用方案。

首先，扶貧區(qū)塊鏈應(yīng)用需解決實(shí)名制問題，鏈上虛擬用戶和鏈下實(shí)際用戶有絕對(duì)的單射映射，鏈上代幣和鏈下真實(shí)貨幣或扶貧物質(zhì)必須價(jià)值對(duì)等。扶貧區(qū)塊鏈應(yīng)用并不像比特幣那樣有海量的用戶，隨便任何用戶都可以接入共識(shí)網(wǎng)中，入鏈必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的審核并出示相關(guān)部門的證書方可加入。

其次，扶貧區(qū)塊鏈應(yīng)用必須摒棄比特幣的巨大算力消耗的PoW機(jī)制，選擇或設(shè)計(jì)一種符合實(shí)際情況的共識(shí)算法。

再次，扶貧區(qū)塊鏈應(yīng)用需根據(jù)具體的需求設(shè)計(jì)鏈架構(gòu)，各鏈各自溯源或協(xié)同溯源以求信息的精準(zhǔn)、全面、迅速。

2.2 區(qū)塊鏈應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)

扶貧區(qū)塊鏈應(yīng)用中，用戶為各級(jí)部門和貧困戶，如市扶貧辦、市民政局、市發(fā)改委等。凡是扶貧資金流過(guò)的點(diǎn)都必須成為鏈上用戶節(jié)點(diǎn)納入共識(shí)體系中，形成第一條次鏈-用戶鏈；扶貧資金以代幣模式在系統(tǒng)中流通，同時(shí)，必須以建立特定的物資供應(yīng)點(diǎn)，該物質(zhì)供應(yīng)點(diǎn)只接受扶貧代幣，物資總價(jià)值與扶貧代幣對(duì)等，形成第二條次鏈-物資供應(yīng)鏈。架構(gòu)設(shè)計(jì)中，主鏈的設(shè)計(jì)以行為為基本粒度即兩條次鏈交互形成以行為為主要數(shù)據(jù)項(xiàng)的行為鏈；用戶鏈以用戶屬性變化為依據(jù)進(jìn)行溯源；物資鏈以物資供應(yīng)變化為依據(jù)進(jìn)行溯源，三條鏈形成MC+nSC模型，如圖2。

次鏈1（UC）-用戶鏈（User_Chain），主要數(shù)據(jù)字段為：

（1）扶貧項(xiàng)目期數(shù)（Version）；

（2）區(qū)塊大?。˙lock_Size）；

（3）標(biāo)記共識(shí)算法（Consensus）；

（4）最高區(qū)塊的Hash值（PreBlock_hash）；

（5）時(shí)間戳（Timestamp）；

（6）區(qū)塊編號(hào)（Block_Number）；

（7）標(biāo)記（Flag）：扶貧部門或貧困戶；

（8）部門屬性（Property）：記錄部門在體系中的權(quán)限、責(zé)任、信譽(yù)、辦事效率、服務(wù)態(tài)度等；貧困戶屬性，記錄貧困級(jí)別、應(yīng)獲資助量、資金用途、信用等級(jí)等；

（9）代幣流（Token_Flow）：記錄代幣流入部門和代幣流出部門；

（10）AC索引（Pre_Action_Index）：記錄交易行為的區(qū)塊號(hào)；

（11）索引值（Index），該值是生物信息、圖片、音視頻的對(duì)應(yīng)Hash值，通過(guò)index可快速查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的具體信息。

次鏈2（GSC）-物質(zhì)供應(yīng)鏈（Goods_Supply_Chain），主要數(shù)據(jù)字段為：

（1）記錄扶貧項(xiàng)目期數(shù)（Version）；

（2）區(qū)塊大?。˙lock_Size）；

（3）標(biāo)記共識(shí)算法（Consensus）；

（4）最高區(qū)塊的Hash值（PreBlock_hash）；

（5）時(shí)間戳（Timestamp）；

（6）區(qū)塊編號(hào)（Block_Number）；

（7）物質(zhì)屬性（Property）：價(jià)格、用途、供應(yīng)商、專用供應(yīng)點(diǎn)、限制用途以及物品本身物理和化學(xué)屬性等；

（8）物質(zhì)流（Goods_Flow）：記錄扶貧物質(zhì)的發(fā)放接受單位；

（9）AC索引（Pre_Action_Index）：記錄交易行為的區(qū)塊號(hào)；

（10）索引值（Index），該值是生物信息、圖片、音視頻的對(duì)應(yīng)Hash值，通過(guò)index可快速查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的具體信息。

主鏈（AC）-行為鏈（Action_Chain），主要數(shù)據(jù)字段為：

（1）記錄扶貧項(xiàng)目期數(shù)（Version）；

（2）區(qū)塊大?。˙lock_Size）；

（3）標(biāo)記共識(shí)算法（Consensus）；

（4）最高區(qū)塊的Hash值（PreBlock_hash）；

（5）時(shí)間戳（Timestamp）；

（6）區(qū)塊編號(hào)（Block_Number）；

（7）智能合約編號(hào)（Contract_Number）；

（8）以Merkle樹記錄代幣和物質(zhì)的兌換記錄，該記錄中包含所調(diào)用的UC和GSC的區(qū)塊號(hào)碼（Transactions）；

（9）用戶鏈的最新Hash值（UC_Hash）；

（10）物質(zhì)供應(yīng)鏈的最新Hash值（GSC_Hash）；

（11）索引值（Index），該值是生物信息、圖片、音視頻的對(duì)應(yīng)Hash值，通過(guò)index可快速查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的具體信息。

模型MC+nSC的三鏈交互形態(tài)形成數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)底層（數(shù)據(jù)庫(kù)層）和數(shù)據(jù)上層（文件系統(tǒng)層）。

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)層：該層存儲(chǔ)資金流、物資流和用戶的具體細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)種類多樣，例如聲音、圖片、視頻和生物信息等多種數(shù)據(jù)，此層數(shù)據(jù)并不納入?yún)^(qū)塊中；

（2）文件系統(tǒng)層：該層為區(qū)塊鏈層，分成三條鏈，鏈中塊數(shù)據(jù)分別以Merkle樹存儲(chǔ)來(lái)自于數(shù)據(jù)庫(kù)層數(shù)據(jù)的Hash值，如圖2。

物資鏈和用戶鏈的最新Hash值作為行為鏈的數(shù)據(jù)項(xiàng)嵌入行為鏈的塊頭，該三鏈架構(gòu)把靜態(tài)數(shù)據(jù)（不常變數(shù)據(jù)）、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（常變數(shù)據(jù)）、重量級(jí)數(shù)據(jù)（不宜納入鏈的數(shù)據(jù)，如視頻、圖片等）和輕量級(jí)數(shù)據(jù)（區(qū)塊溯源數(shù)據(jù)）分開存儲(chǔ)但又可以同時(shí)協(xié)同溯源，既加強(qiáng)了信息驗(yàn)證的多樣性、全面性和完整性又提高了溯源效率。其溯源流程如圖3。

3 區(qū)塊鏈形成過(guò)程及跳塊溯源

3.1 區(qū)塊鏈形成

（1）認(rèn)證

用戶認(rèn)證：要接入共識(shí)網(wǎng)絡(luò)的用戶從CA取得證書，接入系統(tǒng)后從全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)以P2P方式取得用戶鏈（UC）數(shù)據(jù)（按需求和權(quán)限自行下載數(shù)據(jù)）并納入用戶鏈中。

物資認(rèn)證：扶貧物資入鏈時(shí)需認(rèn)證是否屬于法律允許范圍、扶貧區(qū)域范圍等。

行為認(rèn)證：主要認(rèn)證用戶使用扶貧物資的權(quán)限、范圍、用途等。

（2）共識(shí)

采用自行改進(jìn)的PBFT算法，在信息流數(shù)量上大幅度減少，效率得到提升。

（3）成鏈

可根據(jù)需求尋找溯源切入點(diǎn)，如圖3中的行為鏈區(qū)塊號(hào)（Action_Block_Number，ABN）、用戶鏈區(qū)塊號(hào)（UC_Block_Number， UBN）、物資鏈區(qū)塊號(hào)（GSC_Block_Number， GBN）三鏈交叉溯源，得到具體數(shù)據(jù)的Hash值后再查找數(shù)據(jù)庫(kù)尋求細(xì)節(jié)，重量級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，與之對(duì)應(yīng)的輕量級(jí)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在PC端或移動(dòng)端，可隨時(shí)通過(guò)用戶鏈（UC）和物資鏈（GSC）中的Pre_Action_Index項(xiàng)進(jìn)行跳塊溯源（Hop-Trace）下載（下載與自己相關(guān)的區(qū)塊）并認(rèn)證。

3.2 跳塊溯源

跳塊溯源（Hop-Trace）即三條鏈協(xié)同溯源，如圖4，PAI=Pre_Action_Index，T.GBN和T.UBN是行為鏈數(shù)據(jù)塊中Transaction字段中所包含的GBN和UBN，該圖從UC入口溯源，反之從AC和GSC入口亦然。

①用戶得到最新用戶鏈塊編號(hào)UBN；②從字段PAI中得到行為鏈塊號(hào)ABN；③從T.GBN找到關(guān)聯(lián)物資鏈中的塊號(hào)；④通過(guò)GSC中的PAI反向查詢ABN；⑤從T.UBN找到關(guān)聯(lián)用戶鏈中的塊號(hào)。

X

3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：CPU（Corei7-4710），內(nèi)存16 G，Windows8.1，編程語(yǔ)言Python，數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL。

在MySQL中提取1 G的物資交易數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)生成單鏈的區(qū)塊數(shù)據(jù)鏈，如圖5所示。以1024筆交易為一個(gè)區(qū)塊，共生成1000萬(wàn)筆交易10000個(gè)區(qū)塊，此條鏈為傳統(tǒng)意義上的單鏈結(jié)構(gòu)。為保證每筆交易的精準(zhǔn)性，每次新來(lái)的交易都必須從頭溯源，而傳統(tǒng)的單鏈想要驗(yàn)證區(qū)塊信息的真?zhèn)危枰獜淖钚聟^(qū)塊開始，逐步向后溯源。如圖6中實(shí)線所示從第18塊溯源到13塊，當(dāng)前交易要追溯用戶和物資的最初始狀態(tài)區(qū)塊才能確保交易的正確性，而中途的區(qū)塊中的交易可能根本與本次交易無(wú)關(guān)。

以此單鏈數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分離出兩條數(shù)據(jù)鏈，用戶鏈和物資鏈。塊體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

次鏈狀態(tài)變更中添加狀態(tài)來(lái)源項(xiàng)，記錄本次狀態(tài)變換的前一地址，在交易層面提供鏈接結(jié)構(gòu)，同時(shí)，塊體的Merkle樹，除最頂層外，更改為一層一交易模型，準(zhǔn)確地記錄了每一筆交易的坐標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：區(qū)塊動(dòng)態(tài)地從1塊增加到10000塊時(shí)，每當(dāng)有新交易產(chǎn)生時(shí)對(duì)交易進(jìn)行溯源驗(yàn)證。在交易層通過(guò)狀態(tài)地址和狀態(tài)來(lái)源進(jìn)行驗(yàn)證，在區(qū)塊層通過(guò)跳塊溯源跨越不需要的區(qū)塊。單鏈模型和MC+nSC模型溯源驗(yàn)證時(shí)間如圖8所示。由圖可知，MC+nSC模型明顯比原有的單鏈模式消耗更少的時(shí)間。單鏈溯源模式隨著區(qū)塊的增多，時(shí)間近似線性增加；MC+nSC曲線跳動(dòng)的原因是，因?yàn)樘鴫K溯源不是順著鏈往上溯源，當(dāng)兩個(gè)邏輯相鄰的交易在物理層相差較多的區(qū)塊時(shí)，就會(huì)把當(dāng)前載入的區(qū)塊換出，而從外存里換入相關(guān)區(qū)塊。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提出一種多鏈模型MC+nSC和在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)跳塊溯源（Hop-Trace）方法。該模型分離輕、重兩種數(shù)據(jù)，并用不同的方式存儲(chǔ)，為扶貧的精準(zhǔn)性提供了多媒體證明數(shù)據(jù)和驗(yàn)證方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了MC+nSC模型的溯源驗(yàn)證效率。該模型實(shí)際上是利用空間換時(shí)間。下一步準(zhǔn)備對(duì)多鏈溯源中，區(qū)塊內(nèi)外存交換耗時(shí)進(jìn)行研究。

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（責(zé)任編輯：周曉南）