基于區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化應(yīng)用

馬曉東 朱佳 常超 梁婉瑩 湯庸

摘? ?要：文章旨在利用區(qū)塊鏈技術(shù)解決中心化存儲模式的弊端，基于中心化數(shù)據(jù)存儲模式下的學(xué)者網(wǎng)平臺，運用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)用戶行為數(shù)據(jù)信息的鏈上存儲，消除中心化數(shù)據(jù)存儲弊端的同時安全公開的存儲用戶行為信息，降低多方交互成本，提高多方交互效率。運用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)用戶積分交易，根據(jù)學(xué)生用戶行為分發(fā)相應(yīng)積分，積分可查且永久存儲在該用戶賬號，保證了用戶積分記錄的透明存儲，保障了用戶的權(quán)益。此外，設(shè)計開發(fā)了區(qū)塊鏈瀏覽器，提供區(qū)塊信息查詢功能。

關(guān)鍵詞：學(xué)者網(wǎng);區(qū)塊鏈;去中心化;數(shù)據(jù)存儲;積分管理

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，人們進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)時代，各類平臺網(wǎng)站層出不窮，數(shù)據(jù)安全問題成為人們關(guān)注的重點。其中傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)庫存儲模式[1]是造成數(shù)據(jù)不安全的重要原因之一。在該模式下，數(shù)據(jù)由單一的機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，多方交互需要各自構(gòu)建一份自己的數(shù)據(jù)庫，受到服務(wù)攻擊時，中心化的數(shù)據(jù)存儲模式更是面臨全網(wǎng)遭受破壞的風(fēng)險，數(shù)據(jù)安全無法得以保證。學(xué)者網(wǎng)[2]作為典型的中心化數(shù)據(jù)庫存儲模式下的綜合性學(xué)者社交網(wǎng)站，隨著學(xué)者網(wǎng)應(yīng)用人數(shù)的增加，多方交互的成本增加，傳統(tǒng)的中心化存儲已經(jīng)滿足不了市場需求?，F(xiàn)在匯總學(xué)者網(wǎng)的三個問題。

（1）數(shù)據(jù)不安全。學(xué)者網(wǎng)是基于中心化數(shù)據(jù)存儲模式的社交網(wǎng)站，數(shù)據(jù)信息存儲在學(xué)者網(wǎng)本地中心服務(wù)器中，學(xué)者網(wǎng)一旦遭受惡意攻擊，將會導(dǎo)致學(xué)者網(wǎng)數(shù)據(jù)遺失，且數(shù)據(jù)庫恢復(fù)困難。

（2）交互過程中效率低下，成本較高。學(xué)者網(wǎng)目前應(yīng)用的對象是各大高校學(xué)者，多方參與下的學(xué)者網(wǎng)效率低下，多方交互成本較高。

（3）缺乏信任。學(xué)者網(wǎng)用戶行為數(shù)據(jù)信息不夠透明、易被人為修改，造成各用戶主體間缺乏信任。區(qū)塊鏈技術(shù)因為其去中心化的數(shù)據(jù)存儲模式、共識機(jī)制及智能合約成為了近些年的熱點[3]，去中心化存儲模型如圖1所示。因此，針對學(xué)者網(wǎng)這種多方參與、應(yīng)用頻率高、依賴于中心化且具有低效高成本特征的應(yīng)用場景，使用區(qū)塊鏈技術(shù)可有效解決其弊端。

本文針對學(xué)者網(wǎng)此類應(yīng)用場景的弊端，運用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)用戶行為數(shù)據(jù)存儲及積分管理。貢獻(xiàn)點主要有三點。

（1）創(chuàng)新性的將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在學(xué)者網(wǎng)上，對學(xué)者網(wǎng)未來的擴(kuò)展應(yīng)用提供了實際素材。

（2）實現(xiàn)學(xué)者網(wǎng)用戶行為數(shù)據(jù)的鏈上存儲，有效解決多方交互帶來的低效高成本的同時克服中心化數(shù)據(jù)存儲的安全性低下等問題。

（3）運用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)鏈上積分交易，有效保障用戶利益的同時為區(qū)塊鏈技術(shù)在積分管理方面的應(yīng)用提供參考。

2? 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化應(yīng)用

中心化存儲模式下的學(xué)者網(wǎng)存在著數(shù)據(jù)不安全、多方交互成本高且效率低下以及若干信任問題。本文專注于學(xué)生在學(xué)者網(wǎng)課程學(xué)習(xí)中的用戶行為，實現(xiàn)用戶行為數(shù)據(jù)上鏈及鏈上積分交易。用戶可通過學(xué)者網(wǎng)區(qū)塊瀏覽器進(jìn)行區(qū)塊交易信息查詢。

2.1? 整體架構(gòu)設(shè)計

整體設(shè)計由用戶、學(xué)者網(wǎng)、布比區(qū)塊鏈、學(xué)者網(wǎng)區(qū)塊鏈瀏覽器四部分組成。用戶使用學(xué)者網(wǎng)產(chǎn)生用戶行為數(shù)據(jù)，智能合約調(diào)用學(xué)者網(wǎng)數(shù)據(jù)接口定時提取用戶行為數(shù)據(jù)，將用戶行為數(shù)據(jù)存儲到區(qū)塊鏈上并實現(xiàn)對應(yīng)區(qū)塊鏈賬戶的積分分發(fā)，區(qū)塊鏈將用戶行為數(shù)據(jù)及用戶積分永久的、不可篡改的存儲在區(qū)塊中，形成公開安全的分布式數(shù)據(jù)庫賬本，供全網(wǎng)可見。用戶借助學(xué)者網(wǎng)區(qū)塊鏈瀏覽器查詢詳細(xì)的賬戶及交易信息，區(qū)塊鏈接收到區(qū)塊瀏覽器的查詢需求返回對應(yīng)交易記錄。整體架構(gòu)如圖2所示。

2.2? 積分方案設(shè)計

積分方案依照學(xué)者網(wǎng)活躍度的計算方法設(shè)計，如表1所示。學(xué)者網(wǎng)課程管理中的學(xué)生活躍度等于特定時間段內(nèi)用戶登錄數(shù)、用戶提問數(shù)和用戶回復(fù)數(shù)之和。故本文將區(qū)塊鏈積分分為固定積分和活躍積分，每日記錄用戶登錄次數(shù)最高的一次，對應(yīng)固定積分1分。用戶提問和回復(fù)次數(shù)對應(yīng)活躍積分，每次行為計活躍積分1分。根據(jù)用戶行為兌換積分，積分交易記錄公開、安全、不可篡改的存儲在區(qū)塊鏈上，從而有效提高課程管理用戶活躍度統(tǒng)計的透明度，保障用戶權(quán)益。課程管理者擁有定額的固定積分和活躍積分，課程內(nèi)用戶產(chǎn)生行為，課程管理者就向課程內(nèi)用戶發(fā)放相應(yīng)積分。

2.3? 智能合約設(shè)計

根據(jù)整體架構(gòu)對功能的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行編碼形成智能合約，并將其部署到區(qū)塊鏈上，可由所有節(jié)點達(dá)成共識和運行。智能合約實現(xiàn)了用戶行為數(shù)據(jù)的提取及上鏈處理等一系列操作，保證用戶行為數(shù)據(jù)安全的同時，定時將用戶信息存儲到區(qū)塊鏈中。業(yè)務(wù)規(guī)則包括獲取用戶個人信息、獲取用戶行為信息、獲取序列化交易操作碼、獲取簽名、提交交易等，接口如表2所示。

用戶信息合約實現(xiàn)學(xué)者網(wǎng)和區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)橋梁作用。通過獲取用戶個人信息來明確對應(yīng)的區(qū)塊鏈賬號。為獲取用戶的行為，信息合約定時定期從學(xué)者網(wǎng)獲取用戶行為信息。序列化操作碼合約中的四種序列化交易的操作碼根據(jù)布比區(qū)塊鏈官網(wǎng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組裝。簽名合約的數(shù)字簽名是區(qū)塊鏈交易過程中的重點，數(shù)字簽名的流程如圖3所示。

2.4? 系統(tǒng)流程設(shè)計

2.4.1? 用戶賬號

用戶賬戶分為學(xué)者網(wǎng)賬戶和區(qū)塊鏈賬戶兩種。首次注冊學(xué)者網(wǎng)賬號時，可以同時注冊得到區(qū)塊鏈賬號，已有學(xué)者網(wǎng)賬號而沒有區(qū)塊鏈賬號的用戶可以在區(qū)塊鏈讀入用戶信息時判斷并創(chuàng)建區(qū)塊鏈賬號。用戶學(xué)者網(wǎng)賬戶和區(qū)塊鏈賬戶均已存在后，區(qū)塊鏈讀入用戶行為，并進(jìn)行區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)存儲及積分交易操作。

2.4.2? 用戶行為

根據(jù)積分方案設(shè)計，課堂活躍度統(tǒng)計為用戶登錄數(shù)、用戶提問數(shù)、用戶回復(fù)數(shù)之和。用戶登錄指用戶登錄學(xué)者網(wǎng)某課程主頁，用戶登錄次數(shù)每日最多記一次，用戶登錄記錄信息包括用戶ID、登錄時間、課程名等。學(xué)者網(wǎng)為每個課程提供了互動交流頁面，用戶可以自行發(fā)問和作答。用戶提問和用戶回復(fù)以發(fā)生一次記一次的規(guī)則，其中用戶提問信息包括用戶ID、提問時間等，用戶回復(fù)信息包括用戶ID、回復(fù)時間、回復(fù)內(nèi)容等。

2.4.3? 數(shù)據(jù)存儲及積分交易

數(shù)據(jù)存儲及積分交易作用在區(qū)塊鏈上就是提交序列化交易。故本文根據(jù)智能合約獲取到的用戶行為信息，組織序列化交易操作碼，實現(xiàn)用戶行為數(shù)據(jù)寫入到區(qū)塊鏈。數(shù)據(jù)存儲采用設(shè)置元數(shù)據(jù)的序列化交易方式。故以用戶登錄時間與用戶行為類型login結(jié)合的鍵值對組裝用戶登錄信息，組成元數(shù)據(jù)存儲的序列化交易操作碼，如表3所示。用戶提問信息和用戶回復(fù)信息則以行為時間與行為內(nèi)容組成鍵值對的形式，組裝成元數(shù)據(jù)存儲的序列化交易操作碼，如表4所示。積分交易采用轉(zhuǎn)移資產(chǎn)的序列化交易方式，運用智能合約獲取用戶區(qū)塊鏈賬號及積分兌換規(guī)則，實現(xiàn)創(chuàng)世賬號向目標(biāo)用戶的區(qū)塊鏈賬號分發(fā)積分。其中課程管理者賬號（資產(chǎn)發(fā)行方）作為活動分?jǐn)?shù)資產(chǎn)的擁有者向發(fā)生行為的學(xué)者（資產(chǎn)接收方）進(jìn)行轉(zhuǎn)移資產(chǎn)的操作，用戶積分交易的序列化交易操作碼，如表5所示。這樣就實現(xiàn)了鏈上信息存儲和積分交易，用戶行為數(shù)據(jù)被存儲于目標(biāo)區(qū)塊賬號的元數(shù)據(jù)組中，用戶所獲活動積分被存儲于目標(biāo)區(qū)塊賬號的資產(chǎn)列表中，用戶可以通過訪問區(qū)塊鏈賬號訪問到該用戶的歷史用戶行為數(shù)據(jù)及詳細(xì)的資產(chǎn)情況，也可以通過交易Hash值訪問到單筆交易的詳細(xì)情況。

3? 實驗分析

3.1? 實驗環(huán)境

結(jié)合學(xué)者網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)，實現(xiàn)了用戶行為數(shù)據(jù)存儲和積分交易。底層區(qū)塊鏈采用布比區(qū)塊鏈，本地部署四個節(jié)點，配置節(jié)點文件使節(jié)點達(dá)成共識形成一個底層區(qū)塊鏈環(huán)境。另外采用js+html5+css3+vue+webpark簡單搭建了學(xué)者網(wǎng)區(qū)塊瀏覽器，實現(xiàn)前端頁面與區(qū)塊鏈智能合約的交互，方便了用戶提供區(qū)塊信息。實驗環(huán)境為：筆記本計算機(jī)、Windows操作系統(tǒng)、Intel Core i5處理器、內(nèi)存8GB、硬盤460GB。

3.2? 實驗結(jié)果

以選取學(xué)者網(wǎng)平臺的《數(shù)學(xué)建模方法》課程為例，該課程綜合訪問量高，選課學(xué)生數(shù)據(jù)量大，互動交流頻繁，易于收集學(xué)生的行為。學(xué)者網(wǎng)課程管理的頁面如圖6所示，其中統(tǒng)計管理包括該課程的學(xué)生登錄統(tǒng)計、學(xué)生活躍度統(tǒng)計，其中活躍度等于用戶登錄數(shù)、用戶提問數(shù)、用戶回復(fù)數(shù)之和。

結(jié)合學(xué)者網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)的用戶行為數(shù)據(jù)存儲及積分管理，具體實驗步驟有五步。

（1）提取該課程所有選課學(xué)生信息，保存為json數(shù)據(jù)格式。運用智能合約根據(jù)用戶個人信息，創(chuàng)建區(qū)塊鏈賬號，獲得密鑰信息，并更新學(xué)者網(wǎng)本地數(shù)據(jù)庫用戶表。

（2）運用智能合約按特定時間間隔批量提取用戶行為數(shù)據(jù)，調(diào)用獲取用戶行為信息的接口實現(xiàn)有效的用戶行為信息抽取。根據(jù)提取出的用戶行為類型，完成積分?jǐn)?shù)目及積分類型的計算。

（3）用戶區(qū)塊鏈賬號調(diào)用設(shè)置metadata接口，按照特定行為的組織形式，提交序列化交易，完成個人用戶行為數(shù)據(jù)的存儲。

（4）創(chuàng)世賬號作為資產(chǎn)轉(zhuǎn)移的發(fā)送方，根據(jù)步驟（2）中計算得到的積分?jǐn)?shù)目及積分類型，向發(fā)生特定行為的區(qū)塊鏈賬號發(fā)送積分。

（5）開發(fā)區(qū)塊鏈瀏覽器，首頁面實時顯示最新區(qū)塊信息，如圖7所示。頁面還提供交易信息、區(qū)塊鏈賬戶信息查詢。

本文開發(fā)的區(qū)塊鏈瀏覽器實現(xiàn)了區(qū)塊信息查詢功能?；贖ash的查詢，可以細(xì)分為創(chuàng)建賬號、發(fā)行資產(chǎn)、轉(zhuǎn)移資產(chǎn)、設(shè)置metadata四個交易查詢?；谫~號的查詢，可返回該賬戶地址、交易總數(shù)、元數(shù)據(jù)組及資產(chǎn)列表等信息?；趨^(qū)塊頭的查詢，就可以返回區(qū)塊號、當(dāng)前區(qū)塊高度、上一個區(qū)塊Hash地址及生成時間等信息。學(xué)者網(wǎng)學(xué)者提問行為切圖如8所示。

通過區(qū)塊鏈瀏覽器根據(jù)林茂森學(xué)者的區(qū)塊鏈賬號查詢到的結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，該名學(xué)者發(fā)生的行為數(shù)據(jù)以“用戶發(fā)生行為時間，用戶發(fā)生行為數(shù)據(jù)信息”為鍵值對存儲于該用戶對應(yīng)區(qū)塊鏈賬號的元數(shù)據(jù)組中，學(xué)者所獲積分信息存儲于對應(yīng)區(qū)塊鏈賬號的資產(chǎn)列表中，其中每條資產(chǎn)信息包含了資產(chǎn)發(fā)起區(qū)塊地址、資產(chǎn)類型及資產(chǎn)數(shù)量。由于實驗使用單個課程為例，所以，該課程管理者（資產(chǎn)發(fā)行方）為創(chuàng)世賬號。故用戶通過查詢區(qū)塊鏈賬戶可以查詢到該賬戶所存儲的所有交易總數(shù)、元數(shù)據(jù)組及資產(chǎn)列表。

實驗表明，這種運用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和積分管理的應(yīng)用方案可以有效保障學(xué)者網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性。與此同時，通過區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)了用戶行為的時刻監(jiān)聽和追溯，有效地約束用戶行為，提高了課程內(nèi)的交互質(zhì)量和效率。將學(xué)者網(wǎng)活動積分轉(zhuǎn)成鏈上存儲，可以保證積分的公平發(fā)放，有效地保障了用戶的權(quán)益，提高用戶參與學(xué)者網(wǎng)的積極性。在多方交互過程中，各方通過區(qū)塊鏈訪問學(xué)者行為及積分?jǐn)?shù)據(jù)，節(jié)省了第三方介入造成的成本開銷，提高了多方交互的效率。

4? 結(jié)束語

在當(dāng)下高速發(fā)展且錯綜復(fù)雜的社會環(huán)境中，降低多方交互成本，提高交互效率與數(shù)據(jù)存儲安全是學(xué)者網(wǎng)這類中心化存儲模式下應(yīng)用場景未來面臨的重要挑戰(zhàn)。本文結(jié)合學(xué)者網(wǎng)運用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行了去中心化的簡單應(yīng)用。實驗表明，通過鏈上存儲數(shù)據(jù)信息，有效地保障了數(shù)據(jù)信息的安全性及透明度，減少了多方交互過程產(chǎn)生的中間成本，提升了交互效率的同時解決了信任問題保障用戶權(quán)益。另一方面，運用區(qū)塊鏈技術(shù)輔助學(xué)者網(wǎng)課程管理，有利于課程管理者監(jiān)管和追溯用戶行為的同時提高用戶參與度，有利于學(xué)者網(wǎng)應(yīng)用的進(jìn)一步推廣，達(dá)到互利共贏的效果。但是，目前該應(yīng)用僅運用學(xué)者網(wǎng)的課程管理進(jìn)行了簡單的去中心化應(yīng)用，未來可嘗試推廣到更多應(yīng)用場景。

基金項目：

1. 國家自然科學(xué)基金廣東大數(shù)據(jù)中心項目重點項目（項目編號：U1811263）;

2. 國家自然科學(xué)基金面上項目（項目編號：61772211）。

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