基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系研究

于萬鈞 吳遠(yuǎn)

摘 ?要： 由于目前中心化交易平臺的種種弊端，提出采用區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化的交易平臺體系。文中首先分析目前的網(wǎng)絡(luò)交易方式存在的安全問題，接著深入研究該體系中的核心區(qū)塊鏈技術(shù)，包括P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、非對稱加密技術(shù)、共識機(jī)制及智能合約等技術(shù)。建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系模型，并對該模型進(jìn)行需求分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)和可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)。最后對區(qū)塊鏈技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)交易中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)交易體系; 區(qū)塊鏈技術(shù); 需求分析; 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì); 可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN915?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0025?04

Abstract： In allusion to the disadvantages of the current centralized trading platform， a decentralized trading platform system based on the block chain technology is proposed. The security problems existing in the current network trading mode are analyzed in this paper. The core block chain technologies in the system are deeply researched， including the P2P network technology， asymmetric encryption technology， consensus mechanism， and smart contract technology. A network trading system model based on the block chain technology is built， for which the demand analysis， data structure design， data model design and extensibility design are conducted. The applications of the block chain technology in network transactions are summarized and prospected in the end.

Keywords： network transaction system; block chain technology; demand analysis; data structure design; data model design; extensibility design

0 ?引 ?言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)購物成為目前的主要購物方式。當(dāng)前的電商平臺是一種中心化的商業(yè)模式，這種模式容易帶來交易安全方面的問題。現(xiàn)在網(wǎng)購的安全風(fēng)險(xiǎn)來自互聯(lián)網(wǎng)本身，如黑客入侵、木馬病毒、釣魚欺詐網(wǎng)站的威脅等。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，去中心化應(yīng)用的研究正以不可抵擋之勢展開。

文獻(xiàn)[1]提出一種點(diǎn)對點(diǎn)式的電子現(xiàn)金系統(tǒng)，描述了怎樣建立一套全新的、去中心化的、無需信任的點(diǎn)對點(diǎn)交易體系的方法。Vitalik在2013年提出以太坊，它是基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建的一個編程平臺，開發(fā)人員可以在這個平臺建立和發(fā)布下一代分布式的應(yīng)用。以太坊通過一種圖靈完備的腳本語言來創(chuàng)建應(yīng)用[2]。2015年Linux基金會發(fā)起了超級賬本開源項(xiàng)目，目的是讓成員共同合作，共同建設(shè)開放平臺[3]。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一項(xiàng)整合了密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科的新技術(shù)[4]。本文主要針對中心化的交易平臺的缺陷提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的去中心化的網(wǎng)絡(luò)交易體系。深入研究了區(qū)塊鏈的技術(shù)原理，包括P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、非對稱加密技術(shù)、共識機(jī)制、智能合約等關(guān)鍵技術(shù)。建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系模型，并對該模型進(jìn)行需求分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)和可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)。最后對區(qū)塊鏈技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)交易中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 ?區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)

1.1 ?區(qū)塊鏈架構(gòu)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層和應(yīng)用層。其中：數(shù)據(jù)層包含區(qū)塊數(shù)據(jù)、數(shù)字簽名、哈希函數(shù)和非對稱加密算法等;網(wǎng)絡(luò)層包含P2P網(wǎng)絡(luò)的傳播和驗(yàn)證機(jī)制;共識層主要是系統(tǒng)中采用各種共識機(jī)制算法;激勵層包含虛擬貨幣的發(fā)行和分配機(jī)制;應(yīng)用層封裝了各種應(yīng)用。

區(qū)塊鏈在區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分，如圖1所示。區(qū)塊頭包含上一個區(qū)塊的哈希值、版本號、隨機(jī)數(shù)、難度目標(biāo)、Merkle根等。上一個區(qū)塊的哈希值能保證準(zhǔn)確鏈接到上一個區(qū)塊，保證了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的完整。區(qū)塊體中存儲了區(qū)塊創(chuàng)建過程中發(fā)生的全部交易記錄。區(qū)塊鏈的交易記錄一旦形成就不可篡改，這點(diǎn)保證了數(shù)據(jù)庫的嚴(yán)謹(jǐn)性和交易記錄的真實(shí)可靠性。

圖1 ?區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 ?P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

區(qū)塊鏈的P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要用于節(jié)點(diǎn)間傳輸交易數(shù)據(jù)，該技術(shù)節(jié)點(diǎn)之間采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)的模式進(jìn)行通信[5?6]。接收方從網(wǎng)絡(luò)中收到的交易信息，不需要直接和發(fā)送方進(jìn)行通信，攻擊者很難通過竊聽發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中傳播信息的真實(shí)來源與去向。采用P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的系統(tǒng)有去中心化、容錯健壯、保護(hù)隱私、難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)竊聽、防止無效數(shù)據(jù)傳播等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 ?非對稱加密技術(shù)

區(qū)塊鏈系統(tǒng)內(nèi)采用的是非對稱加密算法。在非對稱加密算法中，有一對密鑰，即公鑰和私鑰，公鑰是公開存儲在數(shù)據(jù)庫中，私鑰是用戶自己保存。非對稱加密技術(shù)通信時(shí)：發(fā)送者用接收者的公鑰加密，接收者收到密文之后，用自己的私鑰解密得到明文。通信過程的函數(shù)表達(dá)為：[E（K1，C）=M]，[D（K2，M）=C]。其中：[E]代表加密算法;[D]代表解密算法;[K1]代表加密密鑰;[K2]代表解密密鑰;[C]代表明文;[M]代表密文。

1.4 ?共識機(jī)制

1.4.1 ?PoW共識機(jī)制

工作量證明機(jī)制（Proof of Work，PoW）的核心思想是通過分布式節(jié)點(diǎn)的算力競爭來保證數(shù)據(jù)的一致性和共識的安全性[7]。在比特幣系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)通過自己自身的算力來解決一個求解過程復(fù)雜但是結(jié)果容易驗(yàn)證的SHA256數(shù)學(xué)難題，最先得到答案的節(jié)點(diǎn)得到區(qū)塊記賬權(quán)，而且得到系統(tǒng)自動生成比特幣作為獎勵。這種工作量證明的共識機(jī)制能夠確保數(shù)據(jù)的一致性和安全性，但是會耗費(fèi)巨大的電力資源和算力資源。

1.4.2 ?PoS共識機(jī)制

權(quán)益證明機(jī)制（Proof of Stake，PoS）可以解決PoW中資源浪費(fèi)的問題。從本質(zhì)上來說，PoS是采用權(quán)益證明來代替PoW中基于哈希算力的工作量證明，系統(tǒng)中有最高權(quán)益的節(jié)點(diǎn)可以獲得區(qū)塊的記賬權(quán)[8]。權(quán)益證明機(jī)制縮短了區(qū)塊的產(chǎn)生時(shí)間和交易的確認(rèn)時(shí)間，解決了PoW中浪費(fèi)算力的問題。

1.4.3 ?拜占庭共識機(jī)制

拜占庭共識機(jī)制（PBFT）是能夠容忍惡意行為的共識機(jī)制。PBFT算法要求在有3f+1個節(jié)點(diǎn)的分布式系統(tǒng)中，失效節(jié)點(diǎn)數(shù)量不超過f [9]，該算法分為3個階段：預(yù)準(zhǔn)備階段、準(zhǔn)備階段和確認(rèn)階段。在預(yù)準(zhǔn)備階段，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送含待驗(yàn)證的所有記錄的預(yù)準(zhǔn)備消息，其他節(jié)點(diǎn)在接收到預(yù)準(zhǔn)備消息后進(jìn)入準(zhǔn)備階段;在準(zhǔn)備階段，主節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含待驗(yàn)證記錄的準(zhǔn)備消息，節(jié)點(diǎn)收到信息后驗(yàn)證它的正確性，并且保存正確記錄后發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)，當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)接收到全網(wǎng)2f個不同節(jié)點(diǎn)發(fā)送的記錄而且該記錄和預(yù)準(zhǔn)備階段接收的記錄一樣時(shí)，這個節(jié)點(diǎn)開始向其他節(jié)點(diǎn)廣播確認(rèn)消息，系統(tǒng)進(jìn)入確認(rèn)階段;在確認(rèn)階段，協(xié)議在每個誠實(shí)節(jié)點(diǎn)都收到2f+1個確認(rèn)消息時(shí)終止。PBFT算法較好地解決了分布式系統(tǒng)中的共識問題，提升了系統(tǒng)效率，比較適用于聯(lián)盟鏈。

1.5 ?智能合約

智能合約可以稱為鏈上代碼，區(qū)塊鏈可以實(shí)時(shí)監(jiān)控智能合約的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)滿足特定的觸發(fā)條件被激活后執(zhí)行合約。智能合約的運(yùn)行機(jī)制如圖2所示。為了防止合約中含有的漏洞或者惡意代碼威脅到區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的安全，智能合約運(yùn)行在隔離的沙箱環(huán)境中[10]。目前主流的區(qū)塊鏈平臺中的智能合約主要運(yùn)行在虛擬機(jī)或者容器中，實(shí)現(xiàn)了對合約使用的資源進(jìn)行隔離和限制，保證了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性。

2 ?基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系

2.1 ?需求分析

1） 一致性需求

構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系，為了保證網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性需要使用一致性協(xié)議，因?yàn)镻BFT共識機(jī)制有很好的容錯性，故本體系采用該共識機(jī)制。

圖2 ?智能合約的運(yùn)行機(jī)制

2） 軟件設(shè)計(jì)需求

由于當(dāng)前中心化電商平臺的弊端，提出構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系。該體系能保證每筆交易的可追溯性，同時(shí)防止假冒偽劣產(chǎn)品的上鏈。在功能方面，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的注冊、登錄、開店、發(fā)布商品、下單、付款、退貨等流程。這些功能的實(shí)現(xiàn)需要使用智能合約來實(shí)現(xiàn)，智能合約需要運(yùn)行在隔離的沙箱環(huán)境中，保證代碼的安全可靠。

3） 可擴(kuò)展性需求

由于共識算法的影響，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，系統(tǒng)的整體處理能力會下降?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系可以采用分片的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。分片的方式可以提升每秒交易的數(shù)量，加快交易速度，實(shí)現(xiàn)本體系的可擴(kuò)展性需求。

4） 數(shù)據(jù)庫需求

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫具有原子性、隔離性、持久性、一致性。在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫中利用分布式賬本來保證數(shù)據(jù)的一致性，事物處理是靠建塊來完成，每塊包含多個交易，多個交易一起處理。

2.2 ?體系架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系架構(gòu)圖分為三層，分別是底層平臺、區(qū)塊鏈服務(wù)、應(yīng)用層，如圖3所示。其中用戶管理包括賬號管理、密鑰管理、權(quán)限管理等，基礎(chǔ)服務(wù)提供了接口適配、共識機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫存儲等，智能合約包括合約的注冊、執(zhí)行、觸發(fā)、風(fēng)控等。區(qū)塊鏈的服務(wù)層包含一些接口和服務(wù)。應(yīng)用層包括用戶的下單、支付、商品搜索、簽訂合約等功能。

用戶下載基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易客戶端，操作完成交易過程步驟如下：

1） 用戶下載客戶端，注冊賬號后得到一個賬戶地址，一對非對稱密鑰。用戶可以發(fā)布要賣的商品，上傳照片和提交商品價(jià)格、性能等信息。

2） 買家在客戶端搜索要購買的商品，賣家上傳的所有商品按照銷量和信譽(yù)兩種方式顯示給買家。

3） 買方首先選擇要購買的產(chǎn)品，然后用他的私鑰簽署訂單并將其發(fā)送給賣方。

4） 賣方首先使用買方的公鑰解密接收到的訂單，然后驗(yàn)證訂單信息，并用自己的私鑰簽署并返回給買方。

5） 買家用戶收到返回的訂單后，用賣家的公鑰解密，驗(yàn)證訂單確認(rèn)之后進(jìn)行支付。買家用自己的私鑰對賬單簽名，發(fā)送給賣家。

6） 賣家收到賬單之后，先用買家的公鑰解密，然后驗(yàn)證錢款是否到賬，確認(rèn)到賬之后通過物流接口通知物流配送，并在原賬單上加上物流賬單，用自己私鑰簽名后發(fā)送給買家。如果一定時(shí)間，賣家沒有發(fā)貨，支付賬單簽名為真實(shí)的，賣家會被處罰，限制發(fā)布商品或永久取消銷售功能。

7） 買家收到貨后，對賬單再次簽名確認(rèn)，并加入?yún)^(qū)塊鏈。

圖3 ?基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系架構(gòu)圖

2.3 ?區(qū)塊鏈接口設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系的接口為OBCC（Open Blockchain Connector），包括寫入接口和查詢接口[11]，如圖4所示。寫入接口定義是Put（Action，Data），其中Action代表用戶處理數(shù)據(jù)的目的，包括創(chuàng)建、更新、插入等，提供用戶對數(shù)據(jù)的操作方式;Data代表用戶存儲的數(shù)據(jù)，主要包括用戶的賬戶信息和交易信息。查詢接口的定義是Get（Condition），Condition是用戶查詢的條件，可以根據(jù)區(qū)塊的哈希值或者交易的哈希值查詢，也能根據(jù)某些關(guān)鍵字查詢。當(dāng)調(diào)用區(qū)塊鏈功能時(shí)，OBCC的客戶端代理把請求廣播到區(qū)塊鏈的其他節(jié)點(diǎn)的服務(wù)端代理，之后服務(wù)端代理調(diào)用區(qū)塊鏈的功能并進(jìn)行相關(guān)處理。

圖4 ?網(wǎng)絡(luò)交易體系的區(qū)塊鏈接口設(shè)計(jì)

2.4 ?數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系需要支持功能豐富的通用應(yīng)用，因此可以采用基于賬戶的模型，可以基于賬戶快速查到當(dāng)前余額或狀態(tài)。基于賬戶的模型也比較適合構(gòu)建智能合約。該網(wǎng)絡(luò)交易體系的賬戶分為外部賬戶和合約賬戶。其中外部賬戶用來表達(dá)賬戶的余額狀態(tài)、待發(fā)貨訂單、待收貨訂單、已完成訂單等賬戶的基本信息;合約賬戶表達(dá)智能合約的狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)賬戶中的一筆交易發(fā)生變化時(shí)，合約賬戶中的狀態(tài)數(shù)據(jù)也會改變。

2.5 ?區(qū)塊鏈存儲設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，系統(tǒng)整體處理能力會隨著下降[12]，所以提高基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系的可擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)合理的存儲方案很重要。針對存儲問題的設(shè)計(jì)，Hyperledger Fabric采用多通道的解決方案[13]，多通道的方式將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)從單鏈擴(kuò)展到多鏈，多鏈上同時(shí)可以并發(fā)處理多筆交易，因此系統(tǒng)整體性能得到提升。在構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)交易體系時(shí)采用分片的方式擴(kuò)展區(qū)塊鏈性能。將賬戶地址根據(jù)全網(wǎng)劃分為多個相對獨(dú)立的分片，每個分片獨(dú)立維護(hù)一條子鏈，用戶可以自由選擇加入哪個分片的子鏈來執(zhí)行自己的交易。分片很好地解決了系統(tǒng)的吞吐量和存儲容量的問題，提高了交易速度的同時(shí)降低了交易成本。

3 ?結(jié) ?語

區(qū)塊鏈技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界爭相研究的熱門課題。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、不可篡改和可以編程的特性，使得區(qū)塊鏈在各行各業(yè)都能得到廣泛應(yīng)用[14]。本文主要針對中心化的交易平臺的缺陷提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的去中心化的網(wǎng)絡(luò)交易體系，并從P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、非對稱加密技術(shù)、共識機(jī)制、智能合約等核心關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)深入分析了區(qū)塊鏈的技術(shù)原理和該技術(shù)如何保證交易的安全可靠。最后從需求分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)、可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)等方面設(shè)計(jì)了一種去中心化的網(wǎng)絡(luò)交易體系。未來區(qū)塊鏈的發(fā)展將與大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用到醫(yī)療、公益、教育、娛樂文化等領(lǐng)域，為人們的生活帶來更多的便利。

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