基于區(qū)塊鏈的對賬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周硙

摘 ?要：電子支付、電子商務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)廣告、大數(shù)據(jù)交易等業(yè)務(wù)，都是由多個主體參與的持續(xù)性業(yè)務(wù)。對賬系統(tǒng)是此類業(yè)務(wù)開展中的重要一環(huán)，它保證了各參與方數(shù)據(jù)一致。區(qū)塊鏈技術(shù)集成了分布式公共賬本及智能合約技術(shù)，且本身具有不可偽造、不可篡改的特性，可以滿足對賬系統(tǒng)的需求。本文討論了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的對賬系統(tǒng)，并給出了依托Bitcoin和Ethereum公鏈的具體實(shí)現(xiàn)。利用區(qū)塊鏈特性，對賬系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)去中心化對賬。相對于中心化對賬，該方案不依賴某單一參與者，沒有單點(diǎn)故障;對賬結(jié)果通過區(qū)塊鏈存儲，結(jié)果可追溯、驗(yàn)真;數(shù)據(jù)根據(jù)授權(quán)分別存儲于公鏈及私鏈，保證了數(shù)據(jù)隱私。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;對賬系統(tǒng);智能合約

中圖分類號：TP311 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 ? 引言（Introduction）

1.1 ? 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈源于比特幣，是分布式數(shù)據(jù)存儲、P2P傳輸、共識機(jī)制、加密算法等技術(shù)的組合應(yīng)用系統(tǒng)。區(qū)塊是區(qū)塊鏈的基本結(jié)構(gòu)單元。第一個被構(gòu)建的區(qū)塊稱為創(chuàng)世區(qū)塊。除了創(chuàng)世區(qū)塊，其余每個區(qū)塊包含了前序區(qū)塊的哈希值。因此可以通過哈希值，確認(rèn)區(qū)塊的前后指向關(guān)系。所有區(qū)塊，依照前后指向關(guān)系為序相連，構(gòu)成區(qū)塊鏈[1]。

1.2 ? 對賬系統(tǒng)

多方交易系統(tǒng)中，因?yàn)槎喾N原因可能交易各方的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生差異。因此需要定期將多方的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，各方對缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)單，對有差異的數(shù)據(jù)進(jìn)行排查糾正，典型對賬流程見圖1。近期廣受關(guān)注的區(qū)塊鏈技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)對賬系統(tǒng)的新思路[2]。本文以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了一個多方對賬的技術(shù)方案。該系統(tǒng)支持多方對賬，具有匿名特征，可以實(shí)現(xiàn)隱私數(shù)據(jù)保護(hù)。

2 ? 對賬系統(tǒng)分析（Analysis of reconciliation system）

對賬系統(tǒng)因涉及若干個獨(dú)立的業(yè)務(wù)主體，所以需要約定具體的對賬流程，并采用可靠的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)對賬流程。對賬流程分成三步：（1）確認(rèn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通常是以某一方位基準(zhǔn)，各方都從基準(zhǔn)方獲取初始數(shù)據(jù);（2）明細(xì)賬比對，各方將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與己方數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，根據(jù)對賬結(jié)果，首先通過自動化腳本處理對賬差異，比如對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)單，對于無法自動處理差異要人工處理;（3）各方將處理后的數(shù)據(jù)相互交換，如果各方結(jié)果均一致，則對賬結(jié)束，否則回到第2步[3]。典型的對賬流程如圖1所示。

對賬業(yè)務(wù)場景根據(jù)對賬各方的關(guān)系分為中心化對賬和去中心化對賬。中心化對賬，通常有可靠的中心化機(jī)構(gòu)作為對賬中心，其本身數(shù)據(jù)必須高度可靠，其余對賬各方以中心機(jī)構(gòu)為基準(zhǔn)，找出己方的差錯。中心化對賬有單點(diǎn)失效的缺點(diǎn)，如果中心機(jī)構(gòu)自身出現(xiàn)技術(shù)故障或者數(shù)據(jù)錯誤，后續(xù)對賬將很難順利完成。去中心化對賬可以有效解決單點(diǎn)故障的問題。去中心化對賬是若干平等主體，以對等方式進(jìn)行對賬。去中心化對賬因?yàn)闆]有中心機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)，所以自然避免了單點(diǎn)故障，但是因?yàn)闆]有負(fù)責(zé)的中心機(jī)構(gòu)，所以對賬方案必須可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的來源是否真實(shí)，對賬方案也必須保證各方已經(jīng)確認(rèn)的歷史數(shù)據(jù)不能被篡改[4]。

3 ? 方案設(shè)計(jì)（Scheme design）

3.1 ? 對賬系統(tǒng)需要解決的問題

根據(jù)以上分析，對賬系統(tǒng)需要解決以下問題：（1）發(fā)起對賬時，各方需要同步初始的對賬數(shù)據(jù)，并確認(rèn)開始對賬;（2）對賬過程中，對賬系統(tǒng)可以交換明細(xì)賬差異，記錄各方的數(shù)據(jù)確認(rèn)行為;（3）對賬結(jié)束后，對賬系統(tǒng)可以封存各方一致的數(shù)據(jù);（4）對賬數(shù)據(jù)本身可能涉及業(yè)務(wù)細(xì)節(jié)，對于私有數(shù)據(jù)，應(yīng)該僅限對賬各方掌握;（5）對賬的非私密數(shù)據(jù)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)安全、可靠的電子存證。

3.2 ? 整體設(shè)計(jì)

整體方案由主鏈及私鏈構(gòu)成。主鏈向所有人公開，任何人都可以讀取主鏈區(qū)塊。主鏈區(qū)塊只儲存對賬各參與方、對賬狀態(tài)及對賬私鏈的創(chuàng)世區(qū)塊哈希值。主鏈的每個區(qū)塊可以分成區(qū)塊頭和數(shù)據(jù)區(qū)兩部分。其中，數(shù)據(jù)區(qū)用于存儲實(shí)際數(shù)據(jù)，區(qū)塊頭存儲了前序區(qū)塊及數(shù)據(jù)區(qū)的哈希值。對賬的私密數(shù)據(jù)僅存放在私鏈上。每次對賬產(chǎn)生一個私鏈，私鏈的數(shù)據(jù)僅限對賬參與方訪問，整體方案如圖2所示。

私鏈區(qū)塊格式同樣分成區(qū)塊頭和數(shù)據(jù)區(qū)。所有區(qū)塊頭格式相同，數(shù)據(jù)區(qū)有四種：（1）創(chuàng)世區(qū)塊，包含數(shù)據(jù)文件的清單及md5和sha1;（2）差異區(qū)塊，對前序數(shù)據(jù)文件的增補(bǔ)和修正;（3）確認(rèn)區(qū)塊，一種特殊區(qū)塊，沒有數(shù)據(jù)區(qū)，僅用來表示對前序區(qū)塊的確認(rèn);（4）終止區(qū)塊，一種特殊區(qū)塊，沒有數(shù)據(jù)區(qū)，用來表示所有參與方都對當(dāng)前數(shù)據(jù)達(dá)成一致，對賬結(jié)束[5]。

3.3 ? 對賬發(fā)起

對賬通過以下步驟發(fā)起：（1）發(fā)起方準(zhǔn)備對賬的初始數(shù)據(jù)，并提供下載地址;（2）發(fā)起方啟動私鏈，構(gòu)造私鏈創(chuàng)世區(qū)塊;（3）各方確認(rèn)私鏈創(chuàng)世區(qū)塊，下載對賬初始數(shù)據(jù)，驗(yàn)證文件完整性及主鏈相關(guān)信息，驗(yàn)證無誤后在主鏈依次簽名，確認(rèn)啟動對賬。

3.4 ? 私鏈上的明細(xì)賬對賬程序

對賬發(fā)起后，其余參與方，輪流獲得在私鏈創(chuàng)建新區(qū)塊的權(quán)利，即記賬權(quán)。每次獲得記賬權(quán)的一方，可從所有區(qū)塊中選擇與己方數(shù)據(jù)相同部分最多的區(qū)塊，以此作為前序區(qū)塊。如果有多條差異數(shù)據(jù)同樣多的區(qū)塊，則選擇最長的。如果結(jié)果仍不唯一，選擇創(chuàng)建最早的。確認(rèn)前序區(qū)塊后，對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)單，對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，相應(yīng)的差異信息寫入新區(qū)塊;如果沒有差異，需要向前序方向檢查所有區(qū)塊，如果所有對賬各方都確認(rèn)了沒有差異，則創(chuàng)建對賬終止區(qū)塊并進(jìn)入對賬結(jié)束流程，否則創(chuàng)建確認(rèn)區(qū)塊。

3.5 ? 對賬結(jié)束流程

對賬發(fā)起人，用終止區(qū)塊的哈希構(gòu)造主鏈交易單，由各對賬方依次簽名，并回存到主鏈中。主鏈確認(rèn)后，對賬結(jié)束。同時私鏈生命周期結(jié)束，各方可以將私鏈數(shù)據(jù)長期存檔備查。

3.6 ? 區(qū)塊鏈方案的優(yōu)勢

因?yàn)槊總€區(qū)塊都包含了前序區(qū)塊的哈希值，所以可以用來校驗(yàn)前序區(qū)塊是否被修改。因?yàn)槊總€區(qū)塊都存儲了前序區(qū)塊哈希值，可以從當(dāng)前區(qū)塊逐塊回溯歷史區(qū)塊，此過程中任何對歷史區(qū)塊的篡改都可以被發(fā)現(xiàn)，因此區(qū)塊鏈具有不可篡改的特性。

區(qū)塊數(shù)據(jù)都需要數(shù)據(jù)產(chǎn)生者，通過非對稱算法進(jìn)行數(shù)字簽名。并且隨機(jī)選出的記賬節(jié)點(diǎn)將會核實(shí)簽名的真實(shí)性。記賬數(shù)據(jù)向全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)廣播時，每個節(jié)點(diǎn)都會再次校驗(yàn)數(shù)字簽名的真?zhèn)危瑐卧斓臄?shù)據(jù)不會被網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)接受，所以區(qū)塊上的數(shù)據(jù)信息具有不可偽造的特性。

4 ? 方案實(shí)現(xiàn)（Scheme implementation）

4.1 ? Bitcoin主鏈方案

Bitcoin主鏈?zhǔn)侵С直忍貛诺牡讓訁^(qū)塊鏈。比特幣主鏈從創(chuàng)世區(qū)塊開始，記賬網(wǎng)絡(luò)按照工作量證明機(jī)制，每隔一段時間選出一個節(jié)點(diǎn)作為記賬節(jié)點(diǎn)。記賬節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對期間發(fā)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，生成新區(qū)快，步驟如下：（1）打包數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)區(qū);（2）根據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)計(jì)算哈希;（3）確認(rèn)前序區(qū)塊，計(jì)算前序區(qū)塊哈希和數(shù)據(jù)哈希;（4）構(gòu)建區(qū)塊頭;（5）將數(shù)據(jù)區(qū)和區(qū)塊頭打包成新區(qū)塊;（6）通過P2P網(wǎng)絡(luò)，廣播給所有節(jié)點(diǎn)[6]。比特幣主鏈的區(qū)塊包含了交易信息，該交易信息的OP_RETURN字段可以用來記錄對賬私鏈創(chuàng)世區(qū)塊的哈希值;同時，比特幣支持多重簽名賬戶，多重簽名賬戶首先需要確定哪些私鑰可以參與該賬戶的管理操作，并約定交易生效的最小簽名數(shù)量。這種方式也稱為MofN模式，其中N指管理密鑰的個數(shù)，M為操作該賬戶的最小簽名數(shù)。使用Bitcoin多簽名賬戶時，首先由各方，創(chuàng)建各自的密鑰對，然后交換公鑰，共同使用各方公鑰生成多簽名賬戶。賬戶管理密鑰和最小簽名數(shù)均等于參與方數(shù)量。即必須所有參與方都簽名后才能操作賬戶。

發(fā)起對賬過程，由發(fā)起方準(zhǔn)備初始對賬數(shù)據(jù)，并提供下載方式、文件清單及MD5和SHA1需寫入私鏈創(chuàng)世區(qū)塊。私鏈創(chuàng)世區(qū)塊創(chuàng)建成功后，發(fā)起方以創(chuàng)世區(qū)塊哈希創(chuàng)建主鏈的交易單，并發(fā)送給對賬各方。各方下載到初始數(shù)據(jù)后，校驗(yàn)私鏈創(chuàng)世區(qū)塊，如果無誤依次用己方私鑰對交易單進(jìn)行簽名。所有簽名齊備后，向Bitcoin主鏈寫入交易單，實(shí)現(xiàn)對賬啟動程序。

關(guān)閉對賬過程與發(fā)起相似。對賬各方在私鏈上達(dá)成共識，產(chǎn)生終止區(qū)塊。取其哈希值，對賬各方共同簽名，寫回Bitcoin主鏈，從而關(guān)閉對賬。

4.2 ? Ethereum主鏈方案

Ethereum支持智能合約。智能合約（Smart Contract）是以信息化方式傳播、驗(yàn)證或執(zhí)行合同的計(jì)算機(jī)協(xié)議[7]。智能合約可以在沒有第三方的情況下進(jìn)行可信交易，這些交易可追蹤且不可逆轉(zhuǎn)。

Ethereum智能合約由Solidity語言開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)多簽名賬戶等基本功能。且支持合約狀態(tài)和合約函數(shù)。因此相對于Bitcoin主鏈方案實(shí)現(xiàn)更簡單。

每個智能合約的數(shù)據(jù)中，預(yù)設(shè)了發(fā)起方及對賬各方的賬戶地址，通過mapping結(jié)構(gòu)存儲對賬信息，核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

對賬各方通過調(diào)用合約函數(shù)發(fā)起對賬，并在對賬私鏈完成明細(xì)賬對賬程序，最后通過智能合約函數(shù)將私鏈信息回傳到主鏈，完成對賬[8]。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

對賬系統(tǒng)在支付、廣告等行業(yè)廣泛使用，是一種保障業(yè)務(wù)開展的重要系統(tǒng)。本文將區(qū)塊鏈技術(shù)與傳統(tǒng)對賬系統(tǒng)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套去中心化的對賬系統(tǒng)。該方案，可以依托于現(xiàn)有區(qū)塊鏈技術(shù)，不但可以滿足傳統(tǒng)對賬業(yè)務(wù)的需求，還可以實(shí)現(xiàn)多方對賬、無中心的分布式對賬等需求。通過公鏈私鏈的組合使用，明細(xì)賬內(nèi)容，僅由對賬各方掌握，同時保證了數(shù)據(jù)安全及數(shù)據(jù)隱私。

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作者簡介：

周 ?硙（1983-），男，博士，博士后在站.研究領(lǐng)域：大數(shù)據(jù)及區(qū)塊鏈.