基于區(qū)塊鏈技術(shù)的氣象數(shù)據(jù)共享方案研究

楊浩 周念珠 夏航

摘要? ? 本文主要介紹了一種利用區(qū)塊鏈技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)隱私保護(hù)和可拓展性方案，依托數(shù)據(jù)共享，提出一個(gè)集用戶系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口服務(wù)系統(tǒng)、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)為一體的氣象數(shù)據(jù)協(xié)作共享方案。通過(guò)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)交換進(jìn)行記錄，確保數(shù)據(jù)可溯源，防止數(shù)據(jù)篡改、偽造，同時(shí)建立貢獻(xiàn)激勵(lì)機(jī)制，增加氣象數(shù)據(jù)共享的積極性，可以為氣象決策服務(wù)、氣象防災(zāi)減災(zāi)、科研學(xué)習(xí)提供準(zhǔn)確氣象數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞? ? 氣象數(shù)據(jù);區(qū)塊鏈;共享方案

中圖分類號(hào)? ? TP309;P409? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2020）11-0205-03? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Research? on? Sharing? Scheme? of? Meteorological? Data? Based? on? Block? Chain? Technology

YANG Hao? ? ZHOU Nian-zhu? ? XIA Hang

（Wansheng Economic Development Zone Meteorological Bureau of Chongqing City，Chongqing 400800）

Abstract? ? This paper mainly introduced a collaborative sharing scheme of meteorological data that integrated user system，data interface service system and block chain network service system by using block chain technology，combining big data privacy protection and extensibility scheme and relying on data sharing. Through the platform，data exchange could be recorded to ensure data traceability and prevent data tampering and forgery.Meanwhile，contribution incentive mechanism was established to increase the enthusiasm of meteorological data sharing，which could provide accurate meteorological data and scientific basis for meteorological decision service，meteorological disaster prevention and mitigation，and scientific research and learning.

Key words? ? meteorological data;block chain;sharing scheme

我國(guó)是一個(gè)自然災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，其中氣象災(zāi)害約占70%，各種氣象災(zāi)害每年都給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。隨著氣象信息化建設(shè)和服務(wù)水平日益提高，氣象信息已經(jīng)成為國(guó)民生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分，公眾對(duì)氣象數(shù)據(jù)的需求也逐漸增加，但是目前氣象數(shù)據(jù)一直面臨協(xié)作共享難、數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)難、數(shù)據(jù)確權(quán)難以及數(shù)據(jù)收益分權(quán)難等問(wèn)題，數(shù)據(jù)壟斷、數(shù)據(jù)孤島等現(xiàn)象非常突出。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，目前已進(jìn)入到可編程社會(huì)的階段，并且區(qū)塊鏈具有數(shù)據(jù)透明、真實(shí)的特點(diǎn)，可以解決信任問(wèn)題，從而有效促進(jìn)數(shù)據(jù)協(xié)作共享[1-2]。鑒于氣象部門自身及相關(guān)行業(yè)對(duì)氣象數(shù)據(jù)的使用需求，本文利用區(qū)塊鏈與大數(shù)據(jù)結(jié)合，提出氣象數(shù)據(jù)共享方案，研究解決氣象數(shù)據(jù)的保護(hù)問(wèn)題和可拓展性問(wèn)題，以期為相關(guān)工作的開展提供準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)。

1? ? 目的及意義

氣象數(shù)據(jù)的共享是氣象工作現(xiàn)代化的必然要求，越來(lái)越多的用戶在工作中都離不開氣象科學(xué)數(shù)據(jù)的支持?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的氣象數(shù)據(jù)共享方案利用區(qū)塊鏈的可拓展性和隱私保護(hù)的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，通過(guò)氣象數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，建立氣象數(shù)據(jù)共享激勵(lì)機(jī)制，解決數(shù)據(jù)資源流通難題，推動(dòng)氣象數(shù)據(jù)資源整合，提高氣象數(shù)據(jù)利用率，使氣象資料的服務(wù)能力獲得實(shí)質(zhì)性提高;通過(guò)建立數(shù)據(jù)造假失信機(jī)制，所有數(shù)據(jù)在交換過(guò)程均通過(guò)平臺(tái)智能合約記錄傳輸上鏈，不僅能保障數(shù)據(jù)的安全可靠，還能提高氣象數(shù)據(jù)的利用效率，提供更加可靠的決策分析依據(jù)[3-4]。同時(shí)，該方案也可為氣象公共服務(wù)、氣象決策服務(wù)、氣象科技服務(wù)、氣象防災(zāi)減災(zāi)、氣象學(xué)科試驗(yàn)等方面提供準(zhǔn)確及時(shí)的氣象數(shù)據(jù)信息，是經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)保障的需要[5]。

2? ? 解決方案

本方案采用層次化設(shè)計(jì)思路，由用戶系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口服務(wù)系統(tǒng)、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)組成，采用結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計(jì)，具有可擴(kuò)展性，方便以后添加新的模塊。在本方案中通過(guò)區(qū)塊鏈控制氣象數(shù)據(jù)共享，同時(shí)記錄系統(tǒng)所有操作信息，保障數(shù)據(jù)交換安全真實(shí);通過(guò)貢獻(xiàn)證明協(xié)議進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)分配，保證貢獻(xiàn)與獎(jiǎng)勵(lì)成正比，增加數(shù)據(jù)分享積極性;通過(guò)加入智能合約進(jìn)行智能控制，防止違規(guī)使用，為政府和有關(guān)部門提供準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠的信息。系統(tǒng)提供多種查詢方式（圖1），如圖形查詢、點(diǎn)擊查詢、區(qū)域查詢、屬性查詢等，用戶可以通過(guò)客戶端疊加相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、決策、指導(dǎo)，使之更加個(gè)性化，更有針對(duì)性，從而達(dá)到共享目的，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

2.1? ? 用戶系統(tǒng)

本系統(tǒng)由參與數(shù)據(jù)共享的各個(gè)用戶構(gòu)成。用戶利用系統(tǒng)提供的同態(tài)加密算法對(duì)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后通過(guò)業(yè)務(wù)適配器將共享數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)共享接口服務(wù)模塊。本系統(tǒng)主要有3個(gè)功能：一是用戶通過(guò)傳輸個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)共享的氣象數(shù)據(jù)至分布式賬本內(nèi)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)資源子模塊內(nèi)，獲得系統(tǒng)發(fā)放的虛擬貨幣獎(jiǎng)勵(lì)，獎(jiǎng)勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)由智能合約模塊內(nèi)的貢獻(xiàn)證明協(xié)議子模塊根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算;二是用戶通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)資源目錄服務(wù)子模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、匹配，然后通過(guò)支付虛擬貨幣從分布式賬本內(nèi)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)資源子模塊獲取需要的氣象數(shù)據(jù);三是各個(gè)用戶之間通過(guò)分布式賬本內(nèi)的用戶信息子項(xiàng)目進(jìn)行虛擬貨幣交易。

2.2? ? 數(shù)據(jù)接口服務(wù)系統(tǒng)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)共享接口服務(wù)模塊構(gòu)成。根據(jù)本系統(tǒng)功能分析將數(shù)據(jù)共享接口服務(wù)模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、任務(wù)調(diào)度等6個(gè)子模塊。本系統(tǒng)主要有2個(gè)功能：一是負(fù)責(zé)用戶系統(tǒng)、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作，本系統(tǒng)對(duì)需要交換的加密氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，然后利用安全多方計(jì)算技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換后的加密氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)作計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果后將結(jié)果返回給數(shù)據(jù)需求方;二是根據(jù)確定的模式自動(dòng)調(diào)度不同的數(shù)據(jù)，完成計(jì)劃的目標(biāo)與任務(wù)。

2.3? ? 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)目錄模塊、智能合約模塊、分布式賬本、系統(tǒng)管理模塊等4個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)綜合管理查詢功能，提供空間數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)管理通道。

2.3.1? ? 數(shù)據(jù)目錄模塊。本模塊主要由數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)匹配、數(shù)據(jù)索引3個(gè)子模塊組成，利用分布式運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，提高了自動(dòng)化效率，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理流程。主要功能是為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)提供方便快捷的數(shù)據(jù)組織與管理方式。用戶通過(guò)數(shù)據(jù)目錄服務(wù)，可以對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、匹配與檢索服務(wù)。

2.3.2? ? 智能合約模塊。本模塊主要由存量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)清洗、貢獻(xiàn)證明協(xié)議等4個(gè)子模塊組成。本模塊主要具有2個(gè)功能：一是負(fù)責(zé)把用戶在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)資源同步至分布式賬本中存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)清洗工作;二是對(duì)用戶共享的數(shù)據(jù)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，并將獎(jiǎng)勵(lì)結(jié)果發(fā)送至分布式賬本內(nèi)的用戶虛擬財(cái)產(chǎn)賬戶中儲(chǔ)存。智能合約可追蹤且不可逆轉(zhuǎn)，保障數(shù)據(jù)不會(huì)被篡改，增強(qiáng)區(qū)塊鏈性能和隱私保護(hù)。

2.3.3? ? 分布式賬本。本模塊主要由存儲(chǔ)數(shù)據(jù)資源、權(quán)限控制、存儲(chǔ)分析任務(wù)、虛擬財(cái)產(chǎn)賬戶等4個(gè)子模塊組成，滿足多個(gè)用戶使用同一服務(wù)器的需要，達(dá)到分散部署、集中執(zhí)行的目的。本模塊主要有2個(gè)功能：一是為用戶提供區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)共享、復(fù)制和同步的數(shù)據(jù)庫(kù)功能及數(shù)據(jù)交換功能;二是記錄系統(tǒng)內(nèi)用戶虛擬財(cái)產(chǎn)交易數(shù)據(jù)信息。

2.3.4? ? 系統(tǒng)管理模塊。本模塊主要由用戶認(rèn)證、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)幫助、系統(tǒng)拓展等5個(gè)子模塊組成。本模塊主要有5個(gè)功能：一是用于區(qū)塊鏈用戶認(rèn)證;二是針對(duì)不同用戶設(shè)置不同權(quán)限;三是設(shè)置系統(tǒng)管理員維護(hù)系統(tǒng);四是提供系統(tǒng)介紹功能及演示功能;五是預(yù)留接口以備系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)升級(jí)。

3? ? 實(shí)施步驟

3.1? ? 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

參與氣象數(shù)據(jù)共享的用戶選擇個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)中需要共享的歷史或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)，利用同態(tài)加密算法加密后，通過(guò)業(yè)務(wù)適配器傳輸至數(shù)據(jù)共享接口模塊，由于氣象數(shù)據(jù)的特殊性，有些數(shù)據(jù)無(wú)法直接讀取，可以通過(guò)業(yè)務(wù)適配器轉(zhuǎn)化為可讀取的數(shù)據(jù)格式（圖2）。

3.2? ? 數(shù)據(jù)傳輸

在各個(gè)用戶的共享數(shù)據(jù)全部到達(dá)共享接口模塊后，數(shù)據(jù)接口服務(wù)系統(tǒng)通過(guò)單項(xiàng)傳輸通道將這些數(shù)據(jù)傳遞至一個(gè)安全的計(jì)算容器中，數(shù)據(jù)到達(dá)容器后自動(dòng)解密，并準(zhǔn)備進(jìn)行協(xié)作運(yùn)算。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程均通過(guò)智能合約記錄在區(qū)塊鏈上，確保記錄無(wú)法篡改（圖3）。

3.3? ? 數(shù)據(jù)協(xié)作運(yùn)行

在各個(gè)用戶的共享數(shù)據(jù)到達(dá)安全的計(jì)算容器后，數(shù)據(jù)接口服務(wù)系統(tǒng)利用安全多方計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以通過(guò)設(shè)置輸入、輸出參數(shù)進(jìn)行封裝，得到計(jì)算結(jié)果，數(shù)據(jù)處理將變得更加簡(jiǎn)單，效率也會(huì)得到提升;利用貢獻(xiàn)證明協(xié)議來(lái)確保數(shù)據(jù)共享者的收益權(quán)，提高用戶參與度;同時(shí)整個(gè)數(shù)據(jù)協(xié)作運(yùn)行過(guò)程均保存在區(qū)塊鏈上，確保數(shù)據(jù)協(xié)作過(guò)程公開透明，每個(gè)參與者都能公平、公正的獲得計(jì)算結(jié)果（圖4）。

3.4? ? 數(shù)據(jù)輸送

安全計(jì)算容器得到協(xié)作運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果后，數(shù)據(jù)同步及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊把結(jié)果傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)中的分布式賬本中儲(chǔ)存。在運(yùn)行數(shù)據(jù)到達(dá)分布式賬本后，安全計(jì)算容器內(nèi)用于協(xié)作的原始數(shù)據(jù)自動(dòng)消除，不會(huì)留下備份，同時(shí)此次過(guò)程和結(jié)果也是記錄在區(qū)塊鏈上，數(shù)據(jù)的使用成本降低，減少了大量的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，用戶使用更加方便，使專業(yè)應(yīng)用面向更高層次（圖5）。

4? ? 方案特點(diǎn)

建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的氣象數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，可以解決氣象數(shù)據(jù)資源流通問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)無(wú)需數(shù)據(jù)歸集就能完成協(xié)作共享，同時(shí)確保數(shù)據(jù)共享用戶的安全隱私。此外，通過(guò)建立信用貢獻(xiàn)證明機(jī)制及數(shù)據(jù)造假懲罰機(jī)制，可以提高數(shù)據(jù)真實(shí)性，同時(shí)提升用戶數(shù)據(jù)分享積極性。推動(dòng)商業(yè)化的氣象服務(wù)行業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)氣象資料商品開發(fā)利用，滿足大眾對(duì)氣象資料的需求，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)在商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)、規(guī)劃戰(zhàn)略、決策指導(dǎo)中的實(shí)用價(jià)值。

4.1? ? 安全監(jiān)管信息

平臺(tái)通過(guò)審查申請(qǐng)人資質(zhì)來(lái)決定是否允許其服務(wù)器加入網(wǎng)絡(luò)和加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的類型，針對(duì)不同的用戶角色設(shè)置不同的訪問(wèn)權(quán)限，只能在權(quán)限內(nèi)調(diào)用數(shù)據(jù);使用區(qū)塊鏈對(duì)用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)鏈接，在平臺(tái)監(jiān)管下實(shí)現(xiàn)部分去中心化。

4.2? ? 數(shù)據(jù)交易信息

平臺(tái)通過(guò)使用虛擬貨幣對(duì)用戶分享行為進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，共享多、價(jià)值高的數(shù)據(jù)可以獲得較多虛擬貨幣，同時(shí)用戶可以通過(guò)支付虛擬貨幣來(lái)購(gòu)買平臺(tái)內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，提升用戶數(shù)據(jù)分享積極性，使用戶的共享數(shù)據(jù)產(chǎn)生財(cái)富增值。

4.3? ? 區(qū)塊鏈合約信息

將目前氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)則對(duì)應(yīng)到電子合同模板中，選擇合同模板會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的智能合約，自動(dòng)地、無(wú)需信任地、公正地強(qiáng)制執(zhí)行合約內(nèi)容，對(duì)數(shù)據(jù)使用過(guò)程進(jìn)行智能控制，去除對(duì)第三方的依賴。同時(shí)，可以定制各類數(shù)據(jù)間互操作協(xié)議、自定義數(shù)據(jù)格式，以保證不同數(shù)據(jù)相互銜接的通暢性。

4.4? ? 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)信息

記錄區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)鏈上的數(shù)據(jù)基本信息、數(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)流通信息、數(shù)據(jù)使用場(chǎng)景、數(shù)據(jù)秘鑰信息等;通過(guò)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)共享過(guò)程進(jìn)行記錄，保證數(shù)據(jù)交換記錄真實(shí)可靠且不可篡改，在保證數(shù)據(jù)共享同時(shí)，也保證了數(shù)據(jù)服務(wù)的安全。

4.5? ? 區(qū)塊鏈賬戶信息

采用混合認(rèn)證方式，通過(guò)使用虹膜、指紋、密碼等多種認(rèn)證方式對(duì)使用主體進(jìn)行認(rèn)證，將賬戶和行為主體綁定，加入智能合約，解決區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)共享各方的身份認(rèn)證問(wèn)題，防止違規(guī)使用;同時(shí)，可將身份信息進(jìn)行強(qiáng)度安全保護(hù)后，置于身份鏈上，以滿足不同用戶的需求。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文利用區(qū)塊鏈的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將區(qū)塊鏈技術(shù)與氣象數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出一種氣象數(shù)據(jù)共享解決方案，從而實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸、備份、讀取、更新等任務(wù)，保證數(shù)據(jù)有序流動(dòng)和充分發(fā)揮作用。通過(guò)建立協(xié)作共享機(jī)制、信用貢獻(xiàn)機(jī)制、數(shù)據(jù)造假機(jī)制等，可以降低數(shù)據(jù)交換和交易的成本，提升數(shù)據(jù)流通共享以及數(shù)據(jù)生產(chǎn)匯集的積極性;通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為用戶提供了更加便捷的氣象數(shù)據(jù)獲取方式，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)管理與共享服務(wù)一體化;通過(guò)分布式賬本及智能合約，將整個(gè)數(shù)據(jù)共享過(guò)程記錄在區(qū)塊鏈上，保障數(shù)據(jù)隱私及安全。

6? ? 參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目? ?重慶市氣象部門青年基金項(xiàng)目（QNJJ-201912）。

作者簡(jiǎn)介? ?楊浩（1990-），男，重慶人，助理工程師，從事氣象安全管理、防雷減災(zāi)等工作。

收稿日期? ?2020-03-06