基于區(qū)塊鏈的物理實(shí)驗(yàn)追溯方案

吳超 胡占寧

摘 要：由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境存在偏差，某些物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法被再次驗(yàn)證，從而導(dǎo)致一些科研成果遭到質(zhì)疑。利用區(qū)塊鏈的去中心及分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特點(diǎn)，提出一種基于區(qū)塊鏈的物理實(shí)驗(yàn)追溯方案，并進(jìn)行安全性與可行性分析。測(cè)試結(jié)果表明，該方案可以有效追蹤物理實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)信息來(lái)源，以此提供物理實(shí)驗(yàn)復(fù)證的基礎(chǔ)，使物理實(shí)驗(yàn)變得更加透明，從而提高科研成果的公信力。在建立信任機(jī)制后，可以減少反復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過(guò)程帶來(lái)的資源浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;物理實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)復(fù)證;區(qū)塊鏈追溯

DOI： 10. 11907/rjdk.191553

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP399

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7800（2020）001-0238-04

0 引言

在科研實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境存在偏差，或?qū)嶒?yàn)過(guò)程不嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)致某些實(shí)驗(yàn)無(wú)法重復(fù)驗(yàn)證的事件時(shí)常發(fā)生。例如國(guó)內(nèi)的“韓春雨事件”，由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法復(fù)證，實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不完全相符，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)此爭(zhēng)議不斷，導(dǎo)致《Nature》雜志撤回韓春雨團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文…。特別是在量子測(cè)量[2]物理實(shí)驗(yàn)中，由于量子態(tài)是疊加態(tài)，測(cè)量時(shí)會(huì)導(dǎo)致量子不確定的態(tài)塌縮到一個(gè)確定的態(tài)，如果實(shí)驗(yàn)只得到一種結(jié)果，該結(jié)果則可能會(huì)引發(fā)爭(zhēng)議。類似“薛定諤的貓”，一次測(cè)量結(jié)果，有人會(huì)出現(xiàn)“死貓”的結(jié)果，也有人得到“活貓”的結(jié)果，從而引起一些爭(zhēng)議。區(qū)塊鏈[3]（ Block-chain）是去中心、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)同步所有區(qū)塊信息，讓信息變得公開透明。因此，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于科研實(shí)驗(yàn)中，可能給實(shí)驗(yàn)復(fù)證提供新的思路?？蒲腥藛T可以先對(duì)機(jī)密數(shù)據(jù)保密，將實(shí)驗(yàn)的每個(gè)環(huán)節(jié)步驟與每一階段成果信息記錄在區(qū)塊鏈上，并且不能篡改，使實(shí)驗(yàn)變得公開透明，并能完整展示整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

區(qū)塊鏈從之前的1.0時(shí)代（比特幣）發(fā)展到現(xiàn)在的3.0時(shí)代[4]，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用從之前的數(shù)字金融領(lǐng)域拓展到了醫(yī)療[5-6]、物流[7]、物聯(lián)網(wǎng)[8]、人工智能[9]、保險(xiǎn)[10]、數(shù)字認(rèn)證等領(lǐng)域。目前區(qū)塊鏈在供應(yīng)鏈上的應(yīng)用最為廣泛，例如食品安全追溯[11]、物流追溯以及醫(yī)療安全記錄溯源[12]等。全球最大的零售巨頭沃爾瑪利用區(qū)塊鏈進(jìn)行豬肉溯源[13]，支付寶的螞蟻區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)已應(yīng)用于慈善事業(yè)中。2018年雙十一期間，天貓利用區(qū)塊鏈追溯技術(shù)實(shí)現(xiàn)海外商品的跨域溯源。本文提出一種基于區(qū)塊鏈的物理實(shí)驗(yàn)追溯方案，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)信息進(jìn)行追溯，使整個(gè)物理實(shí)驗(yàn)更加透明，從而提供更好的實(shí)驗(yàn)復(fù)證基礎(chǔ)，提高科研成果的公信力。與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)復(fù)證相比，本文提出的基于區(qū)塊鏈追溯的方法，可使物理實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的信息來(lái)源更加可靠。

1 區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介

區(qū)塊鏈?zhǔn)侨ブ行摹⒎植际降臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可以存儲(chǔ)與核實(shí)數(shù)據(jù)。第一次提出區(qū)塊鏈技術(shù)的是比特幣的發(fā)明人中本聰[14]?；诠ぷ髁孔C明的系統(tǒng)允許雙方在沒(méi)有第三方干預(yù)的前提下進(jìn)行交易。區(qū)塊鏈技術(shù)是電子交易系統(tǒng)的核心，典型基于區(qū)塊鏈的加密貨幣有比特幣、以太幣等。

區(qū)塊鏈能提供各種應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)，分布式網(wǎng)絡(luò)使用的安全技術(shù)有：哈希函數(shù)、數(shù)字簽名、非對(duì)稱加密等，典型技術(shù)有鏈表技術(shù)與共識(shí)機(jī)制[15]。

由于區(qū)塊鏈?zhǔn)褂命c(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）網(wǎng)絡(luò)，因此用戶之間的信任是一個(gè)重要問(wèn)題。人們采用各種一致性算法解決信任問(wèn)題，例如工作量證明（POW）、股權(quán)證明[16]（POS）和實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法[17]（PBFT）。其中POW和POS應(yīng)用于公有鏈中，而PBFT主要應(yīng)用于私有鏈中[18]。

2 基于區(qū)塊鏈的物理實(shí)驗(yàn)追溯方案

2.1 追溯方法選擇

溯源技術(shù)是指為了在科學(xué)研究中校核數(shù)據(jù)質(zhì)量與追溯數(shù)據(jù)責(zé)任而產(chǎn)生的一種情報(bào)技術(shù)，目前主要的追蹤溯源方法有反向查詢法、標(biāo)注法和工作流日志法等[19]，這些方法都是數(shù)據(jù)引證的通用技術(shù)，但大部分缺乏安全性與保密性。由于區(qū)塊鏈技術(shù)本身就是加密型數(shù)據(jù)庫(kù)，因此可以很好地滿足實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的保密需求，解決了研究者們擔(dān)心的數(shù)據(jù)泄漏問(wèn)題。

2.2 基于區(qū)塊鏈的物理實(shí)驗(yàn)追溯模型

在發(fā)表科研論文的同時(shí)，將已編號(hào)的物理實(shí)驗(yàn)各階段實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)成果（溯源信息）上傳到云端或集群的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上;經(jīng)由監(jiān)管部門相關(guān)專家審核通過(guò)后，再通過(guò)區(qū)塊鏈加密算法傳輸?shù)綌?shù)據(jù)區(qū)塊上，并且連接形成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，該過(guò)程是安全可靠的;接下來(lái)通過(guò)追溯技術(shù)查詢物理實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)信息，包括實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)成果等。

2.3 追溯流程

此前，具體的科研實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)信息只有科研方本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)有記錄，某些科研實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)過(guò)程信息可能存在不對(duì)稱及不透明，以及偽造與修改等問(wèn)題。引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)后，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)信息的去中心化，將主觀人為的信任機(jī)制變?yōu)橥ㄟ^(guò)算法實(shí)現(xiàn)的全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一致共識(shí)的信任機(jī)制，因此大大增強(qiáng)了科研成果的可信度。

區(qū)塊鏈技術(shù)的時(shí)間戳機(jī)制可以體現(xiàn)整個(gè)追溯過(guò)程的完整性。圖1為溯源流程，其中實(shí)驗(yàn)信息是指實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)每個(gè)階段的所有數(shù)據(jù)信息，便于監(jiān)管方追究問(wèn)責(zé)。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)思路

基于區(qū)塊鏈的物理實(shí)驗(yàn)追溯系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路如下：科研工作人員將實(shí)驗(yàn)中各個(gè)環(huán)節(jié)信息（實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)結(jié)果、保密機(jī)密數(shù)據(jù)）錄入?yún)^(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)中，區(qū)塊鏈上各節(jié)點(diǎn)成員可以利用實(shí)驗(yàn)編號(hào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢相應(yīng)實(shí)驗(yàn)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)信息各個(gè)環(huán)節(jié)的追溯。

3.2 系統(tǒng)平臺(tái)

關(guān)于區(qū)塊鏈平臺(tái)選擇，現(xiàn)在流行的開源項(xiàng)目有Bitcoin、以太坊和Hyperledger，以太坊由于支持可編程的智能合約，應(yīng)用較為廣泛，而且目前技術(shù)比較成熟。所以為了解決實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)篡改威脅、數(shù)據(jù)真實(shí)性驗(yàn)證以及結(jié)構(gòu)化中心三大問(wèn)題，本文選擇目前項(xiàng)目開源、SDK接口豐富，且技術(shù)較為成熟的區(qū)塊鏈平臺(tái)以太坊作為系統(tǒng)的區(qū)塊鏈平臺(tái)。

3.3 數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

物理實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)記錄數(shù)據(jù)包括：實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)條件以及產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果等信息，這些信息可以圖片、視頻或文字說(shuō)明等形式上傳。

物理實(shí)驗(yàn)信息追溯的前提是有數(shù)據(jù)信息才能查詢，所以系統(tǒng)方案首先需要將物理實(shí)驗(yàn)信息錄入到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)信息的存儲(chǔ)。由于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是單向的，是一種哈希處理，經(jīng)過(guò)hash函數(shù)的運(yùn)算后，無(wú)法找回原始數(shù)據(jù)，所以本文的實(shí)驗(yàn)信息存儲(chǔ)可以分別錄入?yún)^(qū)塊鏈與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)（如MySQL）中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)信息的追溯。工作人員將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量到的相關(guān)實(shí)驗(yàn)信息打包并同時(shí)錄入到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)和區(qū)塊鏈中。之后將要查詢的實(shí)驗(yàn)信息經(jīng)過(guò)哈希處理后，與區(qū)塊鏈中返回的哈希值進(jìn)行比較，以此驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)信息的真實(shí)性。展示頁(yè)面利用網(wǎng)頁(yè)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)信息的回顯。該過(guò)程可讓科研單位與科研資助方、出版方共同進(jìn)行監(jiān)管，達(dá)成共識(shí)后將區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)同步到區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)上。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 實(shí)驗(yàn)?zāi)M與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)信息存儲(chǔ)過(guò)程

科研工作人員通過(guò)相應(yīng)算法將節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)為信息摘要，然后通過(guò)各自擁有的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)將信息摘要發(fā)送到區(qū)塊鏈上，經(jīng)過(guò)平等的共識(shí)過(guò)程，將信息摘要寫入?yún)^(qū)塊鏈的區(qū)塊上。如果信息寫入成功，系統(tǒng)會(huì)得到相應(yīng)返回值，即區(qū)塊鏈中一條交易的返回哈希值，其是查找區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)的索引值，并將這條返回值存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。具體存儲(chǔ)流程如下：首先進(jìn)行以太坊區(qū)塊鏈的準(zhǔn)備工作，安裝以太坊客服端geth，新建一個(gè)customC enesi.json文件，使用geth命令創(chuàng)立創(chuàng)始區(qū)塊;然后打開以太坊的geth客戶端，連接服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，在geth控制臺(tái)輸入挖礦命令和解鎖賬號(hào)命令;工作人員將數(shù)據(jù)通過(guò)科研單位搭建的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)上傳，連接到以太坊客戶端geth（ go-ethereum），則會(huì)自動(dòng)激活RPC，RPC會(huì)默認(rèn)訪問(wèn)web3接口;科研單位工作人員通過(guò)建立的節(jié)點(diǎn)賬戶，通過(guò)挖礦命令mmer.start（）獲取以太幣，再利用JavaScript調(diào)用web3中的sendTransation（）方法，將sha3處理后的信息摘要以交易形式發(fā)送到區(qū)塊鏈的Block上;每條交易會(huì)返回一個(gè)hash值，將hash值存放到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于溯源查詢使用。

4.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)與業(yè)務(wù)模塊功能

B/S架構(gòu)[20]是目前比較主流的Web架構(gòu)，使用十分方便，因此本文基于區(qū)塊鏈的物理實(shí)驗(yàn)信息追溯方案即采用B/S架構(gòu)。信息存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采用SSM框架，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用私有鏈建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可使實(shí)驗(yàn)操作更加簡(jiǎn)便。本文根據(jù)軟件分層的原則，將該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層與表示層。

表示層：前端通過(guò)HTML或JSP頁(yè)面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、真實(shí)性驗(yàn)證等數(shù)據(jù)處理工作，研究人員的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)頁(yè)面寫入，之后出版商及科研管理方等可以從頁(yè)面讀取數(shù)據(jù)。

業(yè)務(wù)邏輯層：區(qū)塊鏈部分是利用JavaScript代碼實(shí)現(xiàn)的，調(diào)用web3.js實(shí)現(xiàn)與geth的交互，從而將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在以太坊區(qū)塊鏈上。后臺(tái)部分通過(guò)Java代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)連接與操作，實(shí)現(xiàn)交互、指定頁(yè)面跳轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)請(qǐng)求處理等功能。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：通過(guò)以太坊的區(qū)塊鏈與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4.3 系統(tǒng)功能及展示

以常見物理實(shí)驗(yàn)（菲涅爾單縫衍射實(shí)驗(yàn)）為例，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息包括實(shí)驗(yàn)員信息、實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從需求角度來(lái)看，本系統(tǒng)功能包括3部分：

（1）數(shù)據(jù)錄入功能。物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入包括兩部分：①利用JS技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，生成信息摘要，然后將其通過(guò)交易形式存放到以太坊區(qū)塊鏈上，并將交易返回哈希值存放到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中;②利用Java Web技術(shù)與SSM框架技術(shù)將JSP頁(yè)面填寫的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（2）數(shù)據(jù)追溯即數(shù)據(jù)查詢功能，即將錄入數(shù)據(jù)加以展示?？蒲泄芾碚呋螂s志出版審核人員只需輸入實(shí)驗(yàn)編號(hào)（例如：輸入2018120802）即能得到實(shí)驗(yàn)詳細(xì)信息，如圖3所示。

（3）實(shí)驗(yàn)信息真實(shí)性驗(yàn)證。通過(guò)頁(yè)面查詢到MySQL中的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)SHA3（）函數(shù)處理后得到的新哈希值，與查詢頁(yè)面得到的返回哈希值在經(jīng)過(guò)getTransaction（）函數(shù)處理后得到的input值（舊哈希值）進(jìn)行對(duì)比，即可驗(yàn)證信息是否篡改，如圖6所示。若查詢結(jié)果一致，即可保證實(shí)驗(yàn)信息的真實(shí)性。

4.4 方案安全性分析

（1）安全性。根據(jù)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特點(diǎn)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息都是根據(jù)密碼學(xué)非對(duì)稱加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，所以存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)是安全的，并且實(shí)驗(yàn)信息存入?yún)^(qū)塊鏈后都會(huì)產(chǎn)生唯一的hash標(biāo)識(shí)，從而使每一份實(shí)驗(yàn)信息數(shù)據(jù)都是唯一的，有利于提升科研實(shí)驗(yàn)信息的權(quán)威性。

（2）不可篡改性?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈上的每一份實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息都帶有時(shí)間戳，在區(qū)塊鏈上執(zhí)行錄入與查詢操作時(shí)都能看到時(shí)間，并且能同步到各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，每一步操作都是公開的。若想改變當(dāng)前的哈希文件，必須保證網(wǎng)絡(luò)中51%以上的節(jié)點(diǎn)同意，這對(duì)于一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)體系而言是很難實(shí)現(xiàn)的。由于所有操作都能實(shí)時(shí)同步到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，保證了方案數(shù)據(jù)的不可篡改性。

5 結(jié)語(yǔ)

為了解決一些物理實(shí)驗(yàn)信息存在的真實(shí)性問(wèn)題，或某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以復(fù)證的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了適用于聯(lián)盟鏈環(huán)境的基于區(qū)塊鏈的物理實(shí)驗(yàn)信息追溯應(yīng)用方案。本文提出使用區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)信息，使得錄入的信息無(wú)法篡改。若有人改動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)區(qū)塊鏈溯源，對(duì)比區(qū)塊鏈上的錄入信息即能進(jìn)行驗(yàn)證，從而確保原始數(shù)據(jù)的真實(shí)性，使物理實(shí)驗(yàn)更加透明。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案相比，本文應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可保證存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)信息更加真實(shí)、透明，從而使科研成果更加具有公信力和權(quán)威性。在建立信任機(jī)制后，可以減少物理實(shí)驗(yàn)的反復(fù)驗(yàn)證過(guò)程，加快學(xué)術(shù)出版速度，推進(jìn)科研創(chuàng)新發(fā)展。然而，受區(qū)塊鏈本身性能的限制，本文提出的方案只針對(duì)有價(jià)值的科研實(shí)驗(yàn)，對(duì)一般性實(shí)驗(yàn)后續(xù)有待進(jìn)一步完善。

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（責(zé)任編輯：黃健）

作者簡(jiǎn)介：吳超（1993-），男，天津工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)閰^(qū)塊鏈、物理實(shí)驗(yàn);胡占寧（1962-），男，博士，天津工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，研究方向區(qū)塊鏈、量子通信。