基于Petri網(wǎng)的區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程模型研究

李 嶒 徐濟(jì)成,2 李 亮

1(安徽中澳科技職業(yè)學(xué)院 安徽 合肥 230041) 2(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 安徽 合肥 230036) 3(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 安徽 合肥 230026)

0 引 言

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于比特幣，它將密碼學(xué)、時(shí)序數(shù)據(jù)、共識(shí)機(jī)制和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)結(jié)合起來，在去中心化的系統(tǒng)環(huán)境下，保證價(jià)值交易的安全、可靠、不可篡改。隨著國內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)研究的不斷深入，區(qū)塊鏈的應(yīng)用場(chǎng)景從數(shù)字貨幣逐步擴(kuò)展到金融領(lǐng)域之外，成為了一種去中心化的應(yīng)用系統(tǒng)解決方案[1]。建立在區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)之上的應(yīng)用系統(tǒng)稱為區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)，為了保證區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、智能地運(yùn)行，其業(yè)務(wù)流程的正確性至關(guān)重要，因此在區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)施之前需要對(duì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行建模和分析，以此避免在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常而帶來的損失。

區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制和業(yè)務(wù)流程有別于傳統(tǒng)的DBMS，其業(yè)務(wù)流程的建模和分析方法可以借鑒傳統(tǒng)的工作流模型分析技術(shù)，結(jié)合區(qū)塊鏈應(yīng)用的運(yùn)行機(jī)制，設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程的圖形化建模元素，定義形式化的數(shù)學(xué)描述方法，改造流程模型驗(yàn)證分析算法。Petri網(wǎng)是一種基于狀態(tài)的建模方法，適用于各種系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程建模分析，它具有圖形化的模型表示方法、形式化的數(shù)學(xué)描述方法、多種分析技術(shù)等特點(diǎn)[2]，在工作流應(yīng)用系統(tǒng)建模分析中已有不少成熟的應(yīng)用，Petri網(wǎng)的建模分析方法具有很好的擴(kuò)展性，也適用于區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程建模分析。

1 區(qū)塊鏈應(yīng)用

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)簡(jiǎn)介

區(qū)塊鏈?zhǔn)菑谋忍貛诺讓犹崛〕鰜淼囊环N由節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)的分布式共享數(shù)據(jù)庫(賬本)技術(shù)，區(qū)塊鏈的基本概念有：交易(Transaction)是一次對(duì)賬本的寫入操作，在區(qū)塊鏈技術(shù)中交易信息只能查詢和寫入，不能更新和刪除；區(qū)塊(Block)用于記錄一個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的交易及交易的處理結(jié)果，區(qū)塊數(shù)據(jù)需要區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)后才能寫入賬本；鏈(Chain)是由一個(gè)個(gè)區(qū)塊數(shù)據(jù)根據(jù)交易時(shí)間點(diǎn)的順序串聯(lián)鏈接而成，相當(dāng)于賬本狀態(tài)的日志記錄。區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了去中心化、集體維護(hù)、不可篡改和交易可追溯的應(yīng)用系統(tǒng)解決方案，主要特點(diǎn)如下。

(1) 去中心化：節(jié)點(diǎn)之間用P2P的方式進(jìn)行交易，交易的地址由參與節(jié)點(diǎn)自行管理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在分布式共享賬本上，交易的安全由全體節(jié)點(diǎn)共同驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的互信機(jī)制。

(2) 交易透明不可篡改：區(qū)塊鏈的共享賬本是一種層次數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中的記錄按照產(chǎn)生的時(shí)間順序永久保存，對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)都是公開的，任何對(duì)數(shù)據(jù)的操作都將被記錄下來。

(3) 交易可追溯：由于區(qū)塊數(shù)據(jù)根據(jù)hash值彼此關(guān)聯(lián)，一旦達(dá)成共識(shí)寫入賬本，則不能對(duì)記錄進(jìn)行更改和刪除，只有不斷地追加數(shù)據(jù)來表示不同的狀態(tài)。

1.2 區(qū)塊鏈應(yīng)用的運(yùn)行方式

共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈技術(shù)的核心，在P2P網(wǎng)絡(luò)中互不信任的節(jié)點(diǎn)通過一種預(yù)設(shè)的規(guī)則達(dá)到對(duì)新增數(shù)據(jù)的一致認(rèn)可就是共識(shí)[3]。共識(shí)機(jī)制存在的意義是抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊、防止數(shù)據(jù)被惡意篡改。區(qū)塊鏈應(yīng)用和傳統(tǒng)中心化DBMS提供數(shù)據(jù)記錄增、刪、查、改的功能不同，嚴(yán)格來說在區(qū)塊鏈應(yīng)用中只有查詢和新增區(qū)塊數(shù)據(jù)，刪除和更新操作是通過新增交易數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)，交易數(shù)據(jù)由所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)共識(shí)算法共同計(jì)算驗(yàn)證，達(dá)成共識(shí)的交易數(shù)據(jù)記錄在共享數(shù)據(jù)庫中，區(qū)塊鏈應(yīng)用向用戶展示的信息為某一時(shí)刻所有交易數(shù)據(jù)共同計(jì)算的結(jié)果。區(qū)塊鏈這種數(shù)據(jù)操作和存儲(chǔ)的方法保證了所有信息變動(dòng)是可追溯的，而且絕不可能出現(xiàn)更新延遲導(dǎo)致的信息不對(duì)稱。區(qū)塊鏈應(yīng)用數(shù)據(jù)操作流程示意如圖1所示。

1.3 區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)和傳統(tǒng)DBMS的比較分析

區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)和傳統(tǒng)中心化的DBMS都是通過應(yīng)用界面和用戶進(jìn)行交互，從用戶操作的角度來講，兩者的前端操作是一致的。DBMS采用中心化的BS或CS系統(tǒng)架構(gòu)，客戶端交互應(yīng)用通過開放數(shù)據(jù)連接(數(shù)據(jù)庫控制接口)來調(diào)用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBS)，中心服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中有著不可替代的重要地位，它根據(jù)用戶角色來分配操作權(quán)限[4]，通過驗(yàn)證用戶的合法性來保證數(shù)據(jù)的合法性，其運(yùn)行方式如圖2所示。

圖2 DBMS運(yùn)行示意圖

區(qū)塊鏈應(yīng)用則是通過智能合約發(fā)送交易請(qǐng)求[5]，經(jīng)過共識(shí)機(jī)制由節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后寫入共享賬本，為了保證操作的合法性，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的交易由其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)共識(shí)算法來共同計(jì)算驗(yàn)證，驗(yàn)證的對(duì)象是交易數(shù)據(jù)的本身[6]，區(qū)塊鏈應(yīng)用底層采用P2P的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中具有平等的地位。區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行示意圖如圖3所示。

圖3 區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)和傳統(tǒng)DBMS采用完全不同的技術(shù)架構(gòu)，兩者在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、應(yīng)用環(huán)境、數(shù)據(jù)操作方式、操作主體、數(shù)據(jù)對(duì)象、驗(yàn)證方式、訪問控制、存儲(chǔ)方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面存在不同，因此在區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程的分析方法不能直接照搬DBMS成熟的工作流管理技術(shù)，需要根據(jù)區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)建模方法、正確性定義和驗(yàn)證算法進(jìn)行改造。區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)和DBMS的對(duì)比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)的對(duì)比

2 區(qū)塊鏈應(yīng)用業(yè)務(wù)流程的建模方法

2.1 區(qū)塊鏈應(yīng)用業(yè)務(wù)流程的形式化定義

參照Petri網(wǎng)對(duì)中心化DBMS的工作流定義，結(jié)合區(qū)塊鏈應(yīng)用業(yè)務(wù)流程的運(yùn)行機(jī)制，提出區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程網(wǎng)的定義。

定義1區(qū)塊鏈應(yīng)用業(yè)務(wù)流程網(wǎng)是一個(gè)四元組PCN為(P，T，V，F(xiàn))，其中：

(1)P為Petri網(wǎng)庫所的集合，庫所用于表示流程路徑的Token容器，?p∈P稱為一個(gè)庫所；

(2)T為交易的集合，區(qū)塊鏈應(yīng)用的原子任務(wù)稱為交易，T有兩個(gè)子集U和S，U是數(shù)據(jù)層操作交易的集合，S是應(yīng)用層交易的集合，T=U∪S，U∩S=?；

(3)V是對(duì)交易進(jìn)行分布式共識(shí)計(jì)算后的驗(yàn)證狀態(tài)的集合，?v∈V∧?v(v=0∨v=1)；

(4)F是連接交易和庫所之間的弧的集合，?t1∈T∧?t2∈T?(t1,t2)∈F∨(t2,t1)∈F。

推理1在PCN中至少包含兩個(gè)特殊的庫所：s和e，?s=?∧e?=?，其中：s為起始庫所，表示一個(gè)業(yè)務(wù)的開始，其前驅(qū)庫所?s為空；e為終止庫所，表示一個(gè)業(yè)務(wù)的完成，其后繼庫所e?為空。一個(gè)僅有起始庫所和終止庫所的PCN稱為空業(yè)務(wù)流。

推理2如果在空業(yè)務(wù)流PCN中加入一個(gè)交易t0，t0的前驅(qū)庫所為s，t0的后繼庫所為e，形式化表示為：t0→v0，?t0={s}，v0?={e}。

推理3如果在非空業(yè)務(wù)流PCN中加入一個(gè)交易tn，需要定義前驅(qū)庫所fn和后繼庫所rn，fn為前一個(gè)交易的后繼庫所，rn為后一個(gè)交易的前驅(qū)庫所，形式化表示為：tn→vn，?tn={rn-1}，vn?={fn+1}。

推理4一個(gè)數(shù)據(jù)操作交易t連接對(duì)應(yīng)一個(gè)共識(shí)子過程v，v分別連接的前驅(qū)庫所和后繼庫所，?t?U→v，?v=?t，v?=t?。

2.2 交易模型的圖形化表示

一個(gè)完整的區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程由若干個(gè)原子任務(wù)組成，原子任務(wù)是一個(gè)不可分割的交易，直至完成單個(gè)操作、查詢到所需數(shù)據(jù)、接受寫入?yún)^(qū)塊數(shù)據(jù)或拒絕寫入。一個(gè)原子任務(wù)在區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)模型中表示為一個(gè)原子交易模型，由前驅(qū)庫所、后繼庫所、交易、共識(shí)標(biāo)記、共識(shí)操作和賬本六個(gè)部分組成。當(dāng)模型中的Token進(jìn)入任務(wù)的前驅(qū)庫所時(shí)，由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)發(fā)起交易請(qǐng)求，根據(jù)交易的類型狀態(tài)，應(yīng)用層交易直接在本地執(zhí)行完成后轉(zhuǎn)至后繼庫所；數(shù)據(jù)層交易需要智能合約對(duì)交易區(qū)塊數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，向P2P網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播，請(qǐng)求驗(yàn)證交易，達(dá)成共識(shí)的數(shù)據(jù)寫入共享賬本，無法達(dá)成共識(shí)的交易數(shù)據(jù)被拒絕寫入[7]，并將Token放入交易的前驅(qū)庫所。原子交易模型如圖4所示。

圖4 原子交易

在區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)建模中，為了便于對(duì)模型進(jìn)行圖形表示，需要對(duì)原子交易模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)的交易分為應(yīng)用層交易和數(shù)據(jù)層交易，其中應(yīng)用層交易的數(shù)據(jù)交換在本地完成，不對(duì)共享賬本進(jìn)行操作，如本地緩存操作、本機(jī)日志文件修改、用戶數(shù)據(jù)校驗(yàn)等，化簡(jiǎn)后的應(yīng)用層原子交易如圖5所示。

圖5 應(yīng)用層交易簡(jiǎn)化圖

數(shù)據(jù)層交易需要對(duì)保存在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的共享賬本進(jìn)行操作，產(chǎn)生一個(gè)交易區(qū)塊數(shù)據(jù)并在全網(wǎng)中廣播并請(qǐng)求寫入，此類交易需要其他節(jié)點(diǎn)共同驗(yàn)證，達(dá)成共識(shí)后寫入成功，共識(shí)失敗將拒絕寫入。為了更清晰地描述數(shù)據(jù)交易，將交易對(duì)應(yīng)的共識(shí)子過程看成一個(gè)虛擬的交易，交易的后繼庫所為虛擬交易的前驅(qū)庫所，虛擬交易有兩個(gè)后繼庫所：當(dāng)前交易的前驅(qū)庫所和后續(xù)交易的前驅(qū)庫所，化簡(jiǎn)后的數(shù)據(jù)層原子交易如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)層交易簡(jiǎn)化圖

2.3 模型的組合結(jié)構(gòu)

2.3.1串行結(jié)構(gòu)

具有先后順序的交易由庫所連接，前一交易的后繼庫所和后一交易的前驅(qū)庫所為同一庫所，這種模型的組合方式為串行結(jié)構(gòu)。一個(gè)完整的流程模型中包含一個(gè)存在庫所中的Token，圖7所示為一個(gè)應(yīng)用層交易和一個(gè)數(shù)據(jù)層交易順序執(zhí)行構(gòu)成的組合模型。

圖7 串行結(jié)構(gòu)模型

2.3.2并行與結(jié)構(gòu)

兩個(gè)或以上交易同時(shí)執(zhí)行完畢后，后續(xù)交易才能得到執(zhí)行，這種模型的組合方式為并行與結(jié)構(gòu)。在模型表示中，后續(xù)交易有兩個(gè)或以上前驅(qū)庫所，當(dāng)所有前驅(qū)庫所中均包含Token，才能驅(qū)動(dòng)后續(xù)交易的執(zhí)行，圖8為一個(gè)包含并行與結(jié)構(gòu)的組合模型，其中：交易t1和t2組成的并行與結(jié)構(gòu)，交易t3為后續(xù)交易。

圖8 并行與結(jié)構(gòu)模型

2.3.3并行或結(jié)構(gòu)

兩個(gè)或以上的交易的其中一個(gè)執(zhí)行完畢后即可執(zhí)行后續(xù)交易，這種交易模型的組合方式為并行或結(jié)構(gòu)。在模型表示中，兩個(gè)或以上交易擁有共同的后繼庫所，該后繼庫所為后續(xù)交易的前驅(qū)庫所，任意交易執(zhí)行后Token均可進(jìn)入后繼庫所，圖9所示為一個(gè)包含并行或結(jié)構(gòu)的組合模型，其中：交易t1和t2組成了并行或結(jié)構(gòu)，交易t3為后續(xù)交易。

圖9 并行或結(jié)構(gòu)模型

2.4 模型的正確性定義

區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)去中心化的特性需要其在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中高度智能化地自動(dòng)運(yùn)行，所以該系統(tǒng)在實(shí)施一個(gè)業(yè)務(wù)流程模型前，要保證業(yè)務(wù)流程模型的正確性，避免應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行過程中實(shí)施維護(hù)[8]。一個(gè)區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程模型PCN為(P，T，V，F(xiàn))的正確性可描述為流程的可達(dá)性、結(jié)果的唯一性、任務(wù)的必要性和共識(shí)狀態(tài)的完整性[9]四個(gè)方面。

定義5共識(shí)狀態(tài)的完整性：?v?V∧(t→e)∧(v=1)，當(dāng)模型執(zhí)行完畢后，所有需要共識(shí)的任務(wù)均已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)，共識(shí)標(biāo)記集合V中所有的元素的值均為1。

3 區(qū)塊鏈應(yīng)用的模型分析及應(yīng)用

3.1 驗(yàn)證方法

數(shù)據(jù)層交易需要進(jìn)行共識(shí)驗(yàn)證，應(yīng)用系統(tǒng)響應(yīng)了交易并不意味著交易將成功執(zhí)行[10]，為了保證業(yè)務(wù)流程模型和實(shí)際相符，引入了虛擬交易的概念。將數(shù)據(jù)層交易對(duì)應(yīng)的共識(shí)子過程虛擬成一個(gè)交易，若共識(shí)失敗流程跳轉(zhuǎn)到交易的前驅(qū)庫所；共識(shí)成功則跳轉(zhuǎn)到后繼庫所。

定義6虛擬交易。虛擬交易的前驅(qū)庫所為交易的后繼庫所，虛擬交易的后繼庫所有兩個(gè)：對(duì)應(yīng)交易的前驅(qū)庫所和后續(xù)交易的前驅(qū)庫所。交易關(guān)系矩陣和交易集合中包含虛擬交易，具體形式化描述為：?t∈U??v(?v=t?∧v?=?t∧v?=t?)，T=T∪{v}。

根據(jù)區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)模型PCN正確性四個(gè)方面的定義，利用交易關(guān)系矩陣表示交易之間的模型的弧，通過庫所向量、交易集合和共識(shí)向量三個(gè)數(shù)據(jù)來動(dòng)態(tài)描述每個(gè)交易執(zhí)行后的模型狀態(tài)。具體算法描述如下：

(1) 構(gòu)造交易關(guān)系矩陣，矩陣中包含模型中的所有交易和虛擬交易，矩陣的列表和行號(hào)分別為交易，行和列交叉處的值表示為交易之間的前后關(guān)系，如交易之間存在先后關(guān)系則值為1，否則值為0。

(2) 庫所向量表示Token在模型庫所的存在情況，向量的維數(shù)為庫所的數(shù)量，向量元素的順序不可更改，包含Token的庫所所對(duì)應(yīng)的庫所向量元素的值為1，空庫所對(duì)應(yīng)庫所向量元素的值為0。模型在初始狀態(tài)時(shí)，Token存在于起始庫所，庫所向量p=(1,0,0,0,…)；終止?fàn)顟B(tài)時(shí)，Token存在于終止庫所，庫所向量p=(0,0,0,…,0,1)；中間狀態(tài)根據(jù)模型的實(shí)際執(zhí)行情況作相應(yīng)的修改。

(4) 共識(shí)向量表示模型中交易達(dá)成共識(shí)的情況，向量的維數(shù)為虛擬交易的數(shù)量，向量元素的順序不可更改，在起始狀態(tài)，所有查詢交易對(duì)應(yīng)的向量元素值為0，v=(0,0,0,…)；在終止?fàn)顟B(tài)時(shí)，所有交易都應(yīng)該得到執(zhí)行，所有虛擬交易都已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)，共識(shí)向量v=(1,1,1,…)；在中間狀態(tài)，當(dāng)交易集合中虛擬交易的后續(xù)交易從交易集合中刪除后，更新共識(shí)向量對(duì)應(yīng)元素的值。

該算法的思想就是從起始庫所指向的交易開始，根據(jù)交易關(guān)系矩陣所表示的交易順序，由交易的前驅(qū)庫所引出當(dāng)前交易，再將Token放入所有當(dāng)前交易的后繼庫所，反復(fù)執(zhí)行這個(gè)過程，直至流程終止。在改變當(dāng)前交易的每一個(gè)步驟中，將當(dāng)前的一個(gè)或多個(gè)交易從交易集合中刪除，修改庫所向量和共識(shí)向量，直到交易集合為空，如果庫所向量和共識(shí)向量達(dá)到了最終狀態(tài)，則證明該模型的正確性。

3.2 應(yīng)用案例

3.2.1案例描述

身份認(rèn)證系統(tǒng)是在區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)上建立的應(yīng)用系統(tǒng)，身份信息修改模塊中既包含了應(yīng)用層的交易，也包含了數(shù)據(jù)層的交易。本案例選取了身份認(rèn)證系統(tǒng)中身份信息修改模塊，對(duì)其操作流程設(shè)計(jì)如下。

(1) 用戶信息查詢。進(jìn)入系統(tǒng)后，要求用戶登錄系統(tǒng)并進(jìn)行身份認(rèn)證，根據(jù)用戶輸入的用戶信息查詢共享賬本，共識(shí)失敗后重新請(qǐng)求認(rèn)證，共識(shí)成功后對(duì)賬本進(jìn)行查詢，查詢不到信息則轉(zhuǎn)入用戶注冊(cè)，查詢成功后進(jìn)行身份信息的對(duì)比。

(2) 登錄判斷。將共享賬本中查詢的身份信息和用戶錄入的信息進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)成功則表示認(rèn)證通過，允許用戶執(zhí)行修改操作，比對(duì)不成功則轉(zhuǎn)入密碼重設(shè)，重設(shè)密碼操作需要進(jìn)行共識(shí)計(jì)算。

(3) 注冊(cè)用戶。共享賬本中不存在需要查詢的身份信息時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)入注冊(cè)，用戶注冊(cè)操作時(shí)需要對(duì)賬本進(jìn)行寫入，共識(shí)成功后轉(zhuǎn)入認(rèn)證請(qǐng)求，共識(shí)失敗后返回注冊(cè)。

(4) 身份信息修改。在本地對(duì)用戶錄入的身份信息進(jìn)行判斷，數(shù)據(jù)完成合法性校驗(yàn)則提交修改請(qǐng)求，執(zhí)行共識(shí)操作，共識(shí)成功寫入交易，不成功則重新提交請(qǐng)求。

根據(jù)以上應(yīng)用案例的操作流程描述，身份信息修改業(yè)務(wù)流程如圖10所示。

圖10 身份信息修改業(yè)務(wù)流程圖

3.2.2建立模型

根據(jù)業(yè)務(wù)流程描述，對(duì)業(yè)務(wù)流程中的交易進(jìn)行分析整理，將共識(shí)操作抽象為虛擬交易，對(duì)非虛擬交易進(jìn)行應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層分類，具體交易描述見表2。根據(jù)原子模型的表示方法和模型的組合方式，對(duì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行圖形化的建模如圖11所示。

表2 業(yè)務(wù)流程交易表

圖11 業(yè)務(wù)流程模型

3.2.3正確性推算

圖12 身份信息修改業(yè)務(wù)流程關(guān)系矩陣

具體的推算步驟如下：

步驟1當(dāng)前交易為t1，Token進(jìn)入p2，則：

p=(0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)

v=(0,0,0,0)

步驟2當(dāng)前交易為t2，Token進(jìn)入p3，則：

p=(0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)

v=(0,0,0,0)

步驟3當(dāng)前交易為t3，Token進(jìn)入p4和p5，則：

p=(0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)

v=(0,0,0,0)

步驟4當(dāng)前交易為v1和t4，Token進(jìn)入p6、p3和p8，則：

p=(0,0,1,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)

v=(0,0,0,0)

步驟5當(dāng)前交易為v2、t7和t9，Token進(jìn)入p7、p9和p12，則：

p=(0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0)

v=(1,0,0,0)

步驟6當(dāng)前交易為v2、t7和t9，Token進(jìn)入p2、p6、p10和p13，則：

p=(0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,0,0,0)

v=(1,0,0,0)

步驟7當(dāng)前交易為t8和t10，Token進(jìn)入p11和p14，則：

p=(0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,0,0)

v=(1,1,0,0)

步驟8當(dāng)前交易為v3和t11，Token進(jìn)入p2、p10和p15，則：

p=(0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,0)

v=(1,1,0,0)

步驟9當(dāng)前交易為t12，Token進(jìn)入p16，則：

p=(0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0)

v=(1,1,1,0)

步驟10當(dāng)前交易為v4，Token進(jìn)入p15和p17，則：

p=(0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0)

v=(1,1,1,0)

步驟11當(dāng)前交易為t13，Token進(jìn)入p18，則：

p=(0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1)

v=(1,1,1,1)

經(jīng)過以上步驟驗(yàn)證，在最終狀態(tài)，交易集合為空，表示所有交易都得到了執(zhí)行，滿足交易的必要性定義；庫所向量?jī)H最后一個(gè)元素為1，滿足了結(jié)果的唯一性和流程的可達(dá)性定義；共識(shí)向量所有元素均為1，滿足了共識(shí)的完整性定義。綜上，該業(yè)務(wù)流程是正確的。

3.3 業(yè)務(wù)流程的實(shí)現(xiàn)

3.3.1區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

一個(gè)完整的區(qū)塊鏈應(yīng)用由用戶交互層、智能合約層和區(qū)塊鏈核心層[11]三個(gè)部分組成：最底層是區(qū)塊鏈核心層，是區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，它包含了區(qū)塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、區(qū)塊頭的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、Mekel樹層次結(jié)構(gòu)，通過Hash函數(shù)確定區(qū)塊數(shù)據(jù)的地址關(guān)系，P2P的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定了去中心化的系統(tǒng)架構(gòu)；智能合約層是用戶交互層和區(qū)塊鏈核心層之間數(shù)據(jù)交換的橋梁，是區(qū)塊鏈應(yīng)用程序區(qū)別于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，智能合約決定了應(yīng)用系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的操作通過調(diào)用職能合約完成，智能合約編譯后存放在合約容器中，智能合約虛擬機(jī)是智能合約的運(yùn)行環(huán)境；用戶交互層是區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)的前端程序集合，由用戶交互界面、前端程序運(yùn)行環(huán)境、本地?cái)?shù)據(jù)和文件、操作函數(shù)和應(yīng)用接口等部分構(gòu)成，其中操作函數(shù)主要作用是通過調(diào)用智能合約中定義的函數(shù)進(jìn)行區(qū)塊數(shù)據(jù)的操作，本地?cái)?shù)據(jù)臨時(shí)保存在本地計(jì)算機(jī)上，對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)的修改和訪問不需要其他節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)驗(yàn)證，流程引擎是用于注冊(cè)和執(zhí)行業(yè)務(wù)流程模型。區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖13所示。

3.3.2數(shù)據(jù)傳遞方式

區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)用戶界面處在應(yīng)用層，其中包含本地?cái)?shù)據(jù)和本地函數(shù)，流程引擎對(duì)本地操作提供運(yùn)行支持，當(dāng)用戶需要對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用本地函數(shù)來響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，如果所處理的數(shù)據(jù)為本地?cái)?shù)據(jù)，則直接在應(yīng)用層處理完畢后返回結(jié)果。系統(tǒng)對(duì)共享賬本的操作需要通過本地函數(shù)調(diào)用智能合約函數(shù)，由智能合約對(duì)交易進(jìn)行加密并向全網(wǎng)廣播，其他節(jié)點(diǎn)參與交易的驗(yàn)證，向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)返回共識(shí)計(jì)算結(jié)果，并執(zhí)行交易的寫入。交易寫入操作完成后，返回的數(shù)據(jù)保存在合約變量中，由合約函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密后傳遞給本地應(yīng)用層函數(shù)，最終向用戶返回結(jié)果[12]。區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞方式如圖14所示。

3.3.3流程引擎的應(yīng)用

流程引擎的作用是將流程模型實(shí)施應(yīng)用，區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)是建立在區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)上，應(yīng)用的特殊性要求引擎必須是輕量級(jí)的，以便于將用戶界面、流程引擎、智能合約和虛擬機(jī)打包在一起分發(fā)到節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)上。Bigbross Bossa是一個(gè)按嵌入式設(shè)計(jì)的輕量級(jí)的流程引擎[13]，適合實(shí)施使用Petri網(wǎng)定義工作流模型，完全支持層次數(shù)據(jù)庫，能方便集成到應(yīng)用系統(tǒng)中。在應(yīng)用程序中調(diào)用Bossa引擎時(shí)，需要通過BossaFactory類生成一個(gè)對(duì)象，并通過此對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)流程模型實(shí)例，注冊(cè)模型對(duì)象，最后執(zhí)行模型，具體方法如下：

(1) 流程引擎的實(shí)例化：

BossaFactory factory01 = new BossaFactory();

factory.setModel(″dir″);

(2) 創(chuàng)建一個(gè)空模型：

bossaModel = factory.createModel();

(3) 模型的定義：

Place place = bossaModel.registerPlace(″p1″, 1);

//建立庫所，第一個(gè)參數(shù)為庫所名，第二個(gè)參數(shù)表示庫所

//中是否包含Token

Transition t = caseType.registerTransition(″t1″, ″e(cuò)xplain″);

//創(chuàng)建交易，第一個(gè)參數(shù)為交易名，第二個(gè)參數(shù)為交易說明

t.input(p1, ″1″);

t.output(p2, ″1″);

//定義交易t的前驅(qū)庫所和后繼庫所

(4) 模型的注冊(cè)和執(zhí)行：

factory01 .buildTemplate(bossaModel);

//注冊(cè)模型

Activity activity =factory01.open(bossaModel);

//開始執(zhí)行模型

structure activity.cancel();

//執(zhí)行完畢，返回操作結(jié)果

4 結(jié) 語

由于區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)驗(yàn)證和操作機(jī)制的不同，需要在傳統(tǒng)工作流建模與驗(yàn)證方法上進(jìn)行改造，使業(yè)務(wù)流程模型的表示方式和驗(yàn)證算法能滿足區(qū)塊鏈的運(yùn)行特點(diǎn)。本文給出的建模方法以傳統(tǒng)工作流技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)Petri網(wǎng)提供的圖形元素，結(jié)合區(qū)塊鏈的技術(shù)特點(diǎn)和運(yùn)行機(jī)制，對(duì)業(yè)務(wù)流程中的交易進(jìn)行抽象和表達(dá)，給出業(yè)務(wù)流程的圖形化模型。在模型的正確性定義上，增加了區(qū)塊鏈共識(shí)計(jì)算的部分，一個(gè)業(yè)務(wù)流程執(zhí)行完畢需要完成所有交易的共識(shí)計(jì)算。模型正確性驗(yàn)證過程中，將共識(shí)計(jì)算抽象為一個(gè)虛擬交易，和其他交易一起共同參與交易關(guān)系矩陣的構(gòu)造，算法根據(jù)交易順序模擬流程的執(zhí)行過程，每次執(zhí)行都按照規(guī)則改變狀態(tài)向量的值，直到所有交易執(zhí)行完畢，根據(jù)狀態(tài)向量的結(jié)果判斷流程模型的正確性。

本文提出的模型符合區(qū)塊鏈應(yīng)用程序的運(yùn)行機(jī)制和特點(diǎn)，其建模方法能夠完整地表達(dá)區(qū)塊鏈應(yīng)用業(yè)務(wù)流程，正確性定義中對(duì)區(qū)塊鏈共識(shí)計(jì)算部分進(jìn)行了描述，驗(yàn)證算法能方便地對(duì)模型正確性定義進(jìn)行推導(dǎo)。由于共識(shí)計(jì)算和普通交易不完全一致，為了更清晰地描述區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)模型，未來需要尋找一種比Petri網(wǎng)語義和圖形元素更為豐富的建模工具，模型正確性驗(yàn)證方法也有待進(jìn)一步研究和探索。