基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)字圖書館場景化分層應(yīng)用模型

朱白 李寅

摘要：建立了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)字圖書館場景化分層應(yīng)用模型體系架構(gòu)，并詳細(xì)介紹了各層的關(guān)鍵功能組件和核心服務(wù)模塊，最后與傳統(tǒng)數(shù)字圖書館應(yīng)用場景進(jìn)行綜合對(duì)比分析。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)數(shù)字圖書館應(yīng)用服務(wù)場景，區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)字圖書館場景化應(yīng)用中安全可信，能進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)字圖書館系統(tǒng)架構(gòu)的互操作性及可擴(kuò)展性，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)圖書館異構(gòu)數(shù)字資源的安全流通。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈技術(shù);數(shù)字圖書館;場景化應(yīng)用;分層模型體系;架構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G250.7? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）18-0127-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.18.026 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

The application model of digital library scene based on blockchain technology

ZHU Bai， LI Yin

（Shangluo University， Shangluo? 726000， Shaanxi， China）

Abstract： A hierarchicaliy scenario application model architecture of digital library based on the blockchain technology was built， and the key functional components and core service modeles of each layer in detail were introduced， finally the comprehensive and comparative analysis with the traditional digital library application scenarios was made. Results showed that the comparative analysis of the traditional and the blockchain technology service scenarios， the blockchain technology applied to the scenario application of digital library was safe and reliable， and could solve the credibility of digital library resources effectively， enhance the interoperability and scalability of the system architecture， and further realize the safe circulation of the heterogeneous digital resources.

Key words： blockchain technology; digital library; scenario application; hierarchical model system; architecture design

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，比特幣走入人們的視野，而區(qū)塊鏈技術(shù)作為比特幣底層技術(shù)之一，在各行業(yè)得到了應(yīng)用?！段幕俊笆濉睍r(shí)期文化發(fā)展改革規(guī)劃》指出要“推動(dòng)公共數(shù)字文化建設(shè)，加快數(shù)字圖書館、文化館、博物館、美術(shù)館建設(shè)，統(tǒng)籌實(shí)施重大公共數(shù)字文化建設(shè)工程，加強(qiáng)數(shù)字產(chǎn)品和服務(wù)的開發(fā)，提高優(yōu)質(zhì)資源供給能力?！薄敖y(tǒng)籌實(shí)施全國文化信息資源共享工程、數(shù)字圖書館推廣工程和公共電子閱覽室建設(shè)計(jì)劃，完善國家公共文化數(shù)字支撐平臺(tái)，建設(shè)國家基本公共數(shù)字文化資源庫。”[1] 區(qū)塊鏈技術(shù)是繼大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)后的又一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，是現(xiàn)代信息社會(huì)最前沿的技術(shù)之一，已被列入《“十三五”國家信息化規(guī)劃》，并明確將其定位為長期戰(zhàn)略性前沿技術(shù)，指出該技術(shù)是未來五年提供數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。2019年1月10日，國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室發(fā)布《區(qū)塊鏈信息服務(wù)管理規(guī)定》[3]，要求區(qū)塊鏈信息服務(wù)提供者應(yīng)當(dāng)在提供服務(wù)之日起10個(gè)工作日內(nèi)通過區(qū)塊鏈信息服務(wù)備案管理系統(tǒng)填報(bào)備案信息，可見國家對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的重視，同時(shí)也標(biāo)志國家對(duì)以區(qū)塊鏈技術(shù)提供的服務(wù)進(jìn)行正式的監(jiān)管，從而為區(qū)塊鏈技術(shù)的安全化、規(guī)范化應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2019年10月24日，在中央政治局第十八次集體學(xué)習(xí)時(shí)，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，“把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口”“加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”。區(qū)塊鏈已走進(jìn)大眾視野，成為社會(huì)的關(guān)注焦點(diǎn)[4，5]。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)在圖書館領(lǐng)域的應(yīng)用，將進(jìn)一步提升數(shù)字化智慧圖書館的服務(wù)效率和管理質(zhì)量，同時(shí)也為數(shù)字圖書館的創(chuàng)新發(fā)展注入新的引擎和活力。

1 數(shù)字圖書館區(qū)塊鏈技術(shù)研究現(xiàn)狀

區(qū)塊鏈技術(shù)在圖書館新型應(yīng)用模式深度契合了智慧化數(shù)字圖書館的發(fā)展理念。其應(yīng)用從系統(tǒng)理論到實(shí)踐研究，已經(jīng)逐步呈現(xiàn)出精細(xì)化、多元化的趨勢，有關(guān)圖書館區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用研究的綜述也在不斷的逐步增加。

截至2020年6月1日，在CNKI上以“圖書館”“區(qū)塊鏈”關(guān)鍵字檢索期刊，共有相關(guān)研究論文100篇，其中核心和CSSCI來源期刊33篇，在這33篇核心論文中，研究最多的是應(yīng)用理論研究方面，有9篇，其次是版權(quán)管理和保護(hù)方面，有5篇，其他如信息資源安全共享、云平臺(tái)智慧閱讀、文獻(xiàn)采購、個(gè)人信息保護(hù)、出版交易平臺(tái)、機(jī)構(gòu)知識(shí)庫、發(fā)展研究、服務(wù)升級(jí)、數(shù)字內(nèi)容產(chǎn)業(yè)鏈、移動(dòng)用戶行為、新型分層架構(gòu)、數(shù)字資產(chǎn)管理、變革性影響、創(chuàng)新升級(jí)、移動(dòng)視角搜索、隱性知識(shí)采集等（表1）。

基于應(yīng)用角度，武洪興[6]從區(qū)塊鏈技術(shù)概念入手，將其特征和三大技術(shù)保障與圖書館實(shí)際相結(jié)合，探討了區(qū)塊鏈技術(shù)在圖書館中的應(yīng)用構(gòu)想，分析了在圖書館應(yīng)用中存在的問題，并從國家層面和圖書館層面提出了相應(yīng)對(duì)策;周耀[7]介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)及其核心價(jià)值，詳細(xì)分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧圖書館建設(shè)中的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智慧圖書館應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)想，提出了圖書館應(yīng)持續(xù)不斷地學(xué)習(xí)與改革，以期與其他區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展相同步;秦珂[8]、趙力[9]、汪瓊等[10]分別對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)視野下的圖書館數(shù)字版權(quán)、著作權(quán)保護(hù)等方面進(jìn)行了研究;黃敏聰[11]對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)及其對(duì)圖書館發(fā)展的變革性影響進(jìn)行了研究;高勝等[12]提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的新型分層數(shù)字圖書館體系架構(gòu)。以上研究為數(shù)字圖書館應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)提供了很好的理論借鑒與參考。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)概述及其實(shí)現(xiàn)原理

區(qū)塊鏈技術(shù)是分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式。它本質(zhì)上是一個(gè)去中心化的數(shù)據(jù)庫，是比特幣的底層技術(shù)之一，是一串使用密碼學(xué)算法相關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊，每一個(gè)數(shù)據(jù)塊中包含了一次比特幣網(wǎng)絡(luò)交易的信息，用于驗(yàn)證其信息的有效性和生成下一個(gè)區(qū)塊[13]。分布式賬本、非對(duì)稱加密、共識(shí)機(jī)制、智能合約是區(qū)塊鏈的四大核心技術(shù)[14-17]，區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、開放性、獨(dú)立性、安全性和匿名性等5大特征。

區(qū)塊鏈起源于比特幣，其發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段：第一階段是區(qū)塊鏈1.0階段，2008年11月1日，形成了基于區(qū)塊鏈、P2P網(wǎng)絡(luò)、加密、時(shí)間戳等技術(shù)的比特幣電子現(xiàn)金系統(tǒng)架構(gòu)理念[18]，2009年1月3日序號(hào)為0的創(chuàng)世區(qū)塊誕生，2009年1月9日出現(xiàn)了序號(hào)為1的區(qū)塊，序號(hào)為0的創(chuàng)世區(qū)塊和序號(hào)為1的區(qū)塊相連接形成了鏈，標(biāo)志著區(qū)塊鏈的誕生[19]。區(qū)塊鏈1.0時(shí)代主要突出體現(xiàn)的價(jià)值為分布式，沒有應(yīng)用性的功能被具體利用，以基于程序算法的數(shù)字貨幣回報(bào)為主，但其發(fā)展瓶頸是挖礦高能耗。第二階段是區(qū)塊鏈2.0階段，區(qū)塊鏈依據(jù)可以追溯、不可篡改等特性形成了信任基礎(chǔ)，為智能合約提供了可信任的執(zhí)行環(huán)境，1994年Szabo[20]最先提出智能合約，2014年Buterin[21]創(chuàng)造了以太坊，將智能合約引入以太坊。智能合約為上層應(yīng)用的開發(fā)提供基礎(chǔ)設(shè)施支持，智能合約與數(shù)字貨幣相結(jié)合，使區(qū)塊鏈技術(shù)在金融領(lǐng)域的應(yīng)用場景中得到了更廣泛的支持和優(yōu)化。第三階段是2018年區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)入3.0階級(jí)，它是由區(qū)塊鏈構(gòu)造的一個(gè)全球性分布式記賬系統(tǒng)。在這階段，區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)能夠滿足更加復(fù)雜的商業(yè)邏輯，不再局限于金融行業(yè)應(yīng)用場景，能夠?qū)γ總€(gè)互聯(lián)網(wǎng)中代表價(jià)值的信息和字節(jié)進(jìn)行產(chǎn)權(quán)確認(rèn)、存儲(chǔ)和計(jì)量，使資產(chǎn)在區(qū)塊鏈上可以被交易、追蹤和控制，解決了各行各業(yè)的互信問題與數(shù)據(jù)傳遞安全性的技術(shù)落地與實(shí)現(xiàn)。區(qū)塊鏈3.0階段更加具有實(shí)用性，賦能任何一個(gè)行業(yè)。

區(qū)塊鏈的工作原理將一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中的任意多個(gè)節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)，通過密碼學(xué)算法記錄到一個(gè)區(qū)塊（Block），然后通過哈希函數(shù)生成該區(qū)塊的哈希值作為數(shù)字指紋，供下個(gè)鏈接區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將該新區(qū)塊數(shù)據(jù)記錄向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播，系統(tǒng)中所有參與節(jié)點(diǎn)通過共識(shí)算法共同認(rèn)定記錄的真實(shí)性，通過認(rèn)定后的區(qū)塊被全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接受并正式納入?yún)^(qū)塊鏈中存儲(chǔ)。區(qū)塊鏈應(yīng)用的所有區(qū)塊按照時(shí)間先后順序鏈接成一個(gè)完整的鏈條，就是區(qū)塊鏈。為確保安全性和可靠性，區(qū)塊鏈單鏈條既可以在最后一個(gè)區(qū)塊后面增加區(qū)塊，也可以回溯發(fā)生的所有交易信息，區(qū)塊鏈?zhǔn)窃诓豢尚诺木W(wǎng)絡(luò)上建立可信的信息交換，通過計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行開放式總賬形式記賬，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立記錄在區(qū)塊鏈上發(fā)生的所有交易，也可以將其記錄的數(shù)據(jù)更新至網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)參與維護(hù)的節(jié)點(diǎn)都能復(fù)制獲得一份完整數(shù)據(jù)庫的拷貝，可以在無需第三方介入的情況下，實(shí)現(xiàn)人與人之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交易和互動(dòng)，從而構(gòu)成了一個(gè)去中心化的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的圖書館場景化應(yīng)用分層模型架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖書館場景化應(yīng)用分層模型在借鑒傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分層管理設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上和目前常用的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合并進(jìn)行一定的改進(jìn)，劃分為底層基礎(chǔ)設(shè)施層、區(qū)塊鏈服務(wù)架構(gòu)層和智能場景應(yīng)用層來進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，如圖1所示。

3.1 底層基礎(chǔ)設(shè)施層

數(shù)字圖書館底層基礎(chǔ)設(shè)施層為整個(gè)架構(gòu)提供軟硬件設(shè)施及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，軟硬件設(shè)施包括了計(jì)算機(jī)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備。目前可以通過兩種方案進(jìn)行解決，一種是購買物理設(shè)備，將這些設(shè)備進(jìn)行分布式部署，從而為區(qū)塊鏈計(jì)算環(huán)境提供支持，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)交易數(shù)據(jù)的傳輸，通過存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)圖書館數(shù)字資源進(jìn)行區(qū)塊鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)本地化部署，但其維護(hù)成本高，容易造成硬件資源過剩。另一種是購買第三方云服務(wù)，目前國內(nèi)比較成熟的云服務(wù)有阿里云、騰訊云、華為云等，均是利用云計(jì)算的虛擬化技術(shù)進(jìn)行有效整合分布式、異構(gòu)的物理資源，可以有效降低部署和維護(hù)成本，提高軟硬件資源利用率。數(shù)字圖書館底層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸也使用的是目前大部分區(qū)塊鏈項(xiàng)目使用的TCP/IP協(xié)議，它位于整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議層中的最上層，融合了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)模型OSI模型底層，采用了P2P網(wǎng)絡(luò)等傳播機(jī)制，可以有效通過加快全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的傳播速度來提升全網(wǎng)的確認(rèn)共識(shí)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的快速發(fā)現(xiàn)、廣播和通信等。

3.2 區(qū)塊鏈服務(wù)架構(gòu)層

數(shù)字圖書館的區(qū)塊鏈服務(wù)架構(gòu)層是整個(gè)架構(gòu)的服務(wù)中樞，是區(qū)塊鏈公鏈自身的底層賬本層，包括了區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、共識(shí)層和激勵(lì)層等4個(gè)層級(jí)。設(shè)計(jì)思路和出發(fā)點(diǎn)是將區(qū)塊鏈技術(shù)底層賬本和上層應(yīng)用進(jìn)行分離，讓底層賬本的重心放在安全性和去中心化上，在性能上可以將需要共識(shí)確權(quán)的數(shù)據(jù)上鏈，從而降低對(duì)TPS的需求。

1）區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層。主要負(fù)責(zé)對(duì)區(qū)塊鏈的底層數(shù)據(jù)區(qū)塊、鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行封裝，包括了數(shù)據(jù)區(qū)塊、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、時(shí)間戳、哈希函數(shù)、Merkle樹、非對(duì)稱加密等設(shè)計(jì)。對(duì)數(shù)字圖書館的區(qū)塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊 （Block） 分別由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩個(gè)部分構(gòu)成，如圖2所示。

區(qū)塊頭用來保存著區(qū)塊的信息，它主要包括：版本號(hào)（大小為4字節(jié)，用于跟蹤軟件/協(xié)議的更新）、時(shí)間戳（大小為4字節(jié)，用于記錄該區(qū)塊具體創(chuàng)建的時(shí)間戳）、難度目標(biāo)（大小為4字節(jié)，記錄了該區(qū)塊鏈工作量證明難度目標(biāo)）、隨機(jī)數(shù)（大小為4字節(jié)，用于驗(yàn)證工作量難度，隨機(jī)生成，需要相應(yīng)算力，如比特幣挖礦獲得）、前一區(qū)塊的哈希值（大小為32字節(jié)，記錄了該區(qū)塊的上一個(gè)區(qū)塊的Hash地址，用于將本區(qū)塊與前一個(gè)區(qū)塊構(gòu)建一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系）、默克爾根哈希值（大小為32字節(jié)，記錄了該區(qū)塊中交易的Merkle樹總根的哈希值）區(qū)塊體主要包括了Merkle樹哈希，可以理解為賬本的一種表現(xiàn)形式，記錄了當(dāng)前區(qū)塊一定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過驗(yàn)證的、區(qū)塊創(chuàng)建過程中生成的所有交易記錄或其他信息，客戶要獲取存在該區(qū)塊中的特定數(shù)據(jù)必須有密鑰才行，從而保證了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。

2）區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層。主要用來對(duì)數(shù)字圖書館的區(qū)塊交易數(shù)據(jù)進(jìn)行P2P點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，由于區(qū)塊鏈技術(shù)沒有中心化服務(wù)器，需要依靠用戶點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交換信息，因此網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)和底層基礎(chǔ)設(shè)施層進(jìn)行P2P網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，以及傳播機(jī)制和驗(yàn)證機(jī)制的實(shí)施。圖書館數(shù)字資源、服務(wù)、信息傳輸直接在節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，無需中間環(huán)節(jié)服務(wù)器的介入，信息傳輸和服務(wù)都分散在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)造出新的區(qū)塊時(shí)會(huì)進(jìn)行廣播，其他節(jié)點(diǎn)收到該節(jié)點(diǎn)信息后對(duì)該區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)字簽名通過共識(shí)算法進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后在該區(qū)塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行新區(qū)塊的創(chuàng)建，從而達(dá)到共同維護(hù)一個(gè)底層賬本的作用。

3）區(qū)塊鏈共識(shí)層。由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)沒有中心化機(jī)構(gòu)，因此數(shù)字圖書館在進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸、價(jià)值轉(zhuǎn)移時(shí)，需要利用共識(shí)機(jī)制解決并保證每一筆交易在所有記帳節(jié)點(diǎn)上的一致性和正確性。因此在該層封裝網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各類共識(shí)算法，讓高度分散的節(jié)點(diǎn)對(duì)區(qū)塊數(shù)據(jù)有效性達(dá)到快速共識(shí)，從而形成共識(shí)機(jī)制。在數(shù)字圖書館不同的應(yīng)用場景，可以采用以下不同的共識(shí)算法：

①POW[22]（Proof of Work，工作量證明機(jī)制）。通過工作量證明達(dá)成共識(shí)，是區(qū)塊鏈中使用最多的共識(shí)算法，比特幣和以太坊都是基于工作量證明的共識(shí)機(jī)制。任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要想生成新的區(qū)塊并寫入，就必須完成工作量證明流程：生成交易并打包進(jìn)區(qū)塊交易列表，通過默克爾樹算法生成默克爾根哈希，然后把默克爾根哈希及其他相關(guān)字段組裝成區(qū)塊頭，將區(qū)塊頭的字節(jié)數(shù)據(jù)作為工作量證明的輸入，通過不停變更區(qū)塊頭中的隨機(jī)數(shù)，并對(duì)每次變更后的區(qū)塊頭做SHA256運(yùn)算，如果結(jié)果值小于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值，則工作量證明完成。

②POS[23]（Proof of Stake，權(quán)益證明機(jī)制）。通過權(quán)益證明達(dá)成共識(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)節(jié)點(diǎn)持有的區(qū)塊鏈系統(tǒng)的權(quán)益Token（代幣）的數(shù)量與時(shí)間的乘積（幣天數(shù)）分配相應(yīng)的記賬權(quán)，擁有的越多，獲得記賬權(quán)的概率越大。

③DPOS[24]（Delegated Proof of Stake，委托權(quán)益證明機(jī)制）。通過委托權(quán)益證明達(dá)成共識(shí)，讓擁有Token的人投票給固定的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)作為權(quán)益人的代理去行使記賬的權(quán)利。這些獲得投票認(rèn)可的代表根據(jù)一定的算法依次獲得記賬權(quán)。不同于POW和POS理論上全網(wǎng)都可以參與記賬競爭，DPOS的記賬節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間段內(nèi)是確定的。

④PBFT[25-27]（Practical Byzantine Fault Tolerance，實(shí)用拜占庭容錯(cuò)）。是一種狀態(tài)機(jī)副本復(fù)制算法，每個(gè)狀態(tài)機(jī)的副本都保存了服務(wù)的狀態(tài)，要求共同維護(hù)一個(gè)狀態(tài)，所有節(jié)點(diǎn)采取的行動(dòng)一致，PBFT算法可以容忍小于1/3的無效或者惡意節(jié)點(diǎn)的存在，假設(shè)用f來表示PBFT容忍無效或者惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)，那么為了保障整個(gè)系統(tǒng)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，則需要有2f+1個(gè)正常節(jié)點(diǎn)，如果用|R|表示系統(tǒng)的總結(jié)點(diǎn)數(shù)，那么系統(tǒng)的總節(jié)點(diǎn)數(shù)至少應(yīng)為3f + 1?？紤]到數(shù)字圖書館區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，也可能出現(xiàn)與拜占庭將軍類似的環(huán)境，因此利用PBFT來解決處理由于硬件錯(cuò)誤、網(wǎng)絡(luò)擁塞或中斷以及遭到惡意攻擊等原因造成的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)不可預(yù)料的異常行為，從而達(dá)成共識(shí)目的。

4）區(qū)塊鏈激勵(lì)層。通過設(shè)計(jì)一定的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)模型，形成經(jīng)濟(jì)激勵(lì)的發(fā)行機(jī)制和分配機(jī)制，在區(qū)塊鏈技術(shù)體系中集成經(jīng)濟(jì)因素，鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)參與區(qū)塊鏈的安全驗(yàn)證工作。由于數(shù)字圖書館的大多應(yīng)用場景中，區(qū)塊鏈中其他節(jié)點(diǎn)大部分只參與驗(yàn)證過程，因而數(shù)字圖書館聯(lián)盟可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景考慮是否采用經(jīng)濟(jì)激勵(lì)。

3.3 智能場景應(yīng)用層

智能場景應(yīng)用層可以看作是數(shù)字圖書館區(qū)塊鏈服務(wù)架構(gòu)層的應(yīng)用型擴(kuò)展，包括了區(qū)塊鏈的合約層和應(yīng)用層兩個(gè)層級(jí)，可以是基于區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，也可以是中心化的應(yīng)用結(jié)合，在該層可以通過一系列復(fù)雜運(yùn)算的技術(shù)形成智能合約，構(gòu)建數(shù)字圖書館的多種應(yīng)用場景并達(dá)到多鏈并行的效果。該層的重心放在性能和安全上，并將最終關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸給基礎(chǔ)服務(wù)架構(gòu)層上鏈，其本身利用高性能處理大量數(shù)據(jù)，達(dá)到現(xiàn)實(shí)世界對(duì)性能的需求。

1）區(qū)塊鏈合約層。是區(qū)塊鏈作為信任機(jī)器的重要層級(jí)，在這一層封裝數(shù)字圖書館各類自動(dòng)化智能腳本，通過自定義約束條件，把代碼寫到合約里，實(shí)現(xiàn)不需要第三方信任背書，滿足條件到時(shí)間立即實(shí)時(shí)操作。

2）區(qū)塊鏈應(yīng)用層。是區(qū)塊鏈的展示層，封裝了數(shù)字圖書館各種應(yīng)用場景和案例。如圖書館的數(shù)字版權(quán)管理場景，傳統(tǒng)的數(shù)字確權(quán)只是進(jìn)行一些形式上的審查，對(duì)作品內(nèi)容后續(xù)修改或篡改的真實(shí)性甄別難度較大，同時(shí)確權(quán)還需要中介機(jī)構(gòu)去做，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且容易受中介機(jī)構(gòu)的人為因素影響，但在應(yīng)用了區(qū)塊鏈技術(shù)后，這些問題就會(huì)迎刃而解。區(qū)塊鏈場景下數(shù)字版權(quán)確權(quán)，會(huì)通過分布式賬本模式構(gòu)建一個(gè)平等、透明的具有安全保障的共信機(jī)制，時(shí)間戳技術(shù)可以回溯版權(quán)交易過程，所有的交易行為可以通過智能合約去自動(dòng)進(jìn)行，對(duì)確權(quán)效率將是一個(gè)巨大提升，甚至可以做到實(shí)時(shí)確權(quán)。一個(gè)作品的確權(quán)過程從初創(chuàng)到修改完成、定稿、確權(quán)、版權(quán)許可或轉(zhuǎn)讓等行為難以被篡改和偽造，并可以實(shí)時(shí)在全鏈上進(jìn)行公布，還被所有公鏈上的所有節(jié)點(diǎn)共同監(jiān)督和公開查詢，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字版權(quán)去中介化的透明管理。

4 傳統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)場景與區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)服務(wù)場景的對(duì)比分析

傳統(tǒng)的數(shù)字圖書館服務(wù)，在數(shù)據(jù)所有權(quán)、用戶選擇權(quán)、利益相關(guān)者、被動(dòng)性服務(wù)等方面如何取代人工審批、得到社會(huì)公信力和用戶認(rèn)可，面臨著邏輯困境;在用戶隱私、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)價(jià)值、數(shù)據(jù)全面等方面面臨著現(xiàn)實(shí)問題。而區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)，其去中心化的數(shù)據(jù)處理、有共識(shí)機(jī)制的數(shù)據(jù)傳遞、時(shí)序穩(wěn)定的智慧合約、可靠的數(shù)據(jù)關(guān)系與個(gè)性化推薦為圖書館智慧服務(wù)提供了重新架構(gòu)技術(shù)底層基礎(chǔ)的機(jī)會(huì)[28]。相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)能使場景化服務(wù)釋放出極大的商業(yè)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，能夠?yàn)閳D書館場景化服務(wù)提供資源保障、技術(shù)保障和安全保障[29]。

1）場景1：信息資源共享。傳統(tǒng)信息資源共享：由一個(gè)中心統(tǒng)一進(jìn)行信息分發(fā)和發(fā)布，彼此之間定時(shí)批量對(duì)賬，對(duì)于有時(shí)效性要求的信息共享難以達(dá)到實(shí)時(shí)共享，信息共享的雙方缺少一種相互信任的通信方式，難以確定收到的信息是否是對(duì)方發(fā)送的。

區(qū)塊鏈信息資源共享：區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制要求各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)需要保持一致，使得自帶信息共享功能，區(qū)塊鏈的P2P技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息共享，區(qū)塊鏈共享節(jié)點(diǎn)不可篡改的共識(shí)機(jī)制，可構(gòu)建一條安全可靠的信息共享通道。

通過傳統(tǒng)信息資源共享與區(qū)塊鏈信息資源共享對(duì)比，區(qū)塊鏈信息資源共享不管是從共享方式和共享安全方面都優(yōu)于傳統(tǒng)信息資源共享（表2）。

2）場景2：知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。傳統(tǒng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)：簽證證明流程復(fù)雜，登記時(shí)間長、費(fèi)用高。公信力不足，個(gè)人或中心化的機(jī)構(gòu)存在篡改數(shù)據(jù)的可能，公信力難以得到保證。

區(qū)塊鏈知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)：簽證證明流程簡化，區(qū)塊鏈應(yīng)用到簽證證明后，無論是登記還是查詢都非常方便，無需再奔走于各個(gè)部門之間。區(qū)塊鏈的去中心化存儲(chǔ)，安全可靠，保證沒有一家機(jī)構(gòu)可以任意篡改數(shù)據(jù)。

通過傳統(tǒng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)與區(qū)塊鏈知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)對(duì)比，區(qū)塊鏈知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)從簽證流程和安全程度方面都優(yōu)于傳統(tǒng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)（表3）。

3）場景3：用戶身份認(rèn)證。傳統(tǒng)用戶身份認(rèn)證：由中介或者中心化機(jī)構(gòu)保存用戶大量隱私信息，用戶信息調(diào)用不透明，有極大的賬戶安全風(fēng)險(xiǎn)。

區(qū)塊鏈用戶身份認(rèn)證：區(qū)塊鏈?zhǔn)褂妹荑€為用戶注冊身份，個(gè)人信息以散列形式存儲(chǔ)，可以用于多個(gè)身份相關(guān)屬性，如姓名、惟一身份號(hào)碼、指紋或其他生物信息等。區(qū)塊鏈通過去中心化解決當(dāng)前隱私安全問題，可以極大地保護(hù)用戶安全，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

通過傳統(tǒng)用戶身份認(rèn)證與區(qū)塊鏈用戶身份認(rèn)證對(duì)比，區(qū)塊鏈用戶身份認(rèn)證從認(rèn)證方式和認(rèn)證安全方面都優(yōu)于傳統(tǒng)用戶身份認(rèn)證（表4）。

5 結(jié)語

目前區(qū)塊鏈技術(shù)越來越受到各界的重視，已經(jīng)在金融等重要領(lǐng)域進(jìn)行深入的研究和應(yīng)用，雖然在數(shù)字圖書館服務(wù)領(lǐng)域的創(chuàng)新性應(yīng)用尚處于起步階段，但其在圖書館領(lǐng)域的發(fā)展還有很大的拓展空間。區(qū)塊鏈具有顛覆性的技術(shù)理念，在一定深度上契合了數(shù)字圖書館開放、共享、智能的發(fā)展理念，尤其是區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、獨(dú)特的加密算法、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃滦图夹g(shù)應(yīng)用模式，能夠有效提升數(shù)字圖書館數(shù)據(jù)的完整性與精確性，能夠進(jìn)一步打破機(jī)構(gòu)間的壁壘效應(yīng)、提升圖書館的服務(wù)效能。但區(qū)塊鏈技術(shù)也并非是完美無缺的，應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到區(qū)塊鏈技術(shù)還有很多地方需要進(jìn)一步改進(jìn)。在現(xiàn)有的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，其不可篡改的特性是一面雙刃劍，數(shù)據(jù)一旦上鏈便無法更改，面對(duì)正常的數(shù)據(jù)修改需求，如面臨失效數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)將會(huì)無法刪除，導(dǎo)致垃圾數(shù)據(jù)的堆積，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率。因此，在特定條件下可修改的區(qū)塊鏈方案就具有廣闊的應(yīng)用前景，如任艷麗等[30]提出可修改的區(qū)塊鏈方案提供了很好的參考。隨著國家的重視和加強(qiáng)區(qū)塊鏈應(yīng)用的監(jiān)管，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還需進(jìn)一步建立健全，大力培養(yǎng)區(qū)塊鏈專業(yè)技術(shù)人才也要盡快提上議事日程。結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，數(shù)字圖書館將迎來提檔升級(jí)和創(chuàng)新式蓬勃發(fā)展。

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