基于區(qū)塊鏈技術的圖書館信息化業(yè)務系統(tǒng)的重建和改造策略研究

陳巧堅

(寧波圖書館，浙江 寧波 315000)

0 引言

2008年11月，一位化名為中本聰的網友在密碼學論壇metzdowd.com發(fā)表的一篇名為“Bitcoin:a peer-to-peer electronic cash system”(《比特幣：一個點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》)的論文中首先提出了比特幣概念及區(qū)塊鏈理論，并于2009年1月3日發(fā)布了比特幣系統(tǒng)并挖掘出第一個區(qū)塊，被稱為“創(chuàng)世區(qū)塊”[1]。自此，以比特幣為代表的區(qū)塊鏈技術問世。截至2022年3月，比特幣系統(tǒng)已經運行了整整13年，這種沒有中心服務器、沒有通用運維的主體沒有外部信用背書，在運行期間有大量黑客試圖攻擊比特幣系統(tǒng)，然而十余年來一直都在穩(wěn)定運行，沒有產生過重大事故，這無疑展示了區(qū)塊鏈技術的完備性和可靠性。

近年來，區(qū)塊鏈技術在政務、金融、民生、商業(yè)、教育、健康等領域有了廣泛的應用，國務院2016年印發(fā)《“十三五”國家信息化規(guī)劃》，將區(qū)塊鏈技術列為戰(zhàn)略性前沿技術。2019年10月24日，中央政治局第十八次集體學習時專門學習區(qū)塊鏈，習近平總書記指出“要加快推動區(qū)塊鏈技術和產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”[2]。2020年3月4日，中央政治局常委會召開會議，強調要加快新型基礎設施建設進度，以區(qū)塊鏈等為代表的新技術基礎設施將迎來新一輪發(fā)展機遇。作為全民閱讀推廣主陣地的公共圖書館，如何抓住這個歷史性機遇，提高全民閱讀數量和質量，是圖書館不得不需要面對的一項迫切課題。

1 傳統(tǒng)圖書館信息業(yè)務系統(tǒng)面臨的問題

1.1 系統(tǒng)功能單一，管理有限

目前，圖書館業(yè)務系統(tǒng)主要是傳統(tǒng)中心化模式，圖書借還核心業(yè)務還是圍繞圖書館這個中心展開，圖書館自動化系統(tǒng)主要管理讀者和圖書、期刊等信息，在此基礎上一些工作流程自動化管理，比如圖書流通管理、館藏信息查詢等功能。隨著圖書館資源的多樣化發(fā)展和讀者需求變化，原來的信息系統(tǒng)已經不適合于當前圖書館的發(fā)展。

1.2 無法整合多種類資源

圖書館數字資源類型主要分為結構性和非結構性。結構性資源主要是書目、期刊數據；而大量的非結構性數字資源有音頻、視頻、圖像、超文本數據、全文數據。非結構數據由于各自的異構性、分布性、元數據描述的多樣性，傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)管理不了非結構化數據，傳統(tǒng)業(yè)務系統(tǒng)只能對書目編目，對期刊記到處理，建立書目、期刊數據庫這個層次，與讀者的深入編目層次和知識單元層次的實際需求相差較遠[3]。

1.3 圖書館聯(lián)盟中數字資源各自管理，缺乏統(tǒng)一維護

傳統(tǒng)業(yè)務系統(tǒng)中聯(lián)盟圖書館成員之間各自建設數字資源，缺乏統(tǒng)一的管理，資源關聯(lián)性不高、利用率差，很多圖書館在有限的資金下，往往重復采購一些資源，造成極大的浪費，針對數字資源的管理，分類混亂，各自為政，無法做到統(tǒng)一檢索。

1.4 系統(tǒng)拓展性差

傳統(tǒng)業(yè)務系統(tǒng)缺乏相應接口開發(fā)，業(yè)務拓展能力差。圖書館業(yè)務目前進入數字化、智慧化發(fā)展階段，各種應用都進入圖書業(yè)務系統(tǒng)，比如，RFID自助借書、人臉識別借書、電子借閱證生成等應用的產生，都是依靠相關的技術人員和軟件公司研發(fā)人員花費很大精力重新開發(fā)接口勉強對接不同系統(tǒng)，而業(yè)務系統(tǒng)里的財務模塊在與圖書館獨立財務系統(tǒng)、銀行支付系統(tǒng)對接時就碰到技術障礙，形成相對的信息孤島。

1.5 個性化、差異化服務不強

讀者個性化服務不強，傳統(tǒng)的業(yè)務系統(tǒng)針對讀者服務主要是簡單的借還圖書、期刊查詢，書目檢索、讀者借閱查詢這些功能都是讀者以圖書館為中心，圖書館向讀者提供服務，很少實現(xiàn)圖書館與讀者互動、讀者與讀者之間互動，造成圖書館對用戶黏性不夠，容易形成讀者流失。

1.6 讀者數據易泄露

傳統(tǒng)圖書館信息系統(tǒng)存儲著讀者身份證、手機號、借閱信息等一些敏感信息，傳統(tǒng)的業(yè)務系統(tǒng)沒有對敏感數據進行嚴格脫敏管理，只是依靠防火墻、安全網關、數據庫本身的安全措施，沒有對數據進行加密處理，容易造成讀者隱私泄露。

1.7 系統(tǒng)容錯性低

傳統(tǒng)業(yè)務系統(tǒng)的服務器放置在圖書館中心機房，一旦服務器遭到黑客攻擊或由于自身故障造成宕機，就會造成數據無法訪問，系統(tǒng)崩潰，圖書館核心業(yè)務停滯，給圖書館帶來巨大損失。

2 打造“區(qū)塊鏈+圖書館”生態(tài)系統(tǒng)的可行性分析

區(qū)塊鏈技術具備去中心化、共有賬本、智能合約、防篡改、可追溯、系統(tǒng)高可靠性等技術特性，這些特點可有效解決目前圖書館信息系統(tǒng)存在的一些問題。(1)區(qū)塊鏈去中心化分布式存儲技術適合于圖書館聯(lián)盟的資源優(yōu)化配置，可提高圖書館的資源利用率，各個圖書館也不必花費巨資采購海量存儲，同時也減少了存儲的維護費用。(2)與傳統(tǒng)業(yè)務系統(tǒng)采用關系型數據庫存儲數據不同，區(qū)塊鏈是將數據區(qū)塊按照時間順序相連的鏈式進行數據存儲的，所以不但能夠管理結構化數據，還能管理大量的非結構化數據，比如對音視頻、圖像等資源進行集中管理。智能合約有效解決了作者、出版社、書商為圖書館提供資源的版權問題，為今后出現(xiàn)數據版權糾紛時提供了司法維權依據。(3)保障讀者個性化服務、差異化服務。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，讀者權益可以通過智能合約與圖書館協(xié)商，訂制個性化事項，提高讀者在圖書館的參與度。(4)區(qū)塊鏈中利用非對稱加密技術維護了讀者隱私數據安全，不但保障讀者對隱私數據的控制權和知情權，而且提高了數據的防竊能力[4]。

3 “區(qū)塊鏈+圖書館”生態(tài)系統(tǒng)整體技術架構

“區(qū)塊鏈+圖書館”生態(tài)系統(tǒng)是利用計算機網絡技術、密碼學技術、分布式數據庫、智能合約等技術，采用去中心化的創(chuàng)新理念與圖書館業(yè)務深度融合，建立全新的圖書館治理模式。“區(qū)塊鏈+圖書館”生態(tài)系統(tǒng)的整體技術框架模型自底向上分為基礎設施層、網絡層、數據層、區(qū)塊鏈平臺層、應用層、接口層。(1)基礎設施層。提供區(qū)塊鏈系統(tǒng)的操作環(huán)境，包括運行所需的網絡、計算、存儲等基礎設備。需要滿足多租戶、彈性、安全穩(wěn)定等要求，確保圖書館業(yè)務生態(tài)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。(2)網絡層。主要實現(xiàn)了區(qū)塊鏈去中心化的交互模型，保證了區(qū)塊鏈的去中心化特點，保證各個讀者節(jié)點、圖書館節(jié)點都是平等的，采用P2P的網絡架構。(3)數據層。主要包含鏈式數據區(qū)塊、時間戳、非對稱加密這些關鍵技術。對讀者數據、借閱信息、讀者交互、各個圖書館提供資源等信息進行加解密處理，保障讀者個人隱私和相關數據的完整性和真實性。(4)區(qū)塊鏈平臺層。主要包括對各個讀者和圖書館各個節(jié)點的監(jiān)控維護、公共賬本的建立和維護、共識算法引入、智能合約創(chuàng)立、獎勵機制建立，為業(yè)務流程提供整個可編程的邏輯結構。(5)應用層。主要負責讀者賬號的維護、借閱憑證、借閱方式、讀者積分、書目維護、資源維護等業(yè)務邏輯的建立，調用各個接口實現(xiàn)相關應用，使用區(qū)塊鏈SDK與各個節(jié)點通信。(6)接口層。通過各個設備，包括個人電腦、自助借還機、Android/IOS移動端等智能設備的接入，實現(xiàn)各個節(jié)點的相互訪問和業(yè)務的開展。在“區(qū)塊鏈+圖書館”生態(tài)系統(tǒng)的技術框架中，網絡層、數據層、區(qū)塊鏈平臺層是整個系統(tǒng)框架的核心層級，是實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基本保障，必不可缺?；A設施層提供系統(tǒng)的硬件設備，作為整個系統(tǒng)的基礎設施。應用層和接口層可實現(xiàn)各種應用場景，并提供具體業(yè)務的SDK接口。“區(qū)塊鏈+圖書館”生態(tài)系統(tǒng)可重新塑造圖書館聯(lián)盟之間、讀者之間的多方關系，對圖書館業(yè)務有著革命性的改變[5]。

4 “區(qū)塊鏈+圖書館”生態(tài)系統(tǒng)功能設計與業(yè)務解析

4.1 系統(tǒng)整體功能設計

“區(qū)塊鏈+圖書館”生態(tài)系統(tǒng)采用去中心化的組織結構，采用區(qū)塊鏈技術存儲其重要數據和數據哈希值，混合分布式的微服務架構，解決其高并發(fā)和數據庫存儲效率問題，既保證了數據透明度及可審核性，又保證了數據存儲效率[6]。各個圖書館作為這個系統(tǒng)中的節(jié)點組成的聯(lián)盟鏈，都要經過嚴格的身份認證和權限管理才能加入聯(lián)盟，每個節(jié)點地位都是相同的，通過共識公約就可以實現(xiàn)資源可信地相互交流，所有加入聯(lián)盟鏈的圖書館共同維護這個區(qū)塊鏈網絡，共同維護管理且共享資源。而讀者節(jié)點被賦予一定權限可以訪問資源，但并不能參與共識管理，以保障資源的安全和質量。讀者節(jié)點都是地位平等的，相互交互信息和資源，交流讀書心得，讀者不再只是知識的獲取者，也是知識的傳播者，圖書館與讀者互動性增強，圖書館獲取讀者閱讀行為數據，實現(xiàn)個性化推薦。

4.2 圖書館聯(lián)盟共建共享數字資源流程

各個圖書館組成的聯(lián)盟鏈實現(xiàn)各種資源的高效管理，提高讀者對資源的利用率。在區(qū)塊鏈上，各個館節(jié)點進行資源的新建、修改、查詢等操作，每增加一個資源節(jié)點，需要經其他圖書館節(jié)點的審核，達成一致共識才能發(fā)布，最后加入資源節(jié)點。目前，圖書館的資源主要分為自建資源和采購第三方資源。自建資源通常具備一定特色，且具有稀缺性，提供該資源的圖書館具備專業(yè)性，對于管理該資源應該具有更高的權限，能夠定制該資源的訪問權限和版權保護。在向聯(lián)盟鏈提供第三方資源時，應該由聯(lián)盟鏈的所有圖書館共同擔負采購資金解決版權使用，并在第三方同意的情況下按照相關合約存入區(qū)塊鏈中，以避免不必要的版權糾紛。

4.3 讀者在系統(tǒng)中的工作流程

“區(qū)塊鏈+圖書館”生態(tài)系統(tǒng)面向所有讀者開放，讀者數據以公有鏈形式存儲。讀者的個人信息，包括姓名、出生年月、身份證號、學歷、個人興趣作為基礎數據，讀者在系統(tǒng)中與圖書館所發(fā)生的借閱圖書、閱讀數字資源、參與活動等作為業(yè)務行為數據，基礎數據與業(yè)務行為數據共同形成讀者數據塊后上鏈[7]。每位讀者在注冊區(qū)塊鏈系統(tǒng)時都會分配到私鑰，利用私鑰對個人信息進行加密，區(qū)塊鏈上其他用戶是看不到具體個人信息的。讀者利用私鑰參與圖書館的各類業(yè)務活動，這些業(yè)務行為在區(qū)塊鏈上是公開的，但并不知道具體是哪個讀者，保障了讀者隱私，同時也保證業(yè)務數據的公開性和公平性。這些數據都加蓋時間戳，形成讀者日志記錄，可追溯且不可篡改。系統(tǒng)可根據讀者與圖書館的互動行為計算讀者的活躍度并折算成積分，讀者利用積分享受圖書館的增值服務，讀者與圖書館形成良性循環(huán)。

4.4 “區(qū)塊鏈+圖書館”生態(tài)系統(tǒng)的關鍵技術

4.4.1 智能合約管理

智能合約運行在和背書節(jié)點隔離的安全的Docker容器中，是實現(xiàn)一些特定業(yè)務邏輯的代碼。應用程序發(fā)起的交易需要經過所有網絡成員的同意，將事件提交到智能合約，通過智能合約初始化或管理賬本中的數據。

智能合約和傳統(tǒng)應用程序的區(qū)別在于：智能合約一旦發(fā)布在區(qū)塊鏈中就難以修改，具有可信任度高、不可抵賴等特點[8]。在本項目中，借閱規(guī)則、數字資源上傳下載規(guī)則、個性化推送資源規(guī)則采用智能合約制定，采取智能合約邏輯后，讀者、圖書館相互之間可以相互監(jiān)督，保障公平公正，提高讀者對圖書館的信任度。

4.4.2 共識管理

共識管理是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的關鍵，各個圖書館的資源通過區(qū)塊鏈相互鏈接，區(qū)塊是鏈式結構的基本數據存儲單元，聚合了所有相關交易信息，主要包含區(qū)塊頭和區(qū)塊主體兩部分。區(qū)塊頭主要由區(qū)塊號、父區(qū)塊哈希值、時間戳、默克爾樹根等信息構成；區(qū)塊主體主要由各種資源數據組成，每增加一個資源就創(chuàng)建一個區(qū)塊，經過審核驗證添加到區(qū)塊鏈中，之后向鏈上的所有節(jié)點進行廣播發(fā)布，確保每個節(jié)點都能接收到信息。但由于是分布式存儲系統(tǒng)，很有可能在鏈上同時創(chuàng)建兩個節(jié)點，這時就把區(qū)塊鏈做一個臨時分叉，之后如果又有新節(jié)點產生，就以先收到哪個區(qū)塊就接到哪個區(qū)塊上，同時放棄另一個區(qū)塊，然后全網廣播，確保只有一條資源鏈，保障信息的完整性、一致性和準確性[9]。

5 結語

利用區(qū)塊鏈技術對圖書館業(yè)務系統(tǒng)進行深度改造，可以使圖書館業(yè)務開展更加高效、透明、規(guī)范，增加讀者對圖書館的信任感，促進圖書館從信息化到智慧化的根本轉變，讓圖書館信息化服務有質的提升。由于區(qū)塊鏈技術的限定性及具體實際應用的復雜性，建立“區(qū)塊鏈+圖書館”系統(tǒng)仍然面對很多問題和挑戰(zhàn)。但區(qū)塊鏈技術是時代進步發(fā)展的趨勢，圖書館應該加大力度勇于探索和實踐區(qū)塊鏈技術在圖書館業(yè)務中的融合創(chuàng)新，使圖書館對新興技術的研究創(chuàng)新再次走在前列。