區(qū)塊鏈技術(shù)在水電工程電子檔案管理中的應(yīng)用探析

胡祥科 陳靜

摘要：該文結(jié)合水電工程檔案管理的特點(diǎn)，研究了如何將區(qū)塊鏈應(yīng)用在水電工程電子檔案管理中，以實(shí)現(xiàn)電子檔案的防偽存證和可追溯性，同時(shí)提出通過(guò)對(duì)水電工程電子檔案設(shè)計(jì)全局唯一編碼，并結(jié)合倒排索引構(gòu)建技術(shù)，提升電子檔案的追溯、查詢效率的可行路徑，以供檔案管理人員參考。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈應(yīng)用 水電工程檔案 計(jì)算機(jī)應(yīng)用

水電工程建設(shè)屬于大型工程項(xiàng)目建設(shè)范疇，其建設(shè)周期長(zhǎng)、工程規(guī)模大，涉及參建方、關(guān)聯(lián)方眾多，形成的檔案文件類(lèi)型復(fù)雜，具體表現(xiàn)為來(lái)源廣、數(shù)量大、類(lèi)型多、多方審簽、傳播周期鏈條長(zhǎng)等特點(diǎn)。如何保障全過(guò)程電子檔案的真實(shí)有效、防止人為篡改，成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

區(qū)塊鏈技術(shù)由中本聰在2009年提出，是新一代信息技術(shù)的重要推動(dòng)力，它利用了存儲(chǔ)、密碼學(xué)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)及共識(shí)算法等四大基礎(chǔ)技術(shù)，具有去中心化、可追溯以及不可篡改等三大特性，可以用來(lái)解決信任及安全問(wèn)題。在該技術(shù)背景下，可將區(qū)塊鏈應(yīng)用到水電工程電子檔案的管理中，達(dá)到電子檔案的可追溯和防偽效果，并輔助使用其他技術(shù)手段提升電子檔案的查詢利用效率。

一、水電工程電子檔案管理現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

當(dāng)前，水電工程建設(shè)形成的電子檔案由相關(guān)業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)形成、分發(fā)和傳遞，并由專(zhuān)用的檔案管理信息系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期管理，電子檔案的“四性”保障（即真實(shí)性、完整性、可用性和安全性）主要依賴于數(shù)字認(rèn)證技術(shù)（即電子簽名）。由于該項(xiàng)技術(shù)重度依賴服務(wù)提供方，在服務(wù)時(shí)效、信息權(quán)威以及數(shù)據(jù)安全性方面存在可能的風(fēng)險(xiǎn)。此外，所有電子檔案的存儲(chǔ)一般是基于中心數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的，而由于水電工程檔案的傳播周期和鏈條路徑較長(zhǎng)，一旦發(fā)生數(shù)據(jù)庫(kù)級(jí)別的篡改，難以保證檔案絕對(duì)安全，且很難追溯電子檔案的修改和流轉(zhuǎn)過(guò)程，因此便無(wú)法保障其真實(shí)性、時(shí)序性和有效性。

另外，當(dāng)前對(duì)電子檔案的檢索大多通過(guò)建立索引的方式進(jìn)行以提升效率，一般采用的是正向索引方式，而一旦涉及數(shù)量龐大的水電工程電子檔案時(shí)，采用此方法將極大影響檢索效率。

二、區(qū)塊鏈在水電工程電子檔案管理中的引入

圍繞上述問(wèn)題，本文擬通過(guò)引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，構(gòu)建水電工程電子檔案區(qū)塊鏈系統(tǒng)，利用其去中心化、可追溯以及不可篡改等特性并輔助倒排索引技術(shù)，解決當(dāng)前水電工程電子檔案管理中所遇到的問(wèn)題。

（一）區(qū)塊鏈系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)搭建

水電工程建設(shè)過(guò)程中涉及眾多業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，這里以工程管理系統(tǒng)、招投標(biāo)系統(tǒng)、施工管理系統(tǒng)、智能建造系統(tǒng)為例，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)框架下，每個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)均關(guān)聯(lián)若干區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖1）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能接受該子系統(tǒng)工程電子檔案的操作請(qǐng)求（如上傳、審簽、流轉(zhuǎn)、移交、使用等），所涉及的工程電子檔案通過(guò)區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)上鏈、發(fā)布、驗(yàn)證、共識(shí)。

上述區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)圖中，每個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)均是一個(gè)去中心化的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)是由其所在網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)的，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能對(duì)外提供服務(wù)，同樣也能從其他節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求服務(wù)。即使某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，只要還有正常運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)，該業(yè)務(wù)子系統(tǒng)就可以照常運(yùn)行。

業(yè)務(wù)子系統(tǒng)中的各區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)是對(duì)等的，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都是一致的，即便出現(xiàn)突發(fā)情況導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)丟失，但只要還有一個(gè)節(jié)點(diǎn)有效，就能確保歷史數(shù)據(jù)完好，避免單點(diǎn)故障帶來(lái)的服務(wù)不可用和數(shù)據(jù)缺失等問(wèn)題，極大提升了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

（二）確定全局唯一編碼標(biāo)識(shí)并建立倒排索引

在本區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，通過(guò)引入全局唯一編碼標(biāo)識(shí)的方式對(duì)每份電子檔案進(jìn)行編碼，編碼規(guī)則為“全宗號(hào)-類(lèi)別號(hào)-項(xiàng)目號(hào)-業(yè)務(wù)系統(tǒng)編號(hào)-流水號(hào)-時(shí)間戳”。該編碼將貫穿整套系統(tǒng)，具有唯一性和全局性，可作為后期查詢檢索的編號(hào)標(biāo)識(shí)。

在確認(rèn)全局編碼標(biāo)識(shí)后，本系統(tǒng)將建立電子檔案的倒排索引。而傳統(tǒng)正向索引技術(shù)主要是建立檔案與關(guān)鍵詞的映射關(guān)系，將檔案ID或者標(biāo)題作為文檔唯一標(biāo)識(shí)Key，例如“檔案A”“檔案B”“檔案C”中包含水電工程這個(gè)關(guān)鍵詞，其對(duì)應(yīng)的正向索引為：{“檔案A”：“水電工程”、“檔案B”：“水電工程”、“檔案C”：“水電工程”}。利用通過(guò)此種方式建立的映射關(guān)系，在對(duì)“水電工程”這個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索查詢時(shí)，需逐一從每份檔案中進(jìn)行全文檢索，此舉將影響檢索效率。

本區(qū)塊鏈系統(tǒng)應(yīng)用倒排索引技術(shù)建立檔案與關(guān)鍵詞的映射關(guān)系，即將檔案內(nèi)容關(guān)鍵詞或者屬性作為文檔唯一標(biāo)識(shí)Key。仍以上述為例，采用倒排索引建立的映射關(guān)系為：{“水電工程”：“檔案A”，“檔案B”，“檔案C”}，后期通過(guò)“水電工程”關(guān)鍵詞檢索時(shí)，只需要查詢一次就可以得到所有包含該關(guān)鍵詞的檔案信息，從而有效提升檢索效率。

（三）水電工程電子檔案上鏈

1.利用SHA-512算法為每個(gè)電子檔案生成可標(biāo)識(shí)該檔案的哈希指紋，其中半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的檔案可通過(guò)電子檔案的元數(shù)據(jù)生成。

2.將電子檔案的元數(shù)據(jù)、哈希指紋進(jìn)行上鏈，并生成操作記錄。這里的操作記錄包括發(fā)起方、接收方、操作的方法（如上傳、修改等）、電子檔案的相關(guān)參數(shù)（如全局唯一標(biāo)識(shí)、元數(shù)據(jù)、哈希指紋等）、操作的時(shí)間戳以及操作發(fā)起方生成的數(shù)字簽名。

3.將業(yè)務(wù)系統(tǒng)中一個(gè)周期（如1個(gè)月）的操作記錄形成區(qū)塊，并進(jìn)行區(qū)塊的鏈?zhǔn)接涗?，其中區(qū)塊的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和每個(gè)區(qū)塊存放的數(shù)據(jù)如圖2所示。

如圖2所示，區(qū)塊中的每一次操作都會(huì)進(jìn)行哈希函數(shù)運(yùn)算，往上相鄰的葉子節(jié)點(diǎn)將再次進(jìn)行哈希函數(shù)運(yùn)算，得到的哈希函數(shù)運(yùn)算結(jié)果作為這兩個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，依次往上，最后一次哈希函數(shù)運(yùn)算的父節(jié)點(diǎn)就是操作的根哈希節(jié)點(diǎn)。

若區(qū)塊中的某個(gè)操作被惡意篡改，該操作對(duì)應(yīng)的葉子節(jié)點(diǎn)哈希運(yùn)算結(jié)果會(huì)發(fā)生變化，并向上逐一傳遞到父節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)。操作根節(jié)點(diǎn)的哈希運(yùn)算結(jié)果實(shí)際上是包含了所有葉子節(jié)點(diǎn)的哈希運(yùn)算過(guò)程，一旦出現(xiàn)篡改，能快速定位有問(wèn)題的操作節(jié)點(diǎn)。

三、區(qū)塊鏈在水電工程電子檔案管理中的實(shí)際應(yīng)用

通過(guò)構(gòu)建水電工程電子檔案的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，可將區(qū)塊鏈的防偽存證和可追溯的特性應(yīng)用到檔案管理中，同時(shí)依托倒排索引技術(shù)，可有效提升檔案數(shù)據(jù)檢索利用效率。具體應(yīng)用場(chǎng)景如下所述。

（一）防偽存證應(yīng)用

1.數(shù)據(jù)發(fā)送：操作發(fā)起方（如某個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)）將電子檔案和生成的哈希指紋發(fā)送到接收方（另一個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)）。

2.身份驗(yàn)證：每個(gè)操作均由操作發(fā)起方的私鑰進(jìn)行數(shù)字簽名，接收方通過(guò)操作發(fā)起方的公鑰進(jìn)行解密來(lái)對(duì)該簽名進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證通過(guò)，則證明該操作確實(shí)是由操作發(fā)起方發(fā)起。

3.防偽驗(yàn)證：接收方獲取該電子檔案，利用SHA-512算法生成該檔案的哈希指紋，與發(fā)送方的哈希指紋進(jìn)行比對(duì)，如果一致則證明該電子文檔未被篡改，否則不予接收。

（二）溯源應(yīng)用

針對(duì)水電工程檔案數(shù)據(jù)的傳播周期鏈條長(zhǎng)等特點(diǎn)，系統(tǒng)中所有操作均通過(guò)區(qū)塊進(jìn)行鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)記錄，當(dāng)需要對(duì)某份電子檔案進(jìn)行追溯時(shí)，通過(guò)全局唯一編碼標(biāo)識(shí)檢索查詢，可將存放在區(qū)塊中的所有操作進(jìn)行遍歷，并將遍歷結(jié)果形成鏈?zhǔn)降挠涗洝?/p>

由于所有數(shù)據(jù)全部記錄在區(qū)塊鏈存儲(chǔ)系統(tǒng)上，且為去中心化的存儲(chǔ)方式，節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)是按時(shí)間先后順序串聯(lián)存儲(chǔ)的，將前一時(shí)間段的數(shù)據(jù)指紋與后一時(shí)間段的數(shù)據(jù)整合在一起，這樣后一時(shí)間段的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)都會(huì)包含前一時(shí)間段的數(shù)據(jù)指紋，形成了一條由數(shù)據(jù)指紋串聯(lián)的信息鏈條。

如果要非法修改中間某一時(shí)間段的數(shù)據(jù)，依照哈希算法原理，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)指紋將會(huì)改變。因此，必須修改后續(xù)的每一個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)，否則數(shù)據(jù)鏈條就會(huì)在修改這一刻斷掉，不再具備可追溯性。同時(shí)，為避免非法入侵修改相關(guān)記錄，可通過(guò)容錯(cuò)PBFT共識(shí)算法防止篡改。

（三）檢索應(yīng)用

針對(duì)水電工程形成的電子檔案數(shù)據(jù)量較大的特點(diǎn)，當(dāng)涉及檢索應(yīng)用時(shí)，傳統(tǒng)做法是通過(guò)檢索關(guān)鍵詞進(jìn)行匹配，并反饋檢索結(jié)果。本應(yīng)用前期建立了倒排索引，當(dāng)輸入檢索關(guān)鍵詞時(shí)，可直接通過(guò)建立好的倒排索引進(jìn)行關(guān)鍵詞匹配，當(dāng)查詢到匹配的關(guān)鍵詞后，其所對(duì)應(yīng)的電子檔案以列表的形式依次串聯(lián)，可第一時(shí)間獲取到所需的電子檔案列表，將結(jié)果反饋給用戶，此舉將有效提升檔案數(shù)據(jù)利用效率，并可節(jié)約大量的計(jì)算資源。

四、結(jié)語(yǔ)

將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到水電工程電子檔案管理后，可降低傳統(tǒng)以數(shù)字證書(shū)認(rèn)證方式為主的第三方依賴，通過(guò)構(gòu)建鏈?zhǔn)絽^(qū)塊的存儲(chǔ)方式，可做到電子檔案的防篡改和全過(guò)程溯源，所有鏈?zhǔn)讲僮骶豢傻仲?，極大提升了電子檔案的安全性。另外，通過(guò)引入全局編碼標(biāo)識(shí)并利用倒排索引技術(shù)，有效提升了水電工程電子檔案數(shù)據(jù)的查詢、檢索、利用效率。作為新興技術(shù)，區(qū)塊鏈在檔案行業(yè)應(yīng)用尚處于探索階段，檔案工作者應(yīng)以需求為導(dǎo)向，兼顧技術(shù)與管理間的融合，持續(xù)不斷探索，以找到最適合的實(shí)施路徑。

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作者單位：1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司檔案中心2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究院