基于區(qū)塊鏈技術(shù)的本地化云計(jì)算大數(shù)據(jù)的應(yīng)用探析

楊偉超 尹廷鈞 趙海濤 孫嘉琦

（戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)教研保障中心圖書(shū)館，河南 鄭州 450001）

0 引言

這么多年來(lái)，社會(huì)突飛猛進(jìn)發(fā)展的同時(shí)云計(jì)算已經(jīng)走到了更高效、更快速、更方便、更高的性價(jià)比的方向，并且遍及人類社會(huì)的方方面面。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全和個(gè)人隱私的擔(dān)憂也是人們所關(guān)注的，在對(duì)于將信息轉(zhuǎn)送到云中儲(chǔ)存，大部分人都持有保留態(tài)度，為此本地計(jì)算服務(wù)由于安全和信任問(wèn)題而猶豫不決。本文對(duì)于區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展將在下文進(jìn)行闡述。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

當(dāng)提到區(qū)塊鏈體系時(shí)，一般人無(wú)法區(qū)分區(qū)塊鏈與比特幣，因?yàn)閮烧哂兄嗨频奶攸c(diǎn)。然而細(xì)細(xì)分下來(lái)也有這不同的點(diǎn)可以區(qū)分，那么可知比特幣是基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)支付的數(shù)字貨幣系統(tǒng)，而區(qū)塊鏈則是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的最主要手段。狹義上，區(qū)塊鏈?zhǔn)侵敢环N數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由按時(shí)間順序相互連接的小塊數(shù)據(jù)所組成，時(shí)間順序如圖1所示。而數(shù)據(jù)的可操作性和可靠性，則通過(guò)消息加密來(lái)完成。它往往是一個(gè)分散的共享賬本。

圖1 區(qū)塊鏈接示例

區(qū)塊鏈技術(shù)，是指去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)是通過(guò)加密鏈塊體系結(jié)構(gòu)由不同節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的分散式基礎(chǔ)設(shè)施，以及通過(guò)系統(tǒng)與協(xié)議分布、P2P網(wǎng)的通信技術(shù)，與智能協(xié)議塊技術(shù)所組合而成的。

實(shí)際上它是一個(gè)全新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)或者開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)完全無(wú)關(guān)，而是存儲(chǔ)并記錄信息于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。一般來(lái)說(shuō)，在十分鐘內(nèi)，就能夠使用哈希技術(shù)得到區(qū)塊頭和主體。 該區(qū)塊頭能夠使用時(shí)間戳來(lái)標(biāo)識(shí)和連接下一個(gè)區(qū)塊頭，而這個(gè)區(qū)塊頭能夠使用保存信息。當(dāng)區(qū)塊建立時(shí)，操作系統(tǒng)將自動(dòng)生成信息的時(shí)間戳并為它打上標(biāo)簽。這是一個(gè)利用時(shí)間戳方法來(lái)進(jìn)行數(shù)字文檔信息安全管理的新協(xié)定。該協(xié)議是對(duì)當(dāng)前TCP/IP協(xié)定的修改版。因?yàn)閰^(qū)塊鏈?zhǔn)且詴r(shí)間順序排列的數(shù)據(jù)記錄，一旦建立后便無(wú)法更改。因此任何數(shù)據(jù)消息都將在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)上共享和保持。而如果所有節(jié)點(diǎn)的消息都發(fā)生了變化，則將以網(wǎng)絡(luò)廣播的形式將此消息傳送給所有節(jié)點(diǎn)。有一個(gè)在零點(diǎn)之五以上的節(jié)點(diǎn)接收并記錄了變更消息，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)共同檢查后，消息都將記錄到整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。就這樣，這也徹底改變了對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的定義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保存數(shù)據(jù)，而這樣集中的數(shù)據(jù)保存方式也深受區(qū)塊鏈存儲(chǔ)的影響。而區(qū)塊鏈技術(shù)則是因特網(wǎng)TCP/IP比特的改進(jìn)版本，是未來(lái)空間技術(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施中的一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)空間。

2 區(qū)塊鏈和云計(jì)算技術(shù)結(jié)合的演變

區(qū)塊鏈與云計(jì)算技術(shù)的融合也帶來(lái)了一項(xiàng)新興市場(chǎng)——區(qū)塊鏈云計(jì)算業(yè)務(wù)，它能夠直接向本地公司和組織傳輸大數(shù)據(jù)，并提供快捷、安全的云端金融服務(wù)。一方面，這種業(yè)務(wù)促進(jìn)了區(qū)塊技術(shù)在很多行業(yè)中的廣泛應(yīng)用；另一方面，云計(jì)算技術(shù)市場(chǎng)也產(chǎn)生了巨大變革。隨著區(qū)塊鏈科技的日益發(fā)展與變化，區(qū)塊鏈背后的基礎(chǔ)設(shè)施工程也在不斷完善。不少企業(yè)已經(jīng)為建立區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施打下了基礎(chǔ)，并期望在高新科技領(lǐng)域起到領(lǐng)頭作用。作為將遠(yuǎn)程區(qū)塊鏈用于比特幣的基礎(chǔ)技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)集中交換中出現(xiàn)的一系列問(wèn)題。通過(guò)分散的事務(wù)提高了事務(wù)的速度，并克服了事務(wù)之間互不信任的問(wèn)題。這也是一種十分安全的技術(shù)體系，因?yàn)閰^(qū)塊鏈實(shí)質(zhì)上是通過(guò)P2P傳遞值的協(xié)議，開(kāi)發(fā)一個(gè)具有共識(shí)機(jī)制和分布式網(wǎng)絡(luò)的綜合技術(shù)聚合區(qū)塊迄今為止有三種類型的區(qū)塊鏈。這三個(gè)分類的區(qū)塊在分散范圍上都各不相同，在參與者和消費(fèi)者群體中也有不同的分類。各種形式的虛擬數(shù)字貨幣應(yīng)該先針對(duì)貨幣應(yīng)用場(chǎng)合選定一個(gè)類型作為底層技術(shù)，并基于在該類型底層技術(shù)上進(jìn)行的研究。

計(jì)算云的演變也類似于區(qū)塊鏈技術(shù)，并有三種類型的云計(jì)算。這三種計(jì)算云主要是分配分布式的計(jì)算方法，具有網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和計(jì)算功能，具有價(jià)格低、可靠性高的重要特點(diǎn)。遠(yuǎn)程公共鏈和公共云都具有資源共享的特點(diǎn)，私有鏈和私有云都是通知個(gè)人客戶，強(qiáng)調(diào)信息私有化，而聯(lián)盟鏈和混合云則是前兩者的集成。雖然數(shù)據(jù)和信息是個(gè)人的，但這些個(gè)人數(shù)據(jù)和信息可以共享。

區(qū)塊鏈為分布式賬本，所以區(qū)塊鏈需要IP通信協(xié)議和分布式網(wǎng)絡(luò)等安全技術(shù)的支撐，在傳輸階段也不需要由中心服務(wù)器節(jié)點(diǎn)管理。同時(shí)也由于引進(jìn)了工作證明的概念，遠(yuǎn)程計(jì)算的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賬本雖然受到了局限，但也因?yàn)檫h(yuǎn)程計(jì)算引入了虛擬化技術(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)之間的虛擬化，而由于區(qū)塊鏈分布式存儲(chǔ)要求的計(jì)算能力，也就正好可以獲得滿足遠(yuǎn)遙區(qū)塊鏈的智能合約，所以通常也被看作是一個(gè)自動(dòng)擔(dān)保額賬戶。

3 區(qū)塊鏈架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)架

3.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層通常用于保護(hù)包括了時(shí)間戳、Merkle樹(shù)、非對(duì)稱加密和散列等技術(shù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)，以保證對(duì)數(shù)據(jù)的可追溯性和干預(yù)的可能性。而數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)中一般有兩個(gè)重要組成部分：塊標(biāo)題和塊內(nèi)容。塊標(biāo)題中記錄了諸如版本號(hào)、輸出塊上的哈希值、時(shí)間戳、等，對(duì)任意Merkle數(shù)和根塊都以Merkle樹(shù)的形式存儲(chǔ)了事務(wù)數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)塊也可以根據(jù)時(shí)間戳的順序形成鏈結(jié)構(gòu)。Merkle樹(shù)也可以快速證實(shí)數(shù)據(jù)塊的存在性和完整性。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

組網(wǎng)方面，通過(guò)通信分發(fā)協(xié)議和數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制形成了網(wǎng)絡(luò)層，并形成了分散分布的雙節(jié)點(diǎn)拓?fù)浼軜?gòu)。所有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都能夠在不形成互信的情形下完成信息交換。交換消息宜采用無(wú)線電傳送。為保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的順利工作，并通過(guò)激勵(lì)機(jī)制保證有相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，共同參與和貢獻(xiàn)計(jì)算能力。

通過(guò)P2P扁平式拓?fù)淠Ｊ剑W(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)相同的角色。它具有路由檢測(cè)、事務(wù)信息驗(yàn)證、事務(wù)信息傳輸和新節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)等主要功能。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行不會(huì)受到某些節(jié)點(diǎn)損壞的影響，但也會(huì)增加維護(hù)所有節(jié)點(diǎn)的成本。

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的廣播信號(hào)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)用于傳輸給其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之后，它們還將檢查在交易中的簽名、時(shí)間戳以及其他信息來(lái)標(biāo)記，并通過(guò)證據(jù)加載區(qū)塊，以檢驗(yàn)交易內(nèi)容和區(qū)塊的有效性。一旦使用成功，它將保存并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)或傳輸。不過(guò)，有關(guān)數(shù)據(jù)的消息將被拒絕，而且也無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)。

該節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播將其生成的事務(wù)信息發(fā)送給周?chē)?jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后則繼續(xù)傳播。如果信息未通過(guò)驗(yàn)證，將被拒絕，并將繼續(xù)傳播有關(guān)錯(cuò)誤的信息。

3.3 共識(shí)層

分散網(wǎng)絡(luò)中的決策權(quán)高度分散，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)效率，并有效地達(dá)成共識(shí)。通過(guò)使用幾種方案解決了這個(gè)問(wèn)題，如負(fù)載演示機(jī)制（PoW）、公平演示機(jī)制（PoS），用于演示許可證（DPoS）問(wèn)題的機(jī)制和分配一致性的算法。

共識(shí)過(guò)程和經(jīng)濟(jì)刺激因素的結(jié)合顯著提高了PoW機(jī)制中網(wǎng)絡(luò)塊的穩(wěn)定性，但為了達(dá)到假冒或偽造區(qū)塊的目的，還是有必要事先把該區(qū)塊和所有后續(xù)區(qū)塊都找到了隨機(jī)數(shù)，這樣就可以限制區(qū)塊網(wǎng)中百分之五十一以上的計(jì)算能。這也就是攻擊成本太高的主要原因。

為了處理計(jì)算資源損失和百分之五十一攻擊等問(wèn)題，組織在支持理論機(jī)制中采用了權(quán)益的證明（貨幣年齡和代幣數(shù)量等），并以此作為在PoW中計(jì)算能力的證據(jù)。通過(guò)增加資源的數(shù)量，降低了資源獲取的困難。在某種程度上，它又突破了完全分權(quán)的范疇。

DPoS制度類似于董事會(huì)投票。各個(gè)節(jié)點(diǎn)代表可以將其權(quán)利委派給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表。節(jié)點(diǎn)代表將管理其他節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)代表則將以記賬的形式創(chuàng)建新的區(qū)塊。最后因?yàn)閰⑴c數(shù)據(jù)驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和由于會(huì)計(jì)權(quán)利競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生的資源損耗逐漸減少,所以實(shí)現(xiàn)了第二級(jí)一致性檢驗(yàn)。

在聯(lián)盟鏈中，與完全分散的公共鏈不同，它更適合分布式一致性算法，不需要太多計(jì)算資源。塊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)選擇一個(gè)主節(jié)點(diǎn)來(lái)生成新的塊和節(jié)點(diǎn)傳輸信息。

3.4 激進(jìn)層

在激勵(lì)層面上，把經(jīng)濟(jì)因素集成在區(qū)塊系統(tǒng)中，在共識(shí)節(jié)點(diǎn)間建立了服務(wù)機(jī)制。消費(fèi)節(jié)點(diǎn)不但能夠達(dá)到企業(yè)利潤(rùn)的最大化，而且還能夠保障整個(gè)系統(tǒng)的整體有效運(yùn)營(yíng)。最常見(jiàn)的比特幣發(fā)行機(jī)制分為每股付款、按股份付費(fèi)，以及按比例付款。

3.5 合約層

協(xié)議層的實(shí)質(zhì)是區(qū)塊鏈的業(yè)務(wù)邏輯和算法。協(xié)議層的存在既可以實(shí)現(xiàn)管理區(qū)塊數(shù)據(jù)的靈活工作方法，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)合同底層區(qū)塊系統(tǒng)的編程。比特幣平臺(tái)也利用腳本層實(shí)現(xiàn)了協(xié)議管理功能，而大多數(shù)的新一代區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)平臺(tái)也開(kāi)始使用了智能協(xié)議。

用編程語(yǔ)言創(chuàng)建的智能協(xié)議理解了業(yè)務(wù)邏輯。協(xié)議將在整個(gè)區(qū)塊鏈的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)布。調(diào)用時(shí)，它將在虛擬機(jī)上工作，并且在啟動(dòng)后將無(wú)法強(qiáng)制中斷。在總結(jié)了交易的業(yè)務(wù)邏輯和智能合約中的數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)則之后，外部附件將通過(guò)調(diào)用智能合約鏈接到區(qū)塊狀態(tài)，從而與區(qū)塊間交換數(shù)據(jù)。

智能合約的優(yōu)點(diǎn)主要包括：干預(yù)的人為風(fēng)險(xiǎn)降低、精確執(zhí)行、信息有效更新以及分散的電力資源和低運(yùn)作成本。智能合約為大數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)提供了更加靈活的編程機(jī)制，并在區(qū)塊鏈中充當(dāng)了機(jī)器代理的角色。

4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的本地化云計(jì)算大數(shù)據(jù)應(yīng)用理論

4.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

云計(jì)算技術(shù)和與區(qū)塊鏈技術(shù)在現(xiàn)實(shí)使用流程中也有一定的相似之處，利用這些差異可以充分集成于云計(jì)算技術(shù)和與區(qū)塊鏈塊技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)?；谠贫说挠?jì)算機(jī)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)云端運(yùn)算功能的良好性能和與區(qū)塊技術(shù)。就網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，云計(jì)算技術(shù)和與區(qū)塊鏈技術(shù)都是分布式網(wǎng)絡(luò)，這將更利于網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

4.2 數(shù)據(jù)運(yùn)算

在采用區(qū)塊數(shù)據(jù)塊技術(shù)時(shí)，其主要使用數(shù)據(jù)碎片和信息資源，通過(guò)使用密鑰對(duì)碎片數(shù)據(jù)和信息資料進(jìn)行加密，從而在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)間分配加密信息和資料。在上述操作過(guò)程中，通過(guò)云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算支持，塊技術(shù)則進(jìn)行信息分散管理。這兩個(gè)技術(shù)的接近性能，進(jìn)一步保證了移動(dòng)過(guò)程中信息資源的正確性、效率、穩(wěn)定性和安全性。

4.3 智能合約

賬戶與數(shù)據(jù)信息資源交互時(shí)，應(yīng)通過(guò)智能合約的方式確保交易的安全。智能合約的有效使用可以充分提高信息資源之間交互的信任、穩(wěn)定性和安全性。該條約在執(zhí)行議定書(shū)時(shí)主要依靠封鎖技術(shù)，并有效地將分散的數(shù)據(jù)和信息資源納入議定書(shū)的執(zhí)行過(guò)程。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，云計(jì)算技術(shù)與區(qū)塊鏈科技的融合保證了準(zhǔn)確性、效率，企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)與個(gè)人信息資料在云端轉(zhuǎn)化流程的穩(wěn)定性與安全，也提升了消費(fèi)者對(duì)云計(jì)算中心的信任。在已有的基礎(chǔ)設(shè)施條件下，通過(guò)提升計(jì)算速度，增強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的計(jì)算能力,并優(yōu)化對(duì)不同領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)資源的分配，以確保更好地為消費(fèi)者提供高質(zhì)量快捷的資訊產(chǎn)品與信息服務(wù)。同時(shí)，二者的有機(jī)融合也進(jìn)一步推動(dòng)了區(qū)域間與跨專業(yè)的融合以及大數(shù)據(jù)與信息技術(shù)之間的交流資源。