區(qū)塊鏈在跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享方面的應(yīng)用技術(shù)研究

鄒漢錚?巴剛?任煒

摘要：本文重點(diǎn)探討以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)代數(shù)據(jù)跨平臺(tái)互通共享的應(yīng)用技術(shù)與方法。通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通、推動(dòng)跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享提供一種通用的設(shè)計(jì)，為建設(shè)數(shù)字化社會(huì)治理、企業(yè)管理提供參考依據(jù)。該方法可以廣泛應(yīng)用在醫(yī)衛(wèi)、市場(chǎng)監(jiān)督、財(cái)稅、環(huán)保、工業(yè)、礦產(chǎn)等行業(yè)，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)間的數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)應(yīng)用。

關(guān)鍵字：區(qū)塊鏈；跨平臺(tái)；數(shù)據(jù)共享；防篡改

一、背景及目標(biāo)

隨著全球網(wǎng)絡(luò)化和信息化的加速發(fā)展，數(shù)字化已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎。在大數(shù)據(jù)、人工智能和云計(jì)算的技術(shù)推動(dòng)下，數(shù)字經(jīng)濟(jì)取得了極大的進(jìn)步，推動(dòng)了各行各業(yè)線上化、數(shù)字化、智慧化運(yùn)營(yíng)管理能力的飛躍。但現(xiàn)階段大部分業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)是“煙囪式”系統(tǒng)，造成數(shù)據(jù)孤島，無(wú)法實(shí)現(xiàn)各個(gè)管理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享，不能夠充分發(fā)揮生產(chǎn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前，打破各個(gè)平臺(tái)間的數(shù)據(jù)鴻溝及壁壘，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)互通共享，已經(jīng)成為各行業(yè)發(fā)展數(shù)字化的研究熱點(diǎn)。

與此同時(shí)，在各個(gè)平臺(tái)之間數(shù)據(jù)共享過(guò)程中，保證電子文檔、業(yè)務(wù)工單等敏感數(shù)據(jù)的合法性和安全性也尤為重要。2004年8月28日，我國(guó)發(fā)布了《中華人民共和國(guó)電子簽名法》，該項(xiàng)法規(guī)確立了電子簽名的法律效力，這為我們解決生產(chǎn)數(shù)據(jù)在跨平臺(tái)傳輸過(guò)程中的合法性提供了法律依據(jù)。鑒于此，保障電子證據(jù)的真實(shí)性，保證跨各個(gè)平臺(tái)數(shù)據(jù)共享的安全可靠，是當(dāng)下必須思考解決的問(wèn)題。區(qū)塊鏈技術(shù)不可偽造、不可篡改、可追溯的塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和去中心化的分布式存儲(chǔ)[1-2]等特性，為解決以上問(wèn)題提供了新的方法。利用分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字簽名等技術(shù)，區(qū)塊鏈可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸溯源，并且能夠有效解決各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)跨平臺(tái)傳輸?shù)陌踩詥?wèn)題。

本文將對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法上進(jìn)行研究。結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的原理、特點(diǎn)和各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享的實(shí)際需求，構(gòu)建了一套通用的跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享及治理的設(shè)計(jì)方案。為數(shù)字治理時(shí)代下的跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)防篡改及數(shù)據(jù)溯源提供通用的應(yīng)用方法。該研究方法可以復(fù)用到數(shù)字時(shí)代下的千行百業(yè)。

二、總體思路

區(qū)塊鏈主要設(shè)計(jì)方式可分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。公有鏈，是指全球任何人、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，使用公共網(wǎng)絡(luò)都可參與的區(qū)塊鏈。通過(guò)密碼學(xué)和激勵(lì)機(jī)制，讓參與節(jié)點(diǎn)在陌生的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中達(dá)成共識(shí)，從而形成去中心化的信用機(jī)制。私有鏈指僅對(duì)有限的個(gè)人或?qū)嶓w開(kāi)放的區(qū)塊鏈。它的使用方式不公開(kāi)、數(shù)據(jù)不公開(kāi)，整個(gè)區(qū)塊鏈?zhǔn)芩接泄?jié)點(diǎn)管理。聯(lián)盟鏈則只針對(duì)特定群體和有限第三方開(kāi)放，其構(gòu)建區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)必須要經(jīng)過(guò)注冊(cè)和認(rèn)證。聯(lián)盟鏈內(nèi)部可指定多個(gè)節(jié)點(diǎn)為記賬人，每個(gè)塊的生成由所有指定的節(jié)點(diǎn)共同決定。

本文結(jié)合跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享和治理的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，選擇以聯(lián)盟鏈的方式構(gòu)建方案，滿足各類平臺(tái)授權(quán)管理及數(shù)據(jù)互通共享的需求。同時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)管理分層分級(jí)的特性，本文將采用雙鏈機(jī)制[3]-[4]，來(lái)保障數(shù)據(jù)互通后各平臺(tái)內(nèi)部的權(quán)限管控。雙鏈由主鏈和子鏈構(gòu)成，其中主鏈由管理各數(shù)據(jù)平臺(tái)的組織單位構(gòu)成，負(fù)責(zé)拉通各平臺(tái)的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，共同監(jiān)管區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)操作等是否合規(guī)。子鏈由組織單位內(nèi)各類業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)組成，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、資料認(rèn)證等業(yè)務(wù)能力。

具體設(shè)計(jì)方案分為如下三個(gè)核心部分：

第一，通用能力平臺(tái)設(shè)計(jì)，主要利用區(qū)塊鏈技術(shù)在各組織單位間建立數(shù)據(jù)共享鏈接。通過(guò)部署API接口、證書(shū)、排序節(jié)點(diǎn)、對(duì)等節(jié)點(diǎn)、智能合約、共識(shí)機(jī)制、平臺(tái)管理等服務(wù)模塊，結(jié)合數(shù)據(jù)操作管理策略，進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制，實(shí)現(xiàn)各組織單位間的數(shù)據(jù)共享。

第二，業(yè)務(wù)處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，主要利用區(qū)塊鏈技術(shù)在組織單位內(nèi)部對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。子鏈接受對(duì)應(yīng)主鏈區(qū)塊的管理，同時(shí)，負(fù)責(zé)管理內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)處理能力。每條業(yè)務(wù)子鏈自行維護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)，不同子鏈可向?qū)?yīng)主鏈區(qū)塊申請(qǐng)運(yùn)行不同的共識(shí)機(jī)制和智能合約，進(jìn)行跨鏈數(shù)據(jù)傳輸[6]。

第三，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、共享服務(wù)層、安全隔離層和接入層[7]。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和數(shù)字證書(shū)認(rèn)證等進(jìn)行有效的結(jié)合。分層式、模塊化設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提升系統(tǒng)整體的容錯(cuò)性，便于系統(tǒng)維護(hù)管理。

三、能力平臺(tái)設(shè)計(jì)

聯(lián)盟鏈中最關(guān)鍵的在于打通各組織單位的數(shù)據(jù)通道。聯(lián)盟牽頭單位負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)共享的通用能力平臺(tái)的打造及建設(shè)，并且對(duì)組織內(nèi)成員單位的數(shù)據(jù)訪問(wèn)進(jìn)行權(quán)限審核及分發(fā)，具有最高管理權(quán)限。成員單位一方面配合牽頭單位部署主鏈區(qū)塊，構(gòu)建數(shù)據(jù)共享鏈接；另一方面又根據(jù)自己的業(yè)務(wù)類型搭建業(yè)務(wù)子鏈，并與主鏈進(jìn)行鏈接，形成完整的跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)盟內(nèi)各個(gè)組織單位共同構(gòu)建成區(qū)塊鏈主鏈，并承擔(dān)多種角色：客戶端，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的互通管理；驗(yàn)證者，參與共識(shí)機(jī)制；審計(jì)員，記錄系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔ⅲ阌谧匪?；監(jiān)管者，執(zhí)行管理策略，監(jiān)控操作的合法性。同一區(qū)塊能同時(shí)承擔(dān)多種角色，相互采用智能合約進(jìn)行合法性驗(yàn)證[5]。

區(qū)塊鏈的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)確保每個(gè)主鏈區(qū)塊都存儲(chǔ)一份完整的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)證書(shū)簽發(fā)校驗(yàn)，牽頭組織單位可授權(quán)其余組織單位查看對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享。打通數(shù)據(jù)共享通道，利用區(qū)塊鏈技術(shù)相互監(jiān)督數(shù)據(jù)傳輸情況，共同存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建互信機(jī)制。

對(duì)于能力平臺(tái)的核心服務(wù)建設(shè)，需要規(guī)劃通用的能力處理模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、業(yè)務(wù)邏輯處理，保障數(shù)據(jù)共享的合規(guī)性、準(zhǔn)確性、時(shí)效性及追溯性。

一是API接口服務(wù)模塊。主要分為數(shù)據(jù)共享接口和預(yù)留擴(kuò)展接口兩類：數(shù)據(jù)共享接口提供數(shù)據(jù)采集、錄入、審核、導(dǎo)出和分析等功能操作，用于滿足子鏈系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。預(yù)留擴(kuò)展接口為后期的功能開(kāi)發(fā)、業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化等預(yù)留升級(jí)空間。

二是證書(shū)服務(wù)模塊。該模塊是區(qū)塊鏈安全機(jī)制的核心服務(wù)，利用數(shù)字簽名技術(shù)，為節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸、管理員和用戶簽發(fā)證書(shū)，為各類角色簽發(fā)獨(dú)立的身份以及身份鑒別。

三是排序節(jié)點(diǎn)服務(wù)模塊。主要對(duì)交易信息及背書(shū)信息進(jìn)行驗(yàn)證，利用時(shí)間戳將所有的交易按時(shí)間順序及約定的規(guī)則生成區(qū)塊，并將該區(qū)塊生成信息傳遞到對(duì)等節(jié)點(diǎn)，通過(guò)分布式賬本實(shí)現(xiàn)對(duì)交易的記錄。

四是對(duì)等節(jié)點(diǎn)服務(wù)模塊。該服務(wù)模塊提供記賬和查詢服務(wù)。區(qū)塊鏈系統(tǒng)中設(shè)置有主記賬節(jié)點(diǎn)和背書(shū)節(jié)點(diǎn)，主記賬節(jié)點(diǎn)用于接收排序節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的區(qū)塊信息，通過(guò)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)將區(qū)塊信息同步給其他數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)[9]。背書(shū)節(jié)點(diǎn)對(duì)交易進(jìn)行背書(shū)。一個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)具備這兩種功能，這時(shí)該節(jié)點(diǎn)便可以完成交易背書(shū)、接收排序節(jié)點(diǎn)的信息以及記賬能力。

五是智能合約服務(wù)模塊。智能合約運(yùn)行在每個(gè)區(qū)塊的獨(dú)立空間內(nèi)，負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限控制?？梢愿鶕?jù)功能需求預(yù)設(shè)定智能合約的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換規(guī)則，滿足設(shè)定條件即可觸發(fā)執(zhí)行，返回對(duì)應(yīng)結(jié)果。整個(gè)執(zhí)行過(guò)程完全無(wú)法自動(dòng)干預(yù)。

六是共識(shí)機(jī)制服務(wù)模塊。主要通過(guò)信息廣播讓有效節(jié)點(diǎn)保存的區(qū)塊前綴信息完全相同，保證每一次數(shù)據(jù)操作的真實(shí)性及合法性。通過(guò)技術(shù)背書(shū)而非中心化信用機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行全新的信用創(chuàng)造，達(dá)到不可篡改的目的。

七是平臺(tái)管理服務(wù)模塊。其主要為每個(gè)節(jié)點(diǎn)、API接口服務(wù)等申請(qǐng)證書(shū)，滿足各節(jié)點(diǎn)在業(yè)務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的通信加密、數(shù)據(jù)或協(xié)議簽名、身份鑒別等操作以及配置管理。

四、業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

組織內(nèi)成員單位承擔(dān)的職責(zé)主要由業(yè)務(wù)處理節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。構(gòu)成業(yè)務(wù)處理節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)子鏈，是通用能力平臺(tái)的權(quán)限下沉和能力拓展。各成員單位的業(yè)務(wù)處理節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、錄入、審核、查詢、分析/計(jì)算、認(rèn)證、導(dǎo)出等功能。這些功能通過(guò)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)上部署的平臺(tái)管理模塊進(jìn)行釋放，利用權(quán)限管控，根據(jù)業(yè)務(wù)需求開(kāi)放不同的處理能力，由對(duì)應(yīng)組織單位進(jìn)行權(quán)限審批[10]。平臺(tái)管理模塊內(nèi)集成有數(shù)據(jù)采集、錄入需要的API接口，可以從信息采集設(shè)備或第三方平臺(tái)上讀取數(shù)據(jù)。

同時(shí)，業(yè)務(wù)處理節(jié)點(diǎn)也部署其他的服務(wù)模塊，確保業(yè)務(wù)處理節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行需求。其中，證書(shū)服務(wù)模塊的數(shù)字簽名技術(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)間的各項(xiàng)操作進(jìn)行跟蹤記錄，做到不可抵賴。排序節(jié)點(diǎn)的時(shí)間戳技術(shù)可以明確認(rèn)定每條數(shù)據(jù)的生成時(shí)間，便于追溯起源。共識(shí)機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行廣播確認(rèn)，確保操作透明[11]。對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在各節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，保證數(shù)據(jù)的安全性。記賬節(jié)點(diǎn)記錄上述行為動(dòng)作，便于后期查詢需求。智能合約連通主鏈與子鏈的信息通道，使組織單位可對(duì)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行權(quán)限策略管理。

五、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享區(qū)塊鏈系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、接入層、安全隔離層和共享服務(wù)層。主鏈和子鏈均采用相同的部署，減少系統(tǒng)的復(fù)雜性。數(shù)據(jù)層是承載整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。它包含區(qū)塊鏈的區(qū)塊數(shù)據(jù)，提供所需的計(jì)算服務(wù)和各類加密算法等，是整個(gè)區(qū)塊鏈技術(shù)中最底層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。共享服務(wù)層由各類智能合約、共識(shí)機(jī)制以及對(duì)等網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中，智能合約是共享服務(wù)層的核心，通過(guò)嵌入在區(qū)塊鏈的合約代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。共識(shí)機(jī)制通過(guò)權(quán)益證明確保數(shù)據(jù)訪問(wèn)的合法性[12]，如工作量證明、使用拜占庭容錯(cuò)等共識(shí)算法。對(duì)等網(wǎng)絡(luò)則利用P2P技術(shù)實(shí)現(xiàn)各區(qū)塊間數(shù)據(jù)共享和備份。安全隔離層采用防火墻和網(wǎng)閘等設(shè)備，從硬件上確保整個(gè)區(qū)塊鏈的安全，阻止來(lái)自外界的物理攻擊。

接入層封裝了整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的API接口和可擴(kuò)展接口。API接口實(shí)現(xiàn)對(duì)所有業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)接入，采集外界數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息交互?？蓴U(kuò)展接口為后期功能開(kāi)發(fā)和業(yè)務(wù)升級(jí)作準(zhǔn)備。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文為區(qū)塊鏈技術(shù)在跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享及治理方面描述了應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。成效主要為：第一，輸出通用型跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)方案，包括跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享區(qū)塊鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)管理的核心服務(wù)模塊、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等部分。應(yīng)用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字簽名、時(shí)間戳等技術(shù)手段，在數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)的全生命周期中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全保護(hù)，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享。第二，在如今云計(jì)算廣泛使用的背景下，區(qū)塊鏈技術(shù)與云計(jì)算的結(jié)合也是一個(gè)發(fā)展方向。通過(guò)云鏈結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈的快速部署，降低跨平臺(tái)組網(wǎng)成本，也能提升云計(jì)算的安全性能。

由區(qū)塊鏈建立信任的新型協(xié)作模式，正在改變諸多行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景和運(yùn)行規(guī)則，是未來(lái)發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)、構(gòu)建新型信任體系不可或缺的技術(shù)之一。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)治理的需求，可以將區(qū)塊鏈與大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)結(jié)合，打造各類場(chǎng)景下的精細(xì)化管理能力，應(yīng)用新技術(shù)新方法助力社會(huì)各行業(yè)數(shù)智化治理能力的全面提升。

作者單位：鄒漢錚 巴剛 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)云南有限公司

任煒 中移系統(tǒng)集成有限公司云南分公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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鄒漢錚（1986.09-），男，湖南新寧，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)博士學(xué)位，計(jì)算機(jī)科學(xué)碩士學(xué)位，中國(guó)移動(dòng)云南公司高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向：DICT信息化技術(shù)研究。