基于司法區(qū)塊鏈的智能合約管理技術(shù)研究

聶耀鑫 萬玉晴

摘要：司法區(qū)塊鏈因其良好的存證增信能力和去中心化的不易滅失性，已成為智慧司法的重要組成部分。針對(duì)基于傳統(tǒng)區(qū)塊鏈構(gòu)建的司法電子記錄智能合約存在的數(shù)據(jù)吞吐率不足的問題，本文提出了一種基于IPFS的電子司法記錄區(qū)塊鏈模型，用于去中心分布式的可信存儲(chǔ)司法相關(guān)的電子文本，并提出了一種適用于司法領(lǐng)域的區(qū)塊鏈司法記錄存儲(chǔ)、處理、檢索和更新等方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的方式，本文所提出的方法在保持去中心化和分布式不易篡改的環(huán)境下顯著提升了數(shù)據(jù)吞吐率，為實(shí)際應(yīng)用提供了支撐。

關(guān)鍵詞：司法區(qū)塊鏈；智能合約；合約管理

一、引言

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，使得傳統(tǒng)的司法資源從集中實(shí)體化管理轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际教摂M化管理。如今，大量的司法電子記錄（例如司法文書和物證資料）已經(jīng)取代了物理文件，法律和治理也適應(yīng)了備案記錄的變化。然而，電子法律記錄（ELR）作為公正調(diào)查和審判的基礎(chǔ)依據(jù)，對(duì)于保存的形式與形態(tài)有著特別的需求。例如，電子法律記錄包括根據(jù)法律審判記錄的不同人、被指控的案件和主要當(dāng)事人的陳述記錄，而司法審判以上述記錄和證據(jù)為基礎(chǔ)，一旦數(shù)據(jù)保存的介質(zhì)出現(xiàn)損毀或者丟失，加之?dāng)?shù)據(jù)的可復(fù)制性和篡改性，將會(huì)導(dǎo)致上述流程出現(xiàn)中斷，最終影響司法活動(dòng)的正常開展^[1]。為了解決這個(gè)問題，在法律調(diào)查和司法程序中，區(qū)塊鏈技術(shù)（BC）成為一種有效解決方案，通過不可篡改的版本控制和去中心化的分布式記錄，克服電子數(shù)據(jù)存在的易損毀的問題；智能合約機(jī)制保證了電子法律記錄的真實(shí)性和完整性，從而解決司法程序中各相關(guān)者之間的信任問題^[2-3]。司法區(qū)塊鏈消除了現(xiàn)有分布式存儲(chǔ)生態(tài)系統(tǒng)的問題，解決了數(shù)據(jù)丟失、磁盤故障和對(duì)抗攻擊的信任等漏洞，并通過區(qū)塊鏈確保交易、授權(quán)訪問、去中心化和不可變性，保證了電子法律記錄的合法性和完整性，從而優(yōu)化司法機(jī)關(guān)和各司法程序的處理流程。

在實(shí)際應(yīng)用中，相較于私有鏈和聯(lián)盟鏈，公共鏈?zhǔn)歉舆m合的建鏈方式。公共鏈具有去中心化、信任、匿名和安全性等特點(diǎn)，且具有更大的鏈尺寸。攻擊者需要掌控50%以上的網(wǎng)絡(luò)才能成功實(shí)施篡改，而這需要消耗巨大的計(jì)算能力，使得攻擊者需要在一個(gè)新的正確塊被納入鏈中之前通過一個(gè)難度證明，并在極短的時(shí)間內(nèi)修改鏈中的塊數(shù)據(jù)，使得攻擊成功的機(jī)會(huì)變得微乎其微。因此，基于公共鏈的司法區(qū)塊鏈可以實(shí)現(xiàn)安全性、匿名性、透明度且無腐敗的網(wǎng)絡(luò)，并可以自由地最大化框架吞吐量。

基于公共鏈的區(qū)塊鏈往往受到存儲(chǔ)空間的限制，尤其是對(duì)于文件尺寸普遍較大的司法電子記錄，會(huì)導(dǎo)致高延遲并降低事務(wù)的吞吐量。本文受鏈下行星際文件系統(tǒng)存儲(chǔ)（storage as off-chain interplanetary file system，IPFS）的啟發(fā)，提出了基于IPFS的公共司法區(qū)塊鏈模型。該模型解決了端到端透明、按時(shí)間順序排列的訪問系統(tǒng)，允許所有合法節(jié)點(diǎn)查看和訪問數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了先前方法的不足。在該模型設(shè)計(jì)中，元信息只存儲(chǔ)在鏈上的公開字段，并通過案例號(hào)作為IPFS中記錄的哈希進(jìn)行索引。這一機(jī)制使得所有的用戶都可以查看公開部分，但只有經(jīng)過授權(quán)的節(jié)點(diǎn)才能通過IPFS哈希對(duì)象訪問IPFS私有部分的密鑰和訪問案件記錄，從而同時(shí)保證公民隱私和法律記錄的完整性。

二、相關(guān)工作

越來越多的司法案件可以在網(wǎng)上處理，證據(jù)和法律文書作為這個(gè)過程中不可或缺的材料，必須嚴(yán)格記錄其完整生命周期，以確保完整性、真實(shí)性和可審計(jì)性。為此，司法界和信息科學(xué)界都進(jìn)行了大量的研究。電子司法記錄被接受的必要條件是同時(shí)滿足真實(shí)、完整、可靠和可信共四個(gè)要素。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)字證據(jù)的保管，Cosic等人提出了數(shù)字證據(jù)管理框架（DEMF），使用哈希函數(shù)來生成司法證據(jù)的數(shù)字指紋，并采用生物識(shí)別技術(shù)對(duì)證物經(jīng)辦人進(jìn)行身份識(shí)別^[6]。Hossain等人提出了基于公共鏈的法醫(yī)鑒識(shí)區(qū)塊鏈，用于收集和存儲(chǔ)來自不同物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的證據(jù)，并通過實(shí)驗(yàn)理論分析證明此方法能夠識(shí)別共謀檢測(cè)，并且在時(shí)延和開銷方面的影響很低，能夠滿足實(shí)際使用需求。Prayudi等人引入了數(shù)字證物柜模型（DECs），以實(shí)現(xiàn)數(shù)字證據(jù)處理和保管鏈。Chopade等人提出了基于區(qū)塊鏈的法醫(yī)證據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，使用Base64加密技術(shù)將證據(jù)從一個(gè)參與者傳遞給另一個(gè)參與者。Hossain等人提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)框架，通過加密驗(yàn)證不同處理實(shí)體之間的簽名來從網(wǎng)絡(luò)中的不同實(shí)體收集信息，并安全地添加到區(qū)塊鏈中，這種方法消除了系統(tǒng)中單個(gè)實(shí)體對(duì)信息的控制。Brotsis等人提出了網(wǎng)絡(luò)信任區(qū)塊鏈，用于從各種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境（例如家庭、工廠、辦公室等的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境）中采集并存儲(chǔ)證據(jù)，并使用智能合約對(duì)接各法律實(shí)體接口，以替代以往按時(shí)間順序記錄數(shù)字證據(jù)碎片的保管鏈，并進(jìn)一步擴(kuò)展了在數(shù)字清單中存儲(chǔ)電子證據(jù)的框架，以便法醫(yī)在調(diào)查過程中訪問記錄鏈。

盡管區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中滿足了安全性和匿名性需求，但其在帶寬、時(shí)延、計(jì)算復(fù)雜性和可伸縮性上的開銷也導(dǎo)致了當(dāng)前應(yīng)用擴(kuò)展方面的困難。為了解決這個(gè)問題，Dorri等人提出了一種輕量級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)共識(shí)算法，取消了在區(qū)塊鏈中添加區(qū)塊之前需要解決密碼難題的步驟，從而減少在區(qū)塊鏈中添加新區(qū)塊的耗時(shí)。張文波等人針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和智能城市應(yīng)用提出了一種共識(shí)協(xié)議，使用分布式賬本和雙路徑路由策略來提供數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)一致性。李萌等人提出了一種架構(gòu)，利用隨機(jī)簽名算法對(duì)證人和陪審團(tuán)進(jìn)行身份認(rèn)證，并保持身份的私密性，用于保護(hù)證人的隱私。Kumar等人提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)的輔助數(shù)字取證框架，利用區(qū)塊鏈聯(lián)盟中有效的CoC處理和簽名加密技術(shù)來保證處理數(shù)字法醫(yī)證據(jù)的透明度，用于證據(jù)收集和證據(jù)管理。Awuson-David等人實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊鏈框架，用于在云端的區(qū)塊鏈環(huán)境下維護(hù)日志證據(jù)的可信性、真實(shí)性和完整性，該框架通過提供交易日志作為驗(yàn)證證據(jù)，解決了云環(huán)境下鑒證困難問題。然而，正如王祿生等人所述，當(dāng)前智慧司法建設(shè)，尤其是基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的區(qū)塊鏈物證非中心化數(shù)據(jù)庫應(yīng)用尚處于起步階段，仍存在智能化程度不高、實(shí)用性不強(qiáng)等問題，在為群眾訴訟、司法辦案、司法管理、社會(huì)治理提供服務(wù)時(shí)尚未能提升全方位、高水平的服務(wù)質(zhì)量^[4]。

三、模型設(shè)計(jì)

本文提出了基于公共鏈的司法區(qū)塊鏈動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)管理技術(shù)，該模型構(gòu)建了基于IPFS的區(qū)塊存儲(chǔ)機(jī)制，優(yōu)化了區(qū)塊存儲(chǔ)機(jī)制和速度，同時(shí)提出了該模型在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的具體工作流程。

（一）基于IPFS的司法區(qū)塊鏈區(qū)塊

基于IPFS的司法區(qū)塊鏈區(qū)塊的塊由報(bào)頭和主體組成，報(bào)頭包括跟蹤當(dāng)前協(xié)議的版本號(hào)、前一個(gè)塊的哈希值、時(shí)間戳、Nonce值以及Merkle樹結(jié)構(gòu)中所有相關(guān)電子物證材料的哈希值和后續(xù)葉節(jié)點(diǎn)哈希植根位置，從而幫助驗(yàn)證鏈上的數(shù)據(jù)。塊主體包括塊大小、處理次數(shù)的事務(wù)計(jì)數(shù)器、案例數(shù)及IPFS哈希鍵地址。

（二）實(shí)際工作流程

本模型設(shè)定如下流程對(duì)司法電子記錄進(jìn)行上鏈。給定文檔data_k和文件編號(hào)ID_k，創(chuàng)建司法電子記錄區(qū)塊的步驟為：

①使用pk_po預(yù)處理文檔，形成混編后的Ds_k。

②通過IPFS添加Ds_k，記為IPFS_k。

③開辟存儲(chǔ)空間，將ID_k，IPFS_k和區(qū)塊的Hash值寫入模塊中，并返回塊的地址。

具體而言，模型對(duì)文檔data_k進(jìn)行預(yù)處理，并在IPFS結(jié)構(gòu)中添加相應(yīng)的存儲(chǔ)空間及索引。在預(yù)處理階段，模型根據(jù)具體的處理需求對(duì)原文本進(jìn)行處理，記為tx_k，并計(jì)算散列和數(shù)字簽名。之后模型通過私鑰pk_po進(jìn)行數(shù)字簽名并存儲(chǔ)在IPFS中，索引基于哈希創(chuàng)建，并返回以哈希表示的鏈上結(jié)構(gòu)創(chuàng)建新的塊block_k。對(duì)于創(chuàng)建成功的文檔，算法在bool 字段返回true值。

之后，本技術(shù)實(shí)現(xiàn)了檔案編號(hào)ID_k的信息查詢方法。給定司法電子記錄編號(hào)ID_k和司法區(qū)塊鏈的起始?jí)Kblock₀。算法首先進(jìn)行了基于元數(shù)據(jù)的記錄順序掃描，在匹配的情況下，算法會(huì)更新布爾字段bool，以指示從查詢中獲取的記錄的輸出，具體操作表示為IPFS_k=IPFS_get（block_i，HASH（IPFS_k）），data_k=data（IPFS_k，pk_pub）且updat_transaction_counter（block_i）。由于查找基于對(duì)個(gè)區(qū)塊運(yùn)行順序掃描，并且每個(gè)塊區(qū)可能包含個(gè)具體文件（即bl_fetch），因此算法2的時(shí)間復(fù)雜度為（）。此時(shí)，基于鏈表查找的算法2的空間復(fù)雜度為（）。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文構(gòu)建了仿真環(huán)境，以驗(yàn)證所提出的模型及其相關(guān)算法。為了確保相關(guān)技術(shù)能夠適配于絕大多數(shù)的司法部門和單位，本文設(shè)定的模擬環(huán)境采用了常用辦公計(jì)算機(jī)配置，包括Intel i3-6300，4GB內(nèi)存和1TB機(jī)械硬盤構(gòu)。在軟件方面，模擬環(huán)境操作系統(tǒng)使用Ubuntu 20.04 LTS版本，智能合約基于web3.js構(gòu)建。此外，為了與司法業(yè)務(wù)高度匹配，仿真環(huán)境中寫入?yún)^(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)均從第三方采集并公開的中國裁判文書網(wǎng)中所刊載的法律文書隨機(jī)抽樣而來，所寫入的內(nèi)容長短和抽樣均使用正態(tài)概率分布。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，本文所提出的方法在事務(wù)的吞吐率方面明顯優(yōu)于原始基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)庫，特別是當(dāng)寫入的司法電子記錄達(dá)到2000組時(shí)，基于IPFS的區(qū)塊吞吐性能是原始方法的2倍，即600Mbps。這一結(jié)果表明，該司法區(qū)塊鏈在生產(chǎn)環(huán)境運(yùn)營時(shí)，當(dāng)接入設(shè)備在并發(fā)數(shù)小于等于2000個(gè)文檔時(shí)，所需的數(shù)據(jù)傳輸和讀寫工作僅為以往區(qū)塊鏈方案的一半，從而大幅降低了接入設(shè)備的工作負(fù)載和門檻條件，同時(shí)減少了設(shè)備同步數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。

五、結(jié)束語

本文提出了一種基于IPFS的電子司法記錄區(qū)塊鏈模型，用于去中心化和分布式的可信存儲(chǔ)司法相關(guān)的電子文本。具體而言，本文提出了適用于司法領(lǐng)域的區(qū)塊鏈司法記錄存儲(chǔ)、處理、檢索和更新等方法。該模型通過解決端到端透明、按時(shí)間順序排列的訪問系統(tǒng)，允許所有合法節(jié)點(diǎn)查看和訪問數(shù)據(jù)，從而彌補(bǔ)了先前方法的不足。在本模型設(shè)計(jì)中，元信息只存儲(chǔ)在鏈上的公開字段，并通過案例號(hào)作為IPFS中對(duì)應(yīng)記錄的哈希進(jìn)行索引，這一機(jī)制使得所有用戶都可以查看公開部分，但只有經(jīng)過授權(quán)的節(jié)點(diǎn)才能通過IPFS哈希對(duì)象訪問IPFS私有部分的密鑰和案件記錄，從而同時(shí)保證公民隱私和法律記錄的完整性。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于原始基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)庫，本文所提出的方法對(duì)數(shù)據(jù)的吞吐率有顯著提升。

作者單位：聶耀鑫 萬玉晴 太極計(jì)算機(jī)股份有限公司智慧政法事業(yè)部

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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聶耀鑫（1979.09-），男，漢族，廣西柳州，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘，人工智能。

萬玉晴（1973.11-），女，漢族，江西南昌，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析。