可信環(huán)境下數(shù)據(jù)交易協(xié)同機制研究及應(yīng)用

陸雯珺，徐巧云，李超

（上海計算機軟件技術(shù)開發(fā)中心，上海 201112)

可信環(huán)境下數(shù)據(jù)交易協(xié)同機制研究及應(yīng)用

陸雯珺，徐巧云，李超

（上海計算機軟件技術(shù)開發(fā)中心，上海 201112)

大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)交易流通成為價值變現(xiàn)的重要手段，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交易模式存在數(shù)據(jù)造假、數(shù)據(jù)截留等弊端，而區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)解決這些問題，打造了可信的數(shù)據(jù)交易環(huán)境?；趨^(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)交易平臺在性能、效率上與實際要求存在一定差距，因此從協(xié)同角度出發(fā)，提出可信環(huán)境下數(shù)據(jù)交易的協(xié)同機制，優(yōu)化數(shù)據(jù)交易流程和共識過程，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計協(xié)同機制下可信數(shù)據(jù)交易平臺架構(gòu)，為可信環(huán)境下數(shù)據(jù)交易平臺的設(shè)計研發(fā)提供一種參考思路和方法。

區(qū)塊鏈；可信數(shù)據(jù)交易；協(xié)同機制；平臺架構(gòu)

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展、社會信息化程度提升，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出爆炸式增長模式，數(shù)據(jù)成為關(guān)鍵的生產(chǎn)要素，成為了一種戰(zhàn)略資源，潛在價值巨大[1]。數(shù)據(jù)交易流通成為價值變現(xiàn)的重要手段，數(shù)據(jù)交易平臺成為了當(dāng)前社會研究和關(guān)注的熱點[2]。

不同于傳統(tǒng)的商品，數(shù)據(jù)因其獨特性，傳統(tǒng)的交易模式和平臺運營模式不能很好的保障交易雙方的利益，交易過程存在一定的隱患。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)，以其去中心化、去信任、不可篡改以及可追溯等特點為數(shù)據(jù)交易帶來了可信的環(huán)境[3]，使得交易雙方對平臺或機構(gòu)的信賴轉(zhuǎn)移到區(qū)塊鏈技術(shù)上，為數(shù)據(jù)交易市場打造了可信的交易環(huán)境，基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)交易平臺成為數(shù)據(jù)交易領(lǐng)域發(fā)展的重要方向[4]。

由于區(qū)塊鏈技術(shù)處于發(fā)展前期階段，技術(shù)的應(yīng)用雖然能夠保障可信交易環(huán)境，但在平臺及系統(tǒng)處理性能、效率上與實際交易規(guī)模和要求存在一定差距[5]，需要通過合適手段使得平臺或系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)實際業(yè)務(wù)需求。因此，本文以協(xié)同思想為抓手，分析了可信數(shù)據(jù)交易的流程和區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)點，提出了可信數(shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)據(jù)交易的協(xié)同機制，包括流程和共識協(xié)同管理機制，優(yōu)化了交易流程管理和區(qū)塊鏈系統(tǒng)共識、記賬等，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了協(xié)同機制下可信數(shù)據(jù)交易平臺架構(gòu)，為基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)交易系統(tǒng)性能提升和平臺架構(gòu)設(shè)計提供了參考路徑。

1 需求分析

1.1 數(shù)據(jù)交易

數(shù)據(jù)已經(jīng)成為世界各國發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。新一代信息技術(shù)與經(jīng)濟社會各領(lǐng)域的深度融合，引發(fā)了數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長，目前的社會正在從IT（Information Technology）時代全面跨入 DT（Data Technology）時代[6]，數(shù)據(jù)滲透到當(dāng)今每一個行業(yè)和業(yè)務(wù)職能領(lǐng)域，成為關(guān)鍵的生產(chǎn)要素之一。隨著大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)化，數(shù)據(jù)的價值得到全社會的認(rèn)可，成為了一種資產(chǎn)。

據(jù)統(tǒng)計，僅全球交通、教育、消費、電力、能源、健康與金融等7大重點領(lǐng)域的數(shù)據(jù)潛在價值就在3.2萬億-5.4萬億元左右[7]，發(fā)展空間巨大。從2008年開始，全球大數(shù)據(jù)交易市場已經(jīng)初見端倪，“數(shù)據(jù)市場”、“數(shù)據(jù)銀行”，甚至“數(shù)據(jù)公約”在國外已經(jīng)開始出現(xiàn)，一些企業(yè)已經(jīng)開始發(fā)展數(shù)據(jù)交易業(yè)務(wù)。如美國Factual公司為Facebook、CitySearch、AT&T等提供專業(yè)化的數(shù)據(jù)服務(wù)；日本富士通公司建立自己的“大數(shù)據(jù)”交易市場“Data plaza”；BDEX開發(fā)的大數(shù)據(jù)交易平臺提供實時的數(shù)據(jù)交易市場，不僅提供數(shù)據(jù)買賣，還提供數(shù)據(jù)托管、數(shù)據(jù)評分、買賣雙方評分等服務(wù)。在國內(nèi)，隨著全國首個大數(shù)據(jù)交易所“貴陽”大數(shù)據(jù)交易所正式掛牌運營，之后大數(shù)據(jù)交易平臺在全國迅速發(fā)展，上海、北京等地紛紛進行了相關(guān)方面的探索。這些數(shù)據(jù)交易的模式大概可以總結(jié)概括為三種：代加工交易模式、產(chǎn)品交易模式、托管交易模式，如下圖所示：

圖1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交易模式

代加工交易模式：交易所或平臺不進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易，而是根據(jù)需求方的要求，對數(shù)據(jù)進行加工，如清洗、分析、建模、可視化等操作后形成處理結(jié)果再出售。可以看出這種模式下，交易所或平臺具有較高的權(quán)威性和公信力，這樣才能吸引調(diào)動各方資源，取得數(shù)據(jù)提供方的信賴。同時交易所或平臺對供需雙方往往制定了較為嚴(yán)格的要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量和使用安全在一定程度上得到了保證。由于分析結(jié)果不是原始數(shù)據(jù)，也能夠暫時規(guī)避困擾數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易的隱私保護和所有權(quán)問題。

產(chǎn)品交易模式：交易所或平臺可以根據(jù)數(shù)據(jù)需求方要求，利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲、眾包等合法途徑采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)整理、校對、打包等處理后出售，即數(shù)據(jù)定制模式。還可以與數(shù)據(jù)擁有者合作，通過對數(shù)據(jù)進行整合、編輯、清洗、脫敏，形成產(chǎn)品后出售。這種交易模式對數(shù)據(jù)資產(chǎn)的提供方和需求方來說，門檻低，能夠充分調(diào)動雙方的積極性。同時以數(shù)據(jù)定制為導(dǎo)向，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集、交易更具針對性，能夠提高數(shù)據(jù)資產(chǎn)使用效率。

托管交易模式：這種模式可以理解為純中介交易模式，平臺宣稱不存儲和分析數(shù)據(jù)，僅作為交易渠道，通過API接口形式為各類用戶提供出售、購買數(shù)據(jù)（僅限數(shù)據(jù)使用權(quán)）服務(wù)，實現(xiàn)交易流程管理，平臺按包月或調(diào)用次數(shù)進行收費。這一模式完全市場化，可以調(diào)動企業(yè)提供、購買數(shù)據(jù)的積極性，促進供需方進行公平交易，并有依托產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟促進數(shù)據(jù)交易生態(tài)形成的優(yōu)勢。

1.2 基于區(qū)塊鏈的可信數(shù)據(jù)交易

數(shù)據(jù)作為商品，因為具有數(shù)據(jù)特性，在進行交易和流通過程中存在普通商品不會面臨到的問題[8-9]。甚至說按照普通商品交易流通中介模式建立的機構(gòu)或平臺反而成為數(shù)據(jù)交易市場發(fā)展壯大的潛在威脅，作為交易中心的這些機構(gòu)或平臺的誠信度顯得尤為重要，它若是把數(shù)據(jù)進行截留、保存則會對數(shù)據(jù)提供方和擁有方帶來巨大的打擊和利益損失。因此，探索符合數(shù)據(jù)特性的交易平臺，通過可信的技術(shù)機制來保障數(shù)據(jù)交易雙方的權(quán)益和安全，做到交易信息對雙方透明、可追溯以及不可篡改，從而加速數(shù)據(jù)順暢流通，進一步提高數(shù)據(jù)交易市場積極性，而區(qū)塊鏈技術(shù)正契合這一訴求。區(qū)塊鏈的泛中心化、去信任、不可篡改和可追溯等特性為數(shù)據(jù)交易過程中面臨的問題和瓶頸帶來了很好的解決辦法[10]。區(qū)塊鏈擁有的分布式賬本、加密算法、共識機制以及智能合約等關(guān)鍵技術(shù)可以應(yīng)用在數(shù)據(jù)交易領(lǐng)域，使得交易過程更加的便捷，更主要的是交易過程和信息對雙方透明和公開，使得所有人都可以查看任何一筆交易公開信息，交易平臺不可能留存數(shù)據(jù)，也不可能在交易過程中存在暗箱操作，區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)造了可信的環(huán)境進行數(shù)據(jù)交易，充分保障了雙方的權(quán)益。

圖2 基于區(qū)塊鏈的可信數(shù)據(jù)交易模式

上圖簡要概括了基于區(qū)塊鏈的可信數(shù)據(jù)交易模式，首先數(shù)據(jù)提供方及需求方分別進行信息的發(fā)布、檢索，平臺提供撮合交易功能。當(dāng)交易發(fā)生，數(shù)據(jù)提供方基于密碼學(xué)技術(shù)保障，對數(shù)據(jù)或摘要進行非對稱性加密，發(fā)送給需求方。在這一過程中，各節(jié)點通過共識機制，確認(rèn)交易合法后進行記賬，最終形成區(qū)塊，區(qū)塊一旦形成后則不能進行篡改，交易信息對相關(guān)方公開透明，充分保障了各方的權(quán)益。

基于區(qū)塊鏈的可信數(shù)據(jù)交易模式具有以下特點：

首先，交易關(guān)鍵信息保密。通過密碼學(xué)技術(shù)，保障了數(shù)據(jù)傳輸信息的安全性。交易的行為對相關(guān)方是公開透明的，但對其他方則是保密的，并且交易行為一旦取得共識記錄在區(qū)塊中之后則不能篡改，可追溯，分布式賬本技術(shù)保證了各方都存儲了完整的交易賬本，對數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易雙方都起到保護作用。

其次，數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易過程中，數(shù)據(jù)資產(chǎn)僅能被購買者獲得，其他任何第三方，包括平臺無法獲取數(shù)據(jù)，去除了傳統(tǒng)交易過程中交易雙方對平臺留存數(shù)據(jù)的顧慮。并且通過密碼學(xué)技術(shù)及分布式賬本，還可以杜絕數(shù)據(jù)購買者在平臺上對數(shù)據(jù)進行再次交易，保障了數(shù)據(jù)提供者的權(quán)益。

再次，基于分布式賬本技術(shù)，每個節(jié)點保存了當(dāng)前最新最全的交易賬本信息，在交易后賬本結(jié)算清算等環(huán)節(jié)能夠近乎實時進行，節(jié)省了大量人力、時間成本，為企業(yè)降低了運營成本。

1.3 存在問題

目前區(qū)塊鏈技術(shù)還處于發(fā)展前期階段，基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)交易平臺在設(shè)計上能夠打造可信的交易環(huán)境，但面對當(dāng)前大規(guī)模、高吞吐量的數(shù)據(jù)處理要求還存在一定的差距。提高交易吞吐量，同時降低交易的確認(rèn)延遲是目前基于區(qū)塊鏈的平臺所面臨的問題。

已知的比特幣區(qū)塊鏈只能支持平均每秒7筆的吞吐量，安全的交易確認(rèn)時間達到了一個小時；VISA系統(tǒng)的處理均值為2000tps，峰值為56000tps；證券交易所一般的處理均值達到了萬級別。區(qū)塊鏈系統(tǒng)跟傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)不同，其處理性能無法通過單純的增加節(jié)點數(shù)來進行擴展，可以說，整個系統(tǒng)的性能很大程度上取決于單個節(jié)點的處理能力。目前也有一些處理性能優(yōu)化的方案，比如可以將單個節(jié)點采用高性能的處理硬件，同時設(shè)計優(yōu)化的策略和算法；另一方面將大量高頻的交易放到鏈外來，只用區(qū)塊鏈記錄最終交易信息，如閃電網(wǎng)絡(luò)等；還有類似的側(cè)鏈、影子鏈等的思路在當(dāng)前也具有一定的借鑒意義，都對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交易執(zhí)行性能產(chǎn)生了積極影響。

針對以上問題，本文從協(xié)同的角度出發(fā)[11]，針對基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)交易平臺中流程、共識、賬本關(guān)鍵環(huán)節(jié)的處理，探索設(shè)計一套協(xié)同方法，通過流程、共識、賬本的協(xié)同處理機制，優(yōu)化平臺交易策略，最終達到提升基于區(qū)塊鏈的平臺性能及交易效率的目的。

2 可信環(huán)境下數(shù)據(jù)交易的協(xié)同機制

在數(shù)據(jù)交易領(lǐng)域，區(qū)塊鏈理念和技術(shù)構(gòu)建了可信的交易環(huán)境，使得對交易機構(gòu)的人為信任轉(zhuǎn)移到了對技術(shù)的依賴之上，實現(xiàn)了一個可靠的價值傳輸網(wǎng)絡(luò)。大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)交易平臺呈現(xiàn)出高吞吐量、低延遲性等特點。結(jié)合協(xié)同模型和協(xié)同計算的應(yīng)用分析可知，在進行基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)交易平臺設(shè)計過程中，必須結(jié)合對成員角色、共享對象、協(xié)作活動和協(xié)作事件等基礎(chǔ)元素的分析，研究交易流程和共識的協(xié)同調(diào)度和管理，從而實現(xiàn)能夠支撐平臺高效運行的應(yīng)用架構(gòu)。

圖3 交易流程和共識協(xié)同分析

交易流程協(xié)同管理是針對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起交易的客戶端發(fā)出的請求類型，包括查詢、鑒權(quán)、交易等，通過流程的協(xié)管管理，不同的請求類型進入不同的通道，設(shè)計由不同的節(jié)點響應(yīng)和執(zhí)行。共識協(xié)同主要是面對記賬、算法、配置的協(xié)同管理，賬本的記賬分配、共識算法的選擇，以及記賬節(jié)點、共識節(jié)點的配置等，從而實現(xiàn)基于區(qū)塊鏈的可信數(shù)據(jù)交易處理的綜合協(xié)同。

2.1 流程協(xié)同管理機制

流程在于通過區(qū)塊鏈技術(shù)對原有的交易模式或方式進行重新塑造，并且根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)特性，在共識、記賬、加解密等方面進行合理的設(shè)計，使得交易的記賬、交易結(jié)果的共識、交易信息的加解密具有更加合理且有針對性的流程，滿足安全的同時優(yōu)化流程執(zhí)行的效率，從而提高整個系統(tǒng)的性能。

對于平臺來說，需要處理大量的數(shù)據(jù)交易、傳輸信息，同時還有查詢、鑒權(quán)等用戶請求，流程協(xié)同管理根據(jù)不同請求類型，協(xié)同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中不同的節(jié)點完成相對應(yīng)的操作，不同的節(jié)點功能不同，通過P2P網(wǎng)絡(luò)傳遞信息如賬本。

在流程中，設(shè)計到交易過程的從安全上來說，當(dāng)然是所有的節(jié)點即參與者都參與共識過程中來，這樣整個系統(tǒng)具有更強的安全性，這也是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的安全基石所在。但實際應(yīng)用中，基于性能上的考慮，不需要所有的參與節(jié)點都參與交易共識、記賬等過程，一些質(zhì)量不高的節(jié)點反而會拖累整個系統(tǒng)的共識效率。因此，普通節(jié)點僅負責(zé)一些常規(guī)操作，有專門的負責(zé)交易共識、記賬節(jié)點負責(zé)整個系統(tǒng)的交易流程機制，保障對全網(wǎng)交易結(jié)果的共識和記賬。在交易達成共識后，由記賬節(jié)點對此筆交易結(jié)果進行記錄，形成區(qū)塊，將區(qū)塊發(fā)布給其他節(jié)點，節(jié)點各自驗證并提交到本地賬本，完成記賬流程。這種協(xié)同管理機制把核心與非核心的流程或事物分離開來，一些簡單常規(guī)的查詢、鑒權(quán)等操作由普通節(jié)點對外負責(zé)，至于對性能、效率要求比較高的交易共識、確認(rèn)、記賬由專門的挑選的高性能交易節(jié)點對外負責(zé)，避免了資源浪費，提高了網(wǎng)絡(luò)的工作效率。

2.2 共識協(xié)同管理機制

區(qū)塊鏈上的共識算法有多種，沒有一種算法機制是完美無缺的，同時也意味著沒有一種算法機制是適合所有應(yīng)用場景的。因此需要根據(jù)具體交易場景，協(xié)同共識機制，滿足交易安全可靠的前提下，又可以提升系統(tǒng)運行效率。工作量證明（Proof of Work）依賴機器進行數(shù)學(xué)運算來獲取記賬權(quán)，資源消耗相比其他共識機制高、可監(jiān)管性弱，同時每次達成共識需要全網(wǎng)共同參與運算，性能效率比較低，容錯性方面允許全網(wǎng)50%節(jié)點出錯。雖然完全去中心化，節(jié)點自由進出，但共識達成的時間過長，同時還會造成大量的資源浪費。實用拜占庭容錯（Practical Byzantine Fault Tolerance）在分布式計算上，不同的計算機透過訊息交換，嘗試達成共識的方法，該共識機制允許強監(jiān)管節(jié)點參與，具備權(quán)限分級能力，性能更高，耗能更低，該算法每輪記賬都會由全網(wǎng)節(jié)點共同選舉領(lǐng)導(dǎo)者，允許33%的節(jié)點作惡，容錯性為33%。

圖5 共識協(xié)同管理機制

如圖所示，節(jié)點發(fā)起交易并廣播到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，通過共識協(xié)同管理，按照節(jié)點的配置，選取性能優(yōu)良的節(jié)點作為共識節(jié)點。同時也可以根據(jù)交易額、節(jié)點是否故障等選擇不同的共識算法，一般小額交易，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時可以認(rèn)為交易即確認(rèn)。當(dāng)節(jié)點出現(xiàn)故障時，則自動啟動實用拜占庭容錯機制，保護交易的安全進行。記賬機制也是在共識協(xié)同中進行設(shè)定，協(xié)同優(yōu)良的節(jié)點完成記賬并廣播賬本到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，其他節(jié)點驗證并同步賬本，完成了交易共識和記賬流程。

3 協(xié)同機制下可信數(shù)據(jù)交易平臺架構(gòu)設(shè)計

3.1 平臺總體架構(gòu)

考慮到平臺未來交易量將會非常巨大，平臺的設(shè)計應(yīng)在性能上保證足夠的吞吐量，基于區(qū)塊鏈的特性，聯(lián)盟鏈?zhǔn)钱?dāng)前的主流選擇。聯(lián)盟鏈中的共識機制（Consensus）采用較多的便是PBFT或其他加以改進的PBFT共識機制；聯(lián)盟鏈中可以指定相應(yīng)的節(jié)點分別負責(zé)共識以及記賬（Ledger）功能，這樣可以改善公有鏈中共識及記賬效率低下的問題；在密碼學(xué)（Cryptograph）方面哈希函數(shù)家族中SHA-256是應(yīng)用比較多的加解密算法，同時還應(yīng)支持國密算法(SM2橢圓曲線公鑰密碼算法、SM3密碼雜湊算法、SM4分組密碼算法)。除了在交易流程、共識及記賬等流程外，平臺運行流程也是我們需重點考慮地方，針對流程和共識兩大關(guān)鍵點會有協(xié)同管理機制進行調(diào)度和管理，最大化提升平臺性能。在聯(lián)盟鏈中，平臺應(yīng)具備良好的成員權(quán)限管理機制，用戶的加入與退出及相應(yīng)權(quán)限的分配是平臺設(shè)計過程中需要重點考慮的一點。同時還應(yīng)考慮第三方審計的要求，設(shè)計相應(yīng)接口，必要時提供審計功能。平臺的運營監(jiān)控也需考慮，保障平臺的平穩(wěn)運營和發(fā)展。本文設(shè)計的協(xié)同機制下可信數(shù)據(jù)交易平臺如下圖所示：

圖6 協(xié)同機制下可信數(shù)據(jù)交易平臺總體架構(gòu)

平臺采用三層架構(gòu)，從下到上分別為基礎(chǔ)層、核心層、服務(wù)層，同時有跨層的管理審計和運營監(jiān)控，分別對平臺成員等進行管理審計以及時刻監(jiān)控平臺的運行狀態(tài)，保障平臺安全穩(wěn)定的運行。

3.2 平臺模塊

平臺主要包括基礎(chǔ)層、核心層、服務(wù)層、管理審計、運營監(jiān)控五大模塊以及協(xié)同管理機制：協(xié)同機制包括流程和共識協(xié)同管理兩塊，起到對交易請求流程和共識記賬等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的協(xié)同調(diào)度，優(yōu)化提升執(zhí)行性能；基礎(chǔ)層作為最底層，提供平臺及區(qū)塊鏈運營的基礎(chǔ)設(shè)施資源；核心層作為整個平臺運行的核心，以區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)作為支撐，充分以區(qū)塊鏈技術(shù)特性保障數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易的安全可靠進行；服務(wù)層面向數(shù)據(jù)交易各方，提供交易及其他服務(wù)；管理審計模塊面向整個平臺及用戶提供成員權(quán)限管理及審計功能；運營監(jiān)控則全方位、全時段的監(jiān)控平臺運行狀態(tài)，及時反饋平臺運營信息，保障平臺安全平穩(wěn)運行。下面將詳細介紹各個模塊的功能。

（1）平臺基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層提供了平臺及區(qū)塊鏈系統(tǒng)運行所需要的運行環(huán)境和基礎(chǔ)組件，如存儲、對等網(wǎng)絡(luò)、虛擬機等。

存儲功能是提供平臺及區(qū)塊鏈運行過程中產(chǎn)生的各類型數(shù)據(jù)，如賬本、交易信息等的寫入及查詢，以及日志等，可選擇關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、鍵值對數(shù)據(jù)庫、文件數(shù)據(jù)庫等。

對等網(wǎng)絡(luò)是區(qū)塊鏈運行的底層拓撲結(jié)構(gòu)，采用對等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組織區(qū)塊鏈中的各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，各節(jié)點間通常使用點對點通信協(xié)議完成信息交換。

容器是提供平臺及區(qū)塊鏈系統(tǒng)運行中的計算能力支持，如Hyperledger fabric平臺采用的是Docker容器技術(shù)，以太坊平臺采用的自己搭建EVM運行其智能合約。

（2）平臺核心層

核心層主要建立在區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的共識、記賬等功能，為數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易保駕護航。包括共識機制、分布式賬本、數(shù)字簽名、加密算法、摘要、智能合約等。

共識機制是指區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點對數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易結(jié)果的驗證、記錄、修改等行為達成一致確認(rèn)的方法，平臺根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，提供不同的適用共識算法實現(xiàn)共識機制。

分布式賬本是指區(qū)塊鏈中分布式數(shù)據(jù)的存儲機制，通過不同節(jié)點對交易賬本的共同記錄和維護，形成了交易過程中數(shù)據(jù)的公共管理、不可篡改和可信任的機制。

數(shù)字簽名是用來被接收者用以確認(rèn)數(shù)據(jù)單元的完整性以及不可偽造性，即：確定消息是否確實由簽發(fā)方簽署的。平臺支持多種數(shù)字簽名算法，如RSA、ECC、SM2等。

加密算法是區(qū)塊鏈底層安全機制的核心，也是區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易平臺的一大特點，具體包括加密和解密兩個操作。加密算法可分為對稱加密和非對稱加密，從業(yè)務(wù)場景來看，前者適用于普通數(shù)據(jù)的加密，后者除了普通數(shù)據(jù)加密外，還適用于密鑰交換和數(shù)字簽名等場景。

摘要是將任意長度的消息輸入變成固定長度的短消息輸入，一般通過Hash函數(shù)實現(xiàn)，輸出值被稱為摘要值或Hash值。摘要主要功能是用在對數(shù)據(jù)的完整性保護上，可以驗證該數(shù)據(jù)明文是否被篡改。

智能合約是指負責(zé)合約的注冊發(fā)行以及合約的觸發(fā)和執(zhí)行。用戶通過某種編程語言定義合約邏輯，發(fā)布到區(qū)塊鏈上之后，根據(jù)合約條款的邏輯，由用戶簽名或者其他的事件觸發(fā)執(zhí)行，完成交易結(jié)算等合約的邏輯。

（3）協(xié)同機制

協(xié)同機制是在平臺基礎(chǔ)層和核心層中，通過對客戶端發(fā)出請求的類型，協(xié)同不同節(jié)點相應(yīng)，執(zhí)行不同的請求并反饋。在交易關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過共識協(xié)同機制，針對算法、記賬、節(jié)點配置管理對區(qū)塊鏈平臺的共識達成、記賬、區(qū)塊生成形成良好的協(xié)同調(diào)度管理方法，降低系統(tǒng)延遲性，同時最大化利用網(wǎng)絡(luò)資源，提升交易性能，為服務(wù)層提供良好的用戶體驗度。

（4）平臺服務(wù)層

服務(wù)層主要是面向平臺用戶提供基本信息查詢檢索、開展數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易等服務(wù)。包括用戶服務(wù)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易服務(wù)、信息服務(wù)等。

用戶服務(wù)是指提供用戶注冊、登錄，用戶個人信息的設(shè)置、展示、修改，與成員管理、權(quán)限管理等共同構(gòu)成了平臺用戶的進入機制，保障用戶信息的安全隱私。

交易服務(wù)是指通過平臺開展數(shù)據(jù)提供方和需求方的交易撮合，通過區(qū)塊鏈技術(shù)的保障，使得交易過程得以順利進行，并且在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，交易信息對相關(guān)方透明，交易信息可追溯、不可篡改。

信息服務(wù)是指數(shù)據(jù)資產(chǎn)信息的發(fā)布、展示，以及面向用戶提供區(qū)塊鏈服務(wù)客戶賬戶體系、區(qū)塊鏈區(qū)塊、事物詳情等基本信息查詢展示服務(wù)，同時還包括面向第三方審計提供了審計信息服務(wù)。

（5）管理審計

跨層的管理審計模塊是結(jié)合區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)特點，設(shè)計一套保障用戶、交易安全和隱私保護的功能模塊，同時還具有對區(qū)塊鏈平臺中數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易行為進行風(fēng)險控制，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險、管理風(fēng)險和控制風(fēng)險。主要包括成員管理、權(quán)限管理、密鑰管理以及風(fēng)控審計。

成員管理主要針對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)成員的進入與退出機制的設(shè)定，以及整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中共識節(jié)點、普通節(jié)點用戶的分配管理，以及隨著節(jié)點數(shù)即成員數(shù)的不斷增加，負責(zé)相應(yīng)功能節(jié)點數(shù)量的分配、更新等功能。

權(quán)限管理是負責(zé)用戶賬戶、密鑰系統(tǒng)、數(shù)據(jù)訪問等權(quán)限的控制和管理，包括賬戶委托權(quán)限、節(jié)點共識權(quán)限、審計權(quán)限、用戶數(shù)據(jù)訪問權(quán)限等。

密鑰管理主要是指用戶密鑰跟賬戶的關(guān)聯(lián)、密鑰安全管理和丟失找回等。

風(fēng)控審計是指對數(shù)據(jù)資產(chǎn)交易行為進行風(fēng)險控制，通過一定的風(fēng)控規(guī)則，做好風(fēng)險控制。同時通過嚴(yán)格的權(quán)限控制，面向?qū)徲嫏C構(gòu)提供審計能力，審計能力只能被審計機構(gòu)使用。

（6）運營監(jiān)控

運營監(jiān)控是對平臺、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)進行完整、快捷、可視化的監(jiān)控和展示。主要有監(jiān)控、告警、發(fā)布、可視化等功能。

監(jiān)控是指收集平臺、區(qū)塊鏈系統(tǒng)運行狀態(tài)，包括平臺的訪問量、耗時、節(jié)點的健康狀態(tài)以及基礎(chǔ)層資源的使用狀況等。

告警是指對區(qū)塊鏈系統(tǒng)中比較嚴(yán)重的情況如欺詐節(jié)點、惡意篡改賬本行為、節(jié)點故障等通過各種方式通知到相關(guān)人員，便于及時處置。

發(fā)布是指在系統(tǒng)初次部署、運行中程序升級以及節(jié)點擴展等操作通過發(fā)布模塊來支持，保持可執(zhí)行程序的一致性。

可視化功能是提供多維可視化展示，對運營監(jiān)控以及告警的狀態(tài)進行展示，用戶和平臺管理人員可以一目了然的知悉平臺及系統(tǒng)運行情況。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)作為新時期的戰(zhàn)略性資源，以得到了全社會的關(guān)注。隨著各行業(yè)數(shù)據(jù)量急劇增長，數(shù)據(jù)重要性得到了各界的認(rèn)同。數(shù)據(jù)交易流通是價值變現(xiàn)的重要手段，區(qū)塊鏈去中心化、去信任、不可篡改及可追溯等特性為數(shù)據(jù)交易帶來全新的模式探索，打造了可信的交易環(huán)境，基于區(qū)塊鏈的可信數(shù)據(jù)交易平臺成為社會關(guān)注熱點。目前基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交易在性能還需進一步提升，平臺架構(gòu)設(shè)計上未能形成清晰思路。本文通過對交易流程及區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)模塊進行分析，提出了數(shù)據(jù)交易流程和共識協(xié)同管理機制協(xié)，闡述了各個協(xié)同機制的工作內(nèi)容。基于流程協(xié)同管理機制和共識協(xié)同管理機制，研究設(shè)計了可信交易平臺總體架構(gòu)，并對各個平臺模塊進說明。在本協(xié)同機制和平臺架構(gòu)的基礎(chǔ)上，為當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)支撐的交易行為過程協(xié)同機制提供了參考，為基于區(qū)塊鏈的可信數(shù)據(jù)交易平臺設(shè)計給出了參考，下一步的工作將選取Hyperledger fabric開源平臺作為基礎(chǔ)，加入流程和共識協(xié)同管理機制，驗證平臺交易性能和可行性。

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Research and Applications of the Coordination Mechanism of Data Exchange in a Trusted Environment

LU Wen-jun，XU Qiao-yun，LI Chao
（Shanghai Development Center of Computer Software Technology,Shanghai 201112）

Data transaction has become an important means of value realization in the era of big data.Traditional data transaction mode has malpractice like data fraud and data retention.Block chain technology can solve these problems,and create a reliable data exchange environment.But the platform based on block chain is not performance well compared to actual demand.Starting from the point of coordination,proposes the coordination mechanism of data exchange in a trusted environment,which can optimizing the data exchange process and consensus process.Then designs a trusted data exchange platform architecture under the coordination mechanism,which can provide a reference ideas and methods for the design and development of reliable data exchange platform in a trusted environment.

Block Chain;Reliable Data Exchange;Coordination Mechanism;Platform Architecture

1007-1423（2017）32-0045-07

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.32.011

陸雯珺（1993-），女，上海人，管理學(xué)、經(jīng)濟學(xué)學(xué)士學(xué)位，助理工程師，研究方向為數(shù)據(jù)治理理論、金融領(lǐng)域數(shù)據(jù)管理應(yīng)用

2017-08-24

2017-10-26