基于區塊鏈的數字資產交易系統設計與實現

呂坤 鮑可進

摘要：隨著“互聯網+”的快速發展，人們擁有的數字資產越來越多，而傳統數字資產交易系統存在互不信任、相互獨立、無法滿足資產安全性及跨機構流通需求等問題。基于區塊鏈的數字資產交易系統，應用區塊鏈技術的多中心化、可信任、可追溯等特性，使聯盟企業的數字資產交易系統相互連通，實現數字資產跨機構安全流轉。通過智能合約的設計，系統可實現靈活的數字資產交易策略。實測證明該系統能夠穩定處理交易，基本滿足小聯盟的數字資產交易需求。

關鍵詞：區塊鏈；數字資產交易；聯盟鏈；智能合約；分布式系統

DOI：10.11907/rjdk.173109

中圖分類號：TP399

文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2018）007-0209-04

Abstract：Withtherapiddevelopmentof"Internet+"，peoplehavemoreandmoredigitalassets.However，thetraditionaldigitalassettradingsystemsdistrustandareindependentwitheachother，theycan'tmeetthedemandofthesecurityofassetsandcross-agencycirculation.Thispaperproposesadigitalassettransactionsystembasedonblockchain.Sincethemulti-center，trustworthinessandtraceablecharacteristicsoftheblockchaintechnology，oursystemconnectsthedigitalassettradingsystemsoftheallianceenterprises，whichguaranteesthesafetyofthecross-agencycirculation.Throughthedesignofsmartcontracts，thesystemcanachieveaflexibledigitalassettradingstrategy.Theexperimentalresultsindicatethatthesystemcandealwiththetransactionstably，whichbasicallymeetstheneedsofdigitalassettradingforsmallalliance.

KeyWords：blockchain；digitalassettransaction；consortiumblockchain；smartcontract；distributedsystem

0引言

傳統資產依賴實體憑據，如發放票據、實體卡等，資產流通依賴于面對面的物物交換，防偽認證過程復雜、成本高、效率低、風險大。隨著互聯網技術的快速應用，資產數字化進程也在不斷提速。理論上一切可標準化數字化的實體資產都會逐步成為數字資產，常見的數字資產包括數字積分、虛擬貨幣、電子優惠券、虛擬游戲道具等。雖然數字資產方便了人們支配，但各類數字資產的發行與管理相對封閉，通常在中心化的系統中完成，沒有統一接口，難以實現數字資產的跨機構流通[1]。同時，由于傳統的數字資產統一存儲于企業數據庫中，存在被篡改的風險，導致數字資產流失。

2008年中本聰首次發表《比特幣：一種點對點電子現金系統》論文[2]，并在2009年發布首個比特幣區塊鏈系統，區塊鏈技術以其去中心化、可信任、可追溯等特點而廣受關注。由于區塊鏈分布式架構及賬本共維護可信任特性，適合構建一個多方協作的分布式系統，各個合作方無需信任即可完成價值傳遞過程。

基于區塊鏈的多中心化數字資產交易系統，任何被許可的機構或聯盟都可在系統中發行與管理數字資產。系統利用區塊鏈共識機制、智能合約、分布式賬本及鏈式數據區塊等技術，具有以下優勢：①實現不同機構間無需互相信任即可進行數字資產的跨機構交易；②各類交易能夠根據智能合約設定的規則自動處理，賬本實時同步，實現交易的實時對賬結算；③交易數據安全不可篡改且具有可追溯性，防止交易抵賴。

1區塊鏈相關技術

1.1區塊鏈定義

區塊鏈技術是最近幾年新興的技術，由計算機經典技術合成，包括去中心化與非對稱數據加密、時間戳、分布式計算、共識算法等技術[3]。區塊鏈技術通過采用加密技術和分布式消息傳輸協議，提供了可以簡化對賬流程的共享分布式賬本，以去中心化的方式對大量數據進行組織和維護，提高了數據處理效率，在保證數據安全的同時提供信息共享功能。與傳統技術相比，區塊鏈技術具有可持續性、可兼容性、共享和互聯性等特點。目前主流的區塊鏈框架有Bitcoin[2]、Ethereum[4]、超級賬本Fabric[5]，它們的特點如表1所示。

區塊鏈一般分為公有鏈、聯盟鏈及專有鏈[6]，其主要特點如下：

公有鏈：面向社會公開，任何節點都可自由加入或退出，數據完全共享，依靠共識機制完成節點間協作，一般依賴代幣激勵機制維護系統安全運行。

聯盟鏈：一般應用于達成聯盟的機構間，聯盟成員通過該系統完成相互協作，該類區塊鏈系統具備權限控制功能，被許可的聯盟成員才能擁有該系統的核心節點，參與賬本維護。

專有鏈：一般應用于機構內部，運行規則可由機構內部設定，信息不公開。但該類系統性能低于現有分布式系統，適用性較差。

1.2共識機制

區塊鏈共識機制是區塊鏈分布式系統協作一致的核心，通過共識機制可使分布式區塊鏈節點間的賬本保持一致。它與傳統的分布式一致性機制有很多相似之處，如都強調消息序列化，但是傳統的分布式一致性算法很少考慮拜占庭容錯，只考慮節點宕機、通信故障等。目前區塊鏈共識機制的發展呈現多樣化趨勢。以比特幣為代表的公有鏈系統多采用POW（ProofofWork，工作量證明）[2]和POS（ProofofStake，權益證明）[7-8]等共識機制，而以超級賬本項目為代表的聯盟鏈系統多采用BFT（ByzantineFaultTolerance，拜占庭容錯）[9-11]等容錯共識機制。也有學者在傳統分布式一致性算法基礎上結合實際運行環境變化，設計一種在可信及不可信環境間相互切換的共識機制。

1.3智能合約

智能合約最早由NickSzabo博士[12]提出，它被認為是以數字形式定義的能夠自動執行條款的合約。而在區塊鏈技術領域，智能合約指基于預定事件觸發、不可篡改、自動執行的計算機程序[13]。智能合約也具有分布式記錄和驗證、不可篡改和偽造等特性。簽署合約的各參與方就合約內容達成共識后，合約可不依賴任何中心機構自動執行。同時，智能合約的可編程特性使各參與方在達成共識的情況下增加任意復雜的條款[3]。聯盟鏈智能合約由授權成員安裝并實例化到區塊鏈中，終端用戶通過與網絡對等體接口的客戶端應用程序調用智能合約。

2數字資產交易系統設計

本項目設計的區塊鏈數字資產交易系統，主要實現機構發行并管理數字資產及數字資產跨機構交易流通功能。由于交易僅對互聯機構可見，且交易過程不依賴任何代幣，因此本項目采用帶權限控制的聯盟鏈模型。在聯盟鏈的基礎上構建基于區塊鏈的多中心化數字資產交易系統，實現數字資產的跨機構交易。系統業務根據其與數字資產的關聯程度分為以下兩類：

（1）核心業務：數字資產注冊、交易、匯率表創建及更新等資產類業務。

（2）非核心業務：用戶會員等級設置、用戶留言、系統介紹等非資產類業務。

為防止區塊鏈賬本數據增長過快，僅將與聯盟各個節點相關的核心業務數據記錄到區塊鏈中，通過核心數據即可完成正常的交易過程。由于非核心業務的處理與傳統的中心化系統處理過程基本相同，因此本文重點介紹需要區塊鏈系統參與的核心業務處理過程。

2.1系統整體架構

區塊鏈數字資產交易系統分為客戶端、交易后臺和區塊鏈服務器3個部分。客戶端支持C/S和B/S兩種架構模式，普通用戶通過手機APP完成數字資產交易過程。交易后臺主要完成用戶請求的處理，提取核心業務到區塊鏈服務器處理，并完成非核心業務處理。區塊鏈服務器主要完成核心業務處理，調用智能合約執行交易，并將交易結果打包成區塊，經過共識后寫入區塊鏈賬本。每個機構部署一臺區塊鏈服務器，共同組成一個分布式的區塊鏈服務器網絡。系統整體架構如圖1所示。

與傳統單一的中心化系統架構相比，區塊鏈數字資產交易系統在交易后臺采用中心化架構，而在區塊鏈服務器網絡中采用分布式架構，它具有以下優勢：

（1）系統業務處理分交易后臺和區塊鏈服務器系統兩層，機構間僅通過區塊鏈服務器網絡連通，交易后臺出現故障不會對區塊鏈服務器系統造成任何影響，即不會影響其它機構執行交易。

（2）區塊鏈服務器系統采用分布式架構，利用拜占庭容錯的共識機制，在容錯范圍內具有較強的安全性。

（3）核心業務通過區塊鏈智能合約執行，并廣播全網共識，有效保證核心交易數據的有效性和透明性，能夠實現多機構實時結算。

（4）非核心業務通過各個機構內部處理，在保證區塊鏈數據共享的同時實現不同機構的差異化發展，有效保證機構內重要數據的隱私性。

2.2系統邏輯層次設計

系統邏輯層分為應用層、服務層和區塊鏈層。其中應用層主要是數字資產交易等相關業務，如用戶注冊、數字資產登記、數字資產交易等。服務層提供應用層與區塊鏈層溝通，主要包含賬戶中心、智能合約、開放接口等。區塊鏈層主要由區塊鏈數據庫、共識機制、區塊鏈安全機制、網絡通信模塊等組成，形成各機構共同維護的底層平臺。系統整體邏輯層次如圖2所示。

2.3智能合約設計

本項目智能合約實質上是控制區塊鏈網絡中的相關方對數字資產交易按照規則進行編碼，能夠自動執行邏輯的程序。為防止系統環境與合約執行環境相互影響，本系統使用Docker[14]作為智能合約的執行環境。Docker是一種軟件技術層面可移植的輕量容器，它不受底層操作系統限制。任何運行Docker引擎的機器上都可以運行虛擬化解決方案而不受底層系統變化的影響。本系統智能合約執行邏輯如圖3所示。

數字資產交易智能合約用來處理系統交易核心業務，分為機構內業務、機構間業務和查詢業務。其中機構內業務主要為用戶注冊、數字資產發放、數字資產交易等。機構間業務主要為資產匯率表建立、更新、跨機構交易等。查詢業務主要實現數字資產、匯率表查詢等。為保證上述業務只由相應權限的人操作，智能合約執行交易前需要根據交易的數字簽名校驗交易相關方的身份。數字資產交易智能合約接口如表2所示。

3區塊鏈數字資產交易系統實現

3.1系統業務邏輯

本系統基本業務處理邏輯主要為用戶發送交易請求，交易后臺響應并轉發核心業務請求到區塊鏈服務器。區塊鏈服務器接收并廣播交易，在各個區塊鏈節點達成共識后記入區塊鏈賬本并向交易后臺返回交易結果。交易后臺記錄交易結果并處理非核心業務，成功后向用戶返回最終交易結果，具體業務處理邏輯如圖4所示。

3.2數字資產交易系統實現

3.2.1用戶注冊

用戶注冊在客戶端生成公私鑰對，并將公鑰進行編碼后形成用戶ID，向交易后臺發送注冊請求。機構接收到用戶注冊信息后進行校驗，校驗通過后將交易進行簽名打包并發送到區塊鏈中。區塊鏈系統調用智能合約注冊接口完成用戶注冊請求，并廣播至各區塊鏈節點，達成共識并記帳后用戶注冊完成。

3.2.2跨機構資產交易

不同機構間數字資產流通依賴資產匯率表的建立，匯率表主要包含機構雙方數字資產的匯率及可交易數額。數字資產匯率表由雙方共同發起建立，創建后不同機構間即可進行數字資產交易。區塊鏈系統接收到跨機構交易時，先檢查交易發起者身份，再查詢兩種數字資產交易匯率表，查詢通過后檢查發起方機構可交易余額，如果余額充足則執行交易并返回交易結果。匯率表建立及跨機構數字資產交易流程如圖5所示。

3.2.3智能合約實現

智能合約給區塊鏈提供核心交易處理的應用接口，通過調用該接口交易能自動執行，并向區塊鏈系統返回執行結果。區塊鏈系統達成共識后將交易結果寫入區塊鏈賬本中，其中跨機構交易處理代碼結構如下：

if

發起人信息及交易數字簽名正確

then

{

獲取跨機構交易資產類型

查詢匯率表及可交易余額

交易金額根據匯率進行轉換

執行交易

}

4系統測試及分析

本系統利用4臺相同型號服務器搭建分布式測試環境，每臺服務器的基本硬件配置為：Intel四核3.40GHzCPU，16G內存，CentOs7.0操作系統。測試在局域網中進行并采用相同的共識機制，排除網絡帶寬及共識機制對測試結果的影響。

系統測試的主要指標為并發交易時系統的交易處理率和交易平均延時。交易請求速率指單位時間內系統接收到的待處理交易數量，交易處理率指并發交易過程中系統能成功處理的交易數占總交易數的比率，交易平均延時指系統完成一筆正常交易所需的平均響應時間。通過設置不同的交易請求速率，測試區塊鏈系統的交易平均延時和交易處理率，測試系統總體性能。兩個指標的計算公式如下：

交易平均延時=交易總延時/交易筆數

交易處理率=正常處理交易數/總交易筆數

圖6為并發交易時交易請求速率與系統的交易處理率及交易平均延時之間的關系。

通過測試數據可以看出，在4個節點的分布式區塊鏈網絡中，采用拜占庭容錯的共識機制時，隨著交易請求速率的提高，交易平均延時逐漸升高，交易處理率前期維持在100%的最高水平。當交易請求速率達到350筆/s時，交易處理率逐步下降。綜合考慮上述因素，當系統接收交易速率約為300筆/s時能達到較好效果，此時的系統交易平均延時約為5s。本系統性能與傳統系統性能對比參見表3。

注：以上區塊鏈數字資產交易系統數據為運行積分資產時的基本性能，對比積分通兌平臺數據來源于學術論文[15]

從表3可以看出，區塊鏈數字資產交易系統能達到傳統數字資產交易系統的基本功能及性能要求，同時具有跨機構交易優勢。本系統能穩定處理交易，做到跨機構實時對賬，基本滿足小聯盟跨機構數字資產交易需求。

5結語

本文針對中心化數字資產交易系統獨立封閉、交易難以跨機構進行等缺點，研究設計了基于聯盟鏈的數字資產交易系統。利用區塊鏈分布式共維護特性，使數字資產可以跨機構交易。對系統進行了性能測試，從測試結果看區塊鏈數字資產交易系統雖然能使互不信任的機構進行跨機構交易，但系統性能與中心化交易系統仍存在較大差距。下一步將充分利用聯盟區塊鏈系統的可信任優勢，對共識機制、網絡傳播機制等進行優化，使系統達到更好的交易處理能力。

參考文獻：

[1]鄭康.A公司消費類數字資產流通平臺商業模式與營銷策略研究[D].南京：南京大學，2016.

[2]NAKAMOTOS.Bitcoin：apeer-to-peerelectroniccashsystem[J].Consulted，2008（1）：2645-2652.

[3]袁勇，王飛躍.區塊鏈技術發展現狀與展望[J].自動化學報，2016，42（4）：481-494.

[4]BUTERINV.Anext-generationsmartcontractanddecentralizedapplicationplatform[EB/OL].https：//github.com/ethereum/wiki/wiki/White-Paper.

[5]CACHINC.ArchitectureoftheHyperledgerblockchainfabric[C].Chicago：WorkshoponDistributedCryptocurrenciesandConsensusLedgers.2016.

[6]工業和信息化部.中國區塊鏈技術和應用發展白皮書[EB/OL].http：//www.gongxiangxueshe.com/forum.php？mod=attachment&aid;=NzkwfGJlOGNlNjZifDE0Nzc0NjcxMzJ8Mjg5OXw2OTc3.

[7]KINGS，NADALS.PPCoin：Peer-to-peercrypto-currencywithproof-of-stake[EB/OL].http：//peerco.in/assets/paper/peercoin-paper.pdf.

[8]LARIMERD.Delegatedproof-of-stakewhitepaper[EB/OL].http：//www.bts.hk/dpos-baipishu.html.

[9]CASTROM，LISKOVB.Practicalbyzantinefaulttoleranceandproactiverecovery[J].AcmTransactionsonComputerSystems，2002，20（4）：398-461.

[10]PLATANIAM，OBENSHAIND，TANTILLOT，etal.Onchoosingserver-orclient-sidesolutionsforBFT[J].ACMComputingSurveys，2016，48（4）：1-30.

[11]CACHINC，SCHUBERTS，VUKOLIM.Non-determinisminByzantineFault-TolerantReplication[DB].arXivpreprintarXiv：2016，1603（07351）：15-23.

[12]SZABON.Formalizingandsecuringrelationshipsonpublicnetworks[J].FirstMonday，1997，2（9）：1524-1601.

[13]貴陽市人民政府.貴陽區塊鏈發展與應用[EB/OL].http：//www.cbdio.com/image/site2/20161231/3417eb9bbd5919d2122102.pdf.

[14]BUIT.Analysisofdockersecurity[DB].arXivpreprintarXiv，2015，1501（02967）：96-99.

[15]趙建東.首旅集團積分通用通兌平臺的研究和設計[D].天津：天津大學，2012.

（責任編輯：杜能鋼）