基于區塊鏈技術的虛擬交通卡應用系統研究與設計*

方秋水，徐 鋒，陳衛國

(廣東嶺南通股份有限公司，廣東 廣州 510110)

0 引言

近年來隨著“比特幣”在全世界范圍內的興起，“比特幣”受到各國用戶的追捧，越來越多大公司、政府組織對“比特幣”所使用的區塊鏈(Blockchain)技術進行深入的探索和研究[1]。區塊鏈技術因其去中心化和防篡改等特點被業內人士認為是一種最新且最具顛覆性的技術；同時，技術專家預測，區塊鏈技術將與移動互聯網、云計算、大數據等新技術一起掀起第四次產業革命[2]。

當前，國內的城市一卡通主要使用實體卡作為交易介質，向卡片使用者提供公共交通、小額支付、電子票據等非現金支付應用。但隨著近幾年智能手機終端的普及、移動網絡的全面覆蓋，移動支付的受眾群體已越來越廣泛，很多用戶在日常生活中已習慣于使用手機支付等方式進行小額消費。為了順應客戶群體的使用習慣及滿足用戶的便利需求，通卡公司發行支持移動支付的虛擬卡需求也越來越迫切。通卡公司需要考慮如何開展虛擬卡的發行、消費結算等業務，特別是虛擬卡在安全性、結算、交易速度等核心業務方面的保障，以及虛擬卡應用建設等，這些都需要使用新技術、新方案來進行解決。

1 課題背景分析

由于虛擬卡是針對持卡用戶發行的城市通卡，其涉及線下服務、商品買賣的支付場景，公共交通服務是其中核心的消費場景。支付場景決定交易時間必須高效完成。另一方面，考慮到目前虛擬卡的主要交易方是城市一卡通公司、公共交通服務商、大型商戶等，這些參與方都是虛擬卡業務的堅實基礎以及受益方，同時這些單位、組織、公司具有較高的可信度，同時具備大型的信息系統、交易系統以及網絡處理能力。因此一卡通應用系統可采用聯盟鏈的方式進行系統的設計實施。通卡公司作為卡片發行方，對卡片及用戶進行管理。通卡公司、公共交通服務提供商、大型商戶作為聯盟成員，負責對虛擬卡的各種交易進行記賬和確認。小型商戶以及持卡用戶作為使用者參與消費。在虛擬卡的生命周期中，最核心的是資金的流轉。可以說，虛擬卡的生命周期其實就是資金在通卡公司、服務提供商、商戶以及消費者之間的轉移過程。虛擬卡的資金流向如圖1所示。

圖2 系統架構圖

圖1 虛擬卡的資金流向

2 Hyperledger Fabric技術

區塊鏈是一種鏈式數據結構，是將單個數據區塊以時間為序相連的組合方式。而Hyperledger Fabric技術是由The Linux Foundation主辦的Hyperledger項目之一。該技術作為開發模塊化體系結構的區塊鏈應用程序基礎，以便諸如共識和會員服務等組件可以即插即用。它使用容器技術來托管構成系統應用邏輯的智能合約(也稱為鏈代碼)。簡而言之，Hyperledger Fabric是為企業構建的領先的開源、通用區塊鏈結構[3-5]。以Hyperledger白皮書為基礎依據，Hyperledger涉及到的超級賬本內容包括了區塊鏈(Blockchain)、鏈碼(Chaincode)、成員權限管理(Membership)三大組件[6-9]。

3 系統設計

3.1 系統架構

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應用系統架構自下而上可劃分為4個層次，分別是接口層、業務層、集成層、視窗層，如圖2所示。

3.1.1接口層

接口層是指基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應用系統與所有外部系統的接口。其中應用系統所對接的基礎設施主要是核心交易區塊鏈系統，接口層可分為用戶管理接口、交易接口、數據查詢接口、區塊鏈網絡管理接口等4類業務類型接口。

3.1.2業務層

業務層包括了系統功能子系統，集中、直觀地體現虛擬交通卡區塊鏈系統的各項業務功能。分別為用戶注冊、用戶登錄、區塊鏈賬戶的相關業務、系統管理。

3.1.3集成層

基于系統功能層規劃出集成各個子系統所需的系統功能即集成層，主要分為頁面集成和數據處理集成。

3.1.4視窗層

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應用系統的視窗層是與用戶直接接觸的，一是可以顯示數據，二是為了接收用戶所輸入的數據，可以為用戶提供便于操作的交互式界面。視窗層主要分為虛擬交通一卡通APP視窗和后臺視窗。

3.2 技術架構

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應用的技術架構如圖3所示。

核心組件層包含了應用數據庫和基于IBM開源的Hyperledger Fabric區塊鏈兩個組件。應用數據庫存儲的主要是應用相關信息。區塊鏈層采用鍵值對數據庫，存儲區塊鏈相關數據[10-11]。

應用服務層既包含使用RESTful、socket/ws接口、JDBC等持久化技術的J2EE Web應用，也包含數據庫訪問組件。

圖3 技術架構圖

客戶端是為了用戶能夠使用瀏覽器、手機兩種途徑進行系統交互而設計的，其中表現層與業務邏輯層通過HTTP/HTML協議進行交互，而移動客戶端可通過socket接口進行數據獲取。

3.3 功能架構

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應用系統在功能上主要分為前臺管理和后臺處理兩大塊功能模板，如圖4所示。

圖4 功能結構圖

前臺管理功能主要是基于Web界面展示的虛擬交通一卡通操作和查詢功能，包括用戶管理、虛擬卡管理、查詢管理和系統管理等4大模塊。

后臺處理功能是針對虛擬交通一卡通用戶管理、充值、消費等業務進行后臺運行數據的統計匯總，以供統計查詢。另外，借助區塊鏈天然的抗抵賴特性，能夠保證虛擬交通一卡通的交易發生滯后不會被篡改，所以清分結算可以由計算機自動化完成，達到了實時清分結算的目的。

前臺管理功能和后臺處理功能的實現依賴于底層搭建的Hyperledger Fabric支撐平臺，而該支撐平臺是根據虛擬交通一卡通業務的需要在系統上進行搭建的。

3.4 數據流程架構

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應用系統的數據架構主要是對系統中數據的靜態及動態進行說明，靜態數據結構主要是將系統所產生的數據按照數據存儲位置分為兩類，動態數據結構是指主要的數據流程圖，將虛擬交通一卡通業務過程中所處理的輸入、輸出以數據流的方式進行有機集成，形成業務數據流程圖。

3.4.1靜態數據架構

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應用系統的靜態數據可分為兩類，如圖5所示。

圖5 靜態數據架構

(1)虛擬交通一卡通應用數據包括了用戶信息、發卡數據、兌換記錄、充值數據、消費記錄、日志數據、區塊鏈節點數據等；

(2)虛擬交通一卡通區塊鏈結構數據包括賬戶數據和歷史記錄兩部分。

3.4.2動態數據架構

基于Hyperledger Fabric的虛擬交通一卡通應用系統的動態數據構架如圖6所示。

圖6 動態數據架構

(1)APP發送注冊、充值、兌換請求到虛擬交通一卡通服務平臺，服務平臺會通過用戶驗證、注冊處理、充值處理、兌換處理來完成對請求數據的消費，其中各種需要記錄的數據會提交到應用數據庫，需要區塊鏈服務平臺進一步處理的數據會發往區塊鏈服務平臺進行處理。

(2)APP會將消費請求發往最近的區塊鏈服務平臺進行處理，區塊鏈服務平臺將處理好需要保留的數據并存儲到其分布式數據庫中。

4 結束語

區塊鏈技術具有分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法、去中心化等優點。通過區塊鏈技術解決公交一卡通虛擬卡的發行及交易問題，結合新的技術提供全新的公交一卡通解決方案。采用區塊鏈將通卡公司、公共交通服務提供商、大型商戶等企業內的信息化治理提升到企業間的信息化治理，為數字資產跨企業間交易實現提供了技術保障。