基于區塊鏈技術的網絡交易體系研究

于萬鈞 吳遠

摘 ?要： 由于目前中心化交易平臺的種種弊端，提出采用區塊鏈技術的去中心化的交易平臺體系。文中首先分析目前的網絡交易方式存在的安全問題，接著深入研究該體系中的核心區塊鏈技術，包括P2P網絡技術、非對稱加密技術、共識機制及智能合約等技術。建立基于區塊鏈技術的網絡交易體系模型，并對該模型進行需求分析、數據結構設計、數據模型設計和可擴展性設計。最后對區塊鏈技術在網絡交易中的應用進行總結和展望。

關鍵詞： 網絡交易體系; 區塊鏈技術; 需求分析; 數據結構設計; 數據模型設計; 可擴展性設計

中圖分類號： TN915?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0025?04

Abstract： In allusion to the disadvantages of the current centralized trading platform， a decentralized trading platform system based on the block chain technology is proposed. The security problems existing in the current network trading mode are analyzed in this paper. The core block chain technologies in the system are deeply researched， including the P2P network technology， asymmetric encryption technology， consensus mechanism， and smart contract technology. A network trading system model based on the block chain technology is built， for which the demand analysis， data structure design， data model design and extensibility design are conducted. The applications of the block chain technology in network transactions are summarized and prospected in the end.

Keywords： network transaction system; block chain technology; demand analysis; data structure design; data model design; extensibility design

0 ?引 ?言

隨著互聯網的發展，網絡購物成為目前的主要購物方式。當前的電商平臺是一種中心化的商業模式，這種模式容易帶來交易安全方面的問題。現在網購的安全風險來自互聯網本身，如黑客入侵、木馬病毒、釣魚欺詐網站的威脅等。隨著區塊鏈技術的發展，去中心化應用的研究正以不可抵擋之勢展開。

文獻[1]提出一種點對點式的電子現金系統，描述了怎樣建立一套全新的、去中心化的、無需信任的點對點交易體系的方法。Vitalik在2013年提出以太坊，它是基于區塊鏈技術搭建的一個編程平臺，開發人員可以在這個平臺建立和發布下一代分布式的應用。以太坊通過一種圖靈完備的腳本語言來創建應用[2]。2015年Linux基金會發起了超級賬本開源項目，目的是讓成員共同合作，共同建設開放平臺[3]。

區塊鏈技術是一項整合了密碼學、計算機科學和數學等學科的新技術[4]。本文主要針對中心化的交易平臺的缺陷提出基于區塊鏈技術構建的去中心化的網絡交易體系。深入研究了區塊鏈的技術原理，包括P2P網絡技術、非對稱加密技術、共識機制、智能合約等關鍵技術。建立基于區塊鏈技術的網絡交易體系模型，并對該模型進行需求分析、數據結構設計、數據模型設計和可擴展性設計。最后對區塊鏈技術在網絡交易中的應用進行總結和展望。

1 ?區塊鏈關鍵技術

1.1 ?區塊鏈架構及數據結構

區塊鏈的基礎架構分為數據層、網絡層、共識層、激勵層和應用層。其中：數據層包含區塊數據、數字簽名、哈希函數和非對稱加密算法等;網絡層包含P2P網絡的傳播和驗證機制;共識層主要是系統中采用各種共識機制算法;激勵層包含虛擬貨幣的發行和分配機制;應用層封裝了各種應用。

區塊鏈在區塊的數據結構上分為區塊頭和區塊體兩部分，如圖1所示。區塊頭包含上一個區塊的哈希值、版本號、隨機數、難度目標、Merkle根等。上一個區塊的哈希值能保證準確鏈接到上一個區塊，保證了區塊鏈數據庫的完整。區塊體中存儲了區塊創建過程中發生的全部交易記錄。區塊鏈的交易記錄一旦形成就不可篡改，這點保證了數據庫的嚴謹性和交易記錄的真實可靠性。

圖1 ?區塊鏈數據結構示意圖

1.2 ?P2P網絡技術

區塊鏈的P2P網絡技術主要用于節點間傳輸交易數據，該技術節點之間采用中繼轉發的模式進行通信[5?6]。接收方從網絡中收到的交易信息，不需要直接和發送方進行通信，攻擊者很難通過竊聽發現網絡中傳播信息的真實來源與去向。采用P2P網絡技術的系統有去中心化、容錯健壯、保護隱私、難以實現網絡竊聽、防止無效數據傳播等優點。

1.3 ?非對稱加密技術

區塊鏈系統內采用的是非對稱加密算法。在非對稱加密算法中，有一對密鑰，即公鑰和私鑰，公鑰是公開存儲在數據庫中，私鑰是用戶自己保存。非對稱加密技術通信時：發送者用接收者的公鑰加密，接收者收到密文之后，用自己的私鑰解密得到明文。通信過程的函數表達為：[E（K1，C）=M]，[D（K2，M）=C]。其中：[E]代表加密算法;[D]代表解密算法;[K1]代表加密密鑰;[K2]代表解密密鑰;[C]代表明文;[M]代表密文。

1.4 ?共識機制

1.4.1 ?PoW共識機制

工作量證明機制（Proof of Work，PoW）的核心思想是通過分布式節點的算力競爭來保證數據的一致性和共識的安全性[7]。在比特幣系統中，節點通過自己自身的算力來解決一個求解過程復雜但是結果容易驗證的SHA256數學難題，最先得到答案的節點得到區塊記賬權，而且得到系統自動生成比特幣作為獎勵。這種工作量證明的共識機制能夠確保數據的一致性和安全性，但是會耗費巨大的電力資源和算力資源。

1.4.2 ?PoS共識機制

權益證明機制（Proof of Stake，PoS）可以解決PoW中資源浪費的問題。從本質上來說，PoS是采用權益證明來代替PoW中基于哈希算力的工作量證明，系統中有最高權益的節點可以獲得區塊的記賬權[8]。權益證明機制縮短了區塊的產生時間和交易的確認時間，解決了PoW中浪費算力的問題。

1.4.3 ?拜占庭共識機制

拜占庭共識機制（PBFT）是能夠容忍惡意行為的共識機制。PBFT算法要求在有3f+1個節點的分布式系統中，失效節點數量不超過f [9]，該算法分為3個階段：預準備階段、準備階段和確認階段。在預準備階段，主節點發送含待驗證的所有記錄的預準備消息，其他節點在接收到預準備消息后進入準備階段;在準備階段，主節點向其他節點發送包含待驗證記錄的準備消息，節點收到信息后驗證它的正確性，并且保存正確記錄后發送給其他節點，當某個節點接收到全網2f個不同節點發送的記錄而且該記錄和預準備階段接收的記錄一樣時，這個節點開始向其他節點廣播確認消息，系統進入確認階段;在確認階段，協議在每個誠實節點都收到2f+1個確認消息時終止。PBFT算法較好地解決了分布式系統中的共識問題，提升了系統效率，比較適用于聯盟鏈。

1.5 ?智能合約

智能合約可以稱為鏈上代碼，區塊鏈可以實時監控智能合約的運行狀態，當滿足特定的觸發條件被激活后執行合約。智能合約的運行機制如圖2所示。為了防止合約中含有的漏洞或者惡意代碼威脅到區塊鏈節點的安全，智能合約運行在隔離的沙箱環境中[10]。目前主流的區塊鏈平臺中的智能合約主要運行在虛擬機或者容器中，實現了對合約使用的資源進行隔離和限制，保證了區塊鏈系統的安全性。

2 ?基于區塊鏈技術的網絡交易體系

2.1 ?需求分析

1） 一致性需求

構建基于區塊鏈技術的網絡交易體系，為了保證網絡中各節點數據的一致性需要使用一致性協議，因為PBFT共識機制有很好的容錯性，故本體系采用該共識機制。

圖2 ?智能合約的運行機制

2） 軟件設計需求

由于當前中心化電商平臺的弊端，提出構建基于區塊鏈技術的網絡交易體系。該體系能保證每筆交易的可追溯性，同時防止假冒偽劣產品的上鏈。在功能方面，能夠實現用戶的注冊、登錄、開店、發布商品、下單、付款、退貨等流程。這些功能的實現需要使用智能合約來實現，智能合約需要運行在隔離的沙箱環境中，保證代碼的安全可靠。

3） 可擴展性需求

由于共識算法的影響，當節點數增加，系統的整體處理能力會下降。基于區塊鏈技術的網絡交易體系可以采用分片的方式實現系統的可擴展性。分片的方式可以提升每秒交易的數量，加快交易速度，實現本體系的可擴展性需求。

4） 數據庫需求

傳統的數據庫具有原子性、隔離性、持久性、一致性。在區塊鏈數據庫中利用分布式賬本來保證數據的一致性，事物處理是靠建塊來完成，每塊包含多個交易，多個交易一起處理。

2.2 ?體系架構

基于區塊鏈技術的網絡交易體系架構圖分為三層，分別是底層平臺、區塊鏈服務、應用層，如圖3所示。其中用戶管理包括賬號管理、密鑰管理、權限管理等，基礎服務提供了接口適配、共識機制、網絡通信和數據庫存儲等，智能合約包括合約的注冊、執行、觸發、風控等。區塊鏈的服務層包含一些接口和服務。應用層包括用戶的下單、支付、商品搜索、簽訂合約等功能。

用戶下載基于區塊鏈技術的網絡交易客戶端，操作完成交易過程步驟如下：

1） 用戶下載客戶端，注冊賬號后得到一個賬戶地址，一對非對稱密鑰。用戶可以發布要賣的商品，上傳照片和提交商品價格、性能等信息。

2） 買家在客戶端搜索要購買的商品，賣家上傳的所有商品按照銷量和信譽兩種方式顯示給買家。

3） 買方首先選擇要購買的產品，然后用他的私鑰簽署訂單并將其發送給賣方。

4） 賣方首先使用買方的公鑰解密接收到的訂單，然后驗證訂單信息，并用自己的私鑰簽署并返回給買方。

5） 買家用戶收到返回的訂單后，用賣家的公鑰解密，驗證訂單確認之后進行支付。買家用自己的私鑰對賬單簽名，發送給賣家。

6） 賣家收到賬單之后，先用買家的公鑰解密，然后驗證錢款是否到賬，確認到賬之后通過物流接口通知物流配送，并在原賬單上加上物流賬單，用自己私鑰簽名后發送給買家。如果一定時間，賣家沒有發貨，支付賬單簽名為真實的，賣家會被處罰，限制發布商品或永久取消銷售功能。

7） 買家收到貨后，對賬單再次簽名確認，并加入區塊鏈。

圖3 ?基于區塊鏈技術的網絡交易體系架構圖

2.3 ?區塊鏈接口設計

設計基于區塊鏈技術的網絡交易體系的接口為OBCC（Open Blockchain Connector），包括寫入接口和查詢接口[11]，如圖4所示。寫入接口定義是Put（Action，Data），其中Action代表用戶處理數據的目的，包括創建、更新、插入等，提供用戶對數據的操作方式;Data代表用戶存儲的數據，主要包括用戶的賬戶信息和交易信息。查詢接口的定義是Get（Condition），Condition是用戶查詢的條件，可以根據區塊的哈希值或者交易的哈希值查詢，也能根據某些關鍵字查詢。當調用區塊鏈功能時，OBCC的客戶端代理把請求廣播到區塊鏈的其他節點的服務端代理，之后服務端代理調用區塊鏈的功能并進行相關處理。

圖4 ?網絡交易體系的區塊鏈接口設計

2.4 ?數據模型的設計

基于區塊鏈技術的網絡交易體系需要支持功能豐富的通用應用，因此可以采用基于賬戶的模型，可以基于賬戶快速查到當前余額或狀態。基于賬戶的模型也比較適合構建智能合約。該網絡交易體系的賬戶分為外部賬戶和合約賬戶。其中外部賬戶用來表達賬戶的余額狀態、待發貨訂單、待收貨訂單、已完成訂單等賬戶的基本信息;合約賬戶表達智能合約的狀態數據，當賬戶中的一筆交易發生變化時，合約賬戶中的狀態數據也會改變。

2.5 ?區塊鏈存儲設計

當系統中節點數增加，系統整體處理能力會隨著下降[12]，所以提高基于區塊鏈技術的網絡交易體系的可擴展性，設計合理的存儲方案很重要。針對存儲問題的設計，Hyperledger Fabric采用多通道的解決方案[13]，多通道的方式將區塊鏈網絡從單鏈擴展到多鏈，多鏈上同時可以并發處理多筆交易，因此系統整體性能得到提升。在構建基于區塊鏈技術的網絡交易體系時采用分片的方式擴展區塊鏈性能。將賬戶地址根據全網劃分為多個相對獨立的分片，每個分片獨立維護一條子鏈，用戶可以自由選擇加入哪個分片的子鏈來執行自己的交易。分片很好地解決了系統的吞吐量和存儲容量的問題，提高了交易速度的同時降低了交易成本。

3 ?結 ?語

區塊鏈技術現在已經成了學術界和產業界爭相研究的熱門課題。區塊鏈技術具有去中心化、不可篡改和可以編程的特性，使得區塊鏈在各行各業都能得到廣泛應用[14]。本文主要針對中心化的交易平臺的缺陷提出基于區塊鏈技術構建的去中心化的網絡交易體系，并從P2P網絡技術、非對稱加密技術、共識機制、智能合約等核心關鍵技術出發深入分析了區塊鏈的技術原理和該技術如何保證交易的安全可靠。最后從需求分析、數據結構設計、數據模型設計、可擴展性設計等方面設計了一種去中心化的網絡交易體系。未來區塊鏈的發展將與大數據、人工智能等新一代信息技術結合，應用到醫療、公益、教育、娛樂文化等領域，為人們的生活帶來更多的便利。

參考文獻

[1] NAKAMOTO S. Bitcoin： a peer?to?peer electronic cash system [J/OL]. [2013?03?27]. http：//bitcoins.info/bitcoin.pdf.

[2] 何蒲，于戈，張巖峰，等.區塊鏈技術與應用前瞻綜述[J].計算機科學，2017，44（4）：1?7.

HE Pu， YU Ge， ZHANG Yanfeng， et al. Survey on block chain technology and its application prospect [J]. Computer science， 2017， 44（4）： 1?7.

[3] SOUSA J， BESSANI A， VUKOLI? M. A byzantine fault?tolerant ordering service for the hyperledger fabric blockchain platform [C]// Proceedings of the 1st Workshop on Scalable and Resilient Infrastructures for Distributed Ledgers. Las Vegas： ACM， 2017： 1?10.

[4] 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.

YUAN Yong， WANG Feiyue. Blockchain： the state of the art and future trends [J]. Acta automatica sinica， 2016， 42（4）： 481?494.

[5] BAHGA A， MADISETTI V K. Blockchain platform for industrial Internet of Things [J]. Journal of software engineering & applications， 2016， 9（10）： 533?546.

[6] ANDROULAKI E， BARGER A， BORTNIKOV V， et al. Hyperledger fabric： a distributed operating system for permissioned blockchains [J/OL]. [2018?01?30]. https：//arxiv.org/pdf/1801.10228v1.pdf.

[7] 夏清，張鳳軍，左春.加密數字貨幣系統共識機制綜述[J].計算機系統應用，2017，26（4）：1?8.

XIA Qing， ZHANG Fengjun， ZUO Chun. Review for consensus mechanism for cryptocurrency system [J]. Computer systems & applications， 2017， 26（4）： 1?8.

[8] 王曉光.區塊鏈技術共識算法綜述[J].信息與電腦，2017（9）：72?74.

WANG Xiaoguang. Summary of the consensus algorithm of block chain technology [J]. China computer & communication， 2017（9）： 72?74.

[9] 韓璇，劉亞敏.區塊鏈技術中的共識機制研究[J].信息網絡安全，2017（9）：147?152.

HAN Xuan， LIU Yamin. Research on the consensus mechanisms of blockchain technology [J]. Netinfo security， 2017（9）： 147?152.

[10] 朱巖，甘國華，鄧迪，等.區塊鏈關鍵技術中的安全性研究[J].信息安全研究，2016，2（12）：1090?1097.

ZHU Yan， GAN Guohua， DENG Di， et al. Security architecture and key technologies of blockchain [J]. Journal of information security research， 2016， 2（12）： 1090?1097.

[11] 蔡維德，郁蓮，王榮，等.基于區塊鏈的應用系統開發方法研究[J].軟件學報，2017，28（6）：1474?1487.

CAI Weide， YU Lian， WANG Rong， et al. Blockchain application development techniques [J]. Journal of software， 2017， 28（6）： 1474?1487.

[12] 安慶文.基于區塊鏈的去中心化交易關鍵技術研究及應用[D].上海：東華大學，2017.

AN Qingwen. Research and applications on the key techniques of decentralized transaction based on blockchain [D]. Shanghai： Donghua University， 2017.

[13] 賈大宇，信俊昌，王之瓊，等.區塊鏈的存儲容量可擴展模型[J].計算機科學與探索，2018，12（4）：525?535.

JIA Dayu， XIN Junchang， WANG Zhiqiong， et al. Storage capacity scalable model for block chain [J]. Journal of frontiers of computer science & technology， 2018， 12（4）： 525?535.

[14] DINH T T A， LIU R， ZHANG M， et al. Untangling blockchain： a data processing view of blockchain systems [J]. IEEE transactions on knowledge and data engineering， 2018， 30（7）： 1366?1385.