基于區塊鏈的分布式節點訪問風險預警系統設計

拜亞萌 鄧小鴻

摘? 要： 針對傳統風險防控預警系統訪問時間長，預警準確率低的問題，基于區塊鏈設計了一種新的分布式節點訪問風險防控預警系統。通過兩條線路負責控制節點工作，每條線路執行不同任務：第一條線路負責傳輸應用數據和系統數據;第二條線路負責傳輸入侵檢測信息包。系統硬件由風險檢測模塊、任務分析模塊、資源控制模塊、中心協調模塊和用戶模塊組成，以中心協調模塊與控制模塊作為樞紐確保系統連續運行。軟件由發布任務、檢測回復列表是否為空、檢測是否存在風險、風險預估四步組成。為驗證系統的有效性，設計對比實驗，結果表明，給出的系統能夠在短時間內更精準地訪問風險，應用該系統可以更好地在金融領域實現風險防控預警。

關鍵詞： 分布式節點訪問; 風險預警系統; 訪問風險預估; 區塊鏈; 有效性驗證; 對比實驗設計

中圖分類號： TN915.08?34; TP313? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）13?0069?04

Design of distributed node access risk early warning system based on block chain

BAI Yameng1， DENG Xiaohong2

（1. School of Information Engineering， Jiaozuo University， Jiaozuo 454000， China;

2. College of Applied Science， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China）

Abstract： A new distributed node access risk prevention & control early warning system is designed based on the block chain to cope with the long access time and low early warning accuracy of the traditional risk prevention & control early warning system. In the system， the work of the control node is achieved by two lines， each of which performs different tasks. The first line is used for transmitting application data and system data， while the second line is used for transmitting intrusion detection information packets. The system hardware is composed of risk detection module， task analysis module， resource control module， central coordination module and user module. The central coordination module and control module are taken as the hub to ensure the system′s continuous operation. The software functions consist of issuing tasks， checking whether reply list is empty， checking whether there are risks， and risk estimation. Contrastive experiments were designed to verify the system effectiveness. The results show that the proposed system can predict the access risk more accurately in a short time， and the application of the system can better realize the risk prevention & control early warning in the financial field.

Keywords： distributed node access; risk early warning system; access risk estimation; block chain; effectiveness verification; contrast experiment design

0? 引? 言

區塊鏈是一種新的數據結構，該結構同時應用了分布式數據存儲技術、點對點傳輸技術、共識機制、加密算法技術。區塊鏈作為比特幣的重要概念之一，從本質上看是一個去中心化的數據庫[1]。作為比特幣的底層技術，以一串密碼學方法相關聯產生的數據塊生成多批次比特幣網易交易信息，在驗證信息的有效性后生成下一個區塊。從狹義角度來講，區塊鏈能夠按照時間順序將數據區塊以順序相連的方式組成鏈式數據結構，通過密碼學技術確保不可篡改和不可偽造的分布式賬本;從廣義上來講，區塊鏈技術指的是通過塊鏈式數據結構驗證存儲數據，通過分布式節點共識算法生成數據、更新數據，引用密碼學技術保證數據傳輸安全和訪問安全[2]。

區塊鏈在解決安全問題上有著很大的優點，以分布式賬本的方式記錄，在不同的地方通過多個節點記載交易信息，每個節點記錄的賬目都是完整的，節點與節點之間既可以相互監督，也可以共同作證，從而確保交易的合法性[3]。區塊鏈存儲方式和傳統的分布式存儲方式有很大的不同：區塊鏈中的每個節點都是按照鏈狀結構連接的，能夠獨立存儲完整數據，而分布式存儲方式會將所有的數據分成不同成分;區塊鏈中的各個節點相互獨立，地位相同，而分布式存儲結構中的中心節點占據主要地位，其他節點發揮備份作用。區塊鏈中使用的非對稱加密技術和授權技術能夠確保賬戶身份信息的安全性，雖然存儲在區塊鏈上的信息是公開的，但是賬戶信息難以訪問，進一步保證數據安全和個人隱私。通過共識機制使所有記賬節點達成共識，平衡效率和安全性之間的關系[4]。區塊鏈引入智能合約執行一些定義好的規則和條款，增加智能化效果[5]。

區塊鏈技術已經成為近年來的熱門話題，國內外學者也在該領域進行了大量深入研究。但是關于區塊鏈在分布式節點訪問風險預警上的應用較少。雖然區塊鏈技術在風險預警領域中有著一定的應用，但是對該行業所帶來的現實意義和具體發展模式卻鮮有研究。本文基于區塊鏈的分布式節點設計了一種訪問風險預警系統，對系統的硬件和軟件進行設計，通過實驗驗證了該系統的有效性。

1? 系統硬件構架

本文設計的基于區塊鏈的分布式節點訪問風險預警系統能夠為分布式節點和運行任務提供保護，及時地尋找到失敗任務和失效節點，通過系統中的程序處理異常[6]。區塊鏈中的分布式節點具有自治和獨立性，可以在短期內運行不同的任務，節點與節點之間互相監督，通過這種方式保存節點之間的信息。如果有某一個節點出現故障，其他節點就會保存故障節點中的信息，接管它的任務，既能確保系統運行的連貫性，同時也能防止外界入侵信息進入系統中，整個系統的運行過程呈現開放、透明模式，可以完整地呈獻給用戶[7]。

基于區塊鏈的分布式節點訪問風險預警系統硬件構架如圖1所示。

觀察圖1可知：節點與節點之間通過互聯網絡連接，由兩條線路負責運行工作，每條線路執行任務不同，第一條線路負責傳輸應用數據和系統數據，第二條線路負責傳輸入侵檢測信息包[8]。

分布式節點之間的入侵檢測為周期性檢測，一旦網絡失效，檢測過程使用的信息就難以按照正常要求到達目的地，入侵信息有可能侵入系統，嚴重的會導致整個設備運行癱瘓。網絡失效導致入侵的一種情況是某個節點不能與外界連接，節點雖然正常運行，但是難以將自己的內部信息與外界信息進行交互，這個時候如果用戶執行訪問操作就很有可能遭到入侵，風險性極大。本文針對網絡傳輸線進行了冗余設計，應用這種設計方式后，兩條線路只要有一條線路能夠正常工作，用戶就可以正常訪問，有效降低了訪問風險，同時，可以緩解網絡負載過重而產生的消息延遲。如果使用的檢測信息包過多，也有可能會增加用戶的訪問風險，因此需要根據具體情況使用檢測信息包[9]。

本文設計的系統采用分布式架構部署節點，這種部署方式使系統具有很好的伸縮性和可擴展性，節點與節點之間的相互監督關系既可以動態建立也可以動態解除，這種每個節點地位平等、功能相同的結構是傳統集中式體系結構無法滿足的[10]。

作為訪問風險預警系統，其核心目的就是降低用戶訪問過程的風險，一旦發現存在危險及時發出警報聲。在預警過程中要考慮系統的負載均衡以及各方面性能。本文對訪問風險預警系統功能模塊進行劃分，主要模塊有風險檢測模塊、任務分析模塊、資源控制模塊、中心協調模塊和用戶模塊。不同模塊之間擁有的任務不同，彼此協調，互不干擾，通過交互方式確保系統順利運行。

訪問風險預警系統中的各個模塊信息交互方式如圖2所示。

任務監控模塊主要負責監控任務的運行狀態;風險預警模塊負責檢測訪問過程是否存在風險;資源監控模塊負責收集節點上的資源和負載信息;用戶模塊通過人機接口連接用戶，并且向用戶展示系統在各個階段中的運行狀態;中心協調與控制模塊負責調控各個模塊的關系，下發任務，并保護計算機節點[11]。

1.1? 任務監控模塊

任務監控模塊負責監控系統中設定的目標任務運行狀態，處理各類事件。一旦執行任務出現異常，任務監控模塊會迅速發現，并提醒預警模塊，同時，任務監控模塊會對用戶模塊和中心協調與控制模塊傳來的命令進行相應處理[12]。用戶會通過任務監控模塊進行提醒，操作命令從用戶模塊流入任務監控模塊中。如果使用其他節點的用戶想要查詢系統中某個任務的運行狀態，則中心協調與控制模塊就會以轉發的形式將用戶請求傳給任務監控模塊，任務監控模塊確認信息無誤后，發布任務狀態信息。本模塊設定了定時器，在固定時間描述任務的運行信息。

任務監控模塊結構圖如圖3所示。

1.2? 風險預警模塊

作為本文設計系統的主要實體，該模塊發揮著重要作用，負責監測用戶訪問是否存在風險，如果監測到用戶訪問存在風險，會立刻向中心協調與控制模塊上傳報告，啟動新的模塊降低風險。

風險預警模塊結構圖如圖4所示。

風險預警模塊主要負責實現如下三個目標：

1） 檢測訪問是否存在延遲。即從發現風險到采取解決措施中間的時間間隔。

2） 誤判率。指錯誤判定方式。

3） 系統運行過程的額外開銷，主要是網絡帶寬資源的開銷。

在不同的運行環境中，對于各個目標的要求不同，因此要結合具體環境具體分析。風險預警模塊中的線路進行了冗余設計，有效提高了數據包傳輸過程的穩定性，降低誤判率。風險預警模塊通過分組的方式管理節點，根據不同邏輯分組節點，如果協調與控制模塊下發的命令呈現周期性，則僅在組內進行傳輸即可，各組之間相互獨立，減少數據包占用的網絡帶寬數[13]。

1.3? 中心協調與控制模塊

中心協調與控制模塊在系統中發揮著樞紐的作用，能夠將各個模塊連接到一起，協調控制，確保每個模塊都能夠順利發揮自己的作用。中心協調與控制模塊可以看成是一條信息通道，不斷地傳遞和加工消息流，提供各類決策，促進系統準確地預估分布式節點訪問風險。同時，該模塊中擁有一套完整的全局信息鏈表，詳細地記錄了每個節點上的任務和負載信息，為實現任務調度和一系列決策提供有力的事實依據，如果系統運行狀態出現問題，該模塊會自動設定調整策略，以分布式的方式協商。

中心協調與控制模塊結構圖如圖5所示。

中心協調與控制模塊可以從全局的角度進行調控，確保系統運行的連貫性。

1.4? 資源調控模塊

資源調控模塊會將系統中的每個節點都看作是資源，對系統內部的CPU利用率、網絡接口、人機交互方式等等進行調節，這些資源信息綜合起來可以代表節點的負載情況。資源調控模塊使用的腳本為shell腳本，獲取的信息會以固定的格式自動存入到文件中，由于數據量不同，所以需要歸一化處理，處理后才能計算負載。資源調控模塊中設定了統一的負載閾值，如果負載信息超過閾值則需要重新發送，設定新的周期報告，通過周期報告向用戶提供實時查詢功能。

1.5? 用戶模塊

在訪問風險預警系統中，用戶模塊是唯一一個以前端方式運行的模塊，能夠直接與用戶產生連接，為用戶提供友好的人機接口，用戶通過用戶模塊輸入命令，這些命令會轉換成系統可以讀取的內部標準信息，并以線程化的方式處理信息。本文設計的用戶模塊支持用戶以圖形化的方式操作信息，能夠在短時間內迅速響應中心協調與控制模塊發送的消息，并且更新狀態信息。用戶模塊如圖6所示。

2? 系統軟件設計

根據設計的系統硬件框架設計軟件流程，如圖7所示。

分布式節點訪問風險預警系統軟件流程具體描述如下：

1） 發布任務后檢測恢復列表是否為空，如果檢測列表為空，則代表檢測失效，直接退出流程即可。

2） 如果回復列表不為空，則可以執行下一步操作，檢測是否存在風險，如果不存在風險，直接退出回到上一步即可。

3） 如果檢測到存在風險，則要對風險進行預估，包括風險的危險度、是否需要啟動防御措施等等。

4） 確保成功之后退出流程，如果預估不成功，則需要啟動下一次檢測，直到成功為止。

3? 實驗研究

為了檢測本文設計的基于區塊鏈的分布式節點訪問風險預警系統的有效性，與傳統預警系統進行了對比，并分析實驗結果。

3.1? 實驗參數設置

實驗采用Pentium 4為節點處理器;聲卡選擇SiS 7012 PCI Audio Accelerator;網卡選擇Intel PRO/100+ PCI Adapter。其他參數設置如表1所示。

3.2? 實驗結果與分析

根據上述參數進行實驗，得到的實驗結果如圖8，圖9所示。

對比圖8，圖9可知，隨著預警次數的增加，本文系統和傳統系統花費的預警時間都在增加，但是本文系統花費的預警時間始終小于傳統系統，且準確率更高。在相同預警次數內，本文研究的預警系統引入了區塊鏈技術，各個節點互相配合，系統內部的各個模塊協調工作，有效提高了預警效果，使用戶的訪問風險降到最低，設備可以更加安全的運行。由此可見，本文設定的預警系統更加適合評估用戶訪問風險。

4? 結? 語

本文對區塊鏈的分布式節點進行了較為全面的分析，引用區塊鏈設計了一種新的分布式節點訪問風險預警系統，該系統在預警訪問風險的基礎上，同時實現任務監控、資源調度以及協調控制功能。本文研究的系統具有很強的擴展性，對動態信息也能夠提供支持。在設計時，綜合考慮了負載均衡和調度開銷等因素，優化的設計方案有效提高系統性能。因此，本文所構建的基于區塊鏈技術的風險防控預警系統不僅構建了開放共享的金融風險防范機制，為建立分布式賬本金融信息共享制度提供了技術基礎，同時，對各類金融風險預警實現了“穿透式”監管，為打造以區塊鏈為核心的科技金融共贏生態提供了解決方案。

雖然該系統能夠在短時間內精準地預測出訪問風險，但是仍然有許多問題需要改進，比如：對很多應用的支持度較低，當進程邏輯存在風險時，系統難以預測;缺少統一的管理機制，難以實現數據統一管理;對調度算法未進行討論。未來需要在上述幾方面進行重點加強。

參考文獻

[1] 李彬，覃秋悅，祁兵，等.基于區塊鏈的分布式能源交易方案設計綜述[J].電網技術，2019（3）：961?972.

[2] 周雨晗，尚澤昊，耿曉晗.基于區塊鏈的手機APP點評系統[J].數碼世界，2017，15（12）：514?515.

[3] 任彥冰，李興華，劉海，等.基于區塊鏈的分布式物聯網信任管理方法研究[J].計算機研究與發展，2018，55（7）：1462?1478.

[4] 朱興雄，陳紹真，何清素.基于區塊鏈的微電網系統[J].電子技術與軟件工程，2018，11（1）：157?159.

[5] 胡昱，黃小華，陶啟友，等.基于ZigBee的深水網箱養殖無線傳感網絡節點設計[J].電子設計工程，2017，25（6）：100?104.

[6] 彭永勇，張曉韜.基于區塊鏈應用模式的可信身份認證關鍵技術研究[J].網絡安全技術與應用，2018，14（2）：36?37.

[7] 張昕偉，張華，郭肖旺，等.基于區塊鏈的電子投票選舉系統研究分析[J].電子技術應用，2017，43（11）：132?135.

[8] 張俊，高文忠，張應晨，等.運行于區塊鏈上的智能分布式電力能源系統：需求、概念、方法以及展望[J].自動化學報，2017，43（9）：1544?1554.

[9] 賈民政.基于區塊鏈的投票系統的設計與實現[J].北京工業職業技術學院學報，2018，57（2）：25?29.

[10] 佘維，楊曉宇，胡躍，等.基于聯盟區塊鏈的分布式能源交易認證模型[J].中國科學技術大學學報，2018，48（4）：307?313.

[11] 許嘉揚.基于區塊鏈技術的跨境支付系統創新研究[J].金融教育研究，2017，66（6）：9?14.

[12] 孫俊，何小東，陳建華.基于區塊鏈的農產品追溯系統架構研究[J].河南農業科學，2018，47（10）：149?153.

[13] 劉濤，趙慧明.基于決策樹的礦用提升機故障預警系統設計[J].計算機仿真，2012，29（9）：228?231.