基于區塊鏈的金融資產存證系統設計與開發

李晉

(國家開發銀行四川省分行客戶三處, 四川 成都 610041)

0 引言

本文針對當前數字金融存證問題(如證據效能薄弱、信息安全防護級別低)，利用區塊鏈技術開發了數字金融資產存證系統，該系統可通過動態加入、身份驗證等操作使普通存證功能得到完善。具體實施主要是通過使用IPFS提取和掛載數據等來確保數字資產的安全性。通過運用區塊鏈的鏈式的形態方式將存儲的安全級別大幅度提升，保護數據存儲安全[1]。這種方式也可借助web.js架構起網絡客戶端與區塊鏈網絡之間的媒介平臺，使兩者能夠融合使用。智能合約能夠保障客戶端在業務操作中的邏輯，并能提供程序代碼的支持，有了它，一切事宜皆可形成自動化操作。當結果返回時還可借助POA共識機制篩選出記賬節點，然后打包入鏈。這些操作用戶必須通過身份驗證或授權才能完成，很大程度上提升了數據的安全性[2]。

1 存證系統總體設計

1.1 網絡拓撲圖結構

為了能夠清晰的了解該系統的運作過程，采用網絡拓撲圖的形式，如圖1所示。

它是建立在區塊鏈基礎上的，通過這種方式將數字資產進行存證。第一，將數字資產的哈希指紋保全到區塊鏈中，這項操作主要借助存證平臺進行操作。與此同時，區塊鏈網絡中的其它節點主要承擔起區塊數據同步的責任。當存證用戶在存儲的過程中出現了問題，便可通過司法機構的授權查看并下載原始文件，并且在司法機構介入調查后會將此操作生成鑒定報告，也會將此鑒定報告提交給存證用戶一份。

圖1 系統網絡拓撲

1.2 改進的區塊鏈框圖

區塊鏈作為現代存儲中所應用的一種共享記賬方式，被應用的同時也在不斷的改善[3]。它的弊端性主要顯現在存儲空間局限性方面，不僅空間容量低，存儲形式更是單一，存儲空間過小，僅有1MB，這在實際應用中極為不便[4]。在了解它的優劣性后，就要結合運用IPFS，將它們兩者結合運用，如圖2所示。

圖2 改進的區塊鏈框圖

經過改進的區塊鏈框圖。該框圖的優越性能在于，它能將占據存儲空間容量大的文件轉化為哈希指紋的形式，將原本占據較大空間的文件壓縮為占據空間小的文件，適合上鏈存儲的哈希指紋值這樣一種充滿技術含量的形式。

1.3 系統底層架構設計

通過分析區塊鏈的可信數字資產存證系統的結構形態，可以看出，它主要分為六層架構模式,如圖3所示。

圖3 系統底層架構

(1) 數據層。用來存儲各種有關可信數字資產存證信息的地方。包括用戶的賬戶、用戶的數據指紋等。

(2) 網絡層。用來封裝與存儲相關的各種網絡機制，包括P2P組網機制以及與數據保存、驗證相關的內容等。這些機制也可掌控節點之間的區塊數據的相關操作,如數據同步或數據驗證。

(3) 共識層。將所在區塊鏈的應用內容通過篩選，找出各個節點間的同質部分然后進行去中心化操作，這種操作目的是將各節點并置到一起，如果是單個節點，就需經過去中心化操作后使其融入到全網節點中，方可打包進鏈。這種特性與POA機制極為相似，因此可作為共識標準。

(4) 激勵層。為了能夠使網絡運行順暢，該層通過經濟學方式，以代幣發行機制和代幣分配機制作為它的主要組成部分，控制記賬的節點給予獎勵，目的就是要保證網絡的良好運行。

(5) 合約層。該層作為重點保護層，涉及到與機密相關的重要內容，如身份認證、審計追蹤等，都是為了保護客戶的利益而特別設定的。

(6) 應用層。這一層是基礎操作層，如賬戶登錄、注冊等。

1.4 系統總體框架設計

系統總體架構,如圖4所示。

圖4 系統總體架構

數字資產存證應用的整體運行形態，最上層所展示的主要有企業或個人等所有相關的信息內容。在網絡化時代各種企業不論大小都預借助數字網絡進行信息傳播,也因此更加注重數字資產的存證。

存證對象包括方方面面，凡是涉及到數字資產的內容都涵蓋在內,不論是圖像的，還是音頻的。之所以如此，也是為了最大程度的確保所用信息的安全性，畢竟數據信息的安全隱患會導致巨大的經濟損失。

IPFS作為一種全新的網絡協議，與傳統的HTTP協議相比，它具有顯著的優勢。它不僅存儲空間容量大，傳輸速度快，并且在存證用戶將所要保存的文件進行加密后可以通過IPFS系統進行生成，也就是哈希指紋值。該數據具有穩定性、唯一性，并且它不能任意的進行篡改[5]。這些重要部分可以通過區塊鏈中的去中心化操作，將使信息數據的安全級別大大提升。并且這層區塊鏈在進行轉化的過程中，也需經過授權的驗證，方可進行進一步的操作。這些授權可通過憑證管理中心(CA)或司法鑒定機構等來完成，這些內容均是其重要組成部分。POA被稱為共識算法，屬于授權類共識機制的范疇。這些鏈條節點需要投票來選擇，這為挖礦環節節省了大量的時算力。當所有相關的區塊環節完全被確定后，在主鏈的位置上便會又多了一項內容，而其它參與的節點也會進行同樣的操作來完成。

最底層是基礎服務層，關于文件的一些相關內容的操作如證據保全等。

2 存證系統功能開發

2.1 系統總體功能模塊

數字資產存證系統的總體功能模塊,如圖5所示。

圖5 系統總體功能

當關注點落實到用戶管理模塊中時，會發現它的功能很簡單，就是用戶登錄與注冊兩個部分。做進行登錄與注冊的用戶多是存證用戶和聯盟用戶，他們中的存證用戶作為低級別的用戶，只涉及到存證的內容，與聯盟用戶不同的是，聯盟用戶作為高級別用戶，所肩負的職責主要包括區塊的產生和驗證，也要為普通用戶中的一些需求進行回復操作，如可以借助聯盟用戶來幫助普通用戶開具司法鑒定報告。在節點管理模塊中主要包括節點的刪除或添加兩個部分。本存證應用使用的聯盟鏈是一種授權區塊鏈，因此在進行節點內容的刪減內容操作過程中也要經過授權的環節方可進行，而這種授權的方式是以授權節點的投票來完成。在進行存儲或加密的操作中，只有作為授權用戶才有權限進行查看，這也是為了能夠保障系統的安全性。而文件管理的內容主要涉及到文件的下載、查看等相關內容的功能模塊操作。

2.2 關鍵功能開發

(1) 用戶管理子系統的設計與實現

用戶管理子系統主要負責驗證用戶的身份，只有這樣系統方可進行下一步的存證操作。本文在實施操作中用戶的注冊信息并未和帶有身份標簽的DID分離，它們一并被放置到區塊鏈這塊封閉系統中，在這塊區域中用戶的身份能夠實現自行驗證，這也是它優越性體現,如圖6所示。

圖6 用戶注冊流程圖

(2) 文件加密功能模塊的設計與實現

作為普通用戶如果想要完成存證的操作就必須要對文件進行處理，如設置加密這樣的操作，加密的方法可以選擇RSA公開密鑰算法。該方法應用較廣泛。該方法并不屬于對稱加密的范疇，而屬于非對稱加密，它會借助所生成的公鑰和私鑰之間的制約性來確保數據的安全性。作為用戶在存證的過程中可以選擇加密或是不加密。該系統的默認操作是加密，如若更改則可通過手動修改來完成。具體流程,如圖7所示。

圖7 文件加密流程

作為存證用戶可對加密操作進行自主選擇。如果選擇不加密，則可將原文件中的哈希值記入到賬本中；在進行加密的過程中，需要通過GPG提供的RSA公開密鑰加密算法來實現對數字資產的加密；加密完成后系統會將文件傳輸到IPFS系統中，再由它分配存放到多個節點中，以生成哈希值；并將這些哈希值直接保全在區塊鏈上的記賬本中，也就是文檔。

(3) 智能合約的設計與實現

運行在EVM中的智能合約是實現數據資產上鏈保全的首要滿足條件，利用它可有效規避人為性干擾因素的出現，能讓信息保全的安全性更強。WEB前端通過Web3.js調用預先部署在區塊鏈網絡上的存儲合約，能夠將所要保全的數字資產的哈希值放置到區塊鏈上進行固定，這樣便不可進行篡改的操作，以此來保證司法鑒定的權威性或為此提供相應的鑒權依據。作為EVM，Solidity被普遍運用。除此之外，還有LLL、Serpent等同樣被運用，但相比Solidity，其普及性并不高。在本文中通過兩種智能合約的形式實現資產數據的相關操作。第一種是用于資產數據登記，就是要將有關資產的文件轉換為數據中的哈希指紋，然后在配送到特殊區域區塊鏈系統中，第二種是用于數據確權，以此來證明資產數據的存在。在誤差向量幅度中存在的智能合約，它的整個運行,如圖8所示。

圖8 智能合約程序流程

首先，通過加載Web3,為Web前端與區塊鏈網絡的交互提供JSON.RPCAPI；用Solidity這種高級編程語言來完成相應的操作，這是將需要存儲的文件轉換為哈希指紋上鏈的形式來完成，這項功能的實現需要借助智能合約配合完成。因為該操作需要進行編程，變成的方式可以選擇線上來完成，也就是說既可使用Remixide提供的在線編譯，也可利用Geth客戶端中安裝Sole編譯器來完成。編譯的過程就是不斷輸出的過程，里邊所經編譯的字節碼會作為數據源被發送，發送的地址是空的。而智能合約需要綁定于區塊鏈上的EVM中，形成合約地址，以便有相關事務出現時進行調用。存儲合約的源代碼如下所示。

pragma solidity ^0.4.17; //^0.4.17表示所用solidity語言的版本號

contract StoreHash {//合約名為StoreHash.sol

string ipfsHash;

//將經由IPFS系統返回的哈希指紋記錄到區塊鏈中

function sendHash(string x) public {//檢索保全在區塊鏈中的哈希指紋

ipfsHash=x;

}

function getHash() public view returns (string x) {

return ipfsHash;

}

}

在智能合約完成編寫操作后就可通過Remix進行編譯了，在這里編譯只是作為轉化語言的一種智能化手段，也就是說，通過該手段智能合約轉化為EVM可以識別的字節碼，進而生成一個ABI(應用系統二進制接口)。以便將帶有賬戶余額的Metamask錢包會攜帶有關于編譯的內容經過智能合約被覆蓋在Kovan上，這種反饋地址的方式便于開發人員調用。

(4) 區塊生成的設計與實現

區塊是所有重要資產數據存放的地方，涵蓋了區塊頭和區塊體兩部分。如果資產數據在處理之前就要被默認進行哈希指紋化操作，然后會自動放置到區塊中，這樣的自動化操作不但能夠節省時間的成本，對空間的存儲量而言無疑也會增加，在足夠多的存儲空間范圍內能夠更好的保存資產數據的完整。區塊生成的整個流程,如圖9所示。

圖9 區塊生成流程

詳細執行步驟為：用戶從客戶端發起一筆交易，該交易就會通過網絡遍布到其它參與節點，最后被暫存到各自的交易池(TxPool)中；各個節點都會將這些交易池中交易數據進行簽名驗證，這樣數據會被完整保存且帶有加密性。在系統運行此程序中虛擬機會派上用場，與交易相關的列表和回執隨著程序的完成也會自動生成，一旦簽名無效，則這筆交易也隨之取消；在組裝區塊操作中，首先要由POA共識機制篩選出的主節點來參與所進行交易的排序和打包，在排序與打包的過程中當有無記賬權的提示出現時，則要等待下一輪的挖礦才能開啟；區塊在被挖到后，即可將所進行的交易打包，而主節點就會將該事件進行廣播；當節點接收到廣播后，其它的節點數據會進行同步操作；把前邊的區塊Hash值放到本區塊頭中，形成一條如鏈式結構的數據區域，該區域就是區塊鏈。

3 總結

綜上所述，該系統能夠實現對文件的各種操作，從文件上傳、下載、查看等基礎性操作，到為文件進行加密、授權等更多的功能需求均可滿足，它在滿足上述需求的操作過程中智能合約完成相關文件的數據轉換及編譯，在用戶進行數據調用的操作中，存證用戶需要完成Web前端的相關操作，如通過Web3.js封裝的JSON-RPCAPI與Kovan測試網絡進行交互，有了程序的執行后，作為司法鑒定機構就有獲取授權的條件了，它能夠以此來獲取區塊鏈上的存證數據了，經過程序的進一步的驗證操作，如與原始文件的比對，這樣一份具有科學效應的司法鑒定報告便可生成。本文對企業數字資產的存證和保全有著非常重要的意義，值得推廣。