區塊鏈輔助航天數據分發的可行性分析及方案設計

盧天 徐小剛 王士成 李峰 文義紅

摘 要：為了快速準確、安全可信地分發海量航天數據，基于區塊鏈技術的可溯源和不可篡改等特性，提出了一種新的航天數據分發方案。首先，在總結傳統航天數據分發服務不足的基礎上，分析了區塊鏈技術在航天數據分發領域的優勢以及應用過程中可能遇到的重點問題，并給出了可能的解決方法;其次，從技術架構、節點部署、模塊劃分3個角度設計了基于區塊鏈的航天數據分發方案;最后，搭建了Fabric區塊鏈網絡，并模擬航天數據文件，通過仿真試驗測試了接入區塊鏈對航天數據分發系統的性能影響。研究結果表明，接入區塊鏈的系統可準確校驗篡改后的文件，且對原航天數據分發系統的資源視圖同步時間影響較小。基于區塊鏈技術的航天數據分發設計方案，可為構建安全高效、可信可控的航天數據分發服務體系提供參考，推動航天數據應用領域快速發展。

關鍵詞：計算機網絡;區塊鏈;航天數據;數據分發;P2P

中圖分類號：TP393 ? 文獻標識碼：A ? DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx01004

Abstract：In order to distribute massive aerospace data quickly，accurately，safely and reliably，a new aerospace distribution scheme was proposed based on the traceability and immutability of the blockchain technology.Firstly，on the basis of summarizing the shortcomings of traditional aerospace data distribution services，the advantages of blockchain technology in the field of aerospace data distribution and the key problems that may be encountered in the application process were analyzed，and the solutions were given.Secondly，a blockchain-based aerospace data distribution scheme was designed from the perspectives of technical architecture，node deployment and module division.Finally，a Fabric blockchain network was built and aerospace data files were simulated to test the impact of accessing the blockchain on the performance of the aerospace data distribution system.The research results show that the system connected to the blockchain can accurately verify the tampered files，and has little effect on the synchronization time of the resource view of the original aerospace data distribution system.The scheme of aerospace data distribution based on blockchain technology can provide reference for building a safe，efficient，reliable and controllable aerospace data distribution service system and promote a rapid development of aerospace data application.

Keywords：computer network;blockchain;aerospace data;data distribution;peer-to-peer

自1999年10月中國發射第一顆民用陸地觀測衛星以來，中國遙感衛星事業蓬勃發展，每年向農業、林業、國土資源、應急管理、環保、海洋等眾多領域提供的航天數據在10 PB左右[1]。

隨著航天數據以TB級的速率爆炸性增長，以及航天數據在多領域的應用不斷拓展，海量航天數據和高效數據服務方式之間的矛盾更加突出。文獻[2]針對C/S模式下，中心服務器負載嚴重、航天數據服務效率低的問題，基于P2SP文件共享技術，對海量航天數據的并行傳輸算法進行改進，提高了數據的傳輸速度。文獻[3]針對分布式航天數據分發系統的傳輸效率低下等問題，提出快速緩存節點選擇和節點主動擴容策略，在一定程度上提高了航天數據服務效率。文獻[4]指出中國正在建設結合云計算、云存儲的衛星地面系統，建成后將在一定程度上促進航天數據服務體系化發展。雖然航天數據資源存儲機構在一定程度上為用戶提供了航天數據服務保障，航天數據服務在傳輸效率上也有較大提升，但目前針對航天數據分發過程中的可信可控問題研究較少。此外，文獻[5]通過問卷、會議、訪談和現場調研等形式，分析得出當前中國航天數據資源分散存儲在國務院直屬科研機構、省部屬事業單位、大專院校、企業等多種機構，由于各機構之間條塊分割，航天數據流通也伴隨著權屬、質量、安全等問題，導致航天數據共享程度有限，航天數據資源的效能尚未充分發揮。

而近年來，區塊鏈技術基于自身的去中心化、可溯源和不可篡改等特點，已逐漸在金融、政務服務、供應鏈、版權、物聯網等領域落地[6]，但在輔助航天數據服務方面少有研究。因此，本文針對海量遙感數據資源高效服務以及在傳輸過程中的監督監管問題，分析了區塊鏈輔助航天數據分發的可行性并設計了基于區塊鏈的航天數據分發方案，可為構建安全高效、可信可控的航天數據分發服務體系提供參考，促進航天數據資源深度融合共享。

1 傳統航天數據分發服務的不足

目前，中國在航天資源分發服務領域進行了大量的有益嘗試，各業務單位按自身使命任務分別建立了多個航天數據共享分發系統[6]，實現了各業務方向對各業務領域用戶的縱向數據保障。然而，在現有縱向的分發模式下，航天各業務單位分別管理自身業務數據，缺乏規范化約束，隨之暴露出一些問題，具體表現為以下3個方面。

1）航天數據中心化存儲，安全性低

航天數據分發多采用中心化數據共享網絡，對航天數據的安全性帶來很大隱患[6]。首先，如果服務節點癱瘓，則無法進行數據的同步與交換;其次，存在內部人員利用系統對其管理員身份的信任，復制特權文件，篡改監控日志的行為，很難保證數據的有效性、安全性和保密性。

2）橫向交換共享難度大，協同保障能力差

航天數據涉及航天測控等多業務領域類型數據，航天各業務單位分管自身業務數據，在各單位內部信息化水平往往已經很高，各類專業系統已經比較先進[7]，但是需要跨部門數據支撐時，經常采用個別申請、層層審批、人工拷貝的操作流程，部門協同、要素協同依舊停留在比較低的水平，不利于航天數據的深度融合應用[8]。

3）航天數據分發出口多，監管難度大

由于各業務單位分散管理、分頭保障，導致航天數據分發出口繁多，很難監管、統籌掌握航天數據使用情況，難以準確評估各業務領域、各類數據資源的使用效能，難以發現體系運行過程中的深層次問題，難以快速追本溯源，嚴重制約了航天數據分發的體系化發展。

2 區塊鏈在航天數據分發領域的優勢

區塊鏈是點對點網絡、加密技術、共識算法、智能合約和分布式數據存儲等計算機技術的新型應用，具有去中心化、不可篡改、全程記錄、可以追溯、集體維護等特點[9]，在保障航天數據分發流程的安全性、完整性、追蹤性和不可篡改性等[10]方面具有較大優勢，具體表現為以下3個方面。

1）安全性高

區塊鏈具有去中心化的特點，可以避免單一中心化節點崩潰導致整個系統癱瘓的風險，加密技術可有效保障航天數據傳輸過程中的安全，共識機制和智能合約可消除內部部分惡意節點攻擊和人為因素帶來的不利影響[11]。

2）協同性好

利用區塊鏈技術連同P2P網絡，構建適用于航天數據分發的分布式、去中心的技術體系架構，讓多種業務主體平等交流、信息共享、實時核對數據一致性，打破“信息孤島”，實現“開放共享、有序流動、便捷實用”，有效提高航天數據的服務保障水平[12]。

3）監管力強

區塊鏈的去中心化、分布式存儲和鏈式數據結構[13]，保證了鏈上的每一條交易數據都可追溯且不可被篡改。利用區塊鏈技術數據公開透明、可追溯的特點，保障相關單位對航天數據分發流程的監管。

3 需解決的重難點問題

將區塊鏈技術運用于航天數據分發，需要解決鏈型選擇、航天數據分塊、統一命名規則制定、虛擬目錄構建與同步、節點間共識、智能合約可視化建模、全鏈路網絡并行傳輸、鏈路網絡狀態監控等重難點問題。

3.1 區塊鏈鏈型選擇

鏈型的選擇直接影響航天數據的共享和應用分發效果，根據不同場景下的信任方式，區塊鏈分為公鏈、聯盟鏈和私有鏈。公鏈是一種完全開放，任何節點都可以接入網絡并參與記賬的區塊鏈，具有完全去中心化、去信任等特點;聯盟鏈是一種半開放的區塊鏈，只有被允許的成員才能接入，由多個機構組成的聯盟參與賬本的生成、共識和維護，相比于公鏈具有半中心化、效率高、監管性強等特點;私鏈則中心化程度更高，被單個組織完全掌控[14]。

基于航天數據分發場景應用，航天數據或航天數據流可能涉及到商業隱私，并不希望被所有人知曉，而聯盟鏈和私鏈具有節點準入控制，可以限制成員參與范圍;同時，聯盟鏈和私鏈讓節點數得到了精簡，能夠使得系統的運行效率更高、成本更低，在單位時間內能夠確認的交易數量要比公鏈大很多，更適用航天數據分發應用。因此，選用聯盟鏈和私鏈作為系統的區塊鏈鏈型。

3.2 航天數據分塊

航天數據具有海量的特點，而區塊鏈上節點的存儲空間有限[1]，且較大的數據文件在遠程傳輸過程中可能會報錯，所以，一個合理的分塊機制是航天數據鏈上存儲和安全高效傳輸的保障。采用定長分塊機制，航天數據文件被分割為固定長度的分塊，分布存儲在各個節點，數據擁有者通過加密每個分塊并生成哈希。節點在對每個分塊用散列函數計算散列值，檢驗文件分塊的正確性和完整性之后，再將確認信息發送到服務器并同步至其他用戶。

3.3 統一命名規則

海量航天數據共享過程中，存在數據多源化、數據標識混亂等問題，影響共享效率。利用開放數據索引命名標識（open data index name，ODIN），設計多級索引命名方式：一級基礎ODIN解決主鏈之間的數據命名標識的問題;多級擴展ODIN解決私有鏈或擴展鏈內部數據命名標識的問題。通過采用ODIN的方式，將整個網絡所有數據資源、網絡資源、用戶資源等都統一命名，統一處理，提高航天數據分發和賬本同步效率[15]。

3.4 節點間共識算法

共識機制不但是計算機之間的算法和數據共識，也是合作伙伴之間進行協作的共識，共識機制使區塊鏈的參與者通過約定的方式進行共同記賬，確保合作者之間的記賬正確性、一致性、持續性，避免少數出現故障的節點影響網絡運行，并防御少數故意作惡者的破壞。

在航天數據分發服務聯盟鏈中選擇RPCA算法[16]，實現節點間共識。通過在配置文件中加入其他驗證節點公鑰的方式來指定唯一節點列表（unique node list，UNL），每個服務節點都會維護這一個信任列表UNL，在共識過程中，只接受來自UNL中節點的投票，可保證實現共識的正確性、一致性和可用性。

3.5 智能合約可視化建模

針對航天數據分發安全性低、業務流程開發設計繁瑣等問題，根據實際業務需求設計智能合約[17]，分析影響因素，解決航天數據共享業務開發強度高、共享安全性差、流程復雜等難題，實現航天數據分發的安全訪問、自動化合約觸發、執行及賬本同步，約減由人和社會因素帶來的不確定性、多樣性與復雜性。

基于Fabric的鏈碼實現面向航天業務的智能合約建模，建立一種航天數據共享業務與區塊鏈智能合約腳本之間的映射模型，將智能合約以數字化的形式寫入區塊鏈中，并通過建立可視化工具，讓航天業務人員能根據業務需要定制區塊鏈智能合約。由區塊鏈技術的特性保障整個業務流程執行過程的安全、透明、可跟蹤和不可篡改，無需中心機構參與，也無需雙方之間互相信任。

3.6 全鏈路網絡并行傳輸

在航天數據分發過程中，如何發現存儲該資源的所有節點，且通過所有節點分布式并行的方式獲取某片資源，對于提高資源獲取和傳輸效率至關重要。P2P共享模式不存在中央的目錄服務器，在網絡中的每個節點的地位都是對等的。基于“區塊鏈”+“P2P”網絡，按照無中心服務器和“全、分、簡”節點服務能力有差別的原則設計混合式P2P共享模式，既結合了分布式P2P的所有優點，又使某些節點可以承擔指定、特殊任務。

3.7 鏈路網絡狀態監控

為了解決航天數據分發自適應網絡監控及故障定位問題，引入軟件定義網絡（software defined network，SDN）技術。SDN技術將網絡轉發設備的控制面和數據面分離，根據網絡流量情況和網絡應用的需求動態調節探測數據包的數量或監測周期，通過和路由的關聯在網絡出現故障時能夠定位出現故障的鏈路，實現網絡性能的靈活監測和網絡鏈路故障診斷，有效保障網絡的可靠性和穩定性。

4 基于區塊鏈的航天數據分發方案設計

通過基礎技術架構設計、節點部署和業務模塊拆解，詳細說明了基于區塊鏈的航天數據分發設計方案。

4.1 技術架構

基于區塊鏈通用技術架構[18]，結合航天數據分發服務特點，設計基于區塊鏈的航天數據分發的技術架構，如圖1所示。

技術架構主要由數據層、智能合約層、服務層和應用層4部分組成。

1）數據層

區塊鏈數據層包括對“全、部、簡”3類節點數據的管理和認證，實現航天數據虛擬化管理。

2）智能合約層

智能合約層由合約部署、合約測試、日志管理、實例管理和合約接口等組成，主要實現在區塊鏈基礎上的合約管理和履行監管，智能合約確保區塊鏈數據的透明，便于用戶的監管。

3）服務層

服務層主要提供應用開發、認證管理、分布式賬本管理、共識機制管理、智能合約服務、監控工具等服務。

4）應用層

應用層通過接入接口和信息中心管理系統、業務中心系統連接，實現信息的交換和共享并向用戶提供查詢檢索等通用功能。

4.2 節點部署

航天數據分發服務聯盟鏈采用“全+分+簡”的體系架構[19]，如圖2所示。

1）全節點

若干個中心作為全節點共同參與記賬，提供統一的航天數據和服務資源，建立和維護航天數據分發服務聯盟鏈數據庫的最新完整副本，負責生成區塊、驗證區塊、驗證所有記錄、生成和發送新記錄、綜合監管等。

2）分節點

具備航天數據二次分發服務功能的節點作為航天數據分發服務聯盟鏈部分節點，只保留包含每個區塊頭的區塊鏈副本，負責驗證新區塊、新記錄，利用對等支持驗證舊記錄、生成和發送新記錄。

3）簡節點

便攜式手持終端，具備在軌服務能力的衛星等計算、網絡資源較弱的節點作為航天數據分發服務聯盟鏈的簡單節點接入聯盟鏈，只負責生成、發送和驗證新記錄。

4.3 業務模塊

基于區塊鏈技術特性，結合傳統航天數據分發的業務需求，拆成分布式賬本管理、分布式節點管理、數據資源管理、任務調度管理、運維管理調度、數據產品服務6個業務模塊[20-21]，如圖3所示。

1）分布式賬本管理

分布式賬本管理模塊主要完成數據訪問控制、賬本更新、賬本同步及備份等工作。

2）分布式節點管理

分布式節點管理模塊主要是完成新節點注冊上鏈、各節點身份認證等工作，同時也可以對各節點網絡狀態進行監控管理。

3）數據資源管理

數據資源管理模塊主要完成數據資源注冊、數據訪問控制、共享策略管理等工作。

4）任務調度管理

任務調度管理模塊主要完成授權管理、合約管理、共識管理等工作。

5）運維管理調度

運維管理調度模塊主要完成交易監控、資源監控、監控告警、運行分析等工作。

6）數據產品服務

數據產品服務模塊主要完成數據加密、數據檢測、數據來源追溯、數據高速下載等工作。

5 實驗分析

5.1 測試環境

依據本文背景，基于Fabric搭建區塊鏈網絡，網絡中的節點通過Ubuntu虛擬機和Docker容器實現。整個網絡劃分為3個組織，3個組織中，每個組織都有部分節點參與組成聯盟鏈，組織2和組織3中的節點各自組成私有鏈。聯盟鏈由1個組織1的Peer節點、1個組織1的Orderer節點、1個組織2的Peer節點、1個組織2的Orderer節點、1個組織3的Peer節點、1個組織3的Orderer節點組成;私有鏈A由2個組織2的Peer節點、1個組織2的Orderer節點組成;私有鏈B由2個組織3的Peer節點、1個組織3的Orderer節點組成。實驗節點分布信息如圖4所示。

5.2 航天數據可信共享分發

針對系統對基于區塊鏈數據可信訪問和可信共享分發的要求，進行手工或者程序修改文件內容，考察系統是否能夠發現文件變化情況，并對其準確性進行校驗，錯誤文件下載結果如圖5所示。測試表明，系統能夠在用戶下載文件時，對文件進行哈希計算，通過與文件上傳時同步上傳的哈希值進行比對，來判斷文件是否被篡改，進而保證航天數據的可信共享分發。

5.3 全網賬本同步時間

在私有鏈A上注冊航天數據并在用私有鏈B上用戶檢索該數據資源視圖，統計上述流程的同步響應時間，以此來檢測在接入區塊鏈后，數據上鏈流程對賬本同步的時延影響。在有無區塊鏈的情況下，分別對10份不同大小的文件注冊并檢索成功的時間進行對比，如圖6所示。實現結果表明，在現有實驗環境的節點數量下，接入區塊鏈后全網賬本同步時延增長5.5%，原系統性能并未因接入區塊鏈系統而受到較大影響。

6 結 語

本文提出了一種基于區塊鏈的航天數據分發方案，探討了將區塊鏈技術應用于航天數據分發領域的可能。搭建Fabric區塊鏈網絡并模擬航天數據，在修改航天數據文件后，系統可準確校驗文件已被篡改，并在用戶下載時做出提醒。對比了在有無區塊鏈接入的情況下，資源視圖的同步時間，結果顯示在區塊鏈接入后，全網賬本同步時延增長約為5.5%。研究結果表明，結合區塊鏈的航天數據分發系統可在對原系統性能產生較小影響的情況下，保障航天數據可信共享，為航天數據分發服務領域提供了一種新的思路。

考慮隱私保護和保密性的要求，業務單位之間可能存在物理隔離，如何在物理隔離的網絡環境下結合區塊鏈和跨鏈技術實現安全可信的航天數據分發是下一步研究的重點。

參考文獻/References：

[1] 黃樹松，曾湧，陳衛榮，等.我國民用陸地觀測衛星現狀及應用[J].衛星應用，2021（10）：12-16.

[2] 陳前程.一種海量遙感數據并行傳輸方法的研究[D].開封：河南大學，2016.

CHEN Qiancheng.A Research of Pallrallel Transmission Method for Massive Remote Sensing Data[D].Kaifeng：Henan University，2016.

[3] 張良.基于對等網絡的遙感影像數據傳輸策略研究[D].開封：河南大學，2017.

ZHANG Liang.Researchon Remote Sensing Image Data Transmission Stratage Based on Peer to Peer Network[D].Kaifeng：Henan University，2017.

[4] 王海燕，何偉，馮春.我國陸地觀測衛星應用技術發展[J].衛星應用，2019（10）：24-26.

[5] 陳祖剛，盧逸航，李國慶.我國對地觀測數據資源發展狀況分析研究[J].中國科技資源導刊，2021，53（3）：67-79.

CHEN Zugang，LU Yihang，LI Guoqing.Analysis and research on the development status of china′s earth observation data resources[J].China Science & Technology Resources Review，2021，53（3）：67-79.

[6] 陳衛榮，張文慧，原征，等.我國陸地觀測衛星數據服務發展[J].衛星應用，2019（10）：20-23.

[7] 張萌月，陳金勇，王港，等.面向小樣本的遙感影像目標識別技術[J].河北工業科技，2021，38（2）：116-122.

ZHANG Mengyue，CHEN Jinyong，WANG Gang，et al.Target recognition of few-shot remote sensing image[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2021，38（2）：116-122.

[8] 朱建章，石強，陳鳳娥，等.遙感大數據研究現狀與發展趨勢[J].中國圖象圖形學報，2016，21（11）：1425-1439.

ZHU Jianzhang，SHI Qiang，CHEN Fenge，et al.Research status and development trends of remote sensing big data[J].Journal of Image and Graphics，2016，21（11）：1425-1439.

[9] 曹儐，林亮，李云，等.區塊鏈研究綜述[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2020，32（1）：1-14.

CAO Bin，LIN Liang，LI Yun，et al.Review of blockchain research[J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications（Natural Science Edition），2020，32（1）：1-14.

[10] 湯冰，張校東，樊忠洋，等.區塊鏈技術在通信網絡優化的應用前景綜述[J].長江信息通信，2021，34（4）：20-22.

TANG Bing，ZHANG Xiaodong，FAN Zhongyang，et al.Application prospect of blockchain technology in communication network optimization[J].Changjiang Information & Communications，2021，34（4）：20-22.

[11] 斯雪明，徐蜜雪，苑超.區塊鏈安全研究綜述[J].密碼學報，2018，5（5）：458-469.

SI Xueming，XU Mixue，YUAN Chao.Survey on security of blockchain[J].Journal of Cryptologic Research，2018，5（5）：458-469.

[12] 李曉雨，段鵬飛.基于區塊鏈的分布式資源共享模型設計[J].計算機與現代化，2020（7）：43-49.

LI Xiaoyu，DUAN Pengfei.Design of distributed resource sharing model based on blockchain[J].Computer and Modernization，2020（7）：43-49.

[13] ASHURST S，TEMPESTA S，KAMPAKIS S.Blockchain Applied：Practical Technology and Use Cases of Enterprise Blockchain for the Real World[M].New York：Productivity Press，2021.

[14] 曾詩欽，霍如，黃韜，等.區塊鏈技術研究綜述：原理、進展與應用[J].通信學報，2020，41（1）：134-151.

ZENG Shiqin，HUO Ru，HUANG Tao，et al.Survey of blockchain：Principle，progress and application[J].Journal on Communications，2020，41（1）：134-151.

[15] 王繼業，高靈超，董愛強，等.基于區塊鏈的數據安全共享網絡體系研究[J].計算機研究與發展，2017，54（4）：742-749.

WANG Jiye，GAO Lingchao，DONG Aiqiang，et al.Block chain based data security sharing network architecture research[J].Journal of Computer Research and Development，2017，54（4）：742-749.

[16] 于鴻源，葉雄兵，張立韜，等.基于Ripple共識機制的分布式作戰資源分配方法研究[J].信息工程大學學報，2019，20（6）：750-757.

YU Hongyuan，YE Xiongbing，ZHANG Litao，et al.Allocation method of operational resources in distributed combat based on Ripple protocol consensus algorithm[J].Journal of Information Engineering University，2019，20（6）：750-757.

[17] FIORENTINO S，BARTOLUCCI S.Blockchain-based smart contracts as new governance tools for the sharing economy[J].Cities，2021，117：103325.

[18] HONG Hanshu，SUN Zhixin.A secure peer to peer multiparty transaction scheme based on blockchain[J].Peer-to-Peer Networking and Applications，2021，14（3）：1106-1117.

[19] 熊圳天.基于區塊鏈技術的域名服務系統設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2019.

XIONG Zhentian.The Design and Implementation of Domain Name System VIA Blockchain Technique[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2019.

[20] 閆亭廷，嚴瑾，王文龍.遙感大數據服務平臺設計與實現[J].測繪與空間地理信息，2021，44（4）：76-79.

YAN Tingting，YAN Jin，WANG Wenlong.Design and implementation of remote sensing big data service platform[J].Geomatics & Spatial Information Technology，2021，44（4）：76-79.

[21] 康博涵，章寧，朱建明.基于區塊鏈的智能服務交易跨鏈服務框架與通信機制[J].網絡與信息安全學報，2021，7（3）：105-114.

KANG Bohan，ZHANG Ning，ZHU Jianming.Research on inter-blockchain service framework and communication mechanism based on smart service transaction[J].Chinese Journal of Network and Information Security，2021，7（3）：105-114.