區(qū)塊鏈賦能的可信數(shù)據(jù)安全共享機(jī)制研究

摘要：隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)成為了全球范圍內(nèi)的關(guān)鍵議題。區(qū)塊鏈技術(shù)，以其去中心化、不可篡改及透明性的特性，為解決這些挑戰(zhàn)提供了新的可能性。本文系統(tǒng)地研究了區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)據(jù)共享中的應(yīng)用，通過對數(shù)據(jù)共享現(xiàn)狀的研究，提出了一種基于Hashgraph區(qū)塊鏈平臺的可信數(shù)據(jù)安全共享機(jī)制，通過對數(shù)據(jù)交易中心架構(gòu)的設(shè)計，使得該平臺具備高可靠、可信和安全的共識機(jī)制的特性，實(shí)現(xiàn)了高可控且可信共享數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)場景，促進(jìn)我國數(shù)據(jù)管理共享技術(shù)的自主可控發(fā)展。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;可信數(shù)據(jù);Hashgraph;共享機(jī)制

中圖分類號：F25文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.19.015

0引言

隨著數(shù)字化時代的到來，數(shù)據(jù)已成為現(xiàn)代社會的核心資產(chǎn)。全球數(shù)據(jù)量正在以前所未有的速度增長，據(jù)國際數(shù)據(jù)公司（IDC）預(yù)測，到2025年全球數(shù)據(jù)總量將達(dá)到175ZB（1ZB等于10億TB），這是2018年總量的5倍以上。然而，隨著數(shù)據(jù)量的激增，如何安全、有效地共享數(shù)據(jù)成為了一個迫切需要解決的問題。數(shù)據(jù)共享不僅是推動科研、醫(yī)療、金融等多個領(lǐng)域創(chuàng)新的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)價值的必要條件。盡管傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享方法提供了基本框架，但這些方法往往存在數(shù)據(jù)安全性低、隱私保護(hù)不足和缺乏透明度等問題。例如，中心化的數(shù)據(jù)存儲方案容易成為黑客攻擊的目標(biāo)，一旦安全防護(hù)措施失效，可能導(dǎo)致大規(guī)模的數(shù)據(jù)泄露事件。根據(jù)IBM的報告，2020年的數(shù)據(jù)泄露平均成本高達(dá)386萬美元，而且從數(shù)據(jù)泄露到被發(fā)現(xiàn)的平均時間需要207天。此外，傳統(tǒng)方法中的隱私保護(hù)措施常常無法滿足日益嚴(yán)格的法規(guī)要求，如歐盟的通用數(shù)據(jù)保護(hù)條例（GDPR）。區(qū)塊鏈技術(shù)，作為一種新興的分布式賬本技術(shù)，因其獨(dú)特的不可篡改性和高度的透明性，被視為解決這些挑戰(zhàn)的有力工具。區(qū)塊鏈通過其去中心化的特性，能夠降低單點(diǎn)故障的風(fēng)險，并通過加密技術(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)不被未授權(quán)訪問。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約功能為自動執(zhí)行合同條款提供了可能，這在實(shí)現(xiàn)自動化和減少人為干預(yù)中起著關(guān)鍵作用。智能合約一旦部署，其邏輯就被固化在區(qū)塊鏈上，可以在滿足特定條件時自動觸發(fā)合約條款的執(zhí)行，從而在無須中介的情況下保障交易的安全性和效率。

1研究背景和現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)共享在增進(jìn)知識傳播、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、提高行政效率等方面發(fā)揮著日益重要的作用。然而，數(shù)據(jù)共享的過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，尤其是數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)問題，這直接影響到共享數(shù)據(jù)的質(zhì)量和廣泛性。區(qū)塊鏈技術(shù)自2008年由中本聰提出以來，已從最初的加密貨幣應(yīng)用擴(kuò)展到多個領(lǐng)域，如供應(yīng)鏈管理、智能合約、金融服務(wù)等。在數(shù)據(jù)共享領(lǐng)域，區(qū)塊鏈技術(shù)尤其顯示出其潛力。通過創(chuàng)建不可更改且容易驗證的數(shù)據(jù)記錄，區(qū)塊鏈技術(shù)提供了一種新的機(jī)制來保護(hù)數(shù)據(jù)不被未授權(quán)訪問和篡改。更重要的是，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠提供透明度，同時保護(hù)個體的隱私，通過智能合約自動執(zhí)行數(shù)據(jù)訪問和處理規(guī)則，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的同時保護(hù)數(shù)據(jù)所有者的利益。盡管區(qū)塊鏈在數(shù)據(jù)共享方面展示了巨大潛力，但其應(yīng)用發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在：擴(kuò)展性問題、能耗問題，以及在現(xiàn)有法律框架下的合規(guī)性問題。當(dāng)前對區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)據(jù)共享應(yīng)用的研究大多集中在理論分析和原型開發(fā)階段，缺乏大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的案例。本文將重點(diǎn)探討如何通過J6I0BzhTFXOITXSCI5ripW1ytro41MKNywHiBlhX5JY=改進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)，解決現(xiàn)有的數(shù)據(jù)共享問題，特別是如何利用區(qū)塊鏈技術(shù)提高數(shù)據(jù)共享的安全性和效率，同時保護(hù)數(shù)據(jù)隱私。

2數(shù)據(jù)共享發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

2.1數(shù)據(jù)共享發(fā)展現(xiàn)狀

在全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)共享已經(jīng)成為推動創(chuàng)新和協(xié)作的關(guān)鍵機(jī)制。在科研、物流、醫(yī)療等領(lǐng)域，目前我國的數(shù)字化信息系統(tǒng)發(fā)展主要呈現(xiàn)以下幾個特點(diǎn)。首先，數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速推進(jìn)，政府和私營部門的投資使得云計算、大數(shù)據(jù)中心和5G網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施得到廣泛部署。這為數(shù)據(jù)的高效處理和快速共享提供了硬件保障。其次，政策支持力度不斷增強(qiáng)，國家層面的多項政策旨在促進(jìn)數(shù)據(jù)資源的整合與開放，推動了數(shù)據(jù)共享的法規(guī)框架建設(shè)，降低了數(shù)據(jù)共享的法律與行政障礙。此外，跨行業(yè)合作逐漸增多，尤其是在物流和教育領(lǐng)域，通過建立行業(yè)聯(lián)盟或合作網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的互聯(lián)互通和優(yōu)勢互補(bǔ)。最后，隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用普及，數(shù)據(jù)分析和處理能力顯著提升，為精準(zhǔn)醫(yī)療、智能物流等提供了技術(shù)支持，這些進(jìn)展極大地推動了數(shù)據(jù)共享的深度和廣度。

2.2數(shù)據(jù)共享存在的問題和挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)共享雖然為多個行業(yè)帶來了創(chuàng)新和協(xié)作的機(jī)會，但同時面臨著多種問題和挑戰(zhàn)。首先，隱私保護(hù)和數(shù)據(jù)安全是最主要的挑戰(zhàn)之一。隨著數(shù)據(jù)泄露事件頻發(fā)，如何在確保數(shù)據(jù)的可用性的同時，保護(hù)個人隱私和敏感信息成為了一個重大難題。例如，如何在在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享中遵守HIPAA或GDPR等嚴(yán)格的法規(guī)，是數(shù)據(jù)共享必須解決的問題。其次，數(shù)據(jù)質(zhì)量和一致性問題也不容忽視。數(shù)據(jù)來源的多樣性和復(fù)雜性常常導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式不一致、質(zhì)量參差不齊，這不僅影響數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，也增加了數(shù)據(jù)整合的難度。此外，技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的局限同樣是數(shù)據(jù)共享中的一個難點(diǎn)。在不同的地區(qū)和機(jī)構(gòu)之間，由于技術(shù)水平和基礎(chǔ)設(shè)施的差異，數(shù)據(jù)共享的速度和效率往往受到限制。

3基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享機(jī)制設(shè)計

本研究提出了一個基于Hashgraph技術(shù)的供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)交易中心設(shè)計。這一設(shè)計采用同態(tài)加密算法，構(gòu)建了一種數(shù)據(jù)交易共享流程模式。利用此技術(shù)協(xié)議，能夠在供應(yīng)鏈各成員之間確保數(shù)據(jù)共享的分配共識、數(shù)據(jù)權(quán)值和隱私安全。此外，所設(shè)計的供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)交易中心采用第三方可信平臺的形式，提供數(shù)據(jù)共享及其他深度服務(wù)，從而提高供應(yīng)鏈管理的效率和安全性。

3.1Hashgraph區(qū)塊鏈平臺

本研究使用基于DAG（有向無環(huán)圖）的Hashgraph技術(shù)來建立供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)交易中心。選擇Hashgraph作為核心技術(shù)的主要原因是：其快速的共識機(jī)制、對智能合約的支持，以及微支付功能。此外，Hashgraph的交易費(fèi)用極低，這些技術(shù)優(yōu)勢和成本效益使得它成為數(shù)據(jù)共享的理想基礎(chǔ)技術(shù)。采用Hashgraph技術(shù)為數(shù)據(jù)共享提供了一個先進(jìn)的解決方案，將為可信數(shù)據(jù)管理發(fā)展帶來關(guān)鍵的技術(shù)優(yōu)勢。

共識機(jī)制：Hashgraph采用了一種結(jié)合異步拜占庭容錯（ABFT）與八卦協(xié)議的分布式共識算法。此技術(shù)引入了“虛擬異步共識”（VAC）的概念，允許每個節(jié)點(diǎn)通過交換信息來記錄其他節(jié)點(diǎn)的事件順序，從而有效地達(dá)成共識。Hashgraph利用基于事件的圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和高效的信息傳播算法，加速了共識的過程。由于其運(yùn)行機(jī)制無須進(jìn)行領(lǐng)導(dǎo)者選舉或投票，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高吞吐量和低延遲的交易確認(rèn)，同時確保了交易的最終性和公平性。

智能合約：Hashgraph的智能合約與以太坊的智能合約在形式上相似，但在執(zhí)行效率和安全性方面進(jìn)行了優(yōu)化。Hashgraph智能合約的主要特點(diǎn)包括：（1）去中心化。智能合約在分布式網(wǎng)絡(luò)中部署后，由網(wǎng)絡(luò)中眾多節(jié)點(diǎn)共同驗證和執(zhí)行，增強(qiáng)了其運(yùn)行的去中心化特性。（2）自主性：一旦智能合約被成功部署，它便能獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自主運(yùn)行，不再依賴其他節(jié)點(diǎn)的干預(yù)；（3）靈活性：它們采用靈活的編程模型，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的事件自動觸發(fā)并執(zhí)行相應(yīng)的邏輯操作。

3.2數(shù)據(jù)交易中心設(shè)計

3.2.1數(shù)據(jù)交易架構(gòu)

本交易中心基于Hashgraph技術(shù)設(shè)計（如圖1所示），按照數(shù)據(jù)交易的時間順序分為3個階段：交易前、交易中以及交易后。研究者將交易流程劃分為3個不同的模塊：數(shù)據(jù)賣家進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選；數(shù)據(jù)價值評價估值；數(shù)據(jù)價值分確權(quán)配。根據(jù)數(shù)據(jù)共享的相關(guān)文獻(xiàn)資料證明，當(dāng)私有數(shù)據(jù)的所有者在數(shù)據(jù)所有權(quán)清晰、數(shù)據(jù)價值得到確認(rèn)以及各方利益得到良好平衡的前提下，通常會表現(xiàn)出較強(qiáng)的分享意愿。在交易開始之前，平臺會根據(jù)數(shù)據(jù)的估值及數(shù)據(jù)擁有者的資質(zhì)等屬性進(jìn)行篩選，篩選出符合條件的數(shù)據(jù)共享參與者，并在此過程中形成共識機(jī)制。在交易過程中，根據(jù)已完成的數(shù)據(jù)估值和權(quán)屬確認(rèn)的參數(shù)來執(zhí)行共享交易，并履行智能合約中規(guī)定的流程任務(wù)。交易完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)價值的分配，完成整個交易流程。

3.2.2數(shù)據(jù)價值評價

本研究中提出的供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)交易中心的核心功能之一是數(shù)據(jù)價值評估算法。該算法的評估依據(jù)是數(shù)據(jù)在特定使用場景中的潛在價值。本研究將采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析中的Shapley方法來對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)和客觀的估值。通過計算各參與方的貢獻(xiàn)以及Shapley值，可以有效地評估數(shù)據(jù)共享的價值。這種估值方法不僅考慮到了各方的貢獻(xiàn)，還平衡了參與方的利益，從而能夠更加客觀地評價數(shù)據(jù)的實(shí)際價值和重要性。在經(jīng)濟(jì)學(xué)中，Shapley值在合作博弈理論中用于衡量各經(jīng)濟(jì)主體的貢獻(xiàn)，并公正地分配合作所帶來的收益。

3.3智能合約設(shè)計

3.3.1智能合約主要功能

該平臺的智能合約將依托于Hashgraph平臺所提供的去中心化應(yīng)用（Dapp）和其Gossip協(xié)議共識機(jī)制的開發(fā)工具包（SDK）。本研究采用的是HashgraphSDK版本0.32.1，該版本支持多項關(guān)鍵功能，具體包括：（1）提升查詢性能。優(yōu)化后的查詢功能使應(yīng)用程序能更快地檢索數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了程序的響應(yīng)速度；（2）增加TLS支持功能。通過增加此項功能，提高了SDK與Hashgraph網(wǎng)絡(luò)之間的通信安全性，有效保護(hù)數(shù)據(jù)被盜的風(fēng)險；（3）引入了異步API。引入后使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建非阻塞且高性能的應(yīng)用程序，提升了并發(fā)性和可擴(kuò)展性；（4）提供密鑰管理功能。應(yīng)用程序可以在不中斷服務(wù)的情況下安全地更新其簽名密鑰，確保了程序的持續(xù)可用性和安全性。

3.3.2智能合約功能函數(shù)

智能合約在基于Hashgraph的數(shù)據(jù)共享平臺中扮演著至關(guān)重要的角色，它有助于促進(jìn)整個供應(yīng)鏈全流程數(shù)據(jù)分享的透明性、安全性和公平性。這些合約確保了數(shù)據(jù)安全，提高了交易的可靠性，并實(shí)現(xiàn)了有效的權(quán)限管理。具體的功能包括：（1）數(shù)據(jù)檢驗：智能合約首要任務(wù)是對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。這包括驗證溫度數(shù)據(jù)是否在預(yù)定的安全范圍內(nèi)，以保證貨物質(zhì)量；檢查時間戳的有效性，以防止數(shù)據(jù)篡改或重放攻擊；以及檢查數(shù)據(jù)的完整性，確保所有關(guān)鍵字段都被正確填寫，防止數(shù)據(jù)丟失。（2）數(shù)據(jù)交易：智能合約還負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)交易和共享，確保交易的安全性和可追溯性。這涉及記錄詳細(xì)的交易信息，如交易時間、參與方和交易內(nèi)容等；驗證交易雙方的身份和權(quán)限，以及執(zhí)行數(shù)據(jù)交易更新所有權(quán)信息，確保數(shù)據(jù)從賣方安全轉(zhuǎn)移到買方。（3）管理權(quán)限：智能合約通過身份驗證和權(quán)限控制來管理用戶對數(shù)據(jù)的訪問。根據(jù)用戶的角色和權(quán)限級別限制其對數(shù)據(jù)的操作，同時記錄用戶活動和事件日志，包括登錄、數(shù)據(jù)訪問和修改記錄等，以便于進(jìn)行審計和追溯。（4）交易處理：智能合約應(yīng)具備處理平臺中發(fā)生事件的能力。例如，當(dāng)新數(shù)據(jù)被上傳時，合約應(yīng)觸發(fā)事件處理程序，驗證數(shù)據(jù)并執(zhí)行交易規(guī)則；同時處理用戶請求，如數(shù)據(jù)查詢或交易發(fā)起等。（5）數(shù)據(jù)讀寫與存儲：智能合約還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的安全存儲和訪問。利用分布式存儲技術(shù)在區(qū)塊鏈上保存數(shù)據(jù)，提供查詢接口供用戶檢索信息，同時確保數(shù)據(jù)的保密性和隱私性，讓只有授權(quán)用戶才能訪問和查看數(shù)據(jù)。

4總結(jié)與展望

本文基于Hashgraph技術(shù)研究設(shè)計了一種供應(yīng)鏈上下游企業(yè)共享數(shù)據(jù)交易中心的架構(gòu)。盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些潛在的改進(jìn)和發(fā)展空間。未來的工作可以集中在以下幾個方面：（1）性能優(yōu)化：在當(dāng)前設(shè)計中，雖然Hashgraph具有較高的性能，但隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的增長，仍需進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)和智能合約，提高系統(tǒng)的處理能力和并發(fā)性能。（2）功能豐富化：目前的設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)驗證、交易和權(quán)限管理功能，未來可以進(jìn)一步豐富平臺的功能，例如增加數(shù)據(jù)分析和預(yù)測功能，為用戶提供更多價值。（3）用戶體驗改進(jìn)：在用戶界面設(shè)計和操作流程優(yōu)化方面，還有較大的改進(jìn)空間。未來可以進(jìn)一步優(yōu)化用戶界面，提高用戶體驗，降低用戶的學(xué)習(xí)和使用成本。

本研究通過基于Hashgraph技術(shù)設(shè)計了一種可信數(shù)據(jù)共享交易中心的架構(gòu)，雖然研究取得了初步成果，但仍存在改進(jìn)和擴(kuò)展的空間。未來的研究方向可以包括以下幾個方面，首先是性能方面：盡管Hashgraph展現(xiàn)出較高的性能，隨著數(shù)據(jù)量的增加，性能瓶頸的問題可能會顯現(xiàn)。未來可以通過優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)和智能合約來提升系統(tǒng)的處理速度和并發(fā)能力。其次是功能擴(kuò)展方面，目前的平臺主要提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)驗證、交易和權(quán)限管理功能。未來應(yīng)考慮引入更多功能，如數(shù)據(jù)分析和預(yù)測，以增強(qiáng)平臺的價值并更好地服務(wù)用戶。最后是用戶體驗方面，在用戶界面和操作流程上還有很大的提升空間。未來的工作可以著重于優(yōu)化用戶界面，簡化操作流程，以減少用戶的學(xué)習(xí)成本和使用障礙。本研究基于Hashgraph的數(shù)據(jù)共享平臺展現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展?jié)摿Γ诤罄m(xù)研究中研究者關(guān)注提升系統(tǒng)性能和功能豐富度，以提高平臺的實(shí)用性和用戶體驗，提升數(shù)據(jù)共享技術(shù)在我國數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程中的作用。隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)化和應(yīng)用場景的擴(kuò)展，這一技術(shù)的優(yōu)化提升將為我國數(shù)據(jù)科學(xué)創(chuàng)新和發(fā)展帶來新的動力。

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