基于區塊鏈的海洋數據采集與共享系統*

文莉莉，鄔 滿

(廣西壯族自治區海洋研究院，廣西 南寧530022)

0 引言

黨的十八大提出建設海洋強國的戰略目標，確立了海洋事業在國家戰略中的地位。黨的十八屆五中全會提出創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，為海洋經濟發展指明了方向。國務院印發的《全國海洋主體功能區規劃》和國家海洋局印發的《海洋生態文明建設實施方案》（2015-2020年），為優化海洋經濟空間布局提供了指導和引領。國家發展改革委、外交部、商務部聯合發布的《推動共建絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路的愿景與行動》，將廣西定位為21世紀海上絲綢之路與絲綢之路經濟帶有機銜接的重要門戶。海洋作為廣西戰略資源的重要基地，加強對海洋資源的調查監管，提高海洋資源開發能力，對于廣西區實施海洋強國戰略、建設海洋強區，具有十分重要的意義。

2016年，國家“十三五”規劃綱要明確將“全球海洋立體觀測網”列為重大工程，要求加強海洋監測數據采集與傳輸能力建設。海洋立體觀測網建設主要是以完善的海洋信息采集與傳輸體系為基礎，以構建自主安全可控的海洋云環境為支撐，將海洋權益、管控、開發三大領域的裝備和活動進行體系性整合，運用工業大數據和互聯網大數據技術，實現海洋資源共享、海洋活動協同，挖掘新需求，創造新價值，達到智慧經略海洋的目的。

區塊鏈作為大數據、人工智能之后的一項重大技術創新，具有分布式存儲、去中心化服務及安全可靠的優勢，為互聯網+的應用發展提供了一個全新的技術模型[1]。海洋監測數據的特點是海量、動態、時空關聯，加強對海洋大數據的挖掘分析和應用是海洋信息化發展的重要目標，而這項工作的前提是保障數據的真實性和有效性，避免大量的垃圾數據混雜其中，也要避免人為的篡改數據，影響數據的整體價值。因此，研究區塊鏈技術原理，建立以區塊鏈技術為核心的海洋數據采集與共享系統，從源頭上保障數據的質量和安全性，對發掘和發揮海洋數據的價值具有非常重要的意義。

因此，本文以理清海洋空間利用格局、提升海洋空間利用率、推進海洋可持續能力發展為原則，利用區塊鏈加密與共享機制，設計并實現一套分布式采集、加密傳輸、安全可靠的海洋數據采集與共享系統[2]，實現空間數據的統一管理、維護、發布，及時、準確地掌握海洋信息狀況，完成海洋多源數據動態采集、高度集成，實現海洋信息資源共享和協同服務，為政府決策、海洋經濟發展和社會服務提供及時、科學的數據支撐。

圖1 總體架構圖

1 基于區塊鏈技術的海洋數據采集與共享系統架構設計

海洋數據采集與共享系統主要是作為外業調查及海域監視監測使用，可以在野外進行數據采集、傳輸與共享，信息可以在多個設備之間進行交互。基于區塊鏈技術的海洋數據采集與共享系統，利用去中心化的分布式共享賬本來實現數據采集、共享過程中的數據存儲與數據訪問控制[3]。系統傳輸的所有數據用非對稱加密算法按時間進行加密處理并存入數據塊，然后按時間順序將這些數據塊組織成區塊鏈，使數據不可篡改，保證了數據的可靠性和安全性[4]。因此，基于區塊鏈的海洋數據采集與共享系統為外業調查工作提供統一的安全可靠的共享數據賬本，保證了采集數據的真實性和不可篡改性[5]。系統的總體架構如圖1所示。

(1)數據資源層：用來存儲與管理系統涉及的所有數據資源，包括基礎地理數據、矢量數據、業務數據等。

(2)區塊鏈網絡層：區塊鏈網絡是系統的核心，網絡內的每臺服務器保存著數據采集全過程的數據。主要包括基礎環境與核心組件兩部分。基礎環境包括存儲、計算資源等，核心組件包括共識機制、加密算法、智能合約等。

(3)服務層：通過區塊鏈 SDK接口，提供系統基本的數據操作服務，如地圖操作、幾何分析、空間查詢等。

(4)業務邏輯層：實現系統的幾大業務邏輯模塊，如數據采集、數據查詢、數據共享、數據分析等。數據采集模塊采集外業調查數據信息和調查人身份信息并通過傳輸模塊發送至數據存儲模塊；數據存儲模塊接收和存儲這些數據并發送至區塊鏈共享模塊進行數據共享。

(5)應用層：是對業務邏輯層和數據資源層的具體應用，提供了RESTful接口和區塊鏈管理平臺兩種方式，將海洋數據采集與共享系統的請求和用戶操作轉化為具體流程進行處理，并實現對區塊鏈網絡、節點的配置管理、智能合約管理等。

2 關鍵技術研究

2.1 區塊鏈網絡架構

區塊鏈本身是一種鏈式數據結構，每個節點的數據塊按時間先后順序排列，區塊鏈技術是以加密的方式來保證這種鏈式數據結構不可篡改、不可偽造，實現一種安全可靠的分布式公開賬本的技術[6]。數據信息一旦上了鏈，則數據的每筆交易都將被多數節點審核，且不能篡改或刪除，這些節點記錄了某段時間內審核過的所有交易信息[7]。隨著數據塊的不斷增加，節點之前形成一種網狀結構，鏈上的任何節點都可以查詢到交易的信息[8]。因此，區塊鏈的存儲與交互方式，不同于傳統的中心服務器的服務方式。傳統的中心服務器服務方式，一旦服務器崩潰或被攻擊，則整個服務系統全部癱瘓；而區塊鏈的去中心化服務方式[9]，各節點之間形成互相交叉的網狀結構，數據進行分布式存儲，且存在多個備份，不僅實現了數據的不可篡改、不可刪除，保證了數據的一致性和安全性，還增強了服務的穩定性，某個節點出現故障將不影響整個區塊鏈的運作，系統整體故障率低，保障了整個系統的安全穩定，而且還實現了數據的可溯源。傳統中心化網絡結構與區塊鏈去中心化網絡結構如圖2所示。

圖2 傳統中心化網絡結構與區塊鏈去中心化網絡結構

目前，區塊鏈技術已經經歷了三代的發展歷程[10]。第一代區塊鏈技術是指以比特幣為代表的“可編程的貨幣”，主要是針對數字化支付問題[11]。發展到第二代區塊鏈的時候，實現了與智能合約的相結合，如以太坊[12]，但也僅僅是應用在金融領域。如今，隨著各行各業對去中心化的需求，區塊鏈發展到第三代，已經應用到金融以外的領域，如工業、農業、科研、智慧城市、智慧醫療等，實現了各行各業資產信息在區塊鏈上的追蹤、溯源、控制與交易，形成了新的數字經濟。區塊鏈3.0是智能化物聯網時代，超出了金融領域，為各種行業提供去中心化解決方案，具有更強的適用性。區塊鏈3.0的架構目前沒有一個標準的定義，但基本可以歸納如圖3所示：主要由分布式資源(計算資源、存儲資源、網絡資源)、核心節點(鏈上程序、區塊鏈管理、可插拔共識模塊)、區塊鏈應用程序、網關控制(注冊、認證、授權、監控、審計)和應用工具(桌面客戶端、移動客戶端、瀏覽器客戶端、API)幾大部分組成。

2.2 基于區塊鏈網絡的數據采集與共享模型

本文基于區塊鏈3.0架構，利用區塊鏈網絡控制數據的提交與數據訪問，建立一個去中心化的數據采集與共享模型。數據提供者可以通過區塊鏈網絡發布采集的數據，數據使用者可以通過區塊鏈網絡訪問已發布的數據資源，區塊鏈網絡保障數據的可信、平等與透明交互，同時防止虛假數據進入網絡，也防止用戶非法篡改數據，保證了數據的真實性和可靠性。該模型也是一個基于大數據框架的區塊鏈應用模型，為海洋信息數據的共享、交換提供了安全可靠的途徑。模型結構如圖4所示。

圖3 區塊鏈3.0架構圖

圖4 基于區塊鏈網絡的數據采集與共享模型

在上述模型中，數據提供者負責維護各自的數據源，并且將數據的詳細描述與共享相關協議寫入分布式文件系統，將數據概要與數據類型信息寫入區塊鏈網絡，數據使用者在請求數據的時候，就可以根據關鍵字匹配到數據描述信息，并通過公鑰密鑰機制獲取數據訪問方式，從而實現在區塊鏈上的數據訪問。數據采集與數據訪問流程如圖5所示。

圖5 數據采集與數據訪問流程

3 基于區塊鏈技術的海洋數據采集與共享系統功能實現

基于區塊鏈技術的海洋數據采集與共享系統，主要以區塊鏈網絡為基礎，實現海域管理中外業調查時的數據采集、上傳、查詢以及數據共享。系統分為認證訪問、綜合展示、功能區劃、區域規劃、疑點疑區、海域權屬、海島管理、現場采集、系統設置等功能模塊。認證訪問模塊負責從三個方面對系統的安全管理：系統登錄、統一認證和數據加密；綜合展示模塊提供圖層展示、地圖定位、地圖量算的功能；功能區劃、區域規劃、疑點疑區、海域權屬、海島管理等模塊主要實現對相關數據的統計查詢，包括條件查詢(功能區類型)、模糊查詢(功能區劃名稱)，查詢結果列表中，可定位到基礎底圖的所查功能區劃數據信息相應位置，可查看功能區劃的詳細信息內容；現場采集提供對采集數據進行管理，提供采集數據新增、編輯、刪除、查詢等功能；系統設置主要提供服務地址設置、數據更新、采集上傳的功能。系統功能模塊如圖6所示。

圖6 系統功能模塊

現場采集模塊實現對采集數據的管理，提供新增、編輯、刪除采集數據信息等功能；提供查詢采集數據信息的功能，可通過采集數據類型、采集時間、采集名稱查詢。采集數據包括采集基本信息、采集坐標、采集附件。采集坐標的獲取方式分為三種：用戶在地圖上直接繪制監測范圍；基于移動終端自帶的GPS定位功能進行實時定位；手動以度分秒或小數點形式輸入點位經緯度信息。采集附件的類型包括照片、錄音、視頻等。

區塊鏈有公有鏈、私有鏈和聯盟鏈三種形態。公有鏈開放程度最高，任何訪問者可以自由進出，鏈上所有數據公開透明、所有成員權限平等，以比特幣、以太坊為代表應用；但公有鏈的交易速度慢，且不利于敏感數據的保護。私有鏈一般是個體或公司內部使用，不對外公開，只有授權的少量節點能參與，因此交易速度快、隱私性好、安全性高；但是權限被少數節點控制，容易作弊，且數據失去了共享的能力。聯盟鏈一般由若干機構或組織共同發起，它的開放性、安全性與交易速度介于公有鏈與私有鏈之間，既能滿足聯盟范圍內的數據開發共享，又能保證較快的交易速度和數據的安全性，其代表應用場景為銀行聯盟、政府機構之間的數據共享聯盟。為了既保障海洋數據的安全性，又能滿足采集的數據在相關政府機構之間實現共享，本系統采用聯盟區塊鏈模式。聯盟單位主要包括：省市縣三級海洋局、大數據局、自然資源廳(局)、生態環境廳(局)、科研院所，如圖7所示。

圖7 海洋數據聯盟鏈

4 結論

本文針對海洋外業數據采集與共享需求，引入區塊鏈技術并分析了區塊鏈3.0架構，建立了基于區塊鏈網絡的數據采集與共享模型，用區塊鏈技術對數據采集及共享過程進行完整、可靠的記錄，由全網共識機制保證數據可追溯、不可篡改，實現海洋多源數據動態采集、安全共享和協同服務，為政府決策、海洋經濟發展和社會服務提供及時、科學的數據支撐。