基于區塊鏈的P2P 虛擬圖書館構建研究

肖相金 伍 偉

一、引言

在當今世界，隨著科學技術的飛速發展，信息的采集與存儲、傳播與生產的速度與規模都達到前人無法想象的境界與水平,“知識以過去無法想象的速度被生產、處理和廣泛分配”[1]。圖書館作為知識收集、儲存和傳播的中心，面臨著前所未有的挑戰。作為知識的載體，無論是圖書、期刊、報紙等傳統媒體，還是圖片、聲音、視頻等多媒體新型數據，其數量呈逐年爆發式增長，給資源的訂購、配送、存儲、檢索、更新等帶來了巨大的挑戰。

自1996 年第62 屆國際圖聯（IFLA）大會正式提出數字圖書館概念，術語虛擬圖書館通常與數字圖書館互換使用[2]，虛擬圖書館一般指數字圖書館。數字圖書館是以數字資源為對象的在線數據庫，包括文本、圖像、音頻、視頻或其他數字媒體格式[3]。除了數字資源的存儲外，數字圖書館還具備了信息組織、檢索以及全文獲取等功能。數字內容可以本地存儲和訪問，也可以通過計算機網絡遠程訪問。傳統的數字圖書館通常采用集中式拓撲結構或半分布式拓撲結構。集中式拓撲結構是以提供數字圖書館服務的組織為中心節點，用戶終端通過網絡與中心節點連接，用戶端發出請求，信息處理都由中心節點完成，如圖1 所示（見下頁）。而半分布式拓撲結構是選擇性能較好的節點作為超級節點，各個超級節點上存儲了系統中其他部分節點的信息[4]，超級節點之間運用發現算法進行請求轉發，將終端請求轉發給合適的節點進行處理，如圖2 所示。

圖1 集中式拓撲結構示意圖

圖2 半分布式拓撲結構示意圖

經過二十余年的發展，數字圖書館建設取得了一定的成效，但仍然面臨著不少問題與挑戰，如用戶的訪問認證、版權保護、接口設計、系統間的兼容性、信息組織的有效性、硬件設備冗余的高昂成本等。數字圖書館建設過程中，由于相關法律法規不完善，缺乏統一建設規范和標準，各建設單位之間難以找到彼此認同的平衡點，數字圖書館建設存在“各自為政”的現象，缺乏統一規劃與協調系統上存在較大差異，各系統之間相互兼容性差，導致大量的財力、人力、物力等資源浪費在低水平的重復建設上。隨著信息技術、網絡技術的快速發展，數字化文獻資源的傳播、復制、盜版等變得更加容易，數字化資源的版權保護問題比紙質文獻資源顯得更加復雜。根據《著作權法》的相關規定，作品須取得著作權人授權后才可上傳，在數字圖書館建設過程中，由于文獻資源量巨大，逐一取得著作權人的授權異常困難。而在作品被下載后，后續的使用無法精確跟蹤和掌握，容易造成難以溯源的侵權行為。

P2P 虛擬圖書館為解決這些問題提供了一種潛在的新途徑，即基于互聯網、搜索引擎、云計算甚至人工智能的最新發展，在不同的層次上建立大量的P2P 虛擬圖書館，將各種在線資源從更大的空間整合起來，作為傳統圖書館的有益補充。未來的圖書館應該為知識和信息的創造者、傳播者和獲取者提供一個共享和共建的平臺，在更大的時間和空間范圍內具有更大的開放性、便利性和互動性。為了滿足上述要求，本文提出了基于區塊鏈技術的P2P 虛擬圖書館（PVLB），這是一個可行的、開放的虛擬圖書館框架。

二、技術分析

傳統圖書館已無法很好地滿足日益增長的讀者需求，本文提出的基于區塊鏈的P2P 虛擬圖書館是具有一定顛覆性的，能夠克服現有圖書館的缺點與不足。構建具有可行版權保護機制、方便閱讀、方便分散分發和傳輸、覆蓋更大時空范圍、面向更多終端用戶的虛擬圖書館開放框架，需要一些關鍵技術作為實現依據。本文構建PVLB 的關鍵技術主要有P2P 網絡技術、DHT 存儲搜索技術以及區塊鏈技術。

1.P2P 網絡。P2P 網絡即對等網絡（Peer-to-Peer Networking），客戶機既與服務器連接，每個節點作為一個對等節點也相互連接，各節點通過P2P 網絡共享自身擁有的一部分硬件資源（如處理能力、存儲能力等），這些共享資源通過網絡為其他節點提供內容和服務，而無須經過中心節點處理[5]。通過算法分析，將應用程序的計算、傳輸和存儲等功能壓力分散至整個網絡中，讓P2P 網絡中的每個節點既是生產者，又是傳輸者和消費者，極大提升網絡運行效率[6]。當前，許多網絡應用采用了 P2P 架構，如 Napster、QQ、Skype、BitTorrent、PPLive 等，取得了很大的成功。

從技術角度上分析，P2P 適合構建虛擬圖書館，但由于資源特性、版權保護、分析機制以及用戶習慣等方面存在的復雜性，需要與DHT 搜索和區塊鏈等技術相結合應用。

2.DHT 存儲與搜索技術。解決好P2P 網絡中的搜索問題，是有效應用P2P 網絡的前提，這已成為現代P2P技術研究的一個重要方向。P2P 搜索是在合理的網絡開銷、計算性能開銷和可接受的等待時間等成本的基礎上，從P2P 網絡中檢索出滿足用戶需求的信息資源[7]。從索引存儲位置分析，P2P 搜索方法分為集中式和分布式兩類，分布式搜索協議又可再分為無結構、有結構和半結構三種[8]。P2P 虛擬圖書館的用戶對檢索結果的準確性和完備性有一定的要求，需要有結構協議來保證搜索完備性和準確性，基于分布式哈希表（DHT）結構搜索協議可有效地實現P2P 的搜索功能[9]。

分布式哈希表（Distributed Hash Table）是一種廣泛使用的分布式存儲方法[10]。DHT 存儲網絡中無須服務器提供服務，所有終端節點均以對等身份存在，存儲一定的資源，并記錄一定范圍內節點的路由信息，實現DHT 網絡的尋址和存儲[11]。DHT 的每一個終端是一個節點，由于節點均記錄著一定范圍內的路由信息，因此新加入的終端只和DHT 網絡中的任一節點相連接，就可以通過相應的路由信息快速地連接到其他節點中。DHT 為像P2P 這樣的分布式網絡系統提供了一種快速可行的搜索服務。通過將（鍵，值）存儲在分布于世界各地計算機上的DHT 中，任何參與節點都可以有效地檢索出給定密鑰相關的值，鍵是映射到特定值的唯一標識符，而這些標識符又可以是從地址到文檔到任意數據的任何內容[12]。簡單地說，DHT 技術使用的網絡中任何一臺設備都具有服務器的部分功能，從而終端用戶的搜索下載不再依靠中心節點服務器[13]。

DHT 具有以下特征：自治與分權：節點相互之間形成系統，不需要中心節點協調。容錯：即使其中有節點離開或連接失敗，系統也是可靠的。可伸縮性強：節點可自由加入，即使節點數量為數千個或數百萬個，系統也可有效運行。低成本：任何一個節點僅需要與系統中的其他少數幾個節點進行協調，因此節點的改變只需要對少數幾個節點進行調整即可，大大降低建設和維護成本。

DHT 以上技術特征非常適合構建P2P 虛擬圖書館，能夠有效解決該模式的搜索、下載等問題。當然，P2P 虛擬圖書館與一般的文件共享和搜索不同，而是一個更高層次的、更復雜的、更加規范的信息資源共享和共建聯盟，需要建立一種基于DHT 的文獻資源檢索機制，為P2P 虛擬圖書館提供規范高效的支持與服務。

3.區塊鏈。構建P2P 模式的虛擬圖書館給文獻資源服務方式和服務效率帶來重大變革，但同樣無法繞開數字資源使用中存在的版權問題，尤其是P2P 模式的資源傳播方式對數字資源版權管理能力提出了更高的要求。原創作品被侵權和使用未授權的數字資源是兩種常見的版權侵權行為，當前主要通過《著作權法》和傳統的數字資源版權管理進行保護，實現的途徑主要是限定資源的使用范圍和權限，如此難以避免版權侵權行為的發生，且在侵權行為發生后，著作權人也難以舉證和維權[14]。

區塊鏈具有去中心化、不可篡改、可追溯等基本特性[15]，為解決P2P 虛擬圖書館數字版權問題提供了新的方案。區塊鏈的概念由日裔美國人申本聰于2008 年首次提出[16]，在隨后幾年區塊鏈成為比特幣的核心組成部分，也逐步在金融、物聯網、物流、公共服務等領域得到廣泛應用[17]。區塊鏈的核心技術包括分布式賬本、非對稱加密、共識機制以及智能合約等[18]，應用這些技術構建基于區塊鏈的數字版權保護和管理系統，對于數字資源的版權信息進行追蹤，權利人對自己作品的版權具有更強大的控制權。利用區塊鏈不可篡改和可追蹤的記錄信息，在侵權行為發生后可快速地定位侵權主體，并利用帶有時間戳信息的P2P 分布式數據庫記錄數字資源的版權鏈信息，可有效降低數字資源被侵權風險。2017 年9 月，國內首家區塊鏈主題圖書館深圳“前海區塊鏈圖書館”揭牌成立，標志著區塊鏈技術正式運用于圖書館領域[19]。

三、建設框架

基于區塊鏈技術的P2P 虛擬圖書館（PVLB）由分布在世界各地的終端節點構成，這些終端節點的擁有者可以是個人，也可以是組織（如圖書館、企業、社會團體等），終端節點設備能夠連接到PVLB 的P2P 網絡中。每個節點擁有一定數量的數字資源，可用于外借、租賃，也可僅僅用于P2P 中繼轉發，以加速傳輸過程。PVLB 具有以下特征。

完全虛擬：PVLB 沒有固定或規定的實物場所，也沒有特有的圖書管理員，其資源是分布存儲在各個終端節點的所有非重疊資源副本的總和。

完全開放：任何人或組織均可自由地加入或退出PVLB，不需要經過所謂中心節點或管理員的許可。

嚴格版權保護：除了快速、方便的資源共享外，PVLB 是將以區塊鏈技術為基礎的嚴格版權保護作為前提的。

角色重定義：PVLB 重新定義了圖書館、作者、出版者和讀者的角色，角色邊界正在消失。任何節點都是不同角色的組合，在某些場景下某節點可能是作者，為其他節點提供資源服務，同時它也可能是其他資源的讀者，從其他節點借閱或購買資源，也有可能僅僅是網絡中資源轉發者，提升資源的傳輸效率。

功能豐富：PVLB 除具備圖書借閱功能外，還支持圖書出版、預覽、出租、買賣、轉讓等功能，任何節點均可以借助PVLB 完成相應的資源服務。

基于P2P 網絡，每個節點都擁有支持上述特性的軟件系統，并加入其中，整個PVLB 的層次結構可分為用戶層、版權保護層和P2P 網絡層，如圖3 所示（見下頁）。

圖3 PVLB 框架結構示意圖

1.用戶層。用戶層包括用戶界面、用戶角色、數字資源以及用戶操作等部分,提供用戶登錄、系統設置和管理、檢索、閱讀、交易等功能界面，還可及時顯示PVLB實時狀態，如連接速度、連接節點數量等。數字資源包括圖書、論文、圖片、音視頻等可在P2P 網絡中傳輸、使用的資源。為了版權保護，每條資源記錄除了本身內容，還包含版權信息（版權所有者、保護期限、權利范圍等）、費率信息（如免費、租金、售價等）、交易記錄列表等。此外，還包含了用于版權保護的加密信息，除資源基本信息外，詳細內容需要經權利人授權才可進行使用。

用戶進入PVLB 系統后，能承擔著四個不同的角色，分別為作者、出版者、讀者和傳遞者。作者為資源的創造者，對產品擁有著作權，決定著資源的使用和推廣方式；出版者協助作者進行資源推廣，也可以向作者購買著作權，并獨立推廣授權資源；讀者是PVLB 的主要服務對象，根據自身需求借閱、購買相應資源，但未經權利人授權，不得復制、傳播、轉讓資源給其他人；而傳遞者在P2P 網絡中起著傳輸中繼的作用，將自身存儲的資源傳遞給其他獲得授權的用戶，可以大大提升資源傳輸效率。

PVLB 除了為用戶提供傳統數字圖書館擁有的閱讀、資源檢索等基本功能外，還提供資源發布、在線交易以及中繼傳輸等操作。閱讀是PVLB 的最基本功能，可以是在線的，也可以是離線的，但與傳統數字圖書館不同之處是，閱讀必須是獲得了相應授權；檢索功能則與傳統檢索功能沒有太大區別，用戶可以根據自身需求，在P2P 網絡上根據標題、作者、關鍵詞、主題等進行檢索。此外，角色為作者或出版者的用戶可通過P2P 網絡在PVLB 上發布資源，并為其他用戶提供服務。

2. 版權保護層。每個資源條目中都擁有一個區塊鏈，記錄著不斷增長的交易記錄，每個塊包含前一個塊的密碼序列作為時間戳，使得交易數據是不可篡改的。同時,每個塊由用戶節點集群管理，采用分布式存儲，使用共享的不可篡改的分布式賬本。區塊鏈中信息對所有節點用戶都是開放的、透明的，每個參與者都對自己的行為負責。

基于區塊鏈的數字版權管理提供了一種不可篡改的去中心化互信機制，PVLB 網絡中的所有節點在分布式賬本模式下具有平等的地位，形成集體參與、高度透明、有安全保障的共識機制[20]。通過共識機制，區塊鏈記錄著數字作品的生產過程，網絡中的其他節點共同承擔數據的驗證、傳輸，并全程跟蹤監督版權的流轉過程，從而實現數字版權管理。

3.P2P 網絡層。P2P 網絡層包括P2P 網絡接入、檢索和傳輸。當新節點首次加入PVLB 時，將獲得一個唯一的ID，并要求完善一些節點基本信息，如姓名、認證信息、地址等。當用戶在PVLB 上發布資源時，每條新的資源也被賦予一個唯一的ID，同樣也被要求完善資源基本信息和內容，如使用方式（免費、收費）、費用、權利范圍等。這些信息都是通過DHT 進行計算和分布式存儲的。

如其他一些基于P2P 文件共享協議的軟件系統一樣，PVLB 中每條資源鏈接被記錄到多個對等節點中,用戶根據自身需求在網絡中進行資源檢索，PVLB 將返回較近節點的資源鏈接，在完成資源授權后，用戶可以啟動多個線程從多個節點中下載相應資源，從而提升資源獲取效率。

目前，各領域研究人員已經從P2P 網絡分類模型、檢索機制、通信方式等多個不同的角度進行了深入研究[21]，P2P 技術也廣泛應用于各領域。P2P 網絡具有可擴展性好、健壯性好、性價比高等優勢[22]，為文獻資源服務提供了一個高效率、低成本的選擇。同時，隨著區塊鏈技術的逐步成熟，區塊鏈的研究和應用也已逐步覆蓋了教育、供應鏈、消防安全、媒體文化、電力系統、智慧城市、公共管理、醫療服務等各個行業[14]。區塊鏈的點對點技術、智能合約、共識機制以及時間戳技術等，則為數字資源版權保護提供強有力的技術支持，為構建和諧的版權生態環境提供了新方向。

本文提出的基于區塊鏈技術的P2P 虛擬圖書館設計框架有一定的現實意義，能為今后圖書館資源模式研究提供參考。區塊鏈技術和P2P 技術應用于圖書館建設中，能為將來不同領域的協作奠定一個良好的基礎。

本文僅是從理論上進行了分析探討，從而提出了基于區塊鏈技術的P2P 虛擬圖書館實現框架方案，對于具體如何實現、軟件系統的總體設計及具體實施措施尚未進行深入研究，這也將是今后的研究方向。