基于區塊鏈技術的本地化云計算大數據的應用探析

楊偉超 尹廷鈞 趙海濤 孫嘉琦

（戰略支援部隊信息工程大學教研保障中心圖書館，河南 鄭州 450001）

0 引言

這么多年來，社會突飛猛進發展的同時云計算已經走到了更高效、更快速、更方便、更高的性價比的方向，并且遍及人類社會的方方面面。對于網絡安全和個人隱私的擔憂也是人們所關注的，在對于將信息轉送到云中儲存，大部分人都持有保留態度，為此本地計算服務由于安全和信任問題而猶豫不決。本文對于區塊鏈技術的發展將在下文進行闡述。

1 區塊鏈技術

當提到區塊鏈體系時，一般人無法區分區塊鏈與比特幣，因為兩者有著相似的特點。然而細細分下來也有這不同的點可以區分，那么可知比特幣是基于點對點支付的數字貨幣系統，而區塊鏈則是實現該系統的最主要手段。狹義上，區塊鏈是指一種數據結構，由按時間順序相互連接的小塊數據所組成，時間順序如圖1所示。而數據的可操作性和可靠性，則通過消息加密來完成。它往往是一個分散的共享賬本。

圖1 區塊鏈接示例

區塊鏈技術，是指去中心化基礎架構是通過加密鏈塊體系結構由不同節點所構成的分散式基礎設施，以及通過系統與協議分布、P2P網的通信技術，與智能協議塊技術所組合而成的。

實際上它是一個全新的數據結構。它和傳統數據庫或者開放數據庫系統完全無關，而是存儲并記錄信息于整個網絡中。一般來說，在十分鐘內，就能夠使用哈希技術得到區塊頭和主體。 該區塊頭能夠使用時間戳來標識和連接下一個區塊頭，而這個區塊頭能夠使用保存信息。當區塊建立時，操作系統將自動生成信息的時間戳并為它打上標簽。這是一個利用時間戳方法來進行數字文檔信息安全管理的新協定。該協議是對當前TCP/IP協定的修改版。因為區塊鏈是以時間順序排列的數據記錄，一旦建立后便無法更改。因此任何數據消息都將在整個網絡上的所有節點上共享和保持。而如果所有節點的消息都發生了變化，則將以網絡廣播的形式將此消息傳送給所有節點。有一個在零點之五以上的節點接收并記錄了變更消息，在每個節點共同檢查后，消息都將記錄到整個區塊鏈網絡中。就這樣，這也徹底改變了對傳統數據庫的定義。傳統的數據庫采用創建數據庫來保存數據，而這樣集中的數據保存方式也深受區塊鏈存儲的影響。而區塊鏈技術則是因特網TCP/IP比特的改進版本，是未來空間技術網絡設施中的一個全新的網絡空間。

2 區塊鏈和云計算技術結合的演變

區塊鏈與云計算技術的融合也帶來了一項新興市場——區塊鏈云計算業務，它能夠直接向本地公司和組織傳輸大數據，并提供快捷、安全的云端金融服務。一方面，這種業務促進了區塊技術在很多行業中的廣泛應用；另一方面，云計算技術市場也產生了巨大變革。隨著區塊鏈科技的日益發展與變化，區塊鏈背后的基礎設施工程也在不斷完善。不少企業已經為建立區塊鏈基礎設施打下了基礎，并期望在高新科技領域起到領頭作用。作為將遠程區塊鏈用于比特幣的基礎技術，它克服了傳統集中交換中出現的一系列問題。通過分散的事務提高了事務的速度，并克服了事務之間互不信任的問題。這也是一種十分安全的技術體系，因為區塊鏈實質上是通過P2P傳遞值的協議，開發一個具有共識機制和分布式網絡的綜合技術聚合區塊迄今為止有三種類型的區塊鏈。這三個分類的區塊在分散范圍上都各不相同，在參與者和消費者群體中也有不同的分類。各種形式的虛擬數字貨幣應該先針對貨幣應用場合選定一個類型作為底層技術，并基于在該類型底層技術上進行的研究。

計算云的演變也類似于區塊鏈技術，并有三種類型的云計算。這三種計算云主要是分配分布式的計算方法，具有網絡存儲和計算功能，具有價格低、可靠性高的重要特點。遠程公共鏈和公共云都具有資源共享的特點，私有鏈和私有云都是通知個人客戶，強調信息私有化，而聯盟鏈和混合云則是前兩者的集成。雖然數據和信息是個人的，但這些個人數據和信息可以共享。

區塊鏈為分布式賬本，所以區塊鏈需要IP通信協議和分布式網絡等安全技術的支撐，在傳輸階段也不需要由中心服務器節點管理。同時也由于引進了工作證明的概念，遠程計算的分布式網絡結構賬本雖然受到了局限，但也因為遠程計算引入了虛擬化技術，從而可以實現存儲計算機與互聯網之間的虛擬化，而由于區塊鏈分布式存儲要求的計算能力，也就正好可以獲得滿足遠遙區塊鏈的智能合約，所以通常也被看作是一個自動擔保額賬戶。

3 區塊鏈架構及關鍵技術

區塊鏈的基礎架構如圖2所示。

圖2 區塊鏈技術構架

3.1 數據層

數據層通常用于保護包括了時間戳、Merkle樹、非對稱加密和散列等技術點的數據塊結構，以保證對數據的可追溯性和干預的可能性。而數據塊結構中一般有兩個重要組成部分：塊標題和塊內容。塊標題中記錄了諸如版本號、輸出塊上的哈希值、時間戳、等，對任意Merkle數和根塊都以Merkle樹的形式存儲了事務數據。而數據塊也可以根據時間戳的順序形成鏈結構。Merkle樹也可以快速證實數據塊的存在性和完整性。

3.2 網絡層

組網方面，通過通信分發協議和數據驗證機制形成了網絡層，并形成了分散分布的雙節點拓撲架構。所有兩個節點之間都能夠在不形成互信的情形下完成信息交換。交換消息宜采用無線電傳送。為保證整個網絡系統的順利工作，并通過激勵機制保證有相應的節點，共同參與和貢獻計算能力。

通過P2P扁平式拓撲模式，網絡中的每個節點承擔相同的角色。它具有路由檢測、事務信息驗證、事務信息傳輸和新節點發現等主要功能。整個網絡的正常運行不會受到某些節點損壞的影響，但也會增加維護所有節點的成本。

每個網絡節點都將實時監測網絡的廣播信號。當發現用于傳輸給其他節點的數據之后，它們還將檢查在交易中的簽名、時間戳以及其他信息來標記，并通過證據加載區塊，以檢驗交易內容和區塊的有效性。一旦使用成功，它將保存并繼續轉發或傳輸。不過，有關數據的消息將被拒絕，而且也無法轉發。

該節點通過廣播將其生成的事務信息發送給周圍節點，其他節點驗證后則繼續傳播。如果信息未通過驗證，將被拒絕，并將繼續傳播有關錯誤的信息。

3.3 共識層

分散網絡中的決策權高度分散，因此，每個節點必須有效地實現數據效率，并有效地達成共識。通過使用幾種方案解決了這個問題，如負載演示機制（PoW）、公平演示機制（PoS），用于演示許可證（DPoS）問題的機制和分配一致性的算法。

共識過程和經濟刺激因素的結合顯著提高了PoW機制中網絡塊的穩定性，但為了達到假冒或偽造區塊的目的，還是有必要事先把該區塊和所有后續區塊都找到了隨機數，這樣就可以限制區塊網中百分之五十一以上的計算能。這也就是攻擊成本太高的主要原因。

為了處理計算資源損失和百分之五十一攻擊等問題，組織在支持理論機制中采用了權益的證明（貨幣年齡和代幣數量等），并以此作為在PoW中計算能力的證據。通過增加資源的數量，降低了資源獲取的困難。在某種程度上，它又突破了完全分權的范疇。

DPoS制度類似于董事會投票。各個節點代表可以將其權利委派給下一個節點代表。節點代表將管理其他節點，而節點代表則將以記賬的形式創建新的區塊。最后因為參與數據驗證的節點數量和由于會計權利競爭而產生的資源損耗逐漸減少,所以實現了第二級一致性檢驗。

在聯盟鏈中，與完全分散的公共鏈不同，它更適合分布式一致性算法，不需要太多計算資源。塊網絡應選擇一個主節點來生成新的塊和節點傳輸信息。

3.4 激進層

在激勵層面上，把經濟因素集成在區塊系統中，在共識節點間建立了服務機制。消費節點不但能夠達到企業利潤的最大化，而且還能夠保障整個系統的整體有效運營。最常見的比特幣發行機制分為每股付款、按股份付費，以及按比例付款。

3.5 合約層

協議層的實質是區塊鏈的業務邏輯和算法。協議層的存在既可以實現管理區塊數據的靈活工作方法，也可以實現對合同底層區塊系統的編程。比特幣平臺也利用腳本層實現了協議管理功能，而大多數的新一代區塊鏈數據平臺也開始使用了智能協議。

用編程語言創建的智能協議理解了業務邏輯。協議將在整個區塊鏈的所有節點發布。調用時，它將在虛擬機上工作，并且在啟動后將無法強制中斷。在總結了交易的業務邏輯和智能合約中的數據訪問規則之后，外部附件將通過調用智能合約鏈接到區塊狀態，從而與區塊間交換數據。

智能合約的優點主要包括：干預的人為風險降低、精確執行、信息有效更新以及分散的電力資源和低運作成本。智能合約為大數據層中的數據提供了更加靈活的編程機制，并在區塊鏈中充當了機器代理的角色。

4 基于區塊鏈技術的本地化云計算大數據應用理論

4.1 網絡架構

云計算技術和與區塊鏈技術在現實使用流程中也有一定的相似之處，利用這些差異可以充分集成于云計算技術和與區塊鏈塊技術，以實現更大規模基于云端的計算機應用程序，實現云端運算功能的良好性能和與區塊技術。就網絡結構來說，云計算技術和與區塊鏈技術都是分布式網絡，這將更利于網絡的構建。

4.2 數據運算

在采用區塊數據塊技術時，其主要使用數據碎片和信息資源，通過使用密鑰對碎片數據和信息資料進行加密，從而在網絡的各個節點間分配加密信息和資料。在上述操作過程中，通過云計算技術進行適當的計算支持，塊技術則進行信息分散管理。這兩個技術的接近性能，進一步保證了移動過程中信息資源的正確性、效率、穩定性和安全性。

4.3 智能合約

賬戶與數據信息資源交互時，應通過智能合約的方式確保交易的安全。智能合約的有效使用可以充分提高信息資源之間交互的信任、穩定性和安全性。該條約在執行議定書時主要依靠封鎖技術，并有效地將分散的數據和信息資源納入議定書的執行過程。

5 結語

總之，云計算技術與區塊鏈科技的融合保證了準確性、效率，企業財務數據與個人信息資料在云端轉化流程的穩定性與安全，也提升了消費者對云計算中心的信任。在已有的基礎設施條件下，通過提升計算速度，增強基礎設施的計算能力,并優化對不同領域網絡資源的分配，以確保更好地為消費者提供高質量快捷的資訊產品與信息服務。同時，二者的有機融合也進一步推動了區域間與跨專業的融合以及大數據與信息技術之間的交流資源。