基于區(qū)塊鏈的裝備數(shù)據(jù)存儲和共享技術(shù)研究

李 勇，唐 琳，文敘菠

(91977部隊，北京 102249)

0 引言

2008 年，中本聰發(fā)表論文《比特幣：一種點對點現(xiàn)金系統(tǒng)》出現(xiàn)關(guān)于區(qū)塊鏈技術(shù)的描述，區(qū)塊鏈技術(shù)進入“區(qū)塊鏈1.0”發(fā)展階段，主要用于支持以比特幣為代表的數(shù)字貨幣。隨著比特幣的持續(xù)升值，2014 年人們開始關(guān)注比特幣背后的區(qū)塊鏈技術(shù)，隨后引發(fā)了關(guān)于區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展運用的浪潮。區(qū)塊鏈作為一種技術(shù)構(gòu)架，是多項技術(shù)集合的解決方案，不斷集成、整合P2P 通信協(xié)議、分布式存儲數(shù)據(jù)庫技術(shù)、加密算法、共識算法等多種技術(shù)，創(chuàng)造了一種按時間序列、按區(qū)塊記錄數(shù)據(jù)的模式。近年來，我國積極努力地將各種新技術(shù)運用到國防軍事中，區(qū)塊鏈技術(shù)具有高安全、高可靠的特點，加快推進區(qū)塊鏈技術(shù)在裝備領(lǐng)域的發(fā)展研究，有利于提升我國國防整體實力。

1 區(qū)塊鏈的技術(shù)特點

近年來，區(qū)塊鏈技術(shù)延伸到金融、物流、能源、醫(yī)療、城市服務(wù)、慈善公益、文化娛樂、醫(yī)療健康、科學(xué)文化等社會各個領(lǐng)域中，對傳統(tǒng)中心化IT應(yīng)用發(fā)起挑戰(zhàn)。其最引人注目的特點是去中心化、匿名性、去信任和高安全性。

區(qū)塊鏈的本質(zhì)是去中心化的。通過全網(wǎng)統(tǒng)一賬本、對等網(wǎng)絡(luò)、區(qū)塊鏈共識算法實現(xiàn)邏輯上的、架構(gòu)上的、治理上的去中心化，為區(qū)塊鏈帶來容錯性、抗攻擊力和防合謀能力，使政府、企業(yè)均看好區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展前景。

區(qū)塊鏈的第二個特征是匿名性。區(qū)塊鏈只關(guān)注身份標(biāo)識，而不關(guān)注身份的真實性，通過區(qū)塊鏈，可以查詢到每一筆交易的數(shù)據(jù)信息，卻無法得知交易者。區(qū)塊鏈的匿名性特點，在一定程度上很好地保護了用戶的隱私。

區(qū)塊鏈的第三個特點是去信任。區(qū)塊鏈系統(tǒng)建立起來的去信任，應(yīng)該稱為去第三方信任，完全不依賴第三方信任機構(gòu)，由系統(tǒng)自行建立信任關(guān)系，實現(xiàn)對以鏈上數(shù)據(jù)為表征的歷史行為真實性的信任，和對以規(guī)則和機制為約束的未來行為的信任。

區(qū)塊鏈的第四個特點是高安全性。區(qū)塊鏈通過共識和不可篡改來保證數(shù)據(jù)的安全性，共識是指使用的一致性算法來保證網(wǎng)絡(luò)的真實狀態(tài)和交易的有效性達成一致，不可篡改是指區(qū)塊鏈無法修改已經(jīng)確認(rèn)的交易記錄，依此保證區(qū)塊數(shù)據(jù)和交易記錄的完整性。

2 裝備數(shù)據(jù)的特點

我軍武器裝備建設(shè)正面臨信息化向智能化邁進的重要階段，裝備論證、作戰(zhàn)推演、效能評估離不開裝備數(shù)據(jù)的實際使用；裝備的科學(xué)使用、保養(yǎng)、維修、保障和管理離不開裝備的故障分析數(shù)據(jù)；裝備的設(shè)計、研制、生產(chǎn)、質(zhì)量監(jiān)控、檢驗驗收離不開裝備的實際運行數(shù)據(jù)；目標(biāo)識別、武器攻擊決策離不開日積月累的敵對目標(biāo)識別數(shù)據(jù)；裝備全系統(tǒng)、全壽命、全過程、全費用分析、管理和保障離不開對現(xiàn)役裝備綜合信息的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。可以說，裝備信息數(shù)據(jù)已成為裝備論證、評估、設(shè)計、制造、試驗、作戰(zhàn)、使用、維修、保障和發(fā)展的重要支撐。

2.1 各類系統(tǒng)林立、數(shù)據(jù)物理分散

在我軍信息化建設(shè)過程中，各級武器裝備部門為滿足日常業(yè)務(wù)工作所需，自主開展了業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)建設(shè)，系統(tǒng)由各部門自建、自管、自用，各類系統(tǒng)獨立運行、自行組網(wǎng)，為保障用戶使用、輔助分析提供了強有力的支撐。但隨著各級各部門聯(lián)合、融合開展業(yè)務(wù)工作需求日益增強，數(shù)據(jù)集成、融合的問題也凸顯出來。

2.2 缺乏頂層規(guī)劃、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一

各級各部門在裝備數(shù)據(jù)工程建設(shè)中，圍繞自身業(yè)務(wù)開展數(shù)據(jù)的研究、設(shè)計、使用和管理，數(shù)據(jù)建設(shè)沒有頂層籌劃和統(tǒng)一指導(dǎo)，各類系統(tǒng)在數(shù)據(jù)定義、解釋、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)等方面自成體系，數(shù)據(jù)異構(gòu)性明顯。同時，缺乏跨業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

2.3 管理職責(zé)不明、數(shù)據(jù)共享困難

缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)歸口管理組織，管理職責(zé)混亂，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、底層數(shù)據(jù)各部門都在采集、統(tǒng)計，沒有統(tǒng)一數(shù)據(jù)源頭，經(jīng)常發(fā)生重復(fù)性數(shù)據(jù)采集工作。同時，對數(shù)據(jù)的安全認(rèn)識不足，安全防護手段技術(shù)不全，為了數(shù)據(jù)的安全保密，只能采取簡單的封閉策略，各部門之間數(shù)據(jù)共享難、重用難。

3 基于區(qū)塊鏈的裝備數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

針對我軍裝備數(shù)據(jù)物理分散、標(biāo)準(zhǔn)不一、共享困難的特點，以“盤活資源、集約建設(shè)”為指導(dǎo)思想，充分保留業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)現(xiàn)有格局，充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，在裝備數(shù)據(jù)存儲和共享中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，快速實現(xiàn)裝備數(shù)據(jù)上鏈，構(gòu)建一種不可被破解的管理和監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1 構(gòu)建“鏈群”式“微中心”區(qū)塊鏈

借鑒微信群的模式，建立“鏈群”，即組成一個“微中心”，其作為區(qū)塊鏈的一個節(jié)點，如圖1所示。“鏈群”中的“群主”存儲區(qū)塊鏈中的副本信息，“群成員”為“微中心”提供算力支持，“群主”作為“微中心”在鏈上交互的出入口，對每個“群成員”負(fù)責(zé)，并為“群成員”提供信息交互通道和相應(yīng)的服務(wù)保障。采用這種方式構(gòu)建區(qū)塊鏈，實際上是“群主”上鏈，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)由各“鏈群”的“群主”組成，“群主”和“群主”組成一種無中心的服務(wù)器集群模式，構(gòu)建一個對等的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的點對點傳輸和分布式存儲。采用此區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，既能最大化利用現(xiàn)有計算存儲資源，也能享有區(qū)塊鏈技術(shù)帶來的便利，特別是保留了我軍既有的信息中心系統(tǒng)模式，為提升效率、節(jié)約資源提供了一種很好的技術(shù)實現(xiàn)途徑。

圖1 “鏈群”式“微中心”區(qū)塊鏈?zhǔn)疽鈭D

3.2 “鏈群”式“微中心”區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲模型

目前，我軍建立了大、中、小各類裝備信息服務(wù)中心，通過構(gòu)建統(tǒng)一的信息通信網(wǎng)絡(luò)，打通各信息服務(wù)中心之間的通信網(wǎng)絡(luò)鏈路，參照“鏈群”式“微中心”區(qū)塊鏈模式，利用區(qū)塊鏈去中心化思想，將各信息系統(tǒng)服務(wù)中心作為區(qū)塊鏈節(jié)點共同組建區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 “鏈群”式“微中心”區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲模型

在此區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，原有的服務(wù)中心物理位置不變，但作為區(qū)塊鏈的節(jié)點需要部署數(shù)據(jù)存儲區(qū)塊鏈系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用智能合約、共識算法、跨鏈協(xié)議以及安全管理等技術(shù)，提供統(tǒng)一賬戶管理、監(jiān)管審計、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)交換等基礎(chǔ)支撐功能，實現(xiàn)裝備數(shù)據(jù)的鏈上存儲，并為其他應(yīng)用系統(tǒng)提供智能合約調(diào)用、區(qū)塊信息查詢、節(jié)點信息查詢、交易信息查詢等接口。該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，其中數(shù)據(jù)層主要存儲本地數(shù)據(jù)和其他節(jié)點相關(guān)信息，并實現(xiàn)與鄰節(jié)點之間的通信；服務(wù)層為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一服務(wù)和調(diào)用接口，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新與同步；應(yīng)用層為用戶提供服務(wù)，實現(xiàn)查詢、展示、業(yè)務(wù)操作等功能。

為適應(yīng)數(shù)據(jù)存儲區(qū)塊鏈系統(tǒng)運行，部分服務(wù)中心可能需要更換高性能服務(wù)器，各信息系統(tǒng)存儲本系統(tǒng)所屬信息，通過區(qū)塊鏈副本將所有服務(wù)節(jié)點數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，共同組成一個分布式數(shù)據(jù)存儲的網(wǎng)絡(luò)。例如，區(qū)塊鏈節(jié)點1中信息服務(wù)中心存儲的數(shù)據(jù)主體還是本系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，主要為本系統(tǒng)內(nèi)部用戶提供。同時，它作為區(qū)塊鏈的一個節(jié)點，存儲有區(qū)塊鏈副本，可以掌握鏈上其他節(jié)點存儲的數(shù)據(jù)，當(dāng)本系統(tǒng)用戶需要調(diào)用其他節(jié)點數(shù)據(jù)時，可以向本節(jié)點提交數(shù)據(jù)請求，由區(qū)塊鏈統(tǒng)一調(diào)度實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問。

4 基于區(qū)塊鏈裝備大數(shù)據(jù)共享模型

在基于區(qū)塊鏈的裝備大數(shù)據(jù)存儲的基礎(chǔ)上，構(gòu)建去中心化大數(shù)據(jù)共享平臺，將此平臺發(fā)布到裝備大數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈上，打破數(shù)據(jù)擁有者和數(shù)據(jù)需求者之間的信息共享瓶頸，可實現(xiàn)信息按需發(fā)布、按需共享，隨時發(fā)布、實時共享。基于區(qū)塊鏈的裝備大數(shù)據(jù)共享模型由數(shù)據(jù)需求方、去中心化數(shù)據(jù)共享平臺、數(shù)據(jù)擁有者、數(shù)據(jù)源四部分組成，如圖3所示。

圖3 基于區(qū)塊鏈的裝備大數(shù)據(jù)共享模型

去中心化數(shù)據(jù)共享平臺主要由聯(lián)邦節(jié)點和數(shù)據(jù)共享鏈組成，一是在各數(shù)據(jù)中心建立聯(lián)邦節(jié)點，并通過對等網(wǎng)絡(luò)與其他聯(lián)網(wǎng)節(jié)點連接，形成跨域數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)點對點安全傳輸，并提供文件類型的“可見”式共享，以及模型或接口類型的“不可見”式共享；二是建立數(shù)據(jù)共享鏈，通過可編程智能合約設(shè)計各聯(lián)邦節(jié)點間的數(shù)據(jù)共享規(guī)則、認(rèn)證機制、數(shù)據(jù)交換方式，具備對聯(lián)邦節(jié)點的管理協(xié)調(diào)、權(quán)限控制、交換存證、數(shù)據(jù)溯源、數(shù)據(jù)審計等功能，實現(xiàn)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)共享全程可控、全局可管。

數(shù)據(jù)需求者指對數(shù)據(jù)有需求的軍工企業(yè)、科研院所、裝備機關(guān)等，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同可將它們分為裝備保障、科學(xué)研究、指揮管理、輔助決策等。數(shù)據(jù)擁有者指擁有數(shù)據(jù)所有管理權(quán)限的單位或機構(gòu)，如裝備機關(guān)、部隊、裝備承制單位、維修企業(yè)等。在該模型中，各主體有明確角色界限，角色之間可以相互依賴和轉(zhuǎn)換，其中，數(shù)據(jù)擁有者通過去中心化數(shù)據(jù)共享平臺發(fā)布數(shù)據(jù)，作為信息流的起點。隨后，雙方可檢索數(shù)據(jù)、查看數(shù)據(jù)質(zhì)量評價、發(fā)布數(shù)據(jù)訂閱需求等，最終雙方在該平臺上進行數(shù)據(jù)權(quán)限可信、透明、平等的共享交互。通過區(qū)塊鏈挖礦等激勵機制維持生態(tài)圈模型的正常運行，保證信息的可靠性，同時杜絕劣質(zhì)、虛假的數(shù)據(jù)在鏈上進行傳遞，有助于營造良好的數(shù)據(jù)共享生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)束語

區(qū)塊鏈將多種技術(shù)融合，具有傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫與集中式數(shù)據(jù)庫無法比擬的優(yōu)勢，而當(dāng)前軍隊裝備大數(shù)據(jù)對系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)信任和可信賴擴展性的需求，恰好與其吻合。本文針對目前裝備系統(tǒng)種類多、數(shù)據(jù)復(fù)雜的情況，研究了基于區(qū)塊鏈的裝備數(shù)據(jù)存儲和共享技術(shù)，可實現(xiàn)裝備研制、訂購、調(diào)配、使用、管理、維修、評估等全流程信息的鏈上存儲與共享。后續(xù)，還應(yīng)在以下方面進一步研究解決方案。①構(gòu)建全網(wǎng)運轉(zhuǎn)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)前各裝備系統(tǒng)存在于不同的網(wǎng)絡(luò)中，甚至還存在單機版系統(tǒng)，如何使這些裝備數(shù)據(jù)全上鏈，在確保安全保密的基礎(chǔ)上，構(gòu)建滿足軍隊密級要求，安全可靠的區(qū)塊鏈專用傳輸網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)和前提。②成立專門的區(qū)塊鏈組織機構(gòu)，統(tǒng)一負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、管理、維護以及區(qū)塊鏈系統(tǒng)的建設(shè)，確保區(qū)塊鏈系統(tǒng)的研制、建設(shè)、使用、管理都有專門機構(gòu)負(fù)責(zé)。③建立符合裝備數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈運行的制度機制，確保數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈轉(zhuǎn)化、信息存儲、信息共享都有規(guī)可依、有章可循。