區塊鏈背景下江西省公共圖書館通借通還服務實踐研究*

張小燕

（江西省圖書館，江西 南昌 330038）

1 引言

近年來，隨著區塊鏈技術的興起，各地公共圖書館為了提供更便捷的服務，不斷嘗試將區塊鏈技術應用到圖書館創新服務中。“區塊鏈”技術有效提高了圖書館信息收集的多樣性、傳播的廣泛性和存儲的安全性，可以說它給公共圖書館讀者服務工作帶來了創新性的變革［1］?！皡^塊鏈”技術使公共圖書館真正成為多中心、安全存儲和高效率的信息中心，解決了傳統圖書館技術中無法解決的很多難題。目前，針對區塊鏈技術，公共圖書館已在知識產權保護、館藏資源管理、館際信息共享、數字閱讀推廣、文獻采購管理等方面展開較多研究［2］。

江西省搭建了以江西省圖書館為中心，聯合江西省內市級、區（縣）級圖書館的互通互聯、資源共享和一證通行、通借通還平臺，凡持有借書證的讀者，可以在任意一個成員館檢索、借閱館藏圖書，也可以在任意一個成員館進行還書，極大地方便了讀者，實現了資源共享。但是，在實踐運營中面臨技術難題，如：數據有被篡改、誤操作、泄漏的風險；江西省圖書館在并發請求、聯合查詢、實時同步中數據運算方面壓力大等。因此，本文就江西省公共圖書館通借通還服務現狀進行總結和分析，再結合區塊鏈的技術特性，提出利用區塊鏈技術優化江西省公共圖書館通借通還服務的策略。

2 區塊鏈的產生、發展及在圖書館的應用

區塊鏈技術進入公眾的視野是從中本聰發布的比特幣白皮書開始的。區塊鏈就像互聯網一樣，未來將會與人們的生活息息相關。區別于以信息交互為主的互聯網，區塊鏈的本質是一個嵌合了模型的分布鏈式數據庫，具有泛中心化、透明開源、防篡改、可追溯的技術特性［3］。在國務院印發的《“十三五”國家信息化規劃》中，區塊鏈作為革新型的技術被納入了國家行動計劃［4］。2019年10月24日，中共中央政治局就區塊鏈技術發展現狀和趨勢進行了第十八次集體學習。習近平總書記在主持學習時強調，區塊鏈技術的集成應用在新的技術革新和產業變革中起著重要作用。我們要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關鍵核心技術，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展［5］。

陜西省圖書館在采集數字閱讀資源之初便利用區塊鏈分布式網絡自定義映射規則和關聯規則，設計了數字閱讀資源采集路徑［6］。該做法不僅能確保圖書館采集的數字閱讀資源屬性具有較高的一致性，而且有效解決了原始數字閱讀資源波動大、不平滑、非線性等共性問題。

中國國家圖書館依托區塊鏈分布式網絡的權限管理功能，讓著作權主體自主劃定數字閱讀資源采集的權限邊界，并全流程跟蹤數字閱讀資源版權變更情況。另外，還打造了基于區塊鏈分布式網絡的版權鑒定平臺，可智能過濾存在版權爭議與版權瑕疵的數字閱讀資源［7］。

在實踐層面，浙江省公共圖書館率先開展了基于區塊鏈網架構建設，浙江省圖書館擬運用區塊鏈技術開發浙江省公共圖書館文獻通借通還平臺，優化文獻通借通還、讀者借閱信息查詢、前端服務頁面、移動服務整合、物流管理、大數據收集展示等業務功能。浙江省各級公共圖書館擬利用區塊鏈技術使異構系統通過數據接口共同實現人工服務和RFID設備完成文獻通借通還業務功能。

3 江西省公共圖書館通借通還服務平臺建設情況

江西省公共圖書館通借通還服務平臺軟件采用C/S+B/S架構和中間件技術，不限制接入用戶數量，支持各種操作系統平臺（Windows 2000或2003以上、Linux、AIX、Solaris、Unix 等），采用Oracle 數據庫作為數據庫管理平臺，數據庫結構數據接口完全開放，將文獻共享聯盟所有成員館館藏加入統一檢索數據庫，數據高速存取安全可靠。該平臺擁有人性化的操作界面，完善的安全機制,功能強大，統計快速準確。該平臺功能包括通借通還事務處理、流通參數設置、財經庫維護、通借通還財經史、互借庫維護、通借通還日志查詢、通借通還財經統計、通借通還分類統計等。

讀者通過江西省公共圖書館通借通還平臺，可查詢和借閱到江西省內成員館的紙質圖書文獻，從而實現江西省內公共圖書館紙質圖書文獻的共享。江西省公共圖書館通借通還服務平臺擁有統一的查詢界面，能實現紙質圖書文獻的多種獲取方式。若是讀者身處的圖書館已有該紙質圖書文獻，讀者可以直接從本圖書館獲取相應的紙質圖書文獻；若是讀者身處的圖書館無此紙質圖書文獻，讀者可以通過江西省公共圖書館通借通還服務平臺從江西省內其他公共圖書館進行獲取。

4 江西省公共圖書館通借通還服務存在的技術層面問題

在政策和管理層面，江西省公共圖書館通借通還服務平臺還存在以下問題：各地區財政支持有限、圖書館發展不均衡；各成員館管理機制、服務標準不完善；現有的物流配送模式制約；文獻滿足率低等。本文僅從技術層面探討制約平臺發展的瓶頸問題。

江西省公共圖書館通借通還服務系統采用的是數據中臺的模式，江西省圖書館是中心館，是通借通還服務數據中心，定時同步各成員館的讀者數據、書目數據、流通數據。江西省各成員館通過互聯互通虛擬網（IPsec VPN）與江西省圖書館建立連接，實現通借通還的數據交互?，F在的通借通還服務系統存在數據安全有風險、成員館對中心館的依賴性強、江西省圖書館數據中心運算壓力大等問題。

4.1 通借通還服務平臺數據安全存在風險

目前，江西省公共圖書館通借通還服務系統數據容易被篡改、容易被誤操作和容災能力低、信息容易被泄漏。江西省公共圖書館通借通還服務系統數據高度集中，一旦系統遭受入侵和攻擊，發生了數據集、數據內容的篡改，就會導致系統性錯誤，從而危害江西全省公共圖書館通借通還業務的正常開展。即便存有副本，也只能恢復到備份前的流通數據，而備份時間節點后的流通數據則無法恢復。館員在工作中可能有誤操作行為，這會令業務數據出現偏差。通借通還服務系統每天都有著大量的數據交互和業務往來，在這些流通過程中并非所有的操作都是自動完成的，很多地方需要人工干預，如重置密碼、污損處理等。人工干預使得誤操作的發生難以避免，所謂再精密的儀器也有失靈的時候，更何況是人呢？館員有時可能誤刪數據，有時可能多插入字符，更為可怕的是館員常常意識不到自己的誤操作行為，而致使錯誤數據被掩蓋和保存。隨著時間流逝誤操作的排查難度也更高，對業務數據的準確性構成威脅。目前的江西省公共圖書館通借通還服務系統只支持業務數據的集中存儲和備份，無法做到即時的異地遠程備份。若災害發生時，可能會導致通借通還服務的中斷和失效，嚴重的造成大量核心數據的丟失，造成難以挽回的損害。目前的江西省公共圖書館通借通還服務系統采用的數據加密方式是統一的，各成員館均可調用數據庫表單，也就是說數據庫對所有成員館開放且共享的。然而，這一方式有可能會造成讀者信息的泄漏，如果不法分子通過任意成員館獲取了該數據加密算法或讀取權限，則可輕易盜取中臺存儲的讀者數據，造成身份信息的泄露。

4.2 成員館對中心館的依賴性強

江西省公共圖書館通借通還服務系統的成員館對中心館存在存儲依賴、驗證依賴、功能拓展依賴等問題。由于江西省公共圖書館通借通還服務系統主要核心數據資源都存儲在中心館，成員館對數據的增刪改查權限皆受制于中心館數據庫，且必須以中心館的數據為標準數據，不論中心館的數據是否可信或混雜臟數據，皆無條件地認可，這即是存儲依賴的局限性。當通借通還流通過程中，中心館發生了設備損毀、宕機、斷電、斷網、阻塞等突發情況，被迫中斷服務，那么各成員館的通借通還服務將陷入停滯，必須等待與中心館的連接恢復才能重新運作。即便是A 館與B 館讀者之間的借閱操作，都必須得到中心館的驗證方能完成，A 館是無權獨自驗證B 館讀者證信息的，這即是驗證依賴。成員館有時會因業務發展的需要，而對通借通還系統的功能進行拓展，如大數據分析應用、Web 接口調用等。這可能涉及數據庫表字段的增減、表結構的修改、數據庫視圖的建立。然而，目前的江西省公共圖書館通借通還服務系統無法滿足各成員館差異化的功能需求，只能使用統一的數據庫結構以保證數據讀取的穩定和效率。

4.3 江西省圖書館作為數據中心運算壓力大

江西省圖書館作為數據中心，存在成員館并發請求壓力大、聯合查詢壓力大、定時同步壓力大的問題。江西省公共圖書館通借通還服務系統所有成員館有著龐大的讀者數據，通借通還業務開展時產生的實時數據，通過各成員館的驗證請求匯聚到單一的數據中臺端口。因此，江西省圖書館服務端承受著大量的并發壓力，需要同時處理、響應多個任務。作為數據存儲的中心，江西省圖書館為各成員館讀者提供聯合查詢的服務。隨著通借通還服務的推進，越來越多的讀者開始使用通借通還系統，這將使得流通表單數據量倍增。然而，現行的關系數據庫單表長度是有限的，跨表查詢更是會占用大量的資源，同時龐大的讀者基數也對ODBC 連接池上限構成挑戰。每一次文獻流通操作，都要向圖書館自動化業務系統進行寫入。為減輕數據中臺實時響應的壓力，讀者數據、書目數據采用的是定時同步方式。因而新辦證的讀者往往不能即時享受通借通還服務，需等待辦證所屬館數據同步至中心館方能享受該服務；新入藏的文獻也無法及時同步數據。若將現有系統改為實時同步模式，則會增加江西省圖書館數據中臺服務器的運算壓力。

5 基于區塊鏈技術的優化策略

5.1 搭建支持權限角色劃分的通借通還聯盟鏈，以增加數據冗余及解決數據安全問題

選擇搭建聯盟鏈，而沒有選擇非公有鏈或私有鏈，主要有以下三點考慮：

一是因為流通數據的副本越多越安全，參與共識的節點越多區塊鏈網絡被破壞的風險越低，在這點上私有鏈是無法與聯盟鏈模式相媲美的。

二是聯盟鏈的執行效率較公有鏈更高，由于公有鏈沒有準入門檻，其出塊需要耗費大量的算力和時間成本，如比特幣所采用的PoW 機制平均出塊時間為10 分鐘，而主流的聯盟鏈架構大多采用 PBFT 機 制（如 Hyperledger Fabric、FISCO BCOS），出塊效率更高。加之創建節點需要獲得許可，出現惡意節點的概率更低，可以節省一部分共識的成本。

三是聯盟鏈具有良好的拓展性。誠如阮岡納贊所言“圖書館是一個生長的有機體”，通借通還業務也是在不斷發展和改進中。筆者認為使用區塊鏈的初衷是為了準確保存流通記錄，但不能為了數據安全而禁錮了借閱系統的發展。選用聯盟鏈可以在運行的過程中適時地調整區塊鏈的網絡和節點配置以滿足業務需求，這是公有鏈所不具備的。

為了制定行之高效的記賬機制，通借通還聯盟鏈必須支持權限和角色的劃分。在省域范圍內開展通借通還，江西省圖書館是起核心作用的，體現在創建、連接、協調、維護4個方面，是業務的管理者，其他館作為成員館加入。一些成員館經費充裕、人才齊備，一些成員館卻條件有限，捉荊見肘。因此，部署聯盟鏈不能一概而論，應當量力而行地給予各成員館不同的權限和角色選擇。以Hyperledger Fabric 架構為例，省級圖書館必須扮演 CA（Certificate Authority）、Orderer、Endorser、Committer 等4 種節點角色，市級圖書館則必須搭建Endorser、Committer 兩種服務，縣級圖書館只需要參與記賬即可，有條件可以建立Endorser 節點，通借通還聯盟鏈Peer節點權限角色劃分具體如圖1所示。

圖1 通借通還Fabric聯盟鏈節點權限角色劃分示意

5.2 開放對本地化驗證和應用的支持，提高成員館自主度

采用“數字證書+簽名+時間戳”的本地驗證方式。在中心化的通借通還系統中，A館讀者去B館借書，需要得到中心館服務器的驗證方可進行，而聯盟鏈通過本地化的驗證方式達到去中心化的目的。在本地完成對圖書流通記錄的驗證就需要用到“數字證書”“數字簽名”“時間戳”這三件利器。

數字簽名可以驗證一條流通記錄的創建者身份，也可以驗證流通記錄的完整和準確。

數字證書由CA 節點頒發，采用.X509 標準格式，用以驗證流通記錄的創建者所提供的公鑰是否真實，以及創建者的權限角色信息。

時間戳用于記錄每筆圖書流通交易的時間，區分流通交易的先后順序，防止重放攻擊的發生。

有了這三件利器，讀者A 去B 館借書就不用再去中心館服務器求證了，只需要核對讀者A 提供的數字簽名、數字證書，并為該筆流通記錄蓋上時間戳放在流通記錄的內容中，這樣一筆合法的流通記錄就產生了。若以T代表該筆流通交易，H代表哈希函數，則其生成過程可以表述如下：

流通記錄的本地驗證有兩個步驟：一是用數字簽名驗證數據的完整性，使用讀者A 的公鑰解密簽名（加密時用的是私鑰），也就是非對稱加密技術，只要解密后的哈希值與流通記錄全文哈希值相符則驗證通過；二是驗證讀者A的數字證書，同樣是用讀者A 頒證機構的公鑰解密證書的簽名，若與證書全文哈希值相符則驗證通過。

為了減小通借通還成員館對中心館的依賴，提高成員館在通借通還聯盟中的自主度，開放聯盟鏈對本地化應用的支持十分必要。聯盟鏈的智能合約提供SDK 或API 調用方法，成員館開發的本地化借閱應用可以通過中間件的方式調用SDK與API，從而實現對賬本的訪問（如圖2所示）。由于區塊鏈的共識過程耗時較長，如果采用同步調用的方式勢必會造成糟糕的用戶體驗。因此，建議采用異步調用的方式提交流通交易。實際上本地化App 訪問的并不一定是本地節點的賬本，很有可能訪問的是鄰近成員館的賬本數據。Fabric架構下成員館的Peer 節點處于同一聯盟鏈通道中，借閱客戶端發起的預備案請求會在通道內廣播，如聯合書目查詢請求就是由客戶端SDK 發起調用通道內 QSCC（Query System Chaincode）實現的。

圖2 本地化應用調用鏈上代碼示意

5.3 建立以市級為單位的鏈上組織，為省級節點分攤算力

聯盟鏈的鏈上組織是有一到多個具備許可授權的機構，為各授權機構頒發數字證書。通借通還聯盟鏈有省、市、縣三級，若所有的許可頒證都由省級節點完成，明顯有違區塊鏈去中心化的理念，也使得省級節點承擔了更多的壓力。因此，市級圖書館須作為本市通借通還組織的管理者，承擔CA認證和MSP（Membership Service Provider）功能。這也正好契合了一些城區通借通還以及總分館的業務需要，畢竟地區內流通更為頻繁。

6 結語

本文研究了公共圖書館區塊鏈技術的應用情況，總結分析了江西省公共圖書館通借通還服務存在的技術難點，提出了解決江西省公共圖書館通借通還服務發展技術瓶頸的策略，以期為公共圖書館通借通還服務的優化提供一些參考方案。區塊鏈技術在圖書館的數字資源建設、智慧化服務方面也能發揮巨大作用，后期還有待對區塊鏈技術在圖書館其他服務中的應用做深入研究。