生態流量監測系統的區塊鏈框架設計及管理模塊實現

摘 要：河湖生態流量保障工作是全面推行河湖長制、實行最嚴格水資源管理制度的重要內容，確保生態流量監測數據在多部門流轉過程中的可信與安全共享尤其重要。針對生態流量監測數據應用和共享的多樣化、差異化、動態化需求，結合區塊鏈技術的優點，在生態流量監測系統中引入Hyperledger Fabric平臺的可插拔式區塊鏈組件，構建了包含基礎系統層、區塊鏈中樞層、區塊鏈服務支撐層、業務應用層的四層聯盟鏈系統架構，圍繞鏈上數據的可信安全共享及溯源需求，設計實現了區塊鏈系統用戶管理、數據及文件操作、區塊鏈瀏覽三個功能模塊，開發了區塊鏈信息查看功能頁面并集成至水庫水情測報系統中?？刹灏问絽^塊鏈支撐組件的引入，便于對已建信息化平臺進行區塊鏈技術改造，能有效降低開發成本和周期及運維成本。該研究是區塊鏈技術在水資源監管領域的初步探索，可為提升水資源管理能力提供新的技術思路與方案。

關鍵詞：生態流量；監測系統；區塊鏈；可插拔式；Hyperledger Fabric

中圖分類號：TP39；P332 " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

0 引 言

河湖生態流量是為了維系河流、湖泊生態系統的結構和功能，需要保留在河湖內的流量（水量、水位）及其過程。水利部已將其納入全面推行河湖長制、實行最嚴格水資源管理制度的重要內容，并對河湖生態流量保障目標落實情況定期通報和年度考核[1]。生態流量保障工作通常需要流域管理機構、地方各級水行政主管部門和水工程管理單位等共同參與，監測的多主體性要求數據真實、透明、可溯源，保證其可信性，并且對數據安全、靈活共享提出了更高要求。區塊鏈技術集成了分布式鏈式存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等技術[2]，在生態流量監測數據應用與共享方面擁有獨特的優勢，包括：①區塊鏈去中心化特性擺脫了對中心服務器的依賴，節點既是客戶端也是服務器，所有鏈上數據可同步備份到所有節點中，極大程度提高了數據共享便利性和異地容災能力；②鏈式區塊數據結構和共識機制保障了監測數據及過程數據真實無篡改，異常修改數據必須同時控制網絡中絕大多數節點；③存儲在區塊鏈中的交易數據和修改日志均不可變，在繁瑣復雜的數據質量管理和流轉過程中可簡單有效地執行追溯管理和責任追究；④密碼學是區塊鏈的核心，所有數據通過Hash認證后上鏈傳輸或存儲，用于確認數據共享的完整性和真實性，保障了信息傳輸與數據存儲安全；⑤區塊鏈的智能合約提供編程功能，通過提前部署智能合約對各節點產生的監測數據進行合理的篩選、分析、評價，可減少人為主觀干擾，提高系統的自動化和智能程度。

區塊鏈技術是具有普適性的底層技術框架[3]，迄今經歷了三個發展階段：區塊鏈1.0，2009年起以比特幣（Bitcoin）為代表的數字貨幣階段；區塊鏈2.0，2013年開始以以太坊（Ethereum）為代表的數字貨幣與智能合約融合，通過智能合約在區塊鏈上構建新的功能；區塊鏈3.0，2015年至今，利用區塊鏈技術解決各個領域中存在的信任和數據安全問題，如醫療[4]、物流[5]、檔案[6]、版權[7]、物聯網[8]、車聯網[9]、能源交易[10]等，促進了許多新的管理模式。區塊鏈根據應用場景和設計體系的不同，可分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈，其中聯盟鏈是部分去中心化（或多中心化）的一種區塊鏈，由多個實體的組織或聯盟共同組成和維護，尤其適用于多部門、多層級機構共同參與的場景。

目前，生態流量監測系統的建設主體既有監管部門也有被監管機構，均采用中心化技術架構，通過建立水、雨、工情自動監測站，對水位、流量、閘門開度、設備狀態等各類數據進行實時監測，運用4G/5G、光纖、衛星等多種通信方式實現監測數據的實時傳輸，利用數據采集器進行數據的清理和預處理，部署數據資源平臺對數據實施有效管理，開發數據展示與報表、消息服務、預警服務等業務功能模塊，最終為數據的監測和應用提供支撐。本文在傳統生態流量監測系統基礎上，考慮可插拔式聯盟鏈組件對已建系統進行改造，以期為區塊鏈技術在水利行業應用提供借鑒。

1 基于Fabric平臺的流量監測系統設計

1.1 Hyperledger Fabric平臺的優勢

聯盟鏈上維護數據的節點均來自聯盟內機構或組織，記錄和維護數據的權利掌握在聯盟成員手中。近年來，聯盟鏈技術在各類業務場景需求中不斷迭代優化，充分釋放了數據可信協作的價值，其開發與應用成為了區塊鏈研究的熱點。國外主流聯盟鏈平臺包括超級賬本（Hyperledger）、企業以太坊聯盟（EEA）、COCO區塊鏈、R3區塊鏈聯盟等，國內影響力較大的聯盟鏈平臺有阿里螞蟻鏈、騰訊TrustSQL、百度Xuperchain、華為區塊鏈等。2022年12月中國信息通信研究院發布的《區塊鏈白皮書》顯示，Hyperledger Fabric技術積累相對成熟，但代碼迭代速率自2021年以來逐漸放緩。在技術開源方面，Hyperledger基金會仍是目前最為活躍的聯盟鏈開源生態，在面向Web3.0應用、匿名憑證和互操作方向新增了三個開源項目[11]。

Hyperledger是Linux基金會發起的區塊鏈開源項目，其中的Hyperledger Fabric作為開源的企業級許可分布式賬本技術平臺，與其他流行的分布式賬本或區塊鏈平臺相比，具有以下優點：

（1）Fabric具有高度模塊化和可配置的架構，方便對傳統信息系統進行區塊鏈功能的擴展、優化和集成。

（2）Fabric支持以Java、Go、Node.js等通用編程語言來編寫智能合約，通用性強。

（3）相比許多公共無許可的區塊鏈平臺，Fabric平臺為帶許可的聯盟鏈，其參與者身份均經過認證，適合多層級或多部門的行業內部管理。

（4）Fabric支持可插拔的共識協議，能有效根據應用場景和性能需求采用不同的插件化的共識機制，靈活性更強。

（5）Fabric不需要本地加密貨幣的共識協議來推動智能合約執行，能有效提高數據交易和存儲效率。

1.2 系統總體架構設計

目前，生態流量監測系統架構通常包含信息采集層、網絡通信層、數據資源層、應用支撐層和業務應用層，相關文獻較多，本文在此不再贅述，僅重點描述區塊鏈平臺對生態流量監測系統可信共享功能的支撐架構，如圖1所示。

基礎系統層由各個生態流量監測系統組成，是聯盟鏈中的節點和數據來源。它通過采集層獲取監測數據并傳入各自網關，網關向區塊鏈平臺發起數據上鏈請求，經智能合約通過后數據上鏈?；A系統層可以是區塊鏈框架的新建流量監測系統，也可以在已建好的流量監測系統上進行Hyperledger Fabric技術改造。

區塊鏈中樞層提供了區塊鏈核心技術，借助Hyperledger Fabric模塊化、可插拔式的組件來實現。從底層來看，中樞層通過p2p網絡、密碼算法、共識機制，構建了一個可信的分布式存儲網絡，并通過該網絡提供一系列基礎服務：包括區塊鏈內部的節點管理、滿足各項功能需求的智能合約、加密過程中的密鑰分發以及操作日志的管理等。

區塊鏈服務支撐層為業務數據上鏈、多部門協同、數據溯源等業務需求提供應用支撐，參考聯盟鏈相關功能可設計如表1所示的服務[12]。服務層搭建于中樞層上，根據底層區塊鏈提供的接口和服務，將組織與聯盟結構體現在區塊鏈上，并建立已有數據的檢索功能和多組織協調共享數據機制，為上層服務應用提供接口和服務支持。

業務應用層主要針對數據需求方。在數據需求任務不變的情況下，通過區塊鏈實現數據的不可篡改和可信共享應用，如水工程運行管理單位進行數據查詢、校核、質控等，流域管理機構或水行政部門進行數據查詢、審核、溯源等。

1.3 區塊鏈功能設計

為更好管理區塊鏈的各項功能，一般會單獨設計區塊鏈管理模塊，并將該模塊嵌入到已建的信息化系統中。圍繞生態流量數據監測與可信共享需求，本文設計的區塊鏈管理模塊包括三個子模塊，分別為區塊鏈用戶管理模塊，涉及文件（數據）上傳、檢索、溯源的文件操作模塊，以及用于瀏覽區塊鏈結構和鏈上數據區塊等信息的區塊鏈瀏覽模塊。

用戶管理模塊用于管理員創建和分配用戶賬戶，將賬戶信息發送給相應組織，并可以對用戶信息做增、刪、改、查。用戶能查看和修改自己的信息，包括用戶名、密碼、電話、郵箱等。

文件操作模塊包括數據共享和信息溯源兩個部分，其中數據共享是本系統的核心功能之一，能夠實現基于區塊鏈的數據安全可信共享。通過該模塊，用戶可以對文件或數據進行上傳，并檢索文件的ID、簡介、數據上傳方、上傳時間以及是否被共享等信息。文件溯源針對某具體數據展開，其過程包含從上傳到鏈后不同用戶各種類型的操作及時間，通過統計溯源模塊可以查看所有數據的上傳、瀏覽、修改等情況。

區塊鏈瀏覽模塊實現所有區塊鏈信息的查看功能，支持對區塊鏈結構及鏈上數據區塊的查看與瀏覽，在該功能頁面中可以查看參與聯盟鏈構建的組織數量、交易總量、區塊高度和共識節點等信息。

2 區塊鏈管理模塊實現

2.1 開發環境

在系統開發過程中采用2臺可通信的Ubuntu Linux服務器，分別為基礎軟件服務器和數據共享功能模塊服務器，其中Hyperledger Fabric為1.0版本。基礎軟件服務器的核心軟件環境包括openjdk-1.8、docker、docker-compose、mongodb等，數據共享功能模塊服務器的核心軟件包括openjdk-1.8、tomcat、geoserver等。

2.2 主要功能模塊實現

限于篇幅，僅以某水庫水雨情測報系統為例，介紹嵌入Hyperledger Fabric平臺后的與區塊鏈模塊相關的主要輸入與輸出。

（1）文件檢索。用于搜索上傳文件或數據的相關信息，通過調用POST/document/search接口實現，輸入和輸出參數見表2。

（2）文件溯源。用于對某具體數據進行修改后的操作日志區塊鏈信息進行追溯，通過調用POST/filetrace接口實現，輸入和輸出參數見表3。

（3）查看通道信息。在Fabric中通道（channel）是兩個或多個特定網絡成員之間通信的私有“子網”，用于進行私有和機密交易。網絡上的每筆交易都在一個通道上執行，其中每一方都必須經過身份驗證和授權才能在該通道上進行交易。通道信息的查看通過調用GET/getChannelInfo接口實現，以Json格式輸入用戶的token：

“usertoken”：“string” //用戶的token

可查看通道名稱和共識協議，具體為：

“channelName”：“private-channel-for-org2” //通道名稱

“orgName”：[“ht-fabric-network-org2”]//組織名字

“consensus”：“raft” //共識協議

（4）查看鏈碼信息。智能合約在Fabric中被稱為“鏈上代碼”，即“鏈碼”，是區塊鏈應用程序的業務邏輯，從區塊鏈和對等點之間的底層共識獲得安全和信任的應用程序。查看鏈碼信息通過調用GET/getChaincodeInfo接口實現，以Json格式輸入通道名稱：

“channelName”：“string” //通道名字

可獲得鏈碼的名稱和版本等信息，具體為：

“name”：“ht-fabric-chaincode”//鏈碼名稱

“version”：1.0 //鏈碼版本

（5）查看區塊信息。系統通過調用POST/getBlockInfo 接口，以Json格式輸入通道名稱和頁號可以查看生成的區塊信息。

channelName”：”string”//通道名稱

“page”：“int”//頁號

可以獲得當前區塊高度、區塊哈希值等信息，具體為：

“blockHeight”：19//區塊高度

“blockHash”：”a4202d31237fcb498db066bda1aeb5496946ff706bc0632b18e4caf51e1b0264” //區塊哈希值

“preHash”：”303ec93be6d3444a0dd5b0e69064a6a620eee95f8e063cc633b83ebe9785178f”//上一塊哈希值

“channelId”：“public-channel”//所屬通道

“dataHash”：”28e8022e30ca9fcd77ec7196a9

ff7761fc6e15cf69b7f6ea6fdda70ebfc409a1”//數據哈希

“txNums”：1 //交易總量

系統后端在實現上述功能后，前端根據應用需要設計并實現區塊鏈查看功能頁面。如在云南省某水庫的水情測報系統中集成了Hyperledger Fabric區塊鏈模塊，將流量監測數據的修改日志進行鏈上記錄，可以查看所有日志的區塊鏈信息，包括日志的id、日志類型、區塊哈希值、上鏈交易的id。修改人以及修改時間等，如圖3～圖5所示。

3 結束語

針對生態流量監測數據可信及溯源的需求，圍繞生態流量保障工作多部門、多層級機構共同參與的特點，設計了一種基于Hyperledger Fabric的流量監測數據共享平臺架構，在水庫管理單位已建的水情系統中開發并集成了區塊鏈管理模塊，便于系統進行聯盟鏈用戶管理、文件操作以及區塊鏈信息瀏覽。介紹了文件溯源、查看鏈碼信息、查看區塊信息等功能的調用接口、輸入及輸出參數，開發了用于查看日志上鏈相關的區塊鏈信息功能頁面。研究成果是區塊鏈技術在生態流量監測領域的應用嘗試，為水利行業水資源監管領域開展區塊鏈技術應用提供了借鑒。

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Design and Implementation of Blockchain Technology for Ecological Flow Monitoring System

WU Haiyan1，LI Yongfeng1，LI Xiaoning1，LI Xiaoyang1，BI Sheng2，LI Songping2

（1. Information Center，Gansu Water Resources Department，Lanzhou 730030，China；2. Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan" 430010，China）

Abstract：Ensuring the ecological flow of rivers and lakes has been a major component of implementing the river and lake chief system and the most stringent water resource management system. It is particularly crucial to ensure the credibility and secure sharing of monitoring data of ecological flow across multiple sectors. The requirements for applying and sharing ecological flow monitoring data are diverse，distinct and dynamic. Leveraging the advantages of blockchain technology，we introduced a pluggable blockchain component of Hyperledger Fabric platform into the ecological flow monitoring system. We constructed a four-layer alliance chain system architecture involving the basic system layer，the blockchain hub layer，the blockchain service support layer，and the business application layer. To meet the need for credible and secure sharing and traceable on-chain data，we designed and implemented three functional modules：user management，data and file operation，and information browsing. In particular，the page of information viewing function in blockchain system was integrated into the reservoir water measurement system. The incorporation of pluggable blockchain support components facilitates the transformation of the existing information platform by blockchain technology，and effectively reduces the development，cycle and operation and maintenance costs. This research is a preliminary exploration of blockchain technology in the field of water resources regulation，and offers new technological ideas and solutions to enhance water resources management capabilities.

Key words：ecological flow；monitoring system；blockchain；pluggable；Hyperledger Fabric