區塊鏈賦能的可信數據安全共享機制研究

摘要：隨著數字化轉型的加速，數據安全和隱私保護成為了全球范圍內的關鍵議題。區塊鏈技術，以其去中心化、不可篡改及透明性的特性，為解決這些挑戰提供了新的可能性。本文系統地研究了區塊鏈技術在數據共享中的應用，通過對數據共享現狀的研究，提出了一種基于Hashgraph區塊鏈平臺的可信數據安全共享機制，通過對數據交易中心架構的設計，使得該平臺具備高可靠、可信和安全的共識機制的特性，實現了高可控且可信共享數據業務場景，促進我國數據管理共享技術的自主可控發展。

關鍵詞：區塊鏈;可信數據;Hashgraph;共享機制

中圖分類號：F25文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.19.015

0引言

隨著數字化時代的到來，數據已成為現代社會的核心資產。全球數據量正在以前所未有的速度增長，據國際數據公司（IDC）預測，到2025年全球數據總量將達到175ZB（1ZB等于10億TB），這是2018年總量的5倍以上。然而，隨著數據量的激增，如何安全、有效地共享數據成為了一個迫切需要解決的問題。數據共享不僅是推動科研、醫療、金融等多個領域創新的關鍵，也是實現數據經濟價值的必要條件。盡管傳統的數據共享方法提供了基本框架，但這些方法往往存在數據安全性低、隱私保護不足和缺乏透明度等問題。例如，中心化的數據存儲方案容易成為黑客攻擊的目標，一旦安全防護措施失效，可能導致大規模的數據泄露事件。根據IBM的報告，2020年的數據泄露平均成本高達386萬美元，而且從數據泄露到被發現的平均時間需要207天。此外，傳統方法中的隱私保護措施常常無法滿足日益嚴格的法規要求，如歐盟的通用數據保護條例（GDPR）。區塊鏈技術，作為一種新興的分布式賬本技術，因其獨特的不可篡改性和高度的透明性，被視為解決這些挑戰的有力工具。區塊鏈通過其去中心化的特性，能夠降低單點故障的風險，并通過加密技術保護數據不被未授權訪問。此外，區塊鏈技術的智能合約功能為自動執行合同條款提供了可能，這在實現自動化和減少人為干預中起著關鍵作用。智能合約一旦部署，其邏輯就被固化在區塊鏈上，可以在滿足特定條件時自動觸發合約條款的執行，從而在無須中介的情況下保障交易的安全性和效率。

1研究背景和現狀

數據共享在增進知識傳播、優化業務流程、提高行政效率等方面發揮著日益重要的作用。然而，數據共享的過程中面臨著諸多挑戰，尤其是數據安全和隱私保護問題，這直接影響到共享數據的質量和廣泛性。區塊鏈技術自2008年由中本聰提出以來，已從最初的加密貨幣應用擴展到多個領域，如供應鏈管理、智能合約、金融服務等。在數據共享領域，區塊鏈技術尤其顯示出其潛力。通過創建不可更改且容易驗證的數據記錄，區塊鏈技術提供了一種新的機制來保護數據不被未授權訪問和篡改。更重要的是，區塊鏈技術能夠提供透明度，同時保護個體的隱私，通過智能合約自動執行數據訪問和處理規則，實現數據共享的同時保護數據所有者的利益。盡管區塊鏈在數據共享方面展示了巨大潛力，但其應用發展仍面臨諸多挑戰。這些挑戰主要表現在：擴展性問題、能耗問題，以及在現有法律框架下的合規性問題。當前對區塊鏈技術在數據共享應用的研究大多集中在理論分析和原型開發階段，缺乏大規模實際應用的案例。本文將重點探討如何通過J6I0BzhTFXOITXSCI5ripW1ytro41MKNywHiBlhX5JY=改進區塊鏈技術，解決現有的數據共享問題，特別是如何利用區塊鏈技術提高數據共享的安全性和效率，同時保護數據隱私。

2數據共享發展現狀及存在的問題

2.1數據共享發展現狀

在全球范圍內，數據共享已經成為推動創新和協作的關鍵機制。在科研、物流、醫療等領域，目前我國的數字化信息系統發展主要呈現以下幾個特點。首先，數字化基礎設施建設迅速推進，政府和私營部門的投資使得云計算、大數據中心和5G網絡等基礎設施得到廣泛部署。這為數據的高效處理和快速共享提供了硬件保障。其次，政策支持力度不斷增強，國家層面的多項政策旨在促進數據資源的整合與開放，推動了數據共享的法規框架建設，降低了數據共享的法律與行政障礙。此外，跨行業合作逐漸增多，尤其是在物流和教育領域，通過建立行業聯盟或合作網絡，實現了數據資源的互聯互通和優勢互補。最后，隨著人工智能和機器學習技術的應用普及，數據分析和處理能力顯著提升，為精準醫療、智能物流等提供了技術支持，這些進展極大地推動了數據共享的深度和廣度。

2.2數據共享存在的問題和挑戰

數據共享雖然為多個行業帶來了創新和協作的機會，但同時面臨著多種問題和挑戰。首先，隱私保護和數據安全是最主要的挑戰之一。隨著數據泄露事件頻發，如何在確保數據的可用性的同時，保護個人隱私和敏感信息成為了一個重大難題。例如，如何在在線學習系統數據共享中遵守HIPAA或GDPR等嚴格的法規，是數據共享必須解決的問題。其次，數據質量和一致性問題也不容忽視。數據來源的多樣性和復雜性常常導致數據格式不一致、質量參差不齊，這不僅影響數據分析的準確性，也增加了數據整合的難度。此外，技術和基礎設施的局限同樣是數據共享中的一個難點。在不同的地區和機構之間，由于技術水平和基礎設施的差異，數據共享的速度和效率往往受到限制。

3基于區塊鏈的數據共享機制設計

本研究提出了一個基于Hashgraph技術的供應鏈數據交易中心設計。這一設計采用同態加密算法，構建了一種數據交易共享流程模式。利用此技術協議，能夠在供應鏈各成員之間確保數據共享的分配共識、數據權值和隱私安全。此外，所設計的供應鏈數據交易中心采用第三方可信平臺的形式，提供數據共享及其他深度服務，從而提高供應鏈管理的效率和安全性。

3.1Hashgraph區塊鏈平臺

本研究使用基于DAG（有向無環圖）的Hashgraph技術來建立供應鏈數據交易中心。選擇Hashgraph作為核心技術的主要原因是：其快速的共識機制、對智能合約的支持，以及微支付功能。此外，Hashgraph的交易費用極低，這些技術優勢和成本效益使得它成為數據共享的理想基礎技術。采用Hashgraph技術為數據共享提供了一個先進的解決方案，將為可信數據管理發展帶來關鍵的技術優勢。

共識機制：Hashgraph采用了一種結合異步拜占庭容錯（ABFT）與八卦協議的分布式共識算法。此技術引入了“虛擬異步共識”（VAC）的概念，允許每個節點通過交換信息來記錄其他節點的事件順序，從而有效地達成共識。Hashgraph利用基于事件的圖數據結構和高效的信息傳播算法，加速了共識的過程。由于其運行機制無須進行領導者選舉或投票，因此能夠實現高吞吐量和低延遲的交易確認，同時確保了交易的最終性和公平性。

智能合約：Hashgraph的智能合約與以太坊的智能合約在形式上相似，但在執行效率和安全性方面進行了優化。Hashgraph智能合約的主要特點包括：（1）去中心化。智能合約在分布式網絡中部署后，由網絡中眾多節點共同驗證和執行，增強了其運行的去中心化特性。（2）自主性：一旦智能合約被成功部署，它便能獨立于網絡節點自主運行，不再依賴其他節點的干預；（3）靈活性：它們采用靈活的編程模型，能夠根據網絡中的事件自動觸發并執行相應的邏輯操作。

3.2數據交易中心設計

3.2.1數據交易架構

本交易中心基于Hashgraph技術設計（如圖1所示），按照數據交易的時間順序分為3個階段：交易前、交易中以及交易后。研究者將交易流程劃分為3個不同的模塊：數據賣家進行數據篩選；數據價值評價估值；數據價值分確權配。根據數據共享的相關文獻資料證明，當私有數據的所有者在數據所有權清晰、數據價值得到確認以及各方利益得到良好平衡的前提下，通常會表現出較強的分享意愿。在交易開始之前，平臺會根據數據的估值及數據擁有者的資質等屬性進行篩選，篩選出符合條件的數據共享參與者，并在此過程中形成共識機制。在交易過程中，根據已完成的數據估值和權屬確認的參數來執行共享交易，并履行智能合約中規定的流程任務。交易完成后，進行數據價值的分配，完成整個交易流程。

3.2.2數據價值評價

本研究中提出的供應鏈數據交易中心的核心功能之一是數據價值評估算法。該算法的評估依據是數據在特定使用場景中的潛在價值。本研究將采用數據包絡分析中的Shapley方法來對共享數據進行科學和客觀的估值。通過計算各參與方的貢獻以及Shapley值，可以有效地評估數據共享的價值。這種估值方法不僅考慮到了各方的貢獻，還平衡了參與方的利益，從而能夠更加客觀地評價數據的實際價值和重要性。在經濟學中，Shapley值在合作博弈理論中用于衡量各經濟主體的貢獻，并公正地分配合作所帶來的收益。

3.3智能合約設計

3.3.1智能合約主要功能

該平臺的智能合約將依托于Hashgraph平臺所提供的去中心化應用（Dapp）和其Gossip協議共識機制的開發工具包（SDK）。本研究采用的是HashgraphSDK版本0.32.1，該版本支持多項關鍵功能，具體包括：（1）提升查詢性能。優化后的查詢功能使應用程序能更快地檢索數據，增強了程序的響應速度；（2）增加TLS支持功能。通過增加此項功能，提高了SDK與Hashgraph網絡之間的通信安全性，有效保護數據被盜的風險；（3）引入了異步API。引入后使開發人員能夠創建非阻塞且高性能的應用程序，提升了并發性和可擴展性；（4）提供密鑰管理功能。應用程序可以在不中斷服務的情況下安全地更新其簽名密鑰，確保了程序的持續可用性和安全性。

3.3.2智能合約功能函數

智能合約在基于Hashgraph的數據共享平臺中扮演著至關重要的角色，它有助于促進整個供應鏈全流程數據分享的透明性、安全性和公平性。這些合約確保了數據安全，提高了交易的可靠性，并實現了有效的權限管理。具體的功能包括：（1）數據檢驗：智能合約首要任務是對上傳的數據進行驗證，確保數據的準確性和完整性。這包括驗證溫度數據是否在預定的安全范圍內，以保證貨物質量；檢查時間戳的有效性，以防止數據篡改或重放攻擊；以及檢查數據的完整性，確保所有關鍵字段都被正確填寫，防止數據丟失。（2）數據交易：智能合約還負責處理數據交易和共享，確保交易的安全性和可追溯性。這涉及記錄詳細的交易信息，如交易時間、參與方和交易內容等；驗證交易雙方的身份和權限，以及執行數據交易更新所有權信息，確保數據從賣方安全轉移到買方。（3）管理權限：智能合約通過身份驗證和權限控制來管理用戶對數據的訪問。根據用戶的角色和權限級別限制其對數據的操作，同時記錄用戶活動和事件日志，包括登錄、數據訪問和修改記錄等，以便于進行審計和追溯。（4）交易處理：智能合約應具備處理平臺中發生事件的能力。例如，當新數據被上傳時，合約應觸發事件處理程序，驗證數據并執行交易規則；同時處理用戶請求，如數據查詢或交易發起等。（5）數據讀寫與存儲：智能合約還負責數據的安全存儲和訪問。利用分布式存儲技術在區塊鏈上保存數據，提供查詢接口供用戶檢索信息，同時確保數據的保密性和隱私性，讓只有授權用戶才能訪問和查看數據。

4總結與展望

本文基于Hashgraph技術研究設計了一種供應鏈上下游企業共享數據交易中心的架構。盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些潛在的改進和發展空間。未來的工作可以集中在以下幾個方面：（1）性能優化：在當前設計中，雖然Hashgraph具有較高的性能，但隨著數據規模的增長，仍需進一步優化系統架構和智能合約，提高系統的處理能力和并發性能。（2）功能豐富化：目前的設計主要實現了基本的數據驗證、交易和權限管理功能，未來可以進一步豐富平臺的功能，例如增加數據分析和預測功能，為用戶提供更多價值。（3）用戶體驗改進：在用戶界面設計和操作流程優化方面，還有較大的改進空間。未來可以進一步優化用戶界面，提高用戶體驗，降低用戶的學習和使用成本。

本研究通過基于Hashgraph技術設計了一種可信數據共享交易中心的架構，雖然研究取得了初步成果，但仍存在改進和擴展的空間。未來的研究方向可以包括以下幾個方面，首先是性能方面：盡管Hashgraph展現出較高的性能，隨著數據量的增加，性能瓶頸的問題可能會顯現。未來可以通過優化系統架構和智能合約來提升系統的處理速度和并發能力。其次是功能擴展方面，目前的平臺主要提供基礎的數據驗證、交易和權限管理功能。未來應考慮引入更多功能，如數據分析和預測，以增強平臺的價值并更好地服務用戶。最后是用戶體驗方面，在用戶界面和操作流程上還有很大的提升空間。未來的工作可以著重于優化用戶界面，簡化操作流程，以減少用戶的學習成本和使用障礙。本研究基于Hashgraph的數據共享平臺展現出了廣闊的發展潛力，在后續研究中研究者關注提升系統性能和功能豐富度，以提高平臺的實用性和用戶體驗，提升數據共享技術在我國數字化轉型進程中的作用。隨著技術的持續進化和應用場景的擴展，這一技術的優化提升將為我國數據科學創新和發展帶來新的動力。

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