CN109729168B - 一种基于区块链的数据共享交换系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于区块链的数据共享交换系统及方法，该系统包括数据共享交换中心、前置系统和区块链基础平台。数据共享交换中心包括数据共享交换控制系统、数据资源中心和客户端；前置系统包括数据采集系统、共享交换模块和反馈模块；区块链基础平台包括联盟链模块和数据共享交换管理模块，联盟链模块负责智能合约、验证节点的可信度配置，对数据共享交换过程产生的智能合约进行验证，数据共享交换中心与前置系统、各前置系统之间均通过联盟链的方式相互通信。本发明解决了多方参与环境下数据共享交换的信用问题和激励问题，保证了安全性、可靠性，有利于促进用户发布更新共享交换数据的积极性，同时可以实现对用户决策的导向作用。
Description
技术领域
本发明涉及数据共享交换领域，尤其涉及一种基于区块链的数据共享交换系统及方法。
背景技术
近几年，国家信息化建设不断完善和发张，很多单位部门都建立起自己的业务应用系统，跨部门的重点业务系统被设计成了部门内独立的系统，信息资源共建、共享模式无法达成共识，潜在的“信息孤岛”风险突出，业务协同能力受到极大牵制。造成信息孤岛的原因有很多，主要可归结为三方面：一是用户各自独立异构的信息管理系统，难以互通互联；二是数据的编码标准、接口规范等不统一，难以共享交换；三是数据共享没有形成统一有效的交换机制及激励政策。
信息资源只有交流、共享才能被充分开发和利用并创造价值。如何建立信息资源采集、处理、交换、共享、运营和服务的机制和规程，实现分布在各地和各单位的信息资源的有效采集、交换、共享和应用，保障数据的机密性和共享交换的安全性，是信息化建设的更高级的阶段和核心任务。目前存在很多数据共享交换系统，大部分在技术层面解决数据的编码标准及接口规范等问题，出于利益格局或者安全性的考虑，主动的数据共享意识比较薄弱，而对数据的需求却有增无减，这在一定程度上限制了信息化平台的建设和完善。所以需要一种数据共享机制改变传统被动的、消极的交换方式为主动的、激励式的交换方式，使各单位都能作为独立的中心进行数据共享交换从而实现去中心化、促进信息共享，同时保留传统共享交换中心实现对整个共享交换系统的管控，提高决策导向力。
发明内容
本发明的目的在于针对目前信息化建设过程中各单位自成一家，主动的数据共享意识薄弱，领导单位无法全局把握信息共享情况从而进行相应决策，数据共享交换过程安全性缺乏保障等缺陷，建立一种基于区块链的数据共享交换机制，通过对各单位数据共享量进行统计计量，达到数据质量的量化，明确数据的价值并保障数据交换的安全，激励共享意识，达到互惠共赢。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于区块链的数据共享交换系统，该系统包括：
1)数据共享交换中心，包括数据共享交换控制系统、数据资源中心和客户端；数据共享交换控制系统负责权限管理、数据认证、数据计量和数据共享；权限管理包含用户数据交换权限的配置，以及用户对数据交换结果查询权限的配置；数据认证是对所有发布数据的审核；数据计量则是收集前置系统发送的数据统计信息；数据共享则是和前置系统以及区块链基础平台共同完成数据共享交换流程；数据资源中心记录发布数据的最初来源，同时存储共享交换的记录和计量信息，用户的反馈信息和分析结果最终也存储在数据资源中心；客户端通过web的形式从数据共享交换控制系统和数据资源中心获取数据并以可视化方式展示；
2)前置系统，包括数据采集系统、共享交换模块和反馈模块，前置系统用于数据的采集、发布、请求及信息反馈；数据采集系统采集并管理用于共享交换的基础数据；共享交换模块则是与区块链基础平台和共享交换中心进行数据对接；反馈模块用于处理共享交换的计量数据结果以及将用户的反馈信息提供给共享交换中心；
3)区块链基础平台，包括联盟链模块和数据共享交换管理模块；联盟链模块负责智能合约、验证节点的可信度配置，对数据共享交换过程产生的智能合约进行验证，其中，验证节点配置采用融合置信度证明和权威证明的共识算法，数据共享交换中心与前置系统、各前置系统之间均通过联盟链的方式相互通信；数据共享交换管理模块包括账户管理、运行监控、用户证书下载和用户数据共享交换管理，通过对数据的预处理保证区块链中数据的可靠性。
进一步地，所述数据共享交换控制系统包括以下功能：
1)权限管理。在数据交易过程中，给不同节点发布不同等级的权限，来管理该节点是否有权限对某一类数据进行信息查看、共享交换等操作；
2)数据认证。认证功能提供两种模式：自动认证和人工认证；自动认证是通过区块链设定审核规则，配置过滤参数，数据发布方通过声明数据所有权的方式，将上传的资源记录到区块链中，共享交换中心则将所有满足条件的发布数据自行处理通过，发布至共享目录，对于未通过的则直接退回，无论认证是否通过都将记录进日志中。
认证包括三种状态：已通过、未通过和待处理。当采用人工认证的模式时，所有发布的申请都会在该功能模块显示，记作待处理，当共享交换中心管理员打开发布申请，并人工确认符合要求后，通过点击认证通过按钮，正式发布相应的数据资源，后台的日志系统自动记录该操作。
3)控制系统可以将不同用户设置为管理员和普通用户两种角色，给予其对数据交换结果查询的不同权限：
管理员。可以通过客户端查看所有数据发布者在指定时间段里的数据共享统计量，并按不同的统计方式进行排行，同时也能看到各前置节点的信用评价与前置节点间的关联度，具有该权限的用户可以根据评价手动去更改其他用户作为验证者的置信度。并且能够以数据流图的形式查看不同用户提供者之间的数据共享关系。
普通用户。可以查看自己的数据共享统计量和数据共享情况。
进一步地，所述数据资源中心包括以下功能：
1)数据资源中心建立元数据库和计量数据库，支持异构数据存储架构，支持关系型数据、空间数据、实时数据等数据的共享，元数据库用来存储元数据，对数据共享交换中的数据来源单位、来源业务系统等信息进行记录；
2)对于整理完善，符合共享交换需求的现有数据库，可以通过元数据建模映射，直接纳入到数据资源中心，而无需重新建库和导入一遍数据；
3)提供广谱数据中间件作为数据资源中心的统一数据服务接口，该中间件基于元数据建模基础设计，提供整个数据共享交换系统所有所需的数据访问功能，将关系型数据、空间数据、实时数据等转换成相应的持久类。在业务数据模型一致的情况下，只需要对元数据进行简单的修改，就能通过广谱数据中间件实现变更或迁移后的数据库表访问，而无需修改代码；
4)存储方面采取分布式的对象存储，同时定时进行冗余备份，备份的数据同样经过加密，不能直接被外部获取，只有进行数据恢复时备份数据才能同步至原数据库。
进一步地，所述前置系统包括以下功能：
1)数据采集系统用于从设备中获取基础数据，并将数据存储在前置系统的数据库中；
2)共享交换模块负责与各前置系统之间或数据资源中心的数据交换，该模块与共享交换中心以及区块链基础平台共同完成数据交换的过程；
3)反馈模块负责将数据共享交换的结果即计量统计信息同步至数据共享交换中心的数据共享交换控制系统；同时用户的反馈信息也会经过反馈模块采用人工智能的分析手段进行处理，用以评价其他用户发布的数据质量或是用户本身作为验证者的可信度，反馈信息的处理结果发送给共享交换中心和区块链基础平台，作为验证者可信度配置以及共识算法的参数依据。
进一步地，所述反馈模块包括：
1)对用户的反馈信息进行数据清洗，转化成反馈信息的统一格式；
2)对该格式进行中文分词，对分词后的结果进行特征提取，获取用户的反馈信息特征；
3)用户的反馈信息是对于其他节点验证者评价的有效依据，提取到的特征信息采用深度学习的方法，计算出不同节点验证者之间的关联度，并将该关联度作为区块链验证者信用评价的参数；
4)形成反馈报告，以图表的形式提供给共享交换中心，具有对应权限的人可以查看以反馈结果为依据生成的信用评价，系统自动根据不同验证者的评价调整对应节点的权限，并调整共识算法。
进一步地，所述联盟链模块对数据交换过程信息进行存证，包括数据的采集、数据的查询、数据的共享合约逻辑等信息，联盟链包含以下结构：
1)节点
区块链基础平台基础设施网络具有三个节点，三个节点同时担任peer(验证)与orderer(数据交易)的角色，基于选定的kafka算法，能够容忍节点网络出现一个节点失效的情况，保证在这种情况下依然能够达成分布式共识，保证数据一致。这三个节点其中一个固定为共享交换中心，而另外两个则从前置系统中按照共识算法随机选取，每当进行数据共享交换时，至少要经过三个节点验证，来保证整个数据交换过程的安全可靠。
2)合约
区块链基础平台基于Hyperledger Fabric框架开发，主要包括智能合约、客户端、共识机制等。
智能合约设计采用了编程业务模型、交易脚本、访问控制三种文件结合，编程业务模型是定义了业务流程规范的代码，可由前端用户通过可视化界面编辑形成相应的代码；交易脚本则用于执行数据交换，是基于逆波兰表示法和基于栈的执行语言，其中包含了公钥加密；访问控制文件则采用基于角色的访问控制模型，管理进行交易的权限。通过对三种文件的修改组合形成多种解决方案，允许不同用户选择适合当前环境的交易方式。
当进行数据共享交换时，前置系统和共享交换中心会通过联盟链验证合约，在区块链基础平台中检验合约中的数据交换权限、申请数据信息、申请有效期等信息。验证合约通过后，数据才能在前置系统和共享交换中心之间传递。
3)共识
区块链基础平台共识过程总共分为两个部分，一是交易的背书过程，二是交易的全局排序。全局排序即是共识机制运行的部分，因为是分布式的系统，需要orderer集群对不同节点发来的交易进行全局排序。而共识机制则能够保证在分布式系统中数据一致性的问题。
在区块链基础平台中采用融合置信度证明和权威证明的共识算法。首先通过共享交换中心来对前置系统节点进行可信认证，同时共享交换中心本身就是可信的验证者，所有的验证者分为两组，一组是可信的联盟，另一组是正常的联盟，数据交换时至少从可信联盟中抽取三个节点来进行验证。在第一阶段，可信的验证者快速地处理交易。之后在第二阶段，普通验证者对交易做抽样并验证，提供最终结果，确保可验证性。节点被选入可信联盟的机会是由可信度分值确定的，另一种方式则是直接由共享交换中心进行权威认证。可信度分值由多个因素计算，包括数据交换记录、对共享交换网络的贡献、用户的反馈信息等。具有较高可信度分值的用户，更有可能被选入可信联盟，而一旦存在不良记录就会从可信联盟去除，也能由共享交换中心直接取消其可信身份。可信验证者遵循智能合约，决定已提交的交易及其订单的集合，并按顺序处理它们。交易将在这些可信验证者之间随机分配，最终再由共享交换中心进行验证。
用于可信度计算的数据采取Kafka的模式存储。Kafka模式是一种支持多通道分区的集群时序服务，能够允许三分之一节点失效，是可以容忍部分节点失效，但不能容忍恶意节点，其基于zookeeper进行Paxos算法选举，支持2f+1节点集群，f代表失效节点个数，kafka可以容忍少于半数的共识节点失效。
进一步地，所述的数据共享交换管理模块包括以下功能：
所述预处理包括：
1)针对所有数据，会对其质量进行评估，是否存有缺失值和噪声。对于缺失值，如果意义较小则忽略，如果该数据不容忽略，则记录该缺失，同时通过决策树归纳确定填充值；
2)对于噪声值，删除偏离较大的数据，对噪声进行光滑处理；
3)对于数据中的中文文本信息，在对信息进行分词处理后，需要对其进行降维，否则特征矩阵中空值过多，不利于特征矩阵的提取，主要采用PCA算法和LDA算法来进行降维处理，之后用于特征提取。
所述账户管理具体为：对所有使用共享交换系统用户的审核，批准用户的注册申请或是邀请用户加入共享交换系统；
所述运行监控具体为：用于管理员实时监控区块链基础平台运行状态，以动态视图实时展现区块链基础平台运行信息；监测的数据包括以下四大类：
1)地理信息数据：用户/节点/存储的地理分布，用颜色表示地域覆盖情况，用颜色的深浅变化展示用户数量；
2)区块链基础平台交易详情：平台交易次数，最新交易数据；
3)实时监控数据：节点数据、区块平均生成时间，最新区块生成时间，最新区块号，交易频率(TPS)，合约数量，共识算法，存储情况；
4)历史运行统计：包括数据的总交易量，合约交易频率；
所述用户证书下载具体为：为用户进行数据交换时提供证书认证；
所述用户数据共享交换管理具体为：负责与共享交换中心和前置系统对接，是联盟链获取相应数据的接口，如获取到计量信息和反馈信息作为共识算法的依据，获取合约信息进行数据交换的验证，同时已经认证用户可以查看数据交换达成情况。
一种基于区块链的数据共享交换方法，包括以下步骤：
步骤1：数据采集
(1.1)获取存储数据的元数据文件，并对元数据文件进行解析，提取其基本信息用于文件归档；
(1.2)文件传输过程采用非对称加密和数字签名技术加密，保证信息安全。
步骤2：数据发布
(2.1)前置系统根据数据采集模块获取需要发布的基础数据，用私钥加密哈希码作为签名，将签名与原始数据打包后，用共享交换中心的公钥加密后发送至数据共享交换中心的数据资源中心，并通过区块链记录发送的数据的相关细节；
(2.2)区块链基础平台将采集到数据的哈希码记录到区块链交易记录上，声明数据所有权的字段值，并初始化数据所有权信息，记录数据所有权的声明时间、数据状态、数据类型、所有权持续时间等信息；
(2.3)数据资源中心对接收到的数据进行私钥解密，哈希值比对确认后，通过智能合约对数据上传至数据资源中心过程的相关消息进行确认，并将数据用自己的公钥加密存储至云存储服务器。
步骤3：数据请求，数据请求有两种方式：1、集中式，前置系统通过区块链基础平台向共享交换中心请求数据；2、分布式，前置系统通过区块链基础平台向其他前置系统提出共享交换请求，具体包括：
(3.1)数据请求方向数据发送方提出申请，并向其共享交换模块提供智能合约内容，包括约定数据共享协议、申请数据信息、申请有效期、申请者的数据交易权限等；
(3.2)数据发送方通过智能合约对数据请求方进行权限检查，满足条件后，对其进行授权，确认智能合约内容，更新交易信息，核对授权有效期限；
(3.3)根据智能合约中约定的数据内容，数据发送方先将要发送的数据用自己的私钥解密，再用数据请求方的公钥加密，把加密数据存放到缓冲目录下，最后，把存储地址传输给数据请求方，并更新联盟链上的信息，包括数据中引用的智能合约信息，记录提交时间等。
(3.4)数据请求方得到数据存储地址后，使用私钥进行解密，同时根据发送方提供的数据所有权信息确认数据所属方正确，并使用约定的散列算法得到哈希值与链上信息进行完整性比对，完成这一系列操作后，能够保证自己获得了完整有效的合法数据。
(3.5)前置系统对数据资源中心的授权操作进行确认，数据交换的结果经由区块链基础平台发送至共享交换中心并存储。数据请求方的前置系统记录成功获取并转换的数据量，关系型数据记录条数及每列大小、空间数据记录影像大小、实时数据记录条数，并记录发布的数据资源在请求方和发送方之间的映射关系，将这些数据作为计量信息提供给数据资源中心进行存储。共享交换完成后，数据请求方可以通过反馈模块进行反馈，对获取的数据质量和数据发布方进行评价，评价结果经过反馈模块处理发送给区块链基础平台和共享交换中心。用户通过客户端可以根据权限查询相应的数据交换记录信息，包括计量信息和反馈信息。
进一步地，所述数据采集具体如下：
1)文件获取与解析：采集的数据筛选并清除重复信息。之后对采集到的数据根据建模规范，将对应的元数据转化成标准格式数据，该类数据一般是关系型数据，直接存储进对应的关系型数据库中。不能转化的则将提取的基本信息以json格式保存到文件。原始文件只是简单按照时间生成文件目录进行管理，文件名存在重名可能性，需对文件重命名，以“设备编号+绝对时间秒数”的格式保证文件名唯一。这些数据一部分是空间数据，另一部分是实时数据，通过数据总线存储至对应的分布式文件存储系统中。
2)文件的安全传输：采用非对称加密RSA算法和数字签名技术确保信息安全，每个用户拥有CA认证中心颁发的签名证书，设备拥有唯一编号，通过两种算法的混合使用，保证文件安全传输。本发明的有益效果是：本发明一种基于区块链的数据共享交换系统及方法，可有效的统计不同单位提供交换共享的数据质量和反馈结果，从而达到对共享交换数据质量的量化以及对发布数据方的信用评价，有利于督促用户完善自有的数据中心，激励用户共享意识，保障数据共享的安全可靠，达到互惠共赢，在促进信息共享的同时，提高决策导向力。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明的系统实现流程图；
图3是数据资源中心最终发布的表结构示例；
图4是数据资源中心发布的库表记录的XML元数据树状结构；
图5是计量数据库设计示例。
具体实施方式
为使本发明实施例的技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图、对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的表述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-5所示，本发明提供的一种基于区块链的数据共享交换系统，该系统包括：
1)数据共享交换中心，包括数据共享交换控制系统、数据资源中心和客户端；数据共享交换控制系统负责权限管理、数据认证、数据计量和数据共享；权限管理包含用户数据交换权限的配置，以及用户对数据交换结果查询权限的配置；数据认证是对所有发布数据的审核；数据计量则是收集前置系统发送的数据统计信息；数据共享则是和前置系统以及区块链基础平台共同完成数据共享交换流程；数据资源中心记录发布数据的最初来源，同时存储共享交换的记录和计量信息，用户的反馈信息和分析结果最终也存储在数据资源中心；客户端通过web的形式从数据共享交换控制系统和数据资源中心获取数据并以可视化方式展示；
2)前置系统，包括数据采集系统、共享交换模块和反馈模块，前置系统用于数据的采集、发布、请求及信息反馈；数据采集系统采集并管理用于共享交换的基础数据；共享交换模块则是与区块链基础平台和共享交换中心进行数据对接；反馈模块用于处理共享交换的计量数据结果以及将用户的反馈信息提供给共享交换中心；
3)区块链基础平台，包括联盟链模块和数据共享交换管理模块；联盟链模块负责智能合约、验证节点的可信度配置，对数据共享交换过程产生的智能合约进行验证，其中，验证节点配置采用融合置信度证明和权威证明的共识算法，数据共享交换中心与前置系统、各前置系统之间均通过联盟链的方式相互通信；数据共享交换管理模块包括账户管理、运行监控、用户证书下载和用户数据共享交换管理，通过对数据的预处理保证区块链中数据的可靠性。
进一步地，所述数据共享交换控制系统包括以下功能：
1)权限管理。在数据交易过程中，给不同节点发布不同等级的权限，来管理该节点是否有权限对某一类数据进行信息查看、共享交换等操作；
2)数据认证。认证功能提供两种模式：自动认证和人工认证；自动认证是通过区块链设定审核规则，配置过滤参数(过滤参数包括资源量、资源种类等)，数据发布方通过声明数据所有权的方式，将上传的资源记录到区块链中，共享交换中心则将所有满足条件的发布数据自行处理通过，发布至共享目录，对于未通过的则直接退回，无论认证是否通过都将记录进日志中。
认证包括三种状态：已通过、未通过和待处理。当采用人工认证的模式时，所有发布的申请都会在该功能模块显示，记作待处理，当共享交换中心管理员打开发布申请，并人工确认符合要求后，通过点击认证通过按钮，正式发布相应的数据资源，后台的日志系统自动记录该操作。
3)控制系统可以将不同用户设置为管理员和普通用户两种角色，给予其对数据交换结果查询的不同权限：
管理员。可以通过客户端查看所有数据发布者在指定时间段里的数据共享统计量，并按不同的统计方式进行排行，同时也能看到各前置节点的信用评价与前置节点间的关联度，具有该权限的用户可以根据评价手动去更改其他用户作为验证者的置信度。并且能够以数据流图的形式查看不同用户提供者之间的数据共享关系。
普通用户。可以查看自己的数据共享统计量和数据共享情况(如：数据使用者，哪些用户对自己的数据有需求)。
进一步地，所述数据资源中心包括以下功能：
1)数据资源中心建立元数据库和计量数据库，支持异构数据存储架构，支持关系型数据、空间数据、实时数据等数据的共享，元数据库用来存储元数据，即数据的内容、质量、状况和其他特征的信息，对数据共享交换中的数据来源单位、来源业务系统等信息进行记录；
2)对于整理完善，符合共享交换需求的现有数据库，可以通过元数据建模映射，直接纳入到数据资源中心，而无需重新建库和导入一遍数据；
3)提供广谱数据中间件作为数据资源中心的统一数据服务接口，该中间件基于元数据建模基础设计，提供整个数据共享交换系统所有所需的数据访问功能，将关系型数据、空间数据、实时数据等转换成相应的持久类。在业务数据模型一致的情况下，只需要对元数据进行简单的修改，就能通过广谱数据中间件实现变更或迁移后的数据库表访问，而无需修改代码；
4)存储方面采取分布式的对象存储，同时定时进行冗余备份，备份的数据同样经过加密，不能直接被外部获取，只有进行数据恢复时备份数据才能同步至原数据库。
进一步地，所述前置系统包括以下功能：
1)数据采集系统用于从设备中获取基础数据，并将数据存储在前置系统的数据库中；
2)共享交换模块负责与各前置系统之间或数据资源中心的数据交换，该模块与共享交换中心以及区块链基础平台共同完成数据交换的过程；
3)反馈模块负责将数据共享交换的结果即计量统计信息同步至数据共享交换中心的数据共享交换控制系统，如数据大小、行列乘积、共享广度、时间戳、交换量、计量单位等并记录其在共享交换中心对应的存储位置；同时用户的反馈信息也会经过反馈模块采用人工智能的分析手段进行处理，用以评价其他用户发布的数据质量或是用户本身作为验证者的可信度，反馈信息的处理结果发送给共享交换中心和区块链基础平台，作为验证者可信度配置以及共识算法的参数依据。
进一步地，所述反馈模块包括：
1)对用户的反馈信息进行数据清洗，转化成反馈信息的统一格式；
2)对该格式进行中文分词，对分词后的结果进行特征提取，获取用户的反馈信息特征；
3)用户的反馈信息是对于其他节点验证者评价的有效依据，提取到的特征信息采用深度学习的方法，计算出不同节点验证者之间的关联度，并将该关联度作为区块链验证者信用评价的参数；
4)形成反馈报告，以图表的形式提供给共享交换中心，具有对应权限的人可以查看以反馈结果为依据生成的信用评价，系统自动根据不同验证者的评价调整对应节点的权限，并调整共识算法。
进一步地，所述联盟链模块对数据交换过程信息进行存证，包括数据的采集、数据的查询、数据的共享合约逻辑等信息，联盟链包含以下结构：
1)节点
区块链基础平台基础设施网络具有三个节点，三个节点同时担任peer(验证)与orderer(数据交易)的角色，基于选定的kafka算法，能够容忍节点网络出现一个节点失效的情况，保证在这种情况下依然能够达成分布式共识，保证数据一致。这三个节点其中一个固定为共享交换中心，而另外两个则从前置系统中按照共识算法随机选取，每当进行数据共享交换时，至少要经过三个节点验证，来保证整个数据交换过程的安全可靠。
2)合约
区块链基础平台基于Hyperledger Fabric框架开发，主要包括智能合约、客户端、共识机制等。
智能合约设计采用了编程业务模型、交易脚本、访问控制三种文件结合，编程业务模型是定义了业务流程规范的代码，可由前端用户通过可视化界面编辑形成相应的代码；交易脚本则用于执行数据交换，是基于逆波兰表示法和基于栈的执行语言，其中包含了公钥加密；访问控制文件则采用基于角色的访问控制模型，管理进行交易的权限。通过对三种文件的修改组合形成多种解决方案，允许不同用户选择适合当前环境的交易方式。
当进行数据共享交换时，前置系统和共享交换中心会通过联盟链验证合约，在区块链基础平台中检验合约中的数据交换权限、申请数据信息、申请有效期等信息。验证合约通过后，数据才能在前置系统和共享交换中心之间传递。
3)共识
区块链基础平台共识过程总共分为两个部分，一是交易的背书过程，二是交易的全局排序。全局排序即是共识机制运行的部分，因为是分布式的系统，需要orderer集群对不同节点发来的交易进行全局排序。而共识机制则能够保证在分布式系统中数据一致性的问题。
区块链基础平台的共识算法有多种，不同的算法具有的安全性与复杂度皆不相同。
在该区块链基础平台中采用融合置信度证明和权威证明的共识算法。传统的置信度证明算法由于只有一个节点在执行验证，因此算法会存在安全问题，为不当的peer(验证者)可能会提交一些已损坏的交易，而权威证明算法又略中心化。为了解决这些问题，本发明首先通过共享交换中心来对前置系统节点进行可信认证，同时共享交换中心本身就是可信的验证者，所有的验证者分为两组，一组是可信的联盟，另一组是正常的联盟，数据交换时至少从可信联盟中抽取三个节点来进行验证。在第一阶段，可信的验证者快速地处理交易。之后在第二阶段，普通验证者对交易做抽样并验证，提供最终结果，确保可验证性。节点被选入可信联盟的机会是由可信度分值确定的，另一种方式则是直接由共享交换中心进行权威认证。可信度分值由多个因素计算，包括数据交换记录、对共享交换网络的贡献、用户的反馈信息等。具有较高可信度分值的用户，更有可能被选入可信联盟，而一旦存在不良记录(如数据传输缺失，数据交易权限不符，记录未被其他验证者认可等)就会从可信联盟去除，也能由共享交换中心直接取消其可信身份。可信验证者遵循智能合约，决定已提交的交易及其订单的集合，并按顺序处理它们。可信验证者也会构成一些较小的组，甚至可以每组一名验证者。交易将在这些可信验证者之间随机分配，最终再由共享交换中心进行验证。因此，这种融合算法在保证运行速度快的同时，又能避免过分中心化，保证验证者的有效性。系统也支持对共识算法的扩充，允许选择不同的验证方式。
交易记录等用于可信度计算的数据采取Kafka的模式存储。Kafka模式是一种支持多通道分区的集群时序服务，能够允许三分之一节点失效，是可以容忍部分节点失效，但不能容忍恶意节点，其基于zookeeper进行Paxos算法选举，支持2f+1节点集群，f代表失效节点个数，kafka可以容忍少于半数的共识节点失效。
进一步地，所述的数据共享交换管理模块包括以下功能：
所述预处理包括：
1)针对所有数据，会对其质量进行评估，是否存有缺失值和噪声。对于缺失值，如果意义较小则忽略，如果该数据不容忽略，则会记录该缺失，同时通过决策树归纳确定填充值；
2)对于噪声值，删除偏离较大的数据，对噪声进行光滑处理；
3)对于数据中的中文文本信息，在对信息进行分词处理后，需要对其进行降维，否则特征矩阵中空值过多，不利于特征矩阵的提取，主要采用PCA算法和LDA算法来进行降维处理，之后用于特征提取。
所述账户管理具体为：对所有使用共享交换系统用户的审核，批准用户的注册申请或是邀请用户加入共享交换系统；
所述运行监控具体为：用于管理员实时监控区块链基础平台运行状态，以动态视图实时展现区块链基础平台运行信息；监测的数据包括以下四大类：
1)地理信息数据：用户/节点/存储的地理分布，用颜色表示地域覆盖情况，用颜色的深浅变化展示用户数量；
2)区块链基础平台交易详情：平台交易次数，最新交易数据；
3)实时监控数据：节点数据、区块平均生成时间，最新区块生成时间，最新区块号，交易频率(TPS)，合约数量，共识算法，存储情况；
4)历史运行统计：包括数据的总交易量，合约交易频率；
所述用户证书下载具体为：为用户进行数据交换时提供证书认证；
所述用户数据共享交换管理具体为：负责与共享交换中心和前置系统对接，是联盟链获取相应数据的接口，如获取到计量信息和反馈信息作为共识算法的依据，获取合约信息进行数据交换的验证，同时已经认证用户可以查看数据交换达成情况。
一种基于区块链的数据共享交换方法，包括以下步骤：
步骤1：数据采集
(1.1)获取存储数据的元数据文件，并对元数据文件进行解析，提取其基本信息用于文件归档；
(1.2)文件传输过程采用非对称加密和数字签名技术加密，保证信息安全。
步骤2：数据发布
(2.1)前置系统根据数据采集模块获取需要发布的基础数据，用私钥加密哈希码作为签名，将签名与原始数据打包后，用共享交换中心的公钥加密后发送至数据共享交换中心的数据资源中心，并通过区块链记录发送的数据的相关细节；
(2.2)区块链基础平台将采集到数据的哈希码记录到区块链交易记录上，声明数据所有权的字段值，并初始化数据所有权信息，记录数据所有权的声明时间、数据状态、数据类型、所有权持续时间等信息；
(2.3)数据资源中心对接收到的数据进行私钥解密，哈希值比对确认后，通过智能合约对数据上传至数据资源中心过程的相关消息进行确认，并将数据用自己的公钥加密存储至云存储服务器。
步骤3：数据请求，数据请求有两种方式：1、集中式，前置系统通过区块链基础平台向共享交换中心请求数据；2、分布式，前置系统通过区块链基础平台向其他前置系统提出共享交换请求，具体包括：
(3.1)数据请求方向数据发送方提出申请，并向其共享交换模块提供智能合约内容，包括约定数据共享协议、申请数据信息、申请有效期、申请者的数据交易权限等；
(3.2)数据发送方通过智能合约对数据请求方进行权限检查，满足条件后，对其进行授权，确认智能合约内容，更新交易信息，核对授权有效期限；
(3.3)根据智能合约中约定的数据内容，数据发送方先将要发送的数据用自己的私钥解密，再用数据请求方的公钥加密，把加密数据存放到缓冲目录下，最后，把存储地址传输给数据请求方，并更新联盟链上的信息，包括数据中引用的智能合约信息，记录提交时间等。
(3.4)数据请求方得到数据存储地址后，使用私钥进行解密，同时根据发送方提供的数据所有权信息确认数据所属方正确，并使用约定的散列算法得到哈希值与链上信息进行完整性比对，完成这一系列操作后，能够保证自己获得了完整有效的合法数据。
(3.5)前置系统对数据资源中心的授权操作进行确认，数据交换的结果经由区块链基础平台发送至共享交换中心并存储。数据请求方的前置系统记录成功获取并转换的数据量，关系型数据记录条数及每列大小、空间数据记录影像大小、实时数据记录条数，并记录发布的数据资源在请求方和发送方之间的映射关系，将这些数据作为计量信息提供给数据资源中心进行存储。共享交换完成后，数据请求方可以通过反馈模块进行反馈，对获取的数据质量和数据发布方进行评价，评价结果经过反馈模块处理发送给区块链基础平台和共享交换中心。用户通过客户端可以根据权限查询相应的数据交换记录信息，包括计量信息和反馈信息。
进一步地，所述数据采集具体如下：
1)文件获取与解析：采集的数据筛选并清除重复信息，以节约空间。之后对采集到的数据根据建模规范，将对应的元数据转化成标准格式数据，该类数据一般是关系型数据，直接存储进对应的关系型数据库中。不能转化的则将提取的基本信息以json格式保存到文件。原始文件只是简单按照时间生成文件目录进行管理，文件名存在重名可能性，需对文件重命名，以“设备编号+绝对时间秒数”的格式保证文件名唯一。这些数据一部分是空间数据，另一部分是实时数据，通过数据总线存储至对应的分布式文件存储系统中。
2)文件的安全传输：文件传输过程中要确保信息安全(保密性，完整性，不可抵赖性)。系统采用非对称加密RSA算法和数字签名技术确保信息安全，每个用户拥有CA认证中心颁发的签名证书，设备拥有唯一编号，通过两种算法的混合使用，保证文件安全传输。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (9)
1.一种基于区块链的数据共享交换系统，其特征在于，该系统包括：
1)数据共享交换中心，包括数据共享交换控制系统、数据资源中心和客户端；数据共享交换控制系统负责权限管理、数据认证、数据计量和数据共享；权限管理包含用户数据交换权限的配置，以及用户对数据交换结果查询权限的配置；数据认证是对所有发布数据的审核；数据计量则是收集前置系统发送的数据统计信息；数据共享则是和前置系统以及区块链基础平台共同完成数据共享交换流程；数据资源中心记录发布数据的最初来源，同时存储共享交换的记录和计量信息，用户的反馈信息和分析结果最终也存储在数据资源中心；客户端通过web的形式从数据共享交换控制系统和数据资源中心获取数据并以可视化方式展示；
2)前置系统，包括数据采集系统、共享交换模块和反馈模块，前置系统用于数据的采集、发布、请求及信息反馈；数据采集系统采集并管理用于共享交换的基础数据；共享交换模块则是与区块链基础平台和共享交换中心进行数据对接；反馈模块用于处理共享交换的计量数据结果以及将用户的反馈信息提供给共享交换中心；
3)区块链基础平台，包括联盟链模块和数据共享交换管理模块；联盟链模块负责智能合约、验证节点的可信度配置，对数据共享交换过程产生的智能合约进行验证，其中，验证节点配置采用融合置信度证明和权威证明的共识算法，数据共享交换中心与前置系统、各前置系统之间均通过联盟链的方式相互通信；数据共享交换管理模块包括账户管理、运行监控、用户证书下载和用户数据共享交换管理，通过对数据的预处理保证区块链中数据的可靠性。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据共享交换系统，其特征在于，所述数据共享交换控制系统包括以下功能：
1)权限管理； 在数据交易过程中，给不同节点发布不同等级的权限，来管理该节点是否有权限对某一类数据进行信息查看、共享交换等操作；
2)数据认证； 认证功能提供两种模式：自动认证和人工认证；自动认证是通过区块链设定审核规则，配置过滤参数，数据发布方通过声明数据所有权的方式，将上传的资源记录到区块链中，共享交换中心则将所有满足条件的发布数据自行处理通过，发布至共享目录，对于未通过的则直接退回，无论认证是否通过都将记录进日志中；
认证包括三种状态：已通过、未通过和待处理； 当采用人工认证的模式时，所有发布的申请都会在该功能模块显示，记作待处理，当共享交换中心管理员打开发布申请，并人工确认符合要求后，通过点击认证通过按钮，正式发布相应的数据资源，后台的日志系统自动记录该操作；
3)控制系统可以将不同用户设置为管理员和普通用户两种角色，给予其对数据交换结果查询的不同权限：
管理员可以通过客户端查看所有数据发布者在指定时间段里的数据共享统计量，并按不同的统计方式进行排行，同时也能看到各前置节点的信用评价与前置节点间的关联度，具有该权限的用户可以根据评价手动去更改其他用户作为验证者的置信度； 并且能够以数据流图的形式查看不同用户提供者之间的数据共享关系；
普通用户可以查看自己的数据共享统计量和数据共享情况。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据共享交换系统，其特征在于，所述数据资源中心包括以下功能：
1)数据资源中心建立元数据库和计量数据库，支持异构数据存储架构，支持关系型数据、空间数据、实时数据等数据的共享，元数据库用来存储元数据，对数据共享交换中的数据来源单位、来源业务系统等信息进行记录；
2)对于整理完善，符合共享交换需求的现有数据库，可以通过元数据建模映射，直接纳入到数据资源中心，而无需重新建库和导入一遍数据；
3)提供广谱数据中间件作为数据资源中心的统一数据服务接口，该中间件基于元数据建模基础设计，提供整个数据共享交换系统所有所需的数据访问功能，将关系型数据、空间数据、实时数据等转换成相应的持久类； 在业务数据模型一致的情况下，只需要对元数据进行简单的修改，就能通过广谱数据中间件实现变更或迁移后的数据库表访问，而无需修改代码；
4)存储方面采取分布式的对象存储，同时定时进行冗余备份，备份的数据同样经过加密，不能直接被外部获取，只有进行数据恢复时备份数据才能同步至原数据库。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据共享交换系统，其特征在于，所述前置系统包括以下功能：
1)数据采集系统用于从设备中获取基础数据，并将数据存储在前置系统的数据库中；
2)共享交换模块负责与各前置系统之间或数据资源中心的数据交换，该模块与共享交换中心以及区块链基础平台共同完成数据交换的过程；
3)反馈模块负责将数据共享交换的结果即计量统计信息同步至数据共享交换中心的数据共享交换控制系统；同时用户的反馈信息也会经过反馈模块采用人工智能的分析手段进行处理，用以评价其他用户发布的数据质量或是用户本身作为验证者的可信度，反馈信息的处理结果发送给共享交换中心和区块链基础平台，作为验证者可信度配置以及共识算法的参数依据。
5.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据共享交换系统，其特征在于，所述反馈模块包括：
1)对用户的反馈信息进行数据清洗，转化成反馈信息的统一格式；
2)对该格式进行中文分词，对分词后的结果进行特征提取，获取用户的反馈信息特征；
3)用户的反馈信息是对于其他节点验证者评价的有效依据，提取到的特征信息采用深度学习的方法，计算出不同节点验证者之间的关联度，并将该关联度作为区块链验证者信用评价的参数；
4)形成反馈报告，以图表的形式提供给共享交换中心，具有对应权限的人可以查看以反馈结果为依据生成的信用评价，系统自动根据不同验证者的评价调整对应节点的权限，并调整共识算法。
6.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据共享交换系统，其特征在于，所述联盟链模块对数据交换过程信息进行存证，包括数据的采集、数据的查询、数据的共享合约逻辑等信息，联盟链包含以下结构：
1)节点
区块链基础平台基础设施网络具有三个节点，三个节点同时担任peer(验证)与orderer(数据交易)的角色，基于选定的kafka算法，能够容忍节点网络出现一个节点失效的情况，保证在这种情况下依然能够达成分布式共识，保证数据一致； 这三个节点其中一个固定为共享交换中心，而另外两个则从前置系统中按照共识算法随机选取，每当进行数据共享交换时，至少要经过三个节点验证，来保证整个数据交换过程的安全可靠；
2)合约
区块链基础平台基于Hyperledger Fabric框架开发，主要包括智能合约、客户端、共识机制等；
智能合约设计采用了编程业务模型、交易脚本、访问控制三种文件结合，编程业务模型是定义了业务流程规范的代码，可由前端用户通过可视化界面编辑形成相应的代码；交易脚本则用于执行数据交换，是基于逆波兰表示法和基于栈的执行语言，其中包含了公钥加密；访问控制文件则采用基于角色的访问控制模型，管理进行交易的权限； 通过对三种文件的修改组合形成多种解决方案，允许不同用户选择适合当前环境的交易方式；
当进行数据共享交换时，前置系统和共享交换中心会通过联盟链验证合约，在区块链基础平台中检验合约中的数据交换权限、申请数据信息、申请有效期等信息； 验证合约通过后，数据才能在前置系统和共享交换中心之间传递；
3)共识
区块链基础平台共识过程总共分为两个部分，一是交易的背书过程，二是交易的全局排序； 全局排序即是共识机制运行的部分，因为是分布式的系统，需要orderer集群对不同节点发来的交易进行全局排序； 而共识机制则能够保证在分布式系统中数据一致性的问题；
在区块链基础平台中采用融合置信度证明和权威证明的共识算法； 首先通过共享交换中心来对前置系统节点进行可信认证，同时共享交换中心本身就是可信的验证者，所有的验证者分为两组，一组是可信的联盟，另一组是正常的联盟，数据交换时至少从可信联盟中抽取三个节点来进行验证； 在第一阶段，可信的验证者快速地处理交易； 之后在第二阶段，普通验证者对交易做抽样并验证，提供最终结果，确保可验证性； 节点被选入可信联盟的机会是由可信度分值确定的，另一种方式则是直接由共享交换中心进行权威认证； 可信度分值由多个因素计算，包括数据交换记录、对共享交换网络的贡献、用户的反馈信息等；具有较高可信度分值的用户，更有可能被选入可信联盟，而一旦存在不良记录就会从可信联盟去除，也能由共享交换中心直接取消其可信身份； 可信验证者遵循智能合约，决定已提交的交易及其订单的集合，并按顺序处理它们； 交易将在这些可信验证者之间随机分配，最终再由共享交换中心进行验证；
用于可信度计算的数据采取Kafka的模式存储； Kafka模式是一种支持多通道分区的集群时序服务，能够允许三分之一节点失效，是可以容忍部分节点失效，但不能容忍恶意节点，其基于zookeeper进行Paxos算法选举，支持2f+1节点集群，f代表失效节点个数，kafka可以容忍少于半数的共识节点失效。
7.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据共享交换系统，其特征在于，所述的数据共享交换管理模块包括以下功能：
所述预处理包括：
1)针对所有数据，会对其质量进行评估，是否存有缺失值和噪声； 对于缺失值，如果意义较小则忽略，如果该数据不容忽略，则记录该缺失，同时通过决策树归纳确定填充值；
2)对于噪声值，删除偏离较大的数据，对噪声进行光滑处理；
3)对于数据中的中文文本信息，在对信息进行分词处理后，需要对其进行降维，否则特征矩阵中空值过多，不利于特征矩阵的提取，主要采用PCA算法和LDA算法来进行降维处理，之后用于特征提取；
所述账户管理具体为：对所有使用共享交换系统用户的审核，批准用户的注册申请或是邀请用户加入共享交换系统；
所述运行监控具体为：用于管理员实时监控区块链基础平台运行状态，以动态视图实时展现区块链基础平台运行信息；监测的数据包括以下四大类：
1)地理信息数据：用户/节点/存储的地理分布，用颜色表示地域覆盖情况，用颜色的深浅变化展示用户数量；
2)区块链基础平台交易详情：平台交易次数，最新交易数据；
3)实时监控数据：节点数据、区块平均生成时间，最新区块生成时间，最新区块号，交易频率(TPS)，合约数量，共识算法，存储情况；
4)历史运行统计：包括数据的总交易量，合约交易频率；
所述用户证书下载具体为：为用户进行数据交换时提供证书认证；
所述用户数据共享交换管理具体为：负责与共享交换中心和前置系统对接，是联盟链获取相应数据的接口，如获取到计量信息和反馈信息作为共识算法的依据，获取合约信息进行数据交换的验证，同时已经认证用户可以查看数据交换达成情况。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的基于区块链的数据共享交换系统的数据共享交换方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：数据采集
(1.1)获取存储数据的元数据文件，并对元数据文件进行解析，提取其基本信息用于文件归档；
(1.2)文件传输过程采用非对称加密和数字签名技术加密，保证信息安全；
步骤2：数据发布
(2.1)前置系统根据数据采集模块获取需要发布的基础数据，用私钥加密哈希码作为签名，将签名与原始数据打包后，用共享交换中心的公钥加密后发送至数据共享交换中心的数据资源中心，并通过区块链记录发送的数据的相关细节；
(2.2)区块链基础平台将采集到数据的哈希码记录到区块链交易记录上，声明数据所有权的字段值，并初始化数据所有权信息，记录数据所有权的声明时间、数据状态、数据类型、所有权持续时间等信息；
(2.3)数据资源中心对接收到的数据进行私钥解密，哈希值比对确认后，通过智能合约对数据上传至数据资源中心过程的相关消息进行确认，并将数据用自己的公钥加密存储至云存储服务器；
步骤3：数据请求，数据请求有两种方式：1、集中式，前置系统通过区块链基础平台向共享交换中心请求数据；2、分布式，前置系统通过区块链基础平台向其他前置系统提出共享交换请求，具体包括：
(3.1)数据请求方向数据发送方提出申请，并向其共享交换模块提供智能合约内容，包括约定数据共享协议、申请数据信息、申请有效期、申请者的数据交易权限等；
(3.2)数据发送方通过智能合约对数据请求方进行权限检查，满足条件后，对其进行授权，确认智能合约内容，更新交易信息，核对授权有效期限；
(3.3)根据智能合约中约定的数据内容，数据发送方先将要发送的数据用自己的私钥解密，再用数据请求方的公钥加密，把加密数据存放到缓冲目录下，最后，把存储地址传输给数据请求方，并更新联盟链上的信息，包括数据中引用的智能合约信息，记录提交时间等；
(3.4)数据请求方得到数据存储地址后，使用私钥进行解密，同时根据发送方提供的数据所有权信息确认数据所属方正确，并使用约定的散列算法得到哈希值与链上信息进行完整性比对，完成这一系列操作后，能够保证自己获得了完整有效的合法数据；
(3.5)前置系统对数据资源中心的授权操作进行确认，数据交换的结果经由区块链基础平台发送至共享交换中心并存储； 数据请求方的前置系统记录成功获取并转换的数据量，关系型数据记录条数及每列大小、空间数据记录影像大小、实时数据记录条数，并记录发布的数据资源在请求方和发送方之间的映射关系，将这些数据作为计量信息提供给数据资源中心进行存储； 共享交换完成后，数据请求方可以通过反馈模块进行反馈，对获取的数据质量和数据发布方进行评价，评价结果经过反馈模块处理发送给区块链基础平台和共享交换中心； 用户通过客户端可以根据权限查询相应的数据交换记录信息，包括计量信息和反馈信息。
9.根据权利要求8所述的数据共享交换方法，其特征在于，所述数据采集具体如下：
1)文件获取与解析：采集的数据筛选并清除重复信息； 之后对采集到的数据根据建模规范，将对应的元数据转化成标准格式数据，该类数据一般是关系型数据，直接存储进对应的关系型数据库中； 不能转化的则将提取的基本信息以json格式保存到文件； 原始文件只是简单按照时间生成文件目录进行管理，文件名存在重名可能性，需对文件重命名，以“设备编号+绝对时间秒数”的格式保证文件名唯一； 这些数据一部分是空间数据，另一部分是实时数据，通过数据总线存储至对应的分布式文件存储系统中；
2)文件的安全传输：采用非对称加密RSA算法和数字签名技术确保信息安全，每个用户拥有CA认证中心颁发的签名证书，设备拥有唯一编号，通过两种算法的混合使用，保证文件安全传输。
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