CN109831529A - 一种云链数一体化的体系结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种云链数一体化的体系结构，包括信任网络基础平台子系统：作为核心基础子系统，实现与云环境的无缝集成、快速部署、开箱即用，及灵活的运维和监控管理，提供联盟链和智能合约的完整解决方案，支撑上层业务平稳运行；核心数据平台子系统：用于将核心业务数据进行上传和管理，实现数据的可信存储，以及多方数据的互联互通，从而提高追溯数据的公信力以及保证数据孤岛实现信息的顺畅流动；业务平台子系统：面向垂直行业提供应用级支撑和行业级解决方案，同时系统采用微服务和模块化设计，实现基础业务的低耦合和解决方案的可重组。该体系结构具有多数据库的备份容灾能力，完成了数据的可信存储，具有更大容量的存储能力。

Description

一种云链数一体化的体系结构

技术领域

本发明涉及分布式账本、云计算、数据库技术领域，特别是涉及可信业务系统架构设计，尤其是一种云链数一体化的体系结构。

背景技术

从产业发展的角度来定义，业务系统架构正走向新的阶段，是集新兴的互联网、移动互联网、云计算、物联网和区块链技术为一体，依托各层级信息技术，实现行业的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、可视化管理、智能化决策。从系统设计层面来说，当前业务系统架构具有以下需求：

1)克服中心化系统的弊端，提高系统公信力。分布式的账本天然克服了中心化系统的各种弊端，同时还能回避人为作恶篡改或者数据意外损失的问题。

2)数据共同维护，打破信息孤岛。可以有效利用众多参与共同维护同一账本的特性，进而打破不同系统间信息孤岛的问题。同时还可以带来支付即结算的清单功能，减少多方重复对账带来的问题和成本，避免溯源过程中成本过高的问题。

3)以灵活性提高参与主体的积极性。分布式账本系统主要由公信机构、大型企业各自承担台账存储和管理系统的建设。

4)催生创新商业共信与合作模式。在账本集体维护和加密算法的技术优势下，分布式账本可以低成本地解决商业活动的信任难题，构建多边的信任环境。数据库中的所有数据都会及时更新并存放于参与节点的系统中，记录的真实性需要被全网认可，也降低了中心化管理系统遭受黑客攻击或者中心数据库造假产生的系统性风险。

我们使用分布式账本技术，实现可信的数据流通，目前还存在很多问题，包括：

1)跨链用户数据所有权，在独立的分布式账本内，用户数据所有权通过公私钥可以很好的管控数据所有权，防止数据滥用；如果在多链架构中，保证数据跨链涉及多次认证，提高认证效率和认证可靠性难度增大；

2)多方身份认证的问题，存在数据存储方、数据使用方和用户，不同角色应该对应不同的权限和功能。同时，可靠的身份认证可以有效的实现身份管理。由于在真实的认证场景中存在着大量的角色，不同的角色对着不同的数据又有着不同的权限，而在使用多个数据系统连通后，不同的系统的认证机制、过程各不相同。为实现可信的数据流通需要构建更为开放及自由的身份认证与权限管理机制，让得到授权的人可以自由的使用和再利用相关数据，从而打破合同参与方之间的数据壁垒，目前的系统还无法解决这个问题；

3)跨链数据的监管问题，对于用户数据，用户拥有数据的所有权，对于数据流向、被使用情况，应当用户拥有知情权，对于链上数据监管，是实现开放数据重要一步。

综上所述，构建基于分布式账本、云计算、数据库技术的统一业务平台，实现业务系统的互信、协作，打通组织之间的数据孤岛，对构建新的商业模式具有重大意义。

发明内容

有鉴于此，本发明不仅提供了一种融合云计算、分布式账本、数据库的一体化体系结构，能够灵活适用于当前多方可信的业务场景，同时还基于这种体系结构实现了一种CCDIS(Cloud-Chain-Database Integration System)系统，并给出了具体的实施流程，具有理论创新和实用价值，云链数一体系统通用架构，从业务场景、核心数据、关键技术等多维度、多层次协同解决畜牧业中追溯问题，为上层应用提供全方位服务。

本发明的目的在于提供一种云链数一体化的体系结构，包括三大平台子系统：

1)信任网络基础平台子系统：作为核心基础子系统，用于实现与云环境的无缝集成、快速部署、开箱即用，以及灵活的运维和监控管理，提供联盟链和智能合约的完整解决方案，支撑上层业务平稳运行；所述信任网络基础平台子系统包括智能合约执行框架、TrustChain以及基础设施，其中所述智能合约执行框架基于合约虚拟机实现，包括状态数据库、智能合约语言、合约浏览器以及合约演绎，所述TrustChain基于可扩展链架构，包括共识算法、通信协议、数据存储、多链互连、全局状态管理、成员管理、传播算法以及加密算法，所述基础设施运行在OpenStack环境/容器集群下，能够快速部署、灵活运维以及实时监控；

2)核心数据平台子系统：用于将核心业务数据进行上传和管理，实现数据的可信存储，以及多方数据的互联互通，从而提高追溯数据的公信力以及保证数据孤岛实现信息的顺畅流动；

3)业务平台子系统：面向垂直行业提供应用级支撑和行业级解决方案，同时系统采用微服务和模块化设计，实现基础业务的低耦合和解决方案的可重组。

优选的，所述云链数一体化的体系结构的所述核心数据平台采用链库交叉索引的双数据系统，所述核心数据平台的数据包括三个部分：环境信息、业务数据和平台数据，账本中存储的是用户个人信息与业务信息，其他信息将会存储在一般的关系型数据库中，所述业务数据包括合约和/或交易，所述平台数据包括图片和/或文字形式的平台的运维数据。

优选的，所述云链数一体化的体系结构采用双链存储的结构，一条链用于存储溯源信息，用于数据的确权上链，另一条用于执行智能合约，保证数据存储和合约执行业务之间的性能隔离，公正第三方可以查看存储了交易信息的区块链，其中云链数一体化的体系结构中每个用户用公钥地址表示。

优选的，所述云链数一体化的体系结构内部采用高速共识机制，所述高速共识机制实现为galaxy高速的一致性算法，以保证账本的安全性与高效性，同时在galaxy共识框架下，实现共识算法的可插拔和可替换。

优选的，所述云链数一体化的体系结构所述三个平台的业务合约由智能合约实现完成。

优选的，所述云链数一体化的体系结构通过对不同身份的区块链访问对象设置不同的节点访问权限。

优选的，所述云链数一体化的体系结构中的区块链结构采用可扩展设计，适应未来多平台、多地区、甚至是跨领域的多链交叉结构。

优选的，所述云链数一体化的体系结构的核心数据平台子系统还包括：

链库适配层，实现链上数据结构与多种数据库存储适配的问题，实现区块链与文档数据库的无缝对接，并对外提供可信的数据库访问新范式；

双向引用模块，实现从数据库到区块链，以及从区块链到数据库的双向快速查询机制，并为数据完整性审计例程提供快速定位数据篡改位置；

基于内容索引模块，实现数据库基于内容的索引。

优选的，所述业务平台子系统包括：

数据权限管理模块、分布式数据复制模块以及数据指纹管理模块，所述数据指纹管理模块对数据单元从时间维度进行建模并完成Copy-on-Write重构，对于数据指纹基于操作序列进行重新描述，从而在支持库中数据可信修改的同时，同时支持历史数据的版本回溯。

优选的，所述云链数一体化的体系结构为基于状态机复制的链库一体化架构，在分布式的数据库系统的构建中，使得所有的机器做相同的操作，构建分布式的、满足一致性的区块链系统，以为所有处理系统提供输入，将区块链作为索引日志的时间戳，作为所有复制节点的时钟来对待，将复制节点所处理过的区块链系统中最大的时间戳，作为复制节点的唯一ID。

本发明的有益效果：

与传统的单机数据库相比，本技术方案具有多数据库的备份容灾能力；与分布式数据库相比，本技术方案完成了数据的可信存储；与区块链系统相比，本技术方案具有更大容量的存储能力。从而达成区块链与传统的数据库技术体系的融合，真正实现分布式数据库的数据可信。

与传统的单机数据库相比，本方案具有多数据库的备份容灾能力；与分布式数据库相比，本方案完成了数据的可信存储；与区块链系统相比，本方案具有更大容量的存储能力。从而达成区块链与传统的数据库技术体系的融合，真正实现分布式数据库的数据可信。

本体系结构可解决如下问题：

1)跨链用户数据所有权，在独立的分布式账本内，用户数据所有权通过公私钥可以很好的管控数据所有权，防止数据滥用；如果在多链架构中，保证数据跨链涉及多次认证，提高认证效率和认证可靠性。

2)多方身份认证，存在数据存储方、数据使用方和用户，不同角色应该对应不同的权限和功能。同时，可靠的身份认证可以有效的实现身份管理。由于在真实的认证场景中存在着大量的角色，不同的角色对着不同的数据又有着不同的权限，而在使用多个数据系统连通后，不同的系统的认证机制、过程各不相同。为实现可信的数据流通需要构建更为开放及自由的身份认证与权限管理机制，让得到授权的人可以自由的使用和再利用相关数据，从而打破合同参与方之间的数据壁垒。

3)跨链数据的监管，对于用户数据，用户拥有数据的所有权，对于数据流向、被使用情况，应当用户拥有知情权，对于链上数据监管，是实现开放数据重要一步。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

图1为根据本发明实施例的云链数一体化的体系结构。

具体实施方式

为了使得本发明能够针对其发明要点更加明显易懂，下面将结合附图和实例对本发明作进一步的说明。在下面的描述中阐述了很多细节和具体实例，提供这些实例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明完整形象地传达给本领域的技术人员。虽然本发明能够以很多不同于此的描述的其它方式实施，但是本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做相应的推广，因此本发明不受下面公开的具体实例及具体附图所限制。

本实施例的提出背景在于某地区政府对于核心追溯平台和畜牧业溯源平台的需求，整个项目包括四个阶段：

第一阶段：实施启动阶段。此阶段处于整个项目实施工作的最前期，由成立项目组、前期调研、编制总体项目计划、启动会四个步骤组成。主要工作为深入开展项目实施需求调研，并编制项目实施的总体计划，以完成项目实施启动会为阶段结束标志。

第二阶段：子系统部署实施阶段。此阶段主要工作为完成系统区块链基础架构平台，核心追溯平台和畜牧业溯源平台的部署实施，并根据节点和网络规划情况，制定联盟链的组织成员管理方案。成员的准入由政府相关单位牵头组建联盟，其他相关监管部门、企业和组织被联盟审核批准后作为成员节点加入区块链，准入机制可以承载政府部门对企业资质的审核与管理，保证参与主体的合法合规性。

第三阶段：完成整个系统服务上线部署阶段。此阶段为整个项目实施工作的关键阶段，主要工作为在系统子平台的基础上进行系统整体的联调测试，并针对验收要求逐步进行系统完善，最终通过项目验收要求。

第四阶段：实施收尾阶段。此阶段为整个项目实施工作的最后阶段，主要工作为保证系统服务上线运行，交付项目实施过程中的文档，制定详细的人员培训计划，并针对系统的业务操作人员集中开展技能培训，保证系统建设完成后良好的运行。

其中第二阶段是最为关键的，也是本实施例中需要详细说明和解决的问题。

遵循背景技术部分提到的原则进行设计，本实施例提出了云链数一体系统通用架构，从业务场景、核心数据、关键技术等多维度、多层次协同解决畜牧业中追溯问题，为上层应用提供全方位服务。

参见图1，本体系结构包括以下三大平台子系统：

信任网络基础平台子系统：作为核心基础子系统，用于实现与云环境的无缝集成、快速部署、开箱即用，以及灵活的运维和监控管理，提供联盟链和智能合约的完整解决方案，支撑上层业务平稳运行；所述信任网络基础平台子系统包括智能合约执行框架、TrustChain以及基础设施，其中所述智能合约执行框架基于合约虚拟机实现，包括状态数据库、智能合约语言、合约浏览器以及合约演绎，所述TrustChain基于可扩展链架构，包括共识算法、通信协议、数据存储、多链互连、全局状态管理、成员管理、传播算法以及加密算法，所述基础设施运行在OpenStack环境/容器集群下，能够快速部署、灵活运维以及实时监控。

核心数据平台子系统：将核心业务数据进行上传和管理，实现数据的可信存储，以及多方数据的互联互通。一方面提高追溯数据的公信力，一方面数据孤岛实现信息的顺畅流动。云链数一体化的体系结构的核心数据平台子系统还包括：链库适配层，实现链上数据结构与多种数据库存储适配的问题，实现区块链与文档数据库的无缝对接，并对外提供可信的数据库访问新范式；双向引用模块，实现从数据库到区块链，以及从区块链到数据库的双向快速查询机制，并为数据完整性审计例程提供快速定位数据篡改位置；基于内容索引模块，实现数据库基于内容的索引。

业务平台子系统：面向垂直行业提供应用级支撑和行业级解决方案，同时系统采用微服务和模块化设计，实现基础业务的低耦合和解决方案的可重组。优选的，所述业务平台子系统包括：

数据权限管理模块、分布式数据复制模块以及数据指纹管理模块，所述数据指纹管理模块对数据单元从时间维度进行建模并完成Copy-on-Write重构，对于数据指纹基于操作序列进行重新描述，从而在支持库中数据可信修改的同时，同时支持历史数据的版本回溯。

本体系结构的特色如下：

(1)链库交叉索引的双数据系统：由于分布式账本是一个不断增长的、可追溯的数据存储，所以不需要把所有的系统数据都放入账本中存储。平台的数据包括三个部分：环境信息、业务数据(合约、交易)和平台数据(平台的运维数据：图片、文字)，账本中存储的是用户个人信息与业务信息，其他信息将会存储在一般的关系型数据库中。

(2)双链设计：本方案采用双链存储的结构，一条链用于存储溯源信息，用于数据的确权上链，另一条用于执行智能合约，保证数据存储和合约执行业务之间的性能隔离，公正第三方可以查看的是存储了交易信息的区块链(其中每个用户用公钥地址表示)。

(3)高速共识机制：采用galaxy高速的一致性算法来保证账本的安全性与高效性，同时在galaxy共识框架下，可实现共识算法的可插拔、可替换。

(4)智能合约设计：现有平台的业务合约可以由智能合约实现完成，统一合约模板与行为，保证公信力。

(5)审计与监督设计：通过对不同身份的区块链访问对象设置不同的节点访问权限。

(6)可扩展链式设计：区块链结构采用可扩展设计，适应未来多平台、多地区、甚至是跨领域的多链交叉结构。

本系统中数据具有不可篡改的特性，数据库具有存储大规模信息数据的能力，与此同时，由于数据同步开销存在，区块链上难以存储大批大量数据，而数据库往往由一家机构所有，未经多方达成共识，难以让数据具有公信力。所以，区块链与数据库之间并非替代关系，而是二者将各自发挥所长走向融合，共同在大规模数据存储的场景下发挥作用。

云链数一体化的体系结构的核心数据平台子系统包括：

1)链库适配层，实现链上数据结构与多种数据库存储适配的问题，实现区块链与文档数据库的无缝对接，并对外提供可信的数据库访问新范式；

2)双向引用模块，实现从数据库到区块链，以及从区块链到数据库的双向快速查询机制，并为数据完整性审计例程提供快速定位数据篡改位置；

3)基于内容索引模块，实现数据库基于内容的索引。

业务平台子系统包括：

数据权限管理模块、分布式数据复制模块以及数据指纹管理模块，所述数据指纹管理模块对数据单元从时间维度进行建模并完成Copy-on-Write重构，对于数据指纹基于操作序列进行重新描述，从而在支持库中数据可信修改的同时，同时支持历史数据的版本回溯。

在数据可信上传的过程中，通过三大技术解决数据的可信性及快速访问的问题：

1)链库适配层，实现链上数据结构与多种数据库存储适配的问题，目前可实现区块链与文档数据库的无缝对接，并对外提供可信的数据库访问新范式。

2)双向引用，实现从数据库到区块链，以及从区块链到数据库的双向快速查询机制，并为数据完整性审计例程提供快速定位数据篡改位置提供了保证。

3)数据指纹管理，区别于区块链的只追加特性，数据库对数据的正常修改操作会影响数据完整性校验，从而导致库中数据与链上指纹的不一致，需要对数据单元从时间维度进行建模并完成Copy-on-Write重构，对于数据指纹基于操作序列进行重新描述，从而在支持库中数据可信修改的同时，同时支持历史数据的版本回溯。

本体系结构提出了基于状态机复制的链库一体化架构：

状态机复制原理(State Machine Replication Principle)内涵在于，如果两个确定的处理过程，从相同的状态开始，按照相同的顺序，接收相同的输入，那么它们将会产生相同的输出，并以相同的状态结束。所谓确定的，是指处理过程是时间无关的，其处理结果亦不受额外输入的影响。状态可以是机器上的任意数据，无论在处理结束后，是在机器的内存中还是磁盘上。

从理论上分析，区块链的引入解决了两个很重要的分布式数据系统中的问题：其一是有序的数据变化，其二是数据分布式化。从而在分布式的数据库系统的构建中，可以使得所有的机器做相同的操作，构建分布式的、满足一致性的log系统，也即区块链系统，以为所有处理系统提供输入。Log系统的作用，就是将所有的输入流之上的不确定性驱散，确保所有的处理相同输入的复制节点保持同步。将区块链作为索引日志的时间戳，作为所有复制节点的时钟来对待。通过将复制节点所处理过的log中最大的时间戳，作为复制节点的唯一ID，这样，时间戳结合log，就可以唯一地表达此节点的整个状态。理论上来讲，在区块链上记录一系列的操作，或者所调用方法的名称及参数，只要数据处理进程的行为相同，这些数据集就可以保证跨节点的一致性。

与传统的单机数据库相比，本方案具有多数据库的备份容灾能力；与分布式数据库相比，本方案完成了数据的可信存储；与区块链系统相比，本方案具有更大容量的存储能力。从而达成区块链与传统的数据库技术体系的融合，真正实现分布式数据库的数据可信。

数据流通过程中存在如下问题：1)跨机构数据连通性问题，数据交互速度慢；2)数据源的数据质量问题，例如数据的完整性和真实性无法得到保证；3)用户数据隐私性问题，包括牵涉用户隐私的数据可能被泄露或者滥用。

使用分布式账本技术，实现可信的数据流通，本体系结构可解决如下问题：

1)跨链用户数据所有权，在独立的分布式账本内，用户数据所有权通过公私钥可以很好的管控数据所有权，防止数据滥用；如果在多链架构中，保证数据跨链涉及多次认证，提高认证效率和认证可靠性。

2)多方身份认证，存在数据存储方、数据使用方和用户，不同角色应该对应不同的权限和功能。同时，可靠的身份认证可以有效的实现身份管理。由于在真实的认证场景中存在着大量的角色，不同的角色对着不同的数据又有着不同的权限，而在使用多个数据系统连通后，不同的系统的认证机制、过程各不相同。为实现可信的数据流通需要构建更为开放及自由的身份认证与权限管理机制，让得到授权的人可以自由的使用和再利用相关数据，从而打破合同参与方之间的数据壁垒。

3)跨链数据的监管，对于用户数据，用户拥有数据的所有权，对于数据流向、被使用情况，应当用户拥有知情权，对于链上数据监管，是实现开放数据重要一步。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (10)

1.一种云链数一体化的体系结构，其特征在于包括三大平台子系统：

1)信任网络基础平台子系统：作为核心基础子系统，用于实现与云环境的无缝集成、快速部署、开箱即用，以及灵活的运维和监控管理，提供联盟链和智能合约的完整解决方案，支撑上层业务平稳运行；所述信任网络基础平台子系统包括智能合约执行框架、TrustChain以及基础设施，其中所述智能合约执行框架基于合约虚拟机实现，包括状态数据库、智能合约语言、合约浏览器以及合约演绎，所述TrustChain基于可扩展链架构，包括共识算法、通信协议、数据存储、多链互连、全局状态管理、成员管理、传播算法以及加密算法，所述基础设施运行在OpenStack环境/容器集群下，能够快速部署、灵活运维以及实时监控；

2)核心数据平台子系统：用于将核心业务数据进行上传和管理，实现数据的可信存储，以及多方数据的互联互通，从而提高追溯数据的公信力以及保证数据孤岛实现信息的顺畅流动；

3)业务平台子系统：面向垂直行业提供应用级支撑和行业级解决方案，同时系统采用微服务和模块化设计，实现基础业务的低耦合和解决方案的可重组。

2.根据权利要求1所述的一种云链数一体化的体系结构，其特征在于：所述云链数一体化的体系结构的所述核心数据平台采用链库交叉索引的双数据系统，所述核心数据平台的数据包括三个部分：环境信息、业务数据和平台数据，账本中存储的是用户个人信息与业务信息，其他信息将会存储在一般的关系型数据库中，所述业务数据包括合约和/或交易，所述平台数据包括图片和/或文字形式的平台的运维数据。

3.根据权利要求1所述的一种云链数一体化的体系结构，其特征在于：所述云链数一体化的体系结构采用双链存储的结构，一条链用于存储溯源信息，用于数据的确权上链，另一条用于执行智能合约，保证数据存储和合约执行业务之间的性能隔离，公正第三方可以查看存储了交易信息的区块链，其中云链数一体化的体系结构中每个用户用公钥地址表示。

4.根据权利要求1所述的一种云链数一体化的体系结构，其特征在于：所述云链数一体化的体系结构内部采用高速共识机制，所述高速共识机制实现为galaxy高速的一致性算法，以保证账本的安全性与高效性，同时在galaxy共识框架下，实现共识算法的可插拔和可替换。

5.根据权利要求1所述的一种云链数一体化的体系结构，其特征在于：所述云链数一体化的体系结构所述三个平台的业务合约由智能合约实现完成。

6.根据权利要求1所述的一种云链数一体化的体系结构，其特征在于：所述云链数一体化的体系结构通过对不同身份的区块链访问对象设置不同的节点访问权限。

7.根据权利要求1所述的一种云链数一体化的体系结构，其特征在于：所述云链数一体化的体系结构中的区块链结构采用可扩展设计，适应未来多平台、多地区、甚至是跨领域的多链交叉结构。

8.根据权利要求1所述的一种云链数一体化的体系结构，其特征在于所述云链数一体化的体系结构的核心数据平台子系统还包括：

链库适配层，实现链上数据结构与多种数据库存储适配的问题，实现区块链与文档数据库的无缝对接，并对外提供可信的数据库访问新范式；

双向引用模块，实现从数据库到区块链，以及从区块链到数据库的双向快速查询机制，并为数据完整性审计例程提供快速定位数据篡改位置；

基于内容索引模块，实现数据库基于内容的索引。

9.根据权利要求1所述的一种云链数一体化的体系结构，其特征在于所述业务平台子系统包括：

数据权限管理模块、分布式数据复制模块以及数据指纹管理模块，所述数据指纹管理模块对数据单元从时间维度进行建模并完成Copy-on-Write重构，对于数据指纹基于操作序列进行重新描述，从而在支持库中数据可信修改的同时，同时支持历史数据的版本回溯。

10.根据权利要求1所述的一种云链数一体化的体系结构，其特征在于所述云链数一体化的体系结构为基于状态机复制的链库一体化架构，在分布式的数据库系统的构建中，使得所有的机器做相同的操作，构建分布式的、满足一致性的区块链系统，以为所有处理系统提供输入，将区块链作为索引日志的时间戳，作为所有复制节点的时钟来对待，将复制节点所处理过的区块链系统中最大的时间戳，作为复制节点的唯一ID。