CN109871669A - 一种基于区块链技术的数据共享解决方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于资源汇聚领域，具体涉及一种基于区块链技术的数据共享解决方法，包括以下步骤：数据模型架构设计；业务智能合约设计；权限管理与身份认证设计；访问控制机制设计；数据存储结构设计。本发明提出了支持海量数据分级授权交易的多层区块链模型，采用链下存储的方式，极大地节省了区块链的存储空间消耗。通过对比实验验证相对于比特币、以太坊本数据模型在数据存储于访问控制方面有极大优势；提出了基于消息队列kafka的联盟链共识算法与基于改进PBFT算法的私有链共识算法。

Description

一种基于区块链技术的数据共享解决方法

技术领域

本发明属于资源汇聚领域，具体涉及一种基于区块链技术的数据共享解决方法。

背景技术

当今时代，互联网产业快速发展，数字化转型已成为社会发展的必然趋势。大数据、云计算等技术已成为人们最为熟悉的技术代表，数据的价值在人们心目中的地位越来越高。政府部门、各类型企业甚至个人都将数据资源视为实现自身竞争力的重要一环。主要是由于大数据能够利用各种数据管理技术、分析算法，对海量数据进行综合处理，快速得出规律，获得有价值的情报，实现智能决策。打通数据壁垒，实现数据共享，从而获得更多有价值的数据情报已成为当前政府各部门、各企业迫待解决的问题。但是，数据共享仍面临诸多挑战：

首先，信息系统林立是目前各主体普遍存在的问题，由此导致的数据互通困难，信息标准，数据格式存在差异，封闭的各主体成为了信息孤岛，海量数据的利用率低下，限制了政府部门或企业的进一步发展。其次，各主体之间所拥有的数据资源不对等，数据共享意愿不对等。以威胁情报共享为例，大多数主体更乐意获取而非分享威胁情报，或者将自己所拥有的威胁情报在小范围可信的主体间分享，原因是当前的威胁情报可能正是该主体所拥有安全系统的漏洞所在。由于隐私和透明是相互冲突的目标，因此这也是在研究数据共享技术的难点所在。最后，目前主流的数据共享系统大多为单一的数据中心化平台，由第三方服务商负责管理与维护，数据服务商成为了事实上的数据拥有者，能够对用户上传的数据进行各种操作，系统的用户成为了弱势的一方。因此，当前的数据交易系统无法为用户提供数据可靠性的保障。

区块链技术可以通过P2P网络建立信用体系，传递价值观念。该技术的本质为去中心化，这种方式能够降低传统数据共享平台的价值传递成本和监管成本、提高了数据可靠性和交易效率。区块链技术为数据共享的研究提供了新思路。将区块链技术应用与数据共享交易场景，一方面可以利用去中心化的特点降低信任风险，使得交易过程扁平化，优化共识算法提升交易效率。另一方面，多方维护和分布式存储是区块链最为鲜明的特点，这种特点能够保证数据的真实可靠，提高数据交易的可信性。

虽然像比特币这种区块链应用系统已经安全稳定地运行了很长时间，其技术价值已经被人们普遍接受，但是其所支持的功能仍然是简单的交易数据存证。现行的区块链技术在数据共享应用的支持上仍略显不足，因此提高区块链技术在数据共享应用方面的处理能力，通过加入身份管理实现访问控制，保证系统高并发、高可信的数据交易，是本文研究的主要内容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有权限管理与访问控制、高吞吐量、低交易时延的数据交易共享区块链平台。

一种基于区块链技术的数据共享解决方法，包括以下步骤：

(1)数据模型架构设计；

(2)业务智能合约设计；

(3)权限管理与身份认证设计；

(4)访问控制机制设计；

(5)数据存储结构设计。

所述数据模型架构设计，包括：

区块链为分层结构设计，主要分为接口层、核心层、身份认证层和数据存储层；

链模型主要由联盟链和私有链构成，在联盟链中以各个主体节点为中心，从宏观上构成多中心区块链结构；在主体内部搭建私有链网络，在主体内部以主体的不同部门为单位组成节点集群，不同部门通过私有链能够实现主体内部数据信息的共享；

联盟链由主体节点和CA证书服务器节点组成，CA机构主要负责对主体的身份进行审核，进行准入、清退等操作；主体间节点负责进行交易，联盟链负责存储交易数据，交易发起方经过CA授权认证后有权进行相关交易，发起交易时还需要进行交易验证与共识排序等步骤，交易完成后将节点交易信息进行记账处理，本区块链模型支持gossip网络协议，各节点间通过gRPC进行通信。

所述业务智能合约设计，包括：

(3.1)私有链业务智能合约设计

私有链仅存储数据文件以及用户信息，不执行交易，在主体内部构建，使用主体内部局域网进行通信，与外部的互联网进行隔离，应用IPFS协议对真实文件进行存储，私有链的区块中存储由IPFS技术处理的文件的哈希值，使用IPFS客户端或浏览器根据哈希值能够获取文件数据；

(3.2)公有链业务智能合约设计

联盟链业务智能合约的数据结构为交易信息主要为发起交易方地址、接受交易方地址、交易时间和交易状态；操作信息为操作编号、执行操作的账号、操作生成时间以及操作类型；由于联盟链只是负责交易，数据存储在私有链上，当主体需要发起交易时才会需要将数据信息共享到联盟链上。

所述权限管理与身份认证设计，包括：

(4.1)认证机制总体设计

区块链系统中，RCA仅有一个，部署在联盟链网络中，RCA负责为每一个主体内部CA提供其他主体的身份以及交易证书的验证信息，每个主体内部部署CA服务器，分为ICA和TCA，负责为主体内部的节点授权颁发证书，CA能够为该主体的节点授权对其他主体进交易，经过授权的节点能够与其他主体进行通信；CA主要负责对主体内部的身份证书、交易证书进行管理；

(4.2)ICerts身份认证机制设计

ICA颁发身份认证证书ICerts的对象是各个主体内部的所有角色、节点，包括平台用户、peer节点、背书节点、交易验证节点等，该证书属于长期证书，一旦注册，能够长期使用；

(4.3)TCerts交易认证机制设计

TCerts证书由TCA颁发，TCA通过查询身份证书ICerts授权颁发给有交易请求的用户，TCerts证书为短期证书，设置为在一个交易期间内是有效的，同时配置隐藏交易参与方的真实信息；TCert证书包含签名密钥的，并且该证书只会颁发给参与交易的用户，会与交易的所有者唯一关联，与该交易证书有关的身份真实信息只有TCA知道，该证书能够配置为不会携带用户的真实身份信息，从而实现交易的双盲功能。

所述访问控制机制设计，包括：

交易双方只能通过Channel机制在双方之间达成共识即可，设立独立于主体的共识服务节点，将交易双方与共识服务节点加入Channel通道中，由共识服务节点为交易双方之间的交易数据进行共识排序，达成交易的数据信息仅存储在交易双方的账本中。

所述数据存储结构设计，包括：

数据存储结构基于超级账本Hyperledger Fabric的设计思想，构建了数据账本相关的数据结构；账本数据库依赖于文件系统，具体的区块则存储在文件中，利用数据库LevelDB存储交易对应的文件ID以及文件数据的偏移量。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了支持海量数据分级授权交易的多层区块链模型，采用链下存储的方式，极大地节省了区块链的存储空间消耗。通过对比实验验证相对于比特币、以太坊本数据模型在数据存储于访问控制方面有极大优势；提出了基于消息队列kafka的联盟链共识算法与基于改进PBFT算法的私有链共识算法。

附图说明

图1是数据模型的总体架构设计图；

图2是数据模型分层结构；

图3是区块链模型的CA基础设施体系架构；

图4是多Channel与账本对应关系示意图；

图5是账本区块结构示意图；

图6是联盟链共识机制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

当今时代，互联网产业快速发展，数字化转型已成为社会发展的必然趋势。大数据、云计算等技术已成为人们最为熟悉的技术代表，数据的价值在人们心目中的地位越来越高。政府部门、各类型企业甚至个人都将数据资源视为实现自身竞争力的重要一环。主要是由于大数据能够利用各种数据管理技术、分析算法，对海量数据进行综合处理，快速得出规律，获得有价值的情报，实现智能决策。打通数据壁垒，实现数据共享，从而获得更多有价值的数据情报已成为当前政府各部门、各企业迫待解决的问题。但是，数据共享仍面临诸多挑战：

首先，信息系统林立是目前各主体普遍存在的问题，由此导致的数据互通困难，信息标准，数据格式存在差异，封闭的各主体成为了信息孤岛，海量数据的利用率低下，限制了政府部门或企业的进一步发展。其次，各主体之间所拥有的数据资源不对等，数据共享意愿不对等。以威胁情报共享为例，大多数主体更乐意获取而非分享威胁情报，或者将自己所拥有的威胁情报在小范围可信的主体间分享，原因是当前的威胁情报可能正是该主体所拥有安全系统的漏洞所在。由于隐私和透明是相互冲突的目标，因此这也是在研究数据共享技术的难点所在。最后，目前主流的数据共享系统大多为单一的数据中心化平台，由第三方服务商负责管理与维护，数据服务商成为了事实上的数据拥有者，能够对用户上传的数据进行各种操作，系统的用户成为了弱势的一方。因此，当前的数据交易系统无法为用户提供数据可靠性的保障。

区块链技术可以通过P2P网络建立信用体系，传递价值观念。该技术的本质为去中心化，这种方式能够降低传统数据共享平台的价值传递成本和监管成本、提高了数据可靠性和交易效率。区块链技术为数据共享的研究提供了新思路。将区块链技术应用与数据共享交易场景，一方面可以利用去中心化的特点降低信任风险，使得交易过程扁平化，优化共识算法提升交易效率。另一方面，多方维护和分布式存储是区块链最为鲜明的特点，这种特点能够保证数据的真实可靠，提高数据交易的可信性。

虽然像比特币这种区块链应用系统已经安全稳定地运行了很长时间，其技术价值已经被人们普遍接受，但是其所支持的功能仍然是简单的交易数据存证。现行的区块链技术在数据共享应用的支持上仍略显不足，因此提高区块链技术在数据共享应用方面的处理能力，通过加入身份管理实现访问控制，保证系统高并发、高可信的数据交易，是本文研究的主要内容。

本发明的目的在于提供一种具有权限管理与访问控制、高吞吐量、低交易时延的数据交易共享区块链平台。

本发明的支持海量数据分级授权交易的多层区块链模型以及面向高频交易的多层区块链的共识机制如下所述：

1、总体设计

在联盟链中有根证书颁发机构RCA，每个主体内部有各自的证书颁发机构，证书颁发机构采用证书信任链的形式保证了各级授权合法性。负责交易的联盟链区块主要存储交易信息，负责数据存储的私有链区块主要负责存储数据文件。数据文件的存储采用的是链下存储的形式，所以文件实际存储在由联盟组织搭建的IPFS网络中，通过使用LevelDB负责存储账本的世界状态。以下各小节将在数据模型架构设计、业务智能合约设计、权限管理与身份认证设计、访问控制机制设计以及数据存储结构设计五个方面进行详细的讲解。

2、数据模型架构设计

1)多中心区块链分层结构设计

通过对联盟链Hyperledger Fabric技术原理的研究改进，本文提出多层区块链的分层结构设计，主要分为接口层、核心层、身份认证层和数据存储层。

2)多中心区块链分层结构设计

链模型主要由联盟链和私有链构成，在联盟链中以各个主体节点为中心，从宏观上构成多中心区块链结构。首先在主体内部搭建私有链网络。在主体内部可以以主体的不同部门为单位组成节点集群，不同部门通过私有链能够实现主体内部数据信息的共享，同时由于区块链的特性又能够避免中心化数据存储带来的数据被篡改、服务器容错维护成本过高、数据共享传播效率过低等问题。同时，由于私有链部署在局域网，与互联网相互隔离，通过物理隔离的形式能够保证主体内部私有数据的安全性。CA证书颁发机构用于为参与交易的节点提供身份证书、验证交易对方的身份和交易的合法性。联盟链与私有链网络间通过代理服务器进行隔离，数据交易信息由代理服务器传输给本主体的区块链节点，在联盟链间进行交易。

联盟链由主体节点和CA证书服务器节点组成。CA机构主要负责对主体的身份进行审核，进行准入、清退等操作。主体间节点负责进行交易，联盟链负责存储交易数据，交易发起方经过CA授权认证后有权进行相关交易，发起交易时还需要进行交易验证与共识排序等步骤，交易完成后将节点交易信息进行记账处理，本区块链模型支持gossip网络协议，各节点间通过gRPC进行通信。

3、业务智能合约设计

1)私有链业务智能合约设计

私有链仅存储数据文件以及用户信息，不执行交易，在主体内部构建，使用主体内部局域网进行通信，与外部的互联网进行隔离，保障了主体数据的安全性。本平台应用IPFS协议对真实文件进行存储，私有链的区块中存储由IPFS技术处理的文件的哈希值，使用IPFS客户端或浏览器根据哈希值能够获取文件数据，后续小节将对该内容进行详细地介绍。本节暂且理解为私有链能够搭载数据文件。私有链的业务智能合约设计如下：首先用户能够通过私有链系统上传数据文件，由于数据文件信息通过平台存放在了该网络的所有节点上，所以本模型能够保证数据信息难以被篡改。用户能够通过智能合约查询、添加、删除、修改文件数据信息，同时，分布式的数据存储方式可以增强系统的容灾能力，降低系统维护成本。

2)公有链业务智能合约设计

联盟链业务智能合约的数据结构为交易信息主要为发起交易方地址、接受交易方地址、交易时间和交易状态；操作信息为操作编号、执行操作的账号、操作生成时间以及操作类型。由于联盟链只是负责交易，数据存储在私有链上，当主体需要发起交易时才会需要将数据信息共享到联盟链上。

3.权限管理与身份认证机制设计

(1)认证机制总体设计

在此区块链系统中，RCA(Root certificate)仅有一个，部署在联盟链网络中，RCA负责为每一个主体内部CA提供其他主体的身份以及交易证书的验证信息。每个主体内部部署CA服务器，分为ICA(identity certificate)和TCA(transactions certificate)，负责为主体内部的节点授权颁发证书，CA能够为该主体的节点授权对其他主体进交易，经过授权的节点能够与其他主体进行通信。CA主要负责对主体内部的身份证书、交易证书进行管理，具体包括注册、清退等操作。在交易过程中会有节点检查相关交易是否符合证书权限，包括进行身份认证、交易检查等操作，待检查无误后继续进行数据交易。通过该身份认证与交易认证能够保证在多中心区块链模型的隐私保护。

(2)ICerts身份认证机制设计

ICA颁发身份认证证书ICerts的对象是各个主体内部的所有角色、节点，包括平台用户、peer节点、背书节点、交易验证节点等。该证书属于长期证书，一旦注册，能够长期使用。ICerts能够在交易证书请求过程中为TCerts的注册提供身份验证。其中主要包括了证书拥有者的注册序号，两个密钥对：签名密钥和加密密钥，ICerts证书只能由TCA访问，通过获取ICerts证书，TCA能够进行相应的交易验证工作。

(3)TCerts交易认证机制设计

TCerts证书由TCA(Transactions Certificate)颁发，TCA通过查询身份证书ICerts授权颁发给有交易请求的用户。TCerts证书为短期证书，可以设置为在一个交易期间内是有效的，同时可以配置隐藏交易参与方的真实信息。TCert证书包含签名密钥的，并且该证书只会颁发给参与交易的用户，会与交易的所有者唯一关联，与该交易证书有关的身份真实信息只有TCA知道。该证书能够配置为不会携带用户的真实身份信息，从而实现交易的双盲功能。

3.访问控制机制设计

在数据共享交易的应用场景中，不同于比特币、以太坊的交易机制，一笔交易有时是发生在交易双方或者达成交易合约的组织之间，交易信息或数据信息并不希望被联盟链网络的其他用户知道，所以在设计区块链模型时需要考虑应用场景的实际需求，加入访问控制机制提供交易数据的隐私保护。因此，本节基于Hyperledger Fabric技术的Channel机制实现访问控制机制。Channel访问控制机制的内容如下：

在不同主体的交易过程中。以主体A与主体B之间的交易为例，主体A向主体B发起一笔数据交易，主体B能够通过交易获取数据内容。但是，这笔交易的参与双方并不希望被本平台的其他用户查看交易信息，获取数据内容。所以，该交易不能经过全网达成共识这种过程。所以，主体A和主体B只能通过Channel机制在双方之间达成共识即可。设立独立于主体的共识服务节点(共识机制由第四章进行详细讲解，本章暂且理解为共识服务节点)。将主体A、主体B与共识服务节点加入Channel通道中，由共识服务节点为主体A、主体B之间的交易数据进行共识排序，达成交易的数据信息仅存储在主体A与主体B的账本中，通过此方法外界的主体无法看到A和B之间的具体交易信息，实现了访问控制的功能。

3.数据存储结构设计

本区块链体系的数据存储结构基于超级账本Hyperledger Fabric的设计思想。主要构建了数据账本相关的数据结构。账本是一系列基于交易动作生成的难以被修改、被实现排序的状态转移的备份日志。交易动作主要是指链码的执行会生成交易的结果，每种交易都能够通过相应的增加、删除、查询等操作提供一系列的交易信息，这些信息会以键值对的形式记录到账本上，通过使用一定的策略将一定数量的交易打包生成区块，这样能够使账本连接成区块链。同时，还需要有一个数据库去维护账本的状态，称为世界状态。下面分别介绍账本的存储结构以及账本状态数据库的存储内容。

账本数据库依赖于文件系统，具体的区块则存储在文件中，利用数据库LevelDB存储交易对应的文件ID以及文件数据的偏移量，LevelDB的作用是为账本添加了索引，便于快速查询交易信息。

账本状态数据库存储的是在交易过程中智能合约生成的最新的键值对，可以理解为最新的交易信息。调用智能合约进行交易能够实现改变状态数据，将最新的键值对存放在状态数据库中，能够提高智能合约的调用效率。

基于消息队列的主体间共识算法

证书申请

用户通过APP或SDK接入本多层区块链模型系统，新注册的用户通过CA获取身份认证证书以及交易证书，获取证书后的用户能够在模型中发布交易信息。

2)背书验证

客户端向背书节点提交交易请求，背书节点将交易信息按照背书机制进行检验，给出背书结果，支持或否决。背书节点的认证流程如下：

首先，验证客户端提交的交易申请的签名是否正确；其次，根据身份证书以及交易证书进行channel通道ACL检查，验证该交易是否能够在指定的channel通道上进行。然后，背书节点进行模拟交易，验证交易是否符合规则。最后，背书节点对通过验证的客户端所请求的交易信息进行背书操作，添加背书节点的数字签名，将修改后的交易信息重新发送至客户端。

客户端调用智能合约的某个交易必须获得背书认证才会被认为是合法的。该交易可能需要获得来自某个主体身份成员的全体同意；或者超过一定数量的个体节点的同意。背书节点上部署的链码负责这些策略的具体内容。

3)客户端校验阶段

客户端获得背书节点发送的交易信息，首先验证背书节点的数字签名是否正确；其次将所有背书节点发送的消息进行对比；最后，检查本次交易是否符合背书政策。客户端将符合背书政策的交易发送给排序节点orders peer，同时也将交易信息发送给背书节点。

4)共识排序阶段

排序节点orders peer只是单纯的进行排序操作，并不会读取交易的具体内容。通常排序服务由联盟链中权威机构设立排序节点集群来提供。集群中的排序节点能够为不同Channel通道的不同交易进行排序服务，该服务主要借助于kafka消息队列提供的后端插件完成。排序节点orders peer根据一定的规则对交易进行排序，以一段时间或一定数量的交易信息为单位对交易进行打包排序处理。

5)校验排序阶段

经过orders peer排序处理后的交易块被发送到committer节点，该节点对交易数据块进行最后一次的验证工作，首先验证交易数据块结构的完整性、交易数据中的背书签名是否符合背书机制，检查当前的交易数据是否有效等。通过committer节点检查完成后的数据块将写入账本，同时该节点向参加该交易对应channel的节点进行广播同步账本数据。

基于数据精简的主体内节点间共识算法优化

1)一致性协议算法概述

主节点接受客户端发送的数据信息，当主节点接受的信息达到一定的数量或者经过一定的时间后，从数据列表中将这些数据生成证书并发送给其他副本节点，这时主节点的状态变为prepare状态。

副本中的其他节点收到主节点发送的信息后进入prepare状态，同时记录证书信息。该节点根据状态将证书数据发往所有的副本节点，当该节点收到了数量为2f个结点发送来的相同的证书数据信息，那么由于该消息获得节点确认的数量达到了Group的数量，那么节点由perpare转变为commit状态，将确认的消息发送给其他节点。

如果副本节点判断接收到相同信息的节点数量为2f+1，那么可以判断出当前区块中的数据已经在区块链系统的所有节点间达成了共识，确认完成后将该区块链入节点的区块链上，完成了整个一致性协议的过程。

2)检查点协议算法概述

经典算法PBFT的检查点协议的设计是为了保证节点间数据一致性、降低节点的存储消耗。通过一定的时间，在节点间进行协商通信，检查存储的数据是否一致，如果判断一致，那么将之前存储的证书数据进行清除；如果某一节点发现自己存储的数据不是最新的，那么需要从主节点获取证书进行全网一致性确认。这种过程又需要进行上一节的3段协商的过程，造成了大量数据传输，影响数据吞吐量，造成了数据通信的极大浪费。本节在此处的优化方法是根据私有链节点相对可靠的特点，经过一个特定的周期，一个节点向本网络中的其他2f+1个节点发出询问，这些节点返回区块链最优区块的时间戳，如果存在f+1以上的节点具有相同的时间戳，判断本节点的区块链所存储的数据是否是最新的，如果不是最新的，那么任意挑选存储最新信息的一个节点获取区块数据即可。

3)视图切换协议算法概述

在视图切换的过程中，区块链网络中的节点证书数据列表会被删除，新的主节点负责通过一致性协议保证该分布式平台的数据一致性。当主节点宕机以后，根据上述算法，本区块链能够在规定的时间内进行视图切换，在整个过程中，该协议能够时刻监听主节点最新区块的时间戳，如果符合更换视图的条件，立刻更换视图，在切换过程中不需要进行网络中节点间的通信，能够有效地减少信息传输消耗。

(1)实验环境

本发明提出的区块链数据模型需要部署在分布式网络中，各个不同种类功能的节点组成整个P2P网络。主要节点类型为peer、order peer、kafka节点和zookeeper节点，peer节点分为endorser peer和committer peer。在本平台系统中，各个节点都运行在docker容器里，节点间通过使用gRPC协议进行通信。

(2)实验方案

首先对本发明设计的区块链数据模型与以太坊在访问控制、数据存储、代价花费三个方面进行比较。本次实验主要分为两组对比实验，第一组实验为创建三个主体org1、org2和org3。首先测试本文的区块链系统在访问控制、海量数据交易场景下的处理能力，模拟org1与org2进行数据交易，将主体org1和org2加入平台系统的一个channel中，本次交易对主体org3进行隔离。模拟主体org3的用户对本次交易进行查询。第二组实验针对五个大小不同的数据分别应用于本平台系统和以太坊中，在数据存储、代价花费两方面进行对比。

其次根据联盟链的交易场景和私有链的数据存储场景分别设计了对比实验。第三组实验重点关注的是联盟链的交易效率，通过联盟链系统内各主体的模拟交易，获取相关数据，计算本平台的数据吞吐量，将该参数与比特币、以太坊等区块链平台进行对比分析。第四组实验重点关注的是在私有链网络数据存储场景中，区块链平台在CPU使用率以及节点数据恢复等方面与比特币系统的对比情况。

下面对实验过程进行详细说明：

构建区块链平台

首先我们需要创建三个主体org1、org2和org3的联盟链和私有链的节点，通过每个主体的CA对各个节点颁发身份证书和交易证书，指定该链上的智能合约内容和平台系统的版本信息，指定主体内部的节点加入联盟链和私有链网络。创建channel1通道，将主体org1和主体org2加入channel1中，并赋予org1与org2交易权限。

智能合约运行测试

在三个主体中创建client客户端，在主体org1上创建交易提案，上传交易数据，广播交易提案并收集背书节点的回复消息；输入交易过程中要求的相关参数，得到当前交易的序号id，交易验证无误后通过主体org2的客户端执行智能合约进行交易，交易成功后使用query方法进行交易账本信息的查询。org1执行智能合约，得到交易成功后返回的信息。org1和org2交易完成后，交易信息被存储在各自的账本中，供以后查询使用。org3执行查询query方法，查询这笔交易数据，会得到身份验证不通过的返回结果。

TPS性能测试

为了更好地测试共识算法性能，我们需要尽可能多的加入交易用户，新建200个client客户端参与交易，每次交易的数据量大小为1M，在一段时间内循环发起交易。以最快的速度发生交易，在实验过程中统计各项参数。

在本节中定义的交易时延的具体含义是指从client客户端开始发起交易到最终确定交易的时间间隔。该参数衡量的是整个区块链网络的数据通信能力和共识机制的优劣。较低时延的系统能够快速确认一笔交易，可以降低client客户的等待时间，使用户能够进行更好的系统体验。而吞吐量是决定交易时延的重要参数，吞吐量是衡量一个系统在单位时间内接受、响应请求，传输交易信息，处理各项交易事务以及系统并发量的重要参考数据。该参数一般用TPS来表示，TPS表示系统在1秒的时间内产生的交易总数。下述公式列出了该参数的求解方法：

在上述公式中，Transactions_t表示在一段时间t内发生的总的交易数量，t为一段时间，我们可以自行设置参数t。

私有链公式共识算法性能测试

本实验在一个主体内部进行，在该主体内部搭建私有链网络。通过在该私有链网络的节点上运行不同的共识算法在CPU使用率以及节点失效恢复时间比较等两方面分别进行实验对比分析。

测试CPU使用率的步骤为：使用私有链网络中的同一个节点，分别观察记录该节点在一段时间内使用PoW算法和优化的PBFT算法的CPU使用率，模拟节点的整个共识过程，在20秒内每隔2秒统计该节点的CPU使用率，将两种算法进行对比分析。

节点失效恢复时间对比的步骤为：在搭建私有链的网络中分别运行PBFT算法和本文提出的优化PBFT算法。断开网络中的一个非主节点，在网络中发送消息，各个节点的区块链产生个数为N的新区块；将该节点恢复正常，统计该节点的区块链恢复正常所需消耗的时间，对实验数据进行对比分析。

(3)实验结果分析

实验一表明以太坊区块链平台并不能适用于数据交易用户访问控制的应用场景，而本平台的设计从文件数据交易的实际场景出发，利用区块链技术解决了该场景中的诸多问题，访问控制是本平台所解决的关键问题。从上表还能看出，在以太坊的三种数据存储方式中只有日志事件存储能够支持海量数据的信息交易场景。所以，综上所述，本文提出的区块链系统在访问控制和文件存储交易两方面具有较大优势。

实验二表明本发明模型采用文件数据链下存储的方式，在链上只是存储相关文件数据的哈希值，节省了区块链的存储消耗。同时，本区块链平台不同于比特币、以太坊等公有链，在交易过程中不需要花费额外的金钱，所以综上所述，本平台相对于比特币、以太坊等区块链技术能够更好地解决本文提出的海量数据共享交易的应用场景。

实验三表明本发明提出的共识算法在与目前主流的区块链技术平台比特币、以太坊在参数TPS的对比方面明显占据很大的优势。目前主流的区块链平台比特币、以太坊的TPS吞吐量参数较低，原因主要是较高吞吐量的共识算法容易导致分叉问题。而联盟链的构建过程没有分叉问题的存在，因此，本发明提出的共识算法能够很好的应用于本发明提出的多层区块链模型，实现高吞吐量，降低时延，提升交易速度。

实验四表明从实验可以看出PoW的CPU利用率基本维持在98％左右，而IPBFT算法的CPU利用率在20％左右，由此可以看出PoW算法算力消耗很大。通过上述两组实验能够看出本文提出的IPBFT算法具有较高的容错率，虽然该算法的拜占庭容错率低于PoW算法，但是PoW共识算法在保证高容错率的同时消耗了大量的算力，占用了高CPU使用率，所以综合两点来看，相对于PoW算法，本发明提出的PBFT优化算法具有明显优势。同时本算法在数据一致性协议作出了优化，减少了网络数据的传输量，由此加快了故障节点的数据恢复时间。从整体上看，IPBFT算法的节点数据恢复时间大约为PBFT算法节点恢复时间的三分之一。因此，在此方面本发明提出的PBFT优化算法具有明显的优势。

本发明提出了支持海量数据分级授权交易的多层区块链模型，采用链下存储的方式，极大地节省了区块链的存储空间消耗。通过对比实验验证相对于比特币、以太坊本数据模型在数据存储于访问控制方面有极大优势；提出了基于消息队列kafka的联盟链共识算法与基于改进PBFT算法的私有链共识算法。

Claims (6)

1.一种基于区块链技术的数据共享解决方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)数据模型架构设计；

(2)业务智能合约设计；

(3)权限管理与身份认证设计；

(4)访问控制机制设计；

(5)数据存储结构设计。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的数据共享解决方法，其特征在于，所述数据模型架构设计，包括：

区块链为分层结构设计，主要分为接口层、核心层、身份认证层和数据存储层；

链模型主要由联盟链和私有链构成，在联盟链中以各个主体节点为中心，从宏观上构成多中心区块链结构；在主体内部搭建私有链网络，在主体内部以主体的不同部门为单位组成节点集群，不同部门通过私有链能够实现主体内部数据信息的共享；

联盟链由主体节点和CA证书服务器节点组成，CA机构主要负责对主体的身份进行审核，进行准入、清退等操作；主体间节点负责进行交易，联盟链负责存储交易数据，交易发起方经过CA授权认证后有权进行相关交易，发起交易时还需要进行交易验证与共识排序等步骤，交易完成后将节点交易信息进行记账处理，本区块链模型支持gossip网络协议，各节点间通过gRPC进行通信。

3.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的数据共享解决方法，其特征在于，所述业务智能合约设计，包括：

(3.1)私有链业务智能合约设计

私有链仅存储数据文件以及用户信息，不执行交易，在主体内部构建，使用主体内部局域网进行通信，与外部的互联网进行隔离，应用IPFS协议对真实文件进行存储，私有链的区块中存储由IPFS技术处理的文件的哈希值，使用IPFS客户端或浏览器根据哈希值能够获取文件数据；

(3.2)公有链业务智能合约设计

联盟链业务智能合约的数据结构为交易信息主要为发起交易方地址、接受交易方地址、交易时间和交易状态；操作信息为操作编号、执行操作的账号、操作生成时间以及操作类型；由于联盟链只是负责交易，数据存储在私有链上，当主体需要发起交易时才会需要将数据信息共享到联盟链上。

4.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的数据共享解决方法，其特征在于，所述权限管理与身份认证设计，包括：

(4.1)认证机制总体设计

区块链系统中，RCA仅有一个，部署在联盟链网络中，RCA负责为每一个主体内部CA提供其他主体的身份以及交易证书的验证信息，每个主体内部部署CA服务器，分为ICA和TCA，负责为主体内部的节点授权颁发证书，CA能够为该主体的节点授权对其他主体进交易，经过授权的节点能够与其他主体进行通信；CA主要负责对主体内部的身份证书、交易证书进行管理；

(4.2)ICerts身份认证机制设计

ICA颁发身份认证证书ICerts的对象是各个主体内部的所有角色、节点，包括平台用户、peer节点、背书节点、交易验证节点等，该证书属于长期证书，一旦注册，能够长期使用；

(4.3)TCerts交易认证机制设计

TCerts证书由TCA颁发，TCA通过查询身份证书ICerts授权颁发给有交易请求的用户，TCerts证书为短期证书，设置为在一个交易期间内是有效的，同时配置隐藏交易参与方的真实信息；TCert证书包含签名密钥的，并且该证书只会颁发给参与交易的用户，会与交易的所有者唯一关联，与该交易证书有关的身份真实信息只有TCA知道，该证书能够配置为不会携带用户的真实身份信息，从而实现交易的双盲功能。

5.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的数据共享解决方法，其特征在于，所述访问控制机制设计，包括：

交易双方只能通过Channel机制在双方之间达成共识即可，设立独立于主体的共识服务节点，将交易双方与共识服务节点加入Channel通道中，由共识服务节点为交易双方之间的交易数据进行共识排序，达成交易的数据信息仅存储在交易双方的账本中。

6.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的数据共享解决方法，其特征在于，所述数据存储结构设计，包括：

数据存储结构基于超级账本Hyperledger Fabric的设计思想，构建了数据账本相关的数据结构；账本数据库依赖于文件系统，具体的区块则存储在文件中，利用数据库LevelDB存储交易对应的文件ID以及文件数据的偏移量。