CN111177766B - 应用于管道完整性管理的区块链管理系统及管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于管道完整性管理的区块链管理系统及管理方法，该系统包括应用层、基础设施层和区块链网络；方法包括（1）建立基于数字证书的成员管理服务；确认需加入区块链中的组织机构，通过成员管理服务器提供商为各组织机构生成数字证书以标识其身份，同时将每个身份与成员管理服务器提供商的编号进行关联，用于验签管理；（2）入链；组织机构经通道模块，加入到一个或多个有权限的区块链中；（3）数据提交。本发明立足于应用区块链的多点产生、数据加密、多方审核、不可篡改、可溯源的特点，突破产生中线数据的不同系统之间的数据隔阂，从而实现中线数据在管道完整性管理中的流畅应用，推动管道完整性工作的开展。

Description

应用于管道完整性管理的区块链管理系统及管理方法

技术领域

本发明涉及一种区块链管理系统及管理方法，尤其涉及一种应用于管道完整性管理的区块链管理系统及管理方法。

背景技术

目前的管道完整性管理的数据组织是基于线性参照的，管道中线是线性参照的核心要素。所有管道设备、管道环境、管道段、管道管理的各种行为（如管道高后果区分析、危险段判别、管道维护的具体方法和手段等）都被抽象为管道中线上的点和线，所以管道中线的维护就成为了管道管理的最重要的基本数据操作。

目前管道中线管理的主要方式是采用管道公司的管道完整性管理数据平台的单一中心维护管理模式，在这种管理模式下围绕着管道中线数据的规划、设计、施工、改线、功能调整等繁琐的管道建设维护管理行为，形成了多点利益相关方。同时形成了一中心多系统数据频繁交互系统。具体参见说明书附图1，这种系统存在如下问题：

（1）各数据主体数据层级太多，数据真实性和时效性无法得到保证。

（2）数据产生主体之间因为数据的交互流程造成严重的责任不明，影响各方管理、分析和解决管道管理问题的困扰。

（3）管道中线相关的多种管道管理系统间数据交换中线数据采用彼此独立的交换程序，交换方法重复、繁琐，效率低下。

（4）中心数据库与分系统的数据得不到及时的更新，数据矛盾重重，造成严重的数据障碍。

（5）数据库多头管理难以建立高效的保密管理机制，严重限制了完整性管理系统的广泛应用。

区块链是一种全网节点共同维护用于存储历史数据信息的分布式共享超级账本，其通过采用分布式共识机制、加密算法、区块链式存储、智能合约等技术实现了去中心化、去信任化、数据信息难以篡改等功能。区块链中的数据区块记录了一组采用哈希算法组成的树状数据结构信息，其链接指针是采用密码学哈希算法对区块头进行处理所产生的区块头哈希值。这样保证了每个区块内的交易数据不可篡改，区块链里链接的区块也不可篡改，从数据源头建立起高效的保密管理机制。同时在各区块中加入时间戳，保证数据的可追溯性。

为了防止数据提供者抵赖以及消除稽查时权责不明的现象，在区块链中使用数字签名机制。数字签名就是在信息后面附加数据发布者的电子签名，作为发送者的证明并且证明信息没有被篡改。发送者将信息用哈希算法处理得出一个哈希值，并用其私钥对该哈希值进行签名，然后将信息和签名一起发送给接收者。接收者使用发送者的公钥对签名进行验证，再通过哈希算法来验证信息的哈希值和信息的哈希值是否一致，从而可以鉴定信息是否来自发送者以及验证信息是否被篡改。

区块链系统建立在IP通信协议和分布式网络的基础上。网络中所有的节点具有同等的地位，不存在任何特殊化的中心节点和层级结构，每个节点均会承担网络路由、验证数据区块等功能。这种分布式账本数据库可以避免中心数据库与分系统的数据无法及时同步而造成严重的数据障碍。同时由于数据交换采用了共享的交换方法和协议，使得数据的交换无需通过开发专门的应用程序，极大程度上降低了开发成本。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，数据真实性和时效性可以得到保证、数据产生主体之间交互流程责任明确、保密管理高效的应用于管道完整性管理的区块链管理系统和管理方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种应用于管道完整性管理的区块链管理系统，包括应用层、基础设施层和区块链网络；

所述应用层包括管道中线系统，所述管道中线系统用于获取每一条管道的综合数据，并使用超级账本，将综合数据发送到区块链网络；

所述基础设施层包括成员管理服务器提供商、智能合约模块、排序服务模块、通道模块；

所述区块链网络包括数个区块链，每个区块链按生产需要对应一管道的部分或全部综合数据，且包括客户端节点、背书节点、提交节点、CA证书节点；

基础设施层中：

所述成员管理服务器提供商用于对需加入区块链的组织机构进行证书颁发、部门认证、签名及验签管理；

所述智能合约模块包括系统级智能合约和用户级智能合约，所述系统级智能合约用于定义排序服务模块的排序策略、定义背书节点的背书策略，所述用户级智能合约用于提供对外部应用的可编程支持，通过执行代码逻辑与账本交互；

所述排序服务模块用于将一段时间内收集到的正式请求按排序策略进行排序，再组装成区块数据，同时广播给提交节点和背书节点；

所述通道模块用于限制每个区块链数据的使用范围，实现区块链数据的权限管理；

区块链网络中：

所述客户端节点用于发送交易提案给背书结点、接收背书节点返回的带有签名的交易结果，并将带有签名的交易结果和交易一起组合成正式请求，发送给排序服务模块；

所述背书节点用于对接收到的交易提案按背书策略进行背书，若满足背书策略，则以模拟执行的方式获得交易结果，并将交易结果签名后返回至客户端节点，否则不为交易提案背书；

所述提交节点用于接收排序服务模块的区块数据，并发送至对应的区块链中进行数据更新。

一种应用于管道完整性管理的区块链管理系统的管理方法，包括以下步骤：

（1）建立基于数字证书的成员管理服务；

确认需加入区块链中的组织机构，通过成员管理服务器提供商为各组织机构生成数字证书以标识其身份，同时将每个身份与成员管理服务器提供商的编号进行关联，用于证书颁发、部门认证、签名和验签管理；

（2）入链；

组织机构经通道模块，加入到一个或多个有权限的区块链中；

（3）数据提交；

（31）客户端发送交易提案给背书结点；

（32）背书节点收到交易提案，按背书策略进行背书，若满足背书策略，则以模拟执行的方式获得交易结果，并将交易结果签名后返回至客户端节点，否则不为交易提案背书；

（33）客户端接收背书节点返回的带有签名的交易结果，并将带有签名的交易结果和交易一起组合成正式请求，发送给排序服务节点；

（34）排序服务模块按照排序策略，将一段时间内收集到的正式请求进行排序，并打包进对应通道的形成区块数据，再广播至通道内的全部提交节点；

（35）提交节点用于接收排序服务节点的区块数据，并发送至对应的区块链中进行数据更新。

在这里我们提到：每个区块链按生产需要对应一管道的部分或全部综合数据，这是因为

第一：系统需要设计成处理多条管道的。

第二：对于一条管道，我们也需要建立多个区块链，也就是超级账本中多个通道的概念。每个区块链或通道维护某条管道的部分数据。我们通过这种方式来实现数据的隔离和权限控制。例如：某条管道有两部分数据：中线矢量数据和1:10000地形图。1:10000的地形图具有相当高的保密要求，所以它不能被所有人都获取、使用。我们可以为这两种数据分别建立通道，假设为通道1和通道2，然后让一些人加入通道1，另一些人加入通道2，当然也可以让人同时加入这两个通道。加入通道1的人，仅可以接收、使用中线矢量数据。加入通道2的人，仅可以接收、使用1:10000地形图数据。

与现有技术相比，本发明的优点在于：主要立足于应用区块链的多点产生、数据加密、多方审核、不可篡改、可溯源的特点，突破产生中线数据的不同系统之间的数据隔阂，从而实现中线数据在管道完整性管理中的流畅应用，推动管道完整性工作的开展。具体体现在：

（1）设计管道中线区块数据块的标准数据格式，形成数据存储自动化性质的合约功能。

（2）建立中线区块数据产生的发生器，建立区块结构，并固定存储起来，保障信息收集的安全可靠。

（3）应用区块链技术将各种收集信息存储在区块结构当中后，采用P2P数据应用程序将各个节点信息进行共享处理，让整个工程信息网络结构接受全面的数据信息。

（4）建立中线区块数据的识读、可视化展示、数据分配的基本模块（模块似乎应该独立于管道管理的具体管理平台）。

（5）建立中线区块数据加密的有效方法，利用区块链技术不可篡改的特性为网络用户提供防伪溯源的数据管理功能。

（6）建立管道中线全生命周期（规划、设计、施工、运行维护、报废管理）的数据账本建立随时分析数据建立管道及时空间状态分布的方法。

附图说明

图1为现有技术中管道中线管理模式图；

图2为本发明系统总体构架图；

图3为本发明工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1，给出了目前管道中线管理的主要方式，是采用管道公司的管道完整性管理数据平台的单一中心维护管理模式，在这种管理模式下围绕着管道中线数据的规划、设计、施工、改线、功能调整等繁琐的管道建设维护管理行为，形成了多点利益相关方。同时形成了一中心多系统数据频繁交互系统，存在很多如背景技术中提到问题。

实施例2：参见图2和图3，一种应用于管道完整性管理的区块链管理系统，包括应用层、基础设施层和区块链网络；

所述应用层包括管道中线系统，所述管道中线系统用于获取每一条管道的综合数据，并使用超级账本，将综合数据发送到区块链网络；

所述基础设施层包括成员管理服务器提供商、智能合约模块、排序服务模块、通道模块；

所述区块链网络包括数个区块链，每个区块链按生产需要对应一管道的部分或全部综合数据，且包括客户端节点、背书节点、提交节点、CA证书节点；

基础设施层中：

所述成员管理服务器提供商用于对需加入区块链的组织机构进行证书颁发、部门认证、签名及验签管理；

所述智能合约模块包括系统级智能合约和用户级智能合约，所述系统级智能合约用于定义排序服务模块的排序策略、定义背书节点的背书策略，所述用户级智能合约用于提供对外部应用的可编程支持，通过执行代码逻辑与账本交互；

所述排序服务模块用于将一段时间内收集到的正式请求按排序策略进行排序，再组装成区块数据，同时广播给提交节点和背书节点；

所述通道模块用于限制每个区块链数据的使用范围，实现区块链数据的权限管理；

区块链网络中：

所述客户端节点用于发送交易提案给背书结点、接收背书节点返回的带有签名的交易结果，并将带有签名的交易结果和交易一起组合成正式请求，发送给排序服务模块；

所述背书节点用于对接收到的交易提案按背书策略进行背书，若满足背书策略，则以模拟执行的方式获得交易结果，并将交易结果签名后返回至客户端节点，否则不为交易提案背书；

所述提交节点用于接收排序服务模块的区块数据，并发送至对应的区块链中进行数据更新。

一种应用于管道完整性管理的区块链管理系统的管理方法，包括以下步骤：

（1）建立基于数字证书的成员管理服务；

确认需加入区块链中的组织机构，通过成员管理服务器提供商为各组织机构生成数字证书以标识其身份，同时将每个身份与成员管理服务器提供商的编号进行关联，用于证书颁发、部门认证、签名和验签管理；

（2）入链；

组织机构经通道模块，加入到一个或多个有权限的区块链中；

（3）数据提交；

（31）客户端发送交易提案给背书结点；

（32）背书节点收到交易提案，按背书策略进行背书，若满足背书策略，则以模拟执行的方式获得交易结果，并将交易结果签名后返回至客户端节点，否则不为交易提案背书；

（33）客户端接收背书节点返回的带有签名的交易结果，并将带有签名的交易结果和交易一起组合成正式请求，发送给排序服务节点；

（34）排序服务模块按照排序策略，将一段时间内收集到的正式请求进行排序，并打包进对应通道的形成区块数据，再广播至通道内的全部提交节点；

（35）提交节点用于接收排序服务节点的区块数据，并发送至对应的区块链中进行数据更新。

本发明的优势主要体现在：

1、本发明建立基了于数字证书的成员管理服务：在本发明中，若干机构或组织会在管道的全生命周期中履行不同的职责，本发明所指的组织机构，包括规划建设局、应急管理局、发改委等政府机构和管理单位，也包括设计方、施工方、建设方、服务方等施工建设单位。设计方产生的数字化设计成果、施工方产生的数字化建设成果等形成的数字知识产权被涉及的规划部门、基建部门、生产部门、维护部门所共同使用。任何部门对数据的改动都会或多或少地对其它部门带来连锁反应。

在系统使用之前，我们需要标识在不同环节参与管道生命周期的各个机构或组织。这通过基于PKI（PublicKeyInfrastructure）体系，为不同机构生成数字证书以标识其用户身份，同时将每个身份与成员管理服务器提供商(MembershipServiceProvider，MSP)的编号进行关联。我们在区块链网络中引入中心MSP来进行网络中各个部门进行证书颁发、部门认证、签名及验签等管理。用户注册和登录系统后，获取到用户注册证书，其它所有的操作都需要使用与用户证书关联的私钥进行签名。消息接收方接收到消息后，首先会进行签名验证，然后才会进行消息的后续处理。

2、本发明建立了数据隔离机制：管道全生命周期中会涉及海量数据，如果要求区块链上涉及的所有部门、或所有节点都同步并存储所有数据是不经济的，这会对数据都同步、存储和处理都带来不小的压力。系统中也可能存在敏感度或安全等级极高的数据，这样的数据是绝不能将它的公开范围放大到所有部门的。同时，也存在某些部门不关心另外一些部门的某些特定数据的情况。通过对数据建立隔离机制，我们可以有效地规避这些问题。

在超级账本区块链网络中，我们允许多个链同时存在。每个链可以由不同的节点组成，这些节点维护着相同的数据，包括区块链账本数据和状态数据等。不同链的数据是相互隔离的。一个节点根据应用需求，可以加入到不同的链中，在同步数据的时候只同步已加入链的数据，这能减少数据同步的时间，减少数据的存储空间。基于多链的部署结构，在不同链上运行的智能合约访问的是不同的数据，以实现数据的隐私保护，也不会受到数据依赖的限制，提高了并行处理的效率。

3、分配部门节点职责、制定背书策略：通常情况下，区块链为了达到共识需要相当长的确认时间，这会显著地降低交易速度（TransactionPerSecond,TPS）。为了提升TPS，超级账本通过智能合约来完成背书策略的制定，也就是动态地指定哪些节点对交易背书后才是有效的。换句话说，只要指定的节点确认了交易，那么区块链中各个节点即达到共识。

在系统使用时，我们需要合理地规划节点，并定义每个区块链中的智能合约的背书策略。系统中的节点分为这样几种类型：客户端节点、Peer节点、排序服务节点等。

客户端封装了区块链网络的底层接口，可以通过命令行或特定语言SDK调用，用于在应用和区块链网络之间进行交互。客户端能够实现在网络中发起交易、监听消息、更新配置、启动和停止节点等功能。

Peer节点包括背书节点和提交节点两类。背书节点对收到的请求按事先制定的策略进行检查交易的合法性，例如，必须有属于组织A和组织B的背书节点同时认可交易的合法性。如果符合要求，则予以签名并返回。提交节点负责向区块写入交易，更新账本的本地副本。Peer节点通常都具有提交功能，其中一部分Peer节点具有背书功能。

排序服务由1个或多个排序节点组成。它将一段时间内收集到的合法交易按一定的顺序进行排序，再组装成区块数据在区块链网络中广播。排序服务所采用的共识机制是可插拔的，其去中心化程度可以自行选择。

CA节点负责网络中所有证书的管理，如分发、撤销等，实现标准的PKI架构。主要代码在单独的fabric-ca项目中。CA在签发证书后，自身不参与到网络中的交易过程。

实际工作时，客户端节点通常具体的业务系统：如管道数据采集系统所使用。业务系统通过客户端将业务数据发送到区块链中。

Peer节点中的数据提交节点几乎没有特别的限制，根据可用资源进行配置即可。Peer节点中的背书节点是动态的，它是与智能合约相关的。关于背书策略的设计，大多数情况下，我们可以认为背书节点集合中超过半数的节点对交易背书即可。如果与现实生活中各部门对交易数据的依赖关系相结合，我们可以这样来设计背书策略，即从与交易数据相关的各部门中的抽取节点。如果同一部门至少有一个节点为交易背书，那么我们认为满足背书策略。举例来说，假设交易涉及3个部门，并且每个部门均部署了2个节点，那么背书策略制定为:（部门1.节点1OR部门1.节点2）AND（部门2.节点1OR部门2.节点2）AND（部门3.节点1OR部门3.节点2）。

排序服务节点可以采用集中式服务，也可以采用分布式服务，实现不同级别的容错处理。对于涉及节点或部门较少的区块链可以采用集中式服务，而对于涉及节点或部门较多的区块链可以采用分布式协议来提供交易排序功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种应用于管道完整性管理的区块链管理系统，其特征在于：包括应用层、基础设施层和区块链网络；

所述应用层包括管道中线系统，所述管道中线系统用于获取每一条管道的综合数据，并使用超级账本，将综合数据发送到区块链网络；

所述基础设施层包括成员管理服务器提供商、智能合约模块、排序服务模块、通道模块；

所述区块链网络包括数个区块链，每条管道要建立多个区块链，每个区块链按生产需要对应一管道的部分综合数据，不同区块链的数据是相互隔离的，且包括客户端节点、背书节点、提交节点、CA证书节点；

基础设施层中：

所述成员管理服务器提供商用于对需加入区块链的组织机构进行证书颁发、部门认证、签名及验签管理；

所述智能合约模块包括系统级智能合约和用户级智能合约，所述系统级智能合约用于定义排序服务模块的排序策略、定义背书节点的背书策略，所述用户级智能合约用于提供对外部应用的可编程支持，通过执行代码逻辑与账本交互，且不同区块链上运行的智能合约访问的是不同的数据；

所述排序服务模块用于将一段时间内收集到的正式请求按排序策略进行排序，再组装成区块数据，同时广播给提交节点和背书节点；

所述通道模块用于限制每个区块链数据的使用范围，实现区块链数据的权限管理；

区块链网络中：

所述客户端节点用于发送交易提案给背书结点、接收背书节点返回的带有签名的交易结果，并将带有签名的交易结果和交易一起组合成正式请求，发送给排序服务模块；

所述背书节点用于对接收到的交易提案按背书策略进行背书，若满足背书策略，则以模拟执行的方式获得交易结果，并将交易结果签名后返回至客户端节点，否则不为交易提案背书；

所述提交节点用于接收排序服务模块的区块数据，并发送至对应的区块链中进行数据更新。

2.根据权利要求1所述的应用于管道完整性管理的区块链管理系统的管理方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)建立基于数字证书的成员管理服务；

确认需加入区块链中的组织机构，通过成员管理服务器提供商为各组织机构生成数字证书以标识其身份，同时将每个身份与成员管理服务器提供商的编号进行关联，用于证书颁发、部门认证、签名和验签管理；

(2)入链；

组织机构经通道模块，加入到一个或多个有权限的区块链中；

(3)数据提交；

(31)客户端发送交易提案给背书结点；

(32)背书节点收到交易提案，按背书策略进行背书，若满足背书策略，则以模拟执行的方式获得交易结果，并将交易结果签名后返回至客户端节点，否则不为交易提案背书；

(33)客户端接收背书节点返回的带有签名的交易结果，并将带有签名的交易结果和交易一起组合成正式请求，发送给排序服务节点；

(34)排序服务模块按照排序策略，将一段时间内收集到的正式请求进行排序，并打包进对应通道的形成区块数据，再广播至通道内的全部提交节点；

(35)提交节点用于接收排序服务节点的区块数据，并发送至对应的区块链中进行数据更新。

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