CN112468565A - 基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统，属于区块链技术领域，包括存在性证明和智能合约，所述存在性证明是把将要存储的文件的SHA‑256信息摘要嵌入到区块链中来证明其存在性；数据文件本身存放在对象云存储中，区块链上存放的是数据文件的密码学哈希值，以及该数据文件的哈希值提交至区块链中的时间信息；所述智能合约是类似计算机程序中的if‑then语句，当一个预先设定好的条件被触发时，智能合约就执行相应的合同条款。本发明使用区块链可以简化数据共享交换交易流程中重复验证流程和操作，提高效率，降低交易风险。

Description

基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统

技术领域

本发明属于区块链技术领域，具体是基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统。

背景技术

区块链作为比特币的后台支撑技术，对其的应用场景的探索一直集中金融相关领域，但区块链不只是一种加密技术而是一门系统工程，可以应用于各行各业，这里将尝试说明如何在GIS相关领域发掘其应用点。

基于IBM Bluemix云服务中提供的区块链测试网络，通过链代码(chaincode)编写智能合约将云存储管理系统中的数据共享逻辑嵌入其中进行流程跟踪管理。

比特币出现于2008年，与Amazon AWS推出S3和EC2公有云服务带领世界走进云计算时代是同一年。如今，比特币背后的区块链技术和类似S3的OpenStack Swift的对象存储技术都获得了更成熟的发展。但与互联网行业中对公有云技术的应用深度和广度相比，在企业级场景中对云计算相关的技术的应用大多数还停留在只提供虚拟机的初级阶段，为了让GIS行业相关客户更好的获得云服务带来的优势，我们基于对象云存储开发出针对空间相关的非结构化数据的管理系统，并在此基础上实现数据的共享交换过程。而在这个共享过程中，会存在着一些主数据(Master Data)，即全局唯一公共数据，比如国土不动产登记信息，农业农村土地确权信息等，为保证这些主数据的质量和完整性以及权威性，应用区块链技术是很好的选择。如附图1所示，农村土地承包经营权汇交数据中的图件数据就非常适合通过对象云存储进行保存和管理(其相关矢量数据则通常入ArcSDE数据库中)，应用区块链技术可以进一步保护其不可篡改性。

区块链是一种新的技术组合，包括P2P(点对点网络通信，ArcGIS Server集群架构类似)，密码学，分布式一致性协调(类似ZooKeeper实现，ArcGIS Server内置框架)，分布式存储等技术。与云计算区分公有云、私有云、社区云等一样，区块链也可大致区分公有链、私有链、联盟链，比特币的背后即是公有链，相对于公有链，私有链和联盟链的形态还不够成熟，但在快速发展中。根据发展阶段还可以分为区块链1.0，区块链2.0，区块链3.0，这里将基于最新的也是最有可能应用到企业级私有环境中的区块链3.0的技术进行集成(基于超级账本即Hyperledger项目中的Fabric工程)。

发明内容

本发明的目的在于提供基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统，包括存在性证明和智能合约，所述存在性证明是把将要存储的文件的SHA-256信息摘要嵌入到区块链中来证明其存在性；数据文件本身存放在对象云存储中，区块链上存放的是数据文件的密码学哈希值，以及该数据文件的哈希值提交至区块链中的时间信息；所述智能合约是类似计算机程序中的if-then语句，当一个预先设定好的条件被触发时，智能合约就执行相应的合同条款。

基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统的逻辑实现过程步骤如下：

S1、数据共享事务的生成；

S2、事务通过P2P网络传播；

S3、共识机制；

S4、验证结果通过P2P网络传播；

S5、记录到区块链。

作为本发明的进一步方案：基于区块链3.0的集成测试过程主要包括编写智能合约即链代码和通过区块链接口实现对智能合约的调用两部分。

作为本发明的进一步方案：所述智能合约实现的事务逻辑过程步骤如下：

S1、用户通过云存储系统上传一个文件，在链代码中记录文件标识；

S2、用户可以读取并展示链代码中记录的所有文件元数据相关信息；

S3、用户通过云存储系统将文件共享到其它用户，在链代码中记录共享过程信息；

S4、用户通过云存储系统删除文件，在链代码中记录删除过程信息；

S5、当上述操作发生后将信息写入新的区块，当新的区块产生时将信息推送到所有节点。

作为本发明的再进一步方案：所述智能合约具体实现过程步骤如下：

S1、使用区块链跟踪两个用户之间执行共享文件的操作；

S2、数据共享事务标识信息：与传统的数据共享流程，在区块链的链代码中将以交易事务的方式记录数据共享流程。

与现有技术相比，本发明使用区块链可以简化数据共享交换交易流程中重复验证流程和操作，提高效率，降低交易风险；通过区块链记录文件哈希值以及时间戳实现存在性证明，确保数据完整性；将区块链去中心化建立信任的特点，引入到非结构化空间数据共享流程中。

附图说明

图1为农村土地承包经营权汇交数据图。

图2为基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统的开发环境网络示意图。

图3为基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统中使用区块链跟踪两个用户之间执行共享文件的操作编程图。

图4为基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统中通过分布式协调算法确定某个节点进行新区块的记录到区块链中的操作编程图。

图5为基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统中实现Init方法操作编程图。

图6为基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统中实现Invoke方法操作编程图。

图7为基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统中实现Query方法操作编程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统，包括存在性证明和智能合约；所述存在性证明是把将要存储的文件的SHA-256信息摘要嵌入到区块链中来证明其存在性；数据文件本身存放在对象云存储中，区块链上存放的是数据文件的密码学哈希值，以及该数据文件的哈希值提交至区块链中的时间信息。这样就可以在无需揭露数据具体内容的前提下证明数据文件属于谁。即使后续再次上传了该数据文件，也可以根据哈希值判断是否与之前是否完全一致，大多数云盘的“秒传”功能也类似根据此实现。

所述智能合约是类似计算机程序中的if-then语句，当一个预先设定好的条件被触发时，智能合约就执行相应的合同条款；比如当在云存储管理系统中上传一份数据文件并将其共享，就可以视作一个交易事务通过智能合约里的代码逻辑记录到区块链中，链代码(chaincode)可以视为智能合约的一种实现。

基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统的逻辑实现过程具体步骤如下：

S1、数据共享事务的生成：用户A对用户B共享数据；

S2、事务通过P2P网络传播：A对B共享数据的交易(自定义信息)将广播到全网，每个节点都将交易信息纳入一个区块；

S3、共识机制：基于分布式一致性算法，确定某节点获得创建新区块权力；

S4、验证结果通过P2P网络传播：全网广播新区块信息，并所有节点(或可指定数量)核对；

S5、记录到区块链：新区块记录到区块链。

基于区块链3.0的集成测试过程主要包括编写智能合约即链代码和通过区块链接口实现对智能合约的调用两部分，其中编写智能合约即链代码采用Go语言实现，通过区块链接口实现对智能合约的调用通过Node.js语言实现。

如图2所示，基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统的开发环境：在Windows 10下：node v0.12.15npm v2.15.1kapitalize v0.3.3docker v1.9.0Go1.6；在Ubuntu 16.04下：node v4.2.6npm v3.5.2kapitalize v0.3.3docker v1.12.1Go1.7)；基于IBMBlockchain on Bluemix(Hyperledger Fabric v0.6.1)，选择Fabric项目是因为早期的区块链技术缺乏对特定行业需求的完整支持，而Fabric是为了满足行业需求进行设计的，并且实现了授权网络，可以满足审计和监管的要求。其区块链服务通过使用基于HTTP2的P2P协议来管理分布式账本(基于gRPC实现了基于流的双向消息通信)，区块链上的数据结构经过了高度优化以提供最有效的哈希算法来保持世界状态(world state)的副本(账本即Ledger由区块链和世界状态两部分组成，区块链记录交易，世界状态是K/V数据库，在链代码执行过程中用于存储状态)。与比特币中通过节点“挖矿”获得记账权进而生成区块并被奖励比特币不同，这里直接通过算法选择具有记账权的节点。Hyperledger算法基于实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance algorithm),即PBFT一致性协议，不需要用挖矿和工作量证明解决共识问题。(根据PBFT实现的一致性协议，IBMBluemix上的区块链测试网络默认提供了4验证节点，可以支持存在(4-1)/3＝1个的拜占庭节点即恶意节点的情况下依然可以正常记账即将正确信息记录在区块链中，同理假设要支持存在2个恶意节点存在的可能前提下，则总的验证节点数量为2*3+1＝7个)。在比特币中存在着51％算力的问题，即如果操控了比特币网络上超过一半的计算能力就可以篡改记录使得一份比特币可以被多次消费即“双花”，在PBFT中则是不可以存在多于(N-1)/3＝f个恶意节点(少于三分之一)。

智能合约实现的事务逻辑过程如下：

S1、用户通过云存储系统上传一个文件，在链代码中记录文件标识(URI和文件名等信息)；

S2、用户可以读取并展示链代码中记录的所有文件元数据相关信息；

S3、用户通过云存储系统将文件共享到其它用户，在链代码中记录共享过程信息；

S4、用户通过云存储系统删除文件，在链代码中记录删除过程信息；

S5、当上述操作发生后将信息写入新的区块，当新的区块产生时将信息推送到所有节点。

如图3所示，智能合约具体实现过程步骤如下：

S1、使用区块链跟踪两个用户之间执行共享文件的操作，文件基础元数据属性：{“name”:”test”,”datatype”:”shapefile”,”suffix”:”zip”,”user”:”abc”,”uri”:”http://xxxxxx”}；

S2、数据共享事务标识信息：与传统的数据共享流程，比如用户A直接将类型为a的数据1,2,3共享给用户B不同，在区块链的链代码中将以交易事务的方式记录数据共享流程，暂时不考虑复杂的用户权限，只描述如何通过区块链记录相关过程。

以时间戳作为每个准备共享的操作的ID，信息包含哪个用户可以对外共享哪些类型的数据，这些共享操作信息将形成公共的共享操作列表。

如图4所示，例如用户A想共享类型为a的数据1，则形成一个交易信息，用户B想获得类型为a的数据1，通过查找可以发现对应的数据，则形成另一个交易信息，执行交易的处理操作即可以将类型为a的数据1的所有者列表由用户A变成用户A和用户B，一次数据共享操作即完成，从数据共享交易信息列表中移除相关已完成的交易，上述数据共享的交易过程全部通过链代码记录到新生成的区块的状态信息中，之后向区块链网络中所有节点广播此数据共享交易信息，通过分布式协调算法确定某个节点进行新区块的记录到区块链中的操作。

如图5、6、7所示，编写智能合约即链代码(chaincode)，基于Go语言环境，实现github.com/hyperledger/fabric/core/chaincode/shim接口中的Init、Invoke和Query方法。

之后调用智能合约，这里有两种方式执行智能合约(chaincode)，一种是HTTPAPI(后续将使用gRPCAPI)，一种是封装后的SDK(ibm-blockchian-js，后续将使用HyperledgerFabric Clint SDK)的Node.js版本。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统，包括存在性证明和智能合约，其特征在于，所述存在性证明是把将要存储的文件的SHA-256信息摘要嵌入到区块链中来证明其存在性；数据文件本身存放在对象云存储中，区块链上存放的是数据文件的密码学哈希值，以及该数据文件的哈希值提交至区块链中的时间信息；所述智能合约是类似计算机程序中的if-then语句，当一个预先设定好的条件被触发时，智能合约就执行相应的合同条款。

基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统的逻辑实现过程步骤如下：

S1、数据共享事务的生成；

S2、事务通过P2P网络传播；

S3、共识机制；

S4、验证结果通过P2P网络传播；

S5、记录到区块链。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统，其特征在于，基于区块链3.0的集成测试过程主要包括编写智能合约即链代码和通过区块链接口实现对智能合约的调用两部分。

3.根据权利要求1所述的基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统，其特征在于，所述智能合约实现的事务逻辑过程步骤如下：

S1、用户通过云存储系统上传一个文件，在链代码中记录文件标识；

S2、用户可以读取并展示链代码中记录的所有文件元数据相关信息；

S3、用户通过云存储系统将文件共享到其它用户，在链代码中记录共享过程信息；

S4、用户通过云存储系统删除文件，在链代码中记录删除过程信息；

S5、当上述操作发生后将信息写入新的区块，当新的区块产生时将信息推送到所有节点。

4.根据权利要求1所述的基于区块链的空间数据完整性管理和共享流程跟踪的系统，其特征在于，所述智能合约具体实现过程步骤如下：

S1、使用区块链跟踪两个用户之间执行共享文件的操作；

S2、数据共享事务标识信息：与传统的数据共享流程，在区块链的链代码中将以交易事务的方式记录数据共享流程。

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