基于區(qū)塊鏈技術(shù)的放射源物流溯源數(shù)據(jù)存儲算法研究

郭子賢 左敏 張青川

摘要：近年來，放射源輻射安全監(jiān)管范圍不斷擴大，監(jiān)管要求不斷完善，任務(wù)不斷增加。導(dǎo)致我國核技術(shù)利用輻射安全監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)成為了海量數(shù)據(jù)，進而放射源溯源安全監(jiān)管人員難以快捷的掌握放射源流轉(zhuǎn)的動態(tài)信息，難以有效和安全地監(jiān)測放射源。區(qū)塊鏈技術(shù)是完全去中心化、匿名參與的不可控網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都參與數(shù)據(jù)的記錄。但在放射源溯源信息中，由于記錄放射源溯源的數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈技術(shù)下，網(wǎng)絡(luò)中單節(jié)點的性能較低、同時數(shù)據(jù)存儲采用鏈?zhǔn)奖镜卮鎯?dǎo)致無法平行擴展的問題。本文將結(jié)合放射源流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的特點，研究分層多鏈的切分存儲方式，提高節(jié)點處理放射源流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)存儲的性能。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；存儲；溯源系統(tǒng)；區(qū)塊鏈溯源模型；分片存儲

中圖分類號：TP391.1 文獻標(biāo)識碼：A

Research on Radioactive Source Logistics Traceability Data Storage Algorithms Based on Block Chain Technology

Zi Xian-guo1，2，3，4，Zuo Min1，3，4，Zhang Qing-chuan1，3，4

（1. School of Computer and Information Engineering，Beijing Technology and Business University

2. nuclear and radiation safety center

3.National Engineering Laboratory for Agri-product Quality Traceability

4. Beijing Key Laboratory of Big Data Technology for Food Safety Beijing，100048）

ABSTRACT：In recent years，the scope of radiation safety supervision of radioactive sources has been expanding，regulatory requirements have been refined and tasks have been aggravated. As a result，the data of radiation safety supervision system used by nuclear technology in our country has become a mass of data. Therefore，it is difficult for radioactive source traceability safety supervisors to quickly grasp the dynamic information of radiation source flow and to effectively monitor the safety of radioactive sources. Block chain technology is a completely decentralized and anonymous uncontrollable network in which all nodes participate in data recording. However，in radioactive source traceability information，because the data recorded from radioactive source traceability are massive data，the performance of single node in the network is low under the traditional block chain technology，and the use of chain local storage for data storage leads to the problem that parallel expansion cannot be achieved. Based on the characteristics of the radioactive source flow data，this paper will study the hierarchical multi-chain segmented storage method to improve the performance of the node processing the radioactive source flow data.

KEYWORDS：Block Chain；Storage；Traceability System；Block Chain Traceability Model；Piecewise Storage

1 引言

隨著放射源應(yīng)用企業(yè)不斷增多，放射源流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)信息也隨著成為了海量的數(shù)據(jù)。當(dāng)前中國放射源的流轉(zhuǎn)溯源管理研究處于探索階段，溯源系統(tǒng)的更新?lián)Q代較為頻繁，海量數(shù)據(jù)等待篩選、分析，為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)造成了前所未有的挑戰(zhàn)。今天的放射源可追溯信息與以前完全不同：一方面，這些溯源數(shù)據(jù)信息來源涉及到的相關(guān)企業(yè)過于龐雜；另一方面，放射源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異較大，數(shù)據(jù)中包含放射源基本信息、流轉(zhuǎn)信息、回收信息等。而區(qū)塊鏈技術(shù)恰好適用于對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行溯源分析處理，放射源溯源技術(shù)技術(shù)被認(rèn)為是繼大數(shù)據(jù)、云計算之后的顛覆式創(chuàng)新，各行業(yè)均對此予以高度關(guān)注，區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。

2 放射源在區(qū)塊鏈技術(shù)下的溯源存儲模型

在放射源溯源數(shù)據(jù)存儲區(qū)塊鏈中，放射源監(jiān)管部門針對放射源在流轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)中的生產(chǎn)，轉(zhuǎn)讓，異地使用，回收，收貯等數(shù)據(jù)信息進行實時的采集監(jiān)控，了解放射源的流轉(zhuǎn)狀況，從而防止放射源事故的發(fā)生，加強對放射源的監(jiān)督。

放射源溯源數(shù)據(jù)存儲鏈?zhǔn)墙⒃诜派湓幢O(jiān)管部門的監(jiān)管系統(tǒng)中的，在放射源溯源鏈中有一個重要的數(shù)據(jù)保障過程——共識過程，監(jiān)管部門中的監(jiān)管體系有權(quán)控制共識流程并競爭編寫數(shù)據(jù)的資格，進而獲得獎勵。

放射源區(qū)塊鏈溯源存儲模型（以下稱簡稱BCSM）包括以下成分：

1）放射源溯源區(qū)塊鏈中的節(jié)點區(qū)塊。BCSM中，所有的放射源溯源數(shù)據(jù)都將被監(jiān)管部門審核，再存儲到區(qū)塊節(jié)點中，從而將數(shù)據(jù)在區(qū)塊網(wǎng)絡(luò)中傳播，由于區(qū)塊節(jié)點的運算以及存儲能力有限，所以本文中節(jié)點無需直接獨自存儲全部數(shù)據(jù)，而是將一條完整的數(shù)據(jù)切分存儲到一個由若干區(qū)塊節(jié)點構(gòu)成的一個節(jié)點組中進行存儲。區(qū)塊中的存儲內(nèi)容主要包含以下三部分：放射源流轉(zhuǎn)行為信息和前一個區(qū)塊節(jié)點形成的哈希散列、隨機數(shù)。放射源流轉(zhuǎn)行為信息是區(qū)塊節(jié)點需要記錄的任務(wù)數(shù)據(jù)，具體包括每次放射源作出流轉(zhuǎn)行為時企業(yè)雙方的私鑰、放射源的數(shù)量、放射源交易雙方信息等；前一個區(qū)塊形成的哈希散列用來將區(qū)塊節(jié)點連接起來，實現(xiàn)過往交易的順序排列（圖1）。

2）智能合約。在 BCSM中的節(jié)點區(qū)塊的職責(zé)是存放放射源溯源數(shù)據(jù)，與歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并且在一個區(qū)塊組中的區(qū)塊之間進行數(shù)據(jù)傳輸即溯源數(shù)據(jù)共享，而在區(qū)塊之間傳輸數(shù)據(jù)的過程中節(jié)點區(qū)塊通過智能合約建立不同區(qū)塊之間的信任機制，從而來保證數(shù)據(jù)的一致性。從根本上說，智能合約是一組以數(shù)字形式定義的承諾，也可以理解為可以在不同區(qū)塊之間發(fā)生的承諾協(xié)議。智能合約系統(tǒng)的主體是進入智能合約的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)事件，經(jīng)過智能合約處理后，出來的也是應(yīng)該是數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)事件。

3）工作量證明機制（Proof-of-Work，PoW）。通常只能從BCSM中不同區(qū)塊之間的應(yīng)用的最終效果來證明，因為檢測其工作過程通常是繁瑣且低效的。工作量證明顧名思義，就是一份證明，用來證明你做過一定的工作。在BCSM中的工作量證明機制類似于比特幣，新的放射源溯源數(shù)據(jù)加入?yún)^(qū)塊鏈之前，BCSM在某個時間段內(nèi)溯源數(shù)據(jù)的記賬權(quán)（即數(shù)據(jù)錄入的權(quán)利）需要在預(yù)選的區(qū)塊組之間進行競爭記錄。即每個區(qū)塊組相互競爭尋找有效的Nonce最快找到有效Nonce的區(qū)塊組將獲得一定的獎勵，負(fù)責(zé)記錄放射源溯源數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)切分存儲使其成為新的數(shù)據(jù)節(jié)點區(qū)塊，從而融入獲得獎勵的區(qū)塊組內(nèi)。

3放射源溯源數(shù)據(jù)存儲鏈切分存儲算法的比較與選取

記錄放射源溯源信息的數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有區(qū)塊鏈技術(shù)下，網(wǎng)絡(luò)中單節(jié)點的性能較低、同時數(shù)據(jù)存儲采用鏈?zhǔn)奖镜卮鎯?dǎo)致無法平行擴展。放射源從生產(chǎn)到回收后安全信息不再更改。因此，本文結(jié)合放射源流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的特點，研究分層多鏈的切分存儲方式，提高節(jié)點處理放射源流轉(zhuǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的性能。

3.1 切分存儲算法種類

分層多鏈：通過放射源監(jiān)管部門即數(shù)據(jù)存儲器將整個監(jiān)測區(qū)域按照省，市，縣等級去劃分。

切分存儲：數(shù)據(jù)切分是分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的最基本功能。切分?jǐn)?shù)據(jù)的方法有很多種，通常由具體的應(yīng)用程序特征決定。根據(jù)實際應(yīng)用中常用的數(shù)據(jù)切分方法，數(shù)據(jù)切分算法可分為范圍分割算法，枚舉分割算法，簡單散列分割算法，一致性散列算法和組合算法。其中，組合算法是各種基本算法的組合。

范圍切分算法：范圍分割算法基于分割字段的范圍來分割數(shù)據(jù)。通常，拆分字段是實數(shù)類型，例如整數(shù)，浮點數(shù)等。它可以進一步擴展到可以比較的所有類型的數(shù)據(jù)，例如日期。當(dāng)分段數(shù)據(jù)被均勻地劃分為多個范圍間隔時，性能最佳。

枚舉切分算法：枚舉切分算法根據(jù)數(shù)據(jù)分割字段的枚舉值對數(shù)據(jù)進行劃分。這種類型的分段特別適用于用戶分布廣泛的應(yīng)用程序，因此可以按區(qū)域?qū)?shù)據(jù)進行分段。當(dāng)數(shù)據(jù)可以被枚舉值均分時，性能最好，但這種情況比較少見，而且對應(yīng)不同枚舉值的數(shù)據(jù)甚至很寬。因此，這種類型的算法通常需要與其他算法結(jié)合使用。

簡單哈希算法：數(shù)據(jù)通常能夠更均勻地分段。如果從負(fù)載平衡的角度考慮，該算法是性能最佳的分割算法。但是它同時也存在一個巨大的缺陷：遷移成本太高。一旦數(shù)據(jù)節(jié)點數(shù)量發(fā)生變化，每個節(jié)點都需要進行數(shù)據(jù)遷移。如果數(shù)據(jù)節(jié)點保持穩(wěn)定，則算法仍然是首選算法。

一致性哈希算法：該算法既可以解決"熱點"問題（系統(tǒng)讀寫集中在新創(chuàng)建的節(jié)點上，負(fù)載不平衡），又降低了數(shù)據(jù)擴容的成本，因此在數(shù)據(jù)切分領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

3.2切分算法的比較分析

分布式系統(tǒng)的兩個最重要的指標(biāo)是負(fù)載平衡和可伸縮性。范圍分割和枚舉分割之間存在負(fù)載平衡問題，新添加的數(shù)據(jù)節(jié)點負(fù)擔(dān)過重；簡單的哈希算法解決了這個問題，但是存在遷移成本高，可擴展性差的問題。一致的哈希算法在這兩個方面更加平衡，這就是它可以被廣泛使用的原因。但是，一致性哈希算法仍然存在一些缺點。因為哈希函數(shù)用于處理數(shù)據(jù)，所以它不具有控制數(shù)據(jù)大小的靈活性，如范圍分段和枚舉分段。雖然數(shù)據(jù)遷移成本降低，但仍然需要遷移某些數(shù)據(jù)，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)總量很大時，遷移成本仍然相對較大。

3.3切分算法的選取

通過深入分析各種算法的優(yōu)缺點，本文擬采用一種新的組合算法：分組哈希分區(qū)算法。該算法結(jié)合了范圍分割算法，簡單哈希算法和數(shù)據(jù)庫分區(qū)，并集成了兩種算法的優(yōu)點。

分組哈希分區(qū)算法首先對分組執(zhí)行范圍分割算法，以使系統(tǒng)獲得更好的可擴展性；然后在組內(nèi)執(zhí)行簡單哈希算法，使數(shù)據(jù)均勻分布于組內(nèi)節(jié)點上，以避免負(fù)載不均勻。全局上，數(shù)據(jù)按增量間隔進行分段，分段的段不分布在一個數(shù)據(jù)節(jié)點中，而是分布在一個節(jié)點組中；在本地，即在節(jié)點組內(nèi)，片段以簡單的散列方式均勻地分布到組中的每個數(shù)據(jù)節(jié)點。

5 結(jié)論與展望

本文圍繞放射源溯源數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈中的存儲問題，做了兩方面的工作。一是提出了一個基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的安全存儲（BCSM）模型，該模型借助于區(qū)塊鏈“去中心化”的性質(zhì)。二是分析了各種切分算法的優(yōu)缺點，并提出了一種在性能和可擴展性上均表現(xiàn)良好的沮合算法，彌補了現(xiàn)有算法的不足。在未來的研究中我們將根據(jù)不同的需求來評估和改進我們放射源溯源模型。

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作者簡介：郭子賢（1994-），男（漢族）河北省廊坊市人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為智慧物流，人工智能。

左敏（1973-），男（漢族），北京市海淀區(qū)人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域智能管理和人工智能。

張青川（1982-），男（漢族），北京市海淀區(qū)人，博士研究生，講師，主要研究領(lǐng)域為智能軟件，分布式計算和人工智能

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0401205）

（作者單位：1.北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院；

2. 環(huán)境保護部核與輻射安全中心；

3.農(nóng)產(chǎn)品食品安全追溯技術(shù)及應(yīng)用國家工程實驗室；

4.食品安全大數(shù)據(jù)技術(shù)北京市重點實驗室）