基于區(qū)塊鏈技術(shù)的實驗室資源共享初探

王 兵, 肖艷群, 邵紅才

(揚州職業(yè)大學(xué), 江蘇 揚州 225009)

根據(jù)節(jié)點權(quán)限不同,區(qū)塊鏈分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈三類。公有鏈目前應(yīng)用最為廣泛,區(qū)塊鏈中所有節(jié)點都可以發(fā)起點對點的交易,且及時被有效確認,每個節(jié)點可以自由進退網(wǎng)絡(luò)。私有鏈由特定組織嚴格控制參與節(jié)點的準入條件,組織根據(jù)自身業(yè)務(wù)要求設(shè)定系統(tǒng)運作規(guī)則,可有選擇地開放讀取數(shù)據(jù)的權(quán)限,每個節(jié)點的操作權(quán)限控制在組織內(nèi)部。權(quán)限介于公有鏈和私有鏈之間的區(qū)塊鏈,定義為聯(lián)盟鏈。通常由若干利益相關(guān)的組織聯(lián)合發(fā)起聯(lián)盟鏈,節(jié)點的加入或退出需要授權(quán),區(qū)塊鏈的正常運行由聯(lián)盟共同負責(zé)。

世界經(jīng)濟論壇報告指出,區(qū)塊鏈是成為繼互聯(lián)網(wǎng)之后又一個在全球范圍內(nèi)備受關(guān)注的技術(shù)。伴隨著區(qū)塊鏈技術(shù)不斷發(fā)展,以及熱點行業(yè)對區(qū)塊鏈技術(shù)研究投入的不斷加大,可以將區(qū)塊鏈技術(shù)的實踐應(yīng)用分為三個階段。第一階段為可編程貨幣,區(qū)塊鏈搭建起了去中心化的一種全新的數(shù)字支付系統(tǒng),可以實現(xiàn)貨幣交易跨國支付,極大降低交易成本,以比特幣為典型代表。第二階段為可編程金融,借助可編程特點，“智能合約”被引入?yún)^(qū)塊鏈,和數(shù)字貨幣結(jié)合,可編程金融應(yīng)運而生,傳統(tǒng)的諸如私募股權(quán)、清算等金融體系正在被顛覆。第三階段為可編程社會,根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化和數(shù)據(jù)防偽的特點,其逐漸被擴展到除金融領(lǐng)域之外的其它社會場景領(lǐng)域中。這一變化必將改變現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)運行模式,深刻影響人類社會現(xiàn)有生產(chǎn)和生活方式[2]。

因此,為了迎接區(qū)塊鏈技術(shù)第三階段的到來,將區(qū)塊鏈技術(shù)引入實驗室資源共享具有重要的理論和實踐價值。

1 實驗室資源共享模式現(xiàn)狀

實驗室儀器設(shè)備共享可以直接提高實驗室利用率,解決儀器設(shè)備重復(fù)購置和封閉使用等問題,降低學(xué)校的實驗室經(jīng)費投入。同時促進高校與高校、高校與企業(yè)間的交流合作,實現(xiàn)不同高校間、高校與企業(yè)間優(yōu)勢互補,協(xié)同發(fā)展。

現(xiàn)有實驗室資源共享模式可以總結(jié)為三類:二級學(xué)院內(nèi)實驗室資源共享、校內(nèi)實驗室資源共享和區(qū)域內(nèi)實驗室資源共享。根據(jù)功能和服務(wù)對象不同,二級學(xué)院實驗室通常設(shè)置為科研和教學(xué)兩大類實驗室,張仁懿等[3]利用生態(tài)學(xué)儀器設(shè)備季節(jié)性與便攜性的特點,在“基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)大實驗”的建設(shè)及教學(xué)過程中,對生態(tài)學(xué)科研和教學(xué)實驗室資源的共享進行了初步實踐;校內(nèi)實驗室資源共享通常做法是成立校級實驗實訓(xùn)教學(xué)中心,統(tǒng)一管理全?；A(chǔ)實驗室,專業(yè)實驗室由院系管理,這樣可以在學(xué)校范圍內(nèi)實現(xiàn)實驗室資源的共享,提高儀器設(shè)備利用率[4];區(qū)域內(nèi)實驗室資源共享[5]是指在一定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)實驗室資源的共享,目前在我國最典型的區(qū)域內(nèi)實驗室資源共享是大學(xué)城實驗室資源的共享,黃利利等[6]對上海松江大學(xué)城實驗室資源共享模式進行了探索。

二級學(xué)院內(nèi)和校內(nèi)實驗室資源相對比較集中,實驗室資源的所有權(quán)歸屬學(xué)校,其共享程度取決于學(xué)校的相關(guān)制度和技術(shù)手段。劉學(xué)平等[7]基于人工智能技術(shù)實現(xiàn)了開放實驗室的數(shù)字化和智能化,將開放實驗室資源的共享程度進一步提升;林盛等[8]搭建起浙江水利水電學(xué)院實驗教學(xué)管理平臺,實現(xiàn)了實驗教學(xué)管理的網(wǎng)絡(luò)化、信息化;王洋洋等[9]利用信息化手段搭建起了北京大學(xué)實驗室與設(shè)備共享查詢系統(tǒng),提高了實驗室資源校內(nèi)外共享查詢的服務(wù)能力,提升了實驗室資源的使用效率。上述研究成果,可以很好地解決二級學(xué)院內(nèi)和校內(nèi)實驗室資源信息的互聯(lián)互通,提升資源的使用率。

區(qū)域內(nèi)實驗室資源的共享可從共享機制和共享平臺兩方面搭建[5-6],共享機制主要包括:區(qū)域協(xié)調(diào)機構(gòu)、實驗室資源共享標準化、共享服務(wù)收費和評價機制等;共享平臺通過現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)實驗室資源信息的互聯(lián)互通,通過數(shù)字化、智能化實現(xiàn)資源的共享利用。

二級學(xué)院內(nèi)和校內(nèi)實驗室資源共享壁壘少,共享很容易實現(xiàn),但由于范圍較小,不同資源共享的概率也很小。區(qū)域內(nèi)實驗室資源共享壁壘較多,必須構(gòu)建起相應(yīng)的機制和信息平臺,投入大量的經(jīng)費和人力才能保障共享的順利進行,但共享范圍大,資源共享率高,尤其對大型儀器設(shè)備的共享更有價值。全國范圍內(nèi)的實驗室資源,甚至世界范圍內(nèi)的實驗室資源,可定義為大區(qū)域?qū)嶒炇屹Y源,要實現(xiàn)資源的共享,必須引入全新的技術(shù)手段,減少人為因素的影響,降低經(jīng)費的投入,區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)可以解決這一問題。

圖1中，虛線框中是運行時驗證的監(jiān)控器單元，監(jiān)控器由系統(tǒng)模型和屬性自動機的乘積來表示，其中，系統(tǒng)模型由HMM表示，屬性自動機由DFA表示.監(jiān)控器的輸入是運行時系統(tǒng)的觀測序列和系統(tǒng)安全性的閾值Pth，監(jiān)控器輸出是當(dāng)前系統(tǒng)滿足安全性的概率，當(dāng)系統(tǒng)安全性概率低于閾值時，輸出反例.系統(tǒng)模型的構(gòu)造可以來自于系統(tǒng)設(shè)計模型[9]，或通過領(lǐng)域?qū)＜抑付ㄏ到y(tǒng)狀態(tài)以及狀態(tài)的觀測值，然后模擬系統(tǒng)運行獲取系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)并學(xué)習(xí)一個系統(tǒng)模型[10].系統(tǒng)的安全屬性采用線性時序邏輯描述，使用DFA來識別安全屬性的否定也就是識別系統(tǒng)運行中違反安全性的有限前綴.

2 區(qū)塊鏈技術(shù)的引入

作為比特幣等數(shù)字貨幣的底層技術(shù),區(qū)塊鏈產(chǎn)生的交易記錄可以加蓋時間戳,是一種分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)[10]。圖1為區(qū)塊鏈層次模型及功能[11],區(qū)塊鏈系統(tǒng)從上到下組成為應(yīng)用層、合約層、激勵層、共識層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)層,數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和共識層可以整合為分布式賬本;激勵層、合約層和應(yīng)用層可以整合為智能合約。分布式賬本作為去中心化的數(shù)據(jù)庫,其數(shù)據(jù)安全可靠,可以永久保存,便捷實現(xiàn)點對點信息互通交易。智能合約是程序化交易規(guī)則,嵌入在應(yīng)用場景中,用以控制交易過程。

圖1 區(qū)塊鏈層次及功能

共享的本質(zhì)是整合線下閑置的各種資源,在陌生人間暫時轉(zhuǎn)移這些資源的使用權(quán),所有者獲取一定的收益。區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式存儲可以實現(xiàn)共享資源信息的互聯(lián)互通,智能合約能解決陌生人間的交易信任問題。對實驗室資源而言,分布式存儲可以保證資源信息的分散儲存,無需中心數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)資源信息的點對點互通;智能合約可以實現(xiàn)資源共享的智能化,避免人為干涉,自動完成共享過程。

2.1 實驗室資源共享信息區(qū)塊鏈化

大區(qū)域?qū)嶒炇屹Y源的共享首先要建立資源信息平臺,即所有實驗室資源信息中心數(shù)據(jù)庫。實驗室資源信息平臺可以有機聯(lián)系所有高校實驗室資源的元數(shù)據(jù)系統(tǒng),但這一平臺仍然是傳統(tǒng)的中心—客戶端的服務(wù)模式,平臺必須建立海量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),且不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時更新。區(qū)塊鏈技術(shù)則可以將所有實驗室資源以節(jié)點形式連接成網(wǎng)絡(luò),每個節(jié)點的功能相當(dāng),同時單個節(jié)點能夠獲取區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的所有信息,因此,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施沒有存在必要。實驗室資源元數(shù)據(jù)更新可以通過區(qū)塊鏈條很快被所有節(jié)點知曉,實現(xiàn)元數(shù)據(jù)的實時更新。

P2P技術(shù)被用于組織區(qū)塊鏈各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,新節(jié)點識別、路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)傳遞等功能通過廣播實現(xiàn)。與傳統(tǒng)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)相比,P2P網(wǎng)絡(luò)采用扁平式的拓撲結(jié)構(gòu),各節(jié)點的地位和身份相同,共同參與網(wǎng)絡(luò)的功能維護,無需設(shè)置中心化服務(wù)器。利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)機制和設(shè)備,P2P可以實現(xiàn)對等節(jié)點多路傳送的信息服務(wù)。圖2為中心數(shù)據(jù)庫和區(qū)塊鏈技術(shù)數(shù)據(jù)保存和傳輸模式對比。

圖2 中心數(shù)據(jù)庫和區(qū)塊鏈技術(shù)數(shù)據(jù)保存和傳輸模式對比

借助密碼學(xué)和時間戳等技術(shù),區(qū)塊鏈化的實驗室資源元數(shù)據(jù)信息保存更加安全,且實驗室資源數(shù)據(jù)代碼是唯一的。依據(jù)共識機制,由各實驗室共同維護共享網(wǎng)絡(luò)運行,確保共享信息的準確性。最后,由區(qū)塊鏈上其他節(jié)點共同確認某一資源節(jié)點產(chǎn)生的交易信息數(shù)據(jù),只有經(jīng)過確認的信息才能保存在網(wǎng)絡(luò)中。所以,密碼學(xué)、分布式共識機制等區(qū)塊鏈核心技術(shù)能有效保證實驗室資源共享數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

實驗室資源區(qū)塊鏈可以定義為聯(lián)盟鏈,組建模式可以由區(qū)域內(nèi)高校實驗室資源作為單個區(qū)塊,即以不同大學(xué)城實驗室資源中心數(shù)據(jù)庫作為節(jié)點,通過P2P技術(shù)組建成網(wǎng);也可以由獨立高校實驗室資源數(shù)據(jù)庫作為區(qū)塊,通過鏈路連接成區(qū)塊鏈。高校以外的科研機構(gòu)、企業(yè)等若想訪問或使用區(qū)塊鏈資源,須經(jīng)授權(quán)才能加入或退出。實驗室資源聯(lián)盟鏈可以在保證安全可靠的前提下,實現(xiàn)所有實驗室資源信息的互聯(lián)互通,且無需設(shè)置大型中心數(shù)據(jù)庫,極大降低建設(shè)成本和日常維護經(jīng)費。

2.2 實驗室資源共享機制區(qū)塊鏈化

1994年尼克·薩博提出智能合約的概念,其作用是將參與各方共同制定的交易協(xié)議數(shù)字化,植入交易數(shù)據(jù)庫,并共同遵守[12]。伴隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展,智能合約的應(yīng)用成為可能,作為一個便捷、可驗證、可執(zhí)行的數(shù)字化合約,智能合約可以實現(xiàn)價值的存儲和轉(zhuǎn)移。在沒有第三方監(jiān)管的前提下,智能合約可以讓參與者自動履行交易協(xié)議內(nèi)容。

區(qū)塊鏈技術(shù)可以將實驗室資源共享標準、共享服務(wù)收費和評價機制等以智能合約的形式內(nèi)置于共享實驗室資源區(qū)塊中,用于控制整個資源共享過程,規(guī)定資源所有方和使用方需要履行的權(quán)力及義務(wù),明確資源共享的權(quán)責(zé)利,甚至費用結(jié)算方式。

2.3 基于區(qū)塊鏈的實驗室資源共享模式

區(qū)塊鏈的本質(zhì)是陌生節(jié)點間產(chǎn)生信任的互信機制,其核心功能是在沒有中心或者第三方機構(gòu)的監(jiān)督下,保障節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸嵖煽?從而降低交易的信任成本?；谶@一本質(zhì),我們可以構(gòu)建起基于區(qū)塊鏈技術(shù)的實驗室資源共享模式,其基本流程如下：

(1)所有參與資源共享的高校,即資源所有者共同制定資源共享協(xié)議,以智能合約的形式嵌入共享資源區(qū)塊中,明確共享資源的使用范圍,限制使用人的使用行為。資源共享協(xié)議可以包含共享資源的申請條件、使用規(guī)范、使用費用及支付方式等。

(2)使用人根據(jù)資源使用需求,通過聯(lián)盟鏈系統(tǒng)查詢可用資源,根據(jù)可用資源的使用日期、距離條件、費用標準等,選擇潛在可使用資源。

(3)當(dāng)使用人的資源使用需求和所有人的資源共享要求正好匹配時,使用人可通過聯(lián)盟鏈系統(tǒng)鎖定共享目標資源,采用資源使用預(yù)付費的形式鎖定。

(4)使用人使用共享資源,使用完成后觸發(fā)共享結(jié)束條件,完成共享過程,支付費用。本次共享過程所有信息被記錄在區(qū)塊中,資源重新進入聯(lián)盟鏈,等待下次使用或共享使用。

3 結(jié)語

在沒有監(jiān)管機構(gòu)管理認證的情況下,區(qū)塊鏈技術(shù)可以實現(xiàn)節(jié)點與節(jié)點之間的安全通信與交易,其已經(jīng)由最初的經(jīng)濟領(lǐng)域延伸至教育、醫(yī)療等很多領(lǐng)域。在分析現(xiàn)有實驗室資源共享模式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,提出將區(qū)塊鏈技術(shù)引入實驗室資源共享,構(gòu)建起了大區(qū)域?qū)嶒炇屹Y源共享模式?？梢詫⒉煌貐^(qū)的大學(xué)城實驗室資源作為一個獨立區(qū)塊,通過鏈路連接形成區(qū)塊鏈,這樣就可以實現(xiàn)區(qū)域外、全國甚至全球范圍內(nèi)實驗室資源信息的互聯(lián)互通、共享。

要將基于區(qū)塊鏈技術(shù)的實驗室資源共享模式實現(xiàn),還有很多工作要做:如互聯(lián)網(wǎng)公司開發(fā)相應(yīng)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)；建立不同實驗室資源的元數(shù)據(jù)模型；資源共享的智能合約標準制定等等。