基于區(qū)塊鏈的消息中間件技術(shù)研究

許華根

摘 要：消息中間件是實現(xiàn)信息系統(tǒng)信息共享的基礎(chǔ)設(shè)施，傳統(tǒng)的消息中間件通常采用集中服務(wù)的方式實現(xiàn)，依賴于可信的消息中心。區(qū)塊鏈可以實現(xiàn)去中心化的數(shù)據(jù)一致性，并確保信息不可篡改。由此，本文基于區(qū)塊鏈設(shè)計了一種消息中間件架構(gòu)，可以實現(xiàn)去中心化的信息共享，保護用戶的數(shù)據(jù)隱私。

關(guān)鍵詞：中間件;區(qū)塊鏈;共識協(xié)議;不可篡改

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0016-03

Absrtact： Message middleware is an infrastructure for information sharing in information systems. Traditional message middleware is usually implemented by centralized service and relies on trusted message centers. Blockchain can achieve de-centralized data consistency and ensure that information can not be tampered with. A message middleware architecture based on block chain was designed， which could realize decentralized information sharing and protect users' data privacy.

Keywords： middleware;blockchain;consensus protocol;non-tampering

1 研究背景

計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得信息系統(tǒng)發(fā)展成為多臺計算機協(xié)同工作的集群，不同計算機共同完成一項任務(wù)。早期的計算機系統(tǒng)通過直接的客戶端/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)實現(xiàn)計算機間的數(shù)據(jù)交換與共享。但是，隨著計算機應(yīng)用的日益復(fù)雜以及計算機網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的逐漸擴大，C/S架構(gòu)的局限性逐漸凸顯：C/S架構(gòu)僅能形成點到點的通信模式，適用于少量計算機的連接及簡單業(yè)務(wù)的交互;C/S架構(gòu)業(yè)務(wù)邏輯調(diào)整困難，平臺通用性不強。因此，需要一種基于標準的、獨立于計算機硬件以及操作系統(tǒng)的開發(fā)和運行環(huán)境，中間件技術(shù)就此應(yīng)運而生。

中間件[1]是介于操作系統(tǒng)（包括底層通信協(xié)議）和各種分布式應(yīng)用程序之間的一個軟件層。中間件屏蔽了底層操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，為分布式業(yè)務(wù)邏輯提供統(tǒng)一的接口支持，實現(xiàn)不同計算機之間的通信與數(shù)據(jù)同步。傳統(tǒng)的中間件系統(tǒng)[2]需要依賴一個中心化的節(jié)點實現(xiàn)接口注冊、服務(wù)尋址、節(jié)點管理等功能。中心節(jié)點可以管理與控制整個中間件系統(tǒng)的運行，其失效也將引起整個中間件系統(tǒng)的失效。同時，中心節(jié)點可以獲取整個中間件的數(shù)據(jù)交換內(nèi)容[3]。

在對隱私保護要求較高的應(yīng)用中，難以找到各方都信任的中心節(jié)點控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，因此需要一種去中心化的中間件技術(shù)[4]。近年來出現(xiàn)的區(qū)塊鏈技術(shù)是一種無中心的分布式計算系統(tǒng)，沒有單一的節(jié)點可以控制數(shù)據(jù)的交換與存儲。由此，本文提出一種基于區(qū)塊鏈的中間件架構(gòu)，利用該架構(gòu)實現(xiàn)無中心化的分布式中間件系統(tǒng)。

2 傳統(tǒng)的中間件技術(shù)

中間件是介于應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件之間的一類軟件，其使用系統(tǒng)軟件所提供的基礎(chǔ)功能，銜接網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用軟件的各個部分或不同的應(yīng)用，能達到資源共享、功能共享的目的。一般認為，中間件具有以下特點：標準的協(xié)議和接口;分布計算，提供網(wǎng)絡(luò)、硬件、操作系統(tǒng)透明性;滿足大量應(yīng)用的需要;能運行于多種硬件和操作系統(tǒng)平臺。

中間件實現(xiàn)的標準接口和協(xié)議是首要的特征，因為其可以實現(xiàn)不同硬件和操作系統(tǒng)的差異屏蔽，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用互操作的一致性。中間件按照以下機制工作：在客戶端上的應(yīng)用程序需要從網(wǎng)絡(luò)中的某個地方獲取一定的數(shù)據(jù)或服務(wù)，這些數(shù)據(jù)或服務(wù)可能處于一個運行著不同操作系統(tǒng)和特定查詢語言數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器中。應(yīng)用程序中負責尋找數(shù)據(jù)的部分只需訪問一個中間件系統(tǒng)，由中間件完成到網(wǎng)絡(luò)中找到數(shù)據(jù)源或服務(wù)，進而傳輸客戶請求、重組答復(fù)信息，最后將結(jié)果送回應(yīng)用程序的任務(wù)。在具體實現(xiàn)過程中，中間件是一個用API定義的分布式軟件層，具有通用的通信能力和良好的可擴展性的分布式軟件管理框架。

分布計算中間件是一種具有承上（應(yīng)用軟件）啟下（系統(tǒng)軟件）作用的支撐軟件，其支持一體化網(wǎng)絡(luò)計算，故又稱為網(wǎng)絡(luò)計算中間件，或稱為軟件中間件，簡稱中間件。中間件的功能在不同系統(tǒng)中也各有不同。按照通信機制和實現(xiàn)的功能，可將中間件分為消息中間件、遠程過程調(diào)用中間件、面向?qū)ο笾虚g件、面向服務(wù)中間件等不同類型。

3 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈是近年來伴隨著密碼數(shù)字貨幣興起而產(chǎn)生的一種分布式共識協(xié)議。除了在密碼數(shù)字貨幣中取得的成功外，基于區(qū)塊鏈共識機制結(jié)合智能合約等技術(shù)可以實現(xiàn)更廣泛意義上的安全多方計算，因此區(qū)塊鏈技術(shù)可應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。在區(qū)塊鏈提出之前，類似的功能通?；诎踩喾接嬎銓崿F(xiàn)，如通過著名的拜占庭協(xié)議實現(xiàn)多方參與者的共識。區(qū)塊鏈技術(shù)的獨特之處主要有以下幾方面。

①區(qū)塊鏈共識機制無需可信第三方參與。無需可信第三方參與意味著任何用戶均可自由參與區(qū)塊鏈系統(tǒng)，因此區(qū)塊鏈又稱為無許可（Permissionless）系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的安全多方計算環(huán)境中，攻擊者可注冊足夠數(shù)量的用戶，從而實施女巫攻擊（Sybil Attack）。Barak等人系統(tǒng)研究了無許可機制系統(tǒng)下的女巫攻擊問題，區(qū)塊鏈技術(shù)通過工作量證明機制有效抵抗了此類攻擊。

②區(qū)塊鏈共識機制可擴展性極高。傳統(tǒng)的安全多方計算協(xié)議均較為復(fù)雜，通信復(fù)雜性及計算復(fù)雜性限制了其在大規(guī)模環(huán)境中的使用。區(qū)塊鏈技術(shù)是第一種可在全球范圍分布式部署的共識協(xié)議[5]。區(qū)塊鏈系統(tǒng)通過簡單的無認證廣播信道以及區(qū)塊鏈長度競爭機制，實現(xiàn)了高效的共識協(xié)議。

正因為區(qū)塊鏈技術(shù)具有以上顯著優(yōu)勢，因此其不僅可用于建立安全有效的密碼數(shù)字貨幣系統(tǒng)，還可用于新型安全多方計算系統(tǒng)的安全模型，設(shè)計具備可擴展性的安全多方計算協(xié)議。

由于區(qū)塊鏈技術(shù)可以在避免中心節(jié)點參與的情況下實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性存儲、訪問與使用，因此，區(qū)塊鏈技術(shù)可以用于分布式系統(tǒng)，并提高系統(tǒng)的安全性。其安全性的提升主要表現(xiàn)在以下幾方面。

①訪問公平性。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，所有數(shù)據(jù)記錄是全體參與者共同確定的，不存在控制所有數(shù)據(jù)讀寫的中心節(jié)點。因此，對數(shù)據(jù)記錄、使用與訪問是由系統(tǒng)參與者共同維護的，可避免中心節(jié)點帶來的數(shù)據(jù)訪問不公平的問題。

②數(shù)據(jù)不可篡改。區(qū)塊鏈通過共識算法形成的鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有不可篡改的特性，系統(tǒng)中全體用戶維護了系統(tǒng)整體的安全性。在此假設(shè)下，少量用戶無法擦除區(qū)塊鏈中已有的數(shù)據(jù)，因此為系統(tǒng)帶來了良好的不可篡改特性。

③系統(tǒng)高可用性。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運行不依賴主節(jié)點的調(diào)度與系統(tǒng)管理，所有的參與節(jié)點都是對等的，因此，系統(tǒng)不存在單點故障問題，可大大提高系統(tǒng)的可用性。這種可用性不依賴于節(jié)點熱備等額外措施，在高對抗環(huán)境中更加可靠。為提高系統(tǒng)的可管理性，本項目采用面向自主芯片同時弱中心控制節(jié)點注冊的機制，中心不參與系統(tǒng)的運行過程。

4 基于區(qū)塊鏈的消息中間件設(shè)計

4.1 消息中間件

消息中間件是面向消息傳輸需求的中間件技術(shù)，此類中間件屏蔽了底層平臺之間網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，簡化了應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)傳輸，為分布式應(yīng)用系統(tǒng)提供高效透明的通信服務(wù)。消息中間件的模式有點對點、消息隊列、發(fā)布/訂閱三種。點對點模式的通信靈活性往往有很大的限制，因為其時間和空間的耦合性較強;消息隊列模式雖然可以解決時間和空間的松耦合問題，但其隊列服務(wù)器需要單獨配置，因此易出現(xiàn)單點故障的問題，可用性和可靠性較低;發(fā)布/訂閱模式中消息的發(fā)布者和訂閱者是通過主題關(guān)聯(lián)的，可以實現(xiàn)通信雙方時間、空間和數(shù)據(jù)通信的多維松耦合[6]。

消息中間件需要具有高可靠性、易擴展性、時效性和多態(tài)性，關(guān)鍵技術(shù)包括對等式結(jié)構(gòu)、多種服務(wù)質(zhì)量、多態(tài)功能的支持以及跨平臺。

4.2 基于區(qū)塊鏈的消息中間件

傳統(tǒng)的中間件設(shè)計往往使用一個中心節(jié)點來支持上層應(yīng)用以及屏蔽底層設(shè)施，但中心節(jié)點一旦出現(xiàn)問題，會影響整個系統(tǒng)的運行。在多用戶參與的信息系統(tǒng)中，難以找到一個所有參與者可以信任的中間件，分布式消息中間件不依賴于可信的中心，因此更加適合弱信任的信息系統(tǒng)。

圖1是一種典型的信息系統(tǒng)架構(gòu)。在這種系統(tǒng)架構(gòu)中，由于需要中間件進行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和消息傳送，所以應(yīng)用端需要將其數(shù)據(jù)及端口信息一定程度地暴露給中間件，端口的暴露也經(jīng)常會帶來安全隱患。在應(yīng)用系統(tǒng)較多的情況下，也會帶來防火墻配置繁雜的問題。信息系統(tǒng)中開放的端口也越多，存在的安全隱患就越大，只能通過端口掃描、防火墻等傳統(tǒng)安全技術(shù)手段被動地防范安全攻擊。

使用基于區(qū)塊鏈的分布式中間件可以保證多個應(yīng)用系統(tǒng)之間的安全協(xié)作，各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)通過主動訪問、獲取以及提供數(shù)據(jù)，從而避免暴露自身的網(wǎng)絡(luò)地址與端口，避免因為端口暴露而引起的安全隱患。

基于區(qū)塊鏈的消息中間件利用了區(qū)塊鏈本身的去中心化特點，并結(jié)合消息隊列與發(fā)布/訂閱的優(yōu)勢，使應(yīng)用系統(tǒng)可以在不暴露端口的情況下與其他應(yīng)用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和消息傳遞。為了提高數(shù)據(jù)共享與存儲效率，數(shù)據(jù)和消息摘要會被記錄在區(qū)塊鏈上，其具體內(nèi)容會存放于對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。區(qū)塊鏈上的內(nèi)容用于保證數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不可篡改，數(shù)據(jù)庫提供高性能數(shù)據(jù)查找與訪問。具體設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。

每個共識節(jié)點維護兩個消息隊列，分別是請求消息隊列與應(yīng)答消息隊列。當共識節(jié)點接收到數(shù)據(jù)請求類消息時，將請求的消息內(nèi)容壓入請求消息隊列中，并向全網(wǎng)廣播;當共識節(jié)點接收到響應(yīng)類消息時，會將響應(yīng)的消息內(nèi)容壓入響應(yīng)消息隊列中，同時進行全網(wǎng)廣播。應(yīng)用端節(jié)點需要定期查看消息隊列中的消息，看是否有自己可以提供的服務(wù)或?qū)ψ约赫埱笙⒌膽?yīng)答。在整個系統(tǒng)中，所有用戶經(jīng)由區(qū)塊鏈的消息都會被記錄下來，保存在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，并且通過共識協(xié)議，在各個共識節(jié)點中達成一致，且不可篡改。

5 總結(jié)

區(qū)塊鏈具有去中心化、防篡改、數(shù)據(jù)可追蹤的特點，能使分布式系統(tǒng)在無信任的情況下安全穩(wěn)定運行。消息中間件是用來屏蔽底層異構(gòu)平臺、支撐上層應(yīng)用的中間件技術(shù)，為分布式應(yīng)用系統(tǒng)提供高效透明的通信服務(wù)，一個可靠的中間服務(wù)器往往是最理想的選擇，因為中間服務(wù)器可以為應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活高效的消息傳遞。但是，這樣的消息中間件模式太過依賴于中間服務(wù)器，一旦中間服務(wù)器出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)都將受到極大影響，而且對中間服務(wù)器來說也沒有隱私安全可言。而區(qū)塊鏈系統(tǒng)正是用多節(jié)點來取代單一節(jié)點的分布式系統(tǒng)，且多節(jié)點之間無需信任關(guān)系。因此，本文用區(qū)塊鏈來構(gòu)建消息中間件，有效解決了單點故障問題，且各個應(yīng)用系統(tǒng)無需暴露端口，只需要向區(qū)塊鏈中的共識節(jié)點發(fā)消息，且通過發(fā)布/訂閱的模式接受服務(wù)或?qū)φ埱筮M行響應(yīng)。

參考文獻：

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