基于區(qū)塊鏈的高校數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)研究

宋東翔 馬伽洛倫* 王怡然 潘俊

（1.德宏師范高等專科學(xué)校 云南省德宏市 678400 2.德宏職業(yè)學(xué)院 云南省德宏市 678400）（3.京東方科技集團(tuán) 北京市 102600）

近年來，部分高校建立了各類信息管理系統(tǒng)，例如：財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)、人事管理系統(tǒng)、OA 辦公系統(tǒng)、學(xué)生管理系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)和科研管理系統(tǒng)等。但因系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間不同、開發(fā)公司不統(tǒng)一和學(xué)校機(jī)構(gòu)設(shè)置調(diào)整等導(dǎo)致出現(xiàn)以下問題：

（1）數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一：每個(gè)信息系統(tǒng)具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫，并且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一。辦公部門之間交互的數(shù)據(jù)表格中存在數(shù)據(jù)字段不一致和單元格格式不統(tǒng)一。需重復(fù)工作修改格式完成數(shù)據(jù)統(tǒng)一，造成人力、時(shí)間和資源的浪費(fèi)；

（2）數(shù)據(jù)偏差：每個(gè)系統(tǒng)中存在學(xué)校機(jī)構(gòu)和人員信息等多個(gè)重復(fù)模塊，有時(shí)重復(fù)數(shù)據(jù)無法及時(shí)更新，造成實(shí)際學(xué)校人員總數(shù)不一致等情況，在工作中容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差；

（3）數(shù)據(jù)維護(hù)困難：因每個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)獨(dú)立，存在多個(gè)重復(fù)模塊和系統(tǒng)由不同公司開發(fā)，增加系統(tǒng)維護(hù)的時(shí)間和成本，影響工作效率。

近年來，對(duì)于區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，研究者們都提出了許多的解決方案。國內(nèi)學(xué)者韓菊茹等人提出的區(qū)塊鏈的可信日志存儲(chǔ)與驗(yàn)證系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了本地?cái)?shù)據(jù)與區(qū)塊鏈存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性驗(yàn)證，因?yàn)槿罩镜臄?shù)據(jù)數(shù)量太多的問題，對(duì)gas 消耗太大。紀(jì)露生等人提出的一種基于區(qū)塊鏈的鏈下個(gè)人數(shù)據(jù)保護(hù)方案，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能合約數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減小gas 消耗，實(shí)現(xiàn)個(gè)人數(shù)據(jù)的鏈上存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)安全性得到保障，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的操作大部分都在鏈下完成。曹迪迪的基于區(qū)塊鏈智能合約的可信存證系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)中實(shí)現(xiàn)了鏈上數(shù)據(jù)的基本操作并且gas 消耗低，文中因?yàn)榇鎯?chǔ)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)指紋提取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)生成的哈希值，并沒有把數(shù)據(jù)完全存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈上。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、不可篡改、可追溯的特性。去中心化特性可以降低高校信息數(shù)據(jù)的維護(hù)成本，不可篡改特性保障共享數(shù)據(jù)的安全性，可追溯特性能夠記錄用戶的操作記錄。高校傳統(tǒng)信息系統(tǒng)在用戶登錄時(shí)，用戶名和密碼存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，存在被破解泄露的風(fēng)險(xiǎn)。零知識(shí)證明是一種證明者能夠在不向驗(yàn)證者提供任何有用的信息的情況下，使驗(yàn)證者相信某個(gè)論斷是正確的協(xié)議。該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)共享系統(tǒng)用戶的無密碼登陸，提升系統(tǒng)的安全性。針對(duì)以上問題，本文提出基于區(qū)塊鏈的高校數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，使用NodeJS+Express 構(gòu)建服務(wù)端，數(shù)據(jù)庫使用MySQL，區(qū)塊鏈聯(lián)盟鏈FISCO BCOS 作為底層架構(gòu)，Solidaty 語言編寫數(shù)據(jù)格式優(yōu)化和零知識(shí)證明協(xié)議智能合約。通過Docker 容器和壓力測(cè)試工具Caliper測(cè)試系統(tǒng)部署的智能合約性能，測(cè)試結(jié)果屬用戶可接受范圍?；趨^(qū)塊鏈的高校數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的構(gòu)建，能夠?qū)崿F(xiàn)高校數(shù)據(jù)的統(tǒng)一格式共享，用戶無密碼登陸，整體提升了學(xué)校的工作效率。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈聯(lián)盟鏈和智能合約

聯(lián)盟鏈由多個(gè)聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)盟鏈數(shù)據(jù)只在聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)中公開，不同于區(qū)塊鏈公有鏈和私有鏈。在聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中，眾多的聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)彼此連接構(gòu)成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)聯(lián)盟鏈有兩大核心功能：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和智能合約代碼執(zhí)行。智能合約是Nick Szabo 在20世紀(jì)90年代提出的一個(gè)概念，是以數(shù)字形式規(guī)定的一系列承諾。智能合約代表一段用高級(jí)語言(Solidity)編寫并存儲(chǔ)為區(qū)塊鏈中字節(jié)碼的代碼。在每個(gè)聯(lián)盟鏈全節(jié)點(diǎn)中，都保存有完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。不僅將交易數(shù)據(jù)保存在鏈上，編譯后的合約代碼同樣也保存在鏈上。聯(lián)盟鏈全節(jié)點(diǎn)中，提供了一個(gè)虛擬機(jī)EVM(Ethereum Virtual Machine)執(zhí)行智能合約,實(shí)現(xiàn)圖靈完備。

1.2 Web3.js和DApp應(yīng)用

Web3.js 是區(qū)塊鏈智能合約官方的Javascript API，幫助智能合約開發(fā)者使用HTTP 或者IPC 與本地的或者遠(yuǎn)程的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)交互。Web3.js 是一個(gè)庫的集合，主要包括下面幾個(gè)庫：Web3-eth 用于區(qū)塊鏈和智能合約交互、Web3-shh 用于控制whisper 協(xié)議與p2p 通信以及廣播、Web3-bzz 與swarm協(xié)議交互和Web3-utils 包含了一些Dapp 開發(fā)有用的功能。

DApp(Decentralization App)是去中心化應(yīng)用，部署于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。傳統(tǒng)基于區(qū)塊鏈聯(lián)盟鏈系統(tǒng)架構(gòu)中通過solidity 語言編寫號(hào)智能合約，通過編譯部署在區(qū)塊鏈上，客戶執(zhí)行操作的系統(tǒng)流程為：第一步：客戶端通過操作，發(fā)送執(zhí)行智能合約請(qǐng)求；第二步：前端JS 調(diào)用Web3.js 接口把請(qǐng)求發(fā)送到智能合約；第三步：根據(jù)智能合約獲取數(shù)據(jù)；第四步：前端JS 調(diào)用Web3.js 接口獲取數(shù)據(jù)；第五步：獲取到JSON 格式的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)共享思路

2.1 數(shù)據(jù)共享方法

為了保證共享數(shù)據(jù)的安全性，設(shè)計(jì)共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈端，通過部署智能合約實(shí)現(xiàn)共享數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)查詢功能。Web 服務(wù)端和區(qū)塊鏈端通過Web3.js 接口連接，傳遞JSON的格式數(shù)據(jù)，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)共享數(shù)據(jù)為在高校工作中常用數(shù)據(jù)文件Excel 二維表。但區(qū)塊鏈中不能直接存儲(chǔ)Excel 文件，設(shè)計(jì)把Excel 二維表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在智能合約中。但在區(qū)塊鏈中智能合約每執(zhí)行一個(gè)操作需要消耗系統(tǒng)資源，數(shù)據(jù)越大，消耗資源越多。參考文獻(xiàn)的智能合約數(shù)據(jù)上傳優(yōu)化方法，把Excel 二維表數(shù)據(jù)單行數(shù)據(jù)逐條上傳的傳統(tǒng)方法改進(jìn)為整表上傳，減小資源消耗。

為避免密碼的存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中被破解泄露和數(shù)據(jù)交互過程中被截取的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減小數(shù)據(jù)庫訪問壓力。設(shè)計(jì)在服務(wù)器端的MySQL 數(shù)據(jù)庫中不存儲(chǔ)用戶的密碼數(shù)據(jù)，在區(qū)塊鏈端部署基于非交互式零知識(shí)證明（Non-Interactive Zero-Knowledge,NIZK）協(xié)議的智能合約，客戶端的用戶只需發(fā)送零知識(shí)證明以內(nèi)的正確知識(shí)信息（用戶登錄密碼不發(fā)送），用戶的用戶名和零知識(shí)證明協(xié)議的交互信息存儲(chǔ)在智能合約中，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)無密碼登錄。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為使用端、共享端和數(shù)據(jù)端。數(shù)據(jù)端包括：服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫，服務(wù)前端使用Vue-element-admin 框 架，結(jié) 合Element-UI、Vue-Router 路由組件搭建，Vue-CLI 3.0 完成打包發(fā)布。服務(wù)端使用NodeJS+Express 構(gòu)建，Nginx 靜態(tài)資源服務(wù)器存儲(chǔ)資源文件。用戶登錄配合Jwt 訪問令牌加MD5 的雙重加密，并開啟HTTPS 協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸加密，保證系統(tǒng)的安全性。數(shù)據(jù)庫使用MySQL；共享端包括：區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)使用哈希函數(shù)和非對(duì)稱加密進(jìn)行鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)，區(qū)塊節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在P2P網(wǎng)絡(luò)中，每隔一段時(shí)間區(qū)塊鏈通過傳播機(jī)制和共識(shí)算法完成共識(shí)；智能合約包括數(shù)據(jù)格式優(yōu)化和零知識(shí)證明登錄智能合約，數(shù)據(jù)層和共享層使用Web3.js 連接；使用端涉及三種類型用戶，普通用戶，主要為學(xué)生和教職工。學(xué)院/部門管理員，主要為二級(jí)學(xué)院和行政部門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)維護(hù)工作人員。系統(tǒng)管理員，為學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心負(fù)責(zé)人。

圖1：共享系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 智能合約設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)好變量，再創(chuàng)建操作數(shù)據(jù)的CURD 函數(shù)，分別為：寫數(shù)據(jù)：在客戶端將JSON 格式的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳到合約，然后將JSON 格式的數(shù)據(jù)分拆，保存到以太坊網(wǎng)絡(luò)上；讀數(shù)據(jù)：將以太坊上的數(shù)據(jù)組合成JSON 格式，返回給客戶端；改數(shù)據(jù)：在客戶端將JSON 格式的數(shù)據(jù)上傳到合約，然后將JSON 格式的修改數(shù)據(jù)分拆，保存到以太坊網(wǎng)絡(luò)上；刪除數(shù)據(jù)：將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)刪除。設(shè)計(jì)存取數(shù)據(jù)表的智能合約使用的是solidity 語言，但是solidity 語言本身是不能處理JSON 格式字符串的，需要使用第三方的Library（JsmnSolLib），其中規(guī)定每一個(gè)數(shù)組元素稱為一個(gè)token。在EVM 中存在兩種數(shù)據(jù)，為瞬時(shí)數(shù)據(jù)Memory 和永久數(shù)據(jù)Storage。不需要永久存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)設(shè)置為瞬時(shí)數(shù)據(jù)Memory，可以減少資源的浪費(fèi)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)把區(qū)塊鏈的用戶信息、二維數(shù)據(jù)表內(nèi)容信息、二維數(shù)據(jù)表字段名信息和二維數(shù)據(jù)表名信息存在Storage 中，主要使用結(jié)構(gòu)體struct 和數(shù)組mapping 存儲(chǔ)。

算法的復(fù)雜程度也會(huì)造成gas 消耗，所以為了操作上文中優(yōu)化的上傳數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)智能合約操作函數(shù)分別為:添加數(shù)據(jù)saveData()、讀取數(shù)據(jù)getData()、更新數(shù)據(jù)updataData()、刪除deleteData()和getNames()，參數(shù)中加入發(fā)送用戶以太坊地址是為了區(qū)分不同用戶對(duì)數(shù)據(jù)的操作。系統(tǒng)中不存儲(chǔ)用戶真實(shí)信息，每一次的智能合約函數(shù)狀態(tài)變量改變執(zhí)行，區(qū)塊鏈都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)交易，交易中都有一個(gè)哈希值作為驗(yàn)證標(biāo)識(shí)，保證了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的匿名性和不可篡改。因?yàn)閷?duì)上傳數(shù)據(jù)的處理算法主要在添加數(shù)據(jù)和獲取數(shù)據(jù)，智能合約中的存儲(chǔ)變量如表1所示。

表1：智能合約的存儲(chǔ)變量表

3.2 數(shù)據(jù)格式優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

在以太坊上，每個(gè)智能合約都有屬于自己的存儲(chǔ)空間，雖然智能合約沒有查詢語言（例如SQL）或者數(shù)據(jù)庫組件支持，但是智能合約可以通過代碼提供數(shù)據(jù)的初始化、讀取或存儲(chǔ)等功能。web3.js 接口只能通過JSON 格式傳遞數(shù)據(jù)，JSON 是一種與開發(fā)語言無關(guān)的、輕量級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式。因上傳區(qū)塊鏈端智能合約的數(shù)據(jù)格式為JSON，因優(yōu)化前的上傳數(shù)據(jù)為按數(shù)據(jù)行數(shù)排序的數(shù)組，例如：上傳數(shù)據(jù)為S=[[“Field1”,“Field2”,“Field3”,“Field4”],[“Row11”,“Row12”,“Row13”,“Row14”],[“Row21”,“Row22”,“Row23”,“Row24”],[“Row31”,“Row32”,“Row33”,“Row34”]]。優(yōu)化個(gè)格式有4 個(gè)參數(shù)，分別為：Array，包含二維表所有字段和數(shù)據(jù)的內(nèi)容數(shù)組序列；Field，存儲(chǔ)二維表的字段數(shù)；Row：存儲(chǔ)二維數(shù)據(jù)的記錄行數(shù)。假如上傳二維數(shù)據(jù)表S，字段Field 為4，記錄數(shù)Row 為3。優(yōu)化流程為:Array 從S 的第一行字段名開始從左向右依次遍歷存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，直到遍歷完整張二維表。優(yōu)化后，Array 為：“[“Field1”,“Field2”,“Field3”,“Field4”,“Row11”,“Row12”,“Row13”,“Row14”,“Row21”,“Row22”,“Row23”,“Row24”,“Row31”,“Row32”,“Row33”,“Row34”]”；二維表中字段分別為Field1、Field2、Field3 和Field4，F(xiàn)ield 為4；二維表中記錄Row 為3。算法3-1 上傳數(shù)據(jù)格式優(yōu)化算法如下所示：

?

?

3.3 零知識(shí)注冊(cè)和登錄實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)基于非交互式零知識(shí)證明協(xié)議的智能合約各參數(shù)為：證明者是用戶User；驗(yàn)證者是智能合約verify；智能合約的發(fā)布者公鑰和私鑰為：pk 和sk；簽名函數(shù)為sign；哈希函數(shù)為Hash；公開參數(shù)為素?cái)?shù)g 和n；用戶賬號(hào)為userName；用戶密碼為userPassword；隨機(jī)函數(shù)random；客戶端產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)為v；智能合約端產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)為c。

3.3.1 用戶注冊(cè)

通過部署非交互式零知識(shí)證明協(xié)議的智能合約，用戶注冊(cè)流程為：通過公鑰私鑰對(duì)生成算法生成（pk，sk）。pk 為用戶登錄系統(tǒng)時(shí)的賬號(hào)，sk 為登錄時(shí)的密碼。用戶注冊(cè)流程為：

（1）用戶用Hash 函數(shù)對(duì)用戶密碼sk 進(jìn)行運(yùn)算得到摘要H(sk)；

（2）把摘要H(usk)轉(zhuǎn)換成整型數(shù)值x；

（3）進(jìn)行pow(g,x,n)運(yùn)算，公式為y=gx mod n，得到公開素?cái)?shù)g 的x 次方對(duì)公開素?cái)?shù)n 的取余值；

（4）用智能合約的發(fā)布者的公鑰pk 把y 和用戶賬號(hào)userName 兩個(gè)信息進(jìn)行簽名得到sign(y)=sign pk(y,userName)；

（5）把sing(y)發(fā)送給驗(yàn)證者verify，verify 用智能合約的發(fā)布者私鑰sk 解密得到y(tǒng)、userName 和verify，完成用戶注冊(cè)。

3.3.2 用戶登錄

通過部署非交互式零知識(shí)證明協(xié)議的智能合約，用戶登錄流程為：

（1）客戶端通過隨機(jī)函數(shù)random 得到隨機(jī)數(shù)v，進(jìn)行pow(g,v,n)運(yùn)算，公式為t=gmod n，得到公開素?cái)?shù)g 的v次方對(duì)公開素?cái)?shù)n 的取余值；

（2）使用智能合約發(fā)布者的公鑰sk 對(duì)t、用戶名userName 兩個(gè)信息進(jìn)行簽名得到sign(t)=sign pk(y,userName)；

（3）把sing(t)發(fā)送給驗(yàn)證者verify，verify 用智能合約的發(fā)布者私鑰sk 解密得到t 和userName；

（4）智能合約在合約的用戶列表數(shù)組中查詢?cè)撚脩羰欠褡?cè)，已注冊(cè)返回隨機(jī)函數(shù)random 得到的隨機(jī)數(shù)c，否則返回?zé)o用戶信息；

（5）證明者是用戶User 收到返回值c，進(jìn)行運(yùn)算得到r=v-cx mod (n-1)，通過公鑰sk 把r、用戶名userName 兩個(gè)信息進(jìn)行簽名得到sign(r)=sign pk(r,userName)；

（6）sign(r)發(fā)送給驗(yàn)證者verify，verify 用私鑰sk 解密得到r 和userName，運(yùn)算得到tval=g*ymod n，判斷tval是否等于t，如果相等，就驗(yàn)證通過，用戶登錄成功。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)詳細(xì)配置參數(shù)如下：操作系統(tǒng)：Ubuntu18.06、FISCO BCOS ：2.8.1、Caliper：0.2.0、Docker：18.06.02、NodeJS：10.0.1、Vue：2.6.1、MySQL：5.7.1。實(shí)驗(yàn)使用Docker 和壓力測(cè)試工具Caliper，測(cè)試基于高校共享數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式優(yōu)化和非交互零知識(shí)證明智能合約函數(shù)性能。配置模擬節(jié)點(diǎn)11 個(gè)，編號(hào)0-10，網(wǎng)絡(luò)地址為127.0.0.1:1001-127.0.0.1:1011，RPC監(jiān)聽地址為127.0.0.1:8501-127.0.0.1:8511，Channel 監(jiān)聽地址為0.0.0.0:1001-0.0.0.0:1011。性能測(cè)試分別測(cè)試發(fā)送速率（TPS）、最大延遲/s、最小延遲/s、平均延遲/s、吞吐量（TPS）。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，合約函數(shù)的平均發(fā)送速率為1100TPS。時(shí)延最大的是數(shù)據(jù)格式優(yōu)化中的數(shù)據(jù)上傳函數(shù)1.4s，合約的平均時(shí)延在1s 左右是吞吐量平均在900TPS。因智能合約函數(shù)中查詢數(shù)據(jù)時(shí)延小，上傳數(shù)據(jù)時(shí)延大，所以性能測(cè)試參數(shù)為用戶可以接受的范圍。

5 結(jié)論

本文通過研究數(shù)據(jù)共享和區(qū)塊鏈的結(jié)合，設(shè)計(jì)了使用端、共享端和數(shù)據(jù)端的三層系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)描述了共享端中數(shù)據(jù)格式優(yōu)化的智能合約算法，解決了服務(wù)端與區(qū)塊鏈端上傳數(shù)據(jù)增加智能合約執(zhí)行次數(shù)，造成系統(tǒng)資源消耗高的問題。設(shè)計(jì)并部署了了非交互式零知識(shí)證明的智能合約，并描述了用戶登錄流程，提升系統(tǒng)的安全性?；趨^(qū)塊鏈的高校共享系統(tǒng)建立，整體提升了高校的工作效率。但還存在不足之處，比如共享數(shù)據(jù)只能存儲(chǔ)二維表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類別有限，在未來工作中，進(jìn)一步優(yōu)化共享系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)圖片、視頻等復(fù)雜信息。