基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺架構(gòu)研究與設(shè)計

邢 濤

（中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京 100041）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，云計算作為一種新興的計算模式已經(jīng)得到了廣泛應用。通過云計算，用戶可以隨時隨地訪問存儲在遠程服務器上的數(shù)據(jù)和資源，不需要擔心本地存儲和維護的成本與復雜性。然而，云計算也面臨一些挑戰(zhàn)，如安全性和可信度問題，這些問題往往由云平臺的中心化架構(gòu)導致。

區(qū)塊鏈是一種去中心化的分布式賬本技術(shù)，可以使交易記錄具有不可篡改性和安全性，并且可以實現(xiàn)自動化的合約執(zhí)行。這使得區(qū)塊鏈技術(shù)成為數(shù)字貨幣和金融交易領(lǐng)域的核心技術(shù)。但是，區(qū)塊鏈技術(shù)也存在性能問題、可擴展性問題以及隱私保護問題等[1-5]。

結(jié)合這2個領(lǐng)域，將區(qū)塊鏈技術(shù)與云計算相結(jié)合，可以解決云計算領(lǐng)域的中心化問題，同時克服區(qū)塊鏈技術(shù)的性能和可擴展性問題。因此，研究基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺架構(gòu)具有重要的理論和實踐意義。

1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺架構(gòu)設(shè)計

云平臺的架構(gòu)設(shè)計通常采用分布式架構(gòu)和虛擬化技術(shù)，以支持大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲和處理，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高可用、高性能以及高可擴展性。在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺架構(gòu)設(shè)計中，還需要考慮到去中心化和智能合約等特點，以實現(xiàn)更加安全和智能的服務。

1.1 云平臺架構(gòu)分層

一個典型的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺架構(gòu)設(shè)計包括以下組件，如圖1 所示。

圖1 云平臺架構(gòu)層次

（1）區(qū)塊鏈節(jié)點層。云平臺由一組節(jié)點組成，每個節(jié)點都是一個區(qū)塊鏈節(jié)點。節(jié)點負責維護區(qū)塊鏈的狀態(tài)和交易記錄，并通過共識算法來確保交易的一致性和可信度。

（2）備份與恢復層。備份與恢復層負責存儲所有的交易數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，以支持數(shù)據(jù)的高效訪問和處理。備份與恢復層可以采用分布式存儲技術(shù)，如星際文件系統(tǒng)（InterPlanetary File System，IPFS）和BigchainDB 等。

（3）智能合約層。智能合約層負責執(zhí)行智能合約，并通過編寫智能合約來實現(xiàn)自動化的合約執(zhí)行和業(yè)務邏輯。智能合約層可以采用以太坊（Ethereum）和Hyperledger 等區(qū)塊鏈平臺來實現(xiàn)。

（4）認證和授權(quán)層。認證和授權(quán)層負責身份驗證和權(quán)限管理。通過采用數(shù)字身份認證和基于角色的訪問控制等技術(shù)保護用戶的數(shù)據(jù)隱私與安全。

（5）API 層。應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）層負責向外提供平臺的服務接口，可以采用RESTful API 和GraphQL 等標準化接口支持平臺的互操作性及可擴展性。

（6）用戶界面層。用戶界面層負責向用戶展示平臺的功能和服務，并提供用戶交互的界面，可以采用Web 應用程序和移動應用程序等形式實現(xiàn)。

1.2 云平臺架構(gòu)子系統(tǒng)

在云平臺架構(gòu)中除了按照邏輯層次劃分外，還可以將云平臺劃分為以下子系統(tǒng)。

（1）用戶管理子系統(tǒng)：用戶管理子系統(tǒng)負責管理用戶的身份認證、授權(quán)和權(quán)限管理等，通過實現(xiàn)用戶界面層和認證和授權(quán)層來實現(xiàn)。

（2）計算資源管理子系統(tǒng)。計算資源管理子系統(tǒng)負責管理云平臺的計算資源，如虛擬機、容器和應用程序等。通過實現(xiàn)虛擬化技術(shù)和計算資源調(diào)度算法來實現(xiàn)。

（3）存儲資源管理子系統(tǒng)。存儲資源管理子系統(tǒng)負責管理云平臺的存儲資源，如數(shù)據(jù)庫、對象存儲和分布式文件系統(tǒng)等。通過實現(xiàn)分布式存儲技術(shù)和數(shù)據(jù)備份及恢復策略來實現(xiàn)。

（4）網(wǎng)絡(luò)資源管理子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)資源管理子系統(tǒng)負責管理云平臺的網(wǎng)絡(luò)資源，如虛擬網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術(shù)來實現(xiàn)。

（5）安全管理子系統(tǒng)。安全管理子系統(tǒng)負責保護云平臺的數(shù)據(jù)隱私和安全，如網(wǎng)絡(luò)安全、身份認證以及訪問控制等。通過實現(xiàn)加密技術(shù)、安全審計和漏洞管理等來實現(xiàn)。

2 區(qū)塊鏈的集成設(shè)計

2.1 區(qū)塊鏈節(jié)點的管理

區(qū)塊鏈的核心是由許多節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。每個節(jié)點都有一個副本，用于記錄區(qū)塊鏈的交易和狀態(tài)。因此節(jié)點的搭建、配置、部署以及管理對于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。

節(jié)點數(shù)量和位置是區(qū)塊鏈節(jié)點管理的重要考慮因素。節(jié)點數(shù)量應該足夠多，以確保網(wǎng)絡(luò)的去中心化和可靠性。節(jié)點應該分布在不同的地理位置，這樣可以減少單點故障的風險，并提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和容錯性。

節(jié)點的搭建和配置是區(qū)塊鏈節(jié)點管理的關(guān)鍵步驟。節(jié)點應該在可靠的硬件設(shè)備上運行，并安裝必要的軟件和配置。節(jié)點應該有足夠的存儲空間、帶寬和處理能力，以支持區(qū)塊鏈的交易與狀態(tài)更新。

節(jié)點的部署包括將節(jié)點連接到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點應該能夠與其他節(jié)點通信，并同步區(qū)塊鏈的交易和狀態(tài)。節(jié)點的部署應該是自動化的，以確保節(jié)點的一致性和可靠性。

節(jié)點的管理和監(jiān)控是區(qū)塊鏈節(jié)點管理的重要組成部分。節(jié)點應該定期進行維護和更新，以確保其性能和安全性。節(jié)點還應該進行監(jiān)控，以便及時檢測和處理故障與安全問題。同時，節(jié)點的管理和監(jiān)控應該是集中化的，以便對整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進行管理和監(jiān)控。

節(jié)點的安全是區(qū)塊鏈節(jié)點管理的重要方面。節(jié)點應該有足夠的安全措施，以保護其免受惡意攻擊和數(shù)據(jù)泄露的風險。節(jié)點應使用加密技術(shù)和防火墻等措施，以確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。節(jié)點的搭建、配置、部署和管理應該是完全自動化，并具有足夠的安全性和穩(wěn)定性，以支持區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的運行和發(fā)展。

2.2 區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲

由于區(qū)塊鏈是一種去中心化的技術(shù)，其數(shù)據(jù)存儲方式與傳統(tǒng)的云平臺有很大不同。以下區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲的一些考慮因素如下。

（1）區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲是分布式的，意味著每個節(jié)點都存儲了整個區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)副本。在云平臺架構(gòu)設(shè)計中需要考慮如何在不同的節(jié)點之間共享數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。

（2）由于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲是去中心化的，需要采取一些安全措施以確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。包括使用加密技術(shù)和數(shù)字簽名來保護數(shù)據(jù)免受惡意攻擊與篡改的風險。

（3）區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲是可追溯和透明的，因為每個交易都被記錄在區(qū)塊鏈上，并且可以通過區(qū)塊鏈瀏覽器查看。提供一些工具和接口，以便用戶方便訪問和查詢數(shù)據(jù)。

為了解決基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺架構(gòu)中的數(shù)據(jù)存儲問題，使用IPFS 和分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)合的方案。IPFS 是一種去中心化的分布式存儲系統(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲和訪問。分布式數(shù)據(jù)庫則是一種將數(shù)據(jù)分散存儲在多個節(jié)點上的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以提高數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。具體來說，將數(shù)據(jù)分為小文件和大文件2 種類型。對于小文件，采用IPFS 進行存儲和管理。每個小文件被分割成一個或多個塊，然后存儲在IPFS網(wǎng)絡(luò)。每個塊都由唯一的哈希標識符標識。對于大文件，則使用分布式數(shù)據(jù)庫將文件分成多個片段進行存儲，并在需要時進行組裝。這樣可以在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，降低數(shù)據(jù)存儲成本和提高數(shù)據(jù)訪問效率。

2.3 區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)傳輸

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式往往采用中心化的服務器進行傳輸，存在單點故障和數(shù)據(jù)泄露的風險。P2P 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種去中心化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點都可以直接與其他節(jié)點通信，不需要經(jīng)過中心化的服務器。在這種結(jié)構(gòu)下，節(jié)點之間可以互相傳遞數(shù)據(jù)，相互之間沒有主從關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)具有高效、安全以及可靠等優(yōu)點，可以有效解決中心化傳輸結(jié)構(gòu)的單點故障和數(shù)據(jù)泄露問題。

同時，采用基于區(qū)塊鏈的消息傳遞協(xié)議可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?。區(qū)塊鏈是一種去中心化的數(shù)據(jù)庫，每個節(jié)點都可以保存一份完整的數(shù)據(jù)副本，節(jié)點之間可以通過共識算法保證數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。在這種協(xié)議下，數(shù)據(jù)傳輸過程中，每個節(jié)點都會對數(shù)據(jù)進行驗證和確認，確保數(shù)據(jù)的完整性和正確性。同時，由于區(qū)塊鏈具有不可篡改的特性，可以防止數(shù)據(jù)被篡改或者偽造。

區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)傳輸也是可追溯和透明的，因為每個交易都被記錄在區(qū)塊鏈上，并且可以通過區(qū)塊鏈瀏覽器查看。需要提供一些工具和接口，以便用戶可以訪問和查詢數(shù)據(jù)傳輸記錄。數(shù)據(jù)傳輸是分布式的，需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院腿蒎e性，在數(shù)據(jù)傳輸過程中檢測和糾正錯誤，并確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。同時需要考慮如何提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蛶捓寐?。包括使用一些?yōu)化算法和技術(shù)，如數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)緩存，最大程度減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和帶寬占用率。

2.4 區(qū)塊鏈的智能合約

智能合約是一段存儲在區(qū)塊鏈上的自動化程序，能夠自動執(zhí)行預先設(shè)定好的規(guī)則。在智能合約中，所有的交易都是通過代碼自動執(zhí)行，不存在人為干預的可能，從而保證了交易的公正和透明。

智能合約的部署是指將智能合約上傳到區(qū)塊鏈上并使其在網(wǎng)絡(luò)中運行。在部署智能合約之前，需要先編寫合約代碼進行測試。一般來說，智能合約的部署需要支付一定的交易費用，這是因為需要消耗一定的計算資源和存儲空間。

Solidity 是一種高級編程語言，專門用于編寫智能合約，有更多的安全特性和針對區(qū)塊鏈的功能。使用Solidity 編寫智能合約可以使代碼更加規(guī)范化和可維護。除了Solidity 之外，還有其他的編程語言也可以用于編寫智能合約，如JavaScript 和Go。不同的編程語言具有不同的特點和優(yōu)劣勢，開發(fā)者可以根據(jù)實際需求選擇適合的編程語言。無論使用哪種編程語言，開發(fā)者都需要仔細測試智能合約代碼，以確保其正確性和安全性。

在智能合約的部署過程中，需要選擇一個適合的區(qū)塊鏈平臺作為部署目標。目前，市面上存在許多不同的區(qū)塊鏈平臺，如以太坊、EOS、Hyperledger 等。不同的區(qū)塊鏈平臺具有不同的性能、功能和安全特性，開發(fā)者需要根據(jù)自己的需求和實際情況選擇合適的平臺。

3 結(jié) 論

文章基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺架構(gòu)進行研究和設(shè)計，對整體架構(gòu)給出了分層結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)劃分，提出了一種基于IPFS 和分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)合的方案來解決數(shù)據(jù)存儲問題，以及一種基于網(wǎng)絡(luò)對等（Peer to Peer，P2P）結(jié)構(gòu)和基于區(qū)塊鏈的消息傳遞協(xié)議來解決數(shù)據(jù)傳輸問題。同時，本研究還分析了智能合約的開發(fā)和部署過程，介紹了使用高級編程語言進行智能合約開發(fā)和部署的方法。

未來通過進一步優(yōu)化算法和協(xié)議，提高區(qū)塊鏈技術(shù)的性能和安全性，探索更多的應用場景，將區(qū)塊鏈技術(shù)應用于更多的領(lǐng)域，以實現(xiàn)更高的價值。