基于區(qū)塊鏈的校園內(nèi)可追溯和高效圖書共享系統(tǒng)研究

孫嘉池

(長(zhǎng)春理工大學(xué),吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引言

隨著智能手機(jī)的普及,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大規(guī)模增強(qiáng)了人與人之間的交流和互動(dòng)[1]。通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),許多傳統(tǒng)社交活動(dòng)可以得到轉(zhuǎn)變,其中,最有趣和意義深遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)變之一是圖書交換(也稱為“圖書共享”)。然而,線下共享模式要求人們?cè)诠潭ㄎ恢谜莆漳繕?biāo)圖書,導(dǎo)致流通范圍受限[2]。相比之下,網(wǎng)絡(luò)的興起為解決這一問(wèn)題提供了新的機(jī)會(huì)。通過(guò)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上記錄相關(guān)的共享圖書信息,人們可以方便地查找圖書的狀態(tài)和位置。

盡管如此,圖書交換仍然面臨一些挑戰(zhàn),這些挑戰(zhàn)超越了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的能力范圍。其中,最嚴(yán)重的問(wèn)題是信任危機(jī)。另一個(gè)嚴(yán)重的障礙是圖書的管理效率不高。在當(dāng)前的移動(dòng)圖書交換系統(tǒng)中,流通過(guò)程并沒有完全自動(dòng)化,因?yàn)樗匀恍枰芾韱T審核大部分用戶的請(qǐng)求,導(dǎo)致圖書流通率低[3]。因此,有必要通過(guò)可追溯性和高效性來(lái)豐富傳統(tǒng)的圖書共享系統(tǒng)。

本文探索了將新興的區(qū)塊鏈技術(shù)融入傳統(tǒng)的圖書交換系統(tǒng)的潛力[4]。本研究通過(guò)融合分布式共識(shí)、P2P網(wǎng)絡(luò)、基于密碼學(xué)的賬本和智能合約,結(jié)合區(qū)塊鏈的不可變性、透明性和去中心化等優(yōu)點(diǎn),開發(fā)了一種基于區(qū)塊鏈的校園內(nèi)可追溯和高效圖書共享系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3個(gè)關(guān)鍵組件組成:用于圖書交換的移動(dòng)應(yīng)用程序、用于處理請(qǐng)求的分布式服務(wù)器和區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)以及用于記錄數(shù)據(jù)的底層存儲(chǔ)設(shè)施。圖書的核心信息(如狀態(tài)和位置)被記錄在區(qū)塊鏈上。這樣,圖書的軌跡可以可靠地追溯,從而解決信任危機(jī)問(wèn)題。與共享圖書相關(guān)的所有活動(dòng)都通過(guò)智能合約實(shí)現(xiàn),促進(jìn)了圖書流通,提高了管理效率。

1 圖書交換中的問(wèn)題

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及,移動(dòng)圖書交換變得更加便捷,為讀者之間共享圖書提供了新途徑。在讀者在線注冊(cè)并編碼圖書后,可以跟蹤圖書的后續(xù)流通。然而,圖書交換仍然存在一些問(wèn)題。圖書交換的主要問(wèn)題是用戶不相信活動(dòng)中的其他參與者(即信任危機(jī)),導(dǎo)致參與率低。圖書交換的另一個(gè)問(wèn)題是缺乏有效的監(jiān)督和保護(hù)措施(即管理效率低)。讀者是否向所有者報(bào)告圖書的狀態(tài)完全取決于他們的誠(chéng)信,這很容易導(dǎo)致圖書的丟失。在讀者閱讀共享圖書時(shí),他們常常忽略對(duì)圖書的保護(hù),導(dǎo)致歸還的圖書出現(xiàn)缺頁(yè)和涂鴉等問(wèn)題。

2 圖書共享系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)阻礙傳統(tǒng)圖書交換系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行上述分析,發(fā)現(xiàn)到區(qū)塊鏈可以解決圖書交換中的問(wèn)題。在本節(jié)中,詳細(xì)介紹了融合區(qū)塊鏈技術(shù)的新型校園圖書共享系統(tǒng)。

2.1 概述

基于大學(xué)生的閱讀需求,本文設(shè)計(jì)了圖書交換系統(tǒng),有4個(gè)基本目標(biāo):(1)大學(xué)生可以輕松地共享圖書,讓閑置圖書得到充分利用;(2)大學(xué)生可以直接借閱圖書,無(wú)需任何中介,以實(shí)現(xiàn)圖書高效的流通;(3)使圖書流通信息透明,建立可信賴的圖書交換;(4)流通信息的存儲(chǔ)需要高度的可追溯性,以最小化圖書丟失的可能性。

圖書交換系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。應(yīng)用層包括為終端用戶設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序,便于用戶操作系統(tǒng)。信任服務(wù)層提供圖書交換的核心功能(如借閱圖書),并連接其他2層。存儲(chǔ)層安全地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循自上而下的方法,按照應(yīng)用層、信任服務(wù)層和存儲(chǔ)層的順序進(jìn)行。本研究為開發(fā)人員設(shè)計(jì)了用戶友好的中間件平臺(tái),以便輕松地操作區(qū)塊鏈。該平臺(tái)不僅為用戶提供查看區(qū)塊鏈狀態(tài)的網(wǎng)頁(yè),還以Restful風(fēng)格封裝了許多API接口,使得去中心化應(yīng)用的開發(fā)更加方便。

圖1 基于區(qū)塊鏈的校園內(nèi)可追溯和高效圖書共享系統(tǒng)框架

本研究在系統(tǒng)中的每個(gè)學(xué)校部署了一個(gè)圖書共享系統(tǒng)的完整節(jié)點(diǎn)。學(xué)校服務(wù)器將聚合學(xué)生和教職員工的請(qǐng)求,并代表其在區(qū)塊鏈上發(fā)送交易。

圖書共享系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)作為系統(tǒng)的輔助存儲(chǔ)。圖書的狀態(tài)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上,而圖書的固有信息記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中以加快搜索速度。此外,本研究不僅使用數(shù)據(jù)庫(kù)作為緩存,以存儲(chǔ)智能合約中的數(shù)據(jù);還引入了一個(gè)分詞器,可以從單詞中提取詞干,以擴(kuò)大搜索結(jié)果的范圍。

2.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層位于圖書交換系統(tǒng)的最上層,旨在為用戶提供友好的界面參與圖書交流。系統(tǒng)中有2類用戶,因此分別設(shè)計(jì)了兩種應(yīng)用。Android應(yīng)用程序是為希望參與圖書交流的用戶設(shè)計(jì)的,而網(wǎng)站則專門為學(xué)校管理員維護(hù)系統(tǒng)中的圖書。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個(gè)中間件平臺(tái),為用戶或開發(fā)人員提供靈活的工具,以監(jiān)控區(qū)塊鏈的狀態(tài)。

2.2.1 Android應(yīng)用程序

通過(guò)圖形用戶界面,用戶可以詳細(xì)查看書籍的信息,包括圖像和簡(jiǎn)要介紹。此外,用戶可以通過(guò)掃描書籍上的QR碼借閱任何可用的書籍,并通過(guò)個(gè)人圖書管理功能歸還書籍。該應(yīng)用程序還提供收藏功能,讓用戶可以將自己喜歡的書籍加入列表,并隨時(shí)追蹤書籍的狀態(tài)。

2.2.2 網(wǎng)站

網(wǎng)站是為每個(gè)學(xué)校的管理員設(shè)計(jì)的,用于管理圖書。一旦用戶將一本書捐贈(zèng)給學(xué)校,管理員將登錄網(wǎng)站并輸入該書的信息,生成包含唯一ID的QR碼。管理員在網(wǎng)頁(yè)上維護(hù)圖書,包括在書籍信息發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行更新。

2.2.3 中間件平臺(tái)

在傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈應(yīng)用程序開發(fā)過(guò)程中,開發(fā)人員需要通過(guò)命令行反復(fù)調(diào)用函數(shù)來(lái)觀察智能合約的運(yùn)行狀態(tài),這會(huì)顯著降低開發(fā)效率。為了緩解這一問(wèn)題,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)中間件平臺(tái),使開發(fā)人員可以更友好地操作區(qū)塊鏈。該平臺(tái)封裝了Restful風(fēng)格的API接口,使Android應(yīng)用程序開發(fā)更加便利。通過(guò)該接口,可以對(duì)交易數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼,并在多種設(shè)備上(包括網(wǎng)頁(yè)、移動(dòng)終端等)顯示區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。

2.3 信任服務(wù)層

信任服務(wù)層是該系統(tǒng)的核心模塊,包括區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器。該層連接其他2層,為用戶提供完整的服務(wù)。該層有3個(gè)主要組件:Web服務(wù)器、智能合約和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

2.3.1 Web服務(wù)器

Web服務(wù)器能夠解析HTTP協(xié)議。當(dāng)接收到來(lái)自Android應(yīng)用程序或網(wǎng)站的HTTP請(qǐng)求時(shí),Web服務(wù)器會(huì)處理這些請(qǐng)求并返回HTTP響應(yīng),如發(fā)送HTML頁(yè)面或JSON(JavaScript對(duì)象表示)數(shù)據(jù)。服務(wù)器將遠(yuǎn)程調(diào)用智能合約,為用戶提供圖書交流服務(wù)。此外,Web服務(wù)器還提供系統(tǒng)的基本功能,包括用戶注冊(cè)和登錄,檢查借閱圖書是否到期。為了實(shí)現(xiàn)大量用戶的負(fù)載均衡,將Web服務(wù)器分配給每個(gè)學(xué)校,并將用戶的請(qǐng)求發(fā)送到相應(yīng)學(xué)校的服務(wù)器。

2.3.2 智能合約

智能合約不需要人為干預(yù),只要滿足條件就能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。智能合約可以節(jié)省時(shí)間,降低成本。因此,本系統(tǒng)使用智能合約替代圖書館等中心化機(jī)構(gòu)的角色,實(shí)現(xiàn)去中心化的圖書分享。本研究所提議的智能合約提供許多功能,如會(huì)員注冊(cè)、借書和還書。這些功能在區(qū)塊鏈上是公開可用的,因此所有Web服務(wù)器都可以調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來(lái)處理請(qǐng)求。

2.3.3 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)

大學(xué)是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境,因此本研究?jī)A向于采用聯(lián)盟區(qū)塊鏈,并使用實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法作為共識(shí)算法。然而,讓每個(gè)學(xué)生在其智能手機(jī)上運(yùn)行一個(gè)區(qū)塊鏈全節(jié)點(diǎn)是不現(xiàn)實(shí)的。一方面,智能手機(jī)的計(jì)算能力遠(yuǎn)不及專用服務(wù)器,將全節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在智能手機(jī)上可能會(huì)占用大部分資源,導(dǎo)致其他正常功能無(wú)法運(yùn)行。另一方面,實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法的時(shí)間復(fù)雜度隨著參與者數(shù)量的增加,時(shí)間復(fù)雜度會(huì)顯著增長(zhǎng)。為了克服這些問(wèn)題,系統(tǒng)利用每個(gè)學(xué)校維護(hù)一個(gè)全節(jié)點(diǎn),作為其學(xué)生和教職員工的代表,向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)送交易。學(xué)校之間的節(jié)點(diǎn)可以就這些交易達(dá)成共識(shí),實(shí)現(xiàn)圖書交流。

2.4 存儲(chǔ)層

存儲(chǔ)層包括2個(gè)模塊:區(qū)塊鏈和數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)存儲(chǔ)層提供的接口,服務(wù)層可以輕松地檢索和更新其中的數(shù)據(jù)。

2.4.1 區(qū)塊鏈

本研究使用區(qū)塊鏈來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的重要信息,如圖書狀態(tài)和用戶聯(lián)系信息。這些數(shù)據(jù)指示了書籍的位置以及如何與所有者聯(lián)系。通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù),這些數(shù)據(jù)由所在學(xué)校維護(hù),每個(gè)學(xué)校都有一份副本,避免了單點(diǎn)故障。這些數(shù)據(jù)在學(xué)校之間通過(guò)共識(shí)協(xié)議保持一致。一旦數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上,它就是不可變的。這使得用戶可以在系統(tǒng)中彼此信任,無(wú)需像圖書館那樣依賴第三方。

2.4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)

區(qū)塊鏈的本質(zhì)是一種分布式賬本技術(shù),可以利用它來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的圖書數(shù)據(jù)。然而,由于頻繁檢索數(shù)據(jù)(如標(biāo)題、圖片)時(shí)區(qū)塊鏈的性能較差,這成為系統(tǒng)的瓶頸。為了加速性能,系統(tǒng)使用了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)圖書的基本信息和部分用戶信息。使用數(shù)據(jù)庫(kù)的另一個(gè)原因是區(qū)塊鏈上存儲(chǔ)的開銷較大,存儲(chǔ)的信息越多,智能合約的消耗也會(huì)越多。從安全性的角度來(lái)看,圖書的基本信息是其固有屬性,對(duì)其進(jìn)行篡改是沒有意義的,因此不需要將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在安全環(huán)境中。

3 圖書交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 Web服務(wù)器

使用Apache Tomcat作為Web服務(wù)器,用于接收來(lái)自應(yīng)用程序級(jí)別(即Android應(yīng)用程序和網(wǎng)站)的HTTP請(qǐng)求。當(dāng)用戶通過(guò)Android應(yīng)用程序掃描圖書上的二維碼后,Android應(yīng)用程序?qū)⑾蛳鄳?yīng)的Web服務(wù)器發(fā)送查詢請(qǐng)求。Web服務(wù)器將通過(guò)DAO(用于訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口)從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取圖書的基本數(shù)據(jù),再通過(guò)調(diào)用智能合約從FISCO BCOS區(qū)塊鏈中獲取位置信息。如果圖書可用,用戶在Web服務(wù)器更新相關(guān)信息后可以借閱圖書并在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上達(dá)成共識(shí)。

3.2 分詞器

分詞器廣泛用于搜索引擎和信息檢索系統(tǒng),用于從單詞中提取詞干,從而擴(kuò)大搜索術(shù)語(yǔ)的范圍以獲得更多的搜索結(jié)果。基于規(guī)則的傳統(tǒng)分詞器可以優(yōu)雅地處理常見單詞,且誤差可以忽略不計(jì)。然而,大學(xué)生的閑置圖書大多是專業(yè)的,基于規(guī)則的分詞器無(wú)法處理專業(yè)詞匯和特殊符號(hào)(如C++和C#)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),本研究基于Porter Stemming算法實(shí)現(xiàn)了一種新的圖書搜索分詞器。

3.3 智能合約

智能合約負(fù)責(zé)記錄和更新學(xué)生和圖書的信息,并為用戶提供借閱和歸還圖書的功能。當(dāng)Web服務(wù)器接收到圖書交換的請(qǐng)求時(shí),它將調(diào)用合約來(lái)添加或更新學(xué)生和圖書的信息,如用戶注冊(cè)或借閱圖書。

3.4 權(quán)限管理

系統(tǒng)中有3個(gè)角色,即超級(jí)管理員、學(xué)校和學(xué)生。

3.4.1 超級(jí)管理員

超級(jí)管理員由大多數(shù)節(jié)點(diǎn)或可能擁有悠久聲譽(yù)的組織(如學(xué)校的部門)選舉產(chǎn)生。超級(jí)管理員擁有所有權(quán)限,如驗(yàn)證組織的身份并向不同組織授予權(quán)限。他們還需要維護(hù)和升級(jí)系統(tǒng)以正常運(yùn)行。

3.4.2 學(xué)校

學(xué)校負(fù)責(zé)調(diào)用并執(zhí)行智能合約,將圖書或用戶信息存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上。當(dāng)一本圖書從一個(gè)學(xué)生轉(zhuǎn)移到另一個(gè)學(xué)生時(shí),學(xué)校需要調(diào)用合約來(lái)更新區(qū)塊鏈上的圖書信息。

3.4.3 學(xué)生

學(xué)生是圖書交換活動(dòng)的主要參與者。然而,他們不能直接訪問(wèn)和更新區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù),需要通過(guò)Android應(yīng)用程序向?qū)?yīng)的Web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求。Web服務(wù)器將以學(xué)校的身份代表學(xué)生在區(qū)塊鏈上發(fā)送交易。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)基于區(qū)塊鏈的校園內(nèi)圖書可追溯和高效共享系統(tǒng),即圖書交換系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在解決傳統(tǒng)圖書交換系統(tǒng)中的信任危機(jī)和管理效率低的問(wèn)題。研究結(jié)果表明,通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)和智能合約的融合,圖書交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖書的去中心化管理和可追溯性。每本圖書的信息都被記錄在區(qū)塊鏈上,保證了數(shù)據(jù)的不可篡改性和透明性。同時(shí),智能合約使得圖書的借閱和歸還過(guò)程自動(dòng)化,提高了圖書交換的效率。系統(tǒng)中的權(quán)限管理確保了合理的權(quán)限劃分,保護(hù)了用戶的隱私和數(shù)據(jù)安全。

為了進(jìn)一步完善圖書交換系統(tǒng),后續(xù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更多的實(shí)地測(cè)試和用戶反饋收集,以了解用戶的真實(shí)需求和反饋。同時(shí),探索更先進(jìn)的區(qū)塊鏈技術(shù)和共識(shí)算法,以提高系統(tǒng)的性能和可擴(kuò)展性。此外,將圖書交換系統(tǒng)與其他教育資源共享平臺(tái)和圖書館系統(tǒng)進(jìn)行整合,實(shí)現(xiàn)更廣泛的資源共享和利用,將是未來(lái)的發(fā)展方向。