融合区块链技术的机构知识库科学数据监护模型研究

2020-07-20师衍辉韩牧哲刘桂锋

现代情报 2020年1期

师衍辉韩牧哲刘桂锋

摘要：[目的]建设可长期使用和保存的数据监护平台是开展科研数据监护服务的核心环节和关键。[方法]文章针对机构知识库科学数据监护平台存在的数据规范性、可信任度、安全性和隐私问题，利用区块链技术的安全、公正和去中心化等特性，提出融入区块链技术的机构知识库科学数据监护模型。[结果/结论]本模型能够实现机构知识库科学数据监护的基本功能，保障数据存储的安全，提高科学数据共享的效率、利用率和知识产权保护力度。

关键词：区块链;机构知识库;数据监护;科学数据;数据管理

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2020.01.011

〔中图分類号〕G250.76 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1008-0821（2020）01-0101-09

Research on Scientific Data Curation Model of Institutional Knowledge

Repository Integrated with Block Chain Technology

Shi Yanhui1 Han Muzhe2 Liu Guifeng3*

（1.Library，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China;

2.School of Information Management，Central China Normal University，Wuhan 430079，China;

3.Institute of Science and Technology Information，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

Abstract：Building a data curation platform that can be used and saved for a long time is the core link and key of scientific research data curation service.Aiming at scientific data curation platform of institutional repository data standardization，dependability，security and privacy problem，using the block chain technology，such as security，justice and decentralized features，put forward chain technology into blocks of institutional repository of scientific data curation model.This model can realize the basic function of scientific data curation of institutional knowledge base，ensure the security of data storage，and improve the efficiency and utilization rate of scientific data sharing and intellectual property protection.

Key words：block chain;institutional knowledge repository;data curation;scientific data;data management

20世纪90年代开始，开放获取运动（Open Access，OA）在图书情报、编辑出版和新闻传播领域快速兴起[1]。这种旨在消除科学数据间的价格壁垒和许可壁垒，促进科学数据共享和广泛使用的倡议很快获得了广泛关注。在开放获取理念的倡导下，国内外的高校和科研机构纷纷将机构知识库的建设作为其科研信息服务的重点。设立机构知识库的初衷主要是为实现两点：其一是实现机构知识库中科研成果的开放获取，打破传统的数据共享壁垒，促进知识的交流和再生产;其二是可以长期保存建设机构的科研成果，提升机构的学术影响力和成果展示度，彰显机构的学术声望、学术水平和社会价值[2]。

机构知识库在被提出来后发展迅速，但是在广泛关注和快速发展的背后，机构知识库的建设和应用也遇到了一些问题：一方面，承担机构知识库建设的高校和科研机构容易受制于自身知识资源储备、专业人才储备和资金及技术上的制约，服务范围面向单一机构本身容易限制机构知识库的可持续发展;另一方面机构知识库与传统的学科库相比，用户认知度和用户参与度都并不理想，这主要是由于机构知识库定位模糊而且服务理念尚不完善所致。针对这两方面问题，需要由图书馆员通过协助学者完善数据和元数据来促进共享，积极帮助形成向各自领域的学科库发布数据成果，建设可长期使用和保存的数据监护平台[3]。

当前数据监护平台在数据组织的持续性和可扩展性方面存在不足，存储数据遭到破坏、更改、泄露或丢失风险[4]，数据内容揭示与服务方式深读不够[5]，数据的异构性与数据格式标准化技术之间矛盾突出[6]等多种悬而未决的实际问题，方兴未艾的区块链技术则因其安全、公正、去中心化等特性为以上问题提供了一个可能的解决方案。本文尝试将双链式区块链技术的相关思想融合到数据监护服务中，并提出相应的模型架构，以此为未来的数据监护服务开展提供思路。

1 区块链技术理论基础及构建机构知识库科学数据监护模型的可行性

1.1 区块链技术理论基础

区块链（Blockchain）是由多个独立节点参与的分布式数据库系统，也可理解为由这些独立节点共同维护的分布式账簿（DLT，Distributed Ledger Technology），这是一种基于去中心化、去信任思想的数据记录方式。由此延伸可知区块链技术是一种不依赖任何第三方、通过自身分布式节点进行数据交互、验证、存储的技术方案[7]。

区块链技术之所以备受瞩目，很大程度上是因为这种技术方案从根本上改变了人们的信任模式。传统的信息交流和价值交换过程必须通过中介进行，中介作为信息交流和价值交换中的第三方，为网络中互不信任的各个节点搭建桥梁，信息和价值被集中至中心节点，再由中心節点甄别后分配给目标节点。这种中心化的组织形式为信息和价值的交流活动增加了成本、降低了效率，且中心节点一旦遭受攻击，就将会威胁到整个网络的安全。而区块链技术则提供了一种无需信任单个节点，并能创建共识网络的方法解决了点对点通信中的基本问题，即拜占庭将军问题（Byzantine Failures）。

区块链的工作原理（见图1）是将数据分成不同的区块（Block），每个区块的块身（Body）存储项目（Item），块头（Header）包含对前一区块的块头进行哈希函数（Hash Function）计算所得到的哈希值，各个区块之间都由其块头的哈希值与先前的区块紧密相连成为一个链条（Chain）[8]。

图1 区块链工作原理示意图

这种块链结构是完全时序的，每一个区块在创建之时都会被赋予一个无法篡改和伪造的时间戳，这使得整个数据库拥有可回溯的完整历史;网络中的每个节点独立作业，它们享有同样的权利和义务，这保证了网络中绝不存在有特殊权力的中心节点，真正实现了去中心化;整个网络中的所有数据都是开放的，所有节点都存储着相同的信息，同时它们也在监督和验证其他节点所存储信息的可靠性，并通过投票形成共识网络，当网络中少于1/3的节点恶意作弊或遭到攻击时，系统仍然可以正常工作，这种分布式记录、传播和存储技术为网络构建了高容错的安全环境。区块链技术的上述关键要素和特性使得它在数字货币和金融领域异彩纷呈，而在本文着重探讨的科学数据监护服务领域，区块链的上述特性也能够帮助解决科学数据的组织、共享、保存、增值以及涉及知识产权保护和信息安全的相关问题。

1.2 区块链技术构建机构知识库科学数据监护模型的可行性

目前，机构数据库建设成为高校图书馆管理和服务模式创新的重要领域，功能完备的机构知识库可以不断扩展图书馆资源，提供专业的科学数据管理和知识共享服务。运用机构知识库进行数据监护在取得明显成绩的同时也存在很多问题。主要体现在各部门、各科研人员所提交的科学数据组织规范性不够，数据提交质量参差不齐[9]，科学数据间互联互通困难，信息共享和协同困难;存在中心化困扰，大多数机构知识库由单一机构中心化管理，若数据被篡改，用户无法验证真实性[10];缺乏对数据内容深度标引，无法为科学研究者提供一站式检索服务;知识库建设和管理过程中，存在安全性和隐私问题，知识产权问题亟需得到保障[11]。

区块链技术对解决机构数据库中存在的问题具有可行性。作为由多个独立节点参与的分布式数据库系统，区块链本身就是一种数据库技术，它的应用、存储对象和技术要素本身与机构知识库就是相同的。科学数据具有数据的生命周期，区块链技术的时间链特性也完全匹配这一期望，可见用区块链技术解决机构知识库科学数据监护中存在的问题是完全可行的[12]。

融合区块链技术构建机构知识库科学数据监护模型具有以下优势。一是区块链去中心化的特点，能够使构建的机构知识库平台更具安全性和可信任度，使收集的科研数据更加准确规范。二是区块链技术中的分布式账本、块链式数据结构、非对称性加密算法和智能合约的技术，能保证机构数据库中的科学数据不可篡改，为保障机构数据库中的数据存储安全提供保障。三是区块链技术的去中心化，使得网络中的信息传播速度和资源利用效率大大提高，可以为用户一站式检索和使用提供极大方便。四是运用区块链中的全民记账和非对称加密算法，可以对上传科学数据的用户提供知识产权保护，只有得到用户提供者解密许可才能下载使用信息，数据安全性和隐私问题能够得到解决。因此，下文就结合区块链的基本思想对机构知识库科学数据监护模型的功能需求及工作原理进行阐述。

2 科学数据监护模型的功能需求

以机构知识库为基础的科学数据监护服务需要按照特定的目标、遵循特定的流程、设置相应的功能，再根据功能需求设定功能模块和层次架构，并进一步阐述模型的工作原理和过程。

一个完整的科学数据监护平台应涉及数据生命周期的各个环节，涵盖从数据产生之初到数据存储、数据利用的循环过程。英国数据监护中心（DCC，Digital Curation Centre）提出的数据监护模型从全局上将数据生命周期划分为4个阶段，分别为信息描述和表示、数据保存计划、组织观察和参与、数据监护和保存;并提出了数据监护服务的一般工作和具体工作，涉及数据生产、数据组织、数据共享、数据存储等多个环节，其服务范围遍及从科研项目构思到科研成果利用的整个循环过程[13]。

参照DCC的流程划分和功能设定，本文将科学数据监护划分为数据采集与评价、数据组织与处理、数据存储与发布、数据共享与利用四大基本功能，其中的每一项都可以进一步详细划分为几个相互关联的具体功能，融合双链式区块链技术的相关原理，将能够实现特定功能的基本模块按照工作流程有机整合，即可获得整体的科学数据监护模型。本文所构建的科学数据监护模型拟具备的具体功能如表1所示。

3 融合区块链技术的科学数据监护模型的构建及功能阐述

服务项目，它会在其原有的服务理念范畴内不断融合新的技术，以实现对科学数据更好地保存、共享和增值。以上四大基本功能和15种具体功能，需要依靠融合了各种技术的不同功能模块加以实现，其中许多环节在现实中已经有较为成功的实践案例。因而本文在之后的模型构建环节，将着重从总体上阐释双链式区块链技术在面向机构知识库或机构知识库联盟的科学数据监护服务中的作用方式，较大程度上保持科学数据监护平台在具体功能选择上的灵活性和可扩展性。

3.1 模型整体架构

融合区块链技术的机构知识库科学数据监护模型是针对机构知识库联盟构建的，结合上述科学数据监护的相关功能和区块链技术的相关特点，可以将模型从整体上分为3个层次，分别是上层的用户界面、中间的机构设置、下层的联盟设置。3个层次的设置分别为：

1）用户界面。用户界面向服务范围内的所有用户提供交互平台，支持PC端和移动终端互操作，可以同时提供网页版本和App应用两种形式的用户界面，并开发可以嵌入其他常用开源软件的API平台。用户界面的作用主要是指导用户按照要求提交、获取和使用科学数据，并提供相应的接口。当前的用户界面具有5种基本功能，并可以根据具体需求进行增减。

2）机构设置。以高校和科研院所图书馆、信息中心为主的成员机构是机构知识库联盟的主体，同时也是数据监护服务的主要倡导者和执行者，高校图书馆和信息中心从硬件设施、人员配置、专业基础方面都可以为数据监护服务工作开展的提供保障和平台[14]。机构知识库联盟的成员机构可以在相对统一的技术框架内，遵循一定的数据存储协议分别建立自身的数据组织平台和数据仓储，并能够按照相应的数据共享协议向联盟中的其他成员进行数据共享。机构设置层主要是负责数据监护中的数据采集与评价、数据描述与处理两个方面的功能，这两方面功能的实现主要利用信息采集、信息检索、知识组织、数据挖掘、计量分析和可视化方法完成的。

3）联盟设置。机构知识库联盟的数据监护平台是区块链的运行层，内设区块链授时服务器、3个相互独立且能通过连接件同步状态的区块链、以及可以通过指令调用的分布式仓储服务器。联盟设置中的区块链系统是本文所提出数据监护模型与传统模型的核心区别，这一设计旨在摒弃以传统的数据库管理系统为依托所带来的各种弊端，融合区块链技术构建一种效率更高、更加安全且具有法律效力的数据监护平台。

以目前占主流的分布式机构知识库联盟为例，各个成员机构的图书馆和信息中心通常都拥有一定的数据存储和组织能力，并可以拥有进行数据发布和获取的门户，因此，可以为机构知识库联盟的成员机构建立账户区块链（ABC）。但是对于同一个机构而言，它既可以是数据的发布方，也可以是数据的使用方，以这种方式可以将每一个成员机构按照其所扮演角色的不同分别建立两条独立的ABC：数据发布时的账户区块链ABC-S，数据使用时的账户区块链ABC-U。之所以进行采用设计，一方面是为了负载平衡，另一方面同一机构内部的用户对自身数据资源的维护和利用也可以得到清晰独立地展现。ABC只负责查询、保存账目、建块，并不执行交易。模型中的两条ABC分别用于存储各个成员机构所发布和使用的数据，并根据用户操作建块（对科学数据的发布、删除、维护、更新），实时进行状态更新，确保所存储的数据不被篡改。

机构之间或机构用户内部对数据资源的访问、下载、引用、维护都可以视为交易行为，这种“交易行为”并不是传统意义上的货币交易，但是科学数据作为信息资源，对其分享和利用本身也属于一种价值交换行为，使用者需要遵循相应的使用条件获取数据，并履行相应的义务，而数据发布者则可因此获得业界声望、同行评议、合作机会甚至经济利益，所以这种价值交换行为也可视作交易行为。在区块链的架构中，交易行为是由TBC执行的，它是交易和结算的通道，它不保存交易双方的账户信息，只负责建块和执行交易。在科学数据监护服务中，对科学数据的访问、下载、引用、维护等不同的交易行为都可以在链上代码或应用系统中完成，TBC负责响应用户请求，根据用户指令建块，自动执行交易行为（对科学数据的访问、下载、引用进行授权）、验证支付（广播使用记录并保证ABC信息同步）、保存交易记录并将交易后状态实时同步到ABC中，并通过账户服务器展现给用户[15]。

3.2 数据存储与访问控制

3.2.1 数据存储

为统一机构知识库联盟中各成员机构的数据存储方式，以便于快捷完成数据检索和利用，本数据监护模型采用链下存储方式，链上只存储数据地址，原数据经过加密后存储在底层数据库，由各成员机构维护。当数据达到阈值后，成员机构将数据经过对称加密后存放至底层数据库，同时将数据的输入时间戳、区块长度及前一个区块的哈希值作为区块头，根据访问控制树将数据位置索引、明文形式的访问控制策略和数据Merkle根加密后打包成块，存储至区块体中，其后上传至数据仓库中[16]。其数据存储结构如图3所示。

3.2.2 访问控制

1）初始化：机构知识库联盟的数据监护平台设置统一的安全参数，由数据监护中心CA执行产生主密钥mk和公共参数pp。

2）身份注册：通过用户界面向模型第二层次机构设置提出注册申请，获取其真实身份对应的标识UID及属性集合SU。

3）密钥分发：按照密钥分发算法KeyGen（mk，Su），CA根据注册者属性集U∈SU，计算其属性私钥、属性参数，并由此计算出使用者的私钥SK，将其通过安全信道发送给使用者保存。

区块头区块体时间戳区块长度父区块Hash值数据1存储位置索引数据1的访问策略数据Merkle根数据2存储位置索引数据2的访问策略数据Merkle根数据3存储位置索引数据3的访问策略数据Merkle根………图3 区块体存储结构

4）加密数据：数据文件需经过文件初筛、质量评价、文件分类生成文件元数据和语义元数据，所有数据文件需遵循一定的数据关联规则从而保证科学数据的组织规范。为保证数据存储安全，数据上传者可根据访问者的属性对数据制定访问控制策略树StrGen（Su）→Tcom，隨机生成对称加密密钥rs，数据经过对称加密计算后放入机构数据库联盟分布式仓储的底层数据库中，对称加密算法可以表示为

SEncrs（（d1，d2，d3，…，dn））→cph

5）数据上传：机构数据库联盟中，各个成员机构的图书馆和信息中心拥有进行数据发布和获取的门户，用户通过成员机构数据发布时的账户区块链ABC-S向联盟上传数据。各成员机构间的区块链节点根据访问控制策略树对数据索引地址add、对称加密密钥rs进行加密，并将其广播至区块链。同时节点生成该数据索引id与链上数据的映射，将其放入底层数据库。

AddGen（cph）→add

SEncCOM（add，rs）→CPH

6）访问密文：访问者根据数据索引id在成员机构数据使用时的账户区块链ABC-U上查得该数据的地址与对称加密密钥。若该访问者没有权限访问此数据，则无法得到密钥rs，无法对索引地址进行解密，也就无法访问原数据。若该访问者属性满足访问控制策略，则其可以解密得到地址add与密钥rs，然后系统通过TBC响应用户请求，将检索到的数据副本位置信息反馈给用户，用户至机构数据库联盟分布式仓储的底层数据库访问该数据[17]。

3.3 数据监护模型的功能阐述

除上文中所述的数据监护四大基本功能以外，科学数据监护模型还要具备用户管理和用户服务功能，本节从过程角度对这5种功能及其所对应的模型中的各个部分进行展开。

3.3.1 用户管理与服务功能

1）用户界面—“用户注册/登录”界面：提供用户管理功能的交互平台，按照用户元数据标准提供用户信息采集接口，采集用户注册时提供的信息并上传至用户数据库，在用户尝试登录系统时验证其访问权限。

上传信息供机构设置—“用户信息数据库”模块继承。

2）机构设置—“用户信息数据库”模块：制定用户元数据标准（联盟标准用户元数据选项+机构扩展用户元数据选项）;接收并响应由“用户注册/登录”界面上传的信息和请求，对用户信息进行审核、管理、驗证;按照机构元数据标准（联盟标准机构元数据）和联盟标准用户元数据选项向联盟共享本机构及注册用户信息。

共享信息供联盟设置—“区块链”平台继承。

3.3.2 数据采集与评价功能

1）用户界面—“文件上传/数据维护”界面：为上传文件、项目信息以及其他附加信息提供接口，引导用户按照文件用途、类型、格式对文件进行分类上传，并对上传文件的形式、格式、规模进行初步审查，对成功上传的文件添加时间标记和用户信息标记。

上传信息供机构设置—“文件初筛”模块继承。

2）机构设置—“文件初筛”模块：接收并响应“文件上传/数据维护”界面上传的信息和请求，审查新上传数据的可读取性、完整性、规范性，与数据库中的既有数据内容进行重合比率检测，筛查所上传数据的合法性;对未通过筛查的数据进行拦截，并向提供者反馈，通过筛查的数据将进入质量评价程序。

上传信息供机构设置—“文件质量评价”模块继承。

3）机构设置—“文件质量评价”模块：接收“文件初筛”模块上传的信息，由机构内相应的数据监护人员协助作者或项目负责人对文件中科研成果的成熟度、数据内容的新颖性和学术价值进行质量评价，制定相应的数据管理计划，选择合适的数据共享和存储策略;通过质量评价的文件将按照其管理计划进行备份、归档，分配文件编号，在索引列表中创建文件索引条目。

上传信息供机构设置—“文件分类”模块继承;生成信息供机构设置—“文件描述”模块、“搜索引擎”模块和联盟设置—“机构数据集仓储”模块继承。

3.3.3 数据组织与处理功能

1）机构设置—“文件分类”模块：接收“文件质量评价”模块上传的信息，按照文件中数据的用途、形式、成熟度、开放程度进行分类，为不同类型的数据分别匹配相应的数据组织策略;按照数据类型所对应的文件格式标准进行格式转换，使其保存为方便存储的通用文件格式。

生成信息供机构设置—“文件描述”模块和联盟设置—“机构数据集仓储”模块继承。

2）机构设置—“文件描述”模块：按照文件及其所包含数据的不同分类，选取或制定相应的元数据标准，并向联盟成员共享。接收“文件质量评价”模块和“文件分类”模块生成的信息，进行文件描述，这部分工作可分为文件信息描述和内容信息描述两部分：前者按照文献编目规则描述文件外部信息，生成文件元数据;后者按照数据关联规则对文件中的数据内容进行知识元提取和语义关联组织，生成语义元数据，为数据共享和利用工作提供便利。

生成信息供机构设置—“搜索引擎”模块和联盟设置—“区块链”平台、“机构数据集仓储”模块继承。

3.3.4 数据存储与发布功能

1）联盟设置—“机构数据集仓储”模块：遵循“文件质量评价”模块确定的数据存储策略为从“文件分类”模块接收的标准文件和索引文件匹配相应的数据存储计划，设定数据保存期和数据备份计划;参照“文件描述”模块的文件和语义元数据标准分别在本地构建文件仓储和语义数据集，两个数据集通过设定的数据关联规则进行关联。

机构数据集仓储是联盟中各成员机构的本地仓储，其中向联盟共享的部分需要遵循联盟统一的元数据标准进行组织和存储，并能通过一定的数据共享协议远程调用;其他非共享数据可以由成员机构自行设定组织和存储策略。

2）联盟设置—“分布式仓储联盟”模块：该模块实际上是按照机构知识库联盟的数据共享协议构建的联盟分布式存储平台，它将各成员机构所构建的本地数据仓储中的共享部分按照相对统一的数据组织标准、数据存储协议、数据共享协议、数据访问与传输协议整合成一个整体的分布式数据仓储联盟[18]。

分布式数据仓储联盟本身可以不提供存储空间，其主要职责是对联盟成员的所存储的数据资源进行统筹和协调，制定、接收并更新面向联盟成员的数据组织和存储规范，优化成员机构的数据存储结构，并在必要的情况下对各成员机构的数据存储任务进行协调，促使整个机构知识库联盟的存储能力最大化。

3）机构设置—“数据发布”模块：协助作者或项目负责人按照数据共享策略对上传的数据资源进行发布，为其后的数据共享和利用做准备。数据共享策略中所嵌入的基本问题主要包括对于指定的数据资源，是否保密（保密级别、保密期限、保密范围）、是否向联盟内部共享、是否共享全文（共享全文内容、共享部分内容、仅共享题录）、是否向联盟外部共享（其他机构知识库或机构库联盟、外部学科库）、是否发布为关联数据等。

3.3.5 数据共享与利用功能

1）用户界面—“信息检索”界面：提供信息资源接口，接收“搜索引擎”模块的检索结果并向用户反馈，提供多样化、多语种、可限定范围的检索窗口，对于公开资源可以嵌入第三方搜索引擎的检索界面和检索功能。

上传信息供机构设置—“搜索引擎”模块继承。

2）机构设置—“搜索引擎”模块：接收并响应“信息检索”界面上传的用户请求，调用联盟共享的文献索引和元数据仓储，定位已发布的数据资源，向“分布式仓储联盟”提出数据请求，并将检索结果展现给用户。

生成信息供用户界面—“信息检索”界面、“数据访问与下载”界面继承。

3）用户界面—“数据访问与下载”界面：为用户提供数据获取门户，支持对数据资源的线上浏览、使用、获取，按照共享协议和用户权限向用户呈现相关的访问和下载条件。根据“搜索引擎”所提供的数字资源定位信息，生成相应的数据访问和下载链接，并按照用户的信息需求和获取权限向用户呈现。

这一界面仅是与用户进行信息交换的门户，具体的数据资源共享过程由联盟设置—“区块链”平台完成。

4）联盟设置—“区块链”平台：区块链平台是在整个模型中充当信息枢纽，数据的上传、存储、更新、共享、获取、利用的各个环节中所存在的信息交换都会以区块链的方式来完成。因此，区块链平台实际上是多功能的。

5）机构设置—“统计分析与可視化”模块：科学数据监护模型可以采集数据生命周期内的所有开放动态进行统计分析，并进行可视化展示，方便科研工作者对学术动态进行真实的掌握，从而促进科学数据的进一步共享和利用。用户界面—“统计分析”界面是该模块的用户终端门户。

4 结语

相比于传统的数据监护模型，本研究所建立的模型通过融合双链式区块链技术，实现了用户管理与服务、数据采集与评价、数据组织与处理、数据存储与发布、数据共享与利用五大基本功能，完整的实现了机构知识库科学数据监护和管理的整个流程，解决了知识库中不同机构、用户和标准间的协调问题，以及面对用户需求并发带来的计算量激增和数据传输存储安全问题。

这种融合双链式区块链技术的数据监护模型可以实现科学数据自助、及时、安全的共享，在整个过程中完全可以在无需联盟监视和代理的情况下对用户需求做出全天候及时响应，不仅极大地提高了数据共享的效率和利用率，也能够通过区块链技术不可篡改的时间戳和智能合约保证数据共享的安全性和知识产权保护。

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