图书馆与联盟链结合：概念、需求与展望

2020-09-12李金阳

新世纪图书馆 2020年8期

李金阳

摘要联盟链作为区块链技术的一个分支，以共识机制、部分去中心化、共享认证等特性，在公共服务行业具有较为广阔的适用性和发展前景。本文首先介绍了区块链的原理、应用特点及应用形态，然后结合图书馆信息服务需求的未来发展趋势，探讨了联盟链在资源管理、版权管理、信息保护、知识构建等方面的应用场景，以及图书馆与联盟链结合的构建思路和可行性展望，期望图书馆借助联盟链技术能够更好地推动智慧图书馆建设。

关键词智慧图书馆区块链联盟链

分类号 G250.7

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2020.08.001

The Combination of Library and Alliance Chain： Concept， Demand and Expectation

Li Jinyang

Abstract As a branch of block chain technology， alliance chain has broad applicability and development prospects in the public service industry due to its features of consensus mechanism， partial decentralization， shared certification and tamper-proof. This paper firstly introduces the principle， application characteristics and form of block chain. Next， this paper discusses the future development trend of library information service demand， the application scenarios of alliance chain in resource management， copyright management， information protection， knowledge construction and other aspects， as well as the construction ideas and feasibility prospects of the combination of library and alliance chain. It is expected that libraries can better promote the construction of smart libraries with the help of alliance chain technology.

Keywords Smart library. Block chain. Alliance chain.

0 引言

隨着云计算、人工智能等新兴技术的快速发展，图书馆建设从“数字图书馆”迈入了“智慧图书馆”时代，新技术的运用为图书馆的服务模式和服务理念带来了巨大变革，也促进了图书馆向多元化服务方向发展。近年来，随着区块链技术从数字货币逐渐扩展至金融、文化、教育、公共服务等领域，受到了我国政府部门和学术界的高度关注，图书馆行业也围绕区块链技术的应用展开了深入的研究。区块链技术的分布式存储、共识机制、点对点传输等特性有助于图书馆加强信息管理、促进信息交流，推动智慧图书馆的网络化、数字化、智能化建设，促进各类型信息资源的共享协同。本文结合图书馆信息服务需求的未来发展趋势，从区块链的一个应用分支——联盟链的角度，探讨了图书馆与联盟链相结合的构建思路和应用场景，以期待区块链技术为新时代智慧图书馆的发展和建设提供更有力的支撑。

1 区块链技术架构

1.1 概念及发展阶段

区块链（Block-Chain）概念最早由中本聪（Nakamoto）[1]在2008年提出。从技术原理上来看，区块链是以点对点网络（P2P）为基础构建的分布式数据库。在这个数据库中，数据结构是利用非对称加密算法的数据存储单元，并记录上唯一的时间戳，被称之“区块”;区块与区块之间按照时间顺序相连而成的“链条”，因此称为“区块链”[2]。区块链系统以去中心化、集体维护、去信任的方式，构建了一种新型的互联网信任和管理方式。在工信部发布的《中国区块链技术和应用发展白皮书（2016）》[3]中，区块链被定义为数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术在互联网时代的创新应用模式。发展到目前，区块链技术的内涵已有了很大的延伸。梅兰妮·斯万（Melaine Swan）[4]提出区块链将经历以下发展阶段：区块链的1.0模式以数字货币为主要特征，包括货币存汇、数字支付系统等内容;区块链的2.0模式以智能合约为主要特征，应用范围将延展到股票、基金、贷款抵押等领域;区块链的3.0模式，将突破货币、金融的范畴，更广泛地应用于政府、文化、科学、艺术等领域[5]。

1.2 技术架构

区块链的技术架构伴随着应用的多样性不断得以丰富和完善，并衍生出更多的发展方向，如应用于公众的公有链和应用于企业的联盟链。当前区块链的基础架构模式由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层组成，具体如图1所示。

图1 区块链基础架构模型

（1）数据层。“区块链”是一种由数据区块以链表的方式组成的数据结构，其中每一个区块的区块头都包含了前区块的哈希值，也就有了指向前区块的链接，直至最初创建的区块。在区块链上发生的每一次数据信息都会存储于某一区块中，并被永久保存，因此任何数据都可以通过该链式结构溯源。在区块数据的区块头上加盖时间戳，用于记录区块数据的写入时间。数据通过哈希函数转换成特定长度的字符串保存至区块链中，具有单向性、定时性、定长性、随机性等特点。数据验证采用了非对称加密技术，主要应用于信息加密、数字签名等场景[6]。

（2）网络层。P2P是整个区块链的基础网络服务架构。在P2P的环境中，成千上万的计算机以扁平式拓扑结构相互连接，处于对等的地位。P2P网络与链式数据结构相结合，可使区块链体系中的每一个节点都参与数据记录与验证[7]。区块链通过广播的方式，将每一新生成的区块数据发布到全网，让其他所有节点来参与验证;同时，P2P网络中的每个节点都能从广播中监听到新的區块数据，当接收到邻近节点的数据后，将验证其有效性。

（3）共识层。共识机制是对区块链信息记录进行集体验证的机制。区块链是一个高度分散的去中心化体系，但如何在决策权分散的状态下使各个节点对区块数据的有效性达成共识，这就是区块链的核心技术之一。例如，比特币区块链采用“工作量证明”（Proof of Work）方法来保证分布式记账的一致性，达成有效性的共识。随着区块链技术的发展，除工作量证明机制外，股权证明（PoS）机制、股权代表证明（DPoS）等共识机制也相继出现。

（4）激励层。区块链的共识机制是基于集体验证实现的大规模汇聚计算，需要参与者提供大量的算力。如何吸引和鼓励参与者贡献计算机算力，就需要设计一套能够给参与者带来自身收益的激励机制。例如，比特币采用了“工作量共识”以经济激励引导各个节点有效合作，吸引参与者贡献计算机算力。区块链通过适度的激励机制汇集大规模的共识资源，从而推动了系统的可持续发展。目前除了虚拟货币的激励手段外，也逐渐发展出了基于协议规则、工作职责为标志的多样化激励机制，并应用于不同类型的区块链中。

（5）合约层。合约层是区块链技术的重要组成部分，也是区块链功能和应用场景继续扩展的基础。合约层是针对具体业务逻辑和算法的封装，是一套灵活的脚本和代码系统。随着区块链技术的发展，智能合约逐渐应用到区块链的产品当中。有了智能合约，区块链可以主动或被动地处理数据、添加和处理更为复杂的业务场景、管控各类链上的智能资产。区块链与智能合约结合是未来发展的主要方向，其自主、自治的特点拥有更为广阔的发展空间。

（6）应用层。应用层主要指区块链的应用场景和业务案例，也是区块链的功能展示和用户交互的重要组成部分。当前，各大厂商将区块链的应用环境与云服务相结合，利用云计算高效、开放、安全、弹性的特点，把区块链业务以服务的形式对外提供使用。在区块链服务的应用层上，除了业务功能通道外，还有合约管理、策略管理、运营监控、容器服务等多个组成部分，可以面向不同的行业（金融、公共管理、物流等）打造开放共享、标准统一的区块链应用生态圈。

2 区块链的应用发展情况

2.1 区块链的应用形态介绍

区块链在发展的过程中产生了多种应用形态，如公有链、行业链、私有链等。如表1所示。

（1）公有链。区块链起源于比特币，比特币对任何个人和团体都开放，所有人都可以参与记账。像这样公开开放的区块链，只要接入产生交易并得到有效确认，任何个人和团体就都可以参与这个共识过程。这样的区块链是“完全去中心化”的，因此需要考虑周全的激励机制和信任机制，维持信用度的自建立过程。这样的区块链是最早出现，也是目前应用最广泛的区块链，由于其完全开放的特性，业内称之为“公有区块链”。

（2）行业链。由于公有链不适合很多企业或特定组织群体的应用场景，为了满足他们的需求，“行业区块链”就应运而生，有的组织也称行业链为“联盟链”。行业（联盟）链是由多个组织或行业内部构成控制，加入和退出都需要获取授权的区块链。与公有链相比，它不是完全的去中心化，可以单中心授权，也可以多中心验证，因此被认为是部分中心化。在行业链的内部，可以协商或指定节点参与记账、共识和交易的权限，也可以选择是否面向外部公开API提供有限查询。在行业链里激励机制并非必选项，可根据具体情况选择记账方式与激励措施。

（3）私有链。私有链的作用主要是不对外公开地使用区块链记账，其应用范围主要是公司内部或个人。使用者具有单独的写入权限，也可能开放部分对外的查询权限。在私有链中，一般不需要激励机制，信任机制也可根据自己情况拟定。私有链可以自拟记账者，由中心控制者指定参与人员，因此它是一个完全中心化的区块链系统。

表1 区块链应用类型

区块链类型公有链联盟（行业）链私有链

参与者所有人特定人群个体或公司内部

信任机制 PoW/PoS/DPoS 集体背书自行背书

记账者所有人参与者协商自拟

激励机制需要可选无需

中心化程度去中心化部分去中心化中心化

综上，区块链在去中心化、效率、安全的三角关系面前，难以同时满足。公有链要满足去中心化和安全，验证效率就很低;私有链满足了效率和安全，缺失去了去中心化的特性;联盟链在公有链的完全开放和私有链的高度集中之间采取了折中的方案，为了满足效率和安全，就不得不在去中心化上有所妥协。

2.2 区块链在图书馆领域的应用研究

随着区块链技术和应用形态的快速发展，图书馆界对于该技术在行业内的研究成果也积累颇多，“区块链+图书馆”已成为图书馆行业发展的新方向[8]，研究其在图书馆服务中的应用具有重要意义。从宏观的角度来看，有学者对于区块链技术应用于图书馆行业的可行性、机遇和挑战、需要关注的问题予以分析，例如周耀采用了比较分析法和文献调研法对区块链技术在图书馆服务中的可行性展开研究，分析了该技术的应用优势并设计了基于区块链技术的应用系统模型[9]。有学者认为区块链在数字资源管理方面能发挥非常重要的作用，例如杨新涯等认为数字内容的生产和保存、权益及保障是整个产业链最根本的问题，图书馆界通过区块链技术整合上下游产业链，以形成共信任、可管理的机制，可推动数字内容行业的发展[10];余其凤等认为通过区块链的去中心化、不可篡改等特性能有效解决信任问题，并提出基于区块链解决图书馆数字资产版权问题的设计方案和系统架构[11]。有学者提出了区块链技术应用于阅读推广领域的设想，例如汤尚等结合区块链技术特征阐述应用于图书馆阅读云平台的必要性，提出从四个方面构建全流程的阅读云平台[12]。有学者提出区块链技术在著作权保护中的作用，例如汪琼等分析了区块链适用于著作权保护的技术特性[13]，等等。

各类研究对区块链技术在图书馆领域的应用提供了非常丰富的借鉴，现有研究大多还处于理论探索阶段，也较为分散。区块链技术本身处于快速的发展过程中，也并非所有的特性和应用形态都适用于图书馆领域。图书馆的节点规模和数量有限，各个节点之间的联系也较为紧密，公有链的共识机制和完全去中心化等特性不符合图书馆的应用场景，而且公有链上数据可供查看的机制也与图书馆的部分数据隐私性形成了冲突，不利于监管和用户的隐私保护。而私有链的应用范围过窄，缺乏共享、相互信任等机制，不适合在多中心之间部署。在当前区块链的应用形态中，联盟链的数据治理、共识算法、隐私保护、可控性等特性更适合图书馆的实际应用环境，也将发挥更为重要的作用。

3 图书馆信息发展需求的未来发展趋势

近年来，我国图书馆信息化建设发展迅速，已经从数字化时代进入智慧化建设的崭新时期，但仍存在着社会公众日益增长的信息资源需求同图书馆现有资源不充分、不匹配、不满足、不平衡的矛盾。具体表现为：第一，图书馆所掌握的信息量激增，但高端的、有核心价值的信息还较为有限;第二，在当前时代信息制造和产生的速度不断加快，途径增多，同时也导致了信息老化加速，而大多数图书馆处理信息和响应的速度跟不上，出现了信息脱节的现象;第三，社会公众的信息需求量不断增大，需求方式也呈现多元化，图书馆提供的信息如何与公众的信息需求相匹配，也存在鸿沟;第四，图书馆业界信息孤岛、信息难以有效验证、信息加工不足等问题日渐突出。如何做到更加有效地管理图书馆信息、提高信息资源的可用性和匹配性、发挥出图书馆信息资源的最大价值、促进信息服务向知识服务转化，是图书馆业界自我完善和发展的需要，也是建立“智慧型”图书馆的关键目标之一。

（1）从信息共享的角度来看：在最早的纸质图书时代，中心图书馆、图书馆与分馆之间存在的是弱耦合的信息共享关系;随着信息化的发展，集成式图书管理系统的引入，图书馆与分馆之间变成了强耦合的信息共享关系，加强了纵向共享，中心图书馆和数据中心的重要性日益凸显;后来各个中心馆之间通过建立各类“联盟”加强彼此间信息共享的联系，例如高校图书馆联盟、图书馆参考咨询联盟、图书馆服务联盟、图书馆联盟云，等等。在这个阶段，各个中心图书馆之间的信息共享需求不断增长，开始强调跨平台、跨区域、跨产品的信息共享，技术上的特征是以标准的数据规范接口或以“云共享”的方式存在。在接下来的阶段，图书馆的信息共享仍将以“横向为主、纵向为辅”的方式推进，同时将更加强调“分布式”共享模式，其特征是“主节点—分布式节点”的部署方式，在信息共享的广度和深度这两个维度继续挖掘。

（2）从信息验证的角度来看：图书馆作为信息收集、信息加工、知识转化、知识宣传的单位，在收集加工、存储传播信息资源过程中都涉及到知識产权管理的相关规定和管理条例。在纸质书时代，图书馆的知识产权管理主要是围绕购买图书版权的正版化工作。而在数字化时代，图书馆面临越来越多知识产权管理的问题，例如，在信息资源建设中，保证纸质和电子资源的版权清晰;对于购买的资源，根据许可协议保证存储周期的时效性;在数字资源平台的建设和信息资源整合的过程中，保证资源的获取、传递避免版权纠纷;在面向读者的信息资源开放和传播的过程及延伸服务中（如朗诵作品传播），如何运用版权法保障相关人的权益，等等。这些问题汇集到一点，就是如何充分有效地做好信息验证。图书馆在建设数字图书馆和智慧图书馆的过程中，需要寻求现代化的技术手段对信息内容的知识版权进行管理，才能有效地应对以上挑战。

（3）从信息转化的角度来看：当前知识服务已得到社会各界越来越多的重视，但对于大多数公共图书馆而言，知识服务还停留在文献检索、提供信息的层面，知识服务体系也是在普通信息服务的框架下进行，整体的服务水平较低。未来图书馆的知识服务需要在信息资源服务基础上转化与提升，基于“事实—数据—信息—知识—智慧—创新”的知识构建过程，在信息供应链上提供更高层次的信息或知识。这也意味着图书馆在信息服务内容和信息服务功能方面的转变，帮助读者利用信息和提炼知识，通过信息向知识的可逆向转化来塑造图书馆在知识服务领域崭新的生命力。图书馆的知识服务体系构建发展涉及知识仓库、语义网、知识元数据库、知识网格等技术，同时也需要更有效地组织、验证、共享和管理知识内容。未来的“知识型”图书馆需要解决三个问题：一是强化知识的获取能力，通过知识链构成知识地图，构建科学的知识服务体系;二是解决知识开发的障碍，包括对知识产权的保护、知识内容的验证、知识发布的有效激励等;三是挖掘知识组织的深度，解决知识在物理资源上的分布和异构，衍生新的知识单元，实现知识创造的裂变，促进读者实现知识学习和知识创新方面的优化。

4 联盟链对图书馆信息服务发展的优化构建思路

在智慧图书馆的建设中，在“信息生产—信息转化—信息验证—信息共享”的过程中，让图书馆成为整个“链条”中的有效组织者和管理者，实现“互联、便利、高效、可验证”的目的，是构建中具有重要意义的地方，也是在技术更迭的过程中需要不断优化和改进的地方。区块链的去中心化、分布式部署、不可篡改、非对称加密、共识机制等特性也正好对应了智慧图书馆在信息生产到共享整个过程中的“需求点”和“痛点”;这项技术也是继云计算、大数据技术之后，将影响未来图书馆在若干年内发展和创新的新技术之一。图书馆界应该把握这一历史机遇，根据自身应用的特定场景，形成图书馆“区块链联盟”，制定出图书馆业界的“行业区块链”相关标准，积极探索区块链技术在图书馆行业的应用，并推动其发展。

（1）规划图书馆业界联盟链。普通公有链的海量节点、完全去中心化、集体信用背书等特点不完全适用于图书馆界。图书馆业内可根据自身业务特点，数据资源可面向全社会公众开放或有条件开放，但是数据的编辑和认证需要在各个馆之间达成共识，以此保证数据的准确性和权威性。图书馆打造属于自己的联盟链，既可避免公有链的完全去中心化的不可控和隐私安全问题，又比私有链更加灵活及具有操作性。图书馆的联盟链属于业内“联盟”的成员共同所有，节点数有限，体现了“部分去中心化”的特点;只要联盟链内部大部分机构达成共识，即可对区块数据进行编辑和修改，在共识和信息保护两者之间取得折中;各个图书馆及相关机构之间通过联盟链共同认证和分享信息资源，突出了“共享认证型”的特点;联盟链的数据不会默认公开，可根据访问对象设置分权限开放，可以有效保护用户数据的隐私。图书馆的联盟链可以更好地发挥各个馆、数据供应商及相关单位之间互联互通、共享信息的作用，促成建立图书馆界新形态的“信息生态联盟”。

（2）制定联盟链通用数据标准。构建图书馆联盟链，首先需要制定图书馆通用数据标准，以此引导和规范区块链技术在图书馆界的应用。参照工业和信息化部发布的《中国区块链技术和产业发展论坛标准（CBD-Forum-002-2017）》，区块链技术相关的数据对象结构包括上述区块、事务、实体、合约、账户、配置六个主要数据对象[14]。从数据结构的角度，图书馆联盟链的数据规范包括以下内容：联盟链技术相关的数据结构、联盟链技术相关的数据分类及其相互关系、联盟链技术相关的数据元的数据格式要求;从数据管理的角度，图书馆联盟链的数据规范包括以下内容：联盟链共享数据的生产规范、联盟链共享数据的保存规范、联盟链共享数据信息状态的编辑规范、联盟链共享数据的过程管理规范;从数据资源格式的角度，图书馆联盟链的数据规范包括以下内容：结构化数据标准，文本数字资源标准（如.TXT，.DOC，.XML，.HTML等）、图像数字资源标准（如.JPEG，.TIFF，.GIF，.BMP等）、音频数字资源标准（如.MP3，.WAV，.MID等），视频数字资源标准（如.AVI，.MOV，.MPEG等）;从数据应用领域的角度，图书馆联盟链的数据规范包括以下内容：资源服务数据、身份认证数据、版权验证数据、知识发现数据、行为感知数据、网络学习数据，等等。总体来说，联盟链的数据标准首先要保证数据的真实性和质量，其次是建立控制链的规则，最后是做好数据的运营维护和流程控制。

（3）构建信息资源联盟“书巢”数据库。联盟链部分去中心化的特征为各个图书馆数据资源协同共享体系的构建提供了技术可行性。联盟区块链的共识算法通过智能合约存储数字资源的特征向量信息，实现了数字资源身份认证，以及备份信息保护和共享等业务逻辑[15]。图书馆联盟链中的各个联盟单位纳入联盟区块链中，形成一个个节点，实现相互之间的数据对接和协同共享。区块链的智能合约层与各个数据资源板块之间通过网络接口服务层实现数据响应和交互。网络接口服务层可采用传统的WEB Service或RESTful Service服务架构，通过统一的设计规划和约束规则，实现数据资源的请求和调用。通过图书馆联盟链平台数据管理层的权限管理规则，外部用户可以通过该平台获取需要的服务信息。这样做的好处是，避免建设省/市一级数据中心的建设投入及各自为政、同步延时、难以打破共享壁垒的弊端，而将每个省/市/县级的图书馆通过扁平化的方式作为平等的节点置于数据共享网络中，建立合约，各个节点通过点对点（P2P）的接入方式实现资源共享交换，结构简单、实施方便，以部分去中心化的方式更好地实现数据信息资源的协同和共享，有利于节约各地的数据资源建设成本，以及终端读者用户更快捷地访问更丰富的数据内容，突出以用户为中心的服务模式。

（4）加強用户个人信息感知与保护。区块链技术的很多技术特征有利于实现更好的读者个人信息保护，例如：多重加密（非对称加密）技术，通过公钥和私钥进行签名和加密（解密），可以在传输和访问过程中保护信息，防止信息被篡改;区块链的链式结构数据包括两类数据，一种是当前（待共识）数据，另一种是历史（链式）数据，这样的特征保证数据可以溯源验证;区块链的分布式账本，每个节点拥有一份完整的数据记录，可以保证数据的公开透明、永久性保存和查询分析。

结合大数据、物联网、5G等技术的发展，区块链的应用场景也越来越丰富，在图书馆中读者的使用偏好、使用期望、使用习惯都可以通过现代化的技术进行捕捉，并通过区块链账本进行记录。图书馆可通过收集的用户场景化服务信息绘制用户画像，并根据用户期望提供智能化的解决方案，这样能够做到更加有的放矢，也体现了使用感知、资源服务、场景驱动、个人期望等多方面工作的打通和融合。再结合联盟链优秀的个人隐私信息管理和防篡改功能，以及节点之间的协同共享，一方面用户行为数据的安全性得到提升和保障，场景化服务更容易被接受，另一方面不同图书馆的服务藩篱也将进一步打破，服务标准更能够得到规范和统一，读者的行为感知数据及个人数据形成的独一无二的网上数字身份，可以被不同的图书馆共享，走到哪里都能享受到图书馆行业精准的服务内容。

（5）解决资源共享和版权保护矛盾。数字图书馆的概念已经得到广泛普及，很多图书馆通过自建或外购的方式建设了丰富的数据资源，并且与馆配资源厂商构成了共赢互利的生态产业链。随着数字时代的来临，数字资源产品可以随时随地下载和复制，著作权保护工作是数字图书馆建设的核心工作，也是馆配资源厂商的核心竞争力。相较于传统的著作权和版权保护手段，区块链的不可篡改特性和共识机制具备了解决电子版权保护问题的可行性。在图书馆的联盟链上，数字资源厂商或者原著者在“上链”时，即可在数据资源附加版权协议并加上时间戳，通过算法形成独一无二的版权认证ID（哈希值），这些信息在联盟链上均可溯源记录或进行比对，这样就完成了版权确认环节的工作。这样的版权注册方法根据其分布式管理方式具有难以篡改的特性，不受任何节点改变的影响。同样，如果某个图书馆在联盟链上需要某种资源，即可在链上与该馆配资源厂商通过智能合约完成点对点的版权交易，实现信息公开透明的同时也提升了流转效率。数据资源可以根据管理方式设置为读者只读模式或下载模式，读者的查阅、下载、备注等操作皆会在链上留下痕迹。每一项数据资源的阅览量、下载量、转载量可以在联盟链上相互印证，保证统计数据的客观真实、可信度和权威性。

（6）促进图书馆知识服务体系发展。当前图书馆正在从“信息服务”迈向“知识服务”，后者也将是图书馆行业未来的发展趋势之一。知识服务是一种开拓式的智力服务，是信息资源服务的升级和高层次阶段。图书馆的知识内容从信息开发、信息加工、信息汇总等这一系列的流程产生，其来源包括“知识馆员”的整理、第三方知识资源厂商的配送，以及“知识读者”的贡献，这个“知识众筹”的构建过程存在着链式管理的特征。通过图书馆联盟链的特性对知识构建的过程进行管理，一方面通过统一版权管理平台实行实名制，可以更准确地认定知识作者的身份、承认作品的独创性，通过哈希值和时间戳生成知识版权登记证书;另一方面，知识作者可以成为联盟链上的一个节点，授予自己作品在互联网传播过程中的开放和使用权限，对于侵权使用行为可以通过链式（历史）数据一查到底。图书馆用户通过联盟链技术管理自己的知识体系和学习心得，将原创的知识内容以“区块”的方式进行分享;图书馆的知识管理可以从经典知识向原创知识、从经典文学向大众原创文学的方向转型发展。图书馆的联盟链也将成为保护原创者的创作行为的授权管理平台，以及基于线下和线上共享文献信息的综合平台。

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