一种基于区块链的高可信大型仪器设备共享方法

张建华

（广西财经学院实验教学中心 广西壮族自治区南宁市 530007）

1 背景

大型仪器设备精密贵重，对教学、科研等有着重要作用。在事业单位国有资产管理中，明确要求设备的各种租借、转让必须履行严格的审批手续，统一核算和管理。这些情况对大型设备的开放共享提出了更高的挑战。同时，我国经济已迈入一个全新的阶段：建设现代化经济体系，构建新发展格局。而对仪器设备进行合理的配置、加大共享共用力度，充分发挥资产使用效能，是实现我国社会经济高质量发展的重要举措。

2 大型仪器设备管理现状

目前，大部分单位已经拥有成熟的仪器设备管理系统，可以很好地处理入账、划拨等业务。然而这些系统却无法解决设备在不同机构之间的共享问题。不同单位之间进行设备共享首先需要对设备进行统一认证和管理。同时，由于存在设备的监管、评估不到位等问题，使得设备流失、乱用、私用现象时有发生，在一定程度上影响了设备的开放共享力度。

在文献[1][2]中，设备在不同单位之间的共享是通过有偿支付、提前预约等方式实现，并未真正实现设备在不同单位之间的共享。而区块链具有多用户、防篡改等特性，已经在智能交通、医疗、银行证券等行业取得了不错的研究进展[3]。因此，本文将区块链技术应用到大型仪器设备的开放共享建设中，旨在加大设备的使用效能，减少资源消耗。

3 方法架构与设计

3.1 核心架构

本文针对实体设备数字化、认证和共享等关键过程，提出多机构参与的专有区块链网络——E2SBN（Exclusive Entity Sharing Block Network，实体共享区块链专有网络）。E2SBN是由多个机构用户（Organization User，OU）构成的联盟区块链。E2SBN采用高效率的PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错）作为共识算法。E2SBN所有节点完全对等，无特权节点。

E2SBN的基础是分布式账本（Ledger）。账目是所有设备相关的数据记录集合。Ledger存储记账数据，以数据区块形式组织。每个区块由一定数量记账记录组成，这些记录具备时序性。为了高效率进行数据查询，创建了数据库索引（DB Indices）。OU通过PBFT分布式P2P网络组织起来，机构用户是全节点，维护一份完整的Ledger并运行完整的PBFT网络客户端。E2SBN是开放的网络，网络节点允许动态变动。

PBFT网络承载了应用层的智能合约（Smart Contract）。智能合约允许对账本数据执行事务操作，支持丰富的应用开发。智能合约之上是DApp（Decentralized Application，去中心化应用），E2SBN包含设备租借（Lease）、设备捐赠（Donate）、设备查询（Query）等基础DApp。

实体设备进入到区块链，必须进行数字化描述。要对实体设备进行抽象定义，设备信息上链，并且由多个机构进行实地核实方可记账。本文3.4节对设备上链进行阐述。

3.2 共识算法

E2SBN是由指定范围许可的区块链网络组成一种非公开的联盟链，共识不需要通过奖励机制实现。设备共享是复杂的业务性系统，区块产出效率直接决定系统吞吐能力、响应速度，甚至是可用性。许可的区块链网络，参与的机构是有限、可控的，具备一定现实信任机制，因此共识算法不考虑节点完全不可信、不可控的场景。

综合安全性和效率，E2SBN选择PBFT作为共识算法。PBFT是一种分布式系统的一致性算法，允许少数节点（少于1/3总节点数）失效或者欺骗，而可以正常工作，保持一致性。PBFT集群的事务请求具备严格有序性；PBFT的整个通信复杂度是O(N2)，对于E2SBN网络是可以接受的效率。

3.3 节点加入

机构加入需要PBFT网络中节点做出投票决定。申请机构向任何在网络中的OU发出申请，并提供证明其身份的文件。接收加入申请的机构用户称为背书节点。背书节点对申请机构提交的信息进行核验，若同意其加入，则在E2SBN网络中发起针对申请的投票，对身份证明文件签名并附到申请表，存储到文档库中。各个OU在节点自动校验相关数据无误后，由人工对申请机构的信息进行最后复核，决定是否同意申请机构加入。所有OU做出决定后，结果汇总到背书节点上，只有100%同意的结果才允许申请机构加入。作出同意决定的OU对申请信息进行背书签名，并反馈给背书节点。背书节点最终生成一份符合申请机构的部署描述文件，最后使用申请机构公钥对上述信息加密后输出到文件。

申请机构拿到部署描述文件后，使用自身私钥对文件进行解密，得到所有的签名背书和机构信息。然后部署PBFT网络客户端，使用签名背书文件作为凭证加入到网络中；其他节点收到新节点加入请求后，对其背书文件进行校验。当所有节点确认背书文件合法后，允许新节点正式加入网络，并同步账本数据到本地。

Proc 1: NODE-JOIN IN: 申请文件: af; 身份证明列表: p;OUT: 受理结果: f0; 部署描述文件：df;BEGIN T ← (解析申请文件af); sp[]← (使用T.pub作为公钥对p依次进行签名校验); FOR (i, s) IN sp DO IF (s != T.sign[i]) THEN f0 ← 0; QUIT;ENDIF ENDFOR FOR (i, doc) IN p DO T.docs[i].uuid ← (计算doc的文件指纹) T.docs[i].sign ← (使用T.pub对T.docs[i].uuid内容签名) ENDFOR c ← BROADCAST T; FOR ASYNC DO IF NOT (校验T.docs[].uuid) AND (校验T.docs[].sign) THEN WRITE 0 → c;ENDIF rs ← (用户人工审核T基本信息)WRITE (rs, 背书签名) → c; END v[]← WAIT c; IF (v[].rs === 1) THEN df ← (构建部署描述文件，带上所有节点签名信息v[].sign);f0 ← 1; ENDIF END

3.4 实体数字化与认证

实体设备不能直接写入区块链，必须经过信息抽象和信息校验。抽象实体设备需要在以下方面进行：设备所有者、类型、编码、当前持有者、借出时间、到期时间，关联的文档列表（如照片、合格证书等证明文档抽象信息的资料）。考虑到可能的业务扩展，可以根据需求适当增加抽象信息。

PROC 2: ASSET-VERIFY IN: 设备信息: a 附件列表：flist OUT: 校验标识: f0; 设备ID：aid;BEGIN s0 ← (使用OU签名对文档信息签名) c ← BROADCAST a, s0; FOR ASYNC DO IF NOT (校验s0通过) THEN WRITE 0 → c;ENDIF rs ← (用户人工审核a, flist)WRITE (rs, 背书签名) → c; END r[]← FOR c ; IF (NUM(r[].rs = 1) > Tasset ) THEN EXEC init-asset WITH(a, r.endorsement[]) f0 ← 1; ELSE f0 ← 0;

ENDIF END

如过程2所示，发起设备校验的OU需要对设备信息进行签名，将设备信息和签名广播到其他OU，请求审核。每个节点收到设备初始化校验请求后，对其进行合法性校验，即校验请求的签名。通过人工审核方式，对设备信息、设备附件进行校验，若校验通过则反馈结果并提供背书签名。发起节点收到的同意数量达到阈值Tasset后，即可宣布设备校验通过。最后调用初始化设备的智能合约（init-asset），将设备信息存储到区块链上。

3.5 文档审计

在节点加入、设备上链等流程中，存在需要附件存证的需求。因此如何保证存证文件（文档Document）的真实性是重要问题。本文采用了链外存储方式存放文档。在智能合约执行时，获取文档的指纹，使用文档拥有者的公钥对文件指纹进行加密，保存到设备信息中。

PROC 3: DOC-SIGN-VERIFY IN: 文档GUID: docid OUT: 校验标识: f0; 影响设备：rlist;BEGIN d ← (通过docId到文档库查询文档); sf ← (读取d的文件并进行文件签名计算); sd ← (使用d的签名者公钥对sf进行签名校验); IF (sd = d.sign) THEN FOR blk IN (包含d的区块) DO VerifyDoc(d, true); LogDocVer(d, 时间戳); UpdateDoc (d);ENDFOR f0 ← 1; ELSE PushToBlackList(d) f0 ← 0; ENDIF END

如过程3所示，根据文档ID从文档库中查询文档信息，若文档已标记删除则不予处理。读取文档内容使用指纹算法输出文档指纹，再使用作者的公钥对签名进行校验。校验通过的文档，在区块链上记录本次校验过程，并更新文档库的校验次数。而校验失败的文档，则会加入到黑名单中。

4 总结

通过专有区块链联盟网络，构建一种高可信的共享方法。利用区块链网络的对等、安全加密、协同共识等特性，实现开放、高度自治、可扩展的资源共享联盟。通过对核心架构分析、实体设备数字化以及网络节点扩展等关键过程的深入研究，得出E2SBN是一种可应用的专有区块链网络架构。