基于区块链技术的本地化云计算大数据的应用探析

杨伟超 尹廷钧 赵海涛 孙嘉琦

（战略支援部队信息工程大学教研保障中心图书馆，河南 郑州 450001）

0 引言

这么多年来，社会突飞猛进发展的同时云计算已经走到了更高效、更快速、更方便、更高的性价比的方向，并且遍及人类社会的方方面面。对于网络安全和个人隐私的担忧也是人们所关注的，在对于将信息转送到云中储存，大部分人都持有保留态度，为此本地计算服务由于安全和信任问题而犹豫不决。本文对于区块链技术的发展将在下文进行阐述。

1 区块链技术

当提到区块链体系时，一般人无法区分区块链与比特币，因为两者有着相似的特点。然而细细分下来也有这不同的点可以区分，那么可知比特币是基于点对点支付的数字货币系统，而区块链则是实现该系统的最主要手段。狭义上，区块链是指一种数据结构，由按时间顺序相互连接的小块数据所组成，时间顺序如图1所示。而数据的可操作性和可靠性，则通过消息加密来完成。它往往是一个分散的共享账本。

图1 区块链接示例

区块链技术，是指去中心化基础架构是通过加密链块体系结构由不同节点所构成的分散式基础设施，以及通过系统与协议分布、P2P网的通信技术，与智能协议块技术所组合而成的。

实际上它是一个全新的数据结构。它和传统数据库或者开放数据库系统完全无关，而是存储并记录信息于整个网络中。一般来说，在十分钟内，就能够使用哈希技术得到区块头和主体。 该区块头能够使用时间戳来标识和连接下一个区块头，而这个区块头能够使用保存信息。当区块建立时，操作系统将自动生成信息的时间戳并为它打上标签。这是一个利用时间戳方法来进行数字文档信息安全管理的新协定。该协议是对当前TCP/IP协定的修改版。因为区块链是以时间顺序排列的数据记录，一旦建立后便无法更改。因此任何数据消息都将在整个网络上的所有节点上共享和保持。而如果所有节点的消息都发生了变化，则将以网络广播的形式将此消息传送给所有节点。有一个在零点之五以上的节点接收并记录了变更消息，在每个节点共同检查后，消息都将记录到整个区块链网络中。就这样，这也彻底改变了对传统数据库的定义。传统的数据库采用创建数据库来保存数据，而这样集中的数据保存方式也深受区块链存储的影响。而区块链技术则是因特网TCP/IP比特的改进版本，是未来空间技术网络设施中的一个全新的网络空间。

2 区块链和云计算技术结合的演变

区块链与云计算技术的融合也带来了一项新兴市场——区块链云计算业务，它能够直接向本地公司和组织传输大数据，并提供快捷、安全的云端金融服务。一方面，这种业务促进了区块技术在很多行业中的广泛应用；另一方面，云计算技术市场也产生了巨大变革。随着区块链科技的日益发展与变化，区块链背后的基础设施工程也在不断完善。不少企业已经为建立区块链基础设施打下了基础，并期望在高新科技领域起到领头作用。作为将远程区块链用于比特币的基础技术，它克服了传统集中交换中出现的一系列问题。通过分散的事务提高了事务的速度，并克服了事务之间互不信任的问题。这也是一种十分安全的技术体系，因为区块链实质上是通过P2P传递值的协议，开发一个具有共识机制和分布式网络的综合技术聚合区块迄今为止有三种类型的区块链。这三个分类的区块在分散范围上都各不相同，在参与者和消费者群体中也有不同的分类。各种形式的虚拟数字货币应该先针对货币应用场合选定一个类型作为底层技术，并基于在该类型底层技术上进行的研究。

计算云的演变也类似于区块链技术，并有三种类型的云计算。这三种计算云主要是分配分布式的计算方法，具有网络存储和计算功能，具有价格低、可靠性高的重要特点。远程公共链和公共云都具有资源共享的特点，私有链和私有云都是通知个人客户，强调信息私有化，而联盟链和混合云则是前两者的集成。虽然数据和信息是个人的，但这些个人数据和信息可以共享。

区块链为分布式账本，所以区块链需要IP通信协议和分布式网络等安全技术的支撑，在传输阶段也不需要由中心服务器节点管理。同时也由于引进了工作证明的概念，远程计算的分布式网络结构账本虽然受到了局限，但也因为远程计算引入了虚拟化技术，从而可以实现存储计算机与互联网之间的虚拟化，而由于区块链分布式存储要求的计算能力，也就正好可以获得满足远遥区块链的智能合约，所以通常也被看作是一个自动担保额账户。

3 区块链架构及关键技术

区块链的基础架构如图2所示。

图2 区块链技术构架

3.1 数据层

数据层通常用于保护包括了时间戳、Merkle树、非对称加密和散列等技术点的数据块结构，以保证对数据的可追溯性和干预的可能性。而数据块结构中一般有两个重要组成部分：块标题和块内容。块标题中记录了诸如版本号、输出块上的哈希值、时间戳、等，对任意Merkle数和根块都以Merkle树的形式存储了事务数据。而数据块也可以根据时间戳的顺序形成链结构。Merkle树也可以快速证实数据块的存在性和完整性。

3.2 网络层

组网方面，通过通信分发协议和数据验证机制形成了网络层，并形成了分散分布的双节点拓扑架构。所有两个节点之间都能够在不形成互信的情形下完成信息交换。交换消息宜采用无线电传送。为保证整个网络系统的顺利工作，并通过激励机制保证有相应的节点，共同参与和贡献计算能力。

通过P2P扁平式拓扑模式，网络中的每个节点承担相同的角色。它具有路由检测、事务信息验证、事务信息传输和新节点发现等主要功能。整个网络的正常运行不会受到某些节点损坏的影响，但也会增加维护所有节点的成本。

每个网络节点都将实时监测网络的广播信号。当发现用于传输给其他节点的数据之后，它们还将检查在交易中的签名、时间戳以及其他信息来标记，并通过证据加载区块，以检验交易内容和区块的有效性。一旦使用成功，它将保存并继续转发或传输。不过，有关数据的消息将被拒绝，而且也无法转发。

该节点通过广播将其生成的事务信息发送给周围节点，其他节点验证后则继续传播。如果信息未通过验证，将被拒绝，并将继续传播有关错误的信息。

3.3 共识层

分散网络中的决策权高度分散，因此，每个节点必须有效地实现数据效率，并有效地达成共识。通过使用几种方案解决了这个问题，如负载演示机制（PoW）、公平演示机制（PoS），用于演示许可证（DPoS）问题的机制和分配一致性的算法。

共识过程和经济刺激因素的结合显著提高了PoW机制中网络块的稳定性，但为了达到假冒或伪造区块的目的，还是有必要事先把该区块和所有后续区块都找到了随机数，这样就可以限制区块网中百分之五十一以上的计算能。这也就是攻击成本太高的主要原因。

为了处理计算资源损失和百分之五十一攻击等问题，组织在支持理论机制中采用了权益的证明（货币年龄和代币数量等），并以此作为在PoW中计算能力的证据。通过增加资源的数量，降低了资源获取的困难。在某种程度上，它又突破了完全分权的范畴。

DPoS制度类似于董事会投票。各个节点代表可以将其权利委派给下一个节点代表。节点代表将管理其他节点，而节点代表则将以记账的形式创建新的区块。最后因为参与数据验证的节点数量和由于会计权利竞争而产生的资源损耗逐渐减少,所以实现了第二级一致性检验。

在联盟链中，与完全分散的公共链不同，它更适合分布式一致性算法，不需要太多计算资源。块网络应选择一个主节点来生成新的块和节点传输信息。

3.4 激进层

在激励层面上，把经济因素集成在区块系统中，在共识节点间建立了服务机制。消费节点不但能够达到企业利润的最大化，而且还能够保障整个系统的整体有效运营。最常见的比特币发行机制分为每股付款、按股份付费，以及按比例付款。

3.5 合约层

协议层的实质是区块链的业务逻辑和算法。协议层的存在既可以实现管理区块数据的灵活工作方法，也可以实现对合同底层区块系统的编程。比特币平台也利用脚本层实现了协议管理功能，而大多数的新一代区块链数据平台也开始使用了智能协议。

用编程语言创建的智能协议理解了业务逻辑。协议将在整个区块链的所有节点发布。调用时，它将在虚拟机上工作，并且在启动后将无法强制中断。在总结了交易的业务逻辑和智能合约中的数据访问规则之后，外部附件将通过调用智能合约链接到区块状态，从而与区块间交换数据。

智能合约的优点主要包括：干预的人为风险降低、精确执行、信息有效更新以及分散的电力资源和低运作成本。智能合约为大数据层中的数据提供了更加灵活的编程机制，并在区块链中充当了机器代理的角色。

4 基于区块链技术的本地化云计算大数据应用理论

4.1 网络架构

云计算技术和与区块链技术在现实使用流程中也有一定的相似之处，利用这些差异可以充分集成于云计算技术和与区块链块技术，以实现更大规模基于云端的计算机应用程序，实现云端运算功能的良好性能和与区块技术。就网络结构来说，云计算技术和与区块链技术都是分布式网络，这将更利于网络的构建。

4.2 数据运算

在采用区块数据块技术时，其主要使用数据碎片和信息资源，通过使用密钥对碎片数据和信息资料进行加密，从而在网络的各个节点间分配加密信息和资料。在上述操作过程中，通过云计算技术进行适当的计算支持，块技术则进行信息分散管理。这两个技术的接近性能，进一步保证了移动过程中信息资源的正确性、效率、稳定性和安全性。

4.3 智能合约

账户与数据信息资源交互时，应通过智能合约的方式确保交易的安全。智能合约的有效使用可以充分提高信息资源之间交互的信任、稳定性和安全性。该条约在执行议定书时主要依靠封锁技术，并有效地将分散的数据和信息资源纳入议定书的执行过程。

5 结语

总之，云计算技术与区块链科技的融合保证了准确性、效率，企业财务数据与个人信息资料在云端转化流程的稳定性与安全，也提升了消费者对云计算中心的信任。在已有的基础设施条件下，通过提升计算速度，增强基础设施的计算能力,并优化对不同领域网络资源的分配，以确保更好地为消费者提供高质量快捷的资讯产品与信息服务。同时，二者的有机融合也进一步推动了区域间与跨专业的融合以及大数据与信息技术之间的交流资源。