邢 濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京 100041）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，云計(jì)算作為一種新興的計(jì)算模式已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)云計(jì)算，用戶可以隨時(shí)隨地訪問(wèn)存儲(chǔ)在遠(yuǎn)程服務(wù)器上的數(shù)據(jù)和資源，不需要擔(dān)心本地存儲(chǔ)和維護(hù)的成本與復(fù)雜性。然而，云計(jì)算也面臨一些挑戰(zhàn)，如安全性和可信度問(wèn)題，這些問(wèn)題往往由云平臺(tái)的中心化架構(gòu)導(dǎo)致。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式賬本技術(shù)，可以使交易記錄具有不可篡改性和安全性，并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的合約執(zhí)行。這使得區(qū)塊鏈技術(shù)成為數(shù)字貨幣和金融交易領(lǐng)域的核心技術(shù)。但是，區(qū)塊鏈技術(shù)也存在性能問(wèn)題、可擴(kuò)展性問(wèn)題以及隱私保護(hù)問(wèn)題等[1-5]。

結(jié)合這2個(gè)領(lǐng)域，將區(qū)塊鏈技術(shù)與云計(jì)算相結(jié)合，可以解決云計(jì)算領(lǐng)域的中心化問(wèn)題，同時(shí)克服區(qū)塊鏈技術(shù)的性能和可擴(kuò)展性問(wèn)題。因此，研究基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺(tái)架構(gòu)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

云平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用分布式架構(gòu)和虛擬化技術(shù)，以支持大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高可用、高性能以及高可擴(kuò)展性。在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，還需要考慮到去中心化和智能合約等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)更加安全和智能的服務(wù)。

1.1 云平臺(tái)架構(gòu)分層

一個(gè)典型的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)包括以下組件，如圖1 所示。

圖1 云平臺(tái)架構(gòu)層次

（1）區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)層。云平臺(tái)由一組節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)維護(hù)區(qū)塊鏈的狀態(tài)和交易記錄，并通過(guò)共識(shí)算法來(lái)確保交易的一致性和可信度。

（2）備份與恢復(fù)層。備份與恢復(fù)層負(fù)責(zé)存儲(chǔ)所有的交易數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，以支持?jǐn)?shù)據(jù)的高效訪問(wèn)和處理。備份與恢復(fù)層可以采用分布式存儲(chǔ)技術(shù)，如星際文件系統(tǒng)（InterPlanetary File System，IPFS）和BigchainDB 等。

（3）智能合約層。智能合約層負(fù)責(zé)執(zhí)行智能合約，并通過(guò)編寫智能合約來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的合約執(zhí)行和業(yè)務(wù)邏輯。智能合約層可以采用以太坊（Ethereum）和Hyperledger 等區(qū)塊鏈平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（4）認(rèn)證和授權(quán)層。認(rèn)證和授權(quán)層負(fù)責(zé)身份驗(yàn)證和權(quán)限管理。通過(guò)采用數(shù)字身份認(rèn)證和基于角色的訪問(wèn)控制等技術(shù)保護(hù)用戶的數(shù)據(jù)隱私與安全。

（5）API 層。應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）層負(fù)責(zé)向外提供平臺(tái)的服務(wù)接口，可以采用RESTful API 和GraphQL 等標(biāo)準(zhǔn)化接口支持平臺(tái)的互操作性及可擴(kuò)展性。

（6）用戶界面層。用戶界面層負(fù)責(zé)向用戶展示平臺(tái)的功能和服務(wù)，并提供用戶交互的界面，可以采用Web 應(yīng)用程序和移動(dòng)應(yīng)用程序等形式實(shí)現(xiàn)。

1.2 云平臺(tái)架構(gòu)子系統(tǒng)

在云平臺(tái)架構(gòu)中除了按照邏輯層次劃分外，還可以將云平臺(tái)劃分為以下子系統(tǒng)。

（1）用戶管理子系統(tǒng)：用戶管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理用戶的身份認(rèn)證、授權(quán)和權(quán)限管理等，通過(guò)實(shí)現(xiàn)用戶界面層和認(rèn)證和授權(quán)層來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）計(jì)算資源管理子系統(tǒng)。計(jì)算資源管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理云平臺(tái)的計(jì)算資源，如虛擬機(jī)、容器和應(yīng)用程序等。通過(guò)實(shí)現(xiàn)虛擬化技術(shù)和計(jì)算資源調(diào)度算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）存儲(chǔ)資源管理子系統(tǒng)。存儲(chǔ)資源管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理云平臺(tái)的存儲(chǔ)資源，如數(shù)據(jù)庫(kù)、對(duì)象存儲(chǔ)和分布式文件系統(tǒng)等。通過(guò)實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)技術(shù)和數(shù)據(jù)備份及恢復(fù)策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（4）網(wǎng)絡(luò)資源管理子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)資源管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)資源，如虛擬網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。通過(guò)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（5）安全管理子系統(tǒng)。安全管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護(hù)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)隱私和安全，如網(wǎng)絡(luò)安全、身份認(rèn)證以及訪問(wèn)控制等。通過(guò)實(shí)現(xiàn)加密技術(shù)、安全審計(jì)和漏洞管理等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 區(qū)塊鏈的集成設(shè)計(jì)

2.1 區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的管理

區(qū)塊鏈的核心是由許多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)副本，用于記錄區(qū)塊鏈的交易和狀態(tài)。因此節(jié)點(diǎn)的搭建、配置、部署以及管理對(duì)于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。

節(jié)點(diǎn)數(shù)量和位置是區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)管理的重要考慮因素。節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)該足夠多，以確保網(wǎng)絡(luò)的去中心化和可靠性。節(jié)點(diǎn)應(yīng)該分布在不同的地理位置，這樣可以減少單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，并提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和容錯(cuò)性。

節(jié)點(diǎn)的搭建和配置是區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)管理的關(guān)鍵步驟。節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在可靠的硬件設(shè)備上運(yùn)行，并安裝必要的軟件和配置。節(jié)點(diǎn)應(yīng)該有足夠的存儲(chǔ)空間、帶寬和處理能力，以支持區(qū)塊鏈的交易與狀態(tài)更新。

節(jié)點(diǎn)的部署包括將節(jié)點(diǎn)連接到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能夠與其他節(jié)點(diǎn)通信，并同步區(qū)塊鏈的交易和狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)的部署應(yīng)該是自動(dòng)化的，以確保節(jié)點(diǎn)的一致性和可靠性。

節(jié)點(diǎn)的管理和監(jiān)控是區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)管理的重要組成部分。節(jié)點(diǎn)應(yīng)該定期進(jìn)行維護(hù)和更新，以確保其性能和安全性。節(jié)點(diǎn)還應(yīng)該進(jìn)行監(jiān)控，以便及時(shí)檢測(cè)和處理故障與安全問(wèn)題。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的管理和監(jiān)控應(yīng)該是集中化的，以便對(duì)整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和監(jiān)控。

節(jié)點(diǎn)的安全是區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)管理的重要方面。節(jié)點(diǎn)應(yīng)該有足夠的安全措施，以保護(hù)其免受惡意攻擊和數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。節(jié)點(diǎn)應(yīng)使用加密技術(shù)和防火墻等措施，以確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。節(jié)點(diǎn)的搭建、配置、部署和管理應(yīng)該是完全自動(dòng)化，并具有足夠的安全性和穩(wěn)定性，以支持區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和發(fā)展。

2.2 區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

由于區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的技術(shù)，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式與傳統(tǒng)的云平臺(tái)有很大不同。以下區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一些考慮因素如下。

（1）區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是分布式的，意味著每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)了整個(gè)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)副本。在云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮如何在不同的節(jié)點(diǎn)之間共享數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。

（2）由于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是去中心化的，需要采取一些安全措施以確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。包括使用加密技術(shù)和數(shù)字簽名來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)免受惡意攻擊與篡改的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是可追溯和透明的，因?yàn)槊總€(gè)交易都被記錄在區(qū)塊鏈上，并且可以通過(guò)區(qū)塊鏈瀏覽器查看。提供一些工具和接口，以便用戶方便訪問(wèn)和查詢數(shù)據(jù)。

為了解決基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺(tái)架構(gòu)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題，使用IPFS 和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合的方案。IPFS 是一種去中心化的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)和訪問(wèn)。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)則是一種將數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可以提高數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。具體來(lái)說(shuō)，將數(shù)據(jù)分為小文件和大文件2 種類型。對(duì)于小文件，采用IPFS 進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。每個(gè)小文件被分割成一個(gè)或多個(gè)塊，然后存儲(chǔ)在IPFS網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)塊都由唯一的哈希標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)。對(duì)于大文件，則使用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)將文件分成多個(gè)片段進(jìn)行存儲(chǔ)，并在需要時(shí)進(jìn)行組裝。這樣可以在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本和提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率。

2.3 區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)傳輸

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式往往采用中心化的服務(wù)器進(jìn)行傳輸，存在單點(diǎn)故障和數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。P2P 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種去中心化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以直接與其他節(jié)點(diǎn)通信，不需要經(jīng)過(guò)中心化的服務(wù)器。在這種結(jié)構(gòu)下，節(jié)點(diǎn)之間可以互相傳遞數(shù)據(jù)，相互之間沒(méi)有主從關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)具有高效、安全以及可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決中心化傳輸結(jié)構(gòu)的單點(diǎn)故障和數(shù)據(jù)泄露問(wèn)題。

同時(shí)，采用基于區(qū)塊鏈的消息傳遞協(xié)議可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以保存一份完整的數(shù)據(jù)副本，節(jié)點(diǎn)之間可以通過(guò)共識(shí)算法保證數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。在這種協(xié)議下，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，確保數(shù)據(jù)的完整性和正確性。同時(shí)，由于區(qū)塊鏈具有不可篡改的特性，可以防止數(shù)據(jù)被篡改或者偽造。

區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)傳輸也是可追溯和透明的，因?yàn)槊總€(gè)交易都被記錄在區(qū)塊鏈上，并且可以通過(guò)區(qū)塊鏈瀏覽器查看。需要提供一些工具和接口，以便用戶可以訪問(wèn)和查詢數(shù)據(jù)傳輸記錄。數(shù)據(jù)傳輸是分布式的，需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院腿蒎e(cuò)性，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤，并確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。同時(shí)需要考慮如何提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蛶捓寐省０ㄊ褂靡恍﹥?yōu)化算法和技術(shù)，如數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)緩存，最大程度減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和帶寬占用率。

2.4 區(qū)塊鏈的智能合約

智能合約是一段存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上的自動(dòng)化程序，能夠自動(dòng)執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的規(guī)則。在智能合約中，所有的交易都是通過(guò)代碼自動(dòng)執(zhí)行，不存在人為干預(yù)的可能，從而保證了交易的公正和透明。

智能合約的部署是指將智能合約上傳到區(qū)塊鏈上并使其在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。在部署智能合約之前，需要先編寫合約代碼進(jìn)行測(cè)試。一般來(lái)說(shuō)，智能合約的部署需要支付一定的交易費(fèi)用，這是因?yàn)樾枰囊欢ǖ挠?jì)算資源和存儲(chǔ)空間。

Solidity 是一種高級(jí)編程語(yǔ)言，專門用于編寫智能合約，有更多的安全特性和針對(duì)區(qū)塊鏈的功能。使用Solidity 編寫智能合約可以使代碼更加規(guī)范化和可維護(hù)。除了Solidity 之外，還有其他的編程語(yǔ)言也可以用于編寫智能合約，如JavaScript 和Go。不同的編程語(yǔ)言具有不同的特點(diǎn)和優(yōu)劣勢(shì)，開發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際需求選擇適合的編程語(yǔ)言。無(wú)論使用哪種編程語(yǔ)言，開發(fā)者都需要仔細(xì)測(cè)試智能合約代碼，以確保其正確性和安全性。

在智能合約的部署過(guò)程中，需要選擇一個(gè)適合的區(qū)塊鏈平臺(tái)作為部署目標(biāo)。目前，市面上存在許多不同的區(qū)塊鏈平臺(tái)，如以太坊、EOS、Hyperledger 等。不同的區(qū)塊鏈平臺(tái)具有不同的性能、功能和安全特性，開發(fā)者需要根據(jù)自己的需求和實(shí)際情況選擇合適的平臺(tái)。

3 結(jié) 論

文章基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，對(duì)整體架構(gòu)給出了分層結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)劃分，提出了一種基于IPFS 和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合的方案來(lái)解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題，以及一種基于網(wǎng)絡(luò)對(duì)等（Peer to Peer，P2P）結(jié)構(gòu)和基于區(qū)塊鏈的消息傳遞協(xié)議來(lái)解決數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。同時(shí)，本研究還分析了智能合約的開發(fā)和部署過(guò)程，介紹了使用高級(jí)編程語(yǔ)言進(jìn)行智能合約開發(fā)和部署的方法。

未來(lái)通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化算法和協(xié)議，提高區(qū)塊鏈技術(shù)的性能和安全性，探索更多的應(yīng)用場(chǎng)景，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)更高的價(jià)值。