文莉莉，鄔 滿

(廣西壯族自治區(qū)海洋研究院，廣西 南寧530022)

0 引言

黨的十八大提出建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，確立了海洋事業(yè)在國(guó)家戰(zhàn)略中的地位。黨的十八屆五中全會(huì)提出創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的發(fā)展理念，為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展指明了方向。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《全國(guó)海洋主體功能區(qū)規(guī)劃》和國(guó)家海洋局印發(fā)的《海洋生態(tài)文明建設(shè)實(shí)施方案》（2015-2020年），為優(yōu)化海洋經(jīng)濟(jì)空間布局提供了指導(dǎo)和引領(lǐng)。國(guó)家發(fā)展改革委、外交部、商務(wù)部聯(lián)合發(fā)布的《推動(dòng)共建絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶和21世紀(jì)海上絲綢之路的愿景與行動(dòng)》，將廣西定位為21世紀(jì)海上絲綢之路與絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶有機(jī)銜接的重要門(mén)戶。海洋作為廣西戰(zhàn)略資源的重要基地，加強(qiáng)對(duì)海洋資源的調(diào)查監(jiān)管，提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，對(duì)于廣西區(qū)實(shí)施海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、建設(shè)海洋強(qiáng)區(qū)，具有十分重要的意義。

2016年，國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要明確將“全球海洋立體觀測(cè)網(wǎng)”列為重大工程，要求加強(qiáng)海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸能力建設(shè)。海洋立體觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)主要是以完善的海洋信息采集與傳輸體系為基礎(chǔ)，以構(gòu)建自主安全可控的海洋云環(huán)境為支撐，將海洋權(quán)益、管控、開(kāi)發(fā)三大領(lǐng)域的裝備和活動(dòng)進(jìn)行體系性整合，運(yùn)用工業(yè)大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海洋資源共享、海洋活動(dòng)協(xié)同，挖掘新需求，創(chuàng)造新價(jià)值，達(dá)到智慧經(jīng)略海洋的目的。

區(qū)塊鏈作為大數(shù)據(jù)、人工智能之后的一項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新，具有分布式存儲(chǔ)、去中心化服務(wù)及安全可靠的優(yōu)勢(shì)，為互聯(lián)網(wǎng)+的應(yīng)用發(fā)展提供了一個(gè)全新的技術(shù)模型[1]。海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是海量、動(dòng)態(tài)、時(shí)空關(guān)聯(lián)，加強(qiáng)對(duì)海洋大數(shù)據(jù)的挖掘分析和應(yīng)用是海洋信息化發(fā)展的重要目標(biāo)，而這項(xiàng)工作的前提是保障數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，避免大量的垃圾數(shù)據(jù)混雜其中，也要避免人為的篡改數(shù)據(jù)，影響數(shù)據(jù)的整體價(jià)值。因此，研究區(qū)塊鏈技術(shù)原理，建立以區(qū)塊鏈技術(shù)為核心的海洋數(shù)據(jù)采集與共享系統(tǒng)，從源頭上保障數(shù)據(jù)的質(zhì)量和安全性，對(duì)發(fā)掘和發(fā)揮海洋數(shù)據(jù)的價(jià)值具有非常重要的意義。

因此，本文以理清海洋空間利用格局、提升海洋空間利用率、推進(jìn)海洋可持續(xù)能力發(fā)展為原則，利用區(qū)塊鏈加密與共享機(jī)制，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套分布式采集、加密傳輸、安全可靠的海洋數(shù)據(jù)采集與共享系統(tǒng)[2]，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、維護(hù)、發(fā)布，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握海洋信息狀況，完成海洋多源數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集、高度集成，實(shí)現(xiàn)海洋信息資源共享和協(xié)同服務(wù)，為政府決策、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)服務(wù)提供及時(shí)、科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 總體架構(gòu)圖

1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的海洋數(shù)據(jù)采集與共享系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

海洋數(shù)據(jù)采集與共享系統(tǒng)主要是作為外業(yè)調(diào)查及海域監(jiān)視監(jiān)測(cè)使用，可以在野外進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸與共享，信息可以在多個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行交互?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的海洋數(shù)據(jù)采集與共享系統(tǒng)，利用去中心化的分布式共享賬本來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、共享過(guò)程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制[3]。系統(tǒng)傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)用非對(duì)稱加密算法按時(shí)間進(jìn)行加密處理并存入數(shù)據(jù)塊，然后按時(shí)間順序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)塊組織成區(qū)塊鏈，使數(shù)據(jù)不可篡改，保證了數(shù)據(jù)的可靠性和安全性[4]。因此，基于區(qū)塊鏈的海洋數(shù)據(jù)采集與共享系統(tǒng)為外業(yè)調(diào)查工作提供統(tǒng)一的安全可靠的共享數(shù)據(jù)賬本，保證了采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和不可篡改性[5]。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

(1)數(shù)據(jù)資源層：用來(lái)存儲(chǔ)與管理系統(tǒng)涉及的所有數(shù)據(jù)資源，包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等。

(2)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層：區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的核心，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每臺(tái)服務(wù)器保存著數(shù)據(jù)采集全過(guò)程的數(shù)據(jù)。主要包括基礎(chǔ)環(huán)境與核心組件兩部分。基礎(chǔ)環(huán)境包括存儲(chǔ)、計(jì)算資源等，核心組件包括共識(shí)機(jī)制、加密算法、智能合約等。

(3)服務(wù)層：通過(guò)區(qū)塊鏈 SDK接口，提供系統(tǒng)基本的數(shù)據(jù)操作服務(wù)，如地圖操作、幾何分析、空間查詢等。

(4)業(yè)務(wù)邏輯層：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的幾大業(yè)務(wù)邏輯模塊，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析等。數(shù)據(jù)采集模塊采集外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)信息和調(diào)查人身份信息并通過(guò)傳輸模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊接收和存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)并發(fā)送至區(qū)塊鏈共享模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

(5)應(yīng)用層：是對(duì)業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)資源層的具體應(yīng)用，提供了RESTful接口和區(qū)塊鏈管理平臺(tái)兩種方式，將海洋數(shù)據(jù)采集與共享系統(tǒng)的請(qǐng)求和用戶操作轉(zhuǎn)化為具體流程進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)的配置管理、智能合約管理等。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

區(qū)塊鏈本身是一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)塊按時(shí)間先后順序排列，區(qū)塊鏈技術(shù)是以加密的方式來(lái)保證這種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不可篡改、不可偽造，實(shí)現(xiàn)一種安全可靠的分布式公開(kāi)賬本的技術(shù)[6]。數(shù)據(jù)信息一旦上了鏈，則數(shù)據(jù)的每筆交易都將被多數(shù)節(jié)點(diǎn)審核，且不能篡改或刪除，這些節(jié)點(diǎn)記錄了某段時(shí)間內(nèi)審核過(guò)的所有交易信息[7]。隨著數(shù)據(jù)塊的不斷增加，節(jié)點(diǎn)之前形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鏈上的任何節(jié)點(diǎn)都可以查詢到交易的信息[8]。因此，區(qū)塊鏈的存儲(chǔ)與交互方式，不同于傳統(tǒng)的中心服務(wù)器的服務(wù)方式。傳統(tǒng)的中心服務(wù)器服務(wù)方式，一旦服務(wù)器崩潰或被攻擊，則整個(gè)服務(wù)系統(tǒng)全部癱瘓；而區(qū)塊鏈的去中心化服務(wù)方式[9]，各節(jié)點(diǎn)之間形成互相交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ)，且存在多個(gè)備份，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的不可篡改、不可刪除，保證了數(shù)據(jù)的一致性和安全性，還增強(qiáng)了服務(wù)的穩(wěn)定性，某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障將不影響整個(gè)區(qū)塊鏈的運(yùn)作，系統(tǒng)整體故障率低，保障了整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，而且還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可溯源。傳統(tǒng)中心化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與區(qū)塊鏈去中心化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)中心化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與區(qū)塊鏈去中心化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前，區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了三代的發(fā)展歷程[10]。第一代區(qū)塊鏈技術(shù)是指以比特幣為代表的“可編程的貨幣”，主要是針對(duì)數(shù)字化支付問(wèn)題[11]。發(fā)展到第二代區(qū)塊鏈的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)了與智能合約的相結(jié)合，如以太坊[12]，但也僅僅是應(yīng)用在金融領(lǐng)域。如今，隨著各行各業(yè)對(duì)去中心化的需求，區(qū)塊鏈發(fā)展到第三代，已經(jīng)應(yīng)用到金融以外的領(lǐng)域，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研、智慧城市、智慧醫(yī)療等，實(shí)現(xiàn)了各行各業(yè)資產(chǎn)信息在區(qū)塊鏈上的追蹤、溯源、控制與交易，形成了新的數(shù)字經(jīng)濟(jì)。區(qū)塊鏈3.0是智能化物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，超出了金融領(lǐng)域，為各種行業(yè)提供去中心化解決方案，具有更強(qiáng)的適用性。區(qū)塊鏈3.0的架構(gòu)目前沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的定義，但基本可以歸納如圖3所示：主要由分布式資源(計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源)、核心節(jié)點(diǎn)(鏈上程序、區(qū)塊鏈管理、可插拔共識(shí)模塊)、區(qū)塊鏈應(yīng)用程序、網(wǎng)關(guān)控制(注冊(cè)、認(rèn)證、授權(quán)、監(jiān)控、審計(jì))和應(yīng)用工具(桌面客戶端、移動(dòng)客戶端、瀏覽器客戶端、API)幾大部分組成。

2.2 基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與共享模型

本文基于區(qū)塊鏈3.0架構(gòu)，利用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)的提交與數(shù)據(jù)訪問(wèn)，建立一個(gè)去中心化的數(shù)據(jù)采集與共享模型。數(shù)據(jù)提供者可以通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)布采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)使用者可以通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)已發(fā)布的數(shù)據(jù)資源，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)保障數(shù)據(jù)的可信、平等與透明交互，同時(shí)防止虛假數(shù)據(jù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，也防止用戶非法篡改數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。該模型也是一個(gè)基于大數(shù)據(jù)框架的區(qū)塊鏈應(yīng)用模型，為海洋信息數(shù)據(jù)的共享、交換提供了安全可靠的途徑。模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 區(qū)塊鏈3.0架構(gòu)圖

圖4 基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與共享模型

在上述模型中，數(shù)據(jù)提供者負(fù)責(zé)維護(hù)各自的數(shù)據(jù)源，并且將數(shù)據(jù)的詳細(xì)描述與共享相關(guān)協(xié)議寫(xiě)入分布式文件系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)概要與數(shù)據(jù)類(lèi)型信息寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)使用者在請(qǐng)求數(shù)據(jù)的時(shí)候，就可以根據(jù)關(guān)鍵字匹配到數(shù)據(jù)描述信息，并通過(guò)公鑰密鑰機(jī)制獲取數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式，從而實(shí)現(xiàn)在區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)訪問(wèn)流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)訪問(wèn)流程

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的海洋數(shù)據(jù)采集與共享系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的海洋數(shù)據(jù)采集與共享系統(tǒng)，主要以區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)海域管理中外業(yè)調(diào)查時(shí)的數(shù)據(jù)采集、上傳、查詢以及數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)分為認(rèn)證訪問(wèn)、綜合展示、功能區(qū)劃、區(qū)域規(guī)劃、疑點(diǎn)疑區(qū)、海域權(quán)屬、海島管理、現(xiàn)場(chǎng)采集、系統(tǒng)設(shè)置等功能模塊。認(rèn)證訪問(wèn)模塊負(fù)責(zé)從三個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)的安全管理：系統(tǒng)登錄、統(tǒng)一認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密；綜合展示模塊提供圖層展示、地圖定位、地圖量算的功能；功能區(qū)劃、區(qū)域規(guī)劃、疑點(diǎn)疑區(qū)、海域權(quán)屬、海島管理等模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)查詢，包括條件查詢(功能區(qū)類(lèi)型)、模糊查詢(功能區(qū)劃名稱)，查詢結(jié)果列表中，可定位到基礎(chǔ)底圖的所查功能區(qū)劃數(shù)據(jù)信息相應(yīng)位置，可查看功能區(qū)劃的詳細(xì)信息內(nèi)容；現(xiàn)場(chǎng)采集提供對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，提供采集數(shù)據(jù)新增、編輯、刪除、查詢等功能；系統(tǒng)設(shè)置主要提供服務(wù)地址設(shè)置、數(shù)據(jù)更新、采集上傳的功能。系統(tǒng)功能模塊如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)功能模塊

現(xiàn)場(chǎng)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的管理，提供新增、編輯、刪除采集數(shù)據(jù)信息等功能；提供查詢采集數(shù)據(jù)信息的功能，可通過(guò)采集數(shù)據(jù)類(lèi)型、采集時(shí)間、采集名稱查詢。采集數(shù)據(jù)包括采集基本信息、采集坐標(biāo)、采集附件。采集坐標(biāo)的獲取方式分為三種：用戶在地圖上直接繪制監(jiān)測(cè)范圍；基于移動(dòng)終端自帶的GPS定位功能進(jìn)行實(shí)時(shí)定位；手動(dòng)以度分秒或小數(shù)點(diǎn)形式輸入點(diǎn)位經(jīng)緯度信息。采集附件的類(lèi)型包括照片、錄音、視頻等。

區(qū)塊鏈有公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈三種形態(tài)。公有鏈開(kāi)放程度最高，任何訪問(wèn)者可以自由進(jìn)出，鏈上所有數(shù)據(jù)公開(kāi)透明、所有成員權(quán)限平等，以比特幣、以太坊為代表應(yīng)用；但公有鏈的交易速度慢，且不利于敏感數(shù)據(jù)的保護(hù)。私有鏈一般是個(gè)體或公司內(nèi)部使用，不對(duì)外公開(kāi)，只有授權(quán)的少量節(jié)點(diǎn)能參與，因此交易速度快、隱私性好、安全性高；但是權(quán)限被少數(shù)節(jié)點(diǎn)控制，容易作弊，且數(shù)據(jù)失去了共享的能力。聯(lián)盟鏈一般由若干機(jī)構(gòu)或組織共同發(fā)起，它的開(kāi)放性、安全性與交易速度介于公有鏈與私有鏈之間，既能滿足聯(lián)盟范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)共享，又能保證較快的交易速度和數(shù)據(jù)的安全性，其代表應(yīng)用場(chǎng)景為銀行聯(lián)盟、政府機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)共享聯(lián)盟。為了既保障海洋數(shù)據(jù)的安全性，又能滿足采集的數(shù)據(jù)在相關(guān)政府機(jī)構(gòu)之間實(shí)現(xiàn)共享，本系統(tǒng)采用聯(lián)盟區(qū)塊鏈模式。聯(lián)盟單位主要包括：省市縣三級(jí)海洋局、大數(shù)據(jù)局、自然資源廳(局)、生態(tài)環(huán)境廳(局)、科研院所，如圖7所示。

圖7 海洋數(shù)據(jù)聯(lián)盟鏈

4 結(jié)論

本文針對(duì)海洋外業(yè)數(shù)據(jù)采集與共享需求，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)并分析了區(qū)塊鏈3.0架構(gòu)，建立了基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與共享模型，用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)采集及共享過(guò)程進(jìn)行完整、可靠的記錄，由全網(wǎng)共識(shí)機(jī)制保證數(shù)據(jù)可追溯、不可篡改，實(shí)現(xiàn)海洋多源數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集、安全共享和協(xié)同服務(wù)，為政府決策、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)服務(wù)提供及時(shí)、科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。