戴琳琳，賈成強(qiáng)，苗 凡，楊海峰

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；2.中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司，南昌 330000）

區(qū)塊鏈（blockchain）已經(jīng)成為當(dāng)下炙手可熱的新興技術(shù)，是基于分布式存儲(chǔ)、共識(shí)機(jī)制、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的分布式系統(tǒng)是完全去中心化的節(jié)點(diǎn)自組織、自驗(yàn)證的可靠系統(tǒng)。運(yùn)用該技術(shù)衍生出大量應(yīng)用，例如比特幣（BitCoin）、Tezos 智能合約系統(tǒng)、Synereo 分布式社交網(wǎng)絡(luò)等。

目前，鐵路客票系統(tǒng)部分業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)急工作模式如圖1 所示，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱：國(guó)鐵集團(tuán)）級(jí)系統(tǒng)與鐵路局集團(tuán)公司級(jí)（簡(jiǎn)稱：鐵路局級(jí)）某單點(diǎn)服務(wù)器進(jìn)行定期數(shù)據(jù)同步，如果國(guó)鐵集團(tuán)級(jí)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以降級(jí)到鐵路局級(jí)的該臺(tái)服務(wù)器上進(jìn)行應(yīng)急期間數(shù)據(jù)查詢和業(yè)務(wù)操作，車站應(yīng)急也類似。即在鐵路局或車站應(yīng)急期間，分布式的客票系統(tǒng)會(huì)降級(jí)為集中式的單點(diǎn)模式。因此迫切需要剖析區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)，將其在客票系統(tǒng)中進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用。

圖1 客票系統(tǒng)現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)急模式示意圖

本文在目前業(yè)務(wù)模型框架下利用區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有集中式應(yīng)急系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)分布式的智能應(yīng)急模型，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急數(shù)據(jù)的智能同步。

1 分布式系統(tǒng)同步算法分析

分布式系統(tǒng)具有節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整和系統(tǒng)容錯(cuò)性強(qiáng)的特點(diǎn)，該系統(tǒng)的難點(diǎn)是數(shù)據(jù)同步，根據(jù)同步模式可分為始終一致（Always Consistent）和最終一致（Eventually Consistent）2 種，其中始終一致同步模式，是強(qiáng)同步模式，要求分布式系統(tǒng)的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在任何時(shí)刻都保持一致，代表算法有Paxos算法，代表應(yīng)用有ZooKeeper 等[1-2]；最終一致同步是松耦合同步，分布式系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)保持自己的數(shù)據(jù)，通過(guò)消息交互逐漸達(dá)成一致，代表算法有區(qū)塊鏈共識(shí)算法[3-5]、DHT 算法[6-8]等，代表應(yīng)用有比特幣和電驢等。

1.1 Paxos同步算法

Basic Paxos 算法中節(jié)點(diǎn)有提議者、接受者和觀察者3 種角色。由提議者提出一個(gè)同步準(zhǔn)備請(qǐng)求，過(guò)半的接受者同意后，提議者發(fā)出真正同步請(qǐng)求，過(guò)半的接受者接受后，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間同步。為了防止活鎖（2 個(gè)提議者輪流提議而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不成一致），提議者在發(fā)現(xiàn)有更高編號(hào)的提議時(shí)，該提議者靜默一段時(shí)間后再進(jìn)行下一輪提議。但每次數(shù)據(jù)同步都使用這一流程，效率比較低，因此在實(shí)際應(yīng)用中都采用有領(lǐng)導(dǎo)者模式的Multi-Paxos 算法，即各個(gè)提議者節(jié)點(diǎn)自主選擇出一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)同步的提議，大家追隨它進(jìn)行同步，如果該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，需要重新選擇領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。由于算法在多節(jié)點(diǎn)情況下同步效率較低，一般應(yīng)用中不會(huì)超過(guò)20 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2 區(qū)塊鏈共識(shí)算法

區(qū)塊鏈共識(shí)算法是區(qū)塊鏈技術(shù)中創(chuàng)造性的價(jià)值體現(xiàn)之一，比特幣是區(qū)塊鏈最成功的應(yīng)用實(shí)例，本文以比特幣實(shí)現(xiàn)作為區(qū)塊鏈機(jī)制的主要參考。截至2018 年5 月7 日，比特幣區(qū)塊鏈上有10 450 個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存著一份關(guān)于它對(duì)整個(gè)區(qū)塊鏈理解的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。通過(guò)不停地監(jiān)聽新塊產(chǎn)生的消息，驗(yàn)證新塊數(shù)據(jù)正確，自主維護(hù)區(qū)塊鏈。

由于新塊產(chǎn)生和廣播的速度不一致，比特幣區(qū)塊鏈每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)在某個(gè)時(shí)刻不都是一致的，在特定時(shí)刻還可能出現(xiàn)區(qū)塊鏈分支的情況，但是比特幣區(qū)塊鏈的共識(shí)算法，通過(guò)工作量證明的難度設(shè)計(jì)和全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間接投票決定（最長(zhǎng)區(qū)塊鏈策略）的方法，可以保證經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，全網(wǎng)大多數(shù)節(jié)點(diǎn)會(huì)達(dá)成一致，這種同步機(jī)制是完全自主實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)沒(méi)有限制。

2 智能應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)需求

本文設(shè)計(jì)的客票智能應(yīng)急系統(tǒng)，需要滿足以下需求：（1）充分利用現(xiàn)有客票系統(tǒng)已有服務(wù)器、終端設(shè)備的計(jì)算和存儲(chǔ)能力；（2）應(yīng)急存儲(chǔ)客票數(shù)據(jù)具有可追溯的邏輯鏈條；（3）應(yīng)急節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，數(shù)據(jù)智能分布，在應(yīng)急狀態(tài)下減少人工干預(yù)環(huán)節(jié)，允許部分（最新）數(shù)據(jù)不一致。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能應(yīng)急系統(tǒng)由應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈和應(yīng)急交易私鏈組成，如圖2 所示。在業(yè)務(wù)正常運(yùn)行時(shí)，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)同步業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈上，應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈?zhǔn)腔趨^(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，允許有一定的數(shù)據(jù)同步延時(shí)。而應(yīng)急交易私鏈則是一個(gè)典型的分布式交易集群。

業(yè)務(wù)系統(tǒng)在進(jìn)入應(yīng)急模式后，與應(yīng)急交易私鏈進(jìn)行應(yīng)急期間交易，例如，若國(guó)鐵集團(tuán)級(jí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)生故障，鐵路局級(jí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)就調(diào)用應(yīng)急交易私鏈繼續(xù)進(jìn)行國(guó)鐵集團(tuán)級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交易，應(yīng)急交易私鏈支持快速應(yīng)用交易，并且使用應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈存儲(chǔ)應(yīng)急交易數(shù)據(jù)。

應(yīng)急結(jié)束后，業(yè)務(wù)系統(tǒng)查詢應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈，尋找屬于自己的、最新的應(yīng)急數(shù)據(jù)，進(jìn)行應(yīng)急數(shù)據(jù)恢復(fù)，例如，國(guó)鐵集團(tuán)級(jí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)一直在監(jiān)聽?wèi)?yīng)急數(shù)據(jù)私鏈上關(guān)于本級(jí)系統(tǒng)的應(yīng)急數(shù)據(jù)是否有變化，然后提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，存儲(chǔ)于原系統(tǒng)中。

綜上，由應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈和應(yīng)急交易私鏈構(gòu)成了全網(wǎng)分布、適應(yīng)于各級(jí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)故障的智能應(yīng)急系統(tǒng)，與客票分布式系統(tǒng)相比有更大優(yōu)勢(shì)。智能應(yīng)急系統(tǒng)屏蔽了各級(jí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的區(qū)別，使用統(tǒng)一的分布式數(shù)據(jù)鏈存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一的交易鏈處理交易，具有更強(qiáng)的通用性。

圖2 智能應(yīng)急系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3 應(yīng)急交易私鏈拓?fù)?/h3>

為了快速處理交易，應(yīng)急交易私鏈?zhǔn)且粋€(gè)分組、分節(jié)點(diǎn)的傳統(tǒng)分布式交易系統(tǒng)，每個(gè)組各節(jié)點(diǎn)一起承擔(dān)處理應(yīng)急業(yè)務(wù)交易工作，同一個(gè)交易業(yè)務(wù)ID（根據(jù)業(yè)務(wù)要求來(lái)定義，可以是鐵路局碼+ 車站碼+ 售票處號(hào)+ 終端號(hào)，也可以是用戶證件號(hào)+ 日期+ 車次）的交易是由同一組節(jié)點(diǎn)處理的，并且由每個(gè)組的領(lǐng)導(dǎo)者發(fā)布交易數(shù)據(jù)。

如圖3 所示，在全路建立9 ～11 組的交易節(jié)點(diǎn)組（不同顏色虛線圈代表不同組），每個(gè)交易組內(nèi)有5 ～9 個(gè)交易節(jié)點(diǎn)，每個(gè)交易組選出領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將組內(nèi)交易數(shù)據(jù)發(fā)布到應(yīng)急數(shù)據(jù)鏈，全路領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)間同步應(yīng)急交易分組規(guī)則。同一個(gè)業(yè)務(wù)操作產(chǎn)生的多條交易數(shù)據(jù)可以按照交易順序統(tǒng)一由領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)提交到應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈中，從而保障交易的原子性。

圖3 應(yīng)急交易私鏈拓?fù)鋱D

2.4 應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈拓?fù)?/h3>

應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈采用區(qū)塊鏈技術(shù)，充分利用現(xiàn)有客票各個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，并且考慮到各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)條件，其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可根據(jù)能力和角色選擇是否保持全量數(shù)據(jù)。

如圖4 所示，國(guó)鐵集團(tuán)級(jí)和鐵路局級(jí)參與應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈的節(jié)點(diǎn)大多數(shù)是服務(wù)器，存儲(chǔ)能力相對(duì)較強(qiáng)，可以將節(jié)點(diǎn)角色定位成全功能節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)全量數(shù)據(jù)；車站參與應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈的節(jié)點(diǎn)一般能力有限，可將節(jié)點(diǎn)角色定位為部分功能節(jié)點(diǎn)或瘦客戶端節(jié)點(diǎn)。全功能節(jié)點(diǎn)間通過(guò)區(qū)塊鏈協(xié)議和數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步和保存；部分功能節(jié)點(diǎn)和全功能節(jié)點(diǎn)組成局部網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行全區(qū)塊鏈全數(shù)據(jù)的分片存儲(chǔ)[9]；終端用瘦客戶端節(jié)點(diǎn)接入系統(tǒng)，只查詢數(shù)據(jù)，不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4 應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D

2.5 應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈同步機(jī)制

比特幣區(qū)塊鏈通過(guò)工作量證明來(lái)限定新塊的產(chǎn)生速度。工作量證明的實(shí)質(zhì)是對(duì)新塊塊頭執(zhí)行哈希算法，通過(guò)調(diào)整新塊塊頭里的一些可變字段，來(lái)改變哈希值，直到得到的哈希值小于難度目標(biāo)值。為了控制新塊產(chǎn)生時(shí)間在10 min 左右，難度目標(biāo)值設(shè)定前幾十個(gè)（70 左右）比特位都是0。

由于應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈在客票專網(wǎng)運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)條件有保證，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模較小，可以適當(dāng)縮短新塊產(chǎn)生時(shí)間，因此該私鏈工作量證明的難度設(shè)置可以把前面比特位為0 的個(gè)數(shù)調(diào)小，設(shè)置為22 位左右，那么新塊產(chǎn)生時(shí)間只需要13 s 左右，這個(gè)時(shí)間對(duì)于在專網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播和應(yīng)急數(shù)據(jù)更新延時(shí)來(lái)說(shuō)，都是可以接受的。

2.6 應(yīng)急數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.6.1 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分析

比特幣區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)了一個(gè)鏈條式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，如表1、表2 所示，區(qū)塊鏈上的每個(gè)區(qū)塊單向相連，存放父塊的塊ID（塊ID 是塊頭的哈希值），形成一個(gè)賬簿形式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。子節(jié)點(diǎn)保持父節(jié)點(diǎn)的哈希值，也是一種對(duì)父節(jié)點(diǎn)的校驗(yàn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在區(qū)塊鏈上增加新塊時(shí)，都會(huì)對(duì)新塊進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)。

表1 比特幣區(qū)塊鏈塊定義列表

表2 比特幣區(qū)塊鏈塊頭定義列表

在比特幣區(qū)塊鏈中，每個(gè)塊內(nèi)包含多個(gè)交易，交易是公開的，只是交易擁有者是匿名的，每個(gè)交易有若干個(gè)輸入和輸出定義，如表3、表4 所示，交易輸入代表交易的來(lái)源點(diǎn)，交易輸出代表交易的消費(fèi)點(diǎn)，輸入里包含交易哈希值，可通過(guò)一個(gè)交易追溯到該交易的全流程。

表3 交易輸入定義列表

表4 交易輸出定義列表

2.6.2 應(yīng)急數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在客票智能應(yīng)急系統(tǒng)的應(yīng)急數(shù)據(jù)私鏈設(shè)計(jì)中，參照2.6.1 中比特幣區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈中每個(gè)區(qū)塊存放著若干客票業(yè)務(wù)操作數(shù)據(jù)，有些數(shù)據(jù)的來(lái)源點(diǎn)可以是空的，表明這個(gè)是一張新票存根數(shù)據(jù)；已有票的更改或其他延伸服務(wù)數(shù)據(jù)變化的輸入點(diǎn)是原有票，輸出點(diǎn)是客票變更業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。應(yīng)急數(shù)據(jù)不考慮匿名消費(fèi)機(jī)制。

區(qū)塊鏈可以接收由正常業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的單條交易數(shù)據(jù)，也可以接收由應(yīng)急交易私鏈產(chǎn)生的塊交易數(shù)據(jù)，并且在交易中標(biāo)識(shí)出應(yīng)急標(biāo)識(shí)，為應(yīng)急結(jié)束后的應(yīng)急數(shù)據(jù)恢復(fù)提供支撐。

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)大小估算。每個(gè)客票交易數(shù)據(jù)大概200 B，每個(gè)區(qū)塊存儲(chǔ)1 000 條交易數(shù)據(jù)，大小在2 KB左右，以每天400 萬(wàn)條客票業(yè)務(wù)操作來(lái)計(jì)算，每天累計(jì)私鏈數(shù)據(jù)8 GB 左右。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了分布式系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，包括Paxos 同步算法、區(qū)塊鏈共識(shí)算法、比特幣區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)組織等。通過(guò)分析算法和機(jī)制得出，區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)適用的交易系統(tǒng)具有分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)冗余性強(qiáng)，可容忍交易確認(rèn)延時(shí)，數(shù)據(jù)透明可追溯及安全強(qiáng)校驗(yàn)等特點(diǎn)[10]，客票應(yīng)急系統(tǒng)滿足這些特點(diǎn)，因此本文設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)的雙鏈智能應(yīng)急系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有客票應(yīng)急系統(tǒng)提供了相應(yīng)的技術(shù)改造方案，該方案發(fā)揮了區(qū)塊鏈技術(shù)完全去中心化、節(jié)點(diǎn)自組織和自驗(yàn)證的優(yōu)勢(shì)，將新興技術(shù)在客票系統(tǒng)應(yīng)用上做出大膽嘗試。