陳仲武，凌 捷

廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州 510006

當(dāng)前數(shù)據(jù)已成為現(xiàn)代全球經(jīng)濟(jì)新的生命線(xiàn)，通過(guò)適當(dāng)利用來(lái)自于公共或私人的開(kāi)放數(shù)據(jù)，可為現(xiàn)有的商業(yè)市場(chǎng)探索新的發(fā)展方向，從而催生一種新穎的、以數(shù)據(jù)為中心的創(chuàng)新商業(yè)模式，即數(shù)據(jù)交易。

然而，在不完全信任的參與者之間進(jìn)行在線(xiàn)數(shù)據(jù)交易時(shí)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的開(kāi)放性和匿名性會(huì)給數(shù)據(jù)交易中意圖作惡的利益相關(guān)方帶來(lái)可乘之機(jī)，公平性成為一個(gè)新的挑戰(zhàn)。如果其中兩個(gè)利益相關(guān)方串通作惡，他們自身利益不受到損害且獲利，這更加刺激他們繼續(xù)作惡的動(dòng)機(jī)。因此，在數(shù)據(jù)交易的參與者之間建立一個(gè)信任和安全的交易環(huán)境被視為刺激在線(xiàn)數(shù)據(jù)交易的主要關(guān)注點(diǎn)[1]。同時(shí)，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)特別是智能合約的發(fā)展，可用于為數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)交易創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)公平協(xié)議。此外，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)作為一種P2P 網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)交易更加便捷且無(wú)需尋找一個(gè)可信的數(shù)據(jù)市場(chǎng)平臺(tái)。

價(jià)格則是數(shù)據(jù)交易的另一關(guān)鍵要素[2]。在數(shù)據(jù)交易過(guò)程中，若買(mǎi)賣(mài)雙方都沒(méi)有足夠的信息確定交易的數(shù)據(jù)的效益，數(shù)據(jù)交易定價(jià)機(jī)制將是解決這一問(wèn)題的有效途徑。為了滿(mǎn)足數(shù)據(jù)買(mǎi)賣(mài)雙方的實(shí)際利益，并考慮數(shù)據(jù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)價(jià)值不確定的情況下，可采用動(dòng)態(tài)定價(jià)來(lái)確定數(shù)據(jù)的價(jià)格[3]。

因此，構(gòu)建一種基于以太坊智能合約的動(dòng)態(tài)定價(jià)數(shù)據(jù)交易機(jī)制，為數(shù)據(jù)交易參與者創(chuàng)造一個(gè)去中心化、分布式、可信安全和透明的數(shù)據(jù)交易環(huán)境，以便參與者能夠?qū)灰捉Y(jié)果達(dá)成一致。智能合約被用作在線(xiàn)數(shù)據(jù)交易平臺(tái)，區(qū)塊鏈作為一個(gè)去中心化的具有分布式和可驗(yàn)證性的開(kāi)放分類(lèi)賬本，通過(guò)在區(qū)塊鏈上部署智能合約以自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)交易協(xié)議。此外，協(xié)議中的懲罰機(jī)制用于懲罰數(shù)據(jù)交易過(guò)程中的惡意行為。本文從以下幾個(gè)方面提出解決方案：

（1）構(gòu)建一種基于以太坊智能合約和動(dòng)態(tài)定價(jià)的數(shù)據(jù)交易模式，在利益相關(guān)者缺乏信任的情況下安全透明地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交易的公平性和真實(shí)性。

（2）通過(guò)考慮數(shù)據(jù)賣(mài)家的出售意愿和數(shù)據(jù)買(mǎi)家的購(gòu)買(mǎi)意愿，提出一個(gè)基于總供給和總需求的改進(jìn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)定價(jià)模型，設(shè)計(jì)出自動(dòng)平衡的動(dòng)態(tài)定價(jià)策略，并驗(yàn)證動(dòng)態(tài)定價(jià)數(shù)據(jù)交易機(jī)制的有效性。

（3）在智能合約中構(gòu)建“出售數(shù)據(jù)”“創(chuàng)建交易”和“糾紛解決”等數(shù)據(jù)交易算法。通過(guò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交易出售和購(gòu)買(mǎi)請(qǐng)求、待售數(shù)據(jù)爭(zhēng)議解決、自動(dòng)退賠等功能完善了數(shù)據(jù)交易流程。

（4）在智能合約的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了多種算法以實(shí)現(xiàn)以太加密貨幣的自動(dòng)化交付。同時(shí)鼓勵(lì)參與者誠(chéng)實(shí)行事，將通過(guò)數(shù)據(jù)交易糾紛機(jī)制解決交易過(guò)程中的糾紛，并懲罰數(shù)據(jù)交易過(guò)程中的惡意行為。

1 相關(guān)工作

區(qū)塊鏈的去中心化[4]、可信賴(lài)性、開(kāi)源性及集體性維護(hù)等特點(diǎn)自比特幣誕生便引起國(guó)內(nèi)外大量研究學(xué)者的關(guān)注。雖然它與比特幣一起誕生，但它的匿名性[5]、防篡改性、可審計(jì)性和可驗(yàn)證性等特點(diǎn)使其能夠獨(dú)立存在并應(yīng)用于加密貨幣以外領(lǐng)域，如供應(yīng)鏈、金融交易、物聯(lián)網(wǎng)[6-8]、云存儲(chǔ)及人工智能[9]等。

近年來(lái)，區(qū)塊鏈技術(shù)與智能合約[10]技術(shù)的結(jié)合，為各領(lǐng)域提供了解決方案。Schwartzbach等人[11]通過(guò)分析一種擴(kuò)展形式的博弈并提出一種智能合約，允許互不信任的雙方在區(qū)塊鏈上交易任何非數(shù)字商品或服務(wù)。Wang等人[12]提出了一種基于區(qū)塊鏈的分布式數(shù)據(jù)完整性審計(jì)方案，旨在解決惡意第三方的信任問(wèn)題。Xiong等人[13]利用以太坊和智能合約，提出一種數(shù)據(jù)資源保護(hù)解決方案，建立數(shù)據(jù)交易和爭(zhēng)議解決模型。Xiang 等人[14]通過(guò)使用基于水印的智能合約策略，提出一種基于智能合約和數(shù)字水印的多類(lèi)型去中心化數(shù)據(jù)交易方案來(lái)促進(jìn)數(shù)據(jù)共享區(qū)塊鏈中的版權(quán)保護(hù)。Li 等人[15]基于智能合約和遺忘傳輸協(xié)議，提出了一個(gè)公平的大數(shù)據(jù)交換方案，允許買(mǎi)賣(mài)雙方在不涉及任何第三方中間人的情況下完成交易。

最近數(shù)據(jù)市場(chǎng)和數(shù)據(jù)交易問(wèn)題促使研究人員在滿(mǎn)足數(shù)據(jù)買(mǎi)家的同時(shí)最大化數(shù)據(jù)代理人的收入和利潤(rùn)。Zhao等人[16]提出了一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的、帶有區(qū)塊鏈的隱私保護(hù)數(shù)據(jù)交易市場(chǎng)，以防止單點(diǎn)失效。Yu等人[17]基于行為經(jīng)濟(jì)學(xué)中的前景理論，通過(guò)考慮數(shù)據(jù)需求和需求不確定性，提出了一個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)交易模型，以移動(dòng)用戶(hù)之間的移動(dòng)數(shù)據(jù)數(shù)量進(jìn)行交易。Bajoudah 等人[18]設(shè)想了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流市場(chǎng)，允許任何一對(duì)數(shù)據(jù)提供商和消費(fèi)者在沒(méi)有任何事先相互信任的情況下交換數(shù)據(jù)。Guan 等人在文獻(xiàn)[19]中提出了兩種安全、公平、高效的數(shù)據(jù)交換方案，以解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)交易方案中交易過(guò)程復(fù)雜、交易成本高以及可能存在的不公平交換等問(wèn)題。

在個(gè)人數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)中，人們對(duì)個(gè)人數(shù)據(jù)類(lèi)型有不同的隱私擔(dān)憂(yōu)，因此個(gè)人數(shù)據(jù)市場(chǎng)應(yīng)考慮隱私意識(shí)[20-21]。同時(shí)，關(guān)于個(gè)人數(shù)據(jù)定價(jià)或隱私定價(jià)模型也進(jìn)行了相關(guān)研究。Malgieri 和Custers[22]研究發(fā)現(xiàn)，個(gè)人數(shù)據(jù)的貨幣價(jià)值可以通過(guò)各種個(gè)人數(shù)據(jù)定價(jià)因素來(lái)量化。Shen 等人[23]提出了一種基于線(xiàn)性函數(shù)的個(gè)人數(shù)據(jù)定價(jià)方案，文獻(xiàn)中考慮了信息熵、數(shù)據(jù)提供者信用和數(shù)據(jù)參考指標(biāo)。Xu等人[24]提出了一種在隱私保護(hù)的個(gè)人數(shù)據(jù)環(huán)境下使用多臂強(qiáng)盜方法的動(dòng)態(tài)個(gè)人數(shù)據(jù)定價(jià)方案。Wang等人[25]通過(guò)考慮數(shù)據(jù)銷(xiāo)售商的定價(jià)點(diǎn)和查詢(xún)結(jié)果的準(zhǔn)確性，提出了一種基于查詢(xún)的數(shù)據(jù)定價(jià)方案，建立了數(shù)據(jù)消費(fèi)者近似聚合查詢(xún)的數(shù)據(jù)定價(jià)模型。

2 數(shù)據(jù)交易模式

這部分將介紹基于以太坊智能合約的數(shù)據(jù)交易模式的整體架構(gòu)和數(shù)據(jù)交易流程的算法實(shí)現(xiàn)。

2.1 模式框架概述

本文提出的區(qū)塊鏈解決方案主要關(guān)注于交易市場(chǎng)中數(shù)據(jù)供求關(guān)系和數(shù)據(jù)買(mǎi)賣(mài)雙方之間的交易數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，并解決數(shù)據(jù)交易參與者之間的糾紛。在數(shù)據(jù)交易過(guò)程中，每個(gè)實(shí)體的職責(zé)如下：

（1）數(shù)據(jù)賣(mài)家（DS）：擁有數(shù)據(jù)資源并愿意以商業(yè)交易的形式出售數(shù)據(jù)的實(shí)體。

（2）數(shù)據(jù)買(mǎi)家（DP）：對(duì)數(shù)據(jù)資源具有一定的購(gòu)買(mǎi)需求并愿意通過(guò)商業(yè)交易的形式購(gòu)買(mǎi)數(shù)據(jù)的實(shí)體。

（3）數(shù)據(jù)交易平臺(tái)（DTP）：數(shù)據(jù)交易智能合約的創(chuàng)建者和所有者，獲取交易市場(chǎng)的供求關(guān)系，并負(fù)責(zé)向區(qū)塊鏈中的所有節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)交易信息和通知。在本文中，假設(shè)是一個(gè)完全可信的實(shí)體，只提供數(shù)據(jù)交易的平臺(tái)，在任何情況下都不會(huì)違反公平正義的原則。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方（DSP）：為數(shù)據(jù)賣(mài)家提供如File-Coin[26]、Swarm[27]或IPFS[28]等去中心文件系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)交易中的數(shù)據(jù)資源。一旦數(shù)據(jù)交易確認(rèn)后，為數(shù)據(jù)買(mǎi)家提供下載所購(gòu)數(shù)據(jù)資源的服務(wù)。

（5）仲裁機(jī)構(gòu)（ARB）：仲裁機(jī)構(gòu)有能力判別智能合約中預(yù)置代碼是否符合所有參與實(shí)體之間達(dá)成的數(shù)據(jù)交易的條款和條件，即驗(yàn)證智能合約的條款和條件是否符合所有參與實(shí)體的利益。本文假設(shè)仲裁機(jī)構(gòu)無(wú)條件服從公平公正的原則。同時(shí)，仲裁機(jī)構(gòu)還具有解決數(shù)據(jù)買(mǎi)家和數(shù)據(jù)賣(mài)家之間關(guān)于交易數(shù)據(jù)定價(jià)公平性等爭(zhēng)議的功能。

數(shù)據(jù)交易過(guò)程總結(jié)如下：

首先，數(shù)據(jù)交易平臺(tái)為數(shù)據(jù)交易創(chuàng)建智能合約，所有數(shù)據(jù)交易的參與實(shí)體同意合約的條款及條件，方可使用其以太坊地址進(jìn)行注冊(cè)。數(shù)據(jù)賣(mài)家向全網(wǎng)廣播自身代售的數(shù)據(jù)資源，而數(shù)據(jù)買(mǎi)家則監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)并通過(guò)whiper[29]與數(shù)據(jù)賣(mài)家就數(shù)據(jù)資源信息進(jìn)行鏈下溝通。數(shù)據(jù)買(mǎi)家通過(guò)智能合約驗(yàn)證對(duì)應(yīng)的以太坊地址的所有者是否擁有自身所需的數(shù)據(jù)資源，驗(yàn)證確認(rèn)后，數(shù)據(jù)買(mǎi)家可向智能合約發(fā)送數(shù)據(jù)購(gòu)買(mǎi)請(qǐng)求，并支付最高數(shù)據(jù)價(jià)格和相對(duì)應(yīng)的交易保證金。相對(duì)應(yīng)地，數(shù)據(jù)賣(mài)家響應(yīng)購(gòu)買(mǎi)請(qǐng)求后，向智能合約支付一定的交易保證金。智能合約隨后將自動(dòng)生成一個(gè)具有唯一性和時(shí)效性的下載令牌并發(fā)送給數(shù)據(jù)買(mǎi)家。數(shù)據(jù)買(mǎi)家通過(guò)在有效的時(shí)間內(nèi)下載令牌并從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方處下載對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)資源，觸發(fā)數(shù)據(jù)資源下載成功事件以結(jié)束數(shù)據(jù)交易流程并根據(jù)當(dāng)前交易周期的供需關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)定價(jià)進(jìn)行交易費(fèi)用結(jié)算。如果數(shù)據(jù)賣(mài)家或買(mǎi)家認(rèn)為交易存在在爭(zhēng)議，可向智能合約提出仲裁請(qǐng)求并等待仲裁機(jī)構(gòu)的介入，仲裁結(jié)果將判定交易是否成功及仲裁的責(zé)任認(rèn)定。數(shù)據(jù)交易模式框架如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)交易算法設(shè)計(jì)

2.2.1 出售數(shù)據(jù)資源和創(chuàng)建交易

數(shù)據(jù)賣(mài)家向智能合約交付一定的交易押金后廣播數(shù)據(jù)出售的詳細(xì)信息。數(shù)據(jù)買(mǎi)家利用智能合約驗(yàn)證對(duì)應(yīng)以太坊地址所有者是否擁有自身所需的數(shù)據(jù)資源，并通過(guò)挑戰(zhàn)響應(yīng)機(jī)制驗(yàn)證數(shù)據(jù)買(mǎi)家是否為以太坊地址的真實(shí)所有者。出售數(shù)據(jù)資源的偽代碼如下：

驗(yàn)證確認(rèn)后，數(shù)據(jù)買(mǎi)家向智能合約發(fā)送數(shù)據(jù)購(gòu)買(mǎi)請(qǐng)求并支付數(shù)據(jù)的最大交易費(fèi)用（即數(shù)據(jù)交易的最高價(jià)格）。隨后智能合約根據(jù)當(dāng)前的交易周期及交易的供求關(guān)系確定本次交易價(jià)格。創(chuàng)建數(shù)據(jù)資源交易的偽代碼如下：

2.2.2 成功交易的結(jié)算和支付

一旦數(shù)據(jù)買(mǎi)家通過(guò)令牌從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方處下載數(shù)據(jù)資源后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方將觸發(fā)智能合約中的函數(shù)提交確認(rèn)下載事件。只有當(dāng)數(shù)據(jù)買(mǎi)家也通過(guò)調(diào)用智能合約的函數(shù)提交確認(rèn)下載事件后，并在有效的時(shí)間內(nèi)對(duì)交易和數(shù)據(jù)資源沒(méi)有提出爭(zhēng)議，智能合約將交易視為一次成功交易，進(jìn)行成功交易結(jié)算并確認(rèn)交易信息。成功交易結(jié)算的偽代碼如下：

2.2.3 爭(zhēng)議交易的結(jié)算和支付

（1）數(shù)據(jù)下載爭(zhēng)議：如果數(shù)據(jù)買(mǎi)家在有效時(shí)間內(nèi)的確認(rèn)結(jié)果是數(shù)據(jù)下載失敗，即認(rèn)為數(shù)據(jù)無(wú)法下載成功，那么仲裁機(jī)構(gòu)將介入到交易的流程中。仲裁機(jī)構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)的下載情況決定仲裁結(jié)果。如果仲裁機(jī)構(gòu)同樣無(wú)法下載數(shù)據(jù)資源，則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)下載失敗，視為交易不成功。智能合約將會(huì)向數(shù)據(jù)賣(mài)家退還交易押金，并向數(shù)據(jù)買(mǎi)家退還全部交易費(fèi)用和交易押金。反之則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)下載成功，視為交易成功且數(shù)據(jù)買(mǎi)家存在欺騙行為。智能合約將會(huì)沒(méi)收數(shù)據(jù)買(mǎi)家的交易押金作為欺騙懲罰，并將其獎(jiǎng)勵(lì)給其余的交易參與者。數(shù)據(jù)下載爭(zhēng)議的偽代碼如下：

（2）數(shù)據(jù)可用性爭(zhēng)議：如果數(shù)據(jù)買(mǎi)家在有效時(shí)間內(nèi)的確認(rèn)結(jié)果是數(shù)據(jù)不可用，即認(rèn)為數(shù)據(jù)可用性不符合其描述，那么仲裁機(jī)構(gòu)將介入到交易的流程中。仲裁機(jī)構(gòu)通過(guò)在鏈下驗(yàn)證數(shù)據(jù)資源是否與描述一致決定仲裁結(jié)果。如果驗(yàn)證結(jié)果為數(shù)據(jù)與描述不一致，則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)不可用，視為交易不成功且數(shù)據(jù)賣(mài)家存在欺詐行為。智能合約將會(huì)沒(méi)收數(shù)據(jù)賣(mài)家的交易押金作為欺騙懲罰，并將其獎(jiǎng)勵(lì)給其他的交易參與者。數(shù)據(jù)買(mǎi)家還將被退還所有交易費(fèi)用和交易押金。反之則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)可用，視為交易成功且數(shù)據(jù)買(mǎi)家存在欺詐行為。數(shù)據(jù)可用性爭(zhēng)議的偽代碼如下：

（3）數(shù)據(jù)定價(jià)異常爭(zhēng)議：如果數(shù)據(jù)買(mǎi)家在有效時(shí)間內(nèi)的確認(rèn)結(jié)果是定價(jià)異常，即認(rèn)為數(shù)據(jù)的定價(jià)不合理，那么仲裁機(jī)構(gòu)將介入到交易的流程中。仲裁機(jī)構(gòu)獲取數(shù)據(jù)買(mǎi)家的交易價(jià)格及交易時(shí)段內(nèi)的動(dòng)態(tài)定價(jià)并驗(yàn)證兩者是否一致。如果驗(yàn)證的結(jié)果為定價(jià)不一致，則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)定價(jià)異常，視為交易不成功且數(shù)據(jù)交易中心存在欺詐行為。智能合約將會(huì)向數(shù)據(jù)賣(mài)家退還交易押金，并向數(shù)據(jù)買(mǎi)家退還全部交易費(fèi)用和交易押金。同時(shí)，數(shù)據(jù)交易者的押金被沒(méi)收并獎(jiǎng)勵(lì)給其他數(shù)據(jù)參與者。反之則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)定價(jià)正常，視為交易成功且數(shù)據(jù)買(mǎi)家存在欺詐行為。數(shù)據(jù)定價(jià)異常爭(zhēng)議的偽代碼如下：

3 基于總供給和總需求的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)定價(jià)模型

提出的動(dòng)態(tài)定價(jià)模型的主要目標(biāo)是在數(shù)據(jù)交易的市場(chǎng)中平衡數(shù)據(jù)賣(mài)家和購(gòu)買(mǎi)者之間數(shù)據(jù)的供求關(guān)系。同時(shí)，動(dòng)態(tài)定價(jià)策略在每一輪交易中使用動(dòng)態(tài)交易價(jià)格，其價(jià)格只取決于每個(gè)交易期開(kāi)始時(shí)數(shù)據(jù)市場(chǎng)中的總供給和總需求[30]。

3.1 模型定義

定義1（數(shù)據(jù)總供給）設(shè)Si(t)(t≥0,Si(t)≥0 )為DSi(DSi∈DS)在第t輪交易期開(kāi)始時(shí)數(shù)據(jù)的出售量，nS為數(shù)據(jù)交易市場(chǎng)的數(shù)據(jù)賣(mài)家的總?cè)藬?shù)。數(shù)據(jù)總供給定義為在第t輪交易期開(kāi)始時(shí)交易市場(chǎng)中數(shù)據(jù)賣(mài)家的出售數(shù)據(jù)的總和：

定義4（數(shù)據(jù)總供求之差）設(shè)D(t)為數(shù)據(jù)交易市場(chǎng)在第t輪交易期開(kāi)始時(shí)的總需求與總供給之間的差值，可以表示為：

3.2 動(dòng)態(tài)定價(jià)策略

假設(shè)p(t)是數(shù)據(jù)交易市場(chǎng)在第t輪交易期的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定價(jià)，由第t輪交易期的總需求與總供給之間的比率R(t)和差值D(t)定義：

式（5）中pbalance指代R(t)=1 時(shí)的價(jià)格，而pvol則指代價(jià)格在R(t)=1時(shí)的增幅，價(jià)格區(qū)間為(pbalance-pvol,pbalance+pvol)。圖2 中將式（5）的定價(jià)模型與Chekired 等人[30]的定價(jià)模型進(jìn)行比較。圖2可以看出，當(dāng)R(t)=1 時(shí)，提出的定價(jià)模型處于平衡狀態(tài)，p(t)維持在150，并且價(jià)格p(t)在R(t)處于最小值和最大值附近處呈現(xiàn)飽和。反觀Chekired等人[30]模型，當(dāng)R(t)小于100時(shí)，隨著需求進(jìn)一步增加，價(jià)格也幾乎不變，即使R(t)大于101時(shí)，價(jià)格也會(huì)繼續(xù)上漲，呈現(xiàn)出不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。

圖3 顯示了不同k值對(duì)定價(jià)模型的價(jià)格曲線(xiàn)的變化情況?？梢钥闯鰞r(jià)格曲線(xiàn)關(guān)于R(t)對(duì)稱(chēng)變化，而且隨著k值的增大，價(jià)格曲線(xiàn)在接近R(t)=1 時(shí)，處于平衡穩(wěn)定的區(qū)間更長(zhǎng)。

本文假設(shè)隨著數(shù)據(jù)交易價(jià)格的增加，數(shù)據(jù)賣(mài)家更愿意出售數(shù)據(jù)資源；而數(shù)據(jù)消費(fèi)者更愿意在較低數(shù)據(jù)交易價(jià)格增加數(shù)據(jù)購(gòu)買(mǎi)需求。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)一個(gè)隨機(jī)變量X，DSi不會(huì)以低于X的價(jià)格出售自己的數(shù)據(jù)類(lèi)型資源。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 智能合約實(shí)施

本節(jié)將在Remix IDE 構(gòu)建以太坊的私有鏈以測(cè)試和驗(yàn)證所提出的智能合約，測(cè)試的編譯器版本是0.6.0+commit，測(cè)試環(huán)境是JavaScript VM。根據(jù)數(shù)據(jù)交易參與的實(shí)體數(shù)量使用了五個(gè)以太坊地址，每個(gè)地址都有100 ether作為初始余額：

數(shù)據(jù)賣(mài)家（DS）地址：

4.1.1 出售數(shù)據(jù)資源和創(chuàng)建交易

數(shù)據(jù)賣(mài)家在調(diào)用sellData（）函數(shù)前通過(guò)修飾符向智能合約支付保證金，只有保證金大于預(yù)置的金額才能進(jìn)行數(shù)據(jù)資源的出售。數(shù)據(jù)賣(mài)家以數(shù)據(jù)類(lèi)型和數(shù)據(jù)描述為輸入為數(shù)據(jù)資源的出售信息進(jìn)行創(chuàng)建，并觸發(fā)數(shù)據(jù)待出售和請(qǐng)求定價(jià)事件。數(shù)據(jù)買(mǎi)家監(jiān)聽(tīng)到特定的數(shù)據(jù)資源出售信息調(diào)用newTrade（）函數(shù)請(qǐng)求購(gòu)買(mǎi)并向合約支付交易費(fèi)用和保證金后，此時(shí)新的交易被創(chuàng)建，且交易的狀態(tài)顯示數(shù)據(jù)買(mǎi)家的交易保證金已經(jīng)支付。交易創(chuàng)建后智能合約內(nèi)部函數(shù)自動(dòng)生成下載數(shù)據(jù)所需的令牌。圖4（a）顯示數(shù)據(jù)資源出售，圖4（b）顯示新的交易創(chuàng)建。

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4.1.2 交易定價(jià)

合約所有者獲取請(qǐng)求定價(jià)事件后，調(diào)用confirm-Price（）函數(shù)為新的交易時(shí)間根據(jù)供需關(guān)系設(shè)定價(jià)格，此時(shí)交易的狀態(tài)變更為價(jià)格確定，且觸發(fā)價(jià)格確定事件。圖5顯示了交易定價(jià)事件的發(fā)生，表明交易的價(jià)格被最終確定。

4.1.3 成功交易的結(jié)算和支付

當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方觸發(fā)了數(shù)據(jù)已被購(gòu)買(mǎi)者下載的確認(rèn)事件，同時(shí)數(shù)據(jù)買(mǎi)家針對(duì)下載的數(shù)據(jù)沒(méi)有爭(zhēng)議，調(diào)用DPCofirmResult（）函數(shù)觸發(fā)確認(rèn)交易事件時(shí)，這意味著交易成功，交易費(fèi)用將自動(dòng)結(jié)算。圖6顯示了結(jié)算和支付事件的發(fā)生，表明結(jié)算和支付已經(jīng)完成。

4.1.4 數(shù)據(jù)定價(jià)異常爭(zhēng)議的結(jié)算和支付

如果數(shù)據(jù)買(mǎi)家調(diào)用DPCofirmResult（）函數(shù)確認(rèn)數(shù)據(jù)定價(jià)不合理，仲裁機(jī)構(gòu)將介入爭(zhēng)議。如果仲裁機(jī)構(gòu)驗(yàn)證交易時(shí)期的供需關(guān)系，調(diào)用princingDisputeResolution（）函數(shù)判定仲裁結(jié)果為真，退款將自動(dòng)完成。

圖7 顯示了仲裁結(jié)果為真時(shí)進(jìn)行交易結(jié)算和支付前后的各參與方賬戶(hù)金額情況。

如果仲裁結(jié)果為假，則自動(dòng)完成付款結(jié)算，并懲罰數(shù)據(jù)買(mǎi)家的惡意行為，沒(méi)收數(shù)據(jù)買(mǎi)家所支付的保證金和交易費(fèi)，而將支付給仲裁機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)賣(mài)家。圖8顯示了仲裁結(jié)果為假時(shí)觸發(fā)自動(dòng)退款和懲罰事件。

4.2 動(dòng)態(tài)定價(jià)實(shí)施

在本節(jié)中將模擬動(dòng)態(tài)定價(jià)的實(shí)施過(guò)程，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Intel Core i5-9400 CPU@2.90 GHz，8 GB RAM 配置的64 位計(jì)算機(jī)。使用4 個(gè)參數(shù)定義數(shù)據(jù)賣(mài)家和數(shù)據(jù)買(mǎi)家，如表1所示，分別是DSi的MaxSupply、MinSupply，以及DPj的MaxDemand、MinDemand。

表1 參數(shù)定義Table 1 Parameter definition

上節(jié)假設(shè)DSi在t交易期內(nèi)的出售意愿函數(shù)Φ值和DPj在t交易期內(nèi)購(gòu)買(mǎi)意愿函數(shù)Ψ值依賴(lài)于(t-1)交易期價(jià)格，即p( )t-1 ，如圖9所示。在圖9中，i.MaxPrice和j.MaxPrice的值為200，i.MinPrice和j.MinPrice的值為100。

那么DSi在t交易期內(nèi)的數(shù)據(jù)資源出售量i.Supply(t)與DPj在t交易期內(nèi)的數(shù)據(jù)資源需求量j.Demand(t)分別有如下等式表示：

假設(shè)在數(shù)據(jù)賣(mài)家和數(shù)據(jù)買(mǎi)家根據(jù)等式（8）和等式（9）對(duì)價(jià)格變化作出反應(yīng)的前提下，將收斂區(qū)域定義為pbalance±1%內(nèi)。圖10分別顯示了k=3、k=5、k=7和k=9 時(shí)對(duì)收斂到平衡點(diǎn)(R(t)=1) 的影響，其中，pbalance=150 和初始R(t)=0.25。

對(duì)于圖10（a），當(dāng)k=3 時(shí)，到達(dá)收斂區(qū)域內(nèi)至少需要13 輪次交易，但收斂區(qū)間最短，約為10-0.15≤R(t)≤100.15。對(duì)于圖10（b）、（c），當(dāng)k=5 或k=7 時(shí)，收斂速度較為平衡，到達(dá)收斂區(qū)域內(nèi)分別需要10 輪和6 輪次交易，收斂區(qū)間則分別為10-0.25≤R(t)≤100.25和10-0.28≤R(t)≤100.28。對(duì)于圖10（d），當(dāng)k=9 時(shí)，收斂速度最快約為5次，且收斂區(qū)間最短，約為10-0.30≤R(t)≤100.30。

4.3 成本分析

在以太坊智能合約中調(diào)用函數(shù)需要花費(fèi)一定數(shù)量的費(fèi)用，其中費(fèi)用是以gas為單位。gas的花費(fèi)主要取決于函數(shù)本身參數(shù)的數(shù)量和執(zhí)行的操作次數(shù)。隨著gas的價(jià)格越高，礦工為追求利潤(rùn)最大化，因而gas價(jià)格越高的交易將更有可能被優(yōu)先選擇完成。另外，Ethereum Gas Station 是一個(gè)gas 價(jià)格信息源集中平臺(tái)，通過(guò)獲取并匯總多個(gè)數(shù)據(jù)源的最新天然氣價(jià)格，提供一個(gè)可靠的平均天然氣價(jià)格，并將函數(shù)調(diào)用成本從gas 單位兌換成法定貨幣單位，即美元[31]。

Remix IDE 在調(diào)用智能合約時(shí)對(duì)執(zhí)行成本進(jìn)行合理估算。所開(kāi)發(fā)的智能合約中重要函數(shù)的執(zhí)行成本如表2所示。

為了公平起見(jiàn)，根據(jù)gas station推薦的gas價(jià)格，選取截止2021年6月27日的數(shù)據(jù)分析函數(shù)執(zhí)行成本。表2中反映用戶(hù)為獲得函數(shù)緩慢、平均和快速執(zhí)行而選擇的對(duì)應(yīng)不同的價(jià)格。

假設(shè)緩慢、平均、快速和立即執(zhí)行函數(shù)的gas價(jià)格分別為6、7、10 和12 Gwei/gas，那么gas station 將據(jù)此來(lái)估算該函數(shù)執(zhí)行的以太幣成本。同時(shí)，選取1 ETH=$210.10 的以太幣與美元的匯率，將智能合約的執(zhí)行成本轉(zhuǎn)換為美元。從表2中可得出結(jié)論，所提出的解決方案中不同函數(shù)消耗的gas 成本均在可接受范圍內(nèi)，即執(zhí)行成本是合理的。其中，使用緩慢或者一般交易方式，函數(shù)平均執(zhí)行成本低于$0.83；使用快速交易方式，平均執(zhí)行成本則低于$1.4；而使用即可交易方式，平均成本則低于$1.8。

表2 相關(guān)函數(shù)的執(zhí)行成本Table 2 Execution cost of correlation function

除此之外，得益于區(qū)塊鏈和智能合約的透明性和不可篡改性特性，方案能確保交易過(guò)程對(duì)交易參與者的公平性和公開(kāi)性。

5 安全分析及性能評(píng)估

5.1 安全分析

5.1.1 安全特性

（1）身份驗(yàn)證與授權(quán)：智能合約只能由特定的授權(quán)實(shí)體在特定的交易流程中執(zhí)行。未經(jīng)授權(quán)的實(shí)體調(diào)用函數(shù)或者授權(quán)實(shí)體未在特定流程下調(diào)用函數(shù)，則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤異常。同時(shí)，方案中的挑戰(zhàn)響應(yīng)機(jī)制能夠?qū)?shù)據(jù)賣(mài)家進(jìn)行身份認(rèn)證和授權(quán)，以防止數(shù)據(jù)賣(mài)家的不誠(chéng)實(shí)行為。對(duì)于數(shù)據(jù)買(mǎi)家與存儲(chǔ)服務(wù)方之間的鏈下通信，提出鏈下訪問(wèn)和下載數(shù)據(jù)機(jī)制，保證只有授權(quán)的數(shù)據(jù)買(mǎi)家才能下載數(shù)據(jù)資源。

（2）保密性：在提出的解決方案中，數(shù)據(jù)買(mǎi)家利用時(shí)間戳和唯一下載令牌與存儲(chǔ)服務(wù)方進(jìn)行鏈下訪問(wèn)。即使唯一下載令牌意外泄漏，存儲(chǔ)服務(wù)方也可驗(yàn)證用戶(hù)的身份以防止數(shù)據(jù)資源泄漏。當(dāng)然這也鼓勵(lì)更多的實(shí)體參與和交換數(shù)據(jù)資源。

（3）不可否認(rèn)性：所提出的區(qū)塊鏈解決方案在數(shù)據(jù)交易過(guò)程中，所有利益相關(guān)者都不能否認(rèn)自身在交易中的交易行為，也不能否認(rèn)沒(méi)有收到特定的收益和數(shù)據(jù)資源。

（4）數(shù)據(jù)完整性：在提出的解決方案中，數(shù)據(jù)賣(mài)家通過(guò)使用時(shí)間戳和唯一的下載令牌與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方進(jìn)行鏈下訪問(wèn)，并下載數(shù)據(jù)資源，任何需要修改的數(shù)據(jù)都應(yīng)作為新的事務(wù)重新被處理，數(shù)據(jù)交易的任一流程信息都會(huì)作為通知事件發(fā)送至所有利益相關(guān)者。

（5）抗網(wǎng)絡(luò)攻擊：以太坊網(wǎng)絡(luò)中的事務(wù)經(jīng)過(guò)加密技術(shù)加密并進(jìn)行哈希加以保護(hù)。在基于區(qū)塊鏈的解決方案中，因?yàn)槭褂蒙⒘袡C(jī)制數(shù)據(jù)是不可變的，惡意攻擊者無(wú)法篡改任何事務(wù)。散列指針作為區(qū)塊頭的組成部分將區(qū)塊鏈接在一起。這使得中間人攻擊（MITM）和分布式拒絕服務(wù)（DDoS[32]）等網(wǎng)絡(luò)攻擊幾乎不可能發(fā)生。

5.1.2 脆弱性分析

本文使用安全分析工具對(duì)所提出的數(shù)據(jù)交易解決方案開(kāi)發(fā)的智能合約中代碼漏洞進(jìn)行分析。首先，Remix IDE能夠通知開(kāi)發(fā)人員的所有語(yǔ)法錯(cuò)誤、警告和函數(shù)運(yùn)行時(shí)的錯(cuò)誤等。SmartCheck 代碼分析器則用于發(fā)現(xiàn)代碼中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并檢測(cè)諸如花費(fèi)高昂的執(zhí)行回路、異常的gas 消耗、溢出和下溢等錯(cuò)誤。其次，通過(guò)利用SmartCheck 工具分析所開(kāi)發(fā)的智能合約代碼，圖11 顯示了SmartCheck 日志分析內(nèi)容。日志內(nèi)容表明合約中不存在任何嚴(yán)重的安全和隱私漏洞。

此外，還使用Oyente[33]分析智能合約代碼的安全漏洞。Oyente作為一款強(qiáng)大的安全漏洞分析工具，可以根據(jù)漏洞知識(shí)庫(kù)檢查以太坊智能合約，并生成漏洞分析報(bào)告。報(bào)告中列出一系列主流的代碼漏洞，以及這些漏洞是否存在于當(dāng)前檢測(cè)的智能合約代碼中。為更好分析所開(kāi)發(fā)的智能合約中代碼安全性，在64 位Ubuntu16.04環(huán)境下基于evm-1.7.3 和solc-0.4.19 版本，針對(duì)整數(shù)類(lèi)型上溢和下溢、Parity 多重簽名漏洞、調(diào)用堆棧深度攻擊、交易順序依賴(lài)（TOD）、時(shí)間戳依賴(lài)、再入攻擊和斷言錯(cuò)誤等主流代碼漏洞，通過(guò)模擬面向一致的交易事務(wù)場(chǎng)景，將本文與相關(guān)文獻(xiàn)中現(xiàn)有解決方案的智能合約分別進(jìn)行漏洞分析，表3顯示了Oyente生成的漏洞分析報(bào)告。

表3 Oyente漏洞分析報(bào)告Table 3 Oyente vulnerability analysis report

從漏洞分析結(jié)果可以看出，由于文獻(xiàn)[11，13，34]只關(guān)注于單一功能的實(shí)現(xiàn)，而沒(méi)有考慮整數(shù)類(lèi)型變量的內(nèi)存大小，導(dǎo)致代碼出現(xiàn)了整數(shù)類(lèi)型上溢和下溢的代碼漏洞。此外，缺乏控制合約的執(zhí)行邏輯和執(zhí)行順序，沒(méi)有嚴(yán)格限制每個(gè)執(zhí)行步驟中特定的調(diào)用時(shí)間和調(diào)用實(shí)體，使得文獻(xiàn)[11，34]代碼中暴露交易順序依賴(lài)（TOD）和時(shí)間戳依賴(lài)等漏洞缺陷。而文本中的智能合約，在汲取相關(guān)文獻(xiàn)中智能合約出現(xiàn)的代碼漏洞問(wèn)題，同時(shí)遵循以太坊代幣標(biāo)準(zhǔn)ERC20[35]，采取預(yù)先提交方案的機(jī)制進(jìn)行開(kāi)發(fā)，經(jīng)報(bào)告顯示Oyente 工具所檢測(cè)的漏洞均被標(biāo)記為“False”，即所開(kāi)發(fā)的智能合約代碼沒(méi)有這類(lèi)漏洞缺陷。通過(guò)參考Oyente 工具所提供的智能合約示例中的覆蓋率比值可知，覆蓋率比較高反映當(dāng)前代碼漏洞較少。其他現(xiàn)有方案有較明顯的代碼漏洞，所以覆蓋率偏低。本文缺陷漏洞代碼覆蓋率為99.5%，可表明該代碼存在漏洞較少，能夠有效避免多種主流代碼漏洞，證明所開(kāi)發(fā)的智能合約滿(mǎn)足安全性和可行性的要求。

5.2 相關(guān)方案比較

針對(duì)gas的花費(fèi)成本，在Remix IDE的JavaScriptVM環(huán)境下構(gòu)建的以太坊私有鏈上分別部署本文方案和相關(guān)文獻(xiàn)中現(xiàn)有解決方案的智能合約，并通過(guò)執(zhí)行多次試驗(yàn)以取平均值進(jìn)行比較分析。如表4所示，所提出方案在生成交易訂單步驟需要耗費(fèi)53 099 gas，更新商品需要耗費(fèi)34 284 gas，確認(rèn)接收和支付結(jié)算共需耗費(fèi)79 653 gas。以上操作消耗總成本約為167 036 gas，gas花費(fèi)接近于文獻(xiàn)[13]，與其他解決方案相比處于較低的gas 消耗水平。由于所提出方案在創(chuàng)建新的交易流程中，需要對(duì)交易價(jià)格進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定價(jià)，而文獻(xiàn)[13]的交易在創(chuàng)建時(shí)保持恒定不變的價(jià)格，因此本文方案與之相比需多花費(fèi)更新商品信息的費(fèi)用。方案還采用較少的映射關(guān)系，并融合確認(rèn)接收和支付結(jié)算函數(shù)，相較于其他解決方案減少了不必要的操作和花銷(xiāo)，提高了交易效率。另外，方案只需要相應(yīng)的消費(fèi)者根據(jù)預(yù)設(shè)的條件進(jìn)行確認(rèn)?？傮w而言，本文的解決方案在保證安全、可靠、公平、合理的前提下，能夠?qū)灰變r(jià)格進(jìn)行合理的動(dòng)態(tài)調(diào)整，減輕了賣(mài)家工作量和買(mǎi)家消費(fèi)負(fù)擔(dān)，確保了交易雙方的的利益不受損害。

表4 相關(guān)解決方案比較Table 4 Comparison of related solutions

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前數(shù)據(jù)交易模式下的流程耗時(shí)較大和公平支付問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的基于以太坊智能合約的數(shù)據(jù)交易模式，實(shí)現(xiàn)在利益相關(guān)者缺乏信任的情況下安全透明地?cái)?shù)據(jù)交易。同時(shí)，在買(mǎi)賣(mài)雙方都沒(méi)有足夠的信息確定交易的數(shù)據(jù)資源能帶來(lái)多大的效益的情況下，通過(guò)考慮數(shù)據(jù)賣(mài)家的出售意愿和數(shù)據(jù)買(mǎi)家的購(gòu)買(mǎi)意愿，提出一個(gè)改進(jìn)的基于總供給和總需求數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)定價(jià)模型，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡的動(dòng)態(tài)的定價(jià)策略，最快約5輪交易期即可實(shí)現(xiàn)交易價(jià)格收斂。仿真結(jié)果表明方案相對(duì)現(xiàn)有的模型在數(shù)據(jù)交易場(chǎng)景下能有效動(dòng)態(tài)更新調(diào)整價(jià)格并降低gas 成本，同時(shí)避免一系列主流的代碼漏洞，證明改進(jìn)交易模式具有良好交易穩(wěn)定可行性和較高的安全性。

未來(lái)將深入考慮數(shù)據(jù)交易中數(shù)據(jù)非法轉(zhuǎn)售的問(wèn)題，構(gòu)建保護(hù)數(shù)據(jù)共享中的數(shù)據(jù)版權(quán)機(jī)制，并針對(duì)異構(gòu)類(lèi)型的數(shù)據(jù)交易等實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，構(gòu)建系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證架構(gòu)的效率。