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，通過適當(dāng)利用來自于公共或私人的開放數(shù)據(jù)，可為現(xiàn)有的商業(yè)市場探索新的發(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)行在線數(shù)據(jù)交易時，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的開放性和匿名性會給數(shù)據(jù)交易中意圖作惡的利益相關(guān)方帶來可乘之機(jī)，公平性成為一個新的挑戰(zhàn)。如果其中兩個利益相關(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)作惡的動機(jī)。因此，在數(shù)據(jù)交易的參與者之間建立一個信任和安全的交易環(huán)境被視為刺激在線數(shù)據(jù)交易的主要關(guān)注點(diǎn)[1]。同時，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)交易更加便捷且無需尋找一個可信的數(shù)據(jù)市場平臺。

價格則是數(shù)據(jù)交易的另一關(guān)鍵要素[2]。在數(shù)據(jù)交易過程中，若買賣雙方都沒有足夠的信息確定交易的數(shù)據(jù)的效益，數(shù)據(jù)交易定價機(jī)制將是解決這一問題的有效途徑。為了滿足數(shù)據(jù)買賣雙方的實(shí)際利益，并考慮數(shù)據(jù)價值動態(tài)變化的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)價值不確定的情況下，可采用動態(tài)定價來確定數(shù)據(jù)的價格[3]。

因此，構(gòu)建一種基于以太坊智能合約的動態(tài)定價數(shù)據(jù)交易機(jī)制，為數(shù)據(jù)交易參與者創(chuàng)造一個去中心化、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數(shù)據(jù)交易平臺，區(qū)塊鏈作為一個去中心化的具有分布式和可驗(yàn)證性的開放分類賬本，通過在區(qū)塊鏈上部署智能合約以自動執(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)交易過程中的惡意行為。本文從以下幾個方面提出解決方案：

（1）構(gòu)建一種基于以太坊智能合約和動態(tài)定價的數(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）通過考慮數(shù)據(jù)賣家的出售意愿和數(shù)據(jù)買家的購買意愿，提出一個基于總供給和總需求的改進(jìn)數(shù)據(jù)動態(tài)定價模型，設(shè)計(jì)出自動平衡的動態(tài)定價策略，并驗(yàn)證動態(tài)定價數(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。通過實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交易出售和購買請求、待售數(shù)據(jù)爭議解決、自動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化交付。同時鼓勵參與者誠實(shí)行事，將通過數(shù)據(jù)交易糾紛機(jī)制解決交易過程中的糾紛，并懲罰數(shù)據(jù)交易過程中的惡意行為。

1 相關(guān)工作

區(qū)塊鏈的去中心化[4]、可信賴性、開源性及集體性維護(hù)等特點(diǎn)自比特幣誕生便引起國內(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]、云存儲及人工智能[9]等。

近年來，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)交易和爭議解決模型。Xiang 等人[14]通過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)字水印的多類型去中心化數(shù)據(jù)交易方案來促進(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，提出了一個公平的大數(shù)據(jù)交換方案，允許買賣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)市場和數(shù)據(jù)交易問題促使研究人員在滿足數(shù)據(jù)買家的同時最大化數(shù)據(jù)代理人的收入和利潤。Zhao等人[16]提出了一個基于機(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，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，通過考慮數(shù)據(jù)需求和需求不確定性，提出了一個移動數(shù)據(jù)交易模型，以移動用戶之間的移動數(shù)據(jù)數(shù)量進(jìn)行交易。Bajoudah 等人[18]設(shè)想了一個物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流市場，允許任何一對數(shù)據(jù)提供商和消費(fèi)者在沒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)交易方案中交易過程復(fù)雜、交易成本高以及可能存在的不公平交換等問題。

在個人數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)中，人們對個人數(shù)據(jù)類型有不同的隱私擔(dān)憂，因此個人數(shù)據(jù)市場應(yīng)考慮隱私意識[20-21]。同時，關(guān)于個人數(shù)據(jù)定價或隱私定價模型也進(jìn)行了相關(guān)研究。Malgieri 和Custers[22]研究發(fā)現(xiàn)，個人數(shù)據(jù)的貨幣價值可以通過各種個人數(shù)據(jù)定價因素來量化。Shen 等人[23]提出了一種基于線性函數(shù)的個人數(shù)據(jù)定價方案，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)的個人數(shù)據(jù)環(huán)境下使用多臂強(qiáng)盜方法的動態(tài)個人數(shù)據(jù)定價方案。Wang等人[25]通過考慮數(shù)據(jù)銷售商的定價點(diǎn)和查詢結(jié)果的準(zhǔn)確性，提出了一種基于查詢的數(shù)據(jù)定價方案，建立了數(shù)據(jù)消費(fèi)者近似聚合查詢的數(shù)據(jù)定價模型。

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)注于交易市場中數(shù)據(jù)供求關(guān)系和數(shù)據(jù)買賣雙方之間的交易數(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)交易過程中，每個實(shí)體的職責(zé)如下：

（1）數(shù)據(jù)賣家（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)買家（DP）：對數(shù)據(jù)資源具有一定的購買需求并愿意通過商業(yè)交易的形式購買數(shù)據(jù)的實(shí)體。

（3）數(shù)據(jù)交易平臺（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)是一個完全可信的實(shí)體，只提供數(shù)據(jù)交易的平臺，在任何情況下都不會違反公平正義的原則。

（4）數(shù)據(jù)存儲方（DSP）：為數(shù)據(jù)賣家提供如File-Coin[26]、Swarm[27]或IPFS[28]等去中心文件系統(tǒng)來存儲數(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)買家提供下載所購數(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)無條件服從公平公正的原則。同時，仲裁機(jī)構(gòu)還具有解決數(shù)據(jù)買家和數(shù)據(jù)賣家之間關(guān)于交易數(shù)據(jù)定價公平性等爭議的功能。

數(shù)據(jù)交易過程總結(jié)如下：

首先，數(shù)據(jù)交易平臺為數(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。數(shù)據(jù)賣家向全網(wǎng)廣播自身代售的數(shù)據(jù)資源，而數(shù)據(jù)買家則監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)并通過whiper[29]與數(shù)據(jù)賣家就數(shù)據(jù)資源信息進(jìn)行鏈下溝通。數(shù)據(jù)買家通過智能合約驗(yàn)證對應(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)買家可向智能合約發(fā)送數(shù)據(jù)購買請求，并支付最高數(shù)據(jù)價格和相對應(yīng)的交易保證金。相對應(yīng)地，數(shù)據(jù)賣家響應(yīng)購買請求后，向智能合約支付一定的交易保證金。智能合約隨后將自動生成一個具有唯一性和時效性的下載令牌并發(fā)送給數(shù)據(jù)買家。數(shù)據(jù)買家通過在有效的時間內(nèi)下載令牌并從數(shù)據(jù)存儲方處下載對應(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)動態(tài)定價進(jìn)行交易費(fèi)用結(jié)算。如果數(shù)據(jù)賣家或買家認(rèn)為交易存在在爭議，可向智能合約提出仲裁請求并等待仲裁機(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)買家利用智能合約驗(yàn)證對應(yīng)以太坊地址所有者是否擁有自身所需的數(shù)據(jù)資源，并通過挑戰(zhàn)響應(yīng)機(jī)制驗(yàn)證數(shù)據(jù)買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)買家向智能合約發(fā)送數(shù)據(jù)購買請求并支付數(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)買家通過令牌從數(shù)據(jù)存儲方處下載數(shù)據(jù)資源后，數(shù)據(jù)存儲方將觸發(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)買家也通過調(diào)用智能合約的函數(shù)提交確認(rèn)下載事件后，并在有效的時間內(nèi)對交易和數(shù)據(jù)資源沒有提出爭議，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 爭議交易的結(jié)算和支付

（1）數(shù)據(jù)下載爭議：如果數(shù)據(jù)買家在有效時間內(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。智能合約將會向數(shù)據(jù)賣家退還交易押金，并向數(shù)據(jù)買家退還全部交易費(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)買家存在欺騙行為。智能合約將會沒收數(shù)據(jù)買家的交易押金作為欺騙懲罰，并將其獎勵給其余的交易參與者。數(shù)據(jù)下載爭議的偽代碼如下：

（2）數(shù)據(jù)可用性爭議：如果數(shù)據(jù)買家在有效時間內(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)賣家存在欺詐行為。智能合約將會沒收數(shù)據(jù)賣家的交易押金作為欺騙懲罰，并將其獎勵給其他的交易參與者。數(shù)據(jù)買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)買家存在欺詐行為。數(shù)據(jù)可用性爭議的偽代碼如下：

（3）數(shù)據(jù)定價異常爭議：如果數(shù)據(jù)買家在有效時間內(nèi)的確認(rèn)結(jié)果是定價異常，即認(rèn)為數(shù)據(jù)的定價不合理，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)買家的交易價格及交易時段內(nèi)的動態(tài)定價并驗(yàn)證兩者是否一致。如果驗(yàn)證的結(jié)果為定價不一致，則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)定價異常，視為交易不成功且數(shù)據(jù)交易中心存在欺詐行為。智能合約將會向數(shù)據(jù)賣家退還交易押金，并向數(shù)據(jù)買家退還全部交易費(fèi)用和交易押金。同時，數(shù)據(jù)交易者的押金被沒收并獎勵給其他數(shù)據(jù)參與者。反之則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)定價正常，視為交易成功且數(shù)據(jù)買家存在欺詐行為。數(shù)據(jù)定價異常爭議的偽代碼如下：

3 基于總供給和總需求的數(shù)據(jù)動態(tài)定價模型

提出的動態(tài)定價模型的主要目標(biāo)是在數(shù)據(jù)交易的市場中平衡數(shù)據(jù)賣家和購買者之間數(shù)據(jù)的供求關(guān)系。同時，動態(tài)定價策略在每一輪交易中使用動態(tài)交易價格，其價格只取決于每個交易期開始時數(shù)據(jù)市場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輪交易期開始時數(shù)據(jù)的出售量，nS為數(shù)據(jù)交易市場的數(shù)據(jù)賣家的總?cè)藬?shù)。數(shù)據(jù)總供給定義為在第t輪交易期開始時交易市場中數(shù)據(jù)賣家的出售數(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)交易市場在第t輪交易期開始時的總需求與總供給之間的差值，可以表示為：

3.2 動態(tài)定價策略

假設(shè)p(t)是數(shù)據(jù)交易市場在第t輪交易期的動態(tài)實(shí)時定價，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 時的價格，而pvol則指代價格在R(t)=1時的增幅，價格區(qū)間為(pbalance-pvol,pbalance+pvol)。圖2 中將式（5）的定價模型與Chekired 等人[30]的定價模型進(jìn)行比較。圖2可以看出，當(dāng)R(t)=1 時，提出的定價模型處于平衡狀態(tài)，p(t)維持在150，并且價格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，隨著需求進(jìn)一步增加，價格也幾乎不變，即使R(t)大于101時，價格也會繼續(xù)上漲，呈現(xiàn)出不對稱狀態(tài)。

圖3 顯示了不同k值對定價模型的價格曲線的變化情況?？梢钥闯鰞r格曲線關(guān)于R(t)對稱變化，而且隨著k值的增大，價格曲線在接近R(t)=1 時，處于平衡穩(wěn)定的區(qū)間更長。

本文假設(shè)隨著數(shù)據(jù)交易價格的增加，數(shù)據(jù)賣家更愿意出售數(shù)據(jù)資源；而數(shù)據(jù)消費(fèi)者更愿意在較低數(shù)據(jù)交易價格增加數(shù)據(jù)購買需求。為簡單起見，假設(shè)一個隨機(jī)變量X，DSi不會以低于X的價格出售自己的數(shù)據(jù)類型資源。

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試和驗(yàn)證所提出的智能合約，測試的編譯器版本是0.6.0+commit，測試環(huán)境是JavaScript VM。根據(jù)數(shù)據(jù)交易參與的實(shí)體數(shù)量使用了五個以太坊地址，每個地址都有100 ether作為初始余額：

數(shù)據(jù)賣家（DS）地址：

4.1.1 出售數(shù)據(jù)資源和創(chuàng)建交易

數(shù)據(jù)賣家在調(diào)用sellData（）函數(shù)前通過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)賣家以數(shù)據(jù)類型和數(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)待出售和請求定價事件。數(shù)據(jù)買家監(jiān)聽到特定的數(shù)據(jù)資源出售信息調(diào)用newTrade（）函數(shù)請求購買并向合約支付交易費(fèi)用和保證金后，此時新的交易被創(chuàng)建，且交易的狀態(tài)顯示數(shù)據(jù)買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

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

4.1.3 成功交易的結(jié)算和支付

當(dāng)數(shù)據(jù)存儲方觸發(fā)了數(shù)據(jù)已被購買者下載的確認(rèn)事件，同時數(shù)據(jù)買家針對下載的數(shù)據(jù)沒有爭議，調(diào)用DPCofirmResult（）函數(shù)觸發(fā)確認(rèn)交易事件時，這意味著交易成功，交易費(fèi)用將自動結(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)定價異常爭議的結(jié)算和支付

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

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

如果仲裁結(jié)果為假，則自動完成付款結(jié)算，并懲罰數(shù)據(jù)買家的惡意行為，沒收數(shù)據(jù)買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)賣家。圖8顯示了仲裁結(jié)果為假時觸發(fā)自動退款和懲罰事件。

4.2 動態(tài)定價實(shí)施

在本節(jié)中將模擬動態(tài)定價的實(shí)施過程，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 個參數(shù)定義數(shù)據(jù)賣家和數(shù)據(jù)買家，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)購買意愿函數(shù)Ψ值依賴于(t-1)交易期價格，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)賣家和數(shù)據(jù)買家根據(jù)等式（8）和等式（9）對價格變化作出反應(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 時對收斂到平衡點(diǎn)(R(t)=1) 的影響，其中，pbalance=150 和初始R(t)=0.25。

對于圖10（a），當(dāng)k=3 時，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。對于圖10（b）、（c），當(dāng)k=5 或k=7 時，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。對于圖10（d），當(dāng)k=9 時，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的價格越高，礦工為追求利潤最大化，因而gas價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gas 價格信息源集中平臺，通過獲取并匯總多個數(shù)據(jù)源的最新天然氣價格，提供一個可靠的平均天然氣價格，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)用智能合約時對執(zhí)行成本進(jìn)行合理估算。所開發(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，根據(jù)gas station推薦的gas價格，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中反映用戶為獲得函數(shù)緩慢、平均和快速執(zhí)行而選擇的對應(yīng)不同的價格。

假設(shè)緩慢、平均、快速和立即執(zhí)行函數(shù)的gas價格分別為6、7、10 和12 Gwei/gas，那么gas station 將據(jù)此來估算該函數(shù)執(zhí)行的以太幣成本。同時，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，方案能確保交易過程對交易參與者的公平性和公開性。

5 安全分析及性能評估

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)，則會產(chǎn)生錯誤異常。同時，方案中的挑戰(zhàn)響應(yīng)機(jī)制能夠?qū)?shù)據(jù)賣家進(jìn)行身份認(rèn)證和授權(quán)，以防止數(shù)據(jù)賣家的不誠實(shí)行為。對于數(shù)據(jù)買家與存儲服務(wù)方之間的鏈下通信，提出鏈下訪問和下載數(shù)據(jù)機(jī)制，保證只有授權(quán)的數(shù)據(jù)買家才能下載數(shù)據(jù)資源。

（2）保密性：在提出的解決方案中，數(shù)據(jù)買家利用時間戳和唯一下載令牌與存儲服務(wù)方進(jìn)行鏈下訪問。即使唯一下載令牌意外泄漏，存儲服務(wù)方也可驗(yàn)證用戶的身份以防止數(shù)據(jù)資源泄漏。當(dāng)然這也鼓勵更多的實(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)賣家通過使用時間戳和唯一的下載令牌與數(shù)據(jù)存儲方進(jìn)行鏈下訪問，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所提出的數(shù)據(jù)交易解決方案開發(fā)的智能合約中代碼漏洞進(jìn)行分析。首先，Remix IDE能夠通知開發(fā)人員的所有語法錯誤、警告和函數(shù)運(yùn)行時的錯誤等。SmartCheck 代碼分析器則用于發(fā)現(xiàn)代碼中的潛在風(fēng)險，并檢測諸如花費(fèi)高昂的執(zhí)行回路、異常的gas 消耗、溢出和下溢等錯誤。其次，通過利用SmartCheck 工具分析所開發(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)漏洞知識庫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)前檢測的智能合約代碼中。為更好分析所開發(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，針對整數(shù)類型上溢和下溢、Parity 多重簽名漏洞、調(diào)用堆棧深度攻擊、交易順序依賴（TOD）、時間戳依賴、再入攻擊和斷言錯誤等主流代碼漏洞，通過模擬面向一致的交易事務(wù)場景，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)，而沒有考慮整數(shù)類型變量的內(nèi)存大小，導(dǎo)致代碼出現(xiàn)了整數(shù)類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，沒有嚴(yán)格限制每個執(zhí)行步驟中特定的調(diào)用時間和調(diào)用實(shí)體，使得文獻(xiàn)[11，34]代碼中暴露交易順序依賴（TOD）和時間戳依賴等漏洞缺陷。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)的代碼漏洞問題，同時遵循以太坊代幣標(biāo)準(zhǔn)ERC20[35]，采取預(yù)先提交方案的機(jī)制進(jìn)行開發(fā)，經(jīng)報(bào)告顯示Oyente 工具所檢測的漏洞均被標(biāo)記為“False”，即所開發(fā)的智能合約代碼沒有這類漏洞缺陷。通過參考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，證明所開發(fā)的智能合約滿足安全性和可行性的要求。

5.2 相關(guān)方案比較

針對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，需要對交易價格進(jìn)行實(shí)時動態(tài)定價，而文獻(xiàn)[13]的交易在創(chuàng)建時保持恒定不變的價格，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，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)。總體而言，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格進(jìn)行合理的動態(tài)調(diào)整，減輕了賣家工作量和買家消費(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

本文針對目前數(shù)據(jù)交易模式下的流程耗時較大和公平支付問題，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，在買賣雙方都沒有足夠的信息確定交易的數(shù)據(jù)資源能帶來多大的效益的情況下，通過考慮數(shù)據(jù)賣家的出售意愿和數(shù)據(jù)買家的購買意愿，提出一個改進(jìn)的基于總供給和總需求數(shù)據(jù)動態(tài)定價模型，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動平衡的動態(tài)的定價策略，最快約5輪交易期即可實(shí)現(xiàn)交易價格收斂。仿真結(jié)果表明方案相對現(xiàn)有的模型在數(shù)據(jù)交易場景下能有效動態(tài)更新調(diào)整價格并降低gas 成本，同時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。

未來將深入考慮數(shù)據(jù)交易中數(shù)據(jù)非法轉(zhuǎn)售的問題，構(gòu)建保護(hù)數(shù)據(jù)共享中的數(shù)據(jù)版權(quán)機(jī)制，并針對異構(gòu)類型的數(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。