基于区块链的信息资源共享模式研究

1 区块链介绍
区块链（Blockchain）为公众所知缘于比特币（Bitcoin），由Satoshi Nakamoto提出[3]。比特币是一种创新性的支付系统和全新的数字货币，而区块链则是支撑比特币的底层技术和基础架构。区块链是由若干区块通过哈希指针链接而成的链表，如图1所示：

 
图1 区块链基本结构

区块的基本结构则如图2所示：

 
图2 区块基本结构

一个完整的区块链系统具有分层架构[4]，如图3所示：

 
图3 区块链的分层架构

区块链涉及的信息技术包括对等网络（P2P）技术、非对称加密算法、数据库技术、数字货币[5]，也包括Merkle树、Hash算法、时间戳技术、多种共识机制（Consensus Mechanism）等[6]。这些技术多为已有的成熟技术，而非新创技术，因此区块链是由已有信息技术经巧妙组合而形成的新技术，或者是已有信息技术相互结合的颠覆性应用。
区块链虽然因比特币而出现，但是区块链并不依赖比特币。针对不同行业和不同应用，可以构造不同的区块链，选择或创造不同的共识机制，并在其上定义不同于比特币的虚拟货币，即竞争币。对于区块链来说，虚拟货币是区块链运转的驱动机制，而对于虚拟货币来说，区块链则是虚拟货币的产生和流通平台。区块链是分布式数据库、分布式账本的一种较为理想的实现，也是互联网金融发展的趋势之一[7,8]。
区块链作为一种新的IT基础设施，具备五个基本特征：去中心化，不存在中心化的硬件或监管机构，交易无需中介；自治性，采用基于协商一致的规范和协议，所有节点均能在去信任的环境中自由安全通信，运转无需人工干预，人为干预也不起作用；安全可信，采用非对称加密技术对交易数据加密，并采用工作量证明机制（POW）等保证数据不可篡改、不可撤销；公开透明，每个节点都可有一份完整的区块链，区块链的数据对全网公开，可通过公开的接口查询，区块链软件也是开源的，打破了信息不对称；匿名性，区块链上的交易无须知道双方实际身份，也很难将账户与账户所有人关联起来[9,10]。
按照区块链发展阶段及功能的不同，区块链有三个版本：区块链1.0是货币，是一种安全的分布式的数据库，解决了数字货币和支付的去中心化；区块链2.0是合约，是一种完全的分布式的智能合约（Smart Contract）数据库，解决了各类资产和市场的去中心化；区块链3.0则是超越了货币、经济和市场等的公正应用，是新的高效的活动组织模式和社会治理模式[11]。区块链3.0通过去中心化的社会公共项目，将更深入地影响人们的生活[12]，并形成区块链自洽组织（DAO）和区块链自洽公司（DAC），以至区块链大社会[13]。
按照面向的服务群体范围不同，区块链被分为三类：公有链（Public Blockchain）、联盟链（Consortium Blockchain）和私有链（Private Blockchain）。公有链对任何人都开放，任何人都可自由加入并参与共识过程；联盟链则对特定的组织或团体开放，只有通过联盟确认后才能加入联盟链。私有链仅对特定主体内部开放，参与共识的权力被分配给特定节点[14]。联盟链介于公有链与私有链之间，本质上仍属于私有链，通常被认为“部分去中心化”，外人可以查阅和交易，但不能验证交易或发布智能合约。比特币区块链为典型的公有链，采用POW共识机制，交易速度较低，而Hyperladger则为典型的联盟链（私有链），采用实用拜占庭容错（PBFT）共识机制，交易速度较高。
依据区块链的分层架构，利用区块链的不同版本和类型，在区块链的应用层可以构建多种应用，而信息资源共享是重要的应用之一。
2 信息资源共享的模式
2.1 信息资源共享的两种基本模式
依据信息传播方式的不同，信息资源共享有两种基本模式，即有中心模式和无中心模式，分别如图4、图5所示：
 
图4 有中心模式

 
图5 无中心模式

有中心模式的典型代表是C/S、B/S应用，其中存在服务方和用户两个固定角色。无中心模式的典型代表是各种P2P应用，其中只有平等的参与者。
信息资源共享的前提是信息资源聚积，即通过某种方式和手段将信息资源组织起来。有中心模式下，所有信息资源均被集中配置到中心，并会聚集形成信息资源中心；而无中心模式下，所有信息资源被分散配置到各个节点，因而不会形成信息资源中心。依据信息资源聚集过程和组织方式的不同，可以对信息资源共享模式进行细分。
2.2 有中心模式的细分模式
按照信息资源聚集过程的不同，信息资源共享的有中心模式又可细分为两种：基于云的信息资源共享模式和基于Web的信息资源共享模式，分别如图6、图7所示：
 
图6 基于云的信息资源共享模式

 
图7 基于Web的信息资源共享模式

基于云的信息资源共享模式常用于信息、情报和知识的共享，信息聚集一般由云平台自动收集完成，且以云用户的行为数据、交互数据、信息和知识为主。基于Web的信息资源共享模式常用于数字内容的共享，信息聚集通常由生产者创作并添加到平台完成。Web1.0、Web2.0均遵循该资源聚集模式。只不过Web2.0通过去掉Web1.0的集中审核发布机制，向用户放开了写入和发布权限，使用户也成为内容生产者，从而实现了去特权、去精英和以用户为中心、以人为本[15]。
2.3 无中心模式的细分模式
依据信息资源组织方式的不同，信息资源共享的无中心模式又可细分为三种：无中心非结构化P2P模式（纯P2P模式）、无中心结构化P2P模式（混合P2P模式）、有中心非结构化P2P模式（集中式P2P模式） [16-18]。无中心非结构化P2P模式，如图4所示，其中参与者基于洪泛（Flooding）技术以广播方式查询或查找对等网络中共享的信息资源，特点是信息无序且分散，内容亦分散。Gnutella网络为该模式的代表。信息资源共享无中心模式的另两种细分模式，分别如图8、图9所示：

 
图8 无中心结构化P2P模式

 
图9 有中心非结构化P2P模式

信息资源共享的无中心结构化P2P模式中，基于DHT技术建立Chord环、二叉树等覆盖网络（Overlay Network），用于查询或查找对等网络中共享的信息资源，参与者之间信息资源的交换或传播则不经过覆盖网络，特点是信息有序且分散，内容亦分散。Chord网络、Kad网络为该模式的代表。信息资源共享的有中心非结构化P2P模式中，参与者依赖索引中心查询或查找对等网络中共享的信息资源，参与者之间信息资源的交换或传播则不经过索引中心，特点是信息有序且集中，而内容分散。Napster网络为该模式的代表。
无中心模式的这三种细分模式多用于文件形式的数字内容共享场合。
3 基于区块链的信息资源共享模式
区块链被设计运行于无中心非结构化对等网络之上，通常利用文件来共享数据、信息和知识等。在区块链基础上开展信息资源共享，也须符合底层对等网络上的信息资源共享模式。基于区块链的信息资源共享模式是无中心非结构化P2P模式的细分模式、新模式。
3.1 区块用作信息资源存储的方式
 在区块链上实现信息资源共享所需的信息资源聚集，首先要解决信息资源存储问题。依据信息资源是否直接存储于区块中，可有两种信息存储和聚集方式。信息资源直接存储在区块里，信息资源聚集于区块链中，即信息资源链方式，如图10所示：

 图10信息资源链方式

该方式与无中心非结构化P2P模式中的存储方式类似，其中的区块链既用作对等网络中信息资源的查询或查找，同时也用作信息资源的存储。该方式的特点是信息无序且集中，并以完整副本形式存储在每个节点中。比特币区块链的区块中，可用于存储信息的字段极少，包括产量交易（Generation TX）中的输出的coinbase字段，以及通用地址交易（Pubkey Hash TX）中的交易输出地址部分[19]。此二者容量较小，限制很多，且会增加内存中未花费交易输出集（UTXO set）的大小[20]。
 区块链中的区块里仅存储信息资源的元数据或索引，信息资源本身存储于本地、服务器、云存储或其它存储中，信息资源聚集于区块及区块链之外，即信息资源索引链方式，如图11所示：

 
图11信息资源索引链方式

该方式与有中心非结构化P2P模式的存储方式类似，其中的区块链用作对等网络中信息资源查询或查找，而不参与信息资源的实际交换和传播，信息资源的交换和传播由底层对等网络的传输机制实现，并且可能用到智能合约来保证信息共享行为得到可靠执行。该方式的特点是信息无序且集中，而内容分散储存在区块链外。区块链的区块中，利用OP_RETURN元数据，可在比特币普通交易包含一个OP_RETURN输出，并在其中存放多达80字节左右的索引信息，这些数据虽存储在区块中，但并不增加内存中未花费交易输出集的大小[21,22]。
3.2 区块链上的信息资源共享模式
3.2.1 规模扩张模式
 对等网络基础上的区块链以区块的链表方式实现了信息资源聚集，而以区块链的同步副本方式实现了信息资源共享，其本身兼具信息资源聚集和共享功能。因此，区块链上信息资源共享的常见方式是通过区块链网络规模扩张来实现更大范围的共享，即通过更多的人加入区块链网络成为该网络中的节点和参与者，从而依规则共享区块链上的信息资源。规模扩张模式如图12所示：
 
图12 规模扩张模式

公有链、私有链和联盟链均可采用该模式进行信息资源共享，但是对公有链上的信息资源共享更有意义。实际中公有链只能通过此模式才能成为有广泛影响力的公有链，且规模越大，影响力和社会价值越高。对于私有链和联盟链，此模式使私有链和联盟链共享规模扩大，同时也使私有链和联盟链分层，逐步形成处于内层的拥有全部功能的核心圈层，以及处于外层的只拥有部分功能的边缘圈层。
3.2.2 跨链模式
 公有链、联盟链和私有链具有不同程度的封闭性，通常需加入区块链网络才能共享区块链中的信息资源，另外由于采用不同的共识机制、虚拟货币等，不同区块链之间一般互不兼容，不能直接联通。通过双向楔入（Two-way Peg）等侧链（Sidechain）技术，使得主链与侧链之间可以相互信任、自动互转，能将不同区块链联结起来，从而在不同区块链及其节点之间共享信息[23]。一条区块链主链上可有若干侧链，而每条侧链均可对应不同应用。跨链模式如图13所示：

 
图13 跨链模式

 跨链模式是公有链等扩展功能和应用范围，开展非金融领域应用的主要方式，可极大地促进区块链上的信息资源共享。实际中该模式已经在区块链扩展应用领域中获得到了广泛运用，比如基于区块链的存证应用就采用该模式，并且通常选择比特币区块链、以太币区块链等公认的、有广泛影响力的公有链充当主链。
3.2.3 混合模式
显然，还可以将无中心的区块链与有中心的Web相互结合，分别利用区块链的信息资源集聚功能和Web的信息资源共享功能，形成信息资源共享的混合模式。混合模式如图14所示：

 
图14 混合模式

混合模式可以对信息资源的对外共享进行有效控制，将内外很好地隔离开，因而对于私有链、联盟链上的信息资源对外共享意义重大，对于传统信息系统的改造也极具现实意义。实际中此模式也常为众多虚拟货币交易网站所采用。
4 区块链信息资源共享的优缺点
4.1 优点
 从模式的角度来看，基于区块链的信息资源共享与基于云和基于Web的信息资源共享相比，有以下优点：①与基于Web的信息资源共享不同，基于规模扩张模式和跨链模式的区块链信息资源共享系统无中心，系统中不存在固定的服务中心，每个参与者都平等地分享信息，平等地获取信息，实现了基于信息分享的信息共享方式，也为电子商务C2C模式的实现开辟了途径。②基于规模扩张模式和跨链模式的区块链信息资源共享系统中，信息分享过程即为信息聚集过程，信息分享过程和信息共享过程完整记录在交易中，保存在区块中的交易公开透明且可信、可追溯，并得益于区块链的匿名特性而不会泄露参与者的私密信息。相比之下，基于云的信息资源共享系统中，聚集所得的大数据是云用户的交互数据、行为数据，总涉及用户私密信息，因而在相关法律法规约束下，通常大数据只能为云机构自身内部使用，可公开共享的数据仅为少量统计数据，而在基于Web的信息资源共享系统中，完整的交易信息记录在服务方的服务器中，用户和服务方双方信息完全不对等，给用户侧的信息共享管理、统计、核算等造成很大障碍。③基于规模扩张模式和跨链模式的区块链信息资源共享系统无中介，信息共享无须中介参与，借助虚拟货币和端到端直接交换实现信息分享和共享过程中的直接价值传递，通过利益来驱动和激励信息分享行为的发生，而且信息资源被自动配置到每个完全节点（Full Node）而非特定的固定服务中心，特别有益于信息资源共建共享系统的建设。④基于规模扩张模式和跨链模式的区块链信息资源共享系统，可以有效抵御病毒和各种网络攻击，只要尚有一个完全节点，整个系统的全部信息就能恢复并重新正常运转，系统安全性和可靠性极高，明显优于基于云或基于Web的信息资源共享系统，能够保证信息资源共享的持久、稳定开展。⑤混合模式的信息资源共享系统，在信息聚集和存储方面不同于传统数据库，而是一个分布式的超级账本或分布式的数据库，具有基于区块链的典型信息资源共享系统的优点，而在信息共享方面则仍保持了基于Web的信息资源共享系统的优点，新系统兼具这两类系统的优点。
 基于区块链的信息资源共享模式及相应系统的这些突出优点，主要源于区块链网络、区块链及其技术的鲜明特征和优点。
4.2 缺点
 从模式的角度来看，基于区块链的信息资源共享与基于云和基于Web的信息资源共享相比，也有以下缺点：①对于信息资源链方式的区块链信息资源共享系统，受制于区块1MB大小限制，区块中可用的存储空间有限，不能满足大粒度信息的存储要求，也难以满足信息资源共享对存储空间的多变要求，同时也限制了区块中可容纳的交易数量，对区块链正常运行带来一定影响。②对于信息索引链方式的区块链信息资源共享系统，要保证对应的信息资源能被随时可靠访问到，通常需要将信息资源存储在云存储或者存储集群等安全可靠且持久在线的地方，从而产生对云存储等不同程度的依赖，削弱了整个系统去中心化的实际效果。③由于区块链网络本身运行机制的制约，区块链信息资源共享系统支持的交易速度相对较低，特别是公有链的实际交易速度远低于当前主流的有中心系统的实际交易速度，也低于联盟链和私有链的实际交易速度，适用于低频次交易场合。这在大规模的信息资源共享环境中易形成瓶颈。④由于区块链的不可更改特性，记录在区块链区块中的数据、信息可以查看，但无法更改，不能删除，也难以屏蔽，即便信息被证明是错误的和非法的。这给信息资源的监督和管理带来了巨大挑战。
 此外从实现的角度来看，由于与区块链伴生的虚拟货币的总数量是有限的，比如比特币的总量约为2100万枚，因此利用区块中的coinbase字段来存储信息时，所能存储的信息的总条目数也是有限的，这对面向海量信息的信息资源共享系统十分不利。若以某种方式利用交易的输出部分储存信息，所能存储的信息的总条目数不受限制，但虚拟货币的支付方向和信息资源的传递方向相同，不能很好地支撑信息资源交易和交换，且该行为还会导致相应信息的控制权转移，这也是一大缺陷。
 基于区块链的信息资源共享模式及相应系统的这些缺点主要源于当前区块链网络、区块链及其技术的制约和不足。要克服这些缺点需对现有的区块、区块链及其共识机制、运行机制，甚至区块链网络做较大改进。
5 结 语
 区块链不是比特币。目前区块链主要应用于金融领域，正逐渐向金融领域之外的供应链、能源、教育等其它领域迅速扩展[24-26]，而在信息资源服务领域中的应用尚处于早期尝试阶段。典型的区块、区块链、区块链网络是面向虚拟货币及金融领域的，在应用到信息资源服务领域时，则存在一些不适应的地方。要使区块链用于信息资源存储和共享，满足信息资源存储和共享的需求，还须对区块的结构和容量、区块链及其共识机制和运行机制，甚至区块链网络底层传播机制进行必要改进。同时，区块链及其技术本身仍存在一些关键问题需要解决，比如区块链的软硬分叉问题[27,28]、“不可能三角”问题[29]，智能合约的法律效力问题[30]，且未来发展方向还存在某种程度的不确定性[31]。区块链在信息资源服务领域中的规模化应用尚需时日。在存储和共享用户交互信息方面，基于区块链的信息资源共享系统将与基于云的信息资源共享系统形成竞争，而在存储和共享内容资源方面，将与基于Web的信息资源共享系统形成竞争。区块链是实现大数据的另一种途径。基于区块链的信息资源共享系统实现了基于分享的共享和对共享共用行为的完整、可信、公开记录，参与者可随时查看、统计、核对交互信息，解决了信息资源共享中的信息不对称问题。区块链将促使电子商务C2C模式在信息资源服务领域中兴起，对普遍采用B2B或B2G电子商务模式的数字图书馆、商业数据库的运营会造成一定冲击。基于区块链的信息资源共享，在共享内容资源时需借助云存储等集中存储方式和设施，因而不能实现彻底去中心化，但仍能达到去中介的目的。区块链将对当前作为中心或中介的文献和信息服务机构形成严峻挑战。尽管区块链及其技术还存在一些问题，尽管实现各种模式的区块链信息资源共享系统仍需克服诸多困难，但是文献和信息服务机构应当对区块链及其发展给予足够重视，持续跟踪区块链及其技术、产业、应用等的发展动态，并积极行动起来，利用区块链促进自身转型发展，为信息资源服务领域可能到来的颠覆性变革做好准备。