區(qū)塊鏈與分享型數(shù)據(jù)庫(kù)

錢(qián)衛(wèi)寧，金澈清，邵奇峰，周傲英

華東師范大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200062

摘要：區(qū)塊鏈可以實(shí)現(xiàn)無(wú)中心、高可信的賬本管理，成功支撐了比特幣等金融領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展。區(qū)塊鏈的本質(zhì)是在不完全可信環(huán)境中的可信數(shù)據(jù)管理，它具有去中心化、防篡改、強(qiáng)一致和完整性等特性。同時(shí)，區(qū)塊鏈也存在著數(shù)據(jù)管理功能弱、性能低等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比區(qū)塊鏈和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理技術(shù)，分析3個(gè)典型的金融領(lǐng)域以外的區(qū)塊鏈應(yīng)用，探討區(qū)塊鏈上新的研究問(wèn)題，并討論面向特定領(lǐng)域應(yīng)用，研發(fā)分享型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（即支持核心業(yè)務(wù)，支撐分享經(jīng)濟(jì)業(yè)務(wù)模式，甚至本身也是以分享經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)）的必要性。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；分享型數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)管理

doi:10.11959/j.issn.2096-0271.2018004

論文引用格式：錢(qián)衛(wèi)寧, 金澈清, 邵奇峰, 等. 區(qū)塊鏈與分享型數(shù)據(jù)庫(kù)[J]. 大數(shù)據(jù), 2018, 4(1): 36-45.

QIAN W N, JIN C Q, SHAO Q F, et al. Blockchain and sharing database[J]. Big Data Research, 2018, 4(1): 36-45.

1? 區(qū)塊鏈

自2008年10月31日署名為“中本聰”的比特幣（Bitcoin）文章發(fā)布以來(lái)，加密數(shù)字貨幣已經(jīng)展示了構(gòu)建一個(gè)大型、去中心的分布式賬本的可能性。2014年10月22日， 在大英圖書(shū)館舉辦的盛寶銀行研討會(huì)中，多位發(fā)言人都認(rèn)為在比特幣風(fēng)潮的背后，區(qū)塊鏈（blockchain）是真正有趣的技術(shù)。幾乎同時(shí)，相對(duì)于比特幣的“區(qū)塊鏈1.0”技術(shù)，被認(rèn)為是“區(qū)塊鏈2.0”技術(shù)代表的以太坊[1]項(xiàng)目發(fā)布，而Hyperledger項(xiàng)目也隨后在2015年發(fā)布。時(shí)至今日，區(qū)塊鏈已成為一大批應(yīng)用的支撐技術(shù)。

雖然區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展迅速，區(qū)塊鏈系統(tǒng)、平臺(tái)、應(yīng)用層出不窮，但是它們大都具備以下5個(gè)特點(diǎn)。

首先，它們都具有鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。數(shù)據(jù)或交易信息被組織成區(qū)塊；一系列區(qū)塊構(gòu)成鏈；通過(guò)對(duì)前趨區(qū)塊進(jìn)行數(shù)字簽名，并將簽名放入后繼區(qū)塊，構(gòu)造、維護(hù)區(qū)塊間的鏈接關(guān)系。區(qū)塊內(nèi)交易信息的順序組織以及區(qū)塊間的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)能夠準(zhǔn)確記錄交易流水，實(shí)現(xiàn)賬本的功能。

圖1 區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

其次，區(qū)塊鏈?zhǔn)欠来鄹牡摹^(qū)塊內(nèi)常用Merkle-tree[2]或其變種生成區(qū)塊的摘要信息，用于區(qū)塊內(nèi)容正確性校驗(yàn)，而因?yàn)榍摆厖^(qū)塊的簽名是后繼區(qū)塊的一部分，所以一個(gè)區(qū)塊其實(shí)包含了自鏈?zhǔn)组_(kāi)始的全部信息的摘要，可用于之前信息是否篡改的校驗(yàn)。換言之，要修改一個(gè)已記錄在區(qū)塊鏈中的交易，需要修改其所在區(qū)塊后的所有區(qū)塊內(nèi)容，這往往需要極大的計(jì)算量或系統(tǒng)中大量節(jié)點(diǎn)的配合，因此通常難以實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)了防篡改。

第三，區(qū)塊鏈的存儲(chǔ)是分布式、去中心的，不依賴(lài)于單一中心節(jié)點(diǎn)。區(qū)塊鏈被多副本地存放在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上。區(qū)塊鏈的更新需保持副本的同步更新。根據(jù)需要，節(jié)點(diǎn)間的分布式共識(shí)協(xié)議可以采用工作量證明（proof of work，POW）、實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（practical Byzantine fault tolerance， PBFT）[3]、拜占庭容錯(cuò)Paxos[4,5]或權(quán)益證明（proof of stake，POS）等。雖然去中心的架構(gòu)擺脫了單點(diǎn)故障的問(wèn)題，提升了系統(tǒng)的頑健性和防篡改的能力，但同時(shí)分布式共識(shí)協(xié)議也導(dǎo)致了較大的數(shù)據(jù)修改時(shí)延和很低的系統(tǒng)吞吐率。

第四，雖然支撐比特幣的區(qū)塊鏈只能支持簡(jiǎn)單的交易記錄和查詢(xún)，但是新的區(qū)塊鏈平臺(tái)大都支持智能合約。智能合約指“以數(shù)字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執(zhí)行這些承諾的協(xié)議”。它常用圖靈完備的通用編程語(yǔ)言或?qū)Ｓ谜Z(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，用以定義區(qū)塊鏈平臺(tái)中復(fù)雜的商業(yè)邏輯。錯(cuò)誤的智能合約實(shí)現(xiàn)可能引發(fā)嚴(yán)重的系統(tǒng)安全問(wèn)題[6]。

第五，當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)和系統(tǒng)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是它們常和金融應(yīng)用（如加密貨幣、分布式賬本[7]、單據(jù)管理、首次代幣發(fā)售和眾籌[8]、慈善等）緊密關(guān)聯(lián)。區(qū)塊鏈技術(shù)以分布式、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，提供了可信的賬本管理功能。

目前已有大量工作探索區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)理論、實(shí)現(xiàn)方法、應(yīng)用模型。本文試圖從數(shù)據(jù)管理的角度梳理區(qū)塊鏈技術(shù)，并從3個(gè)區(qū)塊鏈應(yīng)用出發(fā)，討論區(qū)塊鏈技術(shù)研究的需求與挑戰(zhàn)。

2 ?數(shù)據(jù)管理的本質(zhì)

在討論區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)管理問(wèn)題之前，首先簡(jiǎn)要介紹數(shù)據(jù)管理的核心問(wèn)題。

廣義的數(shù)據(jù)管理包含數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、處理、利用等各個(gè)方面的問(wèn)題。數(shù)據(jù)管理任務(wù)通常由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（database management system，DBMS）和相關(guān)工具承擔(dān)。自20世紀(jì)70年代關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)理論誕生以來(lái)， 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（relational database management system，RDBMS）由于其在各類(lèi)數(shù)據(jù)管理應(yīng)用，特別是“關(guān)鍵任務(wù)（missioncritical）”應(yīng)用中表現(xiàn)出的良好易用性、通用性和性能，成為大量數(shù)據(jù)管理任務(wù)的首要甚至是唯一選擇。伴隨著RDBMS產(chǎn)業(yè)的壯大，數(shù)據(jù)庫(kù)理論以及存儲(chǔ)、索引、查詢(xún)執(zhí)行、查詢(xún)優(yōu)化、事務(wù)處理、并發(fā)控制等一系列數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)發(fā)展迅速[9-11]。

數(shù)據(jù)管理的核心問(wèn)題包括數(shù)據(jù)及其處理方法的建模、數(shù)據(jù)管理任務(wù)實(shí)施和管理、系統(tǒng)性能優(yōu)化及其實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)的運(yùn)維等多個(gè)方面。

2.1? 數(shù)據(jù)模型抽象

數(shù)據(jù)模型的管理是數(shù)據(jù)管理的重要任務(wù)。數(shù)據(jù)模型包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作以及數(shù)據(jù)的完整性約束。正是由于提供了數(shù)據(jù)模型的抽象，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)才能服務(wù)于不同應(yīng)用，以統(tǒng)一的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查功能。

應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)模型是關(guān)系模型（relational model）。它將集合論和數(shù)理邏輯作為理論基礎(chǔ)，將被廣泛接受和使用的SQL語(yǔ)言用于數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)控制和事務(wù)控制。SQL語(yǔ)言是聲明型語(yǔ)言，與過(guò)程型的語(yǔ)言相比，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用的過(guò)程。

由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的巨大成功，很多時(shí)候，談?wù)摂?shù)據(jù)管理時(shí)就是指采用RDBMS進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。實(shí)際數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)模型常是關(guān)系模型的擴(kuò)展，如 對(duì)象—關(guān)系模型（object-relational model），它在關(guān)系模型的基礎(chǔ)上添加了用戶(hù)定義類(lèi)型（UDT）、用戶(hù)定義函數(shù)（UDF）、觸發(fā)器（trigger）等功能[12]。

2.2 ?數(shù)據(jù)處理抽象

數(shù)據(jù)模型是對(duì)數(shù)據(jù)的抽象，而事務(wù)則是對(duì)數(shù)據(jù)處理流程的抽象。在RDBMS中，事務(wù)同樣由SQL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。事務(wù)需要滿(mǎn)足事務(wù)語(yǔ)義，即“ACID”性質(zhì)，指事務(wù)的原子性（atomicity）、一致性（consistency）、隔離性（isolation）和持久性（durability）。正是由于有了事務(wù)處理，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)才可以實(shí)現(xiàn)以記賬和訂票為代表的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)管理，在充分利用系統(tǒng)硬件資源的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)正確且高效（低時(shí)延、高通量）的數(shù)據(jù)處理[11]。

為了實(shí)現(xiàn)事務(wù)處理，DBMS提供了并發(fā)控制和恢復(fù)機(jī)制，前者主要用以保障事務(wù)的一致性和隔離性，而后者則主要保障原子性和持久性。DBMS中常需要維護(hù)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)副本之間的一致性，如多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間或磁盤(pán)與緩存之間的一致性。這些副本存在于一個(gè)相對(duì)可信的系統(tǒng)環(huán)境內(nèi)部，因此其一致性維護(hù)需求不同于區(qū)塊鏈中分布式共識(shí)機(jī)制面對(duì)的需求。

在恢復(fù)機(jī)制中，常采用數(shù)據(jù)庫(kù)日志記錄對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的操作和事務(wù)的提交、終止操作。數(shù)據(jù)庫(kù)日志從形式上與區(qū)塊鏈中順序記錄的交易流水類(lèi)似。它們的不同點(diǎn)在于， DBMS中的日志存儲(chǔ)介質(zhì)是可信的，一般并不采用簽名對(duì)整個(gè)日志序列進(jìn)行防篡改保護(hù)。另外，DBMS中的日志通常只在數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)時(shí)使用，而在很多區(qū)塊鏈平臺(tái)中，交易流水記錄是唯一的數(shù)據(jù)，因此也是數(shù)據(jù)查詢(xún)的對(duì)象。

DBMS提供多種形式的事務(wù)接口。存儲(chǔ)過(guò)程是一種常用的事務(wù)形式，它是預(yù)先編寫(xiě)好的事務(wù)程序，存儲(chǔ)于服務(wù)器，被客戶(hù)端調(diào)用后執(zhí)行，并在執(zhí)行結(jié)束后將執(zhí)行結(jié)果返回給客戶(hù)端。

為了解決客戶(hù)端用過(guò)程型語(yǔ)言編寫(xiě)的程序和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器聲明型語(yǔ)言的集合數(shù)據(jù)訪問(wèn)之間的“阻抗失配（impedance mismatch）”問(wèn)題，DBMS通常提供游標(biāo)（cursor）功能，供客戶(hù)端程序以逐行記錄為單位與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行交互。

2.3 ?獨(dú)立性與透明性

DBMS提供的接口是聲明型的，其由系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)提供了三層視圖和兩層映射，即視圖（外模式）—概念模式（模式）—物理模式（內(nèi)模式）三者之間的映射，如圖2所示[10]。這樣，當(dāng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組織變化或應(yīng)用需求變化時(shí)，只需要修改相應(yīng)的模式映射關(guān)系，不用修改系統(tǒng)的其他部分，從而節(jié)約了系統(tǒng)和應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本。

圖2 數(shù)據(jù)管理的三層視圖、兩層映射

2.4 ?性能

提供數(shù)據(jù)管理獨(dú)立性與透明性的同時(shí)， DBMS將應(yīng)用開(kāi)發(fā)者隔離在查詢(xún)執(zhí)行和事務(wù)執(zhí)行的具體細(xì)節(jié)之外，承擔(dān)了大部分的性能優(yōu)化問(wèn)題。而性能是DBMS數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵問(wèn)題。最早的RDBMS——S ystem R的主要開(kāi)發(fā)者之一Bruce Lindsay認(rèn)為數(shù)據(jù)庫(kù)世界最重要的事情就是系統(tǒng)性能[13]。現(xiàn)代DBMS通過(guò)緩存、索引、查詢(xún)執(zhí)行、查詢(xún)優(yōu)化、并發(fā)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)查詢(xún)和事務(wù)的計(jì)劃優(yōu)化和執(zhí)行優(yōu)化，如圖3所示。近年來(lái)，隨著大容量?jī)?nèi)存、高速網(wǎng)絡(luò)、多核/眾核處理機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步，現(xiàn)代DBMS也常通過(guò)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)和事務(wù)的并行執(zhí)行等技術(shù)提升系統(tǒng)性能。

圖3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能體系結(jié)構(gòu)概覽

2.5 ?工具與編程接口

除數(shù)據(jù)模式管理、查詢(xún)和事務(wù)處理以外，DBMS的管理、運(yùn)維工具也是數(shù)據(jù)管理中的重要方面。1998年圖靈獎(jiǎng)獲得者Jim Gray認(rèn)為，易用、易管理是數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的重要目標(biāo)[14]。此外，隨著近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的規(guī)模越來(lái)越大，涉及的子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)源數(shù)目也逐步增加，因此數(shù)據(jù)集成也是數(shù)據(jù)管理的重要方面，需要專(zhuān)門(mén)的工具配合DBMS使用[15]。

3 ?作為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的區(qū)塊鏈

從數(shù)據(jù)管理角度看，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)構(gòu)建在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)上、采用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)的可信數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。將區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，有助于發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、實(shí)現(xiàn)方法的新研究問(wèn)題，也有助于為這種新的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)尋找新應(yīng)用，為改造現(xiàn)有的技術(shù)和系統(tǒng)、適配新型應(yīng)用提供啟發(fā)。

3.1 技術(shù)對(duì)比

表1列舉了區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)RDBMS的主要相似點(diǎn)和區(qū)別。首先，兩者都有順序組織的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，區(qū)別只在于其作用不同，區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)就是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組織形式，而RDBMS的日志則主要用于數(shù)據(jù)恢復(fù)。區(qū)塊鏈中并不單獨(dú)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的當(dāng)前狀態(tài)，而數(shù)據(jù)庫(kù)的快照是RDBMS中支撐索引、查詢(xún)等優(yōu)化技術(shù)的基礎(chǔ)。

表 1　區(qū)塊鏈與 DBMS 對(duì)比

其次，RDBMS通常只提供一定程度的硬件容錯(cuò)，但并不支持防篡改。防篡改是區(qū)塊鏈在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中確保數(shù)據(jù)可信的最重要特性。

第三，區(qū)塊鏈，特別是公有鏈，是完全去中心化的，構(gòu)建于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。即使是聯(lián)盟鏈，雖然有些系統(tǒng)采用主鏈—支鏈的形式組織節(jié)點(diǎn)，但是區(qū)塊鏈的各項(xiàng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制都假設(shè)無(wú)中心節(jié)點(diǎn)存在。與之相反，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)都是強(qiáng)中心的，且認(rèn)為中心節(jié)點(diǎn)是可信的。這直接導(dǎo)致了在確保數(shù)據(jù)一致性時(shí)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用的分布式共識(shí)算法通常只在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中用以維護(hù)元數(shù)據(jù)。這是兩者性能差異巨大的最主要原因。

第四，當(dāng)前的主要區(qū)塊鏈平臺(tái)并不提供所管理數(shù)據(jù)的模式管理。因此數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式也相應(yīng)地只提供過(guò)程型的應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）。缺乏聲明型的接口為復(fù)雜數(shù)據(jù)管理任務(wù)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)制造了困難，也成了區(qū)塊鏈系統(tǒng)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)交互和銜接的屏障。

此外，智能合約與RDBMS中的觸發(fā)器和存儲(chǔ)過(guò)程具有相似性。值得注意的是，在很多大型的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中，為了保持高性能以及遺留代碼的可維護(hù)性，常避免采用觸發(fā)器和存儲(chǔ)過(guò)程。

最后，區(qū)塊鏈和傳統(tǒng)RDBMS面向的應(yīng)用不同，區(qū)塊鏈正在承擔(dān)越來(lái)越多的金融領(lǐng)域跨部門(mén)、跨機(jī)構(gòu)、跨組織甚至跨行業(yè)的可信數(shù)據(jù)管理任務(wù)。

區(qū)塊鏈和RDBMS的區(qū)別不僅體現(xiàn)在架構(gòu)、功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)上，還體現(xiàn)在性能上。當(dāng)前性能較好的區(qū)塊鏈平臺(tái)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)吞吐率見(jiàn)表2[16]。而根據(jù) 事務(wù)處理性能委員會(huì)（TPC）的數(shù)據(jù)，在TPC-C基準(zhǔn)評(píng)測(cè)下，吞吐率能達(dá)到近5萬(wàn) TPS（transaction per second）。需要注意的是，TPC-C的負(fù)載復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)前區(qū)塊鏈平臺(tái)能支持的查詢(xún)和事務(wù)處理復(fù)雜度。和RDBMS相比，區(qū)塊鏈的性能劣勢(shì)限制了它在很多需要承受高負(fù)載壓力的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的推廣和使用。

表 2　部分區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能

3.2 面向領(lǐng)域的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施、應(yīng)用開(kāi)發(fā)邏輯是“一體適用（one-size-fitsall）”的，即DBMS是通用的，適用于任何領(lǐng)域的任何（結(jié)構(gòu)化）數(shù)據(jù)管理任務(wù)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展也依賴(lài)于這一指導(dǎo)思想。2005年，Stonebraker M[17]對(duì)這一指導(dǎo)思想提出了疑問(wèn)。10年以后，獲得2014年度圖靈獎(jiǎng)的Stonebraker M則很明確地宣告?zhèn)鹘y(tǒng)DBMS不再適用于任何應(yīng)用場(chǎng)合[18]。這既是由于新硬件的快速發(fā)展顛覆了傳統(tǒng)DBMS研發(fā)時(shí)基于的假設(shè)，也是因?yàn)閼?yīng)用的多樣性導(dǎo)致一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化、平衡所有功能和性能指標(biāo)是不可能的。

隨后，另一位重要的數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)者Carey M[19]提出了更具建設(shè)性的指導(dǎo)思想，即“分類(lèi)適用（one size fits a bunch）”，針對(duì)一個(gè)特定領(lǐng)域的特定需求，設(shè)計(jì)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，例如高通量事務(wù)處理需要NewSQL系統(tǒng)、聯(lián)機(jī)分析處理（online analytical processing，OLAP）需要列存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)、文本搜索需要檢索系統(tǒng)、海量和流數(shù)據(jù)處理需要流數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理和處理需要圖數(shù)據(jù)庫(kù)，不一而足[20]。

區(qū)塊鏈正是滿(mǎn)足加密貨幣應(yīng)用的可信記賬需求而生的專(zhuān)用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。于是，有兩個(gè)問(wèn)題：區(qū)塊鏈?zhǔn)欠褚策m用于其他可信數(shù)據(jù)管理任務(wù)？如何借鑒區(qū)塊鏈技術(shù)解決更廣泛或其他領(lǐng)域的可信數(shù)據(jù)管理問(wèn)題？

4 ?應(yīng)用與討論

4.1 ?應(yīng)用1：基于區(qū)塊鏈的智能倉(cāng)單管理系統(tǒng)

2016年，針對(duì)鋼鐵商品倉(cāng)單抵押常見(jiàn)的虛假倉(cāng)單、重復(fù)抵押等問(wèn)題，研發(fā)了基于區(qū)塊鏈的智能倉(cāng)單管理系統(tǒng)，提供倉(cāng)單生成、流通、交易等各環(huán)節(jié)的可信管理，其應(yīng)用架構(gòu)如圖4所示[21]。這是一個(gè)典型的聯(lián)盟鏈應(yīng)用，相互協(xié)作的多個(gè)節(jié)點(diǎn)（機(jī)構(gòu)）通過(guò)區(qū)塊鏈共同管理倉(cāng)單數(shù)據(jù)和倉(cāng)單的交易、流通信息。與比特幣不同，鏈上的節(jié)點(diǎn)對(duì)信息的操作和使用方式不同。鏈上有倉(cāng)單的擁有者（貨主）、管理者（倉(cāng)庫(kù)）、監(jiān)管者（監(jiān)管公司）、查詢(xún)者（金融機(jī)構(gòu)）以及倉(cāng)單抵押、流通、交易過(guò)程中涉及的扮演各種角色的節(jié)點(diǎn)。

圖4 ?區(qū)塊鏈的智能倉(cāng)單管理系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

針對(duì)倉(cāng)單數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)模式管理。參與單位常需要同時(shí)對(duì)鏈上的倉(cāng)單信息和本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)而進(jìn)行分析處理。系統(tǒng)在區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了鏈上、鏈下數(shù)據(jù)的一體化查詢(xún)處理。

4.2 ?應(yīng)用2：數(shù)據(jù)流通

安全屋是上海優(yōu)刻得信息科技有限公司的數(shù)據(jù)流通云服務(wù)平臺(tái)。數(shù)據(jù)在安全屋內(nèi)共享，進(jìn)行分析處理。在安全屋內(nèi)，一切數(shù)據(jù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)處理行為都被監(jiān)管與審計(jì)，只有數(shù)據(jù)處理結(jié)果可被“帶出”安全屋。系統(tǒng)中進(jìn)出的數(shù)據(jù)與處理過(guò)程都使用區(qū)塊鏈進(jìn)行記錄，供后續(xù)審計(jì)和分析使用。

當(dāng)前的區(qū)塊鏈技術(shù)不足以支撐安全屋的所有記錄和監(jiān)管需求。一方面，數(shù)據(jù)分析包含大量機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法處理，比單純的交易記錄和事務(wù)處理要復(fù)雜很多，數(shù)據(jù)處理的記錄方式以及后續(xù)的審計(jì)方法都需要進(jìn)一步探索。另一方面，安全屋內(nèi)數(shù)據(jù)處理流程審計(jì)的本質(zhì)是對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)處理過(guò)程的回溯查詢(xún)[22]，當(dāng)前的區(qū)塊鏈平臺(tái)對(duì)于回溯查詢(xún)支持仍較弱。

4.3 ?應(yīng)用3：政府治理

政府擁有大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。依賴(lài)這些數(shù)據(jù)，可進(jìn)行精確、及時(shí)的政府治理。近年來(lái)，在我國(guó)的一些大中型城市，已經(jīng)出現(xiàn)一批利用交通監(jiān)控、社交媒體、行人騎行等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行城市規(guī)劃、城市管理的成功案例。

政府治理不僅依賴(lài)自身各職能部門(mén)的數(shù)據(jù)，也使用來(lái)自于企業(yè)和社會(huì)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的分享、使用需要在一個(gè)統(tǒng)一、有監(jiān)管的平臺(tái)上進(jìn)行，區(qū)塊鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)平臺(tái)的自然選擇。與加密貨幣的去中心化不同，政府治理可能是多中心或者弱中心的，節(jié)點(diǎn)在一定程度上可被認(rèn)為是可信的。區(qū)塊鏈的架構(gòu)、共識(shí)機(jī)制設(shè)計(jì)，乃至數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式、模型管理、查詢(xún)和事務(wù)處理技術(shù)都需要面向政府治理進(jìn)行裁剪和定制。

4.4 ?討論

秉持“分類(lèi)適用”的思想，可以看到，當(dāng)前面向金融應(yīng)用的區(qū)塊鏈系統(tǒng)并非適用于所有領(lǐng)域。筆者認(rèn)為，區(qū)塊鏈技術(shù)在以下3方面值得進(jìn)一步深入探索。

首先，面向弱可信的弱中心或多中心的應(yīng)用環(huán)境，可信數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)架構(gòu)是一個(gè)重要問(wèn)題。很多關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用都處在這樣的環(huán)境中，且社會(huì)的組織架構(gòu)本身以及政府職能部門(mén)監(jiān)管要求，共同決定了絕對(duì)的去中心化系統(tǒng)的適用范圍并不大。這就需要重新審視區(qū)塊鏈本身的結(jié)構(gòu)，研發(fā)更適合場(chǎng)景的系統(tǒng)。

在多中心的架構(gòu)下，華盛頓大學(xué)研發(fā)的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)[23]上的數(shù)據(jù)管理原型系統(tǒng)Piazza[24]是一個(gè)有益的參考。Piazza系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)自身的數(shù)據(jù)；節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)模式可能不同；節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)間維護(hù)著數(shù)據(jù)模式的映射；一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的查詢(xún)利用模式映射翻譯后可在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)上傳播，從而訪問(wèn)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。這一組織方式比當(dāng)前區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)全量備份更靈活。當(dāng)然， Piazza的數(shù)據(jù)管理機(jī)制欠缺對(duì)于防篡改和事務(wù)處理的支持也很薄弱，還有大量工作值得探索和嘗試。

其次是系統(tǒng)的性能[16]。無(wú)論是分布式共識(shí)機(jī)制、事務(wù)處理，還是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組織、索引、查詢(xún)乃至分析處理，區(qū)塊鏈系統(tǒng)都有極大的性能優(yōu)化和提升空間。而且?guī)缀跛袘?yīng)用都對(duì)區(qū)塊鏈的性能有較高的要求。

最后，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)天然地保留了數(shù)據(jù)的歷史記錄，然而當(dāng)前的區(qū)塊鏈系統(tǒng)對(duì)回溯查詢(xún)[22]的支持仍然薄弱，而回溯查詢(xún)對(duì)于審計(jì)、監(jiān)管等區(qū)塊鏈應(yīng)用而言又是必需的。因此，筆者認(rèn)為實(shí)現(xiàn)高效、靈活的回溯查詢(xún)機(jī)制對(duì)于拓展區(qū)塊鏈應(yīng)用場(chǎng)景具有重要意義。此時(shí)，回溯不僅指對(duì)交易歷史記錄的回溯，也包括對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)分析處理過(guò)程的回溯。

5 ?分享型數(shù)據(jù)庫(kù)

區(qū)塊鏈部分地解決了金融應(yīng)用中無(wú)中心的信任問(wèn)題。在更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景中，如何在不依賴(lài)信用的前提下建立信任，是重要的研究問(wèn)題。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域首先通過(guò)線(xiàn)上（online）數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)線(xiàn)下（offline）虛擬或物質(zhì)物品的分享，以實(shí)現(xiàn)資源的合理利用和價(jià)值提升。這一過(guò)程在共享單車(chē)的迅速崛起并隨之暴露大量的企業(yè)管理、政府治理、用戶(hù)行為問(wèn)題的歷程中得到了充分的體現(xiàn)。共享單車(chē)等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展說(shuō)明我國(guó)在商業(yè)模式創(chuàng)新方面已經(jīng)走到了世界的前沿，商業(yè)模式的創(chuàng)新能否轉(zhuǎn)化為科技創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力則是一個(gè)國(guó)家創(chuàng)新能力的標(biāo)志。需要發(fā)展新的數(shù)據(jù)管理技術(shù)來(lái)為企業(yè)的日常運(yùn)營(yíng)、城市的有效治理提供有力的支撐。

能支撐新的數(shù)據(jù)管理需求的系統(tǒng)可以稱(chēng)為“分享型數(shù)據(jù)庫(kù)（sharing database）”，它應(yīng)能支持核心業(yè)務(wù)（mission-critical application），支撐分享經(jīng)濟(jì)業(yè)務(wù)模式（business model），甚至本身也是以分享經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)的分享經(jīng)濟(jì)時(shí)代的數(shù)據(jù)庫(kù)。區(qū)塊鏈已經(jīng)展示了面向特定領(lǐng)域應(yīng)用，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)的可能性。但在更多的領(lǐng)域，需要類(lèi)似區(qū)塊鏈的分享型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)解決可信數(shù)據(jù)管理的問(wèn)題。

分享型數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)秉承“分類(lèi)適用”的理念，與領(lǐng)域和應(yīng)用緊密結(jié)合。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)不同，分享型數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)形態(tài)將是多樣的：對(duì)于涉及“人—財(cái)—物”的應(yīng)用，提供完善的事務(wù)處理機(jī)制以及一體化的數(shù)據(jù)獲取和管理；對(duì)于復(fù)雜數(shù)據(jù)的管理，提供結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型和模式的管理；對(duì)于涉及數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用，提供豐富的時(shí)序和回溯查詢(xún)支持；對(duì)于涉及數(shù)據(jù)處理審計(jì)的應(yīng)用，則在日志的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)事務(wù)、統(tǒng)計(jì)乃至機(jī)器學(xué)習(xí)算法處理流程和結(jié)果的理解和記錄；分享型數(shù)據(jù)庫(kù)的架構(gòu)也與應(yīng)用相對(duì)應(yīng)，可能是去中心的，也可能是弱中心或者多中心的。

信息化是業(yè)務(wù)發(fā)展和改革的基礎(chǔ)，很多時(shí)候也是改革的先鋒，甚至引領(lǐng)應(yīng)用創(chuàng)新。筆者相信，與區(qū)塊鏈促進(jìn)了金融技術(shù)（FinTech）的演進(jìn)一樣，分享型數(shù)據(jù)庫(kù)將伴隨分享經(jīng)濟(jì)而快速發(fā)展。

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作　者　簡(jiǎn)　介

錢(qián)衛(wèi)寧（1976-），男，華東師范大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)管理、大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)評(píng)測(cè)基準(zhǔn)、社交媒體數(shù)據(jù)分析、知識(shí)圖譜構(gòu)建與應(yīng)用等。

?

金澈清（1977-），男，華東師范大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榛谖恢玫姆?wù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、不確定數(shù)據(jù)管理、區(qū)塊鏈等。

?

邵奇峰（1976-），男，中原工學(xué)院軟件學(xué)院副教授，華東師范大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與工程學(xué)院訪問(wèn)學(xué)者，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)、區(qū)塊鏈。

?

周傲英（1965-），男，華東師范大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、副校長(zhǎng)，數(shù)據(jù)科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)閃eb數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)密集型計(jì)算、內(nèi)存集群計(jì)算、分布事務(wù)處理、大數(shù)據(jù)基準(zhǔn)測(cè)試和性能優(yōu)化。

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《大數(shù)據(jù)》期刊

《大數(shù)據(jù)（Big?Data?Research，BDR）》雙月刊是由中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部主管，人民郵電出版社主辦，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)大數(shù)據(jù)專(zhuān)家委員會(huì)學(xué)術(shù)指導(dǎo)，北京信通傳媒有限責(zé)任公司出版的科技期刊。

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總結(jié)

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