朱白 李寅

摘要：建立了基于区块链技术的数字图书馆场景化分层应用模型体系架构，并详细介绍了各层的关键功能组件和核心服务模块，最后与传统数字图书馆应用场景进行综合对比分析。结果表明，相比传统数字图书馆应用服务场景，区块链技术在数字图书馆场景化应用中安全可信，能进一步增强数字图书馆系统架构的互操作性及可扩展性，并进一步实现图书馆异构数字资源的安全流通。

关键词：区块链技术;数字图书馆;场景化应用;分层模型体系;架构设计

中图分类号：G250.7         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）18-0127-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.18.026 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The application model of digital library scene based on blockchain technology

ZHU Bai， LI Yin

（Shangluo University， Shangluo  726000， Shaanxi， China）

Abstract： A hierarchicaliy scenario application model architecture of digital library based on the blockchain technology was built， and the key functional components and core service modeles of each layer in detail were introduced， finally the comprehensive and comparative analysis with the traditional digital library application scenarios was made. Results showed that the comparative analysis of the traditional and the blockchain technology service scenarios， the blockchain technology applied to the scenario application of digital library was safe and reliable， and could solve the credibility of digital library resources effectively， enhance the interoperability and scalability of the system architecture， and further realize the safe circulation of the heterogeneous digital resources.

Key words： blockchain technology; digital library; scenario application; hierarchical model system; architecture design

隨着科学技术的不断进步，比特币走入人们的视野，而区块链技术作为比特币底层技术之一，在各行业得到了应用。《文化部“十三五”时期文化发展改革规划》指出要“推动公共数字文化建设，加快数字图书馆、文化馆、博物馆、美术馆建设，统筹实施重大公共数字文化建设工程，加强数字产品和服务的开发，提高优质资源供给能力。”“统筹实施全国文化信息资源共享工程、数字图书馆推广工程和公共电子阅览室建设计划，完善国家公共文化数字支撑平台，建设国家基本公共数字文化资源库。”[1] 区块链技术是继大数据、云计算、物联网后的又一项颠覆性技术，是现代信息社会最前沿的技术之一，已被列入《“十三五”国家信息化规划》，并明确将其定位为长期战略性前沿技术，指出该技术是未来五年提供数字化、网络化、智能化服务的关键技术之一[2]。2019年1月10日，国家互联网信息办公室发布《区块链信息服务管理规定》[3]，要求区块链信息服务提供者应当在提供服务之日起10个工作日内通过区块链信息服务备案管理系统填报备案信息，可见国家对区块链技术的重视，同时也标志国家对以区块链技术提供的服务进行正式的监管，从而为区块链技术的安全化、规范化应用打下坚实基础。2019年10月24日，在中央政治局第十八次集体学习时，习近平总书记强调，“把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口”“加快推动区块链技术和产业创新发展”。区块链已走进大众视野，成为社会的关注焦点[4，5]。随着区块链技术在图书馆领域的应用，将进一步提升数字化智慧图书馆的服务效率和管理质量，同时也为数字图书馆的创新发展注入新的引擎和活力。

1 数字图书馆区块链技术研究现状

区块链技术在图书馆新型应用模式深度契合了智慧化数字图书馆的发展理念。其应用从系统理论到实践研究，已经逐步呈现出精细化、多元化的趋势，有关图书馆区块链技术应用研究的综述也在不断的逐步增加。

截至2020年6月1日，在CNKI上以“图书馆”“区块链”关键字检索期刊，共有相关研究论文100篇，其中核心和CSSCI来源期刊33篇，在这33篇核心论文中，研究最多的是应用理论研究方面，有9篇，其次是版权管理和保护方面，有5篇，其他如信息资源安全共享、云平台智慧阅读、文献采购、个人信息保护、出版交易平台、机构知识库、发展研究、服务升级、数字内容产业链、移动用户行为、新型分层架构、数字资产管理、变革性影响、创新升级、移动视角搜索、隐性知识采集等（表1）。

基于应用角度，武洪兴[6]从区块链技术概念入手，将其特征和三大技术保障与图书馆实际相结合，探讨了区块链技术在图书馆中的应用构想，分析了在图书馆应用中存在的问题，并从国家层面和图书馆层面提出了相应对策;周耀[7]介绍了区块链技术及其核心价值，详细分析了区块链技术在智慧图书馆建设中的优势，设计了基于区块链技术的智慧图书馆应用系统构想，提出了图书馆应持续不断地学习与改革，以期与其他区块链产业的快速发展相同步;秦珂[8]、赵力[9]、汪琼等[10]分别对区块链技术视野下的图书馆数字版权、著作权保护等方面进行了研究;黄敏聪[11]对区块链技术及其对图书馆发展的变革性影响进行了研究;高胜等[12]提出了基于区块链技术的新型分层數字图书馆体系架构。以上研究为数字图书馆应用区块链技术提供了很好的理论借鉴与参考。

2 区块链技术概述及其实现原理

区块链技术是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。它本质上是一个去中心化的数据库，是比特币的底层技术之一，是一串使用密码学算法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一次比特币网络交易的信息，用于验证其信息的有效性和生成下一个区块[13]。分布式账本、非对称加密、共识机制、智能合约是区块链的四大核心技术[14-17]，区块链技术具有去中心化、开放性、独立性、安全性和匿名性等5大特征。

区块链起源于比特币，其发展经历了3个阶段：第一阶段是区块链1.0阶段，2008年11月1日，形成了基于区块链、P2P网络、加密、时间戳等技术的比特币电子现金系统架构理念[18]，2009年1月3日序号为0的创世区块诞生，2009年1月9日出现了序号为1的区块，序号为0的创世区块和序号为1的区块相连接形成了链，标志着区块链的诞生[19]。区块链1.0时代主要突出体现的价值为分布式，没有应用性的功能被具体利用，以基于程序算法的数字货币回报为主，但其发展瓶颈是挖矿高能耗。第二阶段是区块链2.0阶段，区块链依据可以追溯、不可篡改等特性形成了信任基础，为智能合约提供了可信任的执行环境，1994年Szabo[20]最先提出智能合约，2014年Buterin[21]创造了以太坊，将智能合约引入以太坊。智能合约为上层应用的开发提供基础设施支持，智能合约与数字货币相结合，使区块链技术在金融领域的应用场景中得到了更广泛的支持和优化。第三阶段是2018年区块链技术进入3.0阶级，它是由区块链构造的一个全球性分布式记账系统。在这阶段，区块链技术已经能够满足更加复杂的商业逻辑，不再局限于金融行业应用场景，能够对每个互联网中代表价值的信息和字节进行产权确认、存储和计量，使资产在区块链上可以被交易、追踪和控制，解决了各行各业的互信问题与数据传递安全性的技术落地与实现。区块链3.0阶段更加具有实用性，赋能任何一个行业。

区块链的工作原理将一段时间内系统中的任意多个节点与系统交互的数据，通过密码学算法记录到一个区块（Block），然后通过哈希函数生成该区块的哈希值作为数字指纹，供下个链接区块进行验证，发送节点将该新区块数据记录向整个网络进行广播，系统中所有参与节点通过共识算法共同认定记录的真实性，通过认定后的区块被全网节点接受并正式纳入区块链中存储。区块链应用的所有区块按照时间先后顺序链接成一个完整的链条，就是区块链。为确保安全性和可靠性，区块链单链条既可以在最后一个区块后面增加区块，也可以回溯发生的所有交易信息，区块链是在不可信的网络上建立可信的信息交换，通过计算机程序进行开放式总账形式记账，使每个节点可以独立记录在区块链上发生的所有交易，也可以将其记录的数据更新至网络，每个参与维护的节点都能复制获得一份完整数据库的拷贝，可以在无需第三方介入的情况下，实现人与人之间点对点的交易和互动，从而构成了一个去中心化的分布式数据存储。

3 基于区块链技术的图书馆场景化应用分层模型架构设计

图书馆场景化应用分层模型在借鉴传统计算机网络分层管理设计思想的基础上和目前常用的区块链网络模型相结合并进行一定的改进，划分为底层基础设施层、区块链服务架构层和智能场景应用层来进行分层设计，如图1所示。

3.1 底层基础设施层

数字图书馆底层基础设施层为整个架构提供软硬件设施及网络数据传输，软硬件设施包括了计算机设备、网络设备、存储设备。目前可以通过两种方案进行解决，一种是购买物理设备，将这些设备进行分布式部署，从而为区块链计算环境提供支持，通过网络设备实现交易数据的传输，通过存储设备对图书馆数字资源进行区块链式存储，从而实现本地化部署，但其维护成本高，容易造成硬件资源过剩。另一种是购买第三方云服务，目前国内比较成熟的云服务有阿里云、腾讯云、华为云等，均是利用云计算的虚拟化技术进行有效整合分布式、异构的物理资源，可以有效降低部署和维护成本，提高软硬件资源利用率。数字图书馆底层网络数据传输也使用的是目前大部分区块链项目使用的TCP/IP协议，它位于整个互联网协议层中的最上层，融合了传统互联网模型OSI模型底层，采用了P2P网络等传播机制，可以有效通过加快全网节点之间的传播速度来提升全网的确认共识，实现各节点之间的快速发现、广播和通信等。

3.2 区块链服务架构层

数字图书馆的区块链服务架构层是整个架构的服务中枢，是区块链公链自身的底层账本层，包括了区块链的网络层、数据层、共识层和激励层等4个层级。设计思路和出发点是将区块链技术底层账本和上层应用进行分离，让底层账本的重心放在安全性和去中心化上，在性能上可以将需要共识确权的数据上链，从而降低对TPS的需求。

1）区块链数据层。主要负责对区块链的底层数据区块、链表的数据结构等进行封装，包括了数据区块、链式结构、时间戳、哈希函数、Merkle树、非对称加密等设计。对数字图书馆的区块结构进行了设计，每个数据区块 （Block） 分别由区块头和区块体两个部分构成，如图2所示。

区块头用来保存着区块的信息，它主要包括：版本号（大小为4字节，用于跟踪软件/协议的更新）、时间戳（大小为4字节，用于记录该区块具体创建的时间戳）、难度目标（大小为4字节，记录了该区块链工作量证明难度目标）、随机数（大小为4字节，用于验证工作量难度，随机生成，需要相应算力，如比特币挖矿获得）、前一区块的哈希值（大小为32字节，记录了该区块的上一个区块的Hash地址，用于将本区块与前一个区块构建一一对应的映射关系）、默克尔根哈希值（大小为32字节，记录了该区块中交易的Merkle树总根的哈希值）区块体主要包括了Merkle树哈希，可以理解为账本的一种表现形式，记录了当前区块一定时间内经过验证的、区块创建过程中生成的所有交易记录或其他信息，客户要获取存在该区块中的特定数据必须有密钥才行，从而保证了数据在传输过程中的安全性。

2）区块链网络层。主要用来对数字图书馆的区块交易数据进行P2P点对点网络传输，由于区块链技术没有中心化服务器，需要依靠用户点对点交换信息，因此网络层负责和底层基础设施层进行P2P网络对接，以及传播机制和验证机制的实施。图书馆数字资源、服务、信息传输直接在节点进行，无需中间环节服务器的介入，信息传输和服务都分散在各个节点上进行，当一个节点创造出新的区块时会进行广播，其他节点收到该节点信息后对该区块的数据结构、数字签名通过共识算法进行验证，验证通过后在该区块的基础上进行新区块的创建，从而达到共同维护一个底层账本的作用。

3）区块链共识层。由于区块链系统没有中心化机构，因此数字图书馆在进行数据信息传输、价值转移时，需要利用共识机制解决并保证每一笔交易在所有记帐节点上的一致性和正确性。因此在该层封装网络节点的各类共识算法，让高度分散的节点对区块数据有效性达到快速共识，从而形成共识机制。在数字图书馆不同的应用场景，可以采用以下不同的共识算法：

①POW[22]（Proof of Work，工作量证明机制）。通过工作量证明达成共识，是区块链中使用最多的共识算法，比特币和以太坊都是基于工作量证明的共识机制。任何网络节点要想生成新的区块并写入，就必须完成工作量证明流程：生成交易并打包进区块交易列表，通过默克尔树算法生成默克尔根哈希，然后把默克尔根哈希及其他相关字段组装成区块头，将区块头的字节数据作为工作量证明的输入，通过不停变更区块头中的随机数，并对每次变更后的区块头做SHA256运算，如果结果值小于当前网络目标值，则工作量证明完成。

②POS[23]（Proof of Stake，权益证明机制）。通过权益证明达成共识，系统会根据节点持有的区块链系统的权益Token（代币）的数量与时间的乘积（币天数）分配相应的记账权，拥有的越多，获得记账权的概率越大。

③DPOS[24]（Delegated Proof of Stake，委托權益证明机制）。通过委托权益证明达成共识，让拥有Token的人投票给固定的节点，这些节点作为权益人的代理去行使记账的权利。这些获得投票认可的代表根据一定的算法依次获得记账权。不同于POW和POS理论上全网都可以参与记账竞争，DPOS的记账节点在一定时间段内是确定的。

④PBFT[25-27]（Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错）。是一种状态机副本复制算法，每个状态机的副本都保存了服务的状态，要求共同维护一个状态，所有节点采取的行动一致，PBFT算法可以容忍小于1/3的无效或者恶意节点的存在，假设用f来表示PBFT容忍无效或者恶意节点数，那么为了保障整个系统可以正常运转，则需要有2f+1个正常节点，如果用|R|表示系统的总结点数，那么系统的总节点数至少应为3f + 1。考虑到数字图书馆区块链网络环境中，也可能出现与拜占庭将军类似的环境，因此利用PBFT来解决处理由于硬件错误、网络拥塞或中断以及遭到恶意攻击等原因造成的计算机和网络可能出现不可预料的异常行为，从而达成共识目的。

4）区块链激励层。通过设计一定的经济激励模型，形成经济激励的发行机制和分配机制，在区块链技术体系中集成经济因素，鼓励节点参与区块链的安全验证工作。由于数字图书馆的大多应用场景中，区块链中其他节点大部分只参与验证过程，因而数字图书馆联盟可以根据实际应用场景考虑是否采用经济激励。

3.3 智能场景应用层

智能场景应用层可以看作是数字图书馆区块链服务架构层的应用型扩展，包括了区块链的合约层和应用层两个层级，可以是基于区块链技术的应用，也可以是中心化的应用结合，在该层可以通过一系列复杂运算的技术形成智能合约，构建数字图书馆的多种应用场景并达到多链并行的效果。该层的重心放在性能和安全上，并将最终关键数据传输给基础服务架构层上链，其本身利用高性能处理大量数据，达到现实世界对性能的需求。

1）区块链合约层。是区块链作为信任机器的重要层级，在这一层封装数字图书馆各类自动化智能脚本，通过自定义约束条件，把代码写到合约里，实现不需要第三方信任背书，满足条件到时间立即实时操作。

2）区块链应用层。是区块链的展示层，封装了数字图书馆各种应用场景和案例。如图书馆的数字版权管理场景，传统的数字确权只是进行一些形式上的审查，对作品内容后续修改或篡改的真实性甄别难度较大，同时确权还需要中介机构去做，比较费时费力，并且容易受中介机构的人为因素影响，但在应用了区块链技术后，这些问题就会迎刃而解。区块链场景下数字版权确权，会通过分布式账本模式构建一个平等、透明的具有安全保障的共信机制，时间戳技术可以回溯版权交易过程，所有的交易行为可以通过智能合约去自动进行，对确权效率将是一个巨大提升，甚至可以做到实时确权。一个作品的确权过程从初创到修改完成、定稿、确权、版权许可或转让等行为难以被篡改和伪造，并可以实时在全链上进行公布，还被所有公链上的所有节点共同监督和公开查询，从而实现数字版权去中介化的透明管理。

4 传统架构服务场景与区块链技术架构服务场景的对比分析

传统的数字图书馆服务，在数据所有权、用户选择权、利益相关者、被动性服务等方面如何取代人工审批、得到社会公信力和用户认可，面临着逻辑困境;在用户隐私、数据安全、数据价值、数据全面等方面面临着现实问题。而区块链技术的出现，其去中心化的数据处理、有共识机制的数据传递、时序稳定的智慧合约、可靠的数据关系与个性化推荐为图书馆智慧服务提供了重新架构技术底层基础的机会[28]。相对于传统技术架构，区块链技术架构能使场景化服务释放出极大的商业价值和社会价值，能够为图书馆场景化服务提供资源保障、技术保障和安全保障[29]。

1）场景1：信息资源共享。传统信息资源共享：由一个中心统一进行信息分发和发布，彼此之间定时批量对账，对于有时效性要求的信息共享难以达到实时共享，信息共享的双方缺少一种相互信任的通信方式，难以确定收到的信息是否是对方发送的。

区块链信息资源共享：区块链的共识机制要求各个节点的数据需要保持一致，使得自带信息共享功能，区块链的P2P技术可以实现实时信息共享，区块链共享节点不可篡改的共识机制，可构建一条安全可靠的信息共享通道。

通过传统信息资源共享与区块链信息资源共享对比，区块链信息资源共享不管是从共享方式和共享安全方面都优于传统信息资源共享（表2）。

2）场景2：知识产权保护。传统知识产权保护：签证证明流程复杂，登记时间长、费用高。公信力不足，个人或中心化的机构存在篡改数据的可能，公信力难以得到保证。

区块链知识产权保护：签证证明流程简化，区块链应用到签证证明后，无论是登记还是查询都非常方便，无需再奔走于各个部门之间。区块链的去中心化存储，安全可靠，保证没有一家机构可以任意篡改数据。

通过传统知识产权保护与区块链知识产权保护对比，区块链知识产权保护从签证流程和安全程度方面都优于传统知识产权保护（表3）。

3）场景3：用户身份认证。传统用户身份认证：由中介或者中心化机构保存用户大量隐私信息，用户信息调用不透明，有极大的账户安全风险。

区块链用户身份认证：区块链使用密钥为用户注册身份，个人信息以散列形式存储，可以用于多个身份相关属性，如姓名、惟一身份号码、指纹或其他生物信息等。区块链通过去中心化解决当前隐私安全问题，可以极大地保护用户安全，降低运行风险。

通过传统用户身份认证与区块链用户身份认证对比，区块链用户身份认证从认证方式和认证安全方面都优于传统用户身份认证（表4）。

5 结语

目前区块链技术越来越受到各界的重视，已经在金融等重要领域进行深入的研究和应用，虽然在数字图书馆服务领域的创新性应用尚处于起步阶段，但其在图书馆领域的发展还有很大的拓展空間。区块链具有颠覆性的技术理念，在一定深度上契合了数字图书馆开放、共享、智能的发展理念，尤其是区块链的共识机制、分布式数据存储、独特的加密算法、点对点的数据传输等新型技术应用模式，能够有效提升数字图书馆数据的完整性与精确性，能够进一步打破机构间的壁垒效应、提升图书馆的服务效能。但区块链技术也并非是完美无缺的，应该充分认识到区块链技术还有很多地方需要进一步改进。在现有的区块链系统中，其不可篡改的特性是一面双刃剑，数据一旦上链便无法更改，面对正常的数据修改需求，如面临失效数据、错误数据将会无法删除，导致垃圾数据的堆积，影响系统运行效率。因此，在特定条件下可修改的区块链方案就具有广阔的应用前景，如任艳丽等[30]提出可修改的区块链方案提供了很好的参考。随着国家的重视和加强区块链应用的监管，区块链技术应用的标准和规范还需进一步建立健全，大力培养区块链专业技术人才也要尽快提上议事日程。结合大数据、云计算、5G、物联网等新一代信息技术，数字图书馆将迎来提档升级和创新式蓬勃发展。

参考文献：

[1] 文化部“十三五”时期文化发展改革规划[EB/OL]. http：//zwgk.mcprc. gov.cn/auto255/201702/t20170223_491392.html.

[2] 国务院关于印发“十三五”国家信息化规划的通知国发〔2016〕73 号《“十三五”国家信息化规划》[EB/OL]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2016-12/27/ content_5153411.htm.

[3] 关于区块链信息服务备案管理系统上线的通告[EB/OL]. http：//www.cac.gov.cn/2019-01/28/c_1124053347.htm.

[4] 习近平：把区块链作为核心技术自主创新重要突破口[N].人民日报海外版，2019-10-26（01）.

[5] 魏大威，董晓莉.利用区块链技术驱动国家数字图书馆创新升级[J].图书馆理论与实践，2018（5）：98-103.

[6] 武洪兴.区块链技术在图书馆中的应用构想[J].图书馆工作与研究，2019（10）：89-96.

[7] 周 耀.区块链技术在智慧图书馆中的应用研究[J].现代情报，2019（4）：94-102.

[8] 秦 珂.区块链技术视野下的图书馆数字版权管理：作用机制、创新价值和建议[J/OL].图书馆论坛，http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1306.G2.20190916.0912.002.html

[9] 赵 力.区块链技术下的图书馆数字版权管理研究[J].图书馆学研究，2019（5）：75-79.

[10] 汪 琼，陈 伟.区块链在图书馆著作权保护中的效用研究[J].数字图书馆论坛，2019（3）：69-72.

[11] 黄敏聪.区块链技术及其对图书馆发展的变革性影响[J].图书情报工作，2018（13）：11-18.

[12] 高 胜，朱建明.基于区块链技术的新型分层数字图书馆体系架构[J].图书情报工作，2018（24）：57-64.

[13] 杨 熳.基于区块链技术的会计模式浅探[J].新会计，2017（9）：57-58.

[14] 马 昂， 潘 晓，吴 雷，等.区块链技术基础及应用研究综述[J].信息安全研究，2017（11）：968-980.

[15] 袁 勇，王飞跃.区块链技术发展现状与展望[J].自动化学报，2016（4）：481-494.

[16] 沈凯旋，高 胜，朱建明. LibRSM：基于联盟链的数字图书馆信息资源安全共享模型[J].国家图书馆学刊，2019（2）：77-86.

[17] DINH T T A，LIU R，ZHANG M，et al. Untangling blockchain： A data processing view of blockchain systems[J].IEEE transactions on knowledge and data engineering，2018，30（7）：1366-1385.

[18] Bitcoin： A Peer-to-Peer electronic cash system[EB/OL]. https：//bitcoin.org/en/bitcoin-paper.

[19] 范希文.金融科技的赢家、输家和看家[J].金融博览， 2017（11）：44-45.

[20] SZABO N. Smart contracts[EB/OL].http：//www.fon.hum.uva.nl/rob/Courses/InformationInSpeech/CDROM/Literature/LOTwinterschool2006/szabo.best.vwh.net/smart.contracts.html.

[21]  BUTERIN V.A next-generation smart contract and decentralized application platform[R/OL].https：//github.com/ethereum/wiki/wiki/White-Paper.

[22] VUKOLIC M.The quest for scalable blockchain fabric：Proof-of-work vs.BFT replication[C] //International workshop on open problems in network security.Zurich：Springer，Cham，2015：112-125.

[23] SALEH F. Blockchain without waste：Proof-of-stake[J]. http：//dx.doi.org/10.2139/ssrn.3183935.

[24] CHAUHAN A，MALVIYA O P，VERMA M， et al. Blockchain and scalability[C]//2018 EEE international conference on soft-ware ：quality， reliability and security companion （QRS-C）. Lis-bon：IEEE，2018：122-128.

[25] SUKHWANI H， MARTI NEZJ M， CHANG X， et al. Performance modeling of pbft consensus process for permissioned blockchain net-work （hyperledger fabric）[C]//2017 EE 36th symposium on reliable distributed systems （SRDS）.Hong Kong：EEE，2017：253-255.

[26] 邵奇峰，金澈清，張 召，等.区块链技术：架构及进展[J].计算机学报，2018，41（5）：969-988.

[27] 朱 岩，甘国华，邓 迪，等.区块链关键技术中的安全性研究[J].信息安全研究，2016， 2（12）：1090-1097.

[28] 陈小平.区块链技术在图书馆智慧服务中的应用研究[J].现代情报， 2018（11）：66-71.

[29] 王美佳.基于区块链技术的图书馆场景化应用[J].现代情报， 2019（9）： 109-114， 159.

[30] 任艳丽，徐丹婷，张新鹏，等.可修改的区块链方案[J].软件学报， DOI：10.13328/j.cnki.jos.005894.