基于区块链技术的实验室资源共享初探

王 兵, 肖艳群, 邵红才

(扬州职业大学, 江苏 扬州 225009)

根据节点权限不同,区块链分为公有链、私有链和联盟链三类。公有链目前应用最为广泛,区块链中所有节点都可以发起点对点的交易,且及时被有效确认,每个节点可以自由进退网络。私有链由特定组织严格控制参与节点的准入条件,组织根据自身业务要求设定系统运作规则,可有选择地开放读取数据的权限,每个节点的操作权限控制在组织内部。权限介于公有链和私有链之间的区块链,定义为联盟链。通常由若干利益相关的组织联合发起联盟链,节点的加入或退出需要授权,区块链的正常运行由联盟共同负责。

世界经济论坛报告指出,区块链是成为继互联网之后又一个在全球范围内备受关注的技术。伴随着区块链技术不断发展,以及热点行业对区块链技术研究投入的不断加大,可以将区块链技术的实践应用分为三个阶段。第一阶段为可编程货币,区块链搭建起了去中心化的一种全新的数字支付系统,可以实现货币交易跨国支付,极大降低交易成本,以比特币为典型代表。第二阶段为可编程金融,借助可编程特点，“智能合约”被引入区块链,和数字货币结合,可编程金融应运而生,传统的诸如私募股权、清算等金融体系正在被颠覆。第三阶段为可编程社会,根据区块链技术去中心化和数据防伪的特点,其逐渐被扩展到除金融领域之外的其它社会场景领域中。这一变化必将改变现有互联网运行模式,深刻影响人类社会现有生产和生活方式[2]。

因此,为了迎接区块链技术第三阶段的到来,将区块链技术引入实验室资源共享具有重要的理论和实践价值。

1 实验室资源共享模式现状

实验室仪器设备共享可以直接提高实验室利用率,解决仪器设备重复购置和封闭使用等问题,降低学校的实验室经费投入。同时促进高校与高校、高校与企业间的交流合作,实现不同高校间、高校与企业间优势互补,协同发展。

现有实验室资源共享模式可以总结为三类:二级学院内实验室资源共享、校内实验室资源共享和区域内实验室资源共享。根据功能和服务对象不同,二级学院实验室通常设置为科研和教学两大类实验室,张仁懿等[3]利用生态学仪器设备季节性与便携性的特点,在“基础生态学大实验”的建设及教学过程中,对生态学科研和教学实验室资源的共享进行了初步实践;校内实验室资源共享通常做法是成立校级实验实训教学中心,统一管理全校基础实验室,专业实验室由院系管理,这样可以在学校范围内实现实验室资源的共享,提高仪器设备利用率[4];区域内实验室资源共享[5]是指在一定区域内实现实验室资源的共享,目前在我国最典型的区域内实验室资源共享是大学城实验室资源的共享,黄利利等[6]对上海松江大学城实验室资源共享模式进行了探索。

二级学院内和校内实验室资源相对比较集中,实验室资源的所有权归属学校,其共享程度取决于学校的相关制度和技术手段。刘学平等[7]基于人工智能技术实现了开放实验室的数字化和智能化,将开放实验室资源的共享程度进一步提升;林盛等[8]搭建起浙江水利水电学院实验教学管理平台,实现了实验教学管理的网络化、信息化;王洋洋等[9]利用信息化手段搭建起了北京大学实验室与设备共享查询系统,提高了实验室资源校内外共享查询的服务能力,提升了实验室资源的使用效率。上述研究成果,可以很好地解决二级学院内和校内实验室资源信息的互联互通,提升资源的使用率。

区域内实验室资源的共享可从共享机制和共享平台两方面搭建[5-6],共享机制主要包括:区域协调机构、实验室资源共享标准化、共享服务收费和评价机制等;共享平台通过现代网络技术实现实验室资源信息的互联互通,通过数字化、智能化实现资源的共享利用。

二级学院内和校内实验室资源共享壁垒少,共享很容易实现,但由于范围较小,不同资源共享的概率也很小。区域内实验室资源共享壁垒较多,必须构建起相应的机制和信息平台,投入大量的经费和人力才能保障共享的顺利进行,但共享范围大,资源共享率高,尤其对大型仪器设备的共享更有价值。全国范围内的实验室资源,甚至世界范围内的实验室资源,可定义为大区域实验室资源,要实现资源的共享,必须引入全新的技术手段,减少人为因素的影响,降低经费的投入,区块链技术的出现可以解决这一问题。

图1中，虚线框中是运行时验证的监控器单元，监控器由系统模型和属性自动机的乘积来表示，其中，系统模型由HMM表示，属性自动机由DFA表示.监控器的输入是运行时系统的观测序列和系统安全性的阈值Pth，监控器输出是当前系统满足安全性的概率，当系统安全性概率低于阈值时，输出反例.系统模型的构造可以来自于系统设计模型[9]，或通过领域专家指定系统状态以及状态的观测值，然后模拟系统运行获取系统观测数据并学习一个系统模型[10].系统的安全属性采用线性时序逻辑描述，使用DFA来识别安全属性的否定也就是识别系统运行中违反安全性的有限前缀.

2 区块链技术的引入

作为比特币等数字货币的底层技术,区块链产生的交易记录可以加盖时间戳,是一种分布式数据库技术[10]。图1为区块链层次模型及功能[11],区块链系统从上到下组成为应用层、合约层、激励层、共识层、网络层和数据层,数据层、网络层和共识层可以整合为分布式账本;激励层、合约层和应用层可以整合为智能合约。分布式账本作为去中心化的数据库,其数据安全可靠,可以永久保存,便捷实现点对点信息互通交易。智能合约是程序化交易规则,嵌入在应用场景中,用以控制交易过程。

图1 区块链层次及功能

共享的本质是整合线下闲置的各种资源,在陌生人间暂时转移这些资源的使用权,所有者获取一定的收益。区块链技术的分布式存储可以实现共享资源信息的互联互通,智能合约能解决陌生人间的交易信任问题。对实验室资源而言,分布式存储可以保证资源信息的分散储存,无需中心数据库,实现资源信息的点对点互通;智能合约可以实现资源共享的智能化,避免人为干涉,自动完成共享过程。

2.1 实验室资源共享信息区块链化

大区域实验室资源的共享首先要建立资源信息平台,即所有实验室资源信息中心数据库。实验室资源信息平台可以有机联系所有高校实验室资源的元数据系统,但这一平台仍然是传统的中心—客户端的服务模式,平台必须建立海量数据库系统,且不能实现数据的实时更新。区块链技术则可以将所有实验室资源以节点形式连接成网络,每个节点的功能相当,同时单个节点能够获取区块链网络节点的所有信息,因此,传统数据中心设备等基础设施没有存在必要。实验室资源元数据更新可以通过区块链条很快被所有节点知晓,实现元数据的实时更新。

P2P技术被用于组织区块链各个网络节点,新节点识别、路由发现和数据传递等功能通过广播实现。与传统服务网络相比,P2P网络采用扁平式的拓扑结构,各节点的地位和身份相同,共同参与网络的功能维护,无需设置中心化服务器。利用现有互联网机制和设备,P2P可以实现对等节点多路传送的信息服务。图2为中心数据库和区块链技术数据保存和传输模式对比。

图2 中心数据库和区块链技术数据保存和传输模式对比

借助密码学和时间戳等技术,区块链化的实验室资源元数据信息保存更加安全,且实验室资源数据代码是唯一的。依据共识机制,由各实验室共同维护共享网络运行,确保共享信息的准确性。最后,由区块链上其他节点共同确认某一资源节点产生的交易信息数据,只有经过确认的信息才能保存在网络中。所以,密码学、分布式共识机制等区块链核心技术能有效保证实验室资源共享数据的安全性和可靠性。

实验室资源区块链可以定义为联盟链,组建模式可以由区域内高校实验室资源作为单个区块,即以不同大学城实验室资源中心数据库作为节点,通过P2P技术组建成网;也可以由独立高校实验室资源数据库作为区块,通过链路连接成区块链。高校以外的科研机构、企业等若想访问或使用区块链资源,须经授权才能加入或退出。实验室资源联盟链可以在保证安全可靠的前提下,实现所有实验室资源信息的互联互通,且无需设置大型中心数据库,极大降低建设成本和日常维护经费。

2.2 实验室资源共享机制区块链化

1994年尼克·萨博提出智能合约的概念,其作用是将参与各方共同制定的交易协议数字化,植入交易数据库,并共同遵守[12]。伴随着区块链技术的发展,智能合约的应用成为可能,作为一个便捷、可验证、可执行的数字化合约,智能合约可以实现价值的存储和转移。在没有第三方监管的前提下,智能合约可以让参与者自动履行交易协议内容。

区块链技术可以将实验室资源共享标准、共享服务收费和评价机制等以智能合约的形式内置于共享实验室资源区块中,用于控制整个资源共享过程,规定资源所有方和使用方需要履行的权力及义务,明确资源共享的权责利,甚至费用结算方式。

2.3 基于区块链的实验室资源共享模式

区块链的本质是陌生节点间产生信任的互信机制,其核心功能是在没有中心或者第三方机构的监督下,保障节点间数据传输的真实可靠,从而降低交易的信任成本。基于这一本质,我们可以构建起基于区块链技术的实验室资源共享模式,其基本流程如下：

(1)所有参与资源共享的高校,即资源所有者共同制定资源共享协议,以智能合约的形式嵌入共享资源区块中,明确共享资源的使用范围,限制使用人的使用行为。资源共享协议可以包含共享资源的申请条件、使用规范、使用费用及支付方式等。

(2)使用人根据资源使用需求,通过联盟链系统查询可用资源,根据可用资源的使用日期、距离条件、费用标准等,选择潜在可使用资源。

(3)当使用人的资源使用需求和所有人的资源共享要求正好匹配时,使用人可通过联盟链系统锁定共享目标资源,采用资源使用预付费的形式锁定。

(4)使用人使用共享资源,使用完成后触发共享结束条件,完成共享过程,支付费用。本次共享过程所有信息被记录在区块中,资源重新进入联盟链,等待下次使用或共享使用。

3 结语

在没有监管机构管理认证的情况下,区块链技术可以实现节点与节点之间的安全通信与交易,其已经由最初的经济领域延伸至教育、医疗等很多领域。在分析现有实验室资源共享模式优缺点的基础上,提出将区块链技术引入实验室资源共享,构建起了大区域实验室资源共享模式。可以将不同地区的大学城实验室资源作为一个独立区块,通过链路连接形成区块链,这样就可以实现区域外、全国甚至全球范围内实验室资源信息的互联互通、共享。

要将基于区块链技术的实验室资源共享模式实现,还有很多工作要做:如互联网公司开发相应的区块链系统；建立不同实验室资源的元数据模型；资源共享的智能合约标准制定等等。