基于区块链的数字资产交易系统的设计与实现

坤包金（江苏大学计算机科学与通信工程学院，江苏镇江212013），相互独立，无法满足资产安全、跨机构流通等需求 基于区块链的数字资产交易系统应用区块链技术的多中心化、可信任、可追溯等特点，使联盟企业的数字资产资产交易系统相互连接，实现数字资产跨机构的安全流转。 通过智能合约的设计，系统可以实现灵活的数字资产交易策略。 实测证明，系统能够稳定处理交易，基本满足小联盟的数字资产交易需求。 The key词：区块链；数字资产交易；联盟链；智能合约；分布式系统ＤＯＩｒｊｄｋ．１７３１０９中图分类号：ＴＰ３９９文献标识码：文章编号：１６７２－７８００００７－０２０９－０４ＤｅｓｉｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＢｌｏｃｋｃｈａｉｎＬＶＫｕｎＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｉｇｉｔａｌａｓｓｅｔｔｒａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｄｉｓｔｒｕｓｔａｎｄａｒｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｗｉｔｈｅａｃｈｏｔｈｅｒｔｈｅｙｃａｎ＇ｔｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆａｓｓｅｔｓａｎｄｃｒｏｓｓ－ａｇｅｎｃｙｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｄｉｇｉｔａｌａｓｓｅｔｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｂｌｏｃｋｃｈａｉｎ ．Ｓｉｎｃｅｔｈｅｍｕｌｔｉ －ｃｅｎｔｅｒｔｒｕｓｔ－ｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓａｎｄｔｒａｃｅａｂｌｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｂｌｏｃｋｃｈａｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｕｒｓｙｓｔｅｍｃｏｎｎｅｃｔｓｔｈｅｄｉｇｉｔａｌａｓｓｅｔｔｒａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｏｆｔｈｅａｌｌｉａｎｃｅｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓｓｙｓｔｅｍｃａｎａｃｈｉｅｖｅａｆｌｅｘｉｂｌｅｄｉｇｉｔａｌａｓｓｅｔｔｒａｄｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｔａｂｌｙｗｈｉｃｈｂａｓｉｃａｌｌｙｍｅｅｔｓｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｄｉｇｉｔａｌａｓｓｅｔｔｒａｄｉｎｇｆｏｒｓｍａｌｌａｌｌｉａｎｃｅ．ＫｅｙＷｏｒｄｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｓｙｓｔｅｍ收稿日期：２０１ 7-11-28 Brief introduction of the author: Lu Kun (1993-), male, master student of the School of Computer Science and Communication Engineering, Jiangsu University ，研究方向为区块链，分布式计算； 鲍克进（1958-介绍传统资产依赖实体凭证，如发行票据、实体卡等，资产流通依赖面对面的易货交换，防伪认证过程复杂，成本高，效率低下，风险大。

随着互联网技术的快速应用，资产数字化进程也在不断加快。 理论上，凡是可以标准化、数字化的实物资产，都会逐渐成为数字资产。 常见的数字资产包括数字积分、虚拟货币、电子优惠券、虚拟游戏道具等。数字资产虽然方便人们掌控，但各种数字资产的发行和管理相对封闭，通常在一个中心化系统中完成，无统一接口，难以实现数字资产的跨机构流通。 同时，由于传统数字资产统一存储在企业数据库中，存在被篡改的风险，导致数字资产丢失。 2008年，中本聪首次发表论文《比特币：一种点对点的电子现金系统》，并于2009年发布了第一个比特币区块链系统。区块链技术以去中心化、可信、可追溯等着称。特点引起了人们的广泛关注。 由于区块链的分布式架构和账本的共同维护，适合构建多方协作的分布式系统，每一方都可以在不信任的情况下完成价值传递过程。 基于区块链的多中心化数字资产交易系统，任何授权机构或联盟都可以在系统中发行和管理数字资产。 系统采用区块链共识机制、智能合约、分布式账本、链式数据块等技术，具有以下优势： 不同机构之间无需互信即可进行数字资产的跨机构交易； 各种交易可以根据智能合约设定的规则自动处理，实时同步账本，实现交易的实时对账和结算； 交易数据安全不可篡改，可追溯，防止交易抵赖。

区块链相关技术 1.1 区块链定义 区块链技术是近年来新兴的一种技术，是计算机经典技术的综合，包括去中心化和非对称数据加密、时间戳、分布式计算、共识算法等技术。 区块链技术通过采用加密技术和分布式消息传输协议，提供共享的分布式账本，可以简化对账过程，以去中心化的方式组织和维护大量数据，提高数据处理效率。 数据安全的同时提供信息共享功能。 与传统技术相比，区块链技术具有可持续性、兼容性、共享性和互联性等特点。 目前主流的区块链框架是比特币，它们的特点如表1所示。 区块链主流框架对比 框架类型 是否需要代币 是否支持智能合约共识机制 运行环境 适用场景 BitcoinPOW内置脚本引擎 节点自由加入或加入退出，数据完全共享，节点间的协作由共识机制完成，一般依靠token激励机制来维持系统的安全运行。 联盟链：一般用于结成联盟的机构之间。 联盟成员通过该系统完成相互合作。 这类区块链系统具有权限控制功能。 只有授权的联盟成员才能拥有系统的核心节点并参与账本维护。 专有链：一般在机构内部使用，运行规则可在机构内部设定，信息不公开。

但是，这类系统的性能低于现有的分布式系统，适用性较差。 1.2 共识机制 区块链共识机制是区块链分布式系统协同一致性的核心。 通过共识机制MyBtc数字资产交易平台诈骗，分布式区块链节点之间的账本可以保持一致。 它与传统的分布式共识机制有很多相似之处，比如强调消息序列化，但传统的分布式共识算法很少考虑拜占庭容错，只考虑节点宕机、通信故障等。目前区块链共识机制的发展表明多元化趋势。 以比特币为代表的公链系统多采用POWProofofWork、ProofofStake、Proof of Stake等共识机制[7-8]，而以Hyperledger项目为代表的联盟链系统多采用BFTByzantineFaultTolerance、拜占庭容错。 )[9-11]等容错共识机制。 也有学者在传统分布式共识算法的基础上，结合实际运行环境的变化，设计了可信和非可信环境切换的共识机制。 1.3 智能合约 智能合约最早由 Nick Szabo 博士[12]提出，它被认为是以数字形式定义的可以自动执行条款的合约。 在区块链技术领域，智能合约是指基于预定事件触发、不可篡改、自动执行的计算机程序[13]。 智能合约还具有分布式记录和验证、不可篡改和不可伪造的特点。 签订合同的各方就合同内容达成共识后，合同即可自动执行，无需依赖任何中央机构。

同时，智能合约的可编程性使各方能够在达成共识后添加任意复杂的条款。 联盟链智能合约由授权成员安装并实例化到区块链中，最终用户通过与网络对等点交互的客户端应用程序调用智能合约。 数字资产交易系统设计 本项目设计的区块链数字资产交易系统主要实现数字资产的机构发行和管理以及数字资产的跨机构交易流通等功能。 由于交易只对互联机构可见，交易过程不依赖任何代币，因此本项目采用权限控制的联盟链模型。 在联盟链的基础上，构建基于区块链的多中心化数字资产交易系统，实现数字资产的跨机构交易。 系统业务根据与数字资产的关联程度分为以下两类： ) 核心业务：数字资产注册、交易、汇率表创建和更新等资产业务。 ) 非核心业务：用户会员等级设置、用户留言、系统介绍等非资产业务。 为了防止区块链账本数据增长过快，区块链中只记录与联盟各节点相关的核心业务数据，通过核心数据完成正常的交易流程。 由于非核心业务的处理与传统中心化系统基本相同，本文重点介绍需要区块链系统参与的核心业务处理。 2.1 总体系统架构 区块链数字资产交易系统分为客户端、交易后台和区块链服务器三部分。 客户端支持CS和S两种架构模式，普通用户通过手机APP完成数字资产交易过程。

交易后台主要完成用户请求的处理，将核心业务提取到区块链服务器进行处理，完成非核心业务处理。 区块链服务器主要完成核心业务处理，调用智能合约执行交易，将交易结果打包成区块，经共识后写入区块链账本。 每个机构部署一个区块链服务器，形成分布式区块链服务器网络。 系统总体架构如图1所示。与传统单一中心化系统架构相比，区块链数字资产交易系统在交易后台采用集中式架构，在区块链服务器网络中采用分布式架构，具有具有以下优势： ) 系统业务处理分为交易后台和区块链服务器系统两层，各机构仅通过区块链服务器网络连接。 交易后台故障不会对区块链服务器系统产生任何影响，即不会影响其他机构执行交易。 ) 区块链服务器系统采用分布式架构，采用拜占庭容错共识机制，在容错范围内具有很强的安全性。 ) 核心业务通过区块链智能合约执行，全网共识广播，有效保证核心交易数据的有效性和透明性，可实现多机构实时结算。 ) 非核心业务由各机构内部处理，在保证区块链数据共享的同时实现不同机构的差异化发展，有效保障机构内部重要数据的隐私。 2.2 系统逻辑层设计系统逻辑层分为应用层、服务层和区块链层。

其中，应用层主要与数字资产交易相关，如用户注册、数字资产登记、数字资产交易等。服务层提供应用层与区块链层的通信，主要包括账户中心、智能合约等。 , 和开放接口。 区块链层主要由区块链数据库、共识机制、区块链安全机制、网络通信模块等组成，构成各机构共同维护的底层平台。 系统整体逻辑层次如图2所示。 区块链数字资产交易系统逻辑层次 2.3 智能合约设计 本项目的智能合约本质上是一个程序，控制区块链网络中的相关方根据规则对数字资产交易进行编码。规则，可以自动执行逻辑。 为了防止系统环境与合约执行环境交互，本系统采用Docker[14]作为智能合约的执行环境。 Docker是一个轻量级的容器，在软件技术层面是可移植的，不受底层操作系统的限制。 虚拟化解决方案可以在任何运行 Docker 引擎的机器上运行，而不受底层系统变化的影响。 本系统的智能合约执行逻辑如图3所示。数字资产交易智能合约用于处理系统交易的核心业务，分为机构内业务、机构间业务和查询业务。 其中，机构内业务主要包括用户注册、数字资产发行、数字资产交易等。 机构间业务主要包括资产汇率表的建立和更新、跨机构交易等。查询业务主要实现数字资产、汇率表查询等。

为保证上述业务仅由具有相应权限的人操作，智能合约在执行交易前需要根据交易的数字签名验证交易参与方的身份。 数字资产交易智能合约接口如表2所示。 数字资产交易智能合约接口接口类型 接口定义接口名称及描述 userRegister 机构或用户注册机构业务接口 assetsDeploy 数字资产发行assetsInTrans 机构内数字资产交易assetsOverTrans 跨机构用户数字资产交易机构间业务接口 createExchangeRate 资产汇率表创建 updateExchangeRate 资产汇率表更新查询接口 queryUserInfo 查询账户信息 queryExchangeInfo 查询资产间汇率 区块链数字资产交易系统实现 3.1 系统业务逻辑 本系统的基本业务处理逻辑系统主要是为用户发送交易请求，交易后台响应并将核心业务请求转发给区块链服务器。 区块链服务器接收并广播交易，记录到区块链账本中，待各区块链节点达成共识后，将交易结果返回交易后台。 交易后台记录交易结果并处理非核心业务，成功后将最终交易结果返回给用户。 具体业务处理逻辑如图4所示。 Kun, Bao Kejin：基于区块链的数字资产交易系统设计与实现 3.2 数字资产交易系统实现 3.2.1 用户注册 用户注册在客户端生成公私钥对, 并对公钥进行编码形成用户 ID 并向交易后台发送注册请求。

机构收到用户注册信息后，将进行验证。 验证通过后，交易将被签名打包发送至区块链。 区块链系统调用智能合约注册接口完成用户注册请求，并广播给各个区块链节点。 达成共识并记账后，用户注册完成。 3.2.2 跨机构资产交易 数字资产在不同机构之间的流通依赖于资产汇率表的建立，主要包括双方机构数字资产的汇率和可交易数量。 数字资产汇率表由双方共同发起建立。 创建后，不同机构之间可以进行数字资产交易。 当区块链系统收到一笔跨机构交易时，首先核对交易发起人的身份，然后查询两种数字资产的交易汇率表。 查询通过后，查询发起机构的可交易余额。 如果余额足够，则执行交易并返回交易结果。 汇率表建立和跨机构数字资产交易流程如图5所示。 汇率表建立和跨机构交易流程 3.2.3 智能合约实现 智能合约为区块链提供核心交易处理的应用接口。 调用该接口可以自动执行交易，并将执行结果返回给区块链系统。 区块链系统达成共识后，将交易结果写入区块链账本。 跨机构事务处理的代码结构如下： 系统测试与分析本系统采用4台同型号服务器搭建分布式测试环境。 基本硬件配置为：Intel四核3.40GHz CPU 16G内存，CentOs7.0操作系统。

测试在局域网内进行，采用相同的共识机制，排除网络带宽和共识机制对测试结果的影响。 系统测试的主要指标是并发交易时系统的交易处理率和平均交易延迟。 交易请求率是指单位时间内系统收到的待处理交易的数量。 交易处理率是指在并发交易过程中，系统成功处理的交易数占交易总数的比率。 平均交易延迟是指系统完成正常交易。 所需的平均响应时间。 通过设置不同的交易请求率，测试区块链系统的平均交易延迟和交易处理率，测试系统的整体性能。 两个指标的计算公式如下： 平均交易延迟=总交易延迟/交易笔数 交易处理率=正常处理的交易笔数/交易总数 图6显示了交易请求率和系统交易处理率以及事务的平均延迟之间的关系。 从测试数据可以看出交易请求率与平均交易延迟和交易处理率之间的关系。 在4个节点的分布式区块链网络中MyBtc数字资产交易平台诈骗，当采用拜占庭容错共识机制时，随着交易请求率的增加，交易率也会增加。 平均延迟逐渐增加，交易处理率保持在前期最高水平100%。 当交易请求率达到350笔交易/次时，交易处理率逐渐下降。 综合以上因素，当系统接收交易的速度在300笔/s左右时，可以达到较好的效果，此时系统交易的平均延迟约为5s。 本系统与传统系统的性能对比如表3所示。 区块链数字资产交易系统与传统系统的性能对比。 数据存储形式 数据区块链存储中心数据库存储处理交易 每秒300100笔交易 平均响应能力 5s 5~7s 系统容错 无容错 跨机构交易支持 不支持 注：以上区块链数字资产交易系统数据为在比较积分资产的基本性能时，积分交易平台的数据来自学术论文[15]。 从表3可以看出，区块链数字资产交易系统能够满足传统数字资产交易系统的基本功能和性能要求，具有跨境机构交易的优势。

该系统在2018年可以稳定处理交易并实现跨机构实时对账，基本满足小联盟对跨机构数字资产交易的需求。 结论 针对中心化数字资产交易系统独立封闭、交易难以跨机构进行的缺点，本文研究设计了一种基于联盟链的数字资产交易系统。 利用区块链的分布式共维护特性，实现数字资产跨机构交易。 对系统进行了性能测试。 从测试结果来看，虽然区块链数字资产交易系统可以让互不信任的机构进行跨机构交易，但系统性能与中心化交易系统仍有较大差距。 下一步将充分利用联盟区块链系统的可信任优势，优化共识机制、网络通信机制等，使系统实现更好的交易处理能力。 参考： 。 南京: 南京大学, 2016. ． 自动学报, 2016 BUTERINV. 下一代智能合约和去中心化应用平台 wi-ki 分布式加密货币和共识账本研讨会 2016. 工业和信息化部。 中国区块链技术与应用发展白皮书[EB. ht-tp NzkwfGJlOGNlNjZifDE0Nzc0NjcxMzJ8Mjg5OXw2 OTc3。 点对点加密货币与权益证明点币纸。 PDF。 ． HTTP LISKOVB。 通过 zantine 容错和主动恢复等实用。 选择 BFT 的服务器端或客户端解决方案。 ACM 计算调查 VUKOLIM。 非确定性 min 拜占庭容错复制 SZABON。 贵阳市人民政府在公共网络上的正规化和安全关系。 贵阳区块链开发与应用[EB www. cbdio。 com 3417eb9bbd5919d2122102。 PDF。 ． 天津: 天津大学, 2012. (责任编辑：杜能刚) (上接第195页) 结语 本文采用阶段性分配的方法建立了无人机的任务分配模型。 考虑了路径长度等重要战术指标，以及无人机对后续目标的攻击任务。

建立的复杂任务分配模型采用粒子群算法求解，每个粒子的位置由两个多维向量表示，两个向量以两种不同的方式同时演化。 仿真结果证明了该方法的可行性。 本文提出的建模方法和分配算法可以直接应用于多无人机自主控制系统。 参考文献：刘忠，高晓光，付晓薇，等。 未知环境下异构多无人机协同搜索与打击的联盟形成［ ． 军事工程学报，2015 龙涛，沉林成，朱华勇。 面向协同任务的多UCAV分布式任务分配与协调技术[ . 自动学报, 2007. 航空导弹, 2007. 战术导弹技术, 2013. 电光与控制, 2006. 控制与决策, 2013. 计算机仿真, 2016 YAMAZAKIG. 基于演化计算的车辆路径问题单相法[J]. 计算智能和多媒体应用会议 NAKASHIMAT。 一般go-rithmsforvehicleroutingproblemminddeliverysystem等。 具有时间窗的车辆路径问题的启发式方法。 工程中的人工智能。 信息与控制，2005 KENNEDYJ。 使用粒子热理论的新优化器。 第六届国际微机械与人文科学研讨会论文集。 IEEE 中性网络国际会议论文集。 传感器和微系统，2017 年。电子学报，2011 年。计算机科学学报，2016 2652-2667。 （责任编辑：杜能钢）