基于区块链多链交叉隔离技术的P+R停车场出行技术研究_王忱.pdf

SOFTWARE软 件2022第 43 卷 第 12 期2022 年Vol.43,No.12基金项目：本文为 2022 年北京市交通委员会科研基金资助项目,项目名称：北京市交通专题区块链关键技术研发与应用示范项目情况概述（BJJTW-2021-DSJ-04）作者简介：王忱（1982）,男,北京人,硕士研究生,高级工程师,研究方向：静态交通管理、停车信息化。基于区块链多链交叉隔离技术的 P+R 停车场出行技术研究王忱1 刁树党2 施丽娟1 孙蕊2（1.北京市交通综合治理事务中心，北京 100055；2.北京市智慧交通发展中心，北京 100161）摘要：当前大中型城市的交通越来越拥堵,政府相关部门出台了相应的措施来解决市民的交通出行问题,但是随着人民生活水平的提高,私家车的保有量越来越高,导致问题越发严重。混合出行方式的出行,为解决私家车保有量高的问题指明了一个方向。混合出行方式中,P+R 出行方式是探索的重点方向,其主要是车主开车将车停放至一个离公共交通较近的停车场,然后乘坐公共交通到达单位。其主要的优点在于同时满足了绿色出行与保证出行时效的需求。本文针对 P+R 出行方式,尝试使用基于区块链的多链交叉隔离技术,建立政府公共交通部门与停车场之间的数据可信交换桥梁。方案主要依托开源的HyperLedgerFabric 联盟链框架,创新性的建立多数据独立链,对数据进行分隔、分权访问。在实际的性能测试中,满足了项目的立项要求,其各项性能表现可以满足实际业务需要。关键词：HyperLedgerFabric；P+R；联盟链；多链分隔交叉中图分类号：TP311文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2022.12.009本文著录格式：王忱,刁树党,施丽娟,等.基于区块链多链交叉隔离技术的P+R停车场出行技术研究J.软件,2022,43(12):036-039Research on P+R Parking Travel Technology Based on Blockchain Multi Chain Cross Isolation TechnologyWANG Chen1,DIAO Shudang2,SHI Lijuan1,SUN Rui2(1.Beijing Transportation Comprehensive Management Affairs Center,Beijing 100055;2.Beijing Intelligent Transportation Development Center,Beijing 100161)【Abstract】：Atpresent,thetrafficinlargeandmedium-sizedcitiesisgettingmoreandmorecongested.Therelevantgovernmentdepartmentshaveissuedcorrespondingmeasurestosolvethetrafficproblemsofcitizens.However,withtheimprovementofpeopleslivingstandards,thenumberofprivatecarsisgettinghigherandhigher,resultinginmoreandmoreseriousproblems.Themixedmodeoftravelhaspointedoutaplandirectionforsolvingtheproblemofhighprivatecarownership.Amongthemixedtravelmodes,theP+Rtravelmodeisthekeydirectionofexploration,whichmainlyreferstothecarownerparkinghiscarinaparkinglotclosetopublictransport,andthentakingpublictransporttotheunit.Itsmainadvantageliesinmeetingtherequirementsofgreentravelandensuringtraveltimeliness.AimingattheP+Rtravelmode,thispaperattemptstousetheMultichaincrossisolationtechnologybasedontheblockchaintoestablishareliabledataexchangebridgebetweenthegovernmentpublictransportdepartmentandtheparkinglot.Theschememainlyreliesontheopen-sourceHyperledgerFabricalliancechainframeworktocreativelyestablishamultidataindependentchaintoseparateanddecentralizedataaccess.Intheactualperformancetest,theprojectrequirementsaremet,anditsperformancecanmeettheactualbusinessneeds.【Key words】：HyperledgerFabric;P+R;alliancechain;multichainseparationandintersection基金项目论文37王忱刁树党施丽娟等：基于区块链多链交叉隔离技术的 P+R 停车场出行技术研究0 前言在当前的城市生活中,轨道交通、公共汽车等出行网络的不断完善,极大地方便了市民的出行,同时随着人民生活水平的不断提高,私家车的拥有量同样也呈爆发式增长,私家车的爆发式增长,使得城市的交通变的更为拥堵。在典型的一线城市中,早晚高峰的出行拥堵问题尤为明显。政府的相关部门已经制定了多方位、多角度的有效措施针来应对市区内的交通出行拥堵,如尾号限行、公交专用通道等,这些措施有效地缓解了部分交通拥堵问题。随着国际、国内不断的推进碳中和、碳达峰等绿色出行目标,在绿色出行方面,仍然有很多措施可以辅助实现绿色出行。但纯粹的公共交通无法有效的满足市民的出行需求,主要表现在实时性、快速性方面,当市民有急事需要处理时,在等待公共交通、换乘等方面都存在很多细节问题需要解决。混合式1,2交通方式的出现,部分解决了出行实时性的问题,同时也较有效地实现了绿色出行的目标,混合交通中典型的方式即为 P+R 的方式,主要指通过将私家车与公共交通相结合来实现上下班的出行,市民开车到达临近地铁或公交最近的停车场,将车停至停车场后,转乘公共交通到达单位。在交通的实时性方面,以私家车来做为主要的运载工具,在满足绿色出行方面,以公共交通来作为载体。在本文中,作者尝试将 P+R 的出行方式与绿色出行3理念相结合,技术层面建立一个背书关系,在停车场与公共交通管理部门之间建立以区块链4-6做为载体的链式工作方式,在区块链不可篡改的工作特性下,当出行市民的出行记录出现在区块链上时,停车场可以依据该记录对市民的停车费进行相应的优惠。该技术的实施,主要解决了两个大的问题,（1）建立了一个有效的可信机制来实现个人企业与公共部门之间的数据共享；（2）项目作为示范性科研项目,在试运行时较为有效的吸引了客户的兴趣,对该种出行方式的推广起到了一定的辅助作用。1 区块链简介区块链可以理解为一个共识的分布式帐本,该帐本的主要特点有两个,（1）分布式,即参与区块链的每一方都可以存有一份帐本的副本,实际就使得由帐本的内容无法被篡改（很难被篡改）；（2）为了达到所有帐本的内容一致,需要一个各参与方都认可的记帐方案,在区块链的专业术语中称为“共识算法”,即使用什么样的算法来实现生成帐本被所有参与方认可。常见的共识算法有 PoW7,8(ProofofWork）工作量证明机制等。区块链的存在形式通常有三种,其名称描述了其适用的范围,分别是公有链、联盟链8、私有链。在公有链中,其范围可以是全世界任何的节点,各节点之间完全没有信任可言,其主要优点在于生成区块的一些细节方面,要求更为严格,可以照顾到所有节点的性能,而其主要缺点在于出块速度慢,对能耗的消耗过高,常见的公有链有比特币、以太坊等；在联盟链中,其节点范围是一个组织或多个组织内部,其节点间存在一定的可信程度,其主要优点在于有部分的信任基础,细节可以不用过高要求,其缺点同样是部分信任的特征使得学者认为已经脱离了区块链的本质,其主要代表作品有Linux 基金会的 HyperledgerFabric；私有链的存在只是借助了链的形式,其本身已与区块链的设立初衷相行较远,不再讨论。无论哪种形式的区块链,其本质都是实现多节点对内容的互认且难篡改。在该示范项目中以 P+R 出行方式为基础表现形式依托,实验采用联盟链的工作方式,借助 HpyerledgerFabric 的架构,在顶层设计实现身份认证的统一、私有数据的加密与认证以及中介背书等工作,实现非涉密信息的三者认证交互,最终辅助 P+R出行方式的普及。2 实验业务流程在该实验性示范项目中,其主要诉求为建立停车场运营公司与市政公共交通出行部门间的非涉密数据可靠认证共享,其核心技术在于如何借助背书部门来实现数据的分权、分离上链,既要保证数据的认证互访又需保证非涉密数据的安全与效率。在实际的调研过程中,确定了以手机号为身份 ID的过程认定形式,创造性的以独立双链的工作方式运行。其主要业务流程为如下：为了解决项目实际需求,本项目创新性的使用了多链交叉隔离技术,多链叉隔离技术的使用主要在背书中介基础上,再次加强了数据的隔离安全性问题。数据的双方都接触不到彼此的原始数据,且双方的各项数据都会以自身链的形式存在供查证、溯源。其主要业务流程可解释为,停车场方定时向背书中介发送请求白名单,该白名单里包含了一定时间段内需要查询的 ID（在本项目中,ID 是手机号）,背书中介方会以每次发送的白名单,形成一个白名单区块,随后由白名单区块上链形成白名单链,在生成白名单链的同时（此时请求信息已确认）,由背书中介方根据生成的白名单块向政府公共服务提供方请求对应的非涉密信息,对38软 件第 43 卷 第 12 期SOFTWARE返回的信息进行必要的内容加密后,生成另一条独立的信息链。由此形成的多链交叉技术,有效的对彼此信息进行了隔离,无论是信息的生成还是读取,都由背书中介进行。背书中介的分布式多节点属性,使得所有的数据、信息都原样存储,不会由任何一方修改。详细流程如图 1 左侧所示。系统的整体架构以 HpyerLedgerFabric 为基础组件,共识算法使用其默认算法,HyperLedgerFabric 的逻辑组织节点为 3 个组织,5 个节点,由 SpringBoot 来组织实现项目后端,后端的主要辅助数据库为 MySQL和 Redis。前端展示主要以 Vue 来实现,采用前后端分离的实现策略。在多链交叉隔离技术中,衡量其性能的主要有如下几个指标,分别是出块速度、资源占用率等,分别在以下部分进行分析。3 实验分析本次实验的硬件、软件环境为：（1）CPUIntel(R)Xeon(R)E5-26xxv4；（2）内存总量8GB；（3）操作系统Ubuntu20.04LTS；（4）Fabricv2.3.0release。为了保证业务交易的整体运行效率,充分利率机器的硬件性能,需要针对机器的硬件性能来设定一个合适的区块大小。为此本文针对 Fabric 运行的硬件环境做了测试,具体的实验测试结果如图 2 所示。图 2 展现了主机 CPU 利用率、内存利用率与区块大小的关系,其中纵轴是利用率百分比,横轴是区块大小,以字节为单位。图例中的上面那条橙色线条是内存利率用,下面那条蓝色线条是 CPU 利用率。在上图整体测试过程中,内存的利用率变化不大,可以这样理解,Fabr