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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 HyperLedger Fabric 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：HyperLedger Fabric,P+R,联盟链,多链分隔叉
Research on P+R Parking Travel Technology Based on Blockchain Multi Chain Cross Isolation Technology
WANG 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】： At present, the traffic in large and medium-sized cities is getting more and more congested. The relevant government departments have issued corresponding measures to solve the traffic problems of citizens. However, with the improvement of people's living standards, the number of private cars is getting higher and higher, resulting in more and more serious problems. The mixed mode of travel has pointed out a plan direction for solving the problem of high private car ownership. Among the mixed travel modes, the P + R travel mode is the key direction of exploration, which mainly refers to the car owner parking his car in a parking lot close to public transport, and then taking public transport to the unit. Its main advantage lies in meeting the requirements of green travel and ensuring travel timeliness. Aiming at the P + R travel mode, this paper attempts to use the Multi chain cross isolation technology based on the blockchain to establish a reliable data exchange bridge between the government public transport department and the parking lot. The scheme mainly relies on the open-source Hyperledger Fabric alliance chain framework to creatively establish a multi data independent chain to separate and decentralize data access. In the actual performance test, the project requirements are met, and its performance can meet the actual business needs.
【Key words】： Hyperledger Fabric;P+R;alliance chain;multi chain separation and intersection
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 PoW[7.8](Proof of Work)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 Hyperledger Fabric ;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 Hpyerledger Fabric 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 HpyerLedger Fabric 为基础组 件,共识算法使用其默认算法,HyperLedger Fabric 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)CPU Intel(R) Xeon(R) E5-26xx v4 ;(2) 内存总量 8GB ;(3) 操作 系统 Ubuntu 20.04LTS ;(4)Fabric v2.3.0release。
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, Fabric 的自身处理机制为加工区块预留了足够的运行空间,因此当区块大小发生变化时,对内存的占用 率影响不大。对于实验环境的 8GB 物理内存,其占用 率基本保持在 50% 左右。
对于 CPU 占用率而言,可以看到明显的变化,其 主要的拐点在区块的大小为 2K 的时候。在上图中,在 2K 的大小以后,区块越大, CPU 的占用率越小,这表 示当前的处理能力也越强。因此,在设定区块的大小 时,应该尽量大一些。具体的区块大小,本质上应当结 合 CPU 占用率与实际的出块时间要求。
在实际的业务中,为了保证业务的数据尽快上链, 需要设定一个出块时间,这个出块时间,也就是区块链 最终确认区块生成所使用的时间。当区块链系统对区块 真正的确认之后,交易才可以认定为真实有效,这样也 就保证了交易的不可改变。在上文中我们曾提到,合适 的区块大小是区块链系统性的核心关键, 即区块的大小最终影响了交易有效的时延间隔并直接影响了机器的性能。
如图 3 所示的实验结果中,横轴为区块的大小,纵 轴为交易的确认时间,下面的橙色线条表示平均时延, 上面的蓝色线条表示最大时延。从上图中我们可以发 现,随着区块的不断增大,相应的交易确认时延也逐渐 增大,无论是平均时延,还是最大时延,都清晰的展示 了当前时延在随着区块的大小不断增高。分析其可能原 因,是因为区块中并不是只包含一笔交易,区块的生成 有两个条件限制,一是达到既定的区块大小 ;二是超过 既定的时间限制, Farbic 的区块交易过程中,可能性的 存在交易等待,即等待足够量的交易并放入至同一个交 易中,这个等待时间,延长了整体的区块交易确认时间。
Fabric 的配置文件中还有一个项,当超过时间限 制时,无论当前区块有多少交易,都不再等待而是直接 生成区块。在当前的设定中,其表现为 2s。
结合以上两个实验的结果,我们可以发现,针对当 前的主机环境,将区块的大小设定为 8K 较为合适, 4K 与 8K 的时延相差不多,但是在 CPU 的利率用上有明显 的提升,无论从效率还是从利用率上,都使得 Fabric 的 表现较佳。
4 结语
在本项目实施过程中,依托项目需求采用了多链交叉隔离的技术,既满足了数据安全的需求,又实现了彼 此的访问要求。在政府公共服务部门与私人停车场之间 有效的搭建了一个可信的沟通桥梁,作为示范性项目, 该方案在性能方面满足了立项中的指标要求,并最终根 据实验环境将区块大小设定为 8K,如出块速度、系统 资源占用率等。
在项目的进行过程中,同样存在一些可以改进提高 的地方,多链交叉隔离的技术带来了强大的数据安全 性,但是由于需要维护双链,对系统的维护要求较高, 同时双链的交叉访问,在高并发的情况下对系统的性能 要求较高,当并发量成倍增加时,双链的操作效率有明 显的下降,可以在以后的改进中,对双链的增、查方式 进行优化以提高运行表现。
在示范性的 P+R 停车场项目实施过程中,客户数 量有较为明显的增长,对推动绿色出行起到一定的辅助 作用。在完善项目细节的基础上,可以进一步推广,以 期获得更好的实际应用效果。
参考文献
[1] 施非凡,朱震军,陈俊兰,等.城市轨道交通站点停车换乘研究 进展分析[J].物流工程与管理,2021.43(4):88-92.
[2] 辛广宇.北京P+R停车场无感支付方案探讨[J].中国交通信 息化,2020(12):137-140.
[3] 李润发.基于计划行为理论与博弈论的居民绿色出行行为研 究[D].武汉:武汉大学,2018.
[4] 万宇杰,刘政森,曹杰,等.基于区块链的交通客运身份管理系 统设计与实现[J].电脑知识与技术(学术版),2019.15(9Z):96-98.
[5] 包成冬,王磊.区块链在交通车辆违章信息追溯管理方面的 应用[J].市场调查信息(综合版),2021(7):130-131.
[6] 王帅,秦波,陈晋川,等.基于PoW机制的区块链估值模型[J]. 信息安全学报,2018(003):30-42.
[7] 阮娜,刘汉卿,斯雪明.采用工作量证明共识机制的区块链中 挖矿攻击者间的“鲶鱼效应”[J].计算机学报,2021.44(1):177- 192.
[8] 乔蕊,曹琰,王清贤.基于联盟链的物联网动态数据溯源机制 [J].软件学报,2019.30(6):1614-1631.
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