基于联盟链的智慧图书馆数字资源协同共享

孙守强

（武汉大学信息管理学院，湖北 武汉 430072）

1 引言

信息化时代，数字资源已经成为人们获取知识的主要来源。传统图书馆独立运营，致使数字资源良莠不齐、管理效率低、资源得不到充分利用、服务质量难以满足读者需求。智慧图书馆以数字化、网络化、智能化的信息技术为基础，具有互联、高效、便利的特点，是未来图书馆发展的必然趋势[1]。智慧图书馆是互联的图书馆，即实现馆馆互联、人馆互联、人人互联[2]。馆馆互联要求对图书馆资源进行协同管理与互联共享，以实现资源的充分利用，发挥各馆的优势和特长，提升智慧图书馆服务质量，缩小各地区图书馆数字资源发展不平衡的差距。

区块链采用分布式存储、点对点（Peer-to-Peer）传输、哈希算法、非对称数字加密保障信息安全快速传输与存储[3]；时间戳、默克尔树实现对信息的高效溯源查找；共识机制保障各节点信息的正确性和有序性；智能合约实现对部分操作的自动化约束，提高系统响应效率。因此，区块链应用非常广泛，涉及金融支付、医疗、教育[4]、食品溯源[5]等多个领域。聂静[6]、孟奇勋[7]等人研究将区块链应用于数字出版权、著作权保护等方面。通过区块链建立去中心化、安全可信赖的、集体维护的网络环境，有利于在图书馆数字资源共享过程中保护版权，同时保障数字资源的开放性、安全性和完整性[8]。在区块链上的节点权利均等，没有中心化的管理机构，各节点都具有整个链上数字资源的完整备份，当一方出现资源的丢失损坏等问题，其他图书馆能够对其数字资源进行修复，对保护珍贵的馆藏资源有重要意义。智慧图书馆整合各馆数字资源包括自有版权资源、共建资源和使用权资源等。不同类型馆藏资源的协同共享存在差异，主要体现在管理权限分配和版权保护方面。使用权资源通常是该馆从第三方机构采买，如中国知网、万方等。由于合同对此类数字资源使用权和使用主体有着不同的规范要求，故主要研究自有版权资源和共建资源的协同共享。

2 相关研究

自2008年中本聪提出区块链以来，区块链发展经历了3 个阶段：酝酿期（2009—2012年）、萌芽期（2012—2015年）、发展期（2016年以来）。其在图情领域的发展仍处于探索阶段，许多学者正积极投入相关研究。于新国[9]以高校图书馆整本OA电子期刊资源建设为例，研究区块链技术在图书馆自馆配数字化文献资源建设中的优势与方法。陈小平[10]根据区块链技术去中心化、共识机制、时序稳定、可靠数据关系等主要特征及在数字货币、金融交易与诚信、人文社科应用领域发展的3个阶段，论述了其在图书馆智慧服务的可行性和必要性。余其凤[8]等人探讨了区块链技术在图书馆数字资产管理中的应用，认为缺乏良好的信任体系易导致图书馆数字资产的管理难度大且不能得到有效保护，进而提出应对图书馆数字资产管理中版权问题的区块链技术方案和架构进行设计。黄颖[11]分析了区块链技术的内涵，认为将区块链技术应用于图书馆馆藏资源管理，能够提高用户参与度、甄选高质量馆藏资源管理方、打造特色的馆藏资源管理方式。魏大威[12]等人从资源、管理、服务等多维度分析区块链技术驱动国家数字图书馆创新升级。刘红[13]总结了区块链技术在高校图书馆应用的主要特征和优势，并探索区块链技术在馆藏资源安全存储中的应用方案。

综上，可发现区块链技术被积极应用到图书馆资源管理、版权保护和安全存储，使图书馆服务质量和效率更高；但是以上研究局限于对单个传统图书馆馆藏资源进行管理保护，对于多馆互联的智慧图书馆进行数字资源的协同共享却尚未涉及。当前图书馆的发展向着开放、协同、共享、智能化方向转变，智慧图书馆是图书馆发展的新目标和新形式[14]。而其正是众多图书馆高度互联，资源高度融合共享的有机体。笔者结合区块链技术特征和智慧图书馆资源建设需要，构建联盟链式网络结构，各图书馆以节点的形式链接，当任何一家图书馆增添或修改资源时，其他图书馆节点自动备份完整的数字资源[8]。读者可以在任何时间和地点，通过获取权限快速、高效、安全地访问获取联盟链任意节点上的知识内容。

3 智慧图书馆数字资源协同共享区块链技术保障

区块链技术是对比特币交易信息进行加密、传输、存储的关键技术。比特币的交易是在没有中心机构或金融管理机构监管控制的情况下安全进行的，在交易过程中能够使分布在区块链网络中的各个节点达成共识。区块链技术很好地解决了这一关键问题。链上所有参与节点都拥有交易数据的完整备份，每个参与节点仅仅作为整个链上的一部分且权利均等，这种结构具有很强的健壮性[15]。同时，区块链中没有权利过大的中心机构，所以交易成本大幅度降低，交易效率得到很大提升[15]。

3.1 去中心化的资源管理

智慧图书资源管理应是去中心化的。传统分布式存储是一个中心化的系统，但是区块链通过P2P网络进行分布式存储，不需要中心化的控制机制，却能够保证各参与方具有整个链上数据的完整备份，实现网络成员之间信息协同共享，且难以对分布式账本进行篡改。最重要的是分布式存储使各馆都能参与对资源的管理。通过分布式存储，进行数据的查找和提取也更加快捷高效，不需要进行大量资源的在线传输。

3.2 高效的资源传输

智慧图书馆信息交互频繁且高效。在资源传输方面，点对点传输能够提高信息传输效率，不需中间服务器，每个终端都相当于是一台服务器，这种形式降低了服务器故障带来的系统瘫痪的风险，并防止数据传输中受到外界的干扰和破坏，保障信息传输的安全。同时这种传输形式，与有中心服务器的传输相比，速度更快，效率也更高。当对信息进行访问时，点对点传输能够明确进行传输双方的身份信息，方便进行溯源查询，有利于用户信息隐私和知识产权保护。

3.3 安全的加密保护

由于智慧图书馆服务更加全面智能，将融入读者工作、生活、社交的方方面面。因此，智慧图书馆对信息安全更加重视。非对称数字加密（公钥加密）就是在信息传输双方，通过公钥和私钥进行加密和解密处理，实现对信息的保护。用户的身份信息是隐匿的，虽然在整个链上的基础信息和脱敏信息是公开可见的，但是隐私信息和有知识产权的内容是被保护起来的，没有经过授权无法访问其内部信息。借助区块链加密技术，一方面能够对资源传输进行安全保护，另一方面对网络中的用户信息安全隐私、知识产权内容等进行加密保护和访问权限的设定。

3.4 资源的快速查找

大数据时代，数字资源的量不仅大，而且形式更加多样。因此，智慧图书馆效率更高。区块链中的时间戳、默克尔树可以实现对资源的快速查找和提取，提高资源的管理效率。时间戳是指从格林威治时间至现在的总秒数，可以用唯一的标识序列某一刻时间的字符串。每一个随后区块中的时间戳都会对前一个时间戳进行增强，形成一个时间递增的链条。当对链条中的某一区块进行破坏篡改时，时间的顺序就会发生变化。虽然时间戳并不复杂，却为区块链信息记录增加了时间维度，使得数据信息更容易追溯和验证查询[16]。默克尔树（Merkle tree，MT）是一种哈希二叉树，作用是一个节点可以在不下载整个区块的情况下，验证其是否包含某项信息记录。借助区块链的时间戳、默克尔树的技术优势，能够快速地进行资源的有效查找。

3.5 共识机制保障

智慧图书馆的互联，并不是一家独大，而是各馆公平对等，共同参与资源的建设管理为读者提供优质的服务。因此，智慧图书馆更公正和民主。共识机制是区块链的灵魂，在信息传输时使区块链上各节点的先后顺序达成共识的一种算法。由于在区块链上进行交易或信息传递时，需要向链上的所有节点进行公布一致信息，但是每个人接受到的消息时间是不同的，如果有人趁机发布错误的信息，就会误导其他节点对信息的正确存储。而共识机制就是在最后公布最终正确的结果，以达成共识，保障信息的完整性、一致性和准确性。

3.6 智能合约辅助管理

智慧图书馆更智能。区块链具有可编程的智能合约，在满足某个预先设定的条件时，系统会自动执行特定条款，从而提高交易效率[17]。最早在以太坊的基础上编写智能合约，其特点是在不需要双方互信的情况下，节点之间便可执行某项操作。由于智能合约是由代码定义的，也是靠代码驱动，所以部署完成后无需人为干预而自动执行。智能合约能够最大限度以减少信任的方式来执行指定的操作。这种合约模式能够使资源的管理更加便捷，通过自动执行代替人为的主观判断，不仅效率高，而且更公平、客观，特别是在创建资源时进行审核校验。

4 基于联盟链的智慧图书馆数字资源协同共享

4.1 智慧图书馆联盟链网络结构

区块链分为公有链、联盟链和私有链。公有链的所有节点对任何人都公开，任何人都可在链上进行交易，并下载查看完整区块数据。这种模式不利于图书馆对数字资源的管理和保护。私有链应用场景是在组织内部进行使用，组织机构并不希望任何人都可以参与这个系统，不对外公开且只有被许可的节点才可以参与，仅适用于特定机构的内部数据管理。联盟链是由达成约定的组织机构共同建设和维护的，联盟成员节点的权限都完全对等，优势在于不需要相互信任就可以实现数据的可信交换，并共同维护整个网络，通过授权后才能加入或退出网络，是一种公司或者组织之间达成联盟的模式。因此，为实现多家图书馆数字资源的协同管理与互联共享，构建如图1智慧图书馆联盟链网络结构。各图书馆作为区块链节点构成联盟链，共同管理维护和共享数字资源。在联盟链上图书馆之间可以相互交流，进行数字资源的共同管理，其他读者节点可以通过接口获取一定的权限访问链上的数据，但不参与共识，保障资源管理效率和质量。

图1 智慧图书馆联盟链网络结构概念图

智慧图书馆并不是简单的对所有读者进行无差别的综合服务，而是在资源上协同共享，在服务上既有共性又有差异，这种差异是为了更好地满足不同读者群体的个性化需求。图书馆节点之间采用点对点传输提高资源传输效率，突出智慧图书馆即时性服务特点。

4.2 智慧图书馆数字资源协同共享流程

智慧图书馆的特征表现为协同、开放、高效、公平和对等。各馆之间形成联盟链，实现对资源的有机融合和高效管理，为读者提供便利服务。在链上，各馆节点可对数字资源的进行创建、修改、查找等操作。但对资源创建、修改等操作需经其他各节点共同审核验证，达成共识后方可全网广播发布，最终统一标准后存入区块中，保障数据的一致性、完整性和可读性。由于对资源进行操作时，单个图书馆的判断往往存在偏差，而所有图书馆共同审核，确保数字资源的高质量。同时，在区块链上部署智能合约会根据预先设定的规则条款，自动执行相关业务操作，提高管理效率。在链上进行资源的操作，所有图书馆节点都实时可见，并作出及时响应，不需要中心化的管理机构，以一种去信任的方式达成共识。

图2 智慧图书馆数字资源管理流程

同时，设定相应的激励机制，激励各节点主动进行资源的创建和修改补充，以丰富数字资源库并提升质量。一方面，在联盟链上，图书馆之间互联，使得数字资源可以提供给更多的读者用户，将付费的知识或服务获得的收益进行合理分配，对贡献多的机构进行奖励；另一方面，可通过向贡献较大的图书馆开放更多资源访问权限的方式，达到激励的目的。智慧图书馆不仅设激励机制，同样有惩罚机制，即对数字资源进行破坏或不合规使用的节点进行处罚，可设定相应的资源访问屏蔽权限或剔除该节点。

各馆数字资源涉及自有版权资源、共建资源、使用权资源等。自有版权资源具有各馆的学科特色且付出的贡献最多，同时部分资源十分珍贵，而对这部分资源的管理该馆更加专业且具管理优势。因此，自有版权资源应向该馆分配较高的管理权限，以提升资源管理效率和质量；同时在访问权限和版权保护上，该馆有权利向其他馆提出资源共享条件，但是必须建立在公平对等的基础上。共建资源融合多馆学科特色，是多馆协同努力的结果，将以开放共享、互利合作的方式进行资源共享。使用权资源较为复杂，通常是该馆从第三方机构采购的资源，由于该馆付出对应的采购资金，所以该馆有权利向其他馆要求一定的报酬，或进行资源访问权限的交换需在不违背采购使用权合同要求情况下。智慧图书馆资源建设后期，使用权资源将通过多馆共同担负采购资金的形式进行资源的共享利用，并在第三方机构同意的情况下存入区块，但管理权限将由第三方机构决定，以降低和减少管理成本及不必要的纠纷。不管数字资源协同共享时的权限分配和版权保护如何规范，必须建立在多馆协同共享、公平对等、互利共赢、安全高效的基础上，以更好地为读者提供智慧化服务为宗旨。

4.3 智慧图书馆数字资源协同共享体系构建

为将区块链嵌入智慧图书馆数字资源的协同共享体系中，从智慧服务层、网络链接层、资源传输层、资源存储层建立数字资源协同共享体系框架。如下图3所示。

图3 基于联盟链的智慧图书馆数字资源协同共享体系框架

（1）资源存储层

区块链存储层是通过分布式存储，即每一家图书馆增加的数字资源在广播后以区块的形式存入链中，随着资源量的增加，区块链也在不断增长。在共识广播后，每一个图书馆节点都有相同的备份，实现数字资源的分布式存储，保障资源的安全完整性。区块结构由区块头和区块体构成，区块头包含版本号、前一区块的地址、时间戳、Merkle 根节点、随机数、链接下一区块的目标哈希。前一区块地址和目标哈希值保障区块相互连接形成链状结构。区块体封装数字资源，在资源存储之前进行标准化处理，方便资源的分类和查找。数据以区块的形式进行存储，形成链式数据结构，使得数据的写入和提取更加高效。

（2）资源传输层

当前数字资源多样，视频、3D、VR、AR 等非结构化数据占据很大存储空间，智慧图书馆知识服务具有可视化、个性化、即时性等特点，对数据传输效率和安全性要求更高。在区块链传输层通过点对点传输，实现数字资源的快速获取，提高管理和服务效率；利用传输协议保障资源传输双方达成安全协议，确保资源传输更加准确安全可追溯；通过加密机制，对传输数据进行加密处理，保障资源传输中数据的完整性、真实性，防止外界的破坏、篡改和信息的泄露。传输层为网络链接层和存储层提供安全高效的数据传输通道，提高资源传输效率。

（3）网络链接层

网络层链接包括节点录入、授权审核、共识机制、智能合约、广播发布、知识存储等内容。节点录入是指将新的图书馆节点加入区块链网络中，不断增加区块链中的图书馆数量，使系统具有较好的可扩展性。授权审核是对新加入的节点进行信息审核，只有审核通过并获得授权才能加入联盟链并访问其他节点的资源。智慧图书馆服务要求共识机制能实现快速响应、低成本、公平对等特点。常用的POW 工作量证明机制是“按劳取酬”，工作量越大，获得的报酬越多；但是POW机制需要通过“挖矿”来体现工作量，整个过程很耗费电力、网络的安全性低、速度慢。智慧图书馆更注重绿色、节能、环保，应采用低能耗、快速、公平、去中心化的共识机制，如PBFT、POP、POI 等算法，实现对数字资源的快速安全传输，不需要“挖矿”，且低功耗。

（4）智慧服务层

智慧图书馆在服务层实现了读者的登录注册、一站式服务、社交服务、可视化服务、检索查询订阅服务等，甚至还会不断增加其他智慧服务，如智能可穿戴设备的共享服务等。一站式导航服务包含账户管理、评价反馈、咨询、导航等知识服务以简洁、易操作的形式融入到服务平台上，方便读者获取相关的知识服务和资源[18]。社交服务，满足用户的社交需求，进行知识的沟通交流与分享，增加对知识的传播与感知[19]，使读者不仅是知识的接收者，更是知识的传播者。可视化服务将知识以可视化的形式展示给读者，提高读者阅读体验[19]。检索查询订阅服务，实现对海量数字资源的精准查找和个性化推荐，个性化推荐使得用户获取知识信息更符合其偏好。智慧图书馆检索方式也变得更多元，不仅具备文本搜索，而且嵌入视觉搜索、语音搜索等。智慧图书馆还将融入情景感知，向精准化、个性化、交互式等方向发展，以读者为中心，满足读者对知识个性化需求。

5 总结

智慧图书馆是图书馆科学发展的必然趋势，是当代图书馆创新转型，实现数字化、网络化和智能化的必然结果。笔者结合相关研究，根据区块链技术特征和智慧图书馆资源建设需要，构建联盟链式网络结构，分析资源协同共享流程，并对搭建的体系框架进行逐层分析，以期为智慧图书馆未来整合档案馆、博物馆、艺术馆及第三方知识平台或服务机构提供借鉴。