基于區(qū)塊鏈技術(shù)對物流追溯的研究

李世杰 龐 慧，2 劉志新 李雅楠

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075300；2.張家口市大數(shù)據(jù)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000)

0 引 言

比特幣是21世紀(jì)初由中本聰提出的一種點對點的數(shù)字支付系統(tǒng)，2009年正式啟動該系統(tǒng).而區(qū)塊鏈概念最早起源于比特幣，在近些年的發(fā)展中，出現(xiàn)了許多基于區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景，比特幣作為區(qū)塊鏈技術(shù)初始應(yīng)用場景，無疑是最成功的.在比特幣中區(qū)塊鏈主要存儲交易信息，將交易信息、交易數(shù)據(jù)以區(qū)塊的方式組合到一起形成鏈，其本質(zhì)上是一種分布式存儲與記錄結(jié)構(gòu)，但不同于傳統(tǒng)的信息集中式存儲，區(qū)塊鏈技術(shù)是去中心化存儲.其交易方式是通過記錄時間來實現(xiàn)的，其中區(qū)塊鏈中每個節(jié)點主要包含塊頭和主體兩部分，主體對交易信息進行儲存記錄，塊與塊之間的鏈接由塊頭鏈接完成[1].由于區(qū)塊鏈交易具備過程可信和去中心化兩個特點，其在數(shù)字貨幣、數(shù)字政務(wù)、供應(yīng)鏈金融、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域都可延伸應(yīng)用.在進入新時代后，網(wǎng)購成為了日常行為，但物流業(yè)的運送模式還是停留在以中心化信息處理為基礎(chǔ)的服務(wù)上，所造成的包裹丟失，損壞等問題層出不窮.至于包裹是在哪個運送節(jié)點上出現(xiàn)上的問題，則相互推諉，互不承認，以至于廣大消費者無法很好的維權(quán).以區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建物流信息數(shù)據(jù)庫，在現(xiàn)代密碼學(xué)技術(shù)的支持下，可確保交易信息安全，以此解決多數(shù)商業(yè)信任的問題.

1 物流業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展

1.1 物流業(yè)現(xiàn)狀

進入互聯(lián)網(wǎng)時代后，中國物流業(yè)發(fā)展迅速，2014年中國首次在快遞業(yè)務(wù)量上超過美國，成為世界快遞業(yè)第一大國，成交業(yè)務(wù)量達到140億件.2020年9月10日，物流業(yè)務(wù)量統(tǒng)計為500億件，到2020年12月底結(jié)束，物流業(yè)務(wù)量達到800億件，從9月到12月這四個月期間.每個月的物流量增長為百億級，直至突破800億物流臺階，創(chuàng)造了中國物流界的新紀(jì)錄.

1.2 物流業(yè)主要問題

中國正處于物流大國向物流強國轉(zhuǎn)變的階段，但物流業(yè)績效并不理想.主要存在以下幾點問題：

(1)散布在社會中的各物流公司規(guī)模不一，規(guī)模經(jīng)濟經(jīng)驗不足，不能充分利用資源.

(2)物流產(chǎn)業(yè)鏈具有顯著的中心化特征，涉及到的鏈條非常多，各物品信息收集不及時、不完整以及數(shù)據(jù)處理機制不暢是物流業(yè)需要突破的重要瓶頸.

(3)物流數(shù)據(jù)大多存儲在物流公司數(shù)據(jù)庫中，造成物流信息不透明.以農(nóng)副產(chǎn)品為例，在采用第三方物流運輸時，由于運力不透明，難以實現(xiàn)運輸資源的共享和設(shè)備利用率的最大化.

2 區(qū)塊鏈技術(shù)

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

2.1.1 “去中心化”

“去中心化”的概念是相對“中心化”提出，“中心化”系統(tǒng)是指以單一組織為核心構(gòu)建信任關(guān)系，如圖1所示.例如，網(wǎng)購場景下用戶必須通過第三方信息系統(tǒng)完成身份驗證、交易、貨物流動、信息追蹤等；“去中心化”是指在不依靠第三方的單一組織所構(gòu)建的信任背景，其中參與交易的每個組織重要性基本相同[2]，如圖2所示.

圖1 中心化 圖2 去中心化

2.1.2 共識機制

區(qū)塊鏈系統(tǒng)為了保證傳輸信息、價值轉(zhuǎn)移的一致性和正確性，創(chuàng)建了一套專門的共識機制，這套機制能在區(qū)塊鏈“去中心化”組織中穩(wěn)定高效運行.基于共識機制，可保證貨物運送時信息保持一致.

圖3 “非對稱加密”的雙向加密性

2.1.3 非對稱加密

區(qū)塊鏈技術(shù)中的“非對稱加密”指在公鑰和私鑰的保護下，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)中時間戳保護交易信息的安全性和用戶信息的隱私性[3].“非對稱”加密具有加密的雙相性，即公鑰和私鑰都可用來加密，另一個可解密.“非對稱加密”雖然具有兩個秘鑰，但相互無法推出.基于此特征，“非對稱”加密的安全性更好，結(jié)構(gòu)如圖3所示.“非對稱加密”在物流過程中可以有效的避免個人交易誠信體系的缺失、不正當(dāng)交易等.

2.2 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈由多個區(qū)塊首尾相連組成，區(qū)塊之間以記錄前一區(qū)塊Hash的方式建立連接.每個區(qū)塊包含區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分，其中區(qū)塊頭包含前一區(qū)塊的Hash和Merkle根哈希值、隨機值、時間戳等.具體交易信息以及Merkle樹存放在區(qū)塊體中，區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

Merkle樹為一棵哈希二叉樹，自低向上生成.假設(shè)有n筆交易數(shù)據(jù)，先對這n筆交易數(shù)據(jù)分別求取Hash值，這些Hash值按順序排放在Merkle樹底部，首先對前兩個Hash相加求Hash，接著對第三、第四相加求Hash，以次類推.根據(jù)二叉樹的特點，當(dāng)有n個交易數(shù)據(jù)經(jīng)過哈希加密再插入Merkle樹之后，最多經(jīng)過2*計算就能檢查交易是否在該樹中.

例:以A、B、C、D四個原始交易建立Merkle樹，結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 構(gòu)建Merkle樹

3 區(qū)塊鏈技術(shù)在物流業(yè)中應(yīng)用

3.1 物流信息防偽溯源模型設(shè)計

根據(jù)區(qū)塊鏈去中心化結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計如圖6所示的貨物物流信息防偽區(qū)塊，具體思路體現(xiàn)如下.

(1)每件物流產(chǎn)品從生產(chǎn)時便賦予唯一的Hash值，每件產(chǎn)品的Hash值分別生成對應(yīng)的第一標(biāo)識別印制在產(chǎn)品上.

(2)物流公司根據(jù)產(chǎn)品的唯一Hash值第二次計算Hash值，生成對應(yīng)的第二標(biāo)識碼印制在物流外包裝.

(3)產(chǎn)品Hash值與外包裝Hash值相加再求Hash值，稱為貨物Hash，寫入?yún)^(qū)塊鏈Merkle樹.

(4)當(dāng)貨物發(fā)生中轉(zhuǎn)，從上個節(jié)點到下個節(jié)點，將物流信息轉(zhuǎn)為Hash值更新到區(qū)塊鏈Merkle樹中，稱為物流Hash.

(5)物流Hash和貨物Hash相加計算Merkle根Hash，存入?yún)^(qū)塊鏈.

圖6 區(qū)塊防偽溯源設(shè)計

通過上述設(shè)計，物流與貨物通過Merkle樹實現(xiàn)管理，Merkle樹存入?yún)^(qū)塊鏈[4].外包裝與產(chǎn)品捆綁，如果其中一個發(fā)生異常變化，會導(dǎo)致整個區(qū)塊中的貨物Hash值發(fā)生變化，從而說明貨物在運送時狀態(tài)異常.每次貨物中轉(zhuǎn)時都有唯一的物流信息，唯一物流信息對應(yīng)唯一Hash.需要查詢時可通過物流信息計算Hash，從而判斷貨物真?zhèn)渭斑\送情況.通過以上方法，可達到產(chǎn)品溯源防偽目的.

3.2 基于物流信息防偽溯源模型的物流管理架構(gòu)設(shè)計

基于區(qū)塊鏈技術(shù)所建立的物流信息管理系統(tǒng)，能成為安全可信的穩(wěn)定物流供應(yīng)鏈，將合作關(guān)系全部上鏈，鏈上各關(guān)系之間互相扶持，相互監(jiān)督.區(qū)塊鏈技術(shù)對貨物資源和信息資源匯總起到極大的促進作用，提升企業(yè)物流資源整合、資源最大化利用，將現(xiàn)有物流規(guī)模再提高一個等級[5].

總體設(shè)計如圖7所示：

圖7 貨物物流信息防偽溯源架構(gòu)

系統(tǒng)總體設(shè)計為四層，包括供貨層、數(shù)據(jù)分析層、區(qū)塊鏈層、客戶層.

供貨層主要是發(fā)貨方確定物流起始地和目的地，提供貨物的基本信息.數(shù)據(jù)分析層根據(jù)物流起始地的和目的地對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行分析，確定所選物流公司和最佳物流線路.區(qū)塊鏈層接收來自供貨方提供的貨物基本信息、所選物流公司、最佳線路以及存儲物流在運輸過程的中轉(zhuǎn)信息等.客戶層可以隨時查看區(qū)塊鏈節(jié)點中物流信息，關(guān)注物流信息動態(tài)變化.

3.2.1 數(shù)據(jù)挖掘?qū)?，確定貨物起始地和目的地，分析數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)存的物流數(shù)據(jù)信息，選取最佳物流公司及最佳線路.

物流公司選擇方案:

(1)根據(jù)已有用戶返回的物流服務(wù)評價，統(tǒng)計各物流公司的總體得分.評價指標(biāo)如表1(可根據(jù)實際情況對評價指標(biāo)進行修改)：

表1 物流評分表

(2)選擇得分前三的物流公司，存入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)中，由用戶最終決定哪家物流公司承擔(dān)本次貨運.

最佳線路選擇方案:

(1)由于最佳線路選擇方面實際情況較復(fù)雜，為方便闡述理論，在本文中選擇較為簡單的最短路徑模型，其中V1,V2,V3,V4代表地點，如圖8所示.

圖8 物流中轉(zhuǎn)點

(2)選擇Floyd最短路徑求解算法；建立初始矩陣，初始矩陣如圖9所示.

圖9 初始矩陣

最終迭代矩陣如圖10所示.

圖10 迭代矩陣

如:要求物流始發(fā)地為V1,目的地為V3.根據(jù)最終迭代矩陣選擇路線為V1—V2—V3.同步路線信息至區(qū)塊鏈節(jié)點中，同時允許用戶查看.

3.2.2 區(qū)塊鏈層，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到物流產(chǎn)業(yè)鏈，構(gòu)建可信任的完全去中心化分布式賬本，利用區(qū)塊鏈節(jié)點之間的共識機制使貨物提供者、物流中轉(zhuǎn)站、用戶都能參與記賬，并能夠及時查看物流信息且能對信息進行更新.該溯源方案中所涉及的數(shù)據(jù)由區(qū)塊鏈系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫共同存儲，打包信息數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫.物流數(shù)據(jù)再通過sha256算法生成對應(yīng)的信息摘要發(fā)送到區(qū)塊鏈上[6].系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示.

圖11 區(qū)塊鏈層構(gòu)想

3.2.3 客戶層，客戶在收到產(chǎn)品后，如果對產(chǎn)品質(zhì)量以及物流存疑，可向供貨方提出審核要求，供貨方和用戶通過查Merkle樹中貨物Hash可判別貨物是否在源頭出現(xiàn)異常.如Merkle樹貨物Hash一致，可通過物流數(shù)據(jù)再次計算Sha256與各區(qū)塊數(shù)據(jù)摘要比對，直接定位Sha256不一致的節(jié)點，確定物流異常.

4 結(jié) 語

基于物流信息防偽溯源模型的物流管理架構(gòu)將物流過程與區(qū)塊鏈技術(shù)有效結(jié)合，構(gòu)建不可更改、互相信任的合格信息系統(tǒng)及防偽設(shè)計，使整個物流過程實現(xiàn)各環(huán)節(jié)自動化管理，更新了現(xiàn)存物流信息系統(tǒng).很大程度上提升了數(shù)據(jù)的更新效率，加強數(shù)據(jù)共享，整體提升了系統(tǒng)的自動化和智能化水平.為智慧物流的改革提供了新的思路，在廣大用戶和商家的參與下，將最終推動整個物流產(chǎn)業(yè)全方位升級，加快智慧物流行業(yè)全智能化與全自動化的快速融合.