基于區(qū)塊鏈跨鏈的供應(yīng)鏈信息共享方法

南方電網(wǎng)物資有限公司 夏肇元 程文美 劉菲 李榮

利用區(qū)塊鏈技術(shù)進行供應(yīng)鏈管理及信息共享是近年來的研究熱點。由于各供應(yīng)鏈或供應(yīng)鏈中各企業(yè)所采用的區(qū)塊鏈大都是聯(lián)盟鏈或私有鏈,無法進行互操作及信息共享,形成了一座座信息孤島。針對區(qū)塊鏈跨鏈情況下的供應(yīng)鏈信息共享問題,本文設(shè)計了側(cè)鏈與聯(lián)盟鏈雙層跨鏈模型,并設(shè)計了公證人機制來實現(xiàn)側(cè)鏈與聯(lián)盟區(qū)塊鏈之間的共識,提出了隱私信息保護策略和信息共享激勵機制,并通過仿真實驗驗證了本文方法的有效性。

0 引言

供應(yīng)鏈?zhǔn)侵竾@核心企業(yè),從配套零件開始,制成中間產(chǎn)品以及最終產(chǎn)品,最后由銷售網(wǎng)絡(luò)把產(chǎn)品送到消費者手中,將供應(yīng)商、制造商、分銷商直到最終用戶連成一個整體的功能網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)。隨著全球經(jīng)濟一體化的不斷發(fā)展,各國及各經(jīng)濟組織間的合作越來越普遍,供應(yīng)鏈中涉及的供應(yīng)商、制造商、分銷商等企業(yè)數(shù)量眾多、分布范圍也很廣。如何對供應(yīng)鏈進行全過程高效管理是各企業(yè)面臨的一大問題。早期,各企業(yè)通常利用供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)進行供應(yīng)鏈管理。但是,傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)是集中式結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的管理員可修改數(shù)據(jù),從而導(dǎo)致信任問題。此外,集中式系統(tǒng)還容易出現(xiàn)單點故障,受到內(nèi)部攻擊等。

2008年,Satoshi Nakamoto提出了區(qū)塊鏈的概念,立即受到了多個領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。區(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新賬本數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問安全、利用智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ),具有分布式共享、非篡改、數(shù)據(jù)可追溯的特點。

區(qū)塊鏈跨鏈技術(shù)是實現(xiàn)各區(qū)塊鏈之間互聯(lián)互通和信息共享的重要技術(shù)途徑。然而,目前已有的跨鏈方案主要是為金融領(lǐng)域設(shè)計的。針對供應(yīng)鏈中區(qū)塊鏈跨鏈信息共享問題,本文設(shè)計了雙層跨鏈模型,設(shè)計了公證人機制來實現(xiàn)側(cè)鏈與聯(lián)盟區(qū)塊鏈之間的共識,提出了隱私信息保護策略和信息共享激勵機制,并通過仿真實驗驗證了本文方法的有效性。

1 相關(guān)工作

邵奇峰等人[1]從交易流程、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)、共識機制、區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)、智能合約、隱私保護幾方面闡述了企業(yè)級區(qū)塊鏈的原理與技術(shù),并總結(jié)了企業(yè)級區(qū)塊鏈的未來發(fā)展趨勢。朱興雄等人[2]提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)由供應(yīng)鏈各方搭建聯(lián)盟鏈,開展供應(yīng)鏈金融、精準(zhǔn)營銷等業(yè)務(wù),可提高金融領(lǐng)域的服務(wù)效率。張志威等人[3]總結(jié)了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)管理技術(shù),包括從區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲、區(qū)塊鏈?zhǔn)聞?wù)處理、區(qū)塊鏈查詢處理、區(qū)塊鏈可擴展性等方面。Wen等人[4]提出了一種基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu),提供了供應(yīng)鏈中不同實體之間的協(xié)作解決方案以及一種面向供應(yīng)鏈的細(xì)粒度數(shù)據(jù)共享方案,保證了供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)的可靠性和供應(yīng)鏈的隱私保護。葛琳等人[5]提出了一種基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)信息共享安全機制,采用了數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈和交易區(qū)塊鏈相結(jié)合的雙鏈模式:在數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲和防篡改,在交易區(qū)塊鏈中實現(xiàn)資源和數(shù)據(jù)交易,提升了交易效率,并實現(xiàn)了隱私保護。Jiang等人[6]提出了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理的跨鏈集成解決方案,構(gòu)建了一個跨鏈交互的分散訪問模型,設(shè)計了一種用于在側(cè)鏈和聯(lián)盟區(qū)塊鏈之間保護物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私的數(shù)據(jù)訪問控制協(xié)議。綜上所述,已有工作主要集中在單一區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)共享,以及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的跨鏈數(shù)據(jù)管理,關(guān)于在區(qū)塊鏈跨鏈情況下的供應(yīng)鏈信息共享問題,目前還缺乏有效的方法。

2 本文方法

本節(jié)首先介紹本文所采用的跨鏈體系結(jié)構(gòu),然后分別介紹為了實現(xiàn)跨鏈數(shù)據(jù)共享所采用的關(guān)鍵技術(shù),包括共識機制、隱私信息保護和信息共享激勵機制。

2.1 跨鏈體系結(jié)構(gòu)

本文采用雙層跨鏈模型來集成多個供應(yīng)鏈區(qū)塊鏈,如圖1所示。該模型的底層是聯(lián)盟區(qū)塊鏈,可作為控制站運行(本文采用Hyperledge Fabric作為聯(lián)盟區(qū)塊鏈);模型的上層是各個側(cè)鏈,每個側(cè)鏈都是一個供應(yīng)鏈區(qū)塊鏈。聯(lián)盟區(qū)塊鏈通過公證人節(jié)點與各側(cè)鏈相連。當(dāng)供應(yīng)鏈較多時,或者隨著時間的增加,供應(yīng)鏈所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也不斷增加。在區(qū)塊鏈上存儲數(shù)據(jù)是非常昂貴的,為了高效存儲這些數(shù)據(jù),本文采用IPFS作為數(shù)據(jù)存儲的分布式存儲系統(tǒng)。聯(lián)盟區(qū)塊鏈和側(cè)鏈都通過公證人節(jié)點連接到IPFS。

圖1 雙層跨鏈模型Fig.1 Two-layer cross-chain model

2.2 共識機制

共識機制是實現(xiàn)區(qū)塊鏈跨鏈的關(guān)鍵問題。本文設(shè)計了一種公證人機制,來實現(xiàn)側(cè)鏈與聯(lián)盟區(qū)塊鏈之間的共識。

在圖1中,聯(lián)盟區(qū)塊鏈和側(cè)鏈間通過公證人節(jié)點連接,這些公證人節(jié)點形成了一個網(wǎng)絡(luò),可以充當(dāng)不同區(qū)塊鏈系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)?？珂溇W(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)讀取鏈上的信息并對跨鏈?zhǔn)聞?wù)進行路由。公證人網(wǎng)絡(luò)通過投票機制確認(rèn)每個跨鏈交易,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中超過2/3的公證人簽名時確認(rèn)該交易。圖2所示顯示了通過公證人網(wǎng)絡(luò)的兩個區(qū)塊鏈系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流。只有公證人節(jié)點驗證的交易才會通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)侥繕?biāo)區(qū)塊鏈。

圖2 基于公證人節(jié)點網(wǎng)關(guān)的共識機制Fig.2 Consensus mechanism based on the notary's node gateway

具體來說,在圖2中,當(dāng)發(fā)生跨鏈交易或數(shù)據(jù)交互時,主要進行如下三個步驟:(1)源區(qū)塊鏈將跨鏈交易提交到網(wǎng)關(guān)中的公證人節(jié)點;(2)公證人節(jié)點驗證并對交易簽名;(3)網(wǎng)關(guān)在收集2/3以上公證節(jié)點的簽名后路由和轉(zhuǎn)發(fā)該交易事務(wù)。

2.3 隱私信息保護

供應(yīng)鏈涉及多個環(huán)節(jié)或企業(yè),每個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生很多信息,其中某些信息可能會涉及商業(yè)隱私或商業(yè)秘密,所以每個企業(yè)愿意共享的信息是有限制的。本文將供應(yīng)鏈中可進行共享的信息分為如下5類:庫存、成本、需求、質(zhì)量、其他信息。其中庫存信息包括庫存能力和當(dāng)前庫存量,成本信息包括原材料成本、人工成本、交易成本等,需求信息包括當(dāng)前訂單需求、預(yù)期訂單需求、已銷售數(shù)據(jù)等,質(zhì)量信息包括生產(chǎn)規(guī)格、產(chǎn)品參數(shù)等,其他信息包括除上述信息之外的其他產(chǎn)品相關(guān)屬性信息。針對上述5類隱私信息,用戶可以生成5個對應(yīng)密鑰,并通過MD5進行加密后保存到區(qū)塊鏈上。

隱私信息所有者可對允許訪問該隱私信息的用戶進行授權(quán)。在進行用戶授權(quán)時,首先選擇該用戶允許訪問的隱私信息類別,然后設(shè)定2.4節(jié)所描述的激勵積分?jǐn)?shù)量(可根據(jù)系統(tǒng)協(xié)議自動設(shè)定,也可雙方協(xié)商設(shè)定),最后用信息需求用戶的公鑰把該用戶所需信息類別對應(yīng)的密鑰發(fā)送給該用戶。

2.4 信息共享激勵機制

供應(yīng)鏈涉及企業(yè)較多,各企業(yè)處于供應(yīng)鏈的上下游不同位置,或者各供應(yīng)鏈之間有單向的供給依賴關(guān)系,這就使得不同企業(yè)對于信息共享的意愿不同。為了鼓勵供應(yīng)鏈各企業(yè)積極參與信息共享,本文設(shè)計了信息共享激勵機制。在隱私信息被其他區(qū)塊鏈或同一區(qū)塊鏈內(nèi)的其他企業(yè)訪問后,提供隱私信息的一方將收到約定數(shù)量的積分作為補償,以提高其信息共享的主動性。

3 實驗結(jié)果

本節(jié)對上節(jié)提出的跨鏈體系結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的策略機制進行實驗驗證。本文基于Hyperledger Fabric構(gòu)建了聯(lián)盟區(qū)塊鏈,并在VultrVPS上部署了4個節(jié)點作為公證人節(jié)點,并組成公證人節(jié)點網(wǎng)關(guān)。每個節(jié)點的配置為:英特爾I7-11700K處理器,8核,主頻3.6GHz;內(nèi)存為DDR4 3200MHz 32GB。在每個測試中,本文通過Hyperledger Fabric提供的API生成并發(fā)送5000個事務(wù)(均為共享數(shù)據(jù)查詢事務(wù))。本文測試了不同發(fā)送率下系統(tǒng)的延遲和吞吐率(單位為TPS,即每秒事務(wù)數(shù)),具體如表1所示:

表1 模擬實驗系統(tǒng)延遲及吞吐率Tab.1 Delay and throughput rate of simulation experiment system

可見,在該模擬環(huán)境下,本文設(shè)計的跨鏈體系結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的策略機制可以有效處理區(qū)塊鏈跨鏈情況下的供應(yīng)鏈信息共享。特別是當(dāng)發(fā)送率不高時,本文方法尤為有效。

4 結(jié)語

由于區(qū)塊鏈技術(shù)具有分布式共享、非篡改、數(shù)據(jù)可追溯的特點,現(xiàn)已成為供應(yīng)鏈管理重要技術(shù)手段。但是,各供應(yīng)鏈或供應(yīng)鏈中不同企業(yè)所采用的區(qū)塊鏈大都是聯(lián)盟鏈或私有鏈,都是獨立、封閉的網(wǎng)絡(luò),各個區(qū)塊鏈之間難以互聯(lián)互通。為了解決現(xiàn)有供應(yīng)鏈區(qū)塊鏈的信息孤島問題,本文設(shè)計了包含側(cè)鏈與聯(lián)盟鏈的雙層跨鏈模型,同時設(shè)計了公證人機制來實現(xiàn)側(cè)鏈與聯(lián)盟區(qū)塊鏈之間的共識;此外,為了保護用戶隱私并提高用戶信息共享的積極性,提出了隱私信息保護策略和信息共享激勵機制;最后通過仿真實驗驗證了本文方法的有效性。

引用

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