基于區(qū)塊鏈的電子倉單可信存儲技術(shù)

王文奇，潘 恒，潘 磊，關(guān)云云

1.中原工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，鄭州450007

2.中原工學(xué)院前沿信息技術(shù)研究院，鄭州450007

3.中原工學(xué)院圖書館，鄭州450007

物流倉儲是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而倉單是指倉儲方簽發(fā)給存儲人或貨物所有人的記載倉儲貨物唯一合法的物權(quán)憑證.《合同法》第387 條規(guī)定：“倉單是提取倉儲物的憑證.存貨人或者倉單持有人在倉單上背書并經(jīng)保管人簽字或者蓋章的，可以轉(zhuǎn)讓提取倉儲物的權(quán)利.”[1]

倉單是以可信的倉儲物品為核心的信息表達(dá)，而倉儲物品背后是以倉單形式確定的物權(quán)以及轉(zhuǎn)移關(guān)系.不僅要求倉單所代表的存儲物及存儲過程是可信的，而且必須要求倉單具有有效性、可信性、不可篡改性等高安全等級[2].

倉庫存儲是在特定場所存儲物品的行為，通過倉儲對物品存儲和保管.在供應(yīng)鏈中，貨物在倉庫的停留時(shí)間最長，由此可見倉庫存儲是核心節(jié)點(diǎn).只有在可信的倉庫存儲基礎(chǔ)上，才能構(gòu)建供應(yīng)鏈之間的信用關(guān)系.然而，在存儲過程中可能面臨各種風(fēng)險(xiǎn)，如調(diào)換、盜竊、損壞等.為此，在現(xiàn)代倉儲過程中采用攝像、震動(dòng)傳感器、溫濕度傳感器等大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控倉儲物品，從而產(chǎn)生大量的監(jiān)控信息，目的是在保障貨物安全存儲的同時(shí)為貨物背后的貨主、倉單交易以及其背后承載的金融特征執(zhí)行背書的任務(wù).當(dāng)采用傳統(tǒng)存儲技術(shù)時(shí)，這些信息理論上是可修改的，因而無法厘清管理與物權(quán)等各方責(zé)任，最終導(dǎo)致倉單是不可信的.

區(qū)塊鏈技術(shù)是近年出現(xiàn)的分布式賬本技術(shù)，其特點(diǎn)是：去中心化、公開透明、不可更改、不可偽造等[3].區(qū)塊鏈因這些特點(diǎn)而具有安全可靠性高、難以偽造、存入信息不可篡改以及可溯源等優(yōu)勢.因此，如果能將以倉儲為核心的相關(guān)信息存入?yún)^(qū)塊鏈，建立一條可信而完整的監(jiān)控貨物信息鏈，將有助于供應(yīng)鏈各參與方之間建立信任關(guān)系，為倉單進(jìn)行可靠性背書，同時(shí)利用傳統(tǒng)比特幣的交易特征為建立電子倉單交易提供可能.為此，文獻(xiàn)[4]基于超級賬本技術(shù)建立了一個(gè)倉單交易系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5]采用超級賬本1.0 技術(shù)將交易信息寫入?yún)^(qū)塊鏈；文獻(xiàn)[6]基于以太坊技術(shù)利用智能合約實(shí)現(xiàn)倉單交易業(yè)務(wù)合約；文獻(xiàn)[7]則提出了供應(yīng)鏈模型使之適用于區(qū)塊鏈系統(tǒng)；文獻(xiàn)[8]討論了利用區(qū)塊鏈建立電子倉單的可行性；文獻(xiàn)[9]基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)建立了谷物類倉單交易平臺.綜上所述，目前的相關(guān)研究大多將倉單信息記錄于區(qū)塊鏈，而沒有記錄物流倉單的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)信息；同時(shí)作為合約記錄電子倉單相當(dāng)于記錄了交易過程，獲得倉單時(shí)需要綜合這些合約以獲得交易結(jié)果，而不是直接按照交易算法計(jì)算交易的結(jié)果.

針對上述問題，本文旨在利用區(qū)塊鏈的不可修改特性，針對倉儲系統(tǒng)的特性，研究并設(shè)計(jì)一個(gè)可信的信息存儲以及電子倉單交易平臺，將以倉單為代表的倉庫各種貨物相關(guān)信息以及監(jiān)控貨物的物聯(lián)網(wǎng)信息存儲為可信信息鏈，為建立供應(yīng)鏈各參與方之間的信任關(guān)系以及可信的倉單轉(zhuǎn)讓提供底層數(shù)據(jù)平臺支撐.

1 實(shí)施方案

本文結(jié)合現(xiàn)代倉儲系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特征，針對供應(yīng)鏈系統(tǒng)可信性需求，利用區(qū)塊鏈的不可篡改性以及可追溯性等特點(diǎn)構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的倉單倉庫存儲系統(tǒng).該系統(tǒng)支持Internet 網(wǎng)絡(luò)下的局域網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、WIFI等多種接入，支持手持、攝像頭、射頻識別器（radio frequency identification, RFID）等各種硬件設(shè)備的信息采集與傳輸，支持物流倉單金融中貨主、倉庫保管以及銀行等各個(gè)角色接入查詢，使參與各方達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)可控的目的.

基于以上要求，為支撐倉庫物流系統(tǒng)的管理以及供應(yīng)鏈系統(tǒng)，采用如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu).

圖1 物流倉儲區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)Figure 1 Blockchains network topology about logistics storage

系統(tǒng)中包含如下主要角色：全網(wǎng)唯一的CA 認(rèn)證服務(wù)器、各個(gè)相對獨(dú)立的倉儲子網(wǎng)系統(tǒng)、以手機(jī)為代表的貨主手持設(shè)備作為區(qū)塊鏈錢包以及部分Internet 區(qū)塊鏈記賬節(jié)點(diǎn).這些角色以構(gòu)建的區(qū)塊鏈系統(tǒng)為支撐平臺，通過Internet 互相連接起來.

每個(gè)倉儲子網(wǎng)可以采用私網(wǎng)組網(wǎng)，但需要一個(gè)公網(wǎng)接口與Internet 互聯(lián).子網(wǎng)中包含一個(gè)唯一的區(qū)塊鏈記賬節(jié)點(diǎn)，包含手持設(shè)備、RFID、攝像頭等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備.為保證所有區(qū)塊鏈記賬節(jié)點(diǎn)能夠在Internet 中互聯(lián)，在Internet 公網(wǎng)中至少部署一臺以上區(qū)塊鏈記賬節(jié)點(diǎn).

區(qū)塊鏈盡管采用了簽名機(jī)制，但簽名本質(zhì)上還是虛擬信息.因此，為了能與真實(shí)的物理世界關(guān)聯(lián)起來，引入數(shù)字證書.本系統(tǒng)具有以下作用：1）以數(shù)字認(rèn)證中心（certificate authority,CA）注冊的方式把真實(shí)世界中主體與區(qū)塊鏈中存儲的虛擬信息相關(guān)聯(lián)；2）提供設(shè)備準(zhǔn)入機(jī)制，并使入網(wǎng)的設(shè)備具有不同的身份；3）記賬節(jié)點(diǎn)可以采用雙重簽名，從而提高區(qū)塊鏈存儲信息的安全性.

CA 通過注冊系統(tǒng)（registration authority, RA）實(shí)體認(rèn)證并頒發(fā)證書，其作用如下：1）保證了各物聯(lián)網(wǎng)參與設(shè)備以及倉單轉(zhuǎn)移參與方的實(shí)體認(rèn)證特征；2）在數(shù)據(jù)存儲和交易過程中對存儲數(shù)據(jù)加密簽名，利用證書對加入的主機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證以保證私有鏈的可靠、可信和穩(wěn)定；3）在數(shù)據(jù)查詢驗(yàn)證時(shí)，利用數(shù)字證書系統(tǒng)對存儲數(shù)據(jù)簽名進(jìn)行驗(yàn)證；4）利用證書系統(tǒng)將區(qū)塊鏈中生成的私鑰加密簽名，并支持基于證書的錢包數(shù)據(jù)導(dǎo)出.利用數(shù)字證書技術(shù)將區(qū)塊鏈的私鑰進(jìn)行加密保存，從而降低了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)私鑰明文保存而面臨錢包數(shù)據(jù)可能丟失的風(fēng)險(xiǎn).

基于上述特征，本區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用私有鏈系統(tǒng)，其總體設(shè)計(jì)框架如圖2所示.

系統(tǒng)底層利用區(qū)塊鏈的核心架構(gòu)，采用Berkeley DB 數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)將數(shù)據(jù)按照塊進(jìn)行存儲.設(shè)計(jì)共識機(jī)制算法，定時(shí)協(xié)商特定的記賬主機(jī)產(chǎn)生區(qū)塊，采用Hash 算法將各個(gè)區(qū)塊鏈接起來，再根據(jù)Hash 算法將存儲的數(shù)據(jù)生成Merkle 樹以方便查詢.對于每一次存儲的數(shù)據(jù)，利用非對稱密鑰技術(shù)將數(shù)據(jù)加密存儲；利用P2P 技術(shù)將所有用戶的所有交易及存儲數(shù)據(jù)廣播于全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)則根據(jù)交易規(guī)則驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性.

在區(qū)塊鏈核心技術(shù)以及數(shù)字證書技術(shù)支撐的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)上層的共識機(jī)制算法、交易算法、數(shù)據(jù)查詢算法，使系統(tǒng)更適合倉儲信息的交易、存儲以及查詢，最終達(dá)到為物流倉單金融有效背書的目的.

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架Figure 2 System design framework

2 共識算法

2.1 共識機(jī)制架構(gòu)設(shè)計(jì)

共識機(jī)制是區(qū)塊鏈中的核心技術(shù)點(diǎn).多方參與節(jié)點(diǎn)在預(yù)設(shè)規(guī)則下通過節(jié)點(diǎn)間交互對數(shù)據(jù)、行為或流程達(dá)成一致的過程稱為共識.共識機(jī)制是指定義共識過程的算法、協(xié)議和規(guī)則，按照共識的過程分兩類：第1 類是概率一致的共識，也即工程學(xué)上的最終確認(rèn)；第2 類是絕對一致之后再共識，共識即確認(rèn)[10].

當(dāng)前已有的共識算法不適合本系統(tǒng)架構(gòu)，原因如下：1）本區(qū)塊鏈系統(tǒng)參與記賬節(jié)點(diǎn)的規(guī)模相對較小，其量級在幾個(gè)到數(shù)百個(gè)之間.在這樣的規(guī)模下需要考慮網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定性（如節(jié)點(diǎn)的掉線和上線），而已有共識算法考慮的是規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò).從宏觀上來看，規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)是穩(wěn)定的，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性.2）沒有考慮參與創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)的可認(rèn)證性，也沒有對創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)證；3）如果能夠給予參與的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一定獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，則會(huì)激發(fā)更多用戶安裝更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，從而提高倉儲貨物的安全性，而已有共識算法沒有這樣的設(shè)計(jì).

綜合以上因素，本共識算法采用第2類的共識機(jī)制，即絕對一致共識.設(shè)計(jì)了基于信譽(yù)度的共識算法，架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示.共識算法采用3 層架構(gòu)設(shè)計(jì)：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層（投票）、鏈作業(yè)層（記賬）、管理層（CA 身份認(rèn)證、賬本存儲），共識算法通過多層次設(shè)計(jì)降低了數(shù)據(jù)存儲的需求，提升了區(qū)塊生成者的隨機(jī)性.

圖3 共識算法設(shè)計(jì)框架Figure 3 Consensus algorithm framework

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過記賬節(jié)點(diǎn)參與投票，為提高各物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備參與投票的積極性，創(chuàng)建了虛擬貨幣瑞福幣.當(dāng)投票記賬節(jié)點(diǎn)獲得創(chuàng)建區(qū)塊權(quán)利時(shí)，記賬節(jié)點(diǎn)獲得100 瑞福幣，并將瑞福幣分配給參與該記賬節(jié)點(diǎn)投票的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備.

首先給出以下定義.

1）設(shè)備ID

設(shè)備ID 是記賬節(jié)點(diǎn)以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都擁有一個(gè)全網(wǎng)唯一的ID，為4 字節(jié)的無符號整數(shù)，由管理層統(tǒng)一分配管理.

2）記賬節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度

記賬節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度是表示記賬節(jié)點(diǎn)可靠性的參數(shù).在每個(gè)記賬周期，節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度值增加1，達(dá)到最大值時(shí)便不再增加.

3）主節(jié)點(diǎn)視圖

主節(jié)點(diǎn)視圖是指記賬主節(jié)點(diǎn)廣播于全網(wǎng)的所有信息，包括記賬主節(jié)點(diǎn)ID、信譽(yù)度以及投票信息.一個(gè)協(xié)商周期結(jié)束后，各記賬節(jié)點(diǎn)廣播該節(jié)點(diǎn)的所有信息.

4）全主節(jié)點(diǎn)視圖

所有主節(jié)點(diǎn)視圖構(gòu)成了全主節(jié)點(diǎn)視圖.

接下來描述各層角色.

1）管理層

a）包括CA 服務(wù)器，負(fù)責(zé)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和記賬主節(jié)點(diǎn)頒發(fā)數(shù)字證書；

b）分配并管理記賬主節(jié)點(diǎn)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備ID；

c）負(fù)責(zé)保存設(shè)備在區(qū)塊鏈中的錢包地址（區(qū)塊鏈中的公鑰），將ID與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在區(qū)塊鏈中的錢包地址對應(yīng)；

d）應(yīng)答查詢ID 對應(yīng)的信息，如根據(jù)設(shè)備ID 查詢對應(yīng)的錢包地址.

2）記賬主節(jié)點(diǎn)

a）根據(jù)共識算法獲得記賬權(quán)時(shí)創(chuàng)建區(qū)塊，并根據(jù)投票給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備分配瑞福幣，分配策略是：通過設(shè)備ID 與管理層通信來查詢獲得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的錢包公鑰，進(jìn)而交易給對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；

b）根據(jù)共識算法驗(yàn)證產(chǎn)生區(qū)塊的合法性；

c）廣播物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的投票信息，并轉(zhuǎn)發(fā)廣播信息；

d）向所關(guān)聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備廣播全主節(jié)點(diǎn)視圖.

3）物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

a）物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是指加入倉單系統(tǒng)中的各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如監(jiān)控?cái)z像頭、RFID 讀寫器、NVR、手持設(shè)備等；

b）首先由設(shè)備廠商為每個(gè)設(shè)備在區(qū)塊鏈系統(tǒng)的管理層注冊一個(gè)錢包，然后在管理層注冊錢包地址，并由管理層分配設(shè)備ID；

c）獲得參與投票全節(jié)點(diǎn)視圖，并根據(jù)全節(jié)點(diǎn)視圖投票；

d）在每一個(gè)產(chǎn)生區(qū)塊周期內(nèi)，投票創(chuàng)建區(qū)塊記賬節(jié)點(diǎn)的設(shè)備獲得對應(yīng)的瑞福幣.

2.2 注冊認(rèn)證

首次加入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要向管理層注冊認(rèn)證，其流程如圖4所示.

圖4 注冊設(shè)備流程Figure 4 Process about registering device

注冊認(rèn)證算法的具體步驟如下：

步驟1物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備首先向區(qū)塊鏈系統(tǒng)申請一個(gè)錢包地址；

步驟2物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備向管理層設(shè)備注冊，注冊內(nèi)容包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備錢包地址以及其他信息，如設(shè)備商的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備編號等信息；

步驟3管理設(shè)備收到注冊信息后，給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備分配一個(gè)設(shè)備ID，然后保存設(shè)備數(shù)據(jù)庫記錄分配的ID、設(shè)備商的錢包地址，返回設(shè)備ID 信息.

加入?yún)^(qū)塊鏈時(shí)，記賬主節(jié)點(diǎn)向管理層注冊認(rèn)證，具體步驟如下：

步驟1向管理層主機(jī)申請一個(gè)數(shù)字證書；

步驟2向管理層主機(jī)申請分配一個(gè)設(shè)備ID.

2.3 共識算法描述

共識算法為周期性運(yùn)行算法，其整體框架如圖5所示，分為投票周期、協(xié)商周期、創(chuàng)建區(qū)塊周期、權(quán)益分配周期.其中，權(quán)益分配周期和上一個(gè)創(chuàng)建區(qū)塊重疊，即共識算法周期實(shí)際需要的時(shí)間為前3 個(gè)周期.

圖5 共識算法周期Figure 5 Consensus algorithm period

共識算法中各周期的流程如圖6所示.對于初次加入的記賬主節(jié)點(diǎn)，將其信譽(yù)度置為0.當(dāng)其信譽(yù)度小于4 時(shí)，沒有投票和記賬的權(quán)利，只能接收全網(wǎng)視圖的廣播.每經(jīng)過一個(gè)記賬周期，信譽(yù)度增加1.當(dāng)信譽(yù)度達(dá)到5 時(shí)，該記賬節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度不再增加，目的主要是防止那些網(wǎng)絡(luò)狀況差或者頻繁加入退出區(qū)塊鏈系統(tǒng)記賬節(jié)點(diǎn)，以免造成全網(wǎng)的系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況.

圖6 共識算法流程圖Figure 6 Flow chart of consensus algorithm

最優(yōu)全節(jié)點(diǎn)視圖算法描述如下：在每個(gè)記賬周期內(nèi)，上一輪記賬周期協(xié)商的創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)將廣播全節(jié)點(diǎn)視圖，記賬節(jié)點(diǎn)將廣播對上一輪記賬周期協(xié)商創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)的評價(jià).5輪之內(nèi)，評價(jià)最優(yōu)的創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)所廣播的全節(jié)點(diǎn)視圖就是最優(yōu)全節(jié)點(diǎn)視圖.

2.3.1 投票周期

在投票周期內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投票記賬節(jié)點(diǎn)，投票算法如圖7所示，具體步驟如下：

步驟1由記賬主節(jié)點(diǎn)將上一個(gè)創(chuàng)建區(qū)塊周期內(nèi)全主節(jié)點(diǎn)視圖中各節(jié)點(diǎn)的ID 廣播給所關(guān)聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；

步驟2物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨機(jī)投票選擇一個(gè)記賬主節(jié)點(diǎn)ID，并將消息傳遞給所關(guān)聯(lián)的記賬主節(jié)點(diǎn).

圖7 投票周期流程Figure 7 Flow chart of voting period

2.3.2 協(xié)商周期

在協(xié)商周期內(nèi)，各記賬節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)范圍內(nèi)廣播記賬節(jié)點(diǎn)信息，并使各節(jié)點(diǎn)獲得一致的信息.具體做法如下：每個(gè)記賬主節(jié)點(diǎn)將本節(jié)點(diǎn)獲得的全網(wǎng)視圖和上一輪創(chuàng)建區(qū)塊記賬主節(jié)點(diǎn)廣播的全主節(jié)點(diǎn)視圖比對，如果不一致，則評價(jià)上一輪創(chuàng)建區(qū)塊記賬主節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度為0，否則評價(jià)該節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度為1.

每個(gè)記賬主節(jié)點(diǎn)需要廣播以下內(nèi)容：1）各物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的投票信息，如物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)的ID 及其投票記賬節(jié)點(diǎn)ID；2）記賬主節(jié)點(diǎn)視圖；3）上一輪創(chuàng)建區(qū)塊記賬主節(jié)點(diǎn)信息，包括ID 及信譽(yù)度.

由于本輪周期內(nèi)關(guān)鍵的問題是消息的廣播算法，可以采用與Bitcoin 類似的通用算法以防止出現(xiàn)廣播風(fēng)暴.

2.3.3 創(chuàng)建區(qū)塊周期

創(chuàng)建區(qū)塊周期由以下兩部分組成：1）各記賬主節(jié)點(diǎn)根據(jù)選舉算法協(xié)商出一致的創(chuàng)建區(qū)塊記賬主節(jié)點(diǎn)；2）獲得創(chuàng)建區(qū)塊權(quán)的記賬主節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建區(qū)塊并廣播，其他記賬主節(jié)點(diǎn)則驗(yàn)證區(qū)塊合法性.

協(xié)商創(chuàng)建區(qū)塊主節(jié)點(diǎn)算法的步驟如下.

步驟1參與創(chuàng)建區(qū)塊的記賬節(jié)點(diǎn)需要滿足以下兩個(gè)條件：一是記賬主節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度等于5，二是獲得的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投票數(shù)大于一定的閾值.

步驟2從有條件參與創(chuàng)建區(qū)塊選舉的記賬節(jié)點(diǎn)中，按照統(tǒng)一的隨機(jī)選取算法選擇一個(gè)創(chuàng)建區(qū)塊記賬節(jié)點(diǎn).

獲得記賬權(quán)的記賬主節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建區(qū)塊，在區(qū)塊頭增加自己的簽名信息，并在區(qū)塊中創(chuàng)建一個(gè)給自己100 個(gè)瑞福幣的交易，創(chuàng)建區(qū)塊后向全網(wǎng)廣播區(qū)塊.

其他記賬主節(jié)點(diǎn)的算法步驟如下：

步驟1收到創(chuàng)建區(qū)塊后根據(jù)區(qū)塊頭信息驗(yàn)證是否為協(xié)商結(jié)果節(jié)點(diǎn)，如果不是，則丟棄該區(qū)塊.

步驟2驗(yàn)證加密簽名消息，如果驗(yàn)證不成功，則將該節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度的設(shè)置為-1 000（這是一個(gè)極大負(fù)值，目的是阻止其創(chuàng)建區(qū)塊）.

步驟3所有參與記賬節(jié)點(diǎn)將在自己的全網(wǎng)視圖上將創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度設(shè)為4，以防止該節(jié)點(diǎn)連續(xù)創(chuàng)建區(qū)塊.

步驟4如果周期內(nèi)創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)沒有創(chuàng)建區(qū)塊，則其他所有節(jié)點(diǎn)將該節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度置為0，重新開始協(xié)商.

2.3.4 分配權(quán)益周期

獲得創(chuàng)建區(qū)塊權(quán)的記賬主節(jié)點(diǎn)需要廣播上一輪記賬節(jié)點(diǎn)視圖，目的是讓其他記賬主節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證創(chuàng)建主節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度.分配權(quán)益算法的具體步驟如下：

步驟1創(chuàng)建區(qū)塊記賬節(jié)點(diǎn)向管理層主機(jī)發(fā)送查詢消息，通過投票給自己的設(shè)備ID 來查詢物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的錢包地址；

步驟2創(chuàng)建區(qū)塊記賬節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建交易，將創(chuàng)建區(qū)塊獲得的瑞福幣權(quán)益經(jīng)交易轉(zhuǎn)給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，從而將瑞福幣存入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的錢包.

2.4 雙向確定機(jī)制

本共識采用雙向確認(rèn)機(jī)制，如圖8所示.

圖8 雙向確認(rèn)機(jī)制Figure 8 Two-way identification mechanism

雙向確認(rèn)機(jī)制的具體步驟如下：

步驟1本輪協(xié)商出記賬主節(jié)點(diǎn)后，認(rèn)為該創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)為高可靠節(jié)點(diǎn).獲得創(chuàng)建區(qū)塊權(quán)利的記賬主節(jié)點(diǎn)除了創(chuàng)建區(qū)塊之外還將廣播全節(jié)點(diǎn)視圖，而其他節(jié)點(diǎn)則根據(jù)統(tǒng)一的協(xié)商算法驗(yàn)證創(chuàng)建區(qū)塊的合法性.

步驟2在分配權(quán)益周期期間，其他記賬主節(jié)點(diǎn)除驗(yàn)證創(chuàng)建區(qū)塊主節(jié)點(diǎn)ID 的合法性之外，還要將本地全節(jié)點(diǎn)視圖和創(chuàng)建區(qū)塊權(quán)利記賬主節(jié)點(diǎn)廣播的全視圖進(jìn)行相似對比；根據(jù)相似度算法，如果相似度大于一定閾值，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)可信.之后在協(xié)商周期期間，各節(jié)點(diǎn)都將廣播創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)ID及其可信度.

步驟3每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到廣播信息后，統(tǒng)計(jì)全網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)承認(rèn)的創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)ID 并評價(jià)可信度，從而確認(rèn)一個(gè)為大多數(shù)節(jié)點(diǎn)所承認(rèn)的創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)為合法創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)，并確定上一個(gè)區(qū)塊為可以確信的合法區(qū)塊.

因此，共識算法承認(rèn)一個(gè)交易的合法性區(qū)塊高度為2，也就是該交易在創(chuàng)建兩個(gè)區(qū)塊之后才可以將其確認(rèn)為合法的區(qū)塊.

2.5 安全性分析

假設(shè)在此網(wǎng)絡(luò)中消息可能會(huì)丟失、損壞、延遲、重復(fù)發(fā)送，并且接收的順序與發(fā)送的順序不一致.此外，記賬節(jié)點(diǎn)的行為可以是任意的，既可以隨時(shí)加入或退出網(wǎng)絡(luò)，又可能丟棄消息、偽造消息、停止工作等，還可能發(fā)生各種人為或非人為的故障.考慮到網(wǎng)絡(luò)的延遲問題，各節(jié)點(diǎn)不可能是完全同步的，因此周期的設(shè)置要考慮網(wǎng)絡(luò)延遲的冗余.

共識算法可以有效解決以下4個(gè)問題：1）保證數(shù)據(jù)一致性；2）防止創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)造假；3）防止少部分節(jié)點(diǎn)聯(lián)合造假出現(xiàn)分叉，或者少部分節(jié)點(diǎn)因網(wǎng)絡(luò)原因而出現(xiàn)硬分叉現(xiàn)象；4）防止網(wǎng)絡(luò)較差節(jié)點(diǎn)

2.5.1 保證數(shù)據(jù)一致性

保證數(shù)據(jù)一致性是共識機(jī)制的核心問題，實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法（practical Byzantine fault tolerance, PBFT）采用復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，因此需要較長時(shí)間來保證各節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致的視圖.隨著節(jié)點(diǎn)規(guī)模的增大，達(dá)成共識需要的時(shí)間大大增加，顯然不符合效率需求.要取得與其他節(jié)點(diǎn)的共識，PBFT 明顯要比Bitcoin 漫長得多[11].因此，PBFT 也是目前無法實(shí)用化的理論共識.

本算法采用的雙向確認(rèn)機(jī)制可以使全網(wǎng)記賬節(jié)點(diǎn)更快地得到一致性全網(wǎng)視圖.

1）對于初始節(jié)點(diǎn)，其信譽(yù)度小，沒有記賬權(quán)限，但在這個(gè)過程中，可以獲得創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)廣播的視圖以及其他記賬節(jié)點(diǎn)廣播的創(chuàng)建區(qū)塊記賬節(jié)點(diǎn)確認(rèn)信息.根據(jù)這些信息，初始節(jié)點(diǎn)可以確認(rèn)全網(wǎng)視圖的可信度.因此，當(dāng)其信譽(yù)度達(dá)到具有參與協(xié)商權(quán)利時(shí)，可以選擇最高可信度的創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)所廣播的視圖作為初始全網(wǎng)視圖，最終保證了初始記賬節(jié)點(diǎn)在具有參與全網(wǎng)協(xié)商創(chuàng)建區(qū)塊權(quán)利時(shí)獲得一致的全網(wǎng)記賬節(jié)點(diǎn)視圖.

2）對于具有記賬權(quán)限的普通節(jié)點(diǎn)，若因各種網(wǎng)絡(luò)原因與其他節(jié)點(diǎn)全網(wǎng)視圖不一致，則可以根據(jù)可信創(chuàng)建區(qū)塊廣播的視圖獲得一致信息，從而確保該節(jié)點(diǎn)與其他全網(wǎng)記賬節(jié)點(diǎn)視圖的一致性.

綜上所述，全網(wǎng)在每個(gè)周期都能保證一個(gè)一致的全網(wǎng)視圖信息.

2.5.2 防止出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分叉

當(dāng)少部分節(jié)點(diǎn)聯(lián)合造假時(shí)，可能出現(xiàn)分叉現(xiàn)象；或者各種網(wǎng)絡(luò)故障也會(huì)引起部分節(jié)點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò)不同步而出現(xiàn)分叉現(xiàn)象[12].在這種情況下，可以采用雙向確認(rèn)機(jī)制，由記賬節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)上一輪合法的創(chuàng)建區(qū)塊記賬節(jié)點(diǎn)的認(rèn)可數(shù)，根據(jù)多者勝出的原則最終使分叉的區(qū)塊鏈合并到統(tǒng)一的區(qū)塊鏈.

如圖9所示，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，故障網(wǎng)絡(luò)選舉節(jié)點(diǎn)B作為創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)，而正常網(wǎng)絡(luò)選舉節(jié)點(diǎn)A作為創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)A、B同時(shí)創(chuàng)建區(qū)塊，從而出現(xiàn)區(qū)塊鏈硬分叉現(xiàn)象.在下一個(gè)周期中，A節(jié)點(diǎn)是大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)商確認(rèn)的創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)，獲得確認(rèn)節(jié)點(diǎn)數(shù)為4，同時(shí)B是少數(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)商確認(rèn)的創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)，獲得的確認(rèn)票數(shù)為2.因此，B創(chuàng)建的區(qū)塊是不合法的區(qū)塊.在故障網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)B、C、D將拋棄節(jié)點(diǎn)B創(chuàng)建的分叉區(qū)塊，從而將區(qū)塊鏈統(tǒng)一于A創(chuàng)建的合法區(qū)塊鏈；同時(shí)，故障網(wǎng)絡(luò)中記賬節(jié)點(diǎn)B、C、D通過節(jié)點(diǎn)A廣播的全網(wǎng)視圖也可以獲得與全網(wǎng)一致的視圖信.

圖9 防止網(wǎng)絡(luò)故障硬分叉Figure 9 Preventing hard fork in network faults

2.5.3 其他問題

對于初次加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，其信譽(yù)度為0，表明這些節(jié)點(diǎn)沒有參與選舉的權(quán)利，這主要是為了防止節(jié)點(diǎn)停止工作以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差的節(jié)點(diǎn).

除此之外，如果在一個(gè)周期內(nèi)協(xié)商出的創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)因各種原因而無法創(chuàng)建區(qū)塊，各節(jié)點(diǎn)就把這個(gè)創(chuàng)建區(qū)塊節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度設(shè)置為0，并啟動(dòng)下一輪的協(xié)商，這樣就可以在一定時(shí)間內(nèi)禁止那些網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不好的節(jié)點(diǎn)參與創(chuàng)建區(qū)塊.

對于那些惡意節(jié)點(diǎn)，如無法通過簽名認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)，直接將其信譽(yù)度設(shè)置為-1 000，于是就能在較長時(shí)間內(nèi)阻止高風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)作惡的可能.

2.6 算法特征

本共識算法具有如下特點(diǎn)：1）采用物聯(lián)網(wǎng)投票方式顯然符合瑞福鏈中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備利用投票獲得收益的機(jī)制；2）可以在較短時(shí)間獲得一致信息，有助于在較短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建一致區(qū)塊；3）合法確認(rèn)區(qū)塊長度為2，表明可以高效確認(rèn)；4）能夠防御出現(xiàn)區(qū)塊鏈分叉等各種攻擊.

3 信息存儲及交易設(shè)計(jì)

信息存儲及交易設(shè)計(jì)需要考慮以下的存儲需求：

1）倉單信息的流轉(zhuǎn)信息需求.不同于比特幣是純數(shù)字的交換過程，倉儲中數(shù)字和貨物信息相關(guān)聯(lián)的.不同信息的資產(chǎn)合并和分離需要根據(jù)其特定的規(guī)則進(jìn)行處理，如對大蒜物流的處理，只有相同品質(zhì)的大蒜倉單才能合并，而不同品質(zhì)的大蒜倉單是不能合并的.

2）不同類型信息的存儲需求.支撐倉單的物品存儲于倉庫，必然包含大量監(jiān)控倉儲的信息，如RFID 接收的貨物相關(guān)信息以及視頻、振動(dòng)告警等各種傳感器收集的信息.這些信息格式不同，需要考慮其不同的存儲需求.此外，這些信息具有只可存儲不能交易的特性，目的主要是當(dāng)存儲物品發(fā)生毀壞、被盜以及不可預(yù)知自然災(zāi)害時(shí)，能夠厘清保管者、擁有者及運(yùn)輸者等各方面的責(zé)任，追溯問題源頭.因此，需要在底層設(shè)計(jì)存儲單元的信息格式，使系統(tǒng)適應(yīng)倉儲供應(yīng)鏈信息的存儲需求，同時(shí)根據(jù)倉儲倉單流轉(zhuǎn)規(guī)則設(shè)計(jì)交易算法，目的是保證不同類型的信息能夠以不同類型的交易方式存儲，并在底層保證倉儲倉單流轉(zhuǎn)的合法性.基于以上分析，基于比特幣源碼將進(jìn)行以下修改：各類信息存儲格式的修改、交易類型的修改、錢包生成的修改.

3.1 各類信息存儲格式的修改

不同于比特幣只是存儲單純的數(shù)字信息，本系統(tǒng)中區(qū)塊鏈存儲信息為倉儲倉單流轉(zhuǎn)信息，以及各種監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的日志.對于Bitcoin 源碼，需要將原來單純數(shù)字信息存儲轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于各種倉單及多種類型倉儲信息的表達(dá)和存儲.為此，借助面向?qū)ο蠹夹g(shù)將原存儲純數(shù)字“幣”的信息擴(kuò)展為可以表示倉單以及其他信息的類，具體算法描述如下：

類中增加了倉單ID、倉單相關(guān)信息以及其他數(shù)據(jù)類型，因此需要從區(qū)塊中讀出和寫入增加的信息.Bitcoin 源碼中提供了序列化方式將數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊，并通過逆序列化方式從區(qū)塊中讀出相關(guān)數(shù)據(jù).為此，利用這一機(jī)制重寫了CAmount 序列化模板和逆序列化模板，將CAmount 的相關(guān)信息讀出和寫入?yún)^(qū)塊；同時(shí)，利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)并根據(jù)倉單的交易規(guī)則重載了該類的加、減、比較等操作，目的是在交易倉單或生成錢包時(shí)能使CAmount 生成的對象進(jìn)行各種符合規(guī)則的運(yùn)算.

3.2 交易類型的修改

為適應(yīng)不同類型信息流轉(zhuǎn)的需求，修改交易規(guī)則，如日志等監(jiān)控信息是只可存儲而不能交易的，電子倉單是可以交易的，于是在交易類CTransaction 中增加以下數(shù)據(jù)類型：

TRANSACTION_EXCAHANGEABLE_INIT = 0x10, //第1 個(gè)16 位大于0 為可交易類型，第2位表示該類型的不同狀態(tài)

交易類型總的來說可以分為3 種類型：不可交易類型、電子倉單交易類型、純數(shù)字幣類型交易.在交易函數(shù)中，根據(jù)不同的交易類型采用不同的交易規(guī)則.

3.3 錢包生成的修改

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，所有的信息存儲于區(qū)塊鏈.各用戶從錢包讀取自己的數(shù)據(jù)，錢包的生成算法如下：將區(qū)塊鏈上與自己相關(guān)的交易按照交易算法進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果保存于自己的錢包，用戶讀取的實(shí)際上是區(qū)塊鏈中交易計(jì)算的結(jié)果.

對于本系統(tǒng)而言，生成錢包時(shí)需要根據(jù)交易類型設(shè)計(jì)不同的交易算法，并生成不同類型的信息.用戶讀取錢包數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)針對不同交易類型設(shè)計(jì)不同的讀取方法.對于虛擬幣交易的算法，除了產(chǎn)生交易的費(fèi)用算法不同之外，其他算法與原算法大致相同；對于電子倉單類型數(shù)據(jù)的交易算法，則按照電子倉單的交易特征只能進(jìn)行轉(zhuǎn)讓并附加轉(zhuǎn)讓物權(quán)的變化等信息；對于日志等類型的存儲，則只能讀取而不可交易.

4 測 試

系統(tǒng)開發(fā)基于開源軟件Bitcoin Core 0.14 版本，基于C++11 開發(fā)，操作系統(tǒng)平臺為基于Linux 內(nèi)核的Ubuntu 17.0，編譯器為GCC 7.2，區(qū)塊數(shù)據(jù)庫采用Berkeley DB 5.0.

租用一臺阿里云的服務(wù)器操作系統(tǒng)Linux 作為CA 服務(wù)器，在騰訊云和阿里云分別租用分布于不同地區(qū)的兩臺操作系統(tǒng)Ubuntu 的服務(wù)器，作為保存于公網(wǎng)的區(qū)塊鏈記賬節(jié)點(diǎn)，并以一臺本地Ubuntu 作為模擬本地倉庫的區(qū)塊鏈記賬節(jié)點(diǎn).目的是測試不同網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)塊鏈記賬節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信效能.

采用2.3 所示的共識算法，設(shè)置共識周期為30 s.系統(tǒng)中廣播的信息包括存儲交易的倉單、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控信息以及共識算法信息.系統(tǒng)需要在固定周期內(nèi)將這些信息廣播于區(qū)塊鏈中各個(gè)節(jié)點(diǎn)，由于交易倉單數(shù)量以及物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控信息隨著系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大而增長，系統(tǒng)中面臨的主要問題是在互聯(lián)網(wǎng)中單位時(shí)間內(nèi)廣播這些存儲信息的能力.其中，需要測試的能力之一是系統(tǒng)存儲倉單信息的能力，也即交易吞吐量.在實(shí)際使用過程中，普通電子倉單信息量約為2 kB.基于包含倉單的擴(kuò)展信息以及一定的冗余量，模擬一張電子倉單的信息量為4 kB.實(shí)驗(yàn)分析如表1所示.

表1 倉單交易實(shí)驗(yàn)對比Table 1 Comparison of warehouse receipt transaction

對于倉儲中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的信息存儲，考慮到區(qū)塊鏈分布式存儲的特征，存儲容量大的視頻信息是不現(xiàn)實(shí)的，為此采用以下存儲原則：NVR 存儲文件信息SHA160 報(bào)文摘要碼，RFID只存儲貨物震動(dòng)的告警信息.因此，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備每次存儲的信息量比較小.根據(jù)測算得到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備每次存儲的信息量最大約為250 B，區(qū)塊鏈存儲信息實(shí)驗(yàn)如表2所示.

表2 物聯(lián)網(wǎng)信息存儲實(shí)驗(yàn)對比Table 2 Comparison of storing Internet of Thing information

從表1中可以看出，區(qū)塊鏈對倉單的交易通量大約穩(wěn)定在12.40 條/s.從表2中可以看出，存儲物聯(lián)網(wǎng)信息的交易通量大約穩(wěn)定在120.00 條/s.基于對數(shù)10 個(gè)倉儲的分析可知，一個(gè)萬余平方米的大型倉儲系統(tǒng)在一天產(chǎn)生的倉單交易量最多100 余單，而其產(chǎn)生信息的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平均每天為2 000 多個(gè).綜合以上分析及測試可知，本文所設(shè)計(jì)的區(qū)塊鏈存儲系統(tǒng)足夠數(shù)千個(gè)大型倉儲系統(tǒng)同時(shí)加入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)，基本上滿足了設(shè)計(jì)的要求.

另外，建立了4 個(gè)Internet 區(qū)塊記賬節(jié)點(diǎn)和20 個(gè)局域網(wǎng)區(qū)塊記賬節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，采用拔掉網(wǎng)線的方式模擬網(wǎng)絡(luò)故障.經(jīng)測試可知：系統(tǒng)能夠在2 個(gè)共識周期內(nèi)重新同步全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)并繼續(xù)正確運(yùn)轉(zhuǎn)，充分說明了共識算法具備良好的容錯(cuò)性.

5 結(jié) 語

本文利用區(qū)塊鏈技術(shù)針對電子倉單的交易以及倉儲信息的可信存儲進(jìn)行了研究，在開源Bitcoin 源碼的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了針對物聯(lián)網(wǎng)特征的基于信譽(yù)度共識機(jī)制算法，設(shè)計(jì)了針對電子倉單交易以及物聯(lián)網(wǎng)信息的可信存儲算法.實(shí)驗(yàn)表明，區(qū)塊鏈系統(tǒng)滿足了倉儲物流在實(shí)際應(yīng)用中的倉單交易、倉儲信息存儲的要求.實(shí)際上，本區(qū)塊鏈方案設(shè)計(jì)不僅可以存儲電子倉單，也可以應(yīng)用于其他供應(yīng)鏈、信息交易等場景.根據(jù)具體的應(yīng)用場景測試最佳工作參數(shù)，提高系統(tǒng)效率使之更適合倉儲領(lǐng)域，將是下一階段研究的重點(diǎn).