供應(yīng)鏈溯源場景的區(qū)塊鏈存儲(chǔ)模型研究

張登平，許亮

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065）

0 引言

2008 年Bitcoin:A Peer-to-Peer Electronic Cash System[4]的發(fā)表標(biāo)志著區(qū)塊鏈技術(shù)的誕生。2009 年1 月4日比特幣的第一個(gè)區(qū)塊誕生，時(shí)至今日，比特幣已經(jīng)走過了10 年，其底層的區(qū)塊鏈技術(shù)更是獲得了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注和研究。2019 年10 月24 日下午，中共中央政治局就區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行第十八次集體學(xué)習(xí)，并指出把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新重要突破口。區(qū)塊鏈技術(shù)儼然已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)的又一個(gè)風(fēng)口，各種“區(qū)塊鏈+”模式的創(chuàng)新型應(yīng)用層出不窮。

隨著公眾對(duì)食品安全，假冒偽劣產(chǎn)品等問題的關(guān)注度升高，供應(yīng)鏈管理問題逐漸進(jìn)入了公眾視野，并演變成了國家政策。當(dāng)前供應(yīng)鏈的管理主要為中心化的方式，物流數(shù)據(jù)人為上傳，并存儲(chǔ)在中心化的數(shù)據(jù)庫中。傳統(tǒng)中心化的供應(yīng)鏈管理方式存在諸多問題，其中最為突出的是數(shù)據(jù)可篡改，溯源困難和數(shù)據(jù)不透明。區(qū)塊鏈作為一種分布式賬簿，多方共同參與維護(hù)，天然具備數(shù)據(jù)不可篡改、去中心化、可追溯等特點(diǎn)。區(qū)塊鏈技術(shù)與供應(yīng)鏈管理相結(jié)合是一種比較具有說服力的方案，也是當(dāng)前區(qū)塊鏈應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

然而，區(qū)塊鏈技術(shù)本身存在可擴(kuò)展性差，交易吞吐量低下，數(shù)據(jù)持續(xù)增長等問題，這些問題限制了其在非數(shù)字貨幣交易以外的應(yīng)用。本文著眼于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)持續(xù)增長的問題，對(duì)現(xiàn)有的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型進(jìn)行了研究，并根據(jù)供應(yīng)鏈溯源場景下的需求，提出了一種適用于供應(yīng)鏈溯源場景的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型。

1 研究現(xiàn)狀

2017 年3 月7 日，丹麥航運(yùn)巨頭馬士基成功完成了“區(qū)塊鏈+商品追溯”應(yīng)用的測試，該應(yīng)用能夠?qū)崟r(shí)跟蹤集裝箱在供應(yīng)鏈中的位置，從而保證了供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)的透明度和安全性，降低了供應(yīng)鏈管理成本。此后，國內(nèi)外“區(qū)塊鏈+供應(yīng)鏈管理”的實(shí)例不斷涌現(xiàn)。國外比較有代表性的應(yīng)用有IBM 與哥倫比亞物流解決方案提供商AOS 合作完成的“區(qū)塊鏈與沃森物聯(lián)網(wǎng)（Blockchain & Watson IoT）”、IBM 與沃爾瑪合作完成的沃爾瑪商品物流、Everledger 自主研發(fā)的鉆石防偽驗(yàn)證數(shù)字賬本等；國內(nèi)主要有京東防偽溯源平臺(tái)、京藍(lán)科技的區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品溯源、螞蟻區(qū)塊鏈等。諸多供應(yīng)鏈管理與區(qū)塊鏈結(jié)合的成功案例說明區(qū)塊鏈在供應(yīng)鏈管理應(yīng)用方面的巨大價(jià)值。

比特幣底層的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型為鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如圖1）的存儲(chǔ)模型，所有礦工節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，該模型的數(shù)據(jù)量隨著系統(tǒng)的運(yùn)行逐漸增加，截至2019 年10 月，比特幣底層的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)量已超250G，使得新加入節(jié)點(diǎn)的同步時(shí)間變得很長，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中礦工節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力不斷上升。針對(duì)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)量不斷增長的問題，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了深入研究[5-7]。

圖1 比特幣的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型

迷你區(qū)塊鏈模型[5]使用賬戶樹，迷你區(qū)塊鏈和證明鏈三個(gè)組件構(gòu)建了一條可以丟棄舊區(qū)塊的區(qū)塊鏈，使用賬戶樹代替比特幣的UTXO 來保證資產(chǎn)所有權(quán)，使用證明鏈保證了數(shù)據(jù)的可信。該模型因?yàn)橹槐４娼欢螘r(shí)間的所有區(qū)塊，所以能有效減少節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)量。但是由于該模型會(huì)剔除舊交易，在交易溯源和交易驗(yàn)證方面的性能不能滿足溯源場景的需求。

區(qū)塊鏈存儲(chǔ)容量可擴(kuò)展模型[6]使用分布式分片存儲(chǔ)的方法，先將區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)按照安全性能算法進(jìn)行分片，然后分布式存儲(chǔ)在一定比例的節(jié)點(diǎn)中，同時(shí)使用P鏈和POR 鏈來定位區(qū)塊存儲(chǔ)位置及其證明。該模型中，所有節(jié)點(diǎn)都沒有完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，因此在一定程度上優(yōu)化了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，減小了節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力。但是該模型在驗(yàn)證交易的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)需要請(qǐng)求本節(jié)點(diǎn)沒有的區(qū)塊，該過程增加了驗(yàn)證的時(shí)長和復(fù)雜性；此外，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)依靠驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來決定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的位置，一定程度上會(huì)造成數(shù)據(jù)的中心化存儲(chǔ)，減少區(qū)塊鏈的去中心化程度。

聯(lián)盟區(qū)塊鏈的容量優(yōu)化模型[7]采用基于位置的分組設(shè)計(jì)，組建了聯(lián)盟鏈。在每個(gè)分組中根據(jù)一個(gè)節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)算法選取一個(gè)可靠且高性能的節(jié)點(diǎn)來存儲(chǔ)完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，組內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)分布式一致性算法共同存儲(chǔ)完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)；組內(nèi)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)還存儲(chǔ)完整區(qū)塊鏈的區(qū)塊頭鏈數(shù)據(jù)，用于當(dāng)全節(jié)點(diǎn)宕機(jī)的時(shí)候下載完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，替代全節(jié)點(diǎn)。該模型因?yàn)橹挥幸粋€(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)所有的區(qū)塊數(shù)據(jù)，其他組內(nèi)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)部分區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，降低了組內(nèi)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力，但是關(guān)于節(jié)點(diǎn)的可靠性評(píng)價(jià)算法尚有不足；同時(shí)由于組內(nèi)節(jié)點(diǎn)不存儲(chǔ)完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，在交易驗(yàn)證的時(shí)候受限于網(wǎng)絡(luò)帶寬，同樣不適用于供應(yīng)鏈溯源場景的應(yīng)用。

2 供應(yīng)鏈溯源場景下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型

供應(yīng)鏈溯源場景下，物流數(shù)據(jù)隨供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的增加呈指數(shù)級(jí)增加，因此要求底層的區(qū)塊鏈系統(tǒng)有較高的交易吞吐能力。同時(shí)因?yàn)閿?shù)據(jù)體量大，減少節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力的需求更為迫切。

本模型為基于網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，同一分區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)有主節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)兩種角色，主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)并參與區(qū)塊鏈的共識(shí)過程，普通節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于比特幣和以太坊中的輕節(jié)點(diǎn)，只存儲(chǔ)少量的區(qū)塊頭鏈數(shù)據(jù)，不參與區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和共識(shí)過程，僅僅只是發(fā)送包含供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)的交易至全網(wǎng)。這里的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)是指抽象意義上的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，即根據(jù)普通節(jié)點(diǎn)選擇跟從的主節(jié)點(diǎn)劃分區(qū)域。從全網(wǎng)來看，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍是P2P 的組網(wǎng)形式。

主節(jié)點(diǎn)的選取可以由大型企業(yè)，監(jiān)管部門等提供，這個(gè)過程可以保證主節(jié)點(diǎn)的可信和高性能；普通節(jié)點(diǎn)則經(jīng)過監(jiān)管部門的審核，然后隨機(jī)連接到不同的主節(jié)點(diǎn)，該連接過程可以對(duì)普通節(jié)點(diǎn)不可見以保證主節(jié)點(diǎn)的安全。

本模型的組網(wǎng)形式可見圖2，該模型在供應(yīng)鏈溯源場景下的普通節(jié)點(diǎn)占絕大部分，而這些節(jié)點(diǎn)都是輕節(jié)點(diǎn)，不存儲(chǔ)所有的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，因此大幅降低了整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)壓力。而主節(jié)點(diǎn)之間沿用了比特幣等數(shù)字貨幣應(yīng)用的組網(wǎng)形式，其抗惡意攻擊的性能已經(jīng)得到了驗(yàn)證，故而整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性可以得到保證。

3 模型運(yùn)行過程與性能分析

3.1 模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程

本模型的工作流程如下。其中第二步，主節(jié)點(diǎn)收到分區(qū)內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的交易后并不立即轉(zhuǎn)發(fā)，主要是考慮到主節(jié)點(diǎn)可靠性比較高，如果交易轉(zhuǎn)發(fā)出去之后再進(jìn)行驗(yàn)證，則可能轉(zhuǎn)發(fā)無效的交易浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬。

（1）普通節(jié)點(diǎn)將供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)以交易的形式向全網(wǎng)廣播；

（2）其他普通節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)收到的交易；主節(jié)點(diǎn)收到交易后先驗(yàn)證，再將通過驗(yàn)證的交易向其他主節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)；

（3）主節(jié)點(diǎn)將一段時(shí)間內(nèi)的合格交易打包成區(qū)塊，并開始參與共識(shí)過程；

（4）主節(jié)點(diǎn)將共識(shí)生成的區(qū)塊記錄在本地，并向全網(wǎng)廣播區(qū)塊頭數(shù)據(jù)；

（5）普通節(jié)點(diǎn)將收到的區(qū)塊頭數(shù)據(jù)保存在本地。

圖2 基于網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的區(qū)塊鏈存儲(chǔ)模型的節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)形式

3.2 性能分析

由于比特幣等傳統(tǒng)數(shù)字貨幣區(qū)塊鏈采用公有鏈的形式，節(jié)點(diǎn)間不互信，節(jié)點(diǎn)只能存儲(chǔ)整個(gè)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)才能保證整個(gè)系統(tǒng)的高可信度，故而系統(tǒng)存儲(chǔ)壓力大，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的物理存儲(chǔ)浪費(fèi)嚴(yán)重，并不適用于數(shù)據(jù)體量更大的供應(yīng)鏈溯源場景；迷你區(qū)塊鏈模型保證了節(jié)點(diǎn)只存儲(chǔ)最近一段時(shí)間的一部分區(qū)塊，但是增加了證明鏈以及賬戶樹的存儲(chǔ)，雖然該模型降低了整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)壓力，但隨著時(shí)間增長，該模型的數(shù)據(jù)量仍是線性增長的，且因?yàn)閷?duì)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的剪枝操作，使得交易的追溯變得不可行，也不適用于供應(yīng)鏈溯源場景；區(qū)塊鏈存儲(chǔ)容量可擴(kuò)展模型和聯(lián)盟區(qū)塊鏈的容量優(yōu)化模型都大幅降低了系統(tǒng)的存儲(chǔ)壓力，在數(shù)字貨幣領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值，但因?yàn)轵?yàn)證交易占用了網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高了交易驗(yàn)證時(shí)長，對(duì)于交易吞吐量要求較高的溯源場景是不適用的。本模型跟聯(lián)盟區(qū)塊鏈的容量優(yōu)化模型類似，都大幅降低了普通節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力，不同的是，本模型采用監(jiān)管更為有力的聯(lián)盟鏈形式，于是可以使普通節(jié)點(diǎn)不必參與到區(qū)塊鏈的共識(shí)過程中來，解決了聯(lián)盟區(qū)塊鏈的容量優(yōu)化模型的交易驗(yàn)證問題，更加適用于溯源場景的使用。各種模型間的性能對(duì)比情況見表1。

表1 各種模型間的性能對(duì)比情況

4 結(jié)語

本文在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)已有的區(qū)塊鏈存儲(chǔ)優(yōu)化模型的對(duì)比分析，結(jié)合供應(yīng)鏈溯源場景需求，提出了基于網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型。通過分析，本模型能大幅降低系統(tǒng)和普通節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力，達(dá)到了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)優(yōu)化的目的，同時(shí)本模型因?yàn)槿コ胀ü?jié)點(diǎn)的交易驗(yàn)證過程，節(jié)省了交易驗(yàn)證時(shí)間，提高了系統(tǒng)交易吞吐量，因此更加適用于溯源場景的應(yīng)用。但是由于本模型參與共識(shí)過程的節(jié)點(diǎn)較少，一定程度上降低了系統(tǒng)的去中心化程度。未來的工作可以從兩方面著手，一方面研究該模型下的共識(shí)算法的選擇，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性和交易吞吐量；另一方面，可以考慮增加同一分區(qū)內(nèi)主節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)及同一分區(qū)內(nèi)主節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)性，增強(qiáng)去中心化的程度，提高系統(tǒng)的可靠性。