區(qū)塊鏈技術(shù)及其在供應(yīng)鏈管理中的應(yīng)用

◆陸歌皓 李析禹 謝麗紅 楊丹妮 羅健釗

區(qū)塊鏈技術(shù)及其在供應(yīng)鏈管理中的應(yīng)用

◆陸歌皓 李析禹 謝麗紅 楊丹妮 羅健釗

（云南大學(xué)軟件學(xué)院 云南 650504）

區(qū)塊鏈技術(shù)歸功于比特幣應(yīng)用，它作為比特幣的底層技術(shù)支持，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)由單一機構(gòu)管理，在進入海量用戶和數(shù)據(jù)時，無法完全信任相關(guān)數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈技術(shù)在沒有第三方中介機構(gòu)的協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)了可信的數(shù)據(jù)共享和點對點的價值傳輸，本文對區(qū)塊鏈的基本知識及其在供應(yīng)鏈管理中的應(yīng)用進行了研究，供相關(guān)讀者參考。

區(qū)塊鏈；數(shù)據(jù)庫管理；可信數(shù)據(jù)

區(qū)塊鏈技術(shù)無疑是現(xiàn)在最受熱捧的前言技術(shù)之一，區(qū)塊鏈所具有的一些顛覆性的特征，也讓我們看到了它即將改變世界的可能，尤其是近些年來，大眾已經(jīng)從熱議區(qū)塊鏈逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殚_始積極引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)。2018年全社會大部分群體將認識到區(qū)塊鏈是下一代價值互聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)和基礎(chǔ)解決方案，根本不是一個產(chǎn)業(yè)，就像傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)不能稱作一個產(chǎn)業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)是一種社會業(yè)態(tài)。未來價值互聯(lián)網(wǎng)普及的根本原因是人類科技的發(fā)展導(dǎo)致信息的傳遞成本傾向于零的時代產(chǎn)物，2015年是區(qū)塊鏈元年，出現(xiàn)最頻繁的一個詞語就是“區(qū)塊鏈”，區(qū)塊鏈技術(shù)是一項新技術(shù)，但它不是一種創(chuàng)新技術(shù)。它是將許多已有的跨領(lǐng)域的學(xué)科整合到一起，從而形成的一種技術(shù)，涉及數(shù)學(xué)、密碼學(xué)、計算機科學(xué)等領(lǐng)域。比特幣系統(tǒng)是第一個采用區(qū)塊鏈技術(shù)作為底層技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)，它是一個實現(xiàn)了去中心化、去信任化、安全、可靠的電子現(xiàn)金系統(tǒng)。區(qū)塊鏈是一種不可篡改的、全歷史的數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)，巨大的區(qū)塊數(shù)據(jù)集合包含著每一筆交易的全部歷史，隨著區(qū)塊鏈的應(yīng)用迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)規(guī)模會越來越大，不同業(yè)務(wù)場景區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)融合進一步擴大了數(shù)據(jù)規(guī)模和豐富性。

區(qū)塊鏈提供的是賬本的完整性，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的能力較弱。大數(shù)據(jù)具備海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)和靈活高效的分析技術(shù)，極大提升區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的價值和使用空間。區(qū)塊鏈以其可信任性、安全性和不可篡改性，讓更多數(shù)據(jù)被解放出來，推進數(shù)據(jù)的海量增長。區(qū)塊鏈的可追溯特性使得數(shù)據(jù)從采集、交易、流通，以及計算分析的每一步記錄都可以留存在區(qū)塊鏈上，使得數(shù)據(jù)的質(zhì)量獲得前所未有的強信任背書，也保證了數(shù)據(jù)分析結(jié)果的正確性和數(shù)據(jù)挖掘的效果。區(qū)塊鏈首次出現(xiàn)在中本聰（SatoshiNakamoto）出版的《比特幣：點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)》一書中。文章指出，區(qū)塊鏈技術(shù)是構(gòu)建比特幣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和交易信息傳輸?shù)幕A(chǔ)技術(shù)，它可以實現(xiàn)和比特幣采礦的交易過程。目前，幾乎所有交易都是在第三方組織的幫助下完成的。這種交易方式是由于雙方相互不信任。商家會要求客戶填寫完整但不必要的信息，但仍然無法避免某些欺詐行為。第三方機構(gòu)的存在增加了中介成本，并擴大了不必要的交易規(guī)模[1]。

隨著全球化的深入，現(xiàn)代企業(yè)的供應(yīng)鏈已經(jīng)變得零散，復(fù)雜和多樣化。這也給供應(yīng)鏈管理帶來了巨大挑戰(zhàn)，最重要的例子是食品安全問題。一旦發(fā)生食品污染，追溯到源頭將花費一周甚至更長的時間。食品生產(chǎn)商或零售商可能會付出沉重的代價。這種情況導(dǎo)致供應(yīng)鏈不透明，這很可能會增加運營成本。本文從區(qū)塊鏈技術(shù)的技術(shù)結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點的角度闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)在供應(yīng)鏈管理中的應(yīng)用研究，為供應(yīng)鏈相關(guān)領(lǐng)域的區(qū)塊鏈技術(shù)研究提供幫助[1]。

1 區(qū)塊鏈和供應(yīng)鏈概述

區(qū)塊鏈，作為比特幣的基礎(chǔ)技術(shù)，用于登記所有交易記錄。本質(zhì)上是分散的分布式分類帳數(shù)據(jù)庫。任何人都可以參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每個設(shè)備可以是一個節(jié)點。允許每個節(jié)點獲取數(shù)據(jù)庫的完整副本，節(jié)點基于共識機制，整個區(qū)塊鏈通過競爭性計算得以維護。如果任何節(jié)點發(fā)生故障，其余節(jié)點仍然可以正常工作，并解決了傳統(tǒng)集中化模式容易受到攻擊和篡改的缺陷。

當前尚無統(tǒng)一的區(qū)塊鏈定義。袁勇認為區(qū)塊鏈技術(shù)是利用加密的區(qū)塊結(jié)構(gòu)來驗證和存儲數(shù)據(jù)，使用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)，使用自動化腳本代碼來編程和操作新型數(shù)據(jù)分散式基礎(chǔ)架構(gòu)和分布式計算范例[4]。該定義將區(qū)塊鏈技術(shù)定義為一種分散的技術(shù)框架，該框架由諸如加密算法和共識機制之類的關(guān)鍵技術(shù)有機地結(jié)合在一起，它比較全面[3]。

供應(yīng)鏈是指從原材料階段到最后一個用戶的所有與產(chǎn)品流程和加工相關(guān)的活動以及隨附的信息流。材料和信息流可能沿著供應(yīng)鏈流向下游，也可能流向上游。供應(yīng)鏈管理是這些活動的集成管理，并且通過改善供應(yīng)鏈上各方之間的關(guān)系而獲得了長期的競爭優(yōu)勢。供應(yīng)鏈管理是各個部門之間的傳統(tǒng)企業(yè)，各個部門之間的特定企業(yè)每個企業(yè)在供應(yīng)鏈系統(tǒng)上的戰(zhàn)略協(xié)調(diào)活動，其目的是改善單個公司以及整個供應(yīng)鏈的經(jīng)營績效每個環(huán)節(jié)都是長期的[1]。

2 區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)知識

2.1 密碼學(xué)

在密碼學(xué)中，有兩種常見的密碼[2]：第一種，對稱密碼算法，加密和解密的密鑰是使用同一個密鑰，當需要給組內(nèi)成員更新密鑰時，選擇對稱密碼算法，對稱加密算法加密速率快、效率高，在消息發(fā)送方需要加密較大數(shù)據(jù)時使用，加密速度和加密效率較高，密鑰更新較為方便，但是其缺點非常致命，在進行數(shù)據(jù)傳輸以前，兩邊都必須保管好密鑰，若是一方的密鑰被泄露，加密信息就存在安全隱患。第二種，非對稱密碼算法：密鑰對由一對公鑰和私鑰密鑰對組成，公鑰加密數(shù)據(jù)能被私鑰解密。區(qū)塊鏈技術(shù)也用到了這兩種技術(shù)。

哈希算法將任意長度的輸入值映射為較短的固定長度的二進制值。例如，MD5算法[6]就是將任意長度的輸入映射為長度為256位的固定長度輸出，這個二進制值稱為哈希值（也稱為散列值），哈希值可以用來做數(shù)字簽名，鑒別文件完整性。哈希算法廣泛應(yīng)用于區(qū)塊鏈中，區(qū)塊鏈通常不保存原始數(shù)據(jù)，而是保存該數(shù)據(jù)的哈希值，簽名頻繁應(yīng)用于區(qū)塊鏈中，它由私鑰和需要被簽名的數(shù)據(jù)經(jīng)哈希運算而成。

Merkle樹[6-8]是由RalphMerkle發(fā)明的一種基于數(shù)據(jù)哈希構(gòu)建的樹：（1）其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一棵樹，一般為二叉樹，也可以為多叉樹；（2）其葉子節(jié)點是數(shù)據(jù)塊（如文件或文件集合）的哈希值；（3）非葉子節(jié)點是其所有子節(jié)點的哈希值。Merkle樹在驗證、文件對比中應(yīng)用較多，特別是在分布式環(huán)境下，Merkle樹會大大減小數(shù)據(jù)的傳輸量和計算的復(fù)雜度。

2.2 時間戳服務(wù)

時間戳服務(wù)是用于解決重復(fù)支付的問題，即一筆貨幣不能被花費兩次或者一筆資金不能出現(xiàn)在兩個交易中。中心化的信用系統(tǒng)（例如銀行）依靠國家機器的強制力來防止偽鈔，而區(qū)塊鏈系統(tǒng)完全依靠技術(shù)來解決“重復(fù)支付”問題[3]。系統(tǒng)給每一筆交易蓋上正確的時間戳，以此證明在這個時刻這筆交易確實發(fā)生，交易中資金的所屬權(quán)已經(jīng)轉(zhuǎn)移，之前資金所有者再次使用這筆資金時就會報錯，從而解決重復(fù)支付問題。

2.3 工作證明

工作證明（Proof of Work，PoW），也稱為工作量的證明[2]。比特幣系統(tǒng)利用PoW機制使系統(tǒng)各節(jié)點最終達成共識，進而得到最終區(qū)塊。這里的工作是指找到一個合理的區(qū)塊哈希值，它需要不斷地進行大量的計算，計算時間取決于當前目標的難度和機器的運算速度。當一個節(jié)點找到這個值之后，就說明該節(jié)點確實經(jīng)過了大量的計算，這就是工作量的證明。由于驗證只需對結(jié)果值進行一次哈希運算，因此PoW的驗證效率很高[3]。

2.4 點權(quán)益證明

點權(quán)益證明（Proof of Stake，PoS）僅僅需要少量的計算就能維持區(qū)塊鏈的正常運轉(zhuǎn)[7]。這種機制根據(jù)貨幣持有量和時間來分配相應(yīng)的利息。但是這種機制存在一點不足，即區(qū)塊的產(chǎn)生沒有消耗大量算力，導(dǎo)致這種機制下的貨幣價值來源難以確定，因為任何區(qū)塊鏈系統(tǒng)都可以實現(xiàn)[8]。

2.5 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈是由區(qū)塊的有序連接形成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。區(qū)塊是索引數(shù)據(jù)的集合，包含了相關(guān)信息和記錄，是形成區(qū)塊鏈的基本單元。為了確保區(qū)塊鏈的可追溯性，每個區(qū)塊都有一個時間戳，作為唯一的標記[5]。具體來說，塊由兩部分組成：

（1）區(qū)域塊與前塊相連，為塊鏈提供完整性；

（2）塊體將更新后的數(shù)據(jù)信息記錄在網(wǎng)絡(luò)中。每個塊體通過塊頭信息鏈接到上一個塊，從而形成鏈結(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈的基本架構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、契約層和應(yīng)用層。

2.6 區(qū)塊鏈的特征

（1）分權(quán)

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的驗證、記賬、存儲、維護和傳輸是基于分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的，一致性機制是塊鏈技術(shù)實現(xiàn)分布式存儲的重要基礎(chǔ)[2]。分布式節(jié)點之間的信任關(guān)系是用純數(shù)學(xué)的方法代替中心機構(gòu)建立起來的，形成一個分散可信的分布式系統(tǒng)。

（2）區(qū)塊鏈防篡改

對數(shù)據(jù)庫的篡改很難影響到其他節(jié)點。

（3）區(qū)塊鏈的可追溯性

區(qū)塊鏈技術(shù)的可追溯性特征，區(qū)塊鏈中的每個事務(wù)都通過密碼學(xué)與兩個相鄰的區(qū)塊串聯(lián)。區(qū)塊鏈交易的數(shù)據(jù)被儲存，可以查詢到任何交易的前身，交易的就會被記錄下來，所存儲的數(shù)據(jù)可以防止被破壞和篡改[5]。

（4）區(qū)塊鏈事務(wù)加密

區(qū)塊鏈的安全性由加密技術(shù)保證，整個分布式網(wǎng)絡(luò)提供的計算能力是驚人的。不僅理論上不可能對區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)進行篡改，還可能造成電力、設(shè)備等成本的損失[3]。

區(qū)塊鏈采用非對稱加密算法來解決用戶之間的信任問題。非對稱加密算法需要兩個密鑰：公鑰和私鑰[3]。公鑰和私鑰是一對。如果使用公鑰加密數(shù)據(jù)，則只能解密相應(yīng)的私鑰。如果使用私鑰加密數(shù)據(jù)，則只能解密相應(yīng)的公鑰。區(qū)塊鏈中的每個參與者都有一個私鑰和一個私鑰，獨占公鑰將發(fā)布給所有網(wǎng)絡(luò)用戶。所有網(wǎng)絡(luò)用戶采用相同的加密或解密算法[5]。私鑰僅對用戶可用。用戶用私鑰加密信息，其他用戶用公鑰解密信息。其他用戶可以通過公鑰驗證數(shù)據(jù)源的真實性。同時，區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運行過程和規(guī)則是安全透明的，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)更新需要多個用戶的共同支持來支持[2]。

3 區(qū)塊鏈技術(shù)在供應(yīng)鏈管理中的應(yīng)用

根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)的工作原理和供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)的應(yīng)用需求，將基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)分為三層：資源層、區(qū)塊信息層和應(yīng)用服務(wù)層。底層支持上層，離用戶應(yīng)用越近，離物理資源越近，各層次模塊相互依賴，相互作用，形成一個有機的整體，支持整個系統(tǒng)功能的正常運行。

3.1 供應(yīng)鏈管理中存在的問題

由于我國企業(yè)供應(yīng)鏈管理發(fā)展水平的局限性、供應(yīng)鏈管理理念的滯后性和生產(chǎn)方式的局限性。供應(yīng)鏈中的一些相關(guān)業(yè)務(wù)，如計劃、采購、生產(chǎn)、物流等流程，大多是通過鏈主進行集中設(shè)計和管理[1]。然而，傳統(tǒng)的“獨立”、“集權(quán)化”的供應(yīng)鏈管理在開始存在局限性。

3.2 信息傳輸延遲

在大數(shù)據(jù)時代，信息不對稱會使企業(yè)處于劣勢，甚至降低整個供應(yīng)鏈生態(tài)系統(tǒng)的價值。不正確或不一致的信息將導(dǎo)致核心企業(yè)的決策失誤，當發(fā)生爭議時，證明或承擔責(zé)任的過程非常耗時，有時很難實現(xiàn)[5]。信息流通渠道暢通，信息傳遞不及時，造成內(nèi)容傳遞失真。供應(yīng)鏈管理的整個過程依賴于系統(tǒng)內(nèi)部信息的高精度傳遞[1]。供應(yīng)鏈中信息傳遞的不及時和扭曲帶來了一系列問題，比如牛鞭效應(yīng)，這種現(xiàn)象的結(jié)果就是廠商產(chǎn)品庫存積壓，產(chǎn)品成本增加，企業(yè)生存期縮短。另外，傳統(tǒng)供應(yīng)鏈信息技術(shù)的風(fēng)險也很大。

3.3 缺乏透明度

近年來，盡管有供應(yīng)鏈管理，我國各行業(yè)都在不斷努力。以零售業(yè)為例，從標準化實施、技術(shù)人員培訓(xùn)、設(shè)備標準化、信息統(tǒng)一等方面還存在一些問題需要解決，關(guān)鍵是供應(yīng)鏈管理的物流標準體系不到位，“信息孤島”嚴重。供應(yīng)鏈缺乏透明度，如客戶交易價格與產(chǎn)品實際成本之間的關(guān)系[1]。因此，買賣雙方缺乏一種有效可靠的方法來核實他們買賣的產(chǎn)品的真實價值。供應(yīng)鏈中的每一個參與者都很難了解供應(yīng)鏈的現(xiàn)狀和存在的問題。因此影響了供應(yīng)鏈的效率，無形增加了供應(yīng)鏈的整體成本，而且沒有一個賬簿或系統(tǒng)記錄整個供應(yīng)鏈中發(fā)生的一系列交易，會出現(xiàn)信息錯誤和篡改的問題。供應(yīng)鏈仍然無法追查假冒偽劣商品、非法勞工和洗錢等非法活動的源頭。

3.4 可追溯性差

依靠集中的中央數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)在存儲、傳輸、顯示等環(huán)節(jié)都可以被篡改。貨物跟蹤系統(tǒng)在許多環(huán)節(jié)仍處于人工操作中，信息提供者可以有選擇地屏蔽底層信息，貨物追蹤有賴于中央機構(gòu)監(jiān)管措施的力度，制度有人的操作空間，對監(jiān)管人的權(quán)利沒有有效的約束[4]。

區(qū)塊鏈有效的時間戳機制，可以使得供應(yīng)鏈能夠有效的追溯前一個環(huán)節(jié)的信息。

3.5 供應(yīng)鏈信息跟蹤查詢

通過使用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以保證不同運營商之間的交易共享和信息完整性。在執(zhí)行快遞業(yè)務(wù)流程時，采用區(qū)塊鏈技術(shù)，客戶使用私鑰簽署收據(jù)。這個簽名是不可否認和核實的，這是非常有價值的郵資貴重物品，采用區(qū)塊鏈技術(shù)，客戶使用私鑰簽署收據(jù)。這個簽名是不可否認和核實的，這是非常有價值的郵資貴重物品[1]。

利用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)交易信息完整記錄的全過程，它能全面掌握供應(yīng)鏈交易過程中各個環(huán)節(jié)的交易信息，掌握商品的流向和數(shù)量，停止銷售行為。

由于區(qū)塊鏈具有透明性、中心性、不可篡改性和可追溯性，自然適合多方構(gòu)建信息共享平臺[4]，為了實現(xiàn)供應(yīng)鏈中信息數(shù)據(jù)的開放和民主化，將分散的數(shù)據(jù)庫連接到網(wǎng)絡(luò)上。基于區(qū)塊鏈技術(shù)，任何參與者都可以得到相同的交易，同時數(shù)據(jù)，這意味著整個交易過程是完全透明的[1]。此外，由于區(qū)塊鏈打破了企業(yè)的數(shù)據(jù)孤島，因此會有更多的大數(shù)據(jù)基于供應(yīng)鏈，對數(shù)據(jù)源、庫存等方面進行優(yōu)化，從而大大提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，使大數(shù)據(jù)能夠更好地發(fā)揮其作用。同時，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的不可篡改也提高了數(shù)據(jù)的可信度，使得企業(yè)可以對數(shù)據(jù)進行信用化，這將進一步促進大數(shù)據(jù)交易市場的建立和繁榮。

3.6 信息篡改

區(qū)塊鏈技術(shù)篡改的具體實踐是將制造商、供應(yīng)商、分銷商、零售商和最終用戶納入?yún)^(qū)塊鏈的系統(tǒng)應(yīng)用。區(qū)塊鏈技術(shù)要求擁有記賬權(quán)的節(jié)點必須在當前數(shù)據(jù)塊頭中添加一個時間戳，以指示塊數(shù)據(jù)的寫入時間[4]。時間戳技術(shù)本身并不復(fù)雜，但它在區(qū)塊鏈技術(shù)中的應(yīng)用是一個重要的創(chuàng)新[1]。時間戳可以作為塊數(shù)據(jù)的存在性證明（存在性證明），有助于形成不可篡改、不可偽造的塊鏈數(shù)據(jù)庫。在市場正式銷售之前，生產(chǎn)者首先將產(chǎn)品記錄在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，然后在市場交易過程中逐步記錄每一筆交易的交易。當用戶發(fā)現(xiàn)商品有問題時，中間環(huán)節(jié)的經(jīng)銷商想逃避責(zé)任。刪除您自己的非法記錄只能刪除您計算機上記錄的信息，您不能更改其他參與成員存儲的交易信息將區(qū)塊鏈技術(shù)定義為一個分布式數(shù)據(jù)庫，通過其分散可信的技術(shù)特征，由鏈中的參與者維護。

4 總結(jié)

近兩年來，區(qū)塊鏈技術(shù)的研究和應(yīng)用呈現(xiàn)出爆炸式增長的趨勢。區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展被業(yè)內(nèi)人士廣泛看好，這個越來越受青睞的趨勢會一直持續(xù)，這些趨勢不一定以區(qū)塊鏈形式直接出現(xiàn)，可能會作為區(qū)塊鏈技術(shù)的衍生品興起，如區(qū)塊鏈與供應(yīng)鏈的結(jié)合。區(qū)塊鏈應(yīng)用已經(jīng)從最初單純的數(shù)字貨幣過渡到更廣泛的食品，醫(yī)療醫(yī)生等行業(yè)，并且滲透到社會中的很多領(lǐng)域，在身份驗證、文件存儲等方面，應(yīng)用相對較廣。

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