區(qū)塊鏈在供應(yīng)鏈管理中的應(yīng)用綜述

田 陽，陳智罡，宋新霞，李天明

1.浙江萬里學(xué)院 信息與智能工程學(xué)院，浙江 寧波 315100

2.浙江萬里學(xué)院 基礎(chǔ)學(xué)院，浙江 寧波 315100

供應(yīng)鏈?zhǔn)侵竿ㄟ^一定組織計劃，把產(chǎn)品、服務(wù)、資金等相關(guān)要素從一端流向最終用戶的三個或三個以上實體組成的網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)[1]。作為一種線性經(jīng)濟(jì)模型，它可以直接或間接的滿足供應(yīng)雙方的需求[2]，其中涉及原材料提供商、產(chǎn)品生產(chǎn)商、組裝商、批發(fā)商、零售商、運輸公司等多個參與實體[3]。隨著全球一體化進(jìn)程的推進(jìn)，企業(yè)越來越傾向在全球的范圍內(nèi)尋求合作對象，全球化迫使各企業(yè)力求以更加靈活的方式協(xié)調(diào)物料的流動[4]。供應(yīng)鏈管理由此應(yīng)運而生，其目的是使公司內(nèi)部和公司之間的運營和戰(zhàn)略制定實現(xiàn)完美的同步[1]。但是在管理的過程中還存在一些問題，如：由于涉及商家眾多，供應(yīng)鏈信息的不透明性會影響數(shù)據(jù)的傳遞和可追溯性；系統(tǒng)的集中化會影響產(chǎn)品認(rèn)證[5]及數(shù)據(jù)的可信性等。這些問題的出現(xiàn)為供應(yīng)鏈的高效管理帶來了極大的挑戰(zhàn)。為此，實現(xiàn)信息的透明化，以使相關(guān)參與主體可以隨時訪問供應(yīng)鏈狀態(tài)數(shù)據(jù)；保證數(shù)據(jù)的防篡改性，以提高數(shù)據(jù)的可信性等問題逐漸成了供應(yīng)鏈研究新的突破點。

當(dāng)前有關(guān)企業(yè)通過條形碼、RFID等技術(shù)[6]提高數(shù)據(jù)的收集效率，但是由于相關(guān)企業(yè)之間沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，致使信息共享、數(shù)據(jù)可信性等問題一直是供應(yīng)鏈績效提升的極大阻礙。也有學(xué)者提出用情感分析替代數(shù)據(jù)的方式解決透明度這一問題[7]，雖然該方式有助于減少有效決策的行為障礙，但對于供應(yīng)鏈管理執(zhí)行階段的精確預(yù)測卻表現(xiàn)得差強人意，所以也無法根本上解決問題。

提高數(shù)據(jù)的透明度和真實性、解決相關(guān)參與方之間的信任問題，將對供應(yīng)鏈績效的提升起到極大的推動作用。區(qū)塊鏈作為新興的科學(xué)技術(shù)，是一種完全去中心化的安全系統(tǒng)，通過去除中心化節(jié)點，有效避免了傳統(tǒng)核心機構(gòu)操縱、篡改數(shù)據(jù)的可能性[8]。作為數(shù)據(jù)庫可追蹤網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的所有交易，并以所有節(jié)點共同記錄副本的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲[9]。通過共識合約使得所有陌生節(jié)點之間產(chǎn)生信任基礎(chǔ)，通過默克爾樹技術(shù)提供不可篡改的可信數(shù)據(jù)[10]。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動技術(shù)等發(fā)展，區(qū)塊鏈和食品加工業(yè)[11-13]、農(nóng)業(yè)[14-15]、醫(yī)療保健[16]、能源[17-18]、機場[19]、工業(yè)[20]等領(lǐng)域的結(jié)合逐漸由理論轉(zhuǎn)為實際。

本文研究了不同行業(yè)供應(yīng)鏈的現(xiàn)有區(qū)塊鏈解決方案，通過分析每個行業(yè)的目標(biāo)及所面臨的挑戰(zhàn)，進(jìn)而確定如何通過區(qū)塊鏈的解決方案以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)解決行業(yè)痛點。本文第1章對供應(yīng)鏈相關(guān)特性進(jìn)行了論述，詳細(xì)介紹了供應(yīng)鏈和供應(yīng)鏈管理所面臨的挑戰(zhàn)以及傳統(tǒng)的解決辦法。第2 章介紹了應(yīng)對供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)的區(qū)塊鏈框架的相關(guān)特性。第3 章系統(tǒng)闡述不同行業(yè)中應(yīng)對供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)的區(qū)塊鏈技術(shù)解決框架。第4 章論述區(qū)塊鏈技術(shù)在供應(yīng)鏈管理的應(yīng)用中面臨的機遇和挑戰(zhàn)。最后，對全文進(jìn)行總結(jié)。

1 供應(yīng)鏈

1.1 供應(yīng)鏈管理

供應(yīng)鏈管理是指在實現(xiàn)一定供應(yīng)鏈效益的前提下，通過對供應(yīng)商、制造商、倉庫、配送中心和渠道商等實體進(jìn)行有效組織而使整個供應(yīng)鏈系統(tǒng)成本達(dá)到最小的管理方法。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，逐漸把資金流、物流、信息流等要素納入供應(yīng)鏈的管理范疇。其目標(biāo)是通過對各環(huán)節(jié)、要素的合理規(guī)劃，使供應(yīng)鏈各階段可以無縫鏈接，實現(xiàn)整體的管理信息化、信息可視化、成本最小化、利益最大化的等目標(biāo)。

1.2 供應(yīng)鏈管理面臨的挑戰(zhàn)

供應(yīng)鏈的有效管理在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)等快速發(fā)展的同時，也面臨諸多挑戰(zhàn)。如圖1 所示，供應(yīng)鏈涉及企業(yè)眾多，信息流通不暢和信任化等問題的存在，使得核心企業(yè)和上、下游企業(yè)之間一直存在利益博弈關(guān)系，進(jìn)而供應(yīng)鏈成本和效率優(yōu)化的問題一直無法突破瓶頸。如何優(yōu)化當(dāng)前存在的問題，提升供應(yīng)鏈效率，是目前研究的重點。本節(jié)針對目前存在的問題進(jìn)行詳細(xì)梳理，以明確當(dāng)前的挑戰(zhàn)。

圖1 供應(yīng)鏈?zhǔn)疽鈭DFig.1 Supply chain diagram

（1）溯源：近年來因安全意識的普遍提高，消費者對貨品信息真實性和完整性逐漸引起重視。以印度農(nóng)產(chǎn)品為例，每年因質(zhì)量問題導(dǎo)致糧食損失高達(dá)40%[14]，而且從當(dāng)前來看，消費者大多只能了解其一級供應(yīng)商的部分產(chǎn)品參數(shù)，對二級或更高級供應(yīng)商的產(chǎn)品參數(shù)了解更少，以至對源頭至終端的全鏈信息產(chǎn)生了迫切的需求。但是由于全鏈參與企業(yè)眾多，且地理位置是分散，把眾多企業(yè)信息納入統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，使信息得以匯集仍然具有不小的挑戰(zhàn)。另外在供應(yīng)鏈管理的過程中，核心企業(yè)的主導(dǎo)作用顯著，如何在信息匯集的過程中保證其真實性是產(chǎn)品溯源實現(xiàn)的又一大挑戰(zhàn)。

（2）數(shù)據(jù)透明化：供應(yīng)鏈涉及主體眾多，相關(guān)企業(yè)之間信息傳遞渠道不暢，供應(yīng)鏈信息孤島所產(chǎn)生的消極影響不斷被放大。例如，供需雙方掌握的信息不平衡，對供應(yīng)鏈各階段信息了解匱乏，會影響相關(guān)企業(yè)績效的評估，對識別或減輕潛在風(fēng)險的幾率提出很大的挑戰(zhàn)；產(chǎn)品參數(shù)模糊不清會使顧客對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生懷疑；各生產(chǎn)階段信息模糊，會加大執(zhí)法人員的執(zhí)法難度，影響對企業(yè)的監(jiān)督。對于消費者而言，數(shù)據(jù)的透明化可以讓他們更全面地了解產(chǎn)品，對購買決策提供支持。另外，數(shù)據(jù)的透明化會使每個階段所花費的時間、產(chǎn)量等信息更加直觀，利于管理者針對性的對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。從成本上來講，由于供應(yīng)鏈各階段產(chǎn)生的成本會影響產(chǎn)品的最終成本，透明度使得成本計算更加精確，并可暴露供應(yīng)鏈上的非常規(guī)操作，數(shù)據(jù)透明化導(dǎo)向眾望所歸。

（3）相關(guān)信息的隱私性：企業(yè)生產(chǎn)過程中會涉及多種信息類別，有些信息可以公開，以消除參與主體之間的信息孤島現(xiàn)象。但有些敏感或?qū)Ｓ行畔?，如財?wù)信息、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)成本、用戶的真實身份、交易信息等，涉及商家商業(yè)機密，僅能讓部分利益相關(guān)者訪問，所以如何對各類信息和人群進(jìn)行區(qū)分，既保證信息的公開性和可見性，又可保護(hù)相關(guān)信息的機密性，這是一個很大的挑戰(zhàn)。

（4）質(zhì)量控制：質(zhì)量控制是指保證產(chǎn)品的實際狀態(tài)和相關(guān)部門規(guī)定的產(chǎn)品系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)相符。供應(yīng)鏈涉及多個階段，途徑多，產(chǎn)品質(zhì)量很容易發(fā)生損壞，所以制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量是供應(yīng)鏈管理努力的重點。

2 區(qū)塊鏈框架

2008年，以比特幣為代表的區(qū)塊鏈1.0[21]版本問世，以解決虛擬貨幣支付、流通[22]等方面的安全問題，但是該版本僅停留在技術(shù)實驗階段，具體商業(yè)應(yīng)用還未開始。隨著研究的深化，以以太坊為代表的區(qū)塊鏈2.0[21]版本問世，該版本在數(shù)字貨幣的基礎(chǔ)上融入智能合約技術(shù)，使得開發(fā)者寫入?yún)^(qū)塊鏈的程序可以通過智能合約代替人工操作，信息的處理變得更加安全、公平和透明。但是僅停留在金融這一單一領(lǐng)域顯然無法滿足用戶廣闊的需求。于是，區(qū)塊鏈進(jìn)入3.0[21]時代，具體表現(xiàn)為該技術(shù)可以與物聯(lián)網(wǎng)[23]等設(shè)備結(jié)合以服務(wù)其他相關(guān)行業(yè)，如：建筑業(yè)、食品業(yè)、教育業(yè)等，以解決行業(yè)數(shù)據(jù)共享等問題。作為基于密碼學(xué)的分布式賬本，自問世以來就以去中心化、去信任化[24]、點對點系統(tǒng)、不可篡改性等特性被人們所關(guān)注。共識機制的選擇對解決拜占庭將軍問題[25]提供了新思路，使得彼此陌生的節(jié)點可通過該網(wǎng)絡(luò)安全的進(jìn)行交易。以分散式方式運行并存儲的智能合約腳本保證協(xié)議在權(quán)威機構(gòu)缺失的情況下正常運行[22]，為區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化的實現(xiàn)提供了助力。但是在諸多優(yōu)點的同時，數(shù)據(jù)吞吐量的缺陷[26]以及特殊信息加密[27-28]的需求逐漸成為該技術(shù)落地各行各業(yè)的最大阻礙。為了解決這些問題，該技術(shù)逐漸演化為多個分支：公鏈、私鏈和聯(lián)盟鏈。本章針對當(dāng)前區(qū)塊鏈的相關(guān)特性逐類進(jìn)行論述，并對目前主流區(qū)塊鏈架構(gòu)相關(guān)性能進(jìn)行匯總。

2.1 區(qū)塊鏈的分類

最初區(qū)塊鏈以PoW機制抵抗Sybil攻擊保證系統(tǒng)安全性而著稱。但成本巨大且以犧牲數(shù)據(jù)處理速率為前提的公有鏈[29]，在數(shù)據(jù)量繁重的當(dāng)前顯然不利于其實際可用性[30]。因此，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行身份驗證以對抗女巫攻擊的方式逐漸得到各界認(rèn)可。經(jīng)過不斷改進(jìn)，逐漸衍生出私有鏈[31]和聯(lián)盟鏈[32]。

公有鏈允許所有用戶參與網(wǎng)絡(luò)訪問、讀寫過程，并以所有節(jié)點共同存儲數(shù)據(jù)的方式，保證系統(tǒng)安全性。但是去中心化是以犧牲事務(wù)吞吐量為代價實現(xiàn)的，以致該鏈數(shù)據(jù)上傳速度、智能合約調(diào)取速度都受到明顯影響。共識過程方面多采用工作量證明（Proof of Work，PoW）、權(quán)益證明（Proof of Stake，PoS）等機制，由于算力支持必然涉及資源消耗，所以對礦工激勵以促使其完成記賬操作成為必然。代表應(yīng)用包括比特幣（Bitcoin）與以太坊（Ethereum）等。

與公鏈不同的是，私有鏈應(yīng)用場景多為組織內(nèi)部，其網(wǎng)絡(luò)讀寫權(quán)限和共識過程參與受到很大限制。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)隱私性，每個參與節(jié)點都需經(jīng)過嚴(yán)格審核。身份可見性和系統(tǒng)私有化，使該網(wǎng)絡(luò)無需特別考慮惡意節(jié)點的存在，因此可選用拜占庭容錯（Byzantine Fault-Toleran，BFT）機制檢測節(jié)點惡意行為或避免節(jié)點宕機所造成的損失。私有鏈應(yīng)用場景的特殊性使礦工有充足動力完成數(shù)據(jù)記錄工作，而無需額外獎勵。相較公有鏈而言，快速的數(shù)據(jù)吞吐量更能保證組織實際需要。代表應(yīng)用為多鏈（Multichain）等。

聯(lián)盟鏈應(yīng)用場景為若干組織組成的聯(lián)盟體。用戶范圍介于公鏈和私鏈之間，是僅允許授權(quán)節(jié)點讀寫的半開放式網(wǎng)絡(luò)。與私有網(wǎng)絡(luò)類似的，是數(shù)據(jù)機密性仍是該鏈需要考慮的因素之一，因此對系統(tǒng)節(jié)點進(jìn)行身份審核同樣成為必然。聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)置普通節(jié)點和挖礦節(jié)點，前者負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)并進(jìn)行定向查詢工作，后者負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證、上鏈等工作。數(shù)據(jù)隱私性、安全性、監(jiān)管等因素的加入，使該網(wǎng)絡(luò)更傾向于運用實用拜占庭容錯（Practical BFT，PBFT）、股份授權(quán)證明（DPoS）等機制。激勵機制方面可根據(jù)該系統(tǒng)的具體業(yè)務(wù)進(jìn)行添加或去除。相較公有鏈，該網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量更符合實際運營需要。目前代表性應(yīng)用平臺包括超級賬本（Hyperledger Fabric）、螞蟻開放聯(lián)盟鏈等。詳細(xì)對比如表1所示。

表1 區(qū)塊鏈類型Table 1 Type of blockchain

2.2 共識算法

在傳統(tǒng)集中式系統(tǒng)無需復(fù)雜協(xié)議即可在成員之間達(dá)成共識，通常采用Paxos[33]、Raft[34]等一致性算法以應(yīng)對數(shù)據(jù)交換問題。但在分散式系統(tǒng)中需保證所有網(wǎng)絡(luò)成員都可參與決定，且該協(xié)議必須具備相當(dāng)容錯能力。1982年，萊斯利·蘭伯特正式提出該觀點，并將其命名為“拜占庭將軍問題”[35]，此后學(xué)者相繼提出工作量證明（PoW）[36]、實用拜占庭容錯（PBFT）[37]、權(quán)益證明（PoS）、權(quán)益委托證明（DPoS）[38]等算法以應(yīng)對此問題，至此分布式網(wǎng)絡(luò)共識問題的研究進(jìn)入全新階段。表2 對以上四種主流協(xié)議做了詳細(xì)的對比。

表2 共識協(xié)議性能對比Table 2 Comparison of consensus protocol performance

2.3 隱私性

在比特幣中，系統(tǒng)以匹配密鑰對的方式實現(xiàn)用戶信息的匿名性[39]。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，僅對身份信息匿名的現(xiàn)狀顯然不能滿足用戶的需求。為此，學(xué)者針對不同行業(yè)問題提出相應(yīng)方案。文獻(xiàn)[40]提出名為“MedSBA”的醫(yī)療數(shù)據(jù)解決方案，通過通用數(shù)據(jù)保護(hù)規(guī)則對病人醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)粒度訪問控制，同時使用私有鏈提高即時訪問的撤銷權(quán)以保護(hù)數(shù)據(jù)隱私性。文獻(xiàn)[41]提出基于區(qū)塊鏈的電子病歷可搜索加密方案，通過構(gòu)建病例索引實現(xiàn)所有者對數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的控制。文獻(xiàn)[42]利用傳統(tǒng)聯(lián)接算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次加密，利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混沌序列的對稱加密算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混沌吸引子的非對稱加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次加密，以保證電商數(shù)據(jù)的原始性和機密性。表3 對現(xiàn)有主流區(qū)塊鏈加密技術(shù)做了分析和對比。

表3 主流區(qū)塊鏈加密技術(shù)對比Table 3 Comparison of mainstream blockchain encryption technologies

2.4 智能合約

智能合約是合約的數(shù)字化，其將協(xié)議和用戶界面結(jié)合起來，以實現(xiàn)規(guī)范網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的目的[44]。早期技術(shù)環(huán)境的局限性使智能合約發(fā)展緩慢。2008年，隨著區(qū)塊鏈的出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)該技術(shù)和智能合約的相關(guān)特性完美契合，如區(qū)塊鏈的透明性可以使參與方直觀了解系統(tǒng)定義的規(guī)則，且一旦滿足條件，合約就會自動觸發(fā)，全程無需第三方管理員參與。同時該技術(shù)為區(qū)塊鏈去中心化等特性提供保證，至此智能合約的應(yīng)用迎來廣闊的前景。

2.5 區(qū)塊鏈框架

本節(jié)就參與主體監(jiān)督和管理、陌生節(jié)點去信任化、交易隱私、拜占庭容錯、訪問權(quán)限、數(shù)據(jù)吞吐量和系統(tǒng)擴展性等方面，分別選取代表性框架進(jìn)行詳細(xì)介紹以進(jìn)行全面了解。

比特幣：該系統(tǒng)是公有鏈在加密貨幣領(lǐng)域的運用，在公有鏈框架下任何用戶都可以加入網(wǎng)絡(luò)并參與交易。信息的公開性使參與用戶擁有查驗網(wǎng)絡(luò)交易的權(quán)限，為了實現(xiàn)必要的隱私性，系統(tǒng)為每一用戶匹配秘鑰以保護(hù)其身份信息。該應(yīng)用采用最長鏈原則以應(yīng)對傳統(tǒng)拜占庭將軍問題，從而達(dá)成共識。但惡意節(jié)點仍會利用生成最長鏈的方式更改已經(jīng)確定的數(shù)據(jù)，為此，比特幣采用merkle樹等技術(shù)，使得更改某一數(shù)據(jù)必須更改該塊之后的所有區(qū)塊信息，而工作量證明機制的運用以及區(qū)塊生成時間的限定，使得用戶只有超過全網(wǎng)算力的50%才可能實現(xiàn)預(yù)期目的。算力上的難度保證了系統(tǒng)信息的安全性，但該機制也存在一定局限性，如：礦工的算力競爭必然造成大量電力等資源的浪費。另外去中心化程度的提高也犧牲了一定的數(shù)據(jù)處理速率。

Gemini-Chain：該鏈[45]的目的在于解決數(shù)字貨幣系統(tǒng)參與主體及其相關(guān)交易的監(jiān)督和管理問題。為了實現(xiàn)此目標(biāo)，Gemini鏈采取公鏈和聯(lián)盟鏈結(jié)合的框架結(jié)構(gòu)模式。由銀行等監(jiān)管機構(gòu)和其他機構(gòu)商定控制比例組成聯(lián)盟鏈，通過追蹤公有鏈的交易來源并確定用戶身份以實現(xiàn)數(shù)字貨幣的監(jiān)管；通過創(chuàng)新相關(guān)協(xié)議對交易數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以實現(xiàn)隱私保護(hù)的要求。同時為了滿足共識的需求，開發(fā)者在實用拜占庭容錯機制的基礎(chǔ)上引入信用評級機制，并據(jù)此調(diào)整聯(lián)盟鏈節(jié)點的相關(guān)權(quán)限，以保證系統(tǒng)的高效性、安全性。該機制使得系統(tǒng)中增加新節(jié)點、消除惡意節(jié)點的靈活性得到了很大提高，而協(xié)議通信的復(fù)雜度和所需網(wǎng)絡(luò)的帶寬卻顯著降低。

TrustChain：該鏈[46]用于解決陌生節(jié)點間信任的問題。通過以一種建立交易有效性和完整性的方式替代工作量證明機制，提高系統(tǒng)吞吐量、抗Sybil、伸縮性等方面的性能。而后文獻(xiàn)[47]把該技術(shù)引入供應(yīng)鏈領(lǐng)域，以解決供應(yīng)鏈領(lǐng)域信任和數(shù)據(jù)真實性的問題。其通過為每位參與者和供應(yīng)鏈商品設(shè)定信任評分，同時利用多個數(shù)據(jù)源評估數(shù)據(jù)的真實性，以衡量從產(chǎn)品到特定供應(yīng)鏈實體之間不同層次的信任度，以及實體在特定產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的作用，實驗證明該框架的構(gòu)建使得系統(tǒng)吞吐量和延遲等方面的問題得以改善。

Hawk：該系統(tǒng)[48]用于解決交易信息隱私等方面問題。其優(yōu)勢在于支持使用零知識證明等加密源語編寫智能合約協(xié)議，同時內(nèi)嵌的編譯器可以將相關(guān)指令轉(zhuǎn)譯為對應(yīng)的代碼，以致沒有密碼學(xué)基礎(chǔ)的用戶也可以編寫協(xié)議。另外，在多個合約同時運行的情況下，系統(tǒng)為每個合約指定相應(yīng)管理器，規(guī)則的設(shè)定使得管理器即使了解交易內(nèi)容，也不能隨意影響協(xié)議的執(zhí)行，惡意行為發(fā)生后還可能面臨經(jīng)濟(jì)賠償，以此保證系統(tǒng)運行的正常化。同樣解決隱私性的框架還包括Provchain[49]和Zcash[50]，后者通過使用更輕版本的工作量證明機制改善吞吐量和延遲等問題，但伸縮性差和不支持協(xié)議編寫自由化等問題是影響其實際操作的因素。

Tendermint：該系統(tǒng)[51]致力于解決拜占庭容錯問題。由于差異化定位，用戶可以根據(jù)不同目的開發(fā)公有鏈和聯(lián)盟鏈應(yīng)用。該系統(tǒng)的共識算法為一種基于拜占庭容錯的權(quán)益證明算法（PoS），該算法使用驗證者角色替代傳統(tǒng)比特幣系統(tǒng)中礦工角色，憑借候選者擁有的權(quán)益量輪流獲取記賬權(quán)。由于替代了工作量證明機制，其數(shù)據(jù)吞吐量實現(xiàn)了極大提高。該系統(tǒng)另一優(yōu)勢為其滿足拜占庭容錯要求，在全網(wǎng)至少3f+1 個節(jié)點組成的系統(tǒng)中，即使有f個節(jié)點出現(xiàn)拜占庭錯誤，也可以保證系統(tǒng)的正常運行。

MedRec：該系統(tǒng)[52]用于解決電子病歷數(shù)據(jù)訪問和權(quán)限管理等方面的問題。其利用模塊化設(shè)計與現(xiàn)有的本地數(shù)據(jù)存儲解決方案集成在一起，以促進(jìn)數(shù)據(jù)的互操作性。利用內(nèi)嵌的認(rèn)證、加密和問責(zé)機制，保護(hù)用戶的隱私不被泄露。同時，該系統(tǒng)可對單個記錄的不同數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨授權(quán)以滿足細(xì)粒度的保密需求。為了保證記賬環(huán)節(jié)的正常實施，該系統(tǒng)以訪問匿名數(shù)據(jù)為條件，激勵醫(yī)療人員參與工作量證明的計算。

QuarkChain：該鏈[53]是基于分片技術(shù)的框架，旨在解決公有鏈數(shù)據(jù)處理速率不足的缺陷，其吞吐量可達(dá)每秒十萬級鏈以上，為區(qū)塊鏈技術(shù)向相關(guān)領(lǐng)域的延伸提供了技術(shù)上的可行性。該方案是由分片層和根鏈層構(gòu)成的雙鏈結(jié)構(gòu)，前者負(fù)責(zé)記賬，后者用于確認(rèn)其交易。該結(jié)構(gòu)可在保證各層正常運行的前提下，通過動態(tài)增加分片數(shù)量，使系統(tǒng)吞吐量實現(xiàn)線性提升。安全性方面，該系統(tǒng)基于博弈論引入了礦工激勵機制和全網(wǎng)算力分配機制，使得超過半數(shù)的算力被分配到根鏈上，以避免雙花問題并可防止惡意節(jié)點的攻擊。另外，該系統(tǒng)支持多個普通節(jié)點以功能匯集的方式替換少數(shù)超級節(jié)點，為去中心化的實現(xiàn)提供了保障。

RapidChain：該鏈[54]是第一個基于分片的公有鏈協(xié)議，其意義在于為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的擴展性提供了良好的解決方案。在安全性方面，開發(fā)者創(chuàng)新出有限的布谷鳥原則以抵抗分片攻擊。同時該鏈可抵抗多達(dá)全網(wǎng)1/3節(jié)點的惡意攻擊，并可在完全去信任化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)交易處理通信、計算和存儲的完全分片。共識方面，該鏈采用一種優(yōu)化的委員會共識算法，使得該鏈的數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)7 380 TPS，預(yù)期確認(rèn)延遲時間優(yōu)化為8.7 s。用于更大區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)處理的八卦協(xié)議和重新配置機制可保證網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

Carbon Footprint Chain：該方案[55]致力于以私有集群的輕量級和可擴展區(qū)塊鏈在保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的基礎(chǔ)上記錄食品供應(yīng)鏈物品運輸過程中的碳足跡。開發(fā)者擬議將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成在卡車上，收集碳足跡、里程、產(chǎn)品等相關(guān)信息。該系統(tǒng)有三類節(jié)點：領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點、普通節(jié)點和候選節(jié)點。領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點負(fù)責(zé)將塊打包并以廣播的形式傳遞給其他節(jié)點；普通節(jié)點負(fù)責(zé)驗證接收的塊；候選節(jié)點負(fù)責(zé)發(fā)起選舉通知。每個節(jié)點都包含隨機計時器，計時器即將結(jié)束的節(jié)點會向候選節(jié)點廣播狀態(tài)更改通知，請求批準(zhǔn)成為領(lǐng)導(dǎo)者。由于基于集群的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點不斷變化，且惡意節(jié)點只能破壞單個集群，而不能破壞整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)，所以該機制在保證區(qū)塊鏈準(zhǔn)確記錄運輸碳足跡的同時可確保了系統(tǒng)的安全性。實驗表明該框架在區(qū)塊創(chuàng)建時間、領(lǐng)導(dǎo)選舉時間、吞吐量以及平均交易時間等方面均達(dá)到了高性能。

3 區(qū)塊鏈和供應(yīng)鏈管理

供應(yīng)鏈?zhǔn)侵竻⑴c不同生產(chǎn)過程及相關(guān)活動的上下游企業(yè)組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。供應(yīng)鏈的多階段性以及產(chǎn)品的多樣化使其成為難以管理的高度互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在供應(yīng)鏈管理的過程中不但要解決信息共享、存儲等問題，還要應(yīng)對不同行業(yè)特殊性帶來的挑戰(zhàn)。近年來隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的繁榮，管理者似乎找到應(yīng)對相關(guān)問題的策略和方案。本節(jié)就不同行業(yè)相關(guān)特性論述的基礎(chǔ)上，為應(yīng)對各供應(yīng)鏈問題的區(qū)塊鏈框架和解決方案進(jìn)行總結(jié)，以對當(dāng)前研究有全面的了解。

3.1 農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈

在全球范圍內(nèi)，農(nóng)業(yè)是解決就業(yè)的主要渠道之一，據(jù)2018 年世界銀行統(tǒng)計，該產(chǎn)業(yè)鏈吸收全球約30%的勞動力，而且其產(chǎn)品關(guān)乎社會民生，農(nóng)業(yè)對社會的發(fā)展和穩(wěn)定至關(guān)重要。在全球一體化進(jìn)程快速布局的當(dāng)前，人們發(fā)現(xiàn)該行業(yè)還存在諸多問題。如：僅中國就超過230 000家農(nóng)業(yè)企業(yè)，但大都屬于中小企業(yè)，資源分散[59]且由于該行業(yè)從未實現(xiàn)完全數(shù)字化轉(zhuǎn)型，資源調(diào)度得不到很好處理。缺乏信息化還使天氣、病蟲害[56]所導(dǎo)致的質(zhì)量問題得不到科學(xué)控制。還會引起交易結(jié)算緩慢、信息追溯效率低、標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證執(zhí)行差[58]等問題。同時技術(shù)缺乏導(dǎo)致中介機構(gòu)普遍存在[57]的問題，也是行業(yè)成本居高不下的主要原因。在這種困境下，相關(guān)企業(yè)一直尋求技術(shù)進(jìn)步以解決上述問題，但數(shù)量眾多的中小企業(yè)卻因為資金缺乏，運營成本得不到明顯改善。如何利用現(xiàn)有技術(shù)改善當(dāng)前困境是世界各國普遍關(guān)注的問題。

區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)，引起人們的廣泛興趣。文獻(xiàn)[59]對農(nóng)業(yè)“散、小、亂、弱”等現(xiàn)狀以及農(nóng)業(yè)資源整合和供需調(diào)配模式進(jìn)行分析，提出一種基于“用戶信息鏈”和“交易鏈”的雙鏈結(jié)構(gòu)農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈系統(tǒng)，通過交易信息上傳公鏈、個人信息上傳私鏈的方式保護(hù)用戶的隱私。通過對資源供需匹配的設(shè)計以及信譽評級和資金懲罰措施的引入，保證交易準(zhǔn)確無誤的進(jìn)行。同時針對農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)量大且對數(shù)據(jù)處理速度要求高的特點，摒棄吞吐量較低的PoW 機制，選擇在POS 的基礎(chǔ)上提出一種更簡潔、更適合考慮權(quán)重的農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈共識算法。實驗表明該模型在成本上以及數(shù)據(jù)吞吐量等方面實現(xiàn)了一定的優(yōu)化。此外該調(diào)度模型只與交易雙方各自能力以及交易規(guī)則有關(guān)，可以擺脫信息不對稱和地理位置的局限性，從而更多小體量或偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)業(yè)商戶可以進(jìn)入市場公平參與交易。但是雖然該雙鏈模型通過分類存儲信息以及共識機制創(chuàng)新一定程度上緩解了系統(tǒng)吞吐量和數(shù)據(jù)存儲的壓力，但是由于交易信息鏈屬于公有鏈，隨著交易雙方的不斷加入，吞吐量、數(shù)據(jù)存儲以及系統(tǒng)效率的不足會成為該模式最大的障礙。另外作為供應(yīng)鏈解決方案，對源頭和產(chǎn)品流動過程缺乏信息記錄，也是該模型的缺陷。詳情如圖2所示。

圖2 雙鏈流程圖Fig.2 Double chain flow chart

文獻(xiàn)[15]以大豆為例，認(rèn)為當(dāng)前農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈環(huán)境復(fù)雜，參與主體眾多，對產(chǎn)地、作物生長、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行和監(jiān)測等信息難以驗證。為此提出通過以太坊平臺搭建應(yīng)用，并引入標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符以有效執(zhí)行業(yè)務(wù)交易并跟蹤和追溯大豆信息。為了提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率，把相關(guān)圖片和生產(chǎn)信息存儲在星際文件系統(tǒng)（IPFS）中，而只把相應(yīng)數(shù)據(jù)Hash上傳區(qū)塊鏈。同時上傳者需要對信息真實性負(fù)責(zé)，一旦數(shù)據(jù)有誤，編寫的智能合約能以流程作廢的方式及時挽救損失，并對上傳者進(jìn)行處罰。此外通過引入攝像頭、傳感器、GPS、lOT 集裝箱等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實時記錄、傳輸數(shù)據(jù)減少數(shù)據(jù)偽造的可能性。但是由于方案沒有考慮實施成本，以致物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的引用可能存在些許難度。此外信息隱私性和可伸縮性也是該系統(tǒng)亟需改善的方向。詳情如圖3所示。

圖3 大豆區(qū)塊鏈框架圖Fig.3 Framework of soybean blockchain

文獻(xiàn)[60]認(rèn)為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物流數(shù)據(jù)記錄模式已不能滿足當(dāng)前市場需求，提議建立新型農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈可追溯系統(tǒng)。開發(fā)者通過分析和細(xì)化供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)類別并研究射頻識別（RFID）和區(qū)塊鏈技術(shù)的利用和開發(fā)情況，通過分析其優(yōu)缺點構(gòu)建了基于RFID和區(qū)塊鏈技術(shù)的溯源系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過收集、分享和傳遞供應(yīng)鏈真實數(shù)據(jù)保證食品的安全。但是對于系統(tǒng)搭建成本、隱私性、吞吐量和數(shù)據(jù)存儲問題缺乏考慮是本系統(tǒng)需要改進(jìn)的方向。詳情如圖4所示。

圖4 新型農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈可追溯系統(tǒng)Fig.4 Traceability system of new agricultural supply chain

3.2 食品供應(yīng)鏈

食品加工業(yè)被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)的延伸。隨著全球化的加劇以及外包模式的普及，供應(yīng)商等參與主體的數(shù)量增多，供應(yīng)鏈變得更加復(fù)雜[61-62]。全球化的趨勢也加劇了食源性疾病的爆發(fā)。如：2011年德國的大腸桿菌疫情以及2013年英國毒馬肉事件[63]。不僅如此，全球化的發(fā)展使供應(yīng)鏈生產(chǎn)者和消費者之間的地理距離越來越遠(yuǎn)，再加上信息不完善的現(xiàn)狀，產(chǎn)品質(zhì)量控制和必要性的食物召回[64]變得更加困難。至此，供應(yīng)鏈管理的全程監(jiān)管引起參與各方的重視，被認(rèn)為是解決食品安全等公共衛(wèi)生問題的關(guān)鍵手段[64]。典型代表如奶粉供應(yīng)鏈和紅酒供應(yīng)鏈領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)還存在一些挑戰(zhàn)。比如一些領(lǐng)域還存在紙質(zhì)化辦公[65]的現(xiàn)象，不僅影響工作效率還經(jīng)常會為操作的失誤埋單；食品供應(yīng)鏈各企業(yè)大多獨立開發(fā)系統(tǒng)[65]，整個供應(yīng)鏈缺乏統(tǒng)一的信用管理[66]、資源調(diào)配、信息共享機制，不利于行業(yè)的整體優(yōu)化。此外，過去集中化管理系統(tǒng)中還存在信息篡改的風(fēng)險，監(jiān)管的缺失使商家更愿意通過提供虛假數(shù)據(jù)賺取額外的利潤，以致三鹿毒奶粉等事件此消彼長[67]。而單點故障發(fā)生的可能[68]，也給系統(tǒng)埋下了很大隱患。

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)，科研工作者致力于尋求新方案以解決傳統(tǒng)問題。文獻(xiàn)[67]建立了危害分析與關(guān)鍵控制點（Hazard Analysis Critical Control Point，HACCP）、區(qū)塊鏈以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)結(jié)合的食品供應(yīng)鏈實時追溯系統(tǒng)。此系統(tǒng)把供應(yīng)鏈流程劃分為生產(chǎn)、加工、倉儲、配送、零售以及監(jiān)管等環(huán)節(jié)，并通過逐個匹配方案的方式，對供應(yīng)鏈全程進(jìn)行監(jiān)控。通過記錄產(chǎn)品數(shù)據(jù)，以優(yōu)化產(chǎn)品倉儲管理系統(tǒng)，通過調(diào)整產(chǎn)品出庫順序，一定程度避免產(chǎn)品腐敗變質(zhì)。同時該系統(tǒng)通過對運輸信息的上傳，可助力優(yōu)化運輸線路。此外開發(fā)者還通過引入Bigchain DB以填補規(guī)模分散系統(tǒng)的空白。該系統(tǒng)極大降低了傳統(tǒng)信息系統(tǒng)被攻擊的風(fēng)險，而且對信息透明性以及系統(tǒng)整體效率的提升提供了良好的方案。但是該方案在充分利用RFID 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的同時，并沒有考慮該方案的實際運作成本。同時隱私性和系統(tǒng)擴展性、吞吐量等問題也是該方案未來的研究方向。詳細(xì)如圖5所示。

圖5 基于HACCP、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的追溯系統(tǒng)Fig.5 Traceability system based on HACCP，Internet of Things and blockchain technology

除了追溯系統(tǒng)外，文獻(xiàn)[66]致力于通過建立區(qū)塊鏈信用評估系統(tǒng)加強對食品供應(yīng)鏈監(jiān)督管理的有效性。該系統(tǒng)針對傳統(tǒng)評價體系中只注重銷售者對商家單方面的評估現(xiàn)象，引入LSTM技術(shù)對信用評價文本進(jìn)行分析，最終形成雙向信用評價標(biāo)準(zhǔn)，以在食品供應(yīng)鏈中“多方利益相關(guān)者”之間的誠信交易和“信息不對稱”問題上發(fā)揮監(jiān)管作用。具體流程為：交易雙方首先通過應(yīng)用程序接口進(jìn)行交易，然后通過調(diào)用智能合約對交易對象進(jìn)行主觀評價（該交易和評價結(jié)果上傳區(qū)塊鏈），最后通過經(jīng)過訓(xùn)練的LSTM模型對上述評價進(jìn)行分析和處理，并將結(jié)果反饋給監(jiān)管機構(gòu)，以便采取相應(yīng)措施。該系統(tǒng)通過設(shè)置交易金額權(quán)重，把商家的信用評分與有效交易金額的權(quán)重乘積作為該商戶的最終信用值。通過規(guī)則的設(shè)置使得交易額越高，評價就會越客觀。此外系統(tǒng)通過CA 認(rèn)證為不同參與節(jié)點設(shè)定不同訪問控制權(quán)限，可一定程度上保護(hù)用戶隱私。為了方便訪問，開發(fā)者將原型實現(xiàn)為一個Web應(yīng)用程序，使得用戶通過普通瀏覽器就可以訪問系統(tǒng)。實驗表明，該方法比傳統(tǒng)支持向量機（SVM）和Navie-Bayes（NB）等機器學(xué)習(xí)方法具有更好性能。但是，對區(qū)塊鏈系統(tǒng)吞吐量、擴展性等指標(biāo)缺乏討論是文章的一個缺陷。詳情如圖6所示。

圖6 基于區(qū)塊鏈的信用評估系統(tǒng)Fig.6 Credit evaluation system based on blockchain

3.3 醫(yī)療供應(yīng)鏈

有效的供應(yīng)鏈管理是當(dāng)前所有行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，但是在醫(yī)療保健領(lǐng)域中，這種挑戰(zhàn)可能更加緊迫。因為該領(lǐng)域直接影響患者的安全和健康。藥品作為醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的重要一環(huán)被世界各國所關(guān)注[69]。2017年，世界衛(wèi)生組織在全球患者安全部級峰會上把用藥安全列為一項全球性問題，致力于通過5年努力把原來藥物事故率降低50%。因為據(jù)估計，市場上流通的藥品中有接近10%是不合格的[70]，這一現(xiàn)象在經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢的國家更為常見，藥物計量不合格或其中的有害成分可能對患者產(chǎn)生致命影響。所以藥品供應(yīng)鏈的全程監(jiān)管在全球幾乎達(dá)成共識。除此之外醫(yī)療設(shè)備供應(yīng)鏈的安全性也是社會普遍關(guān)注的領(lǐng)域。該供應(yīng)鏈產(chǎn)生的信息不僅包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)還應(yīng)該包括設(shè)備的使用數(shù)據(jù)。例如，心臟功能缺失的患者可能依靠心臟起搏器等設(shè)備記錄日常健康數(shù)據(jù)[71]，以便醫(yī)生對癥治療。但是該技術(shù)在提供便利性的同時，也可能面臨黑客惡意訪問、篡改數(shù)據(jù)等風(fēng)險，如何保證數(shù)據(jù)系統(tǒng)安全以及數(shù)據(jù)不可變對該領(lǐng)域至關(guān)重要。目前各國逐漸在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了數(shù)字化轉(zhuǎn)型。但是還存在一些挑戰(zhàn)。如無法避免數(shù)據(jù)被非法訪問和篡改，而且權(quán)威機構(gòu)主導(dǎo)的系統(tǒng)又面臨單點故障的風(fēng)險。

區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)，促療領(lǐng)域相關(guān)問題的新型方案。文獻(xiàn)[72]討論了藥品供應(yīng)鏈存在的缺陷，并描述了假藥流入市場可能的途徑。針對當(dāng)前藥物造假、濫用等現(xiàn)象，提議對現(xiàn)有藥品供應(yīng)鏈進(jìn)行改造，將跟蹤技術(shù)引入供應(yīng)鏈系統(tǒng)，并貫穿于供應(yīng)鏈流程始末。通過基于RFID等物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)的結(jié)合維護(hù)交易信息的完整性和不變性。但是文章對于RFID 系統(tǒng)面臨的財務(wù)、技術(shù)以及數(shù)據(jù)隱私方面討論較少，是該方案未來研究的方向。

文獻(xiàn)[73]提出開發(fā)名為LifeCrypter 的區(qū)塊鏈框架，以保證藥品供應(yīng)鏈的完整性、可追溯性和透明性。該方案為每種藥品附加識別標(biāo)簽，同時支持所有虛擬和現(xiàn)實所有權(quán)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗證和流通，使流經(jīng)供應(yīng)鏈的所有信息能被完整記錄在分布式賬本中。通過為每一患者提供操作簡易的應(yīng)用程序，使用戶可以清晰看到各藥物的溯源信息，以此杜絕假藥的分銷。另外在分析了早期藥物研發(fā)階段存在的問題后，認(rèn)為該框架可以提高藥物研發(fā)過程的有效性和數(shù)據(jù)透明性，這對緩解監(jiān)管部門、投資商等參與主體與研發(fā)者之間的信息不對稱起到很好助力作用。但是對于系統(tǒng)擴展性、醫(yī)療數(shù)據(jù)隱私性、數(shù)據(jù)吞吐量等特性缺乏討論是文章的不足之處。

文獻(xiàn)[74]在RFID 系統(tǒng)中實現(xiàn)了一個基于區(qū)塊鏈技術(shù)的ABAC（Attribute-Based Access Control，基于屬性的訪問控制）模型。用以對醫(yī)療設(shè)備的訪問和使用情況進(jìn)行管理。在實際運用時，當(dāng)被RFID 標(biāo)簽標(biāo)記的醫(yī)療器械進(jìn)入使用環(huán)境時，標(biāo)簽識別器會向DApp 發(fā)送請求。在接到請求后DApp 通過智能合約向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)送查詢以了解產(chǎn)品類型、序列號等相關(guān)屬性。然后根據(jù)該屬性執(zhí)行ABAC安全策略，最終確定是否允許或拒絕標(biāo)記訪問。目前開發(fā)者將AC 策略由智能合約移至DApp 中，以避免系統(tǒng)延遲以及規(guī)則公開化。但從系統(tǒng)安全性出發(fā)，未來將考慮在私有鏈智能合約中實現(xiàn)該策略。另外該系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、計算機延遲、帶寬消耗等方面進(jìn)行了測試，且表現(xiàn)了良好的性能。詳情如圖7所示。

圖7 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的ABAC模型Fig.7 ABAC model based on blockchain technology

3.4 工業(yè)供應(yīng)鏈

工業(yè)是指涉及原料生產(chǎn)、產(chǎn)品制造的產(chǎn)業(yè)或工程，在全球經(jīng)濟(jì)中起著重要支撐作用。以汽車制造業(yè)為例，社會化分工的出現(xiàn)，使得一個零部件可能涉及多家供貨商。市場競爭的加劇促使核心企業(yè)聯(lián)合眾多供應(yīng)商、分銷商、零售商等主體組成利益網(wǎng)絡(luò)以提升產(chǎn)業(yè)效率并降低生產(chǎn)成本。進(jìn)行社會化分工進(jìn)而組建供應(yīng)鏈的方式雖然一定程度上提高了行業(yè)產(chǎn)能，但是由于市場競爭和信任化等問題的存在，相較于分工之前企業(yè)掌握的信息類別逐漸減少。使其不能很好的預(yù)測供需問題甚至對產(chǎn)品相關(guān)指標(biāo)信息產(chǎn)生懷疑，這些問題的存在不利于行業(yè)競爭的正?；?。另外電子行業(yè)中，核心企業(yè)往往采用代加工的方式降低運營成本，信息的不透明性[75]，使得產(chǎn)品爆炸等安全事故頻發(fā)。同時，電子設(shè)備的增多也促進(jìn)了該領(lǐng)域逆向物流的發(fā)展，手機等設(shè)備返修或翻新過程中數(shù)據(jù)管理和隱私保護(hù)[76]是該領(lǐng)域發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)之一。

針對這些問題，專家學(xué)者致力于尋求相關(guān)技術(shù)以改變當(dāng)前現(xiàn)狀。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)，使相關(guān)主體看到了希望。文獻(xiàn)[77]針對航空工業(yè)供應(yīng)鏈場景描述了區(qū)塊鏈技術(shù)對航空供應(yīng)鏈各階段的上鏈細(xì)節(jié)，以及優(yōu)化航空配件庫存、監(jiān)控性能以及使用情況的必要性。認(rèn)為該技術(shù)有助于實現(xiàn)飛機部件供應(yīng)的透明化，以降低黑市配件的供應(yīng)；有助于分析航空零件的供需關(guān)系、可用來源，以對采購提供指導(dǎo)性建議，同時通過對各零件參數(shù)指標(biāo)上鏈，可對飛機零件壽命和故障進(jìn)行預(yù)判，以減少飛機的安全事故。但是該方案只描述了供應(yīng)鏈和區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合的相關(guān)細(xì)節(jié)，具體實踐過程中相關(guān)建議描述較少。

文獻(xiàn)[78]選擇Hyperledger Fabric 作為汽車工業(yè)區(qū)塊鏈框架，以Composer 特定的訪問控制語言編寫訪問控制規(guī)則（Access Control Lists，ACL），以對不同信息的訪問權(quán)限進(jìn)行設(shè)定。該框架還使用了Hyperledger Composer 工具，通過添加抽象層以簡化應(yīng)用程序。并以添加消息隊列遙測傳輸協(xié)議的方式方便物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使得發(fā)送方可以在不了解接收方的情況下傳遞數(shù)據(jù)。具體操作方面，開發(fā)者為各汽車部件安裝RFID標(biāo)簽，同時以在每個控制器嵌入了RFID閱讀器和相關(guān)傳感器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和記錄，并通過將Hyperledger結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、composer、REST-API以及RED 服務(wù)器等集成在Google 云服務(wù)器上，以使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以在任何互聯(lián)網(wǎng)連接正常的地方使用。同時該框架為每個產(chǎn)品設(shè)定唯一識別標(biāo)識并以記錄公司名稱、位置等信息的方式確定產(chǎn)品來源，通過記錄庫存、裝配、運輸、銷售等信息保證供應(yīng)鏈信息透明性。此外該模型還支持使用外部數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)記錄在外部數(shù)據(jù)庫，而只把Hash 值和產(chǎn)品ID 存儲在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，以緩解數(shù)據(jù)量過大造成數(shù)據(jù)擁堵的現(xiàn)象。該系統(tǒng)還開發(fā)了Web 服務(wù)器，允許用戶通過前端接口訪問區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。但是系統(tǒng)的可伸縮性、成本等特性的探討較為缺乏，是系統(tǒng)研究的方向。詳情如圖8所示。

圖8 汽車工業(yè)區(qū)塊鏈框架Fig.8 Framework of automobile industry blockchain

文獻(xiàn)[76]以手機設(shè)備為例，針對逆向物流數(shù)據(jù)隱私、管理等問題，提出基于以太坊平臺的分布式無信任電子設(shè)備RL 活動框架，并通過智能合同等技術(shù)開發(fā)了自主有效的后端數(shù)據(jù)共享架構(gòu)，以跟蹤逆向物流過程。針對區(qū)塊鏈技術(shù)吞吐量低的缺陷，方案采用了一種鏈外存儲方法如IPFS來實現(xiàn)整個逆向物流活動重要記錄的存儲和檢索，而只把記錄的散列存儲在區(qū)塊鏈上。針對數(shù)據(jù)隱私的問題，開發(fā)者通過智能合約實施訪問控制的限制。但是該架構(gòu)是私有區(qū)塊鏈，必然是以犧牲去中心化為代價實現(xiàn)的，另外擴展性可能會成為該方案的瓶頸。

3.5 其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)

對于區(qū)塊鏈來說，金融方面是不得忽略的領(lǐng)域。該技術(shù)自誕生以來就一直影響著金融產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。金融機構(gòu)由于文件冗余、收費延遲等現(xiàn)象，為惡意分子提供了可乘之機，據(jù)估計每年遭受經(jīng)濟(jì)犯罪行為的金融機構(gòu)高達(dá)45%，使得其監(jiān)管成本不斷攀升[79]。此外由于Dodd-Frank 等法案的要求，銀行等金融機構(gòu)在數(shù)據(jù)傳遞、透明性等方面面臨更大挑戰(zhàn)[80]。而區(qū)塊鏈技術(shù)成為簡化流程并保證數(shù)據(jù)傳遞的突破口。2017年2月，韓國金融投資協(xié)會聯(lián)合26 家證券公司和5 家區(qū)塊鏈公司搭建聯(lián)盟鏈，試圖利用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行身份認(rèn)證、信息共享、清算和結(jié)算等操作。在實際運營中，用戶信息只要一次注冊即可在所有金融機構(gòu)實現(xiàn)信息同步，極大提高了便利性。同時對系統(tǒng)安全性和監(jiān)管等方面的成效也得到顯著改善[81]。

另一個被關(guān)注的是多媒體領(lǐng)域。由于當(dāng)前該領(lǐng)域缺乏可信機制以方便檢索內(nèi)容使用、篡改等方面的信息，導(dǎo)致藝術(shù)品數(shù)字化備份、新聞內(nèi)容經(jīng)常被用于各種目的使用，甚至被篡改以進(jìn)行虛假宣傳，對創(chuàng)作者積極性形成極大侵害。針對這些問題，文獻(xiàn)[82]提出了一種基于水印的多媒體區(qū)塊鏈框架。該水印由操作歷史哈希以及可檢索的原始媒體內(nèi)容的圖像哈希組成，前者記錄作品的更改歷史，使得作品一旦被去除水印，操作歷史就會自動寫入?yún)^(qū)塊鏈，而內(nèi)容簽名的存在使相關(guān)方可以及時定位被篡改的內(nèi)容區(qū)域。以此保證創(chuàng)作者的相關(guān)版權(quán)。同時該方案嵌入認(rèn)知機制，以保護(hù)用戶隱私。但是隨著作品數(shù)據(jù)的加劇，吞吐量和數(shù)據(jù)存儲帶來的挑戰(zhàn)會逐漸變大，此特性也是該方案需要改進(jìn)之處，另外成本因素也需考慮。詳情如圖9所示。

圖9 基于水印的多媒體區(qū)塊鏈框架Fig.9 Framework of multimedia blockchain based on watermark

供應(yīng)鏈行業(yè)及挑戰(zhàn)如表4所示。

表4 供應(yīng)鏈行業(yè)及挑戰(zhàn)Table 4 Supply chain industries and challenges

4 區(qū)塊鏈和供應(yīng)鏈管理結(jié)合的機遇與挑戰(zhàn)

（1）吞吐量：不可篡改保證了數(shù)據(jù)透明、產(chǎn)品追溯等特性存在的價值，是區(qū)塊鏈技術(shù)能被供應(yīng)鏈成員采納的關(guān)鍵吸引之一。然而該特性可能以犧牲吞吐量為代價，隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的引入，數(shù)據(jù)量必然迎來空前的增加，如果在每個塊中設(shè)置大量事務(wù)，則Merkle樹哈希計算也會降低整體處理速度[85]。如何提升系統(tǒng)吞吐量等性能，是區(qū)塊鏈技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)之一。目前一些方案試圖通過星際文件系統(tǒng)改善存儲方式，減少數(shù)據(jù)上傳量以提高數(shù)據(jù)處理速度，但隨著數(shù)據(jù)量的加劇，該方案不能一勞永逸。

（2）成本：區(qū)塊鏈的引解決提供了新思路，但是為了保證系統(tǒng)的正常運行必然涉及多項資金用途。如：系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)、保證算力等硬件設(shè)備的投入，電力等資源的消耗等。除此之外，為了保證數(shù)據(jù)的收集，可能需要數(shù)量巨大的RFID 等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及與之配套的RFID標(biāo)簽，設(shè)備的成本是當(dāng)前該技術(shù)實施的阻礙之一。當(dāng)然這一挑戰(zhàn)也為整合和優(yōu)化多方繁重數(shù)據(jù)提供了機會。

（3）安全性：當(dāng)前區(qū)塊鏈和供應(yīng)鏈結(jié)合的安全性研究更多集中在確保區(qū)塊鏈技術(shù)的容錯性方面，但是供應(yīng)鏈各階段數(shù)據(jù)的獲取主要依靠物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，而該設(shè)備由于算力、存儲有限，易受到惡意攻擊[86]。如何確保數(shù)據(jù)的安全輸入是該領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題。另外，用戶常常通過保存私鑰以維持賬戶的安全性，而當(dāng)前系統(tǒng)缺乏更改秘鑰機制，在秘鑰丟失的情況下如何保證信息安全也是當(dāng)前需要研究的問題之一。

（4）隱私性：區(qū)塊鏈系統(tǒng)利用識別秘鑰對的方式進(jìn)行交易，雖然用戶無法通過讀取賬本信息直接識別實際身份，但是匿名性并不代表不可追蹤，仍然可能通過多個固定交易模式推斷用戶實際身份，在當(dāng)今競爭激烈的市場下，隱私性的及時解決尤為重要。目前，一些方案采用注冊認(rèn)證的方式緩解該現(xiàn)狀，但是該方案的作用具有局限性，且是以犧牲去中心化為代價實現(xiàn)的。

（5）可伸縮性：相關(guān)參與者需要保留獨立賬本的方式以保證系統(tǒng)的不可篡改性，隨著市場交易規(guī)模的不斷擴大，必然會產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)庫過載等情況。所以創(chuàng)新當(dāng)前思維，解決區(qū)塊鏈可伸縮性的問題尤為關(guān)鍵。bitcoin-ng中分解分類賬等方式可能是當(dāng)前該問題的突破口。

5 結(jié)論

區(qū)塊鏈作為記錄、保存數(shù)據(jù)的公共記賬本在防篡改、去信任化等方面顯示出極大的優(yōu)越性。同時可有效緩解不同行業(yè)信息不對稱以及公平公正的問題。本文介紹了供應(yīng)鏈及其管理的相關(guān)特性、運作特點以及農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、工業(yè)、電子等多個行業(yè)供應(yīng)鏈中面臨的挑戰(zhàn)。通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，針對不同行業(yè)以及供應(yīng)鏈的痛點，為各相關(guān)問題梳理了對應(yīng)的區(qū)塊鏈解決方案，并對各方案的優(yōu)缺點進(jìn)行了簡述。目前吞吐量、擴展性、隱私性等方面的問題仍然是該技術(shù)推廣的一大障礙。同時成本問題決定了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能否融合到各方案內(nèi)，這對于各方案數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)收集至關(guān)重要。基于此，本文分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在供應(yīng)鏈管理中的機遇和挑戰(zhàn)，并討論了未來的研究方向。