基于區(qū)塊鏈跨鏈技術(shù)的水產(chǎn)品交易模型研究

葛 艷 姚海東 鄒一波 陳 明 孫偵龍

(1.上海海洋大學(xué)信息學(xué)院， 上海 201306; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201306;3.中洋漁業(yè)(江門)有限公司， 江門 226600)

0 引言

水產(chǎn)品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)通過信息共享以及水產(chǎn)品和資金流通，將企業(yè)以物資流向連載整合，從而提升整個水產(chǎn)品供應(yīng)鏈的運(yùn)作效率[1]。但是傳統(tǒng)水產(chǎn)品供應(yīng)鏈存在信息化程度較低、結(jié)構(gòu)松散且相對獨(dú)立以及各環(huán)節(jié)之間協(xié)調(diào)不足、效率低等問題[2]，同時在水產(chǎn)品供應(yīng)鏈的應(yīng)用中同樣存在著安全性差、信息不對稱、質(zhì)量安全缺乏監(jiān)管等問題[3-5]。

區(qū)塊鏈具有去中心化、可追溯和不可篡改的特點(diǎn)[6-7]，為解決上述問題提供了新的思路[8]。國外學(xué)者利用區(qū)塊鏈的特性，從交易管理方面對供應(yīng)鏈上的應(yīng)用展開研究[9-12]。隨著各種區(qū)塊鏈項目之間融合交互需求日益增長，傳統(tǒng)的單鏈業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)逐步發(fā)展為多鏈業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)，而區(qū)塊鏈的信息孤島是企業(yè)之間區(qū)塊鏈無法實(shí)現(xiàn)鏈上數(shù)據(jù)互通的關(guān)鍵[13]，區(qū)塊鏈的跨鏈技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。

跨鏈?zhǔn)且环N價值在不同區(qū)塊鏈之間流動的過程，這里的價值不僅指鏈上的資產(chǎn)，也是一種信息[14]，價值交換要在價值守恒的前提下，保證精確性和可靠性[15]。目前，已有公證人機(jī)制[16]、側(cè)鏈/中繼[17]、哈希鎖定[18]和分布式私鑰控制[19]這4種主流的跨鏈技術(shù)，在不同程度上解決了跨鏈互操作問題，為實(shí)現(xiàn)跨鏈提供了技術(shù)方案[20]。國內(nèi)外學(xué)者采用上述跨鏈機(jī)制從共識機(jī)制[21-22]、密碼學(xué)技術(shù)[23]、多鏈架構(gòu)[24-26]等角度對區(qū)塊鏈的效率、安全性以及擴(kuò)展性等展開研究。此外在能源[27]、電信[28]、電力[29]等領(lǐng)域，也使用跨鏈技術(shù)為其交易與認(rèn)證設(shè)計出安全可靠的模型。

圖1 水產(chǎn)品供應(yīng)鏈的業(yè)務(wù)分析Fig.1 Business analysis of aquatic products supply chain

同樣，國內(nèi)外學(xué)者也分別從技術(shù)角度和業(yè)務(wù)邏輯角度對現(xiàn)有水產(chǎn)品供應(yīng)鏈的效率、安全性以及擴(kuò)展性等做出了改進(jìn)。文獻(xiàn)[30]構(gòu)建多鏈結(jié)構(gòu)將不同類型的數(shù)據(jù)信息分開存儲，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的隔離保存，提高數(shù)據(jù)的安全性；文獻(xiàn)[31-33]構(gòu)建出基于雙區(qū)塊鏈架構(gòu)的產(chǎn)品防偽溯源系統(tǒng)，擴(kuò)展溯源數(shù)據(jù)的存儲容量，同時提高了溯源的效率與可信度。將現(xiàn)有供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)與多鏈架構(gòu)相結(jié)合，使供應(yīng)鏈的擴(kuò)展性有了較大的提升，同時水產(chǎn)品供應(yīng)鏈的應(yīng)用也更加靈活。

跨鏈技術(shù)在水產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域更加偏向溯源的應(yīng)用，而利用跨鏈技術(shù)對供應(yīng)鏈中水產(chǎn)品交易改進(jìn)方面的研究卻很少。本文將跨鏈技術(shù)應(yīng)用在水產(chǎn)品交易領(lǐng)域，改進(jìn)交易流程，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品在鏈間交易。

1 水產(chǎn)品供應(yīng)鏈的業(yè)務(wù)邏輯分析

水產(chǎn)品供應(yīng)鏈的特點(diǎn)是環(huán)節(jié)眾多，根據(jù)水產(chǎn)品供應(yīng)鏈中業(yè)務(wù)功能的特點(diǎn)，將水產(chǎn)品供應(yīng)鏈按照業(yè)務(wù)邏輯分為養(yǎng)殖、加工、倉儲、銷售、運(yùn)輸5個環(huán)節(jié)，如圖1所示。各個環(huán)節(jié)分屬的企業(yè)之間相互獨(dú)立，水產(chǎn)品在供應(yīng)鏈中按照交易流向，從養(yǎng)殖企業(yè)開始交易至銷售企業(yè)，最終到達(dá)消費(fèi)者手中。

各個環(huán)節(jié)不同的業(yè)務(wù)功能需求，導(dǎo)致環(huán)節(jié)之間業(yè)務(wù)信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，水產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的業(yè)務(wù)信息是水產(chǎn)品供應(yīng)鏈上交易的基礎(chǔ)，針對上述供應(yīng)鏈中水產(chǎn)品交易的業(yè)務(wù)信息特點(diǎn)，將水產(chǎn)品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)信息分為產(chǎn)品信息和交易信息：①產(chǎn)品信息是指在當(dāng)前環(huán)節(jié)中記錄的產(chǎn)品情況信息，各個環(huán)節(jié)的水產(chǎn)品信息根據(jù)業(yè)務(wù)需求有所不同。②交易信息中不僅包含交易雙方信息和包含水產(chǎn)品數(shù)量、單價、保質(zhì)期等水產(chǎn)品的交易產(chǎn)品信息，還包含交易雙方是否對交易達(dá)成一致的交易確認(rèn)信息以及交易在后續(xù)執(zhí)行情況的交易執(zhí)行信息。

以養(yǎng)殖企業(yè)與加工企業(yè)之間的交易為例，養(yǎng)殖企業(yè)可為加工企業(yè)提供一批水產(chǎn)品養(yǎng)殖的詳細(xì)信息，然后雙方會對數(shù)量、規(guī)格、單價等交易的產(chǎn)品信息進(jìn)行協(xié)商，最終對交易達(dá)成一致并在后續(xù)完成對交易的執(zhí)行。交易過程中交易雙方對交易的協(xié)商、確認(rèn)和執(zhí)行分別作為交易產(chǎn)品信息、交易確認(rèn)信息和交易執(zhí)行信息進(jìn)行保存。

2 水產(chǎn)品跨鏈交易模型架構(gòu)

2.1 水產(chǎn)品跨鏈交易模型架構(gòu)設(shè)計

基于水產(chǎn)品供應(yīng)鏈交易的業(yè)務(wù)分析，本文設(shè)計了水產(chǎn)品跨鏈交易模型的架構(gòu)，如圖2所示。模型架構(gòu)共分為5層，根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能自下而上分別是網(wǎng)絡(luò)層、智能合約層、數(shù)據(jù)層、交互層和業(yè)務(wù)層。

圖2 水產(chǎn)品跨鏈交易模型架構(gòu)Fig.2 Aquatic products cross-chain trading model architecture

(1)網(wǎng)絡(luò)層包括區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)和跨鏈結(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)是指水產(chǎn)品供應(yīng)鏈中各個企業(yè)的區(qū)塊鏈，而跨鏈結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)跨鏈交易的核心。區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)跨鏈交易的發(fā)起與確認(rèn)，以及對跨鏈交易中跨鏈資源的發(fā)送與接收。而跨鏈結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)接收由區(qū)塊鏈發(fā)送的跨鏈資源然后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，其中跨鏈資源包括跨鏈交易信息、驗(yàn)證信息以及智能合約等。

(2)智能合約層對交易流程在鏈上實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計了相應(yīng)的智能合約，包括用于發(fā)起跨鏈交易并完成交易流程的跨鏈合約、實(shí)現(xiàn)跨鏈功能的系統(tǒng)合約以及能夠?qū)灰仔畔⑦M(jìn)行訪問的查詢合約。智能合約布署在區(qū)塊鏈上，企業(yè)用戶在鏈上直接調(diào)用智能合約就可以完成跨鏈交易的流程。

(3)數(shù)據(jù)層根據(jù)水產(chǎn)品供應(yīng)鏈業(yè)務(wù)分析中的信息字段內(nèi)容以及跨鏈傳輸?shù)墓δ苄枨?，在模型中設(shè)計了跨鏈交易信息與跨鏈傳輸信息?？珂溄灰仔畔óa(chǎn)品信息、交易產(chǎn)品信息、交易雙方信息、交易確認(rèn)信息和交易執(zhí)行信息，用于跨鏈交易過程中區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)和跨鏈結(jié)構(gòu)之間的信息傳輸。而跨鏈傳輸信息在跨鏈結(jié)構(gòu)中流轉(zhuǎn)，包括跨鏈交易信息和含時間戳、哈希、背書信息等的區(qū)塊信息。

(4)交互層操作包括跨鏈交易傳輸、跨鏈交易確認(rèn)和跨鏈交易驗(yàn)證。發(fā)起鏈通過系統(tǒng)合約以及跨鏈結(jié)構(gòu)，將交易信息發(fā)送至目的鏈；目的鏈接收到交易信息后，對交易進(jìn)行判斷，選擇是否確認(rèn)當(dāng)前交易：若確認(rèn)交易，則表示接收交易；若回滾交易，則表示拒絕交易；最后將確認(rèn)或回滾的結(jié)果返回至發(fā)起鏈，完成交易。同時，在跨鏈交易信息的傳輸過程中，還需要對跨鏈交易進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過則進(jìn)行下一步，若驗(yàn)證失敗，則返回錯誤信息并取消當(dāng)前跨鏈交易。

(5)業(yè)務(wù)層可實(shí)現(xiàn)跨鏈交易發(fā)起、交易信息上傳和交易信息查詢功能。企業(yè)將區(qū)塊鏈接入模型后就可以作為發(fā)起鏈發(fā)起跨鏈交易，也可以作為目的鏈接受或拒絕一筆跨鏈交易。若選擇接受交易，則在交互層完成對交易的確認(rèn)，并在線下完成后續(xù)交易執(zhí)行的環(huán)節(jié)，并上傳交易執(zhí)行的信息；若選擇拒絕交易，則在交互層完成對交易的回滾，取消交易。交易的企業(yè)雙方可以通過交易編號對當(dāng)前交易進(jìn)行查詢，獲取交易信息。

2.2 跨鏈路由功能模塊設(shè)計

圖3 跨鏈路由的模塊設(shè)計Fig.3 Modular design of cross-chain routing

在水產(chǎn)品跨鏈交易模型中，將負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)跨鏈資源的跨鏈結(jié)構(gòu)與交互層的功能實(shí)現(xiàn)整合，設(shè)計了跨鏈路由。

跨鏈路由中使用中繼的跨鏈方式，將跨鏈路由作為實(shí)現(xiàn)跨鏈功能的中介，一方面結(jié)合業(yè)務(wù)需求，融合水產(chǎn)品在鏈上交易的流程業(yè)務(wù)，跨鏈路由采用模塊化的設(shè)計，降低耦合性；另一方面結(jié)合跨鏈需求，設(shè)計了區(qū)塊鏈鏈入接口、權(quán)限、交易隊列、驗(yàn)證和通信模塊，如圖3(圖中CCIF表示跨鏈信息格式)所示，實(shí)現(xiàn)跨鏈功能，減少維護(hù)成本?？珂溌酚芍g以P2P自組網(wǎng)的方式相互連接，共同組成跨鏈網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)跨鏈資源在跨鏈路由之間、跨鏈網(wǎng)絡(luò)之中傳輸同步。

2.2.1區(qū)塊鏈鏈入接口

每個區(qū)塊鏈平臺都有獨(dú)立的框架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行邏輯，不同區(qū)塊鏈之間無法直接交互，這也是跨鏈技術(shù)難點(diǎn)之一。因此區(qū)塊鏈鏈入接口的意義便是適配對應(yīng)的區(qū)塊鏈，通過區(qū)塊鏈鏈入接口實(shí)現(xiàn)跨鏈交互功能。

區(qū)塊鏈鏈入接口在跨鏈路由中發(fā)揮兩種作用：區(qū)塊鏈與跨鏈路由的連接以及跨鏈資源在區(qū)塊鏈與跨鏈路由之間的傳輸。區(qū)塊鏈鏈入接口中的跨鏈接口分為跨鏈信息接口、跨鏈交易接口和調(diào)用接口。在企業(yè)區(qū)塊鏈上布署的系統(tǒng)合約中包含與區(qū)塊鏈鏈入接口相連接的接口。系統(tǒng)合約中的接口分為兩部分：跨鏈調(diào)用接口和交易接口。通過系統(tǒng)合約與區(qū)塊鏈鏈入接口，完成區(qū)塊鏈與跨鏈路由的連接，實(shí)現(xiàn)跨鏈資源的傳輸。

2.2.2權(quán)限模塊

區(qū)塊鏈?zhǔn)褂帽炬湹墓€、私鑰、證書等文件與跨鏈路由一對一進(jìn)行綁定。綁定后，會生成該鏈在水產(chǎn)品跨鏈交易模型中的唯一身份標(biāo)識即區(qū)塊鏈編號，同時區(qū)塊鏈也賦予跨鏈路由一定的權(quán)限。

區(qū)塊鏈編號用來標(biāo)識區(qū)塊鏈，進(jìn)而可以標(biāo)識鏈上的智能合約。區(qū)塊鏈編號會在跨鏈路由之間同步，從而區(qū)塊鏈的身份能夠在整個跨鏈網(wǎng)絡(luò)中得到認(rèn)證，使跨鏈資源能夠在跨鏈路由間正確傳輸，實(shí)現(xiàn)跨鏈資源在不同鏈間的可信流轉(zhuǎn)。

跨鏈路由在接入?yún)^(qū)塊鏈后，不僅要能夠監(jiān)聽交易，而且要保證跨鏈交易的可驗(yàn)證性。區(qū)塊鏈會賦予跨鏈路由一定的權(quán)限，使跨鏈路由能夠獲取跨鏈交易的背書信息等驗(yàn)證信息?？珂溌酚蓵鶕?jù)區(qū)塊存儲結(jié)構(gòu)獲取該跨鏈交易的合法性證明。

2.2.3交易隊列模塊

交易隊列模塊會將區(qū)塊鏈發(fā)送的跨鏈交易信息形成跨鏈交易信息列表，暫時存儲等待執(zhí)行。當(dāng)企業(yè)用戶發(fā)起跨鏈交易，跨鏈路由接收跨鏈交易信息后，會收集當(dāng)前跨鏈交易的驗(yàn)證信息，以便后續(xù)驗(yàn)證。而未執(zhí)行的跨鏈交易信息按照順序暫時存儲在交易隊列模塊中，等待獲取相應(yīng)的驗(yàn)證信息。

2.2.4驗(yàn)證模塊

在跨鏈場景中，由于雙方并沒有參與對方區(qū)塊鏈的共識流程，因此本文引入跨鏈驗(yàn)證協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在鏈間的安全傳輸。驗(yàn)證模塊收集跨鏈交易的驗(yàn)證信息，并根據(jù)跨鏈驗(yàn)證協(xié)議對這些驗(yàn)證信息進(jìn)行驗(yàn)證。在跨鏈驗(yàn)證協(xié)議中，使用Merkle驗(yàn)證[34]對跨鏈交易實(shí)施驗(yàn)證，保證跨鏈交易的正確性，也保障了整個水產(chǎn)品跨鏈交易模型處于正確的狀態(tài)。

圖4是某一區(qū)塊內(nèi)的Merkle樹，若要驗(yàn)證交易TX1的存在性，只需要提供路徑哈希即Hash2、Hash34、RootHash。具體的Merkle驗(yàn)證過程如下：根據(jù)交易TX1計算得到，Hash等于Hash(TX1)；根據(jù)Hash1和提供的Hash2計算得到，Hash12等于Hash(Hash1 + Hash2)；根據(jù)Hash12和提供的Hash34計算得到Hash1234等于Hash(Hash12 + Hash34)；最后比較Hash1234和提供的根哈希RootHash，若Hash1234等于RootHash，則證明當(dāng)前區(qū)塊中存在TX1，反之則不存在。

圖4 Merkle驗(yàn)證Fig.4 Merkle verification

而一次跨鏈交易，不僅需要驗(yàn)證發(fā)起跨鏈交易時在發(fā)起鏈上的存在性，還需要驗(yàn)證跨鏈交易是否在目的鏈上成功執(zhí)行。即目的鏈?zhǔn)欠癯晒珂溄灰走M(jìn)行執(zhí)行并上鏈。因此當(dāng)跨鏈交易返回至發(fā)起鏈的跨鏈路由后，還需驗(yàn)證跨鏈交易在目的鏈上的存在性，即驗(yàn)證跨鏈交易的執(zhí)行性。驗(yàn)證跨鏈交易執(zhí)行性的步驟與驗(yàn)證存在性是相同的。若驗(yàn)證執(zhí)行性失敗，則將錯誤信息按原路徑返回至發(fā)起鏈，然后取消當(dāng)前跨鏈交易，并根據(jù)狀態(tài)Merkle樹回滾至跨鏈交易前的狀態(tài)。只有當(dāng)跨鏈交易的存在性與執(zhí)行性全部驗(yàn)證通過，跨鏈交易才認(rèn)為成功。

2.2.5通信模塊

跨鏈路由接收來自企業(yè)區(qū)塊鏈的跨鏈交易信息，然后在鏈上獲取跨鏈交易的背書信息和Merkle證明信息，一同由通信模塊按照跨鏈信息格式打包生成CCIF信息，并由通信模塊對CCIF信息進(jìn)行發(fā)送、接收和解析[25]。表1為跨鏈路由傳輸?shù)腃CIF信息的詳細(xì)內(nèi)容。

表1 跨鏈信息格式Tab.1 Cross-chain information format

在Proof中還分為4個字段：Hash、Path、MerkleRoot、Signature。其中Hash是跨鏈交易內(nèi)容的哈希，Path是Merkle驗(yàn)證的路徑哈希，MerkleRoot是根哈希，Signature是對于根哈希的簽名。其中Signature字段在Fabric鏈中則是背書節(jié)點(diǎn)的背書信息，也是由跨鏈路由從區(qū)塊鏈中獲得。

2.3 模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

水產(chǎn)品跨鏈交易模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。模型整體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由多條交易鏈和多個跨鏈路由組成，每一個跨鏈路由與一條交易鏈連接。跨鏈路由之間通過P2P網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，共同構(gòu)成跨鏈網(wǎng)絡(luò)?？珂溞畔⑼ㄟ^跨鏈網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多方參與、信息相互隔離的模式。企業(yè)用戶可通過鏈上的節(jié)點(diǎn)在鏈上發(fā)起跨鏈交易，并經(jīng)由跨鏈網(wǎng)絡(luò)將跨鏈信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

圖5 模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Model topology structure

3 水產(chǎn)品跨鏈交易流程

為了保護(hù)企業(yè)在鏈上交易時企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)安全，在各個企業(yè)現(xiàn)有的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加一條交易鏈，將此鏈作為每個企業(yè)的交易鏈加入到水產(chǎn)品跨鏈交易模型中，實(shí)現(xiàn)鏈與鏈之間的數(shù)據(jù)互通并進(jìn)行跨鏈交易。

3.1 水產(chǎn)品跨鏈交易模型中的模塊交互

如圖6所示，水產(chǎn)品跨鏈交易模型可分為兩個部分：區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)以及跨鏈網(wǎng)絡(luò)。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)由各個企業(yè)的交易鏈組成，企業(yè)用戶可在鏈內(nèi)發(fā)起跨鏈請求，調(diào)用跨鏈合約生成跨鏈交易信息，并且在交易鏈上記錄跨鏈交易的詳細(xì)信息?？珂溇W(wǎng)絡(luò)則由各條企業(yè)交易鏈的跨鏈路由組成?？珂溄灰仔畔⒌拇鎯?、驗(yàn)證、打包、傳輸都由跨鏈路由完成，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息在不同區(qū)塊鏈之間的傳輸，完成跨鏈交易，即交易合同在鏈上的擬定和確認(rèn)。

圖6 水產(chǎn)品跨鏈交易模型中模塊交互Fig.6 Module interaction in the model of cross-chain aquatic product trading

圖6是交易在水產(chǎn)品跨鏈交易模型中模塊間交互。跨鏈交易由發(fā)起鏈發(fā)起，通過跨鏈合約和系統(tǒng)合約與區(qū)塊鏈鏈入接口的連接，將生成的跨鏈交易信息發(fā)送至跨鏈路由；驗(yàn)證模塊收集跨鏈交易的背書信息和Merkle證明信息，并連同跨鏈交易信息一同發(fā)送至通信模塊；通信模塊按照跨鏈信息格式打包成CCIF信息，發(fā)送至目的鏈的跨鏈路由；目的鏈跨鏈路由中的通信模塊接收后，驗(yàn)證模塊先對CCIF信息進(jìn)行驗(yàn)證；驗(yàn)證通過后，再經(jīng)通信模塊解析重新獲取跨鏈交易信息后，由區(qū)塊鏈鏈入接口發(fā)送至目的鏈，目的鏈通過系統(tǒng)合約來接收跨鏈交易信息。之后，目的鏈完成跨鏈交易的后續(xù)執(zhí)行操作。

3.2 水產(chǎn)品跨鏈交易流程設(shè)計

由于跨鏈交易信息不僅包含交易產(chǎn)品信息，同時還要將交易執(zhí)行信息保存?？紤]到交易過程的原子性與交易信息的可溯性，簡單地將跨鏈轉(zhuǎn)賬流程引入并不適用。因此本文引入兩階段提交協(xié)議，加入跨鏈?zhǔn)录?，將跨鏈交易分為兩個步驟：發(fā)起跨鏈?zhǔn)录?，并根?jù)跨鏈交易信息發(fā)起存證交易，保存存證信息；根據(jù)跨鏈交易信息，對跨鏈?zhǔn)录?zhí)行確認(rèn)或回滾操作，保存執(zhí)行結(jié)果信息。圖7為水產(chǎn)品跨鏈交易流程的示意圖，并以養(yǎng)殖企業(yè)與加工企業(yè)為例說明跨鏈交易的具體流程。

圖7 水產(chǎn)品跨鏈交易流程示意圖Fig.7 Schematic diagram of the cross-chain trading process of aquatic products

(1)發(fā)起跨鏈交易，生成跨鏈交易信息。養(yǎng)殖企業(yè)用戶發(fā)起跨鏈請求，與加工企業(yè)對某水產(chǎn)品進(jìn)行交易。此時養(yǎng)殖交易鏈作為發(fā)起鏈，而加工交易鏈就作為目的鏈。通過調(diào)用鏈中的跨鏈合約發(fā)起一筆跨鏈交易，然后生成跨鏈交易信息，此時鏈中的背書節(jié)點(diǎn)對當(dāng)前交易進(jìn)行模擬計算并按照共識機(jī)制完成背書，驗(yàn)證通過后，當(dāng)前交易便打包至區(qū)塊中。

(2)發(fā)起跨鏈?zhǔn)录?，發(fā)起鏈生成存證交易。在生成跨鏈交易信息后，跨鏈合約會在當(dāng)前跨鏈交易中開啟一次跨鏈?zhǔn)录?，跨鏈?zhǔn)录邪瑑晒P存證交易，分別由發(fā)起鏈與目的鏈生成。其中在生成跨鏈?zhǔn)录螅B(yǎng)殖交易鏈根據(jù)跨鏈交易信息內(nèi)容發(fā)起存證交易，并將存證信息保存至鏈上。

(3)跨鏈交易信息發(fā)送至跨鏈路由。系統(tǒng)合約首先調(diào)用跨鏈調(diào)用接口與區(qū)塊鏈鏈入接口中的調(diào)用接口相連，然后系統(tǒng)合約通過交易接口將跨鏈交易信息發(fā)送至養(yǎng)殖跨鏈路由。養(yǎng)殖跨鏈路由通過區(qū)塊鏈鏈入接口中的跨鏈交易接口接收跨鏈交易信息。

(4)生成CCIF信息。接收到的跨鏈交易信息都會被暫時存儲在交易列表模塊中等待順序執(zhí)行。對于要執(zhí)行的跨鏈交易，跨鏈路由首先從交易鏈中獲取當(dāng)前跨鏈交易的Merkle證明信息以及背書信息，然后通信模塊將這些信息統(tǒng)一打包成CCIF信息。

(5)發(fā)送CCIF信息。養(yǎng)殖跨鏈路由根據(jù)CCIF信息中的To字段，將CCIF信息發(fā)送至加工跨鏈路由。

(6)驗(yàn)證跨鏈交易存在性。加工跨鏈路由接收后，通信模塊將CCIF信息發(fā)送至驗(yàn)證模塊。驗(yàn)證模塊根據(jù)CCIF信息中的Proof字段對當(dāng)前跨鏈交易進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證通過，進(jìn)行下一步；驗(yàn)證不通過，跨鏈交易結(jié)束。

(7)解析CCIF信息并發(fā)送至目的鏈。驗(yàn)證模塊將驗(yàn)證通過的CCIF信息再發(fā)給通信模塊進(jìn)行解析，重新得到跨鏈交易信息，然后將跨鏈交易信息發(fā)送至加工交易鏈。

(8)目的鏈生成存證交易。加工交易鏈接收到跨鏈交易信息后，同樣根據(jù)跨鏈交易信息發(fā)起存證交易。至此跨鏈?zhǔn)录械膬晒P存證交易都已生成。

(9)執(zhí)行跨鏈交易。目的鏈對跨鏈交易的執(zhí)行，就是目的鏈對跨鏈?zhǔn)录?zhí)行確認(rèn)或回滾操作。在加工交易鏈對兩筆存證交易都確認(rèn)后，當(dāng)前跨鏈?zhǔn)录Y(jié)束，同時在鏈上保存確認(rèn)后的存證信息以及確認(rèn)后跨鏈交易信息；若加工交易鏈對跨鏈交易信息有疑問，可以選擇回滾當(dāng)前跨鏈?zhǔn)录?，存證交易中的存證信息會回滾至跨鏈?zhǔn)录?，則此時存證交易中沒有任何信息，然后結(jié)束跨鏈?zhǔn)录鴪?zhí)行跨鏈交易的失敗結(jié)果與回滾后的存證交易也都會記錄在鏈上。然后將包含跨鏈交易執(zhí)行結(jié)果的跨鏈交易信息返回。

(10)跨鏈交易信息返回至跨鏈路由，返回CCIF信息。加工跨鏈路由接收到跨鏈交易信息后，從交易鏈中獲取相應(yīng)的驗(yàn)證信息，再由通信模塊重新打包成CCIF信息發(fā)送至養(yǎng)殖跨鏈路由。

(11)驗(yàn)證跨鏈交易執(zhí)行性，并返回至發(fā)起鏈。養(yǎng)殖跨鏈路由接收返回的CCIF信息后，執(zhí)行步驟(6)、(7)，將解析后的跨鏈交易信息發(fā)送至養(yǎng)殖交易鏈。

(12)獲取回調(diào)結(jié)果。養(yǎng)殖交易鏈獲得返回的執(zhí)行結(jié)果，即加工交易鏈?zhǔn)欠裢猱?dāng)前跨鏈交易，交易完成。之后雙方都可以在各自鏈上查看存證交易和跨鏈交易獲取交易詳情。

4 智能合約設(shè)計

4.1 系統(tǒng)合約

系統(tǒng)合約(System smart contract)用于交易鏈與跨鏈路由的連接以及信息在交易鏈與跨鏈路由之間的傳輸。通過系統(tǒng)合約中的InterchainInvoke接口，完成交易鏈與跨鏈路由的連接，實(shí)現(xiàn)跨鏈資源的傳輸。系統(tǒng)合約被調(diào)用后，將傳入的參數(shù)做json格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，便于信息的傳輸，并對每一筆接收到的跨鏈交易信息進(jìn)行編號排序，然后將信息上鏈，返回跨鏈調(diào)用成功與否的結(jié)果，最后等待跨鏈交易的有序執(zhí)行。具體算法如下：

輸入：目的鏈編號ToID，目的鏈調(diào)用合約Contract，調(diào)用合約地址Addr，調(diào)用合約方法Method，參數(shù)args

輸出：跨鏈調(diào)用響應(yīng)結(jié)果

function InterchainInvoke (stub, args[])

if len(args) != 5

return傳入的參數(shù)數(shù)量有誤

Cert = Stub.GetCreator()

∥獲取發(fā)起跨鏈調(diào)用請求用戶的信息

if Exit = Stub.GetState(ToID)

∥查詢目的鏈編號是否存在

if Exit = Stub.GetState(Addr)

∥查詢目的鏈上合約地址是否存在

SeqNum ++ ∥對跨鏈交易依次排序

Message = json.Marshal (SeqNum+args[]+Cert)

∥將跨鏈信息做json格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

stub.PutState(Message)

return shim.Success

∥返回跨鏈調(diào)用的響應(yīng)結(jié)果

4.2 跨鏈合約

跨鏈合約(Interchain smart contract)發(fā)起鏈調(diào)用后，發(fā)起跨鏈交易，經(jīng)過目的鏈對跨鏈交易進(jìn)行確認(rèn)或拒絕，并將結(jié)果返回至發(fā)起鏈?？珂満霞s的算法為：發(fā)起鏈發(fā)起跨鏈交易，生成跨鏈交易信息，并以json文件格式將跨鏈交易信息保存至鏈上，然后返回當(dāng)前跨鏈交易的編號。具體算法如下：

輸入：發(fā)起鏈編號FromID，目的鏈編號ToID，跨鏈交易信息TxInfo

輸出：跨鏈交易編號TxID

function CrossChainTx (stub, args[])

if len(args) !=3

return傳入的參數(shù)數(shù)量有誤

return TxID

存證交易包含在跨鏈?zhǔn)录校淮慰珂準(zhǔn)录袝瑑晒P分別由發(fā)起鏈和目的鏈發(fā)起的存證交易。跨鏈?zhǔn)录挥性趦晒P存證交易都確認(rèn)或是回滾后，才會結(jié)束。而在交易確認(rèn)或回滾前，正處于跨鏈?zhǔn)录袝r，是無法發(fā)起新的交易對當(dāng)前交易進(jìn)行修改。跨鏈?zhǔn)录傻木唧w算法如下：

輸入：發(fā)起鏈編號FromID，目的鏈編號ToID，跨鏈交易編號TxID，跨鏈交易信息TxInfo

輸出：跨鏈?zhǔn)录幪朎ventID

function Event (stub, args[])

if len(args) != 4

return傳入的參數(shù)數(shù)量有誤

if Exit = Stub.GetState(TXID)

∥查詢鏈上是否已經(jīng)存在交易記錄

IsEventExec = false

∥鎖定跨鏈?zhǔn)录?，雙方鏈無法再次生成跨鏈?zhǔn)录?/p>

Stub.PutState (args[] + IsEventExec)

∥發(fā)起鏈根據(jù)信息生成存證交易上鏈

return EventID

跨鏈?zhǔn)录?zhí)行的具體算法如下：

輸入：發(fā)起鏈編號FromID，目的鏈編號ToID，跨鏈?zhǔn)录幪朎ventID

輸出：跨鏈?zhǔn)录?zhí)行結(jié)果

EventCommit/ EventRollback

function EventExec (stub, args[])

if len(args) != 3

return傳入的參數(shù)數(shù)量有誤

if Exit = Stub.GetState(EventID)

∥查詢鏈上是否已經(jīng)存在交易記錄

if IsEventExec

∥查詢跨鏈?zhǔn)录欠褚呀?jīng)執(zhí)行

return跨鏈?zhǔn)录?zhí)行結(jié)果

if commitEvent ( EventID ){

∥目的鏈確認(rèn)跨鏈?zhǔn)录?，接受交?/p>

return EventCommit = true,

IsEventExec = true

∥返回“接受”執(zhí)行結(jié)果

} else if rollbackEvent ( EventID ){

∥目的鏈回滾跨鏈?zhǔn)录芙^交易

return EventRollback = true,

IsEventExec = true

∥返回“拒絕”執(zhí)行結(jié)果

}

一筆跨鏈交易從發(fā)起到執(zhí)行最后返回結(jié)果后完成交易的過程：首先交易鏈上發(fā)起跨鏈請求，生成跨鏈交易；之后發(fā)起跨鏈?zhǔn)录⒏鶕?jù)跨鏈交易信息生成存證交易；然后調(diào)用系統(tǒng)合約中的InterchainInvoke接口，將跨鏈交易信息進(jìn)行傳輸；經(jīng)由跨鏈路由的轉(zhuǎn)發(fā)，目的鏈對跨鏈?zhǔn)录?zhí)行確認(rèn)或回滾操作，執(zhí)行結(jié)果返回至發(fā)起鏈，完成跨鏈交易。具體算法如下：

輸入：跨鏈交易編號TxID

輸出：跨鏈交易執(zhí)行結(jié)果TxExec

function InterChain (stub, args[])

CrossChainTx() ∥發(fā)起鏈發(fā)起跨鏈交易

if Exit = Stub.GetState( TXID )

∥查詢鏈上是否已經(jīng)存在交易記錄

Event() ∥發(fā)起鏈開啟跨鏈?zhǔn)录?/p>

Stub.InvokeChaincode(“System”)

∥調(diào)用系統(tǒng)合約中的跨鏈調(diào)用接口

EventExec() ∥目的鏈執(zhí)行跨鏈?zhǔn)录?/p>

If EventCommit {

return TxExec = true

∥返回“成功”的跨鏈交易結(jié)果

}If EventRollback {

return TxExec = false

∥返回“失敗”的跨鏈交易結(jié)果

}

4.3 查詢合約

查詢合約(Query smart contract)在水產(chǎn)品跨鏈交易模型中，一筆跨鏈交易結(jié)束后，企業(yè)用戶可在交易鏈上調(diào)用查詢合約，通過輸入交易編號或是跨鏈?zhǔn)录幪?，獲取對應(yīng)跨鏈交易或存證交易的詳細(xì)信息。查詢合約的具體算法如下：

輸入:交易編號TxID，跨鏈?zhǔn)录幪朎ventID

輸出:交易信息Info

function Query (stub, args[] )

if Exit = Stub.GetState( TxID/EventID )

∥查詢企業(yè)鏈上是否存在當(dāng)前交易記錄

return Info ∥返回交易詳細(xì)信息

5 系統(tǒng)功能測試

5.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于水產(chǎn)品跨鏈交易模型，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)品跨鏈交易的應(yīng)用，應(yīng)用架構(gòu)層與模型架構(gòu)層相對應(yīng)，同樣分為網(wǎng)絡(luò)層、智能合約層、數(shù)據(jù)層、交互層和業(yè)務(wù)層5層。實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用Ubuntu 16.04，Docker 20.10.7，Go 1.13，區(qū)塊鏈架構(gòu)使用Hyperledger Fabric 1.4.4。跨鏈路由依據(jù)Fabric平臺的SDK和JAVA語言進(jìn)行設(shè)計，智能合約層借助GO語言進(jìn)行鏈碼開發(fā)，并對業(yè)務(wù)層開發(fā)了前端界面。

圖8 Fabric區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)Fig.8 Fabric blockchain structure

圖9 跨鏈配置信息Fig.9 Cross-chain configuration information

圖10 水產(chǎn)品跨鏈交易后臺實(shí)現(xiàn)Fig.10 Aquatic products cross-chain trading back-end implementation

在實(shí)驗(yàn)中，對每條鏈做多通道處理后再接入模型中，實(shí)現(xiàn)跨鏈交易信息分離的同時，也避免了重新搭建新鏈作為交易鏈接入模型的成本。這樣既可以確保鏈上原有數(shù)據(jù)和交易信息的安全性，又可以提高查詢跨鏈交易的效率。如圖8所示，水產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的養(yǎng)殖、加工和銷售企業(yè)分別置于一條Fabric區(qū)塊鏈。在每條鏈中設(shè)置org1、org2和org3共3個組織以及跨鏈通道channel12和原數(shù)據(jù)通道channelall兩個通道，將跨鏈交易的鏈碼以及交易流程中產(chǎn)生的信息保存至channel12中。將org1和org2接入channel12，org3接入channelall。之后在跨鏈通道上布署跨鏈合約、系統(tǒng)合約和查詢合約，再將跨鏈通道接入跨鏈路由，如圖9所示，模型中接入的部分區(qū)塊鏈信息包括名稱、類型、跨鏈賬戶、區(qū)塊高度和公鑰信息以及對應(yīng)跨鏈路由的IP和端口信息。

用戶可以通過org1上的節(jié)點(diǎn)向目的鏈發(fā)起跨鏈交易。如圖10a所示，養(yǎng)殖企業(yè)A1在channel12中調(diào)用合約interchain_marine向加工企業(yè)B1發(fā)起交易，并傳入交易產(chǎn)品信息。交易發(fā)起后，在channel12中再次調(diào)用合約query_marine，輸入交易編號即可查詢當(dāng)前交易信息，如圖10b所示。

圖11是水產(chǎn)品跨鏈交易前端實(shí)現(xiàn)。如圖11a所示，加工企業(yè)B1可以查詢與自己企業(yè)相關(guān)的交易信息，并且對于作為目的方的交易，可以根據(jù)交易產(chǎn)品信息選擇接受或是拒絕這筆交易，以修改交易狀態(tài)；同樣可以根據(jù)交易編號查詢到當(dāng)前交易的區(qū)塊信息，如圖11b所示。

5.2 性能測試

本文從發(fā)起跨鏈交易與交易查詢兩方面進(jìn)行測試，采用Caliper性能測試工具，并從3個指標(biāo)——每秒交易吞吐量、平均交易成功率和平均交易延遲對系統(tǒng)進(jìn)行測試。每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采用測試10次的平均值。本文中將系統(tǒng)設(shè)置每10筆交易生成一個區(qū)塊，區(qū)塊生成間隔為2 s，同時采用CouchDB數(shù)據(jù)庫以提升數(shù)據(jù)查詢效率。

圖11 水產(chǎn)品跨鏈交易前端實(shí)現(xiàn)Fig.11 Front-end realization of cross-chain trading of aquatic products

圖12 跨鏈交易性能測試結(jié)果Fig.12 Cross-chain transaction performance test results

圖12為在交易總量分別為1 000、2 000、5 000筆的情況下，每秒向系統(tǒng)并發(fā)的交易量不同，記錄每輪測試的平均交易成功率和平均交易延遲，10輪過后可求得系統(tǒng)的平均交易成功率和平均交易延遲。如圖12所示，跨鏈交易的平均成功率都在99%左右，而交易的平均延遲在0.2 s左右。交易總量的增加會正向影響平均交易成功率，而增加交易的成功率，同時也增加了平均交易延遲；每秒交易并發(fā)量則是反向影響著平均交易成功率和平均交易延遲，二者都隨著每秒交易并發(fā)量的增加而減小。

圖13 交易查詢性能測試結(jié)果Fig.13 Transaction query performance test results

在交易查詢的測試中，隨著查詢交易數(shù)量的增長，查詢的平均交易延遲整體呈現(xiàn)下降趨勢，每秒交易吞吐量則是不斷增長(圖13)；同時數(shù)據(jù)總量的增加也使平均交易延遲增加；數(shù)據(jù)總量會反向影響每秒交易吞吐量，數(shù)據(jù)總量10 000條的每秒交易吞吐量會低于數(shù)據(jù)總量5 000條的每秒交易吞吐量；最后交易查詢的平均成功率是非常穩(wěn)定的100%。

6 結(jié)論

(1)主要探討基于區(qū)塊鏈跨鏈技術(shù)的水產(chǎn)品交易模型及應(yīng)用。通過引入中繼的跨鏈方式，并結(jié)合水產(chǎn)品供應(yīng)鏈上的交易流程，構(gòu)建了水產(chǎn)品跨鏈交易模型，并設(shè)計了企業(yè)在模型中的跨鏈交易流程；通過對各功能環(huán)節(jié)的智能合約的編寫，使企業(yè)能夠在鏈上實(shí)現(xiàn)跨鏈交易目的。

(2)模型中的跨鏈路由采用對業(yè)務(wù)需求和跨鏈功能的模塊化設(shè)計，能夠更加簡易地接入企業(yè)的區(qū)塊鏈，也為企業(yè)之間進(jìn)行跨鏈交易提供了技術(shù)支撐；跨鏈路由負(fù)責(zé)對跨鏈交易信息接收、轉(zhuǎn)發(fā)和驗(yàn)證，保證了跨鏈交易的可驗(yàn)證性和安全可信性。

(3)增加交易鏈接入模型，既保證了企業(yè)原有鏈上數(shù)據(jù)的隱私性，又提高了跨鏈交易執(zhí)行和查詢的效率；交易信息中一部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于企業(yè)原有區(qū)塊鏈，同時跨鏈交易中每個階段的信息也保存在鏈上，在保證數(shù)據(jù)安全、不可篡改的同時，也做到了交易信息的可信可溯。

(4)在Hyperledger Fabric平臺實(shí)現(xiàn)對水產(chǎn)品跨鏈交易模型的應(yīng)用，系統(tǒng)性能測試的結(jié)果表明水產(chǎn)品跨鏈交易模型的可靠性與適用性，保證水產(chǎn)品在鏈間交易安全可信的同時，也保證了跨鏈交易的效率與成功率。