基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計

袁夢思　賈子彥

摘要：為了解決工業(yè)數(shù)字化、自動化進程中的生產(chǎn)信息安全問題，保障生產(chǎn)質(zhì)量，提高系統(tǒng)自動化運轉(zhuǎn)的能力，提出了區(qū)塊鏈與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度融合的概念。通過區(qū)塊鏈的去中心化、可信協(xié)作、不可篡改等固有優(yōu)勢，利用Hyperledger Fabric平臺搭建一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，采用Raft算法以及智能合約實現(xiàn)節(jié)點共識以及流程設定，打造一個可信的第三方交流平臺，讓企業(yè)聯(lián)盟之間實現(xiàn)信息互通互聯(lián)。

關鍵詞：區(qū)塊鏈;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);智能合約;鏈碼

中圖分類號：TP311.1? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）09-0083-03

1 引言

隨著全球范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的蓬勃興起，以人工智能、大數(shù)據(jù)技術和物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術為標志的新產(chǎn)業(yè)革命正在改變傳統(tǒng)制造業(yè)的運營模式和知識技術創(chuàng)新方式[1-3]。作為新一代信息技術與制造業(yè)深度融合的平臺，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為未來制造業(yè)發(fā)展的新引擎。

所謂工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，就是通過開放的網(wǎng)絡平臺，將原料供應商、生產(chǎn)線、倉庫、產(chǎn)品和客戶緊密地聯(lián)系起來，共享工業(yè)生產(chǎn)流程中的部分信息資源，以減少人力資源的應用，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。然而，現(xiàn)階段在同一條制造產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)并不能實現(xiàn)互聯(lián)互通，產(chǎn)業(yè)鏈上下游數(shù)據(jù)不能共享。區(qū)塊鏈擁有可追溯和不可篡改等特點，具有可信協(xié)作以及隱私保護等技術優(yōu)勢，能夠較好地實現(xiàn)上下游廠商之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，有效的保證工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全。因此，本文設計了一個基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過Hyperledger Fabric平臺進行系統(tǒng)搭建、共識算法設計以及智能合約的制定，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)據(jù)共享，解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)引發(fā)系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全、隱私泄露、架構(gòu)僵化、資源調(diào)度等多方面的問題[4]。

2 區(qū)塊鏈技術簡介

區(qū)塊鏈是一種數(shù)據(jù)以區(qū)塊為單位產(chǎn)生和存儲，并按照時間順序首尾相連形成鏈式結(jié)構(gòu)，具有不可篡改、匿名性、去中心化、可追溯和無需信任基礎等特點[5-7]。其自帶的哈希算法和非對稱加密算法[8]也有效地保證了工業(yè)數(shù)據(jù)的真實性和安全性。各節(jié)點之間通過共識算法保證賬本的一致性，通過智能合約執(zhí)行計算機協(xié)議，實現(xiàn)流水化操作。

按照開放程度，區(qū)塊鏈可以劃分公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。其中，公有鏈的開放程度最高，任何人都可以加入公有鏈參與節(jié)點共識，成為公證人、參與者、使用者[9-10]。私有鏈不對外開放，僅供企業(yè)內(nèi)部的人員使用，加入私有鏈的節(jié)點需要進行注冊和身份認證[11]。只有特定的聯(lián)盟成員才能加入聯(lián)盟鏈，共享利益和資源[12-13]。本文是為了上中下游產(chǎn)業(yè)鏈之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)流通，屬于企業(yè)間的資源共享，故采用聯(lián)盟鏈來進行系統(tǒng)設計。

3 系統(tǒng)框架設計

3.1 框架設計

本系統(tǒng)主要涉及原材料供應商、生產(chǎn)廠家以及零售商三個方面的用戶。每個參與方在區(qū)塊鏈中都以一個組織的形式存在，可以根據(jù)實際情況設置若干節(jié)點，每個組織至少設置一個節(jié)點。同時，本系統(tǒng)引入了政府監(jiān)測組織，可以實現(xiàn)高危（重點）行業(yè)的生產(chǎn)信息監(jiān)測，比如對化工行業(yè)的原材料把控等。

如圖1所示，本文所涉及的組織之間通過不同的通道進行信息傳達與交流。政府監(jiān)測組織始終參與區(qū)塊鏈的共識，活躍于每一條通道中。原材料供應商將商品種類、生產(chǎn)日期以及庫存儲備數(shù)量等信息上傳到區(qū)塊鏈中，政府監(jiān)測組織與生產(chǎn)廠家可以在通道1中查詢相關信息，生產(chǎn)廠家根據(jù)其需要的材料種類以及數(shù)量等進行產(chǎn)品選購。在采購協(xié)議達成一致之后，商家?guī)齑鎯淞恳约吧a(chǎn)廠家的原料儲備量都會發(fā)生相應的改變，交易信息上傳至區(qū)塊鏈。與此類似，生產(chǎn)廠家將成品的相關信息上傳到區(qū)塊鏈中，政府監(jiān)測組織與零售商在通道2中查詢有關信息，零售商也能夠根據(jù)生產(chǎn)廠家成品的類型以及數(shù)量進行產(chǎn)品選購，交易信息上傳至區(qū)塊鏈。通道3是政府監(jiān)測組織與零售商的一個單獨交流通道，可以查詢零售商商品信息的實時變化。

3.2 軟件架構(gòu)

根據(jù)上文所述系統(tǒng)框架，軟件架構(gòu)可以分為基礎層、數(shù)據(jù)層和應用層三個部分，如圖2所示。

基礎層是Hyperledger Fabric的框架，主要是由一些底層代碼組成，編寫了區(qū)塊鏈的基本機構(gòu);數(shù)據(jù)層主要包括了分布式賬本數(shù)據(jù)的存儲，節(jié)點權(quán)限的管理以及共識算法和智能合約的部署;應用層則是對鏈碼功能的調(diào)用，包括賬本初始化、賬本讀取、賬本更新、交易信息錄入等。各方參與者通過不同的API接口接入?yún)^(qū)塊鏈，向應用層發(fā)起請求，應用層將請求轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)層，查詢節(jié)點權(quán)限，根據(jù)智能合約設定的流程讀取并更新賬本，完成區(qū)塊鏈的交互工作。

4 基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設計

本文采用Hyperledger Fabric平臺來實現(xiàn)系統(tǒng)搭建，以STM32單片機系統(tǒng)的生產(chǎn)為例進行工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設計。

4.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計

以STM32單片機系統(tǒng)的生產(chǎn)為例，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行設計。由于STM32屬于普通商品，不需要政府部門進行監(jiān)測，因此在該例證中不引入政府監(jiān)測組織。區(qū)塊鏈的參與方分別為原材料供應商（Org1）、單片機系統(tǒng)生產(chǎn)商（Org2）以及產(chǎn)品零售商（Org3）。每一個組織下設3個節(jié)點來模擬賬本的錄入、更新以及查詢等。

在本系統(tǒng)中，Org1、Org2、Org3之間通過2個不同的通道進行信息交互。通道1中部署鏈碼chaincode1，主要負責Org1、Org2之間的信息交互;通道2中部署鏈碼chaincode2，負責Org2、Org3之間的業(yè)務交流。

通道1中的信息涉及原材料采購的問題。STM32單片機的生產(chǎn)主要涉及30種原材料，包括6款普通電阻、1款線繞電阻、2款鉭電容、3款陶瓷電容、3款二極管、2款LED燈、1款電感、2款晶振、1款電池、1款液晶屏以及8款芯片。因此，在通道1中部署的鏈碼chaincode1需要將以上30個參數(shù)融入賬本設計中。具體而言，chaincode1需要實現(xiàn)以下幾種功能：

1）initAsset（）：該功能是對區(qū)塊鏈賬本的一個初始化，原材料供應商錄入不同倉庫存放的材料數(shù)量，同時自動生成對應的時間戳。

2）readAsset（）：該功能是對賬本信息的一個讀取，通過唯一標識的參數(shù)（本系統(tǒng)中為倉庫地點）對應到具體的賬本信息。readAsset（）函數(shù)執(zhí)行過程中沒有數(shù)值輸出，一般都與updateAsset（）、transferAsset（）等函數(shù)聯(lián)合調(diào)用，不單獨使用。

3）updateAsset（）：該功能是對賬本的一個更新，原材料供應商將一段時間內(nèi)原材料生產(chǎn)的數(shù)量錄入到賬本中，生成對應的時間戳。

4）transferAsset（）：該功能是對商品交易的賬本記錄，根據(jù)客戶需求，調(diào)撥相應的產(chǎn)品，如果產(chǎn)品數(shù)量不足，則會產(chǎn)生報警，交易無效;交易成功則將交易后的產(chǎn)品余量以及交易對象一同錄入到區(qū)塊鏈中，并生成對應的時間戳。

5）queryAssets（）：該功能是對賬本信息的查詢，針對輸入的參數(shù)，輸出給定對應的查詢結(jié)果。如輸入?yún)?shù)為Address1，則返回Address1對應的賬本信息。

鏈碼chaincode2與chaincode1類似，與之不同的是存儲的賬本信息分別為STM32單片機系統(tǒng)的生產(chǎn)信息以及零售信息。此外，chaincode2還對transferAsset（）函數(shù)做了一些改變，將transferAsset（）分為了購入transferinAsset（）和售出transferoutAsset（）兩個部分：

1）transferinAsset（）：該功能是產(chǎn)品購入時的交易記錄，在庫存少于一定數(shù)量時，系統(tǒng)則發(fā)送通知提醒材料購入。購入成功后，產(chǎn)品數(shù)量會發(fā)生相應的改變，同時記錄購入的廠家名稱，并生成對應的時間戳。

2）transferoutAsset（）：該功能是產(chǎn)品售出時的交易記錄，在產(chǎn)品庫存少于一定數(shù)量時，系統(tǒng)則會發(fā)送信息提醒補入;當客戶購入數(shù)量超過庫存數(shù)量時，則交易不成功，產(chǎn)生報警;若是交易成功，則產(chǎn)品數(shù)量自動改變，連同客戶名稱一起記錄到區(qū)塊鏈中，生成對應的時間戳。

4.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的測試

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺搭建成功之后，在通道1、2中分別部署chaincode1、chaincode2，并對其功能進行測試。運行腳本文件，并創(chuàng)建名稱為channel1、channel2的兩個通道，將3個組織（Org1、Org2、Org3）分別加入不同的通道中，啟用couchdb數(shù)據(jù)庫來存儲賬本信息。鏈碼1是針對Org1（原料生產(chǎn)商）和Org2（生產(chǎn)公司）編寫的智能合約。在通道1中部署鏈碼1，并將鏈碼安裝到Org1的管理者節(jié)點上，讓其他節(jié)點同意該鏈碼的定義，方便共識工作展開。鏈碼安裝完成之后，對鏈碼進行初始化，以通道中某節(jié)點的身份去啟動鏈碼，調(diào)用鏈碼中的相關函數(shù)，完成交易以及賬本信息的查詢。

圖3是對賬本信息的初始化，以杭州為例，上傳倉庫地址及其存儲的各類原材料數(shù)量;圖4是對倉庫中材料數(shù)量更新的查詢，結(jié)果無誤;圖5是對原材料的交易，對比交易前后的原材料數(shù)量變化可知，交易成功。

鏈碼2是針對Org2（產(chǎn)品生產(chǎn)商）、Org3（產(chǎn)品零售商）編寫的智能合約，部署在通道2中，安裝在Org2的管理者節(jié)點上。在其他節(jié)點上認證鏈碼2的定義并提交鏈碼定義至通道，完成初始化，為區(qū)塊鏈賬本的正常運行提供前期保障。

在鏈碼2初始化完成之后，以Org2管理者節(jié)點的身份進行賬本信息初始化、交易信息記錄以及鏈碼信息查詢。

如圖6所示，對賬本信息進行初始化，錄入生產(chǎn)者倉庫地點、剩余原材料數(shù)量以及產(chǎn)品庫存數(shù)量;圖7是對原材料購買信息的錄入和驗證，包括材料購入數(shù)量和購入品牌名稱等信息，查詢可知，賬本信息無誤;圖8和圖9分別對應的是產(chǎn)品的售出與生產(chǎn)信息，對比產(chǎn)品前后庫存可知查詢結(jié)果正確無誤，系統(tǒng)工作正常。

本文經(jīng)過多次重復測試，系統(tǒng)均未發(fā)生錯誤，始終保持正常工作，具備高效性和可行性。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)針對目前工業(yè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟之間的信任機制問題，提出了一種基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，利用Hyperledger Fabric平臺進行了系統(tǒng)開發(fā)設計，完成了系統(tǒng)的實際搭建，并對系統(tǒng)性能進行了模擬測試。根據(jù)測試所得結(jié)果，本系統(tǒng)能夠滿足工業(yè)聯(lián)盟之間信息互聯(lián)互通的問題，有效解決企業(yè)之間信息孤島的問題，保證了數(shù)據(jù)的安全性、有效性和不可篡改性。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】