基于區(qū)塊鏈技術的生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險管控研究

萬玉龍 章艷華 顧峰 馮煒雯

摘要：本文提出基于消息隊列的中間件來完成對合約的高并發(fā)調(diào)用，提升生鮮產(chǎn)品冷鏈物流數(shù)據(jù)上鏈的速度，采用區(qū)塊鏈密鑰交換與對稱加密的方法，使生鮮產(chǎn)品冷鏈物流訂單的數(shù)據(jù)在傳輸時被加密，降低生鮮產(chǎn)品冷鏈物流訂單傳輸?shù)蕊L險。結果表明：與過去中心化的生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險管控體系對比，利用區(qū)塊鏈的分布式、不可篡改、可追溯等特性，提高了各個生鮮產(chǎn)品冷鏈物流企業(yè)之間的信任度，規(guī)避了核心企業(yè)對生鮮產(chǎn)品冷鏈物流數(shù)據(jù)的主觀更新或惡意篡改。

關鍵詞：區(qū)塊鏈；生鮮產(chǎn)品；冷鏈物流；風險管控

引言

區(qū)塊鏈技術通常被認為是一種分布式的記賬技術（distributed ledger technology， DLT），主要通過存證來溯源鏈上數(shù)據(jù)，這些交易數(shù)據(jù)可以在區(qū)塊鏈參與節(jié)點之間執(zhí)行和共享[1]。區(qū)塊鏈技術有很多特性，其中最典型的當數(shù)具備DLT技術特性。區(qū)塊鏈的四個關鍵特征：非本地化（去中心化）、安全性、可審計性和智能執(zhí)行[2]。2021年11月，國務院辦公廳印發(fā)的《“十四五”冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》[3]中指出，常溫物流鏈相比冷鏈物流的損失率高出約40%，僅果蔬類生鮮產(chǎn)品，我國每年的損失金額就高達1000億元以上。由于冷鏈物流涉及的生鮮產(chǎn)品具有易腐爛變質(zhì)、易受污染、不易保存等特點，生鮮產(chǎn)品在冷鏈物流運輸?shù)茸鳂I(yè)過程中損失嚴重，導致生鮮產(chǎn)品零售價格居高不下，生產(chǎn)者和消費者處于“雙輸”局面。如何科學、規(guī)范地管控生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險，已成為國家極度關切的重大難題。

1. 網(wǎng)絡模型的實現(xiàn)

在超級賬本中，參與的組織包括生鮮產(chǎn)品冷鏈物流運輸方、發(fā)貨方和收貨方，這三方被劃分為超級賬本的三種組織類型，組織是在超級賬本中的最大單元，三者之間的地位是平等的，從而可構建成組織間的聯(lián)盟成員關系。區(qū)塊鏈的共識機制有多種，利用RAFT的共識機制，可以保證數(shù)據(jù)的高吞吐量，比如本系統(tǒng)的排序中心使用的是Kafka排序。組織中的證書服務器可以產(chǎn)生組織的證書、組織中的所有節(jié)點、所有使用者的證書。用戶通過認證才可調(diào)用SDK相應接口來處理區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。一個組織中可以有多個共識節(jié)點，每一個共識節(jié)點都會部署相應的鏈碼，負責數(shù)據(jù)背書、數(shù)據(jù)備份和通信等[4]。另外，為了使生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險管控系統(tǒng)具有更多的查詢能力，本文還對每一個共識節(jié)點進行了KV數(shù)據(jù)庫的配置。

2. 數(shù)據(jù)上鏈系統(tǒng)的實現(xiàn)

該方案的數(shù)據(jù)主要包括訂單和環(huán)境兩大類。其中，生鮮產(chǎn)品冷鏈物流訂單信息，如收發(fā)人地址、聯(lián)系方式、商品信息等為訂單數(shù)據(jù)，因為含有大量的公民信息，為了避免信息的泄漏，必須通過加密的傳輸單元將訂單信息發(fā)送到區(qū)塊鏈服務器端。而生鮮產(chǎn)品冷鏈物流中采集到的溫度、濕度、空氣等數(shù)據(jù)為環(huán)境數(shù)據(jù)，因為是實時數(shù)據(jù)的抓取，一般我們會采用限流或削峰等多種負載均衡策略保證上鏈數(shù)據(jù)的流量均衡和系統(tǒng)穩(wěn)定。在冷鏈物流運輸過程數(shù)據(jù)上鏈的業(yè)務中，所采用的加密傳送模塊是結合對稱加密算法（AES對稱加密算法），通過密鑰交換協(xié)議實現(xiàn)對稱加密業(yè)務物流信息的能力，保證了物流數(shù)據(jù)的密文上鏈和存儲傳輸，保障了用戶業(yè)務數(shù)據(jù)的隱私[5]。

生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險管控環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、處理、緩存、上鏈等過程，由環(huán)境數(shù)據(jù)上鏈系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)模塊和消息隊列模塊實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)設備含有多種傳感設備，這些設備采集到的數(shù)據(jù)一般會緩存在緩存數(shù)據(jù)庫中，常用的緩存數(shù)據(jù)庫是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫Redis，Redis數(shù)據(jù)庫是一種具有很高讀取和寫入速度的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，可以很好地滿足系統(tǒng)需求，實現(xiàn)生鮮產(chǎn)品冷鏈物流數(shù)據(jù)抓取和上鏈業(yè)務的解耦，解決因同步等待造成延遲導致生鮮產(chǎn)品冷鏈物流數(shù)據(jù)采集丟幀或遺漏上鏈的問題，具有生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險管控數(shù)據(jù)緩存和備份的作用[6]。

步驟1：每秒采集60次生鮮產(chǎn)品的溫度、濕度和大氣壓強數(shù)據(jù)，這些是由IOT傳感器設備采集，進行分組，記為 sourceAcq，將分組數(shù)據(jù)取平均值 avaData，并將平均值進行上鏈存證，這樣傳感器擾動的數(shù)據(jù)的誤差就會消減。

步驟2：在緩存數(shù)據(jù)庫中對上述數(shù)據(jù)進行預處理，記為preData。

步驟3：讀取緩存數(shù)據(jù)庫中的預處理數(shù)據(jù)preData，并向區(qū)塊鏈服務器端的交易池中遞交預處理數(shù)據(jù)。

步驟4：從預處理隊列中獲取數(shù)據(jù)，提交至鏈上代碼執(zhí)行模塊，做數(shù)據(jù)上鏈執(zhí)行操作。

步驟5：數(shù)據(jù)通過鏈上代碼執(zhí)行模塊鏈上代碼進行計算，并將結果寫入?yún)^(qū)塊鏈賬本中。

3. 智能合約的實現(xiàn)

鏈上代碼也就是超級賬本中的智能合約，是一個在獨立的執(zhí)行環(huán)境中獨立運行的應用，一般是運行在Docker容器中，可以基于DnD進行遠程通信部署，也可以通過TCP方式進行網(wǎng)絡連接部署。生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險環(huán)境數(shù)據(jù)和冷鏈物流訂單數(shù)據(jù)的上鏈合約，涉及的方法包括物流數(shù)據(jù)發(fā)布、物流確認、物流簽收、歷史數(shù)據(jù)查詢、狀態(tài)數(shù)據(jù)查詢，具備其他區(qū)塊高度、交易Hash、key值版本數(shù)據(jù)等檢索功能。

如表1所示，超級賬本不需要對鏈上代碼的操作進行設置或管控，可以在超級賬本網(wǎng)絡中，利用通道隔離用戶合約，實現(xiàn)同一通道內(nèi)鏈上代碼的互訪操作。為了確保只有對應的物聯(lián)網(wǎng)設備才能調(diào)用環(huán)境數(shù)據(jù)上鏈方法，只有組織內(nèi)某一方用戶才可調(diào)用訂單數(shù)據(jù)的上鏈方法，所設計方案使用基于身份驗證的方式來實現(xiàn)。一方面將取得使用方的CA證書，并通過鏈上查詢的合約接口進行合約調(diào)用，比如執(zhí)行生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險環(huán)境數(shù)據(jù)上鏈接口，那么同步冷鏈物流數(shù)據(jù)上鏈的步驟的執(zhí)行單元就是物聯(lián)網(wǎng)設備，然后確認其MACID與證書中的MACID簽名是否相符，若所有的簽名都驗簽和通過，則返回成功。若執(zhí)行發(fā)布物流數(shù)據(jù)方法，則判定發(fā)貨商是否為其合法使用者；若調(diào)用確認訂單方法，則判定生鮮產(chǎn)品冷鏈物流企業(yè)是否為其調(diào)用者；若調(diào)用簽收訂單方法，則判定收貨商是否為其調(diào)用者。以上情況若判定為是，則返回成功；若不符合以上任意情況，則返回失敗。

生鮮產(chǎn)品冷鏈物流所運貨物的種類和運輸所需的溫、濕度、氣壓范圍等數(shù)據(jù)，都需要及時準確地進行采集和上鏈記錄。在數(shù)據(jù)存儲時，可以采用leveldb、CouchDB為狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，以訂單作為索引key，其余各字段經(jīng)過base64序列化后作為值進行傳遞。建立一個物流訂單后，由于它會發(fā)生各種狀態(tài)的改變，因此需要狀態(tài)識別，用state字段來表示，如表2所示。首先，logisticsConfirD和LogisticsSign字段被發(fā)貨方賦值，LogisticsState字段標為NewStub，其他字段依照物流實際情況填寫，然后執(zhí)行上鏈存證發(fā)布訂單交易合約方法，向區(qū)塊鏈系統(tǒng)發(fā)布生鮮產(chǎn)品冷鏈物流訂單信息，此時，生鮮產(chǎn)品冷鏈物流訂單進入新NewStub狀態(tài)。

然后發(fā)貨方請求被接收后，生鮮產(chǎn)品冷鏈物流公司會調(diào)用查詢訂單狀態(tài)方法查看訂單信息，若確認接受此訂單，則logisticsConfirm字段信息將通過調(diào)用確認訂單方法填寫，并將stub字段標為conSign，在生鮮產(chǎn)品冷鏈進行物流運輸過程結束后，訂單處于等待簽收狀態(tài)conSign。其中，要進行同意簽收訂單或拒絕簽收訂單的流程。在收貨方驗證完冷鏈物流貨物后，可以通過鏈碼接口對簽收合約進行調(diào)用，簽收合約包括正常簽收和拒簽操作。若簽收，則填寫conSign字段信息，并將stub字段標記為conSigned；如果拒絕簽收此筆交易，則可以把 stub字段標記為conReject。在設備上執(zhí)行環(huán)境數(shù)據(jù)校驗后，對數(shù)據(jù)進行上鏈操作，生鮮產(chǎn)品冷鏈物流公司、發(fā)貨方、收貨方在上鏈后都可以通過各自的節(jié)點，利用自己的用戶證書進行鏈上數(shù)據(jù)查詢，并在此基礎上調(diào)用歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的歷史查詢。

4. 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試是系統(tǒng)開發(fā)過程中不可缺少的環(huán)節(jié)，通過對生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險管控系統(tǒng)進行功能測試和性能測試，可以更好地了解該系統(tǒng)的功能和性能，并分析系統(tǒng)實際運行過程中可能會發(fā)生的故障或異常。生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險管控系統(tǒng)測試還可以找出在開發(fā)過程中遺漏或待提升的功能或性能指標點，從而提高軟件質(zhì)量。本研究重點測試了以區(qū)塊鏈技術為基礎的生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險管控系統(tǒng)，并給出了該系統(tǒng)的測試環(huán)境、功能測試結構及性能測試結果。

本次生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險管控系統(tǒng)測試環(huán)境是通過4臺物理服務器構建了一套聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡，同時還配有樹莓派管控板和物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境傳感器（溫度、濕度、大氣壓壓強）。4個區(qū)塊鏈節(jié)點代表的組織分別為：三臺機器分別代表冷鏈物流貨物供應商、冷鏈物流貨物物流企業(yè)、冷鏈物流貨物收貨方，最后1臺服務器用于構建基于排序服務。性能測試關注點是交易吞吐率（TPS）的變動，并發(fā)數(shù)的大小影響著TPS，其中x、y分別為單次并發(fā)數(shù)、每秒的交易數(shù)，測出的TPS最大為340。當單次并發(fā)數(shù)為700時，多次測試得到系統(tǒng)的TPS平均值為324。

在測試讀TPS時，觀察到單次并發(fā)數(shù)會對查詢TPC產(chǎn)生影響。圖1和圖2為吞吐率測試圖，其中，x、y軸分別為并發(fā)數(shù)、交易數(shù)，所測最大每秒讀交易數(shù)為4115。當單次并發(fā)數(shù)為600時，多次測試得到系統(tǒng)的每秒交易數(shù)平均約為4000。其中圖1為上鏈交易的吞吐率最高為65，圖2為查詢操作的吞吐率最高為195。在基于同等條件下的超級賬本底鏈網(wǎng)絡中，我們設計的系統(tǒng)性能得到了有效提升。

結語

經(jīng)過測試，基于區(qū)塊鏈技術的生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險管控系統(tǒng)已通過功能、性能測試，達到了預定的設計目標，證明了該系統(tǒng)的有效性和可用性。該方案的優(yōu)點在于：與過去中心化的生鮮產(chǎn)品冷鏈物流風險管控體系對比，通過利用區(qū)塊鏈的分布式、不可篡改、可追溯等特性，提高了各個生鮮產(chǎn)品冷鏈物流等企業(yè)之間的信任度，規(guī)避了核心企業(yè)對生鮮產(chǎn)品冷鏈物流數(shù)據(jù)的主觀更新或惡意篡改。

參考文獻：

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[6]李海洲，周小剛，唐衍軍.區(qū)塊鏈技術賦能果品供應鏈質(zhì)量安全管理研究[J].中國果樹， 2021，（5）：79-82.

作者簡介：萬玉龍，博士，副教授，研究方向：智慧物流、鄉(xiāng)村振興。

基金項目：2022年江蘇高?！扒嗨{工程”優(yōu)秀教學團隊項目；2023年江蘇省社科應用研究精品工程課題——江蘇加快發(fā)展現(xiàn)代鄉(xiāng)村服務業(yè)對策研究；2023年淮安市社科研究課題成果（編號：2023SK112）；江蘇電子信息職業(yè)學院2021年自然科學基金項目（編號：JSEIY2021004）；蘇電英才工程科技創(chuàng)新團隊培育對象（團隊帶頭人）及博士工作室項目。