基于區(qū)塊鏈的港口物流交易數(shù)據(jù)共享模型

孫一萌，范洪博，彭慢煜，莊金玉

（昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650000）

隨著我國對“一帶一路”高質(zhì)量發(fā)展的不斷深化，航運(yùn)作為推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和全球一體化的關(guān)鍵要素，其連接國際的重要橋梁作用越發(fā)顯著，中國在全球航運(yùn)業(yè)的地位也舉足輕重。我國航運(yùn)業(yè)成績顯著，港口規(guī)模穩(wěn)居世界第一，在2020 年我國有8 個(gè)港口位列全球港口貨物吞吐量前十，另有7 個(gè)港口位列全球集裝箱吞吐量前十[1]。國際航運(yùn)作為歷史悠久的傳統(tǒng)行業(yè)，也在科技浪潮中進(jìn)行著變革，由各種技術(shù)驅(qū)動(dòng)的“智慧航運(yùn)”時(shí)代正在影響傳統(tǒng)的商業(yè)模式。雖然數(shù)字化建設(shè)在國際航運(yùn)領(lǐng)域已經(jīng)初見成效，但由于國際航運(yùn)業(yè)相對保守和傳統(tǒng)、航運(yùn)活動(dòng)涉及多個(gè)利益相關(guān)者、航運(yùn)活動(dòng)國際性較強(qiáng)，航運(yùn)業(yè)仍依賴基于紙質(zhì)文件的貿(mào)易和人工文件處理方式，若無法使數(shù)據(jù)在各利益方之間及時(shí)共享，則勢必會(huì)影響效率、造成信息質(zhì)量低下等諸多問題。

區(qū)塊鏈技術(shù)在航運(yùn)業(yè)中已經(jīng)有了一些初步落地應(yīng)用，其中，智能電子提單、資源和數(shù)據(jù)共享和貨物追蹤溯源是區(qū)塊鏈在航運(yùn)業(yè)務(wù)中的典型應(yīng)用。區(qū)塊鏈具有去中心化、公開透明、永久存儲(chǔ)且不可篡改和可溯源性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)非常適合解決航運(yùn)業(yè)數(shù)字化道路中正面臨的各種問題[2]。2021 年6 月，《關(guān)于加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出要加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，積極推進(jìn)區(qū)塊鏈和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，涉及供應(yīng)鏈管理和航運(yùn)物流等多個(gè)領(lǐng)域。本文結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，針對航運(yùn)業(yè)的應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)了各港口間物流交易數(shù)據(jù)的共享模型。利用變色龍哈希函數(shù)，在某些特定情況下，數(shù)據(jù)所有者可以對上傳的敏感信息或亟需修改的交易數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。既滿足了航運(yùn)業(yè)中信息的共享，也滿足在信息監(jiān)管、隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)更新等方面存在的編輯需求。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)在應(yīng)用中被視作一個(gè)分布式的共享賬本和數(shù)據(jù)庫，具有去中心化、公開透明[3]、不可篡改、可以追溯、集體維護(hù)等特點(diǎn)。區(qū)塊鏈涉及包括密碼學(xué)、P2P（peer-to-peer）網(wǎng)絡(luò)、共識(shí)機(jī)制等相關(guān)技術(shù)，其中密碼學(xué)技術(shù)賦予了區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)信息極高的穩(wěn)定性和安全性，P2P 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)幫助實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和通信，共識(shí)機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的一致性[4]。

1.2 變色龍哈希

傳統(tǒng)的哈希函數(shù)可以將任意長度的消息壓縮到某一固定長度的消息摘要，該函數(shù)具有強(qiáng)抗碰撞性；而Krawczyk 等人提出的變色龍哈希算法[5]可以人為設(shè)下陷門，只要掌握該陷門即可輕松找到碰撞。這種算法允許區(qū)塊鏈修改交易內(nèi)容但不改變其哈希值。變色龍哈希函數(shù)由5 個(gè)子函數(shù)組成：

初始化函數(shù)：輸入安全參數(shù)λ，輸出公共參數(shù)pp。

密鑰生成函數(shù)：輸入公共參數(shù)pp，輸出公鑰h、私鑰s，其中私鑰s 也稱為陷門信息。

哈希計(jì)算函數(shù)：輸入公鑰h、明文m、可變參數(shù)r，輸出變色龍哈希值CH，CH=Hash(h,m,r)。

可變參數(shù)鍛造函數(shù)：輸入私鑰s、原明文m、原可變參數(shù)r、新明文m’，輸出與m’匹配的新可變參數(shù)r’。

哈希驗(yàn)證函數(shù)：輸入公鑰h、明文m、可變參數(shù)r、變色龍哈希值CH，驗(yàn)證CH 與m，r 是否匹配，如果匹配輸出1，否則輸出0。

變色龍哈希的特點(diǎn)如下：

（1）掌握公鑰的人可以計(jì)算出原始數(shù)據(jù)的變色龍哈希值；

（2）當(dāng)一個(gè)人掌握陷門私鑰時(shí)，就可以找到使其哈希值與原始數(shù)據(jù)對應(yīng)的哈希值相同的碰撞；

（3）對于沒有陷門私鑰的人來說，變色龍哈希函數(shù)仍然具有抗碰撞性，即無法找到一個(gè)碰撞與原始數(shù)據(jù)對應(yīng)的哈希值相同。

2 港口物流數(shù)據(jù)共享模型

2.1 可編輯區(qū)塊鏈在物流數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用

作為歷史悠久的傳統(tǒng)行業(yè)，航運(yùn)業(yè)涉及復(fù)雜的利益主體，其運(yùn)輸效率可通過增進(jìn)各方信任、實(shí)現(xiàn)物流溯源、優(yōu)化各項(xiàng)流程及增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)等方面來提升。區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以用來改善不同航運(yùn)企業(yè)之間由于系統(tǒng)不互通而產(chǎn)生的信息孤島問題。區(qū)塊鏈去中心化、數(shù)據(jù)公開的特點(diǎn)也可以用于解決傳統(tǒng)航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中心化程度高導(dǎo)致的數(shù)據(jù)交換和共享程度低、成本高等問題，比如貨物追蹤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)失真和信息篡改嚴(yán)重。

隨著區(qū)塊鏈應(yīng)用場景和用戶需求的變化，可能會(huì)出現(xiàn)需要對區(qū)塊數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯管理的情況。譬如在港口運(yùn)營的場景中，若貨運(yùn)商、船東、中介各自對應(yīng)的數(shù)據(jù)資源發(fā)生了變化，可能會(huì)產(chǎn)生編輯或更新數(shù)據(jù)的需求。而“可編輯”并不會(huì)挑戰(zhàn)區(qū)塊鏈本身的安全性，它是對“不可篡改”造成的應(yīng)用局限性的補(bǔ)充。編輯操作必須合法才能被完成，否則修改后的區(qū)塊數(shù)據(jù)無法通過全網(wǎng)驗(yàn)證?？删庉媴^(qū)塊鏈仍具有去中心化、不可篡改的特點(diǎn)，同時(shí)亦可合法修改、合法刪除。

2.2 系統(tǒng)分層架構(gòu)

系統(tǒng)建立在P2P網(wǎng)絡(luò)上，連接各個(gè)港口物流服務(wù)商。模型架構(gòu)自底向上分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、合約層和應(yīng)用層，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)分層架構(gòu)

其中數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)存儲(chǔ)物流交易記錄，通過加解密技術(shù)、哈希函數(shù)、時(shí)間戳來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、身份標(biāo)識(shí)、封裝區(qū)塊等功能。網(wǎng)絡(luò)層通過P2P 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)去中心化的各港口物流數(shù)據(jù)快速同步。共識(shí)層對物流交易信息進(jìn)行排序處理，提供高吞吐、低延遲的處理能力，并在集群內(nèi)部支持節(jié)點(diǎn)故障容錯(cuò)，保證數(shù)據(jù)的一致性。合約層通過用戶在鏈上布置智能合約，來實(shí)現(xiàn)對鏈上數(shù)據(jù)的合法修改，同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全可信的物流交易數(shù)據(jù)共享。在應(yīng)用層上，可以進(jìn)行物流交易信息查詢、新數(shù)據(jù)上鏈、物流交易數(shù)據(jù)或敏感數(shù)據(jù)的更改，實(shí)現(xiàn)不同港口之間可信數(shù)據(jù)共享等功能。

2.3 可編輯區(qū)塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

區(qū)塊鏈中參與其維護(hù)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有全賬本，其中通過哈希函數(shù)來實(shí)現(xiàn)完整性驗(yàn)證。以比特幣系統(tǒng)為例，其區(qū)塊結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)部分：區(qū)塊頭和區(qū)塊體。區(qū)塊頭中包含6 個(gè)參數(shù)分別是區(qū)塊版本號(hào)、父區(qū)塊哈希值、時(shí)間戳、難度、隨機(jī)數(shù)Nonce 值和Merkle 根；區(qū)塊體中保存每個(gè)節(jié)點(diǎn)的交易數(shù)據(jù)。每個(gè)子區(qū)塊的區(qū)塊頭中都存有父區(qū)塊的哈希值，若父區(qū)塊中數(shù)據(jù)發(fā)生更改，則前后哈希值就無法對應(yīng)，該結(jié)構(gòu)保證了交易數(shù)據(jù)的完整性以及不可篡改性。傳統(tǒng)區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)區(qū)塊結(jié)構(gòu)

在可編輯區(qū)塊鏈中，將交易數(shù)據(jù)的哈希函數(shù)替換為變色龍哈希，若要修改第i 個(gè)區(qū)塊的某個(gè)交易，只需要重新算出和該交易相關(guān)的可變參數(shù)，從而更改交易內(nèi)容之后，該交易的哈希值不變，不會(huì)影響Merkle 根。在港口物流業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)中，需要多方參與其中，不同的參與者會(huì)被賦予不同的角色與權(quán)限，只有獲得修改權(quán)限的節(jié)點(diǎn)能拿到公鑰對交易進(jìn)行修改。而修改請求的合理性需要通過所有節(jié)點(diǎn)對該修改請求進(jìn)行共識(shí)來保證。

3 總結(jié)

本文通過對當(dāng)前航運(yùn)數(shù)字化進(jìn)程的分析，利用區(qū)塊鏈的去中心化、不可篡改等特性來解決航運(yùn)業(yè)中的痛點(diǎn)，提出系統(tǒng)架構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)對港口物流數(shù)據(jù)的管理和共享，以此將區(qū)塊鏈技術(shù)和航運(yùn)業(yè)進(jìn)行了結(jié)合。同時(shí)結(jié)合變色龍哈希在不破壞區(qū)塊鏈特性的前提下，使區(qū)塊鏈可以進(jìn)行細(xì)粒度的編輯，使其能應(yīng)用在更復(fù)雜的應(yīng)用場景中。