基于區(qū)塊鏈的水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)采集與傳輸研究

關(guān)鍵詞 水產(chǎn)交易； 計量數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)安全； 區(qū)塊鏈； Hyperledger Fabric； 樹莓派

我國是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國家，養(yǎng)殖總量占世界養(yǎng)殖總產(chǎn)量的60% 以上［1］。水產(chǎn)品質(zhì)量問題不僅關(guān)系著消費者的身體健康，而且直接影響著養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟效益和養(yǎng)殖行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展問題。目前，水產(chǎn)信息技術(shù)主要應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境檢測、水產(chǎn)品銷售平臺和追溯等領(lǐng)域［2-4］，水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)和交易仍停留在人工手動層面，導(dǎo)致水產(chǎn)交易數(shù)據(jù)收集成本較高，且易丟失和被篡改［5］。因此，研究水產(chǎn)交易數(shù)據(jù)的采集、傳輸和安全存儲對提升水產(chǎn)交易智能化水平和水產(chǎn)養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N利用智能合約和密碼學(xué)算法將數(shù)據(jù)區(qū)塊按照時間順序鏈接的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)［6-7］，其去中心化、不可篡改、可追溯的特點，能夠為交易雙方建立可靠的互信機制，解決水產(chǎn)交易體系中存在的數(shù)據(jù)信任問題，實現(xiàn)上鏈數(shù)據(jù)的自動獲取和校驗，且加密算法和共識算法可以有效提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院鸵恢滦裕?］。將區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合可以解決物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的偽造、隱私泄露和集中存儲等安全性問題［9-11］。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在食品質(zhì)量安全領(lǐng)域。如馮國富等［12］開發(fā)了一套基于區(qū)塊鏈的水產(chǎn)品交易溯源系統(tǒng)，實現(xiàn)了水產(chǎn)品交易數(shù)據(jù)加密后的上鏈；周超等［13］提出一種基于鳥群覓食算法的水產(chǎn)品線上交易模型；王文娟等［14］提出了一種基于區(qū)塊鏈的水產(chǎn)品撮合交易模型，提升了水產(chǎn)品交易效率。以上研究主要集中在使用區(qū)塊鏈技術(shù)和相關(guān)算法解決水產(chǎn)品的交易和溯源問題，而對水產(chǎn)交易過程中數(shù)據(jù)安全性和可信性的研究較少，無法保障交易數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲過程的安全性，導(dǎo)致水產(chǎn)交易信息的流失和泄漏。

針對上述問題，本研究設(shè)計了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)自動采集與傳輸模型，使用樹莓派（Raspberry Pi，RPI）采集水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)。通過智能合約、加密算法和共識算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動加密上傳和共識存儲，保障數(shù)據(jù)的真實可信，并結(jié)合實際應(yīng)用對本系統(tǒng)進行安全性能分析，旨在為水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)的采集和存儲提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 水產(chǎn)交易分析

在水產(chǎn)交易的過程中，參與交易過程的主體是收購商、水產(chǎn)養(yǎng)殖戶和第三方監(jiān)督機構(gòu)，根據(jù)水產(chǎn)交易實際需求，基于樹莓派進行數(shù)據(jù)采集，并利用區(qū)塊鏈技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸和存儲，可以構(gòu)建一套安全、高效、可信的水產(chǎn)交易平臺。為實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)的可追溯性，在對計量數(shù)據(jù)進行區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，還需將水產(chǎn)品信息、養(yǎng)殖戶信息和采購商信息等一同存儲在區(qū)塊鏈中。水產(chǎn)交易業(yè)務(wù)分析中所需數(shù)據(jù)信息如表1 所示。

1.2 水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)自動采集與傳輸安全模型

針對目前水產(chǎn)交易中人工采集計量數(shù)據(jù)存在的存儲、數(shù)據(jù)易被篡改和丟失的問題，本研究提出了一種基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)采集和存儲方法。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過使用可信的嵌入式設(shè)備收集數(shù)據(jù)，以區(qū)塊鏈技術(shù)為支撐實現(xiàn)水產(chǎn)交易數(shù)據(jù)的安全存儲和傳輸，其模型如圖1 所示。

從數(shù)據(jù)流動的角度看，整個水產(chǎn)計量數(shù)據(jù)傳輸與存儲安全模型分為數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和查詢4 部分。首先在便攜式電子秤上部署基于樹莓派的數(shù)據(jù)采集平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，其次在數(shù)據(jù)傳輸階段對采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理，由智能合約對數(shù)據(jù)進行是否可以上鏈判定，并對上鏈的數(shù)據(jù)使用加密算法進行加密處理，然后將加密后的數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性和完整性，同時在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中調(diào)用智能合約對數(shù)據(jù)進行廣播，并使各節(jié)點與上鏈數(shù)據(jù)達成共識，最后將數(shù)據(jù)存儲到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點。數(shù)據(jù)查詢主要服務(wù)于水產(chǎn)養(yǎng)殖戶、收購商和監(jiān)管機構(gòu)，通過使用區(qū)塊鏈技進行權(quán)限管理，并賦予各角色不同的查詢權(quán)限，利用智能合約進行權(quán)限驗證，既保證了數(shù)據(jù)的公開透明，又保護了水產(chǎn)交易雙方間的商業(yè)隱私，使交易過程變得更加的安全高效。

1.3 數(shù)據(jù)采集平臺

針對傳統(tǒng)水產(chǎn)交易環(huán)境差、硬件設(shè)施簡陋和數(shù)據(jù)采集管理難度大等問題，本研究設(shè)計了一套集水產(chǎn)品稱量、GPS 定位、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)無線傳輸于一體的數(shù)據(jù)采集平臺，開發(fā)了一套占用空間小、操作簡便且成本低廉的一體化設(shè)備。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

該平臺用模塊化設(shè)計方案，具有低功耗、可擴展、性能穩(wěn)定等特點。使用Raspberry Pi 3B+為硬件控制主板，實物圖如圖3 所示，它是一款信用卡大小的通用電腦，配有1.2 GHz ARM Cortex A53 四核處理器，可以使用多種基于linux 的操作系統(tǒng)。電子秤使用WXL-T16 系列成品電子秤，提供有外置RS232串口進行數(shù)據(jù)傳輸。NB-IOT 通信模塊使用移遠公司開發(fā)的BC20 模塊，融合了窄帶物聯(lián)網(wǎng)和GPS 定位的功能。

水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)采集平臺具體實現(xiàn)的功能：（1）水產(chǎn)品稱量。由電子秤實現(xiàn)水產(chǎn)品稱量，稱量數(shù)據(jù)通過RS232 串口轉(zhuǎn)USB 串口傳輸?shù)娇刂浦靼?。?）養(yǎng)殖產(chǎn)地信息自動獲取。通過AT 命令向衛(wèi)星發(fā)送定位請求，接收并解析衛(wèi)星回傳電波中的位置信息，從而計算出GPS 接收器所在位置的經(jīng)、緯度信息，最終產(chǎn)生養(yǎng)殖產(chǎn)地信息。（3）信息錄入。通過輸入設(shè)備輸入養(yǎng)殖戶ID、收購商ID、種類、養(yǎng)殖年限等信息。（4）數(shù)據(jù)自動加密和上傳。在樹莓派上設(shè)置區(qū)塊鏈peer 節(jié)點，利用加密算法對上鏈數(shù)據(jù)進行加密，調(diào)用智能合約實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動上傳，由NB-IOT 模塊提供通信支持。

1.4 智能合約

智能合約是一種具有去中心化、自行校驗且自動執(zhí)行特點的數(shù)字化協(xié)議，分為合約生成和合約執(zhí)行2 個子模塊。通過設(shè)置可自動觸發(fā)的執(zhí)行條件，為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的用戶提供信息交互和價值轉(zhuǎn)移等功能［18-19］。在運行過程中，通過合約生成模塊將智能合約代碼部署到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，合約執(zhí)行模塊開始負責(zé)運行智能合約代碼。當(dāng)節(jié)點上傳的信息或調(diào)用的功能滿足相應(yīng)合約的觸發(fā)條件時，系統(tǒng)自動調(diào)用合約實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和查詢。利用這一功能，通過編寫智能合約，并在樹莓派的區(qū)塊鏈節(jié)點進行部署，即可實現(xiàn)水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)的自動采集和上傳。水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)上傳智能合約流程如圖4所示。

1.5 共識機制

共識是區(qū)塊鏈系統(tǒng)最核心的技術(shù)。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，共識算法的使用有利于分散和不信任網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)達成一致，使各節(jié)點存在相同的數(shù)據(jù)副本。在水產(chǎn)交易中，隨著交易雙方人員的增加，系統(tǒng)中區(qū)塊鏈節(jié)點數(shù)量和上鏈數(shù)據(jù)隨之增加，所存儲的數(shù)據(jù)量越來越多，對網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的硬件配置要求也越來越高，傳統(tǒng)樹莓派存儲量無法滿足要求。實用拜占庭容錯算法（practical Byzantine fault tolerance，PBFT）是一種基于狀態(tài)機復(fù)制的共識算法［19］，可在錯誤節(jié)點不超過總節(jié)點數(shù)1/3 的情況下保證數(shù)據(jù)的一致性。針對水產(chǎn)交易數(shù)據(jù)問題，本研究提出一種基于PBFT 的改進共識機制，當(dāng)系統(tǒng)存在2 個以上部署樹莓派的區(qū)塊鏈節(jié)點時，只需將其中1 個節(jié)點進行數(shù)據(jù)上鏈，并通過智能合約將計量數(shù)據(jù)進行全網(wǎng)共識，而其他節(jié)點不參加共識且不被選為主節(jié)點，只存儲平臺所采集的數(shù)據(jù)。改進后的共識機制不僅可以提高其存儲效率，而且可有效解決樹莓派存儲容量問題?；贐PFT 改進共識機制的執(zhí)行流程如圖5所示。

在圖5 中，0 代表客戶端節(jié)點，1 代表主節(jié)點，2 和3 代表備份節(jié)點，4 代表部署在樹莓派上的區(qū)塊鏈節(jié)點。其具體步驟如下：

（1）客戶端節(jié)點發(fā)起請求，請求消息經(jīng)數(shù)字簽名后發(fā)送給主節(jié)點。

（2）主節(jié)點監(jiān)聽到請求后，進入預(yù)準(zhǔn)備（pre-pre?pare）階段。主節(jié)點對消息簽名進行驗證，若不通過，則直接丟棄；若通過，則對請求進行編號，生成預(yù)準(zhǔn)備消息，經(jīng)數(shù)字簽名后廣播給其他節(jié)點。

（3）備份節(jié)點監(jiān)聽到主節(jié)點發(fā)出的預(yù)準(zhǔn)備消息后，進入準(zhǔn)備（prepare）階段。備份節(jié)點對預(yù)準(zhǔn)備消息簽名進行驗證，若通過，則生成準(zhǔn)備消息，經(jīng)數(shù)字簽名后廣播給其他節(jié)點。同時，把預(yù)準(zhǔn)備消息和準(zhǔn)備消息寫入本地日志。

（4）節(jié)點對收到的準(zhǔn)備消息進行消息驗證，若通過，則將準(zhǔn)備消息寫入本地日志。當(dāng)收集到2f+1 個來自不同節(jié)點（包括自身）準(zhǔn)備消息，則向所有節(jié)點廣播提交消息。

（5）在備份節(jié)點收集到2f+1 個提交消息后，向客戶端節(jié)點發(fā)送答復(fù)消息，客戶端收集到f+1 個答復(fù)消息后，則確認已經(jīng)達成共識。

1.6 水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)傳輸與存儲系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

本研究設(shè)計的水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)傳輸與存儲系統(tǒng)，是由數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層5 層結(jié)構(gòu)組成。該系統(tǒng)可實現(xiàn)水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、查詢和監(jiān)督預(yù)警等功能，系統(tǒng)架構(gòu)如圖6 所示。

在水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)傳輸與存儲系統(tǒng)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)采集層主要由電子秤、全球定位系統(tǒng)（GPS）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）和樹莓派等模塊組成。電子秤和GPS 模塊用來對計量數(shù)據(jù)進行采集和定位，樹莓派模塊將收集到的數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，NB-IOT模塊負責(zé)將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)層。在系統(tǒng)架構(gòu)的傳輸層，基于Grpc 的Gossip 協(xié)議［18］是用來提高全網(wǎng)共識速度和安全的傳輸協(xié)議，TCP/IP 協(xié)議、WIFI、以太網(wǎng)和藍牙等用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)層主要用來進行數(shù)據(jù)的存儲。服務(wù)層作為系統(tǒng)架構(gòu)的核心，負責(zé)維護整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的正常運行，由智能合約、加密算法、共識算法、秘鑰管理和權(quán)限管理等模塊組成。而應(yīng)用層是在底層區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上利用其API 接口設(shè)計實現(xiàn)的一個集養(yǎng)殖戶、收購商、監(jiān)管部門為一體的信息安全管理平臺，用來實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。

1.7 系統(tǒng)功能設(shè)計方案

水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)傳輸與存儲系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由用戶平臺和數(shù)據(jù)采集平臺兩部分組成。其中，用戶平臺包括用戶登錄、用戶管理、數(shù)據(jù)查詢和監(jiān)督預(yù)警等模塊。數(shù)據(jù)采集平臺用來部署樹莓派的終端節(jié)點，分為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)上鏈模塊。該系統(tǒng)的用戶平臺中，用戶登錄模塊可實現(xiàn)用戶的注冊和登錄，用戶管理模塊可為水產(chǎn)交易中不同參與者分配不同的權(quán)限功能，數(shù)據(jù)查詢模塊為不同用戶提供數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。系統(tǒng)采集到的所有計量數(shù)據(jù)，均以key-value 的方式存儲在區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)庫中，將水產(chǎn)養(yǎng)殖戶ID 和收購商ID 作為key 值，通過遍歷key 鍵進行查詢。而系統(tǒng)的監(jiān)督預(yù)警模塊為監(jiān)管部門提供水產(chǎn)計量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.8 系統(tǒng)的平臺選擇

區(qū)塊鏈技術(shù)，按準(zhǔn)入規(guī)則可分為非許可鏈和許可鏈［19］。非許可鏈中的節(jié)點可隨時加入或推出區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，無需經(jīng)過許可，且任何用戶均可加入并進行交易操作。而在許可鏈中，每個節(jié)點都需要經(jīng)過許可后才能加入網(wǎng)絡(luò)，用戶同樣需要先進行身份的核實，然后才能完成相關(guān)操作。水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)是水產(chǎn)養(yǎng)殖用戶的商業(yè)機密，基于Hyperledger Fabric的平臺，在加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)時需先經(jīng)區(qū)塊鏈上的組織審核，因而可以有效保證水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)的傳輸與存儲安全。

2 結(jié)果與分析

本研究使用基于樹莓派和阿里云平臺搭建的測試環(huán)境對所提出的模型進行了驗證。試驗中，樹莓派配置為64 位4 核Cortex-A53 處理器、64 G 內(nèi)存及ubuntu 20.10 系統(tǒng)。阿里云配置了4 核處理器、16 G運行內(nèi)存、安裝ubuntu 20.04 系統(tǒng)。軟件采用Hy?perledger Fabric 1.4.3 和Docker 18.09。其中，F(xiàn)abric區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)有6 個節(jié)點，其中orderer 節(jié)點提供排序服務(wù)生成新的區(qū)塊，CA 節(jié)點負責(zé)系統(tǒng)證書管理，1個peer 節(jié)點部署在樹莓派上。試驗使用fabric 默認的LevelDB 數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的存儲。根據(jù)實際水產(chǎn)交易過程，系統(tǒng)針對不同用戶需求開發(fā)出相應(yīng)模塊，用戶填寫相關(guān)信息完成系統(tǒng)注冊后可根據(jù)需求登陸系統(tǒng)，輸入不同交易批次可查詢相關(guān)水產(chǎn)交易數(shù)據(jù)，用戶登錄和查詢界面如圖8 所示。

為驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸完整性，試驗通過PC 機模擬電子秤，以500 條/s 的頻率進行數(shù)據(jù)的實時上傳，測試結(jié)果如表2 所示。

由測試結(jié)果可知，在發(fā)送同樣大小數(shù)據(jù)包的前提下，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)存在丟包現(xiàn)象，無法完全接收所發(fā)送的數(shù)據(jù)。而本研究所設(shè)計的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸成功率可達100%，丟包率相比傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)更低，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸更安全。為驗證該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳和查詢功能，試驗中依次測試10～100 條數(shù)據(jù)在基于阿里云和基于樹莓派不同情況下的結(jié)果。數(shù)據(jù)上傳及查詢的對比試驗結(jié)果如圖9 所示。

由圖9 可知，在數(shù)據(jù)測試過程中時，基于樹莓派模型的上鏈時間高于基于阿里云模型的所用時間，但隨著測試數(shù)據(jù)量的增多，基于樹莓派模型的上傳速率卻高于基于阿里云模型的上傳速率。綜合以上結(jié)果可知，本研究提出的水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)的采集和傳輸模型，可有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，且數(shù)據(jù)安全性更好。在請求上鏈速率一致的前提下，相比基于阿里云的數(shù)據(jù)運算，基于樹莓派的數(shù)據(jù)運算速度更優(yōu)，隨著數(shù)據(jù)量的增加數(shù)據(jù)上傳效率逐漸增強，更適合在實際水產(chǎn)交易中使用。

3 討論

本研究針對目前水產(chǎn)交易中手動錄入計量數(shù)據(jù)易篡改、易丟失的問題，構(gòu)建了一套基于區(qū)塊鏈技術(shù)的水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)采集與傳輸安全模型。通過使用基于樹莓派的數(shù)據(jù)采集平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集和上鏈，提高了實際操作效率，保證了數(shù)據(jù)來源的安全可靠，智能合約實現(xiàn)了計量數(shù)據(jù)傳輸與存儲安全。通過對比基于樹莓派和基于阿里云的性能，在請求上鏈速率一致的前提下，基于樹莓派的數(shù)據(jù)上鏈速度更優(yōu)，且隨著數(shù)據(jù)量的增加數(shù)據(jù)上傳效率逐漸增強。

通過基于PBFT 的改進共識機制，解決了樹莓派存儲容量問題，并提出了系統(tǒng)傳輸與存儲架構(gòu)及相應(yīng)功能模塊的設(shè)計方案。同時使用基于 Hy?perledger Fabric 平臺搭建的測試環(huán)境分別對水產(chǎn)交易數(shù)據(jù)的上傳和查詢進行了驗證。結(jié)果表明，本研究所提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的水產(chǎn)交易計量數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)可有效保證數(shù)據(jù)采集和存儲的安全可靠，可為水產(chǎn)交易過程提供可信的計量數(shù)據(jù)。但由于樹莓派本身計算能力和內(nèi)存容量限制問題，本研究的模型相對傳統(tǒng)區(qū)塊鏈模型更易受到攻擊，其有限的內(nèi)存空間會隨著數(shù)據(jù)量的增多而無法滿足存儲需求。在后續(xù)研究中，可針對樹莓派存儲容量和共識算法的性能提升方面進行深入研究。