基于實(shí)用拜占庭算法的區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)優(yōu)化研究

楊欣 趙辰 劉瑤 魏津瑜

摘要：將區(qū)塊鏈技術(shù)嵌入農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)可以有效解決當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)遇到的倉(cāng)儲(chǔ)信息不對(duì)稱(chēng)、過(guò)程透明度低以及信息存儲(chǔ)不安全等問(wèn)題，促進(jìn)農(nóng)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。在分析區(qū)塊鏈技術(shù)如何賦能農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，提出基于實(shí)用拜占庭算法的區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)優(yōu)化策略。該策略采用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)信息，利用可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)進(jìn)行分組，將ECDSA數(shù)字簽名與可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)結(jié)合改進(jìn)共識(shí)算法，并接入Hyperledger Fabric中部署多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行算法測(cè)試。結(jié)果表明，本方案有效解決農(nóng)產(chǎn)品在倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中存在的安全性與效率低下等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“區(qū)塊鏈+農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)”的新模式。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物流；農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)；區(qū)塊鏈；共識(shí)算法；可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：S24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 05-0104-07

收稿日期：2022年9月28日? 修回日期：2023年2月21日*基金項(xiàng)目：2021年天津哲學(xué)社科重點(diǎn)項(xiàng)目（TJGL21—010）

第一作者：楊欣，女，1984年生，沈陽(yáng)人，博士，教授，碩導(dǎo)；研究方向?yàn)槠髽I(yè)信息化。E-mail：? wing.lps@163.com

通訊作者：魏津瑜，男，1968年生，山東樂(lè)陵人，博士，教授，博導(dǎo)；研究方向?yàn)閰^(qū)塊鏈技術(shù)、農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。E-mail：? weijinyu2010@126.com

Research on blockchain agricultural product storage optimization based on

practical Byzantine algorithm

Yang Xin1， Zhao Chen2， Liu Yao3， Wei Jinyu3

（1. School of Economics and? Management， Tianjin Agricultural University， Tianjin， 300384， China;

2. Zhonghuan Information College， Tianjin University of Technology， Tianjin， 300380， China;

3. School of Management， Tianjin University of Technology， Tianjin， 300384， China）

Abstract：

Embedding blockchain technology into agricultural logistics warehousing can effectively solve the information problems encountered in the current agricultural product warehousing such as asymmetric warehousing information， low process transparency and unsafe information storage in agricultural logistics warehousing， and promote the further development of agriculture. Based on the analysis of how blockchain technology can empower agricultural logistics and warehousing， this paper proposes a blockchain agricultural product warehousing optimization strategy based on the practical Byzantine algorithm. This strategy uses the blockchain data structure to manage agricultural product storage information， uses verifiable random functions for grouping， combines ECDSA digital signatures with verifiable random functions to improve the consensus algorithm， and deploys multiple nodes in Hyperledger Fabric for algorithm testing. The test results show that， this solution effectively solves the problems of safety and low efficiency in the storage process of agricultural products， and realizes the new model of “blockchain + agricultural product storage”.

Keywords：

agricultural logistics; agricultural warehousing; blockchain; consensus algorithm; verifiable random function

0 引言

農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品由生產(chǎn)地向消費(fèi)地轉(zhuǎn)移，是農(nóng)業(yè)在生產(chǎn)活動(dòng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。當(dāng)前，作為德國(guó)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略三大主題之一的智能倉(cāng)儲(chǔ)物流，已成為“中國(guó)制造2025”計(jì)劃智能制造的主攻方向之一［1］。由于傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)管理存在管理方式復(fù)雜、易出錯(cuò)，查詢(xún)困難、需第三方可信中心確保交易執(zhí)行等問(wèn)題，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈整體產(chǎn)能較低、時(shí)效性較差，不能快速響應(yīng)用戶需求，容易產(chǎn)生較大損失。隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，運(yùn)用新型信息技術(shù)提升農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)管理效能成為未來(lái)智能農(nóng)業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)發(fā)展的主要方向。區(qū)塊鏈作為一種由P2P網(wǎng)絡(luò)、密碼學(xué)等組成的具有去中心化特征的記錄技術(shù)［2］，具有分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等特點(diǎn)［3］，可實(shí)現(xiàn)去中心化可信交易，將該技術(shù)融入至農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)可提升農(nóng)產(chǎn)品的整體倉(cāng)儲(chǔ)效能。

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的成熟，區(qū)塊鏈與各領(lǐng)域的融合與研究也成為學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)。近年來(lái)，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物流領(lǐng)域的研究較多，尚杰等［4］利用區(qū)塊鏈技術(shù)改善生態(tài)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈內(nèi)部信息不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象從而增加交易、節(jié)省成本，以保障生態(tài)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈穩(wěn)定運(yùn)行；吳曉彤等［5］基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品的可信溯源，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量信息的安全性和可信性；張森等［6］提出一種面向冷鏈物流行業(yè)的區(qū)塊鏈技術(shù)解決方案。針對(duì)訂單數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)分別設(shè)計(jì)上鏈系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了訂單數(shù)據(jù)安全上鏈、冷鏈環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上鏈以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的身份認(rèn)證與權(quán)限控制機(jī)制，提高了冷鏈物流行業(yè)的可信性和數(shù)據(jù)的安全性。通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)分析可知，區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)物流方面的應(yīng)用多集中在供應(yīng)鏈與冷鏈領(lǐng)域，鮮少在倉(cāng)儲(chǔ)方面融入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)。此外在現(xiàn)存的農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)中，農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)的安全性能較低，存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能受外界影響較大，無(wú)法避免進(jìn)出農(nóng)產(chǎn)品管控中的各種漏洞，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的倉(cāng)儲(chǔ)物流效率產(chǎn)生影響，而基于區(qū)塊鏈架構(gòu)的共識(shí)算法能有效提高農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的吞吐量和信息確認(rèn)效率。因此設(shè)計(jì)合理的共識(shí)算法可較好地解決貨物存儲(chǔ)中存在的問(wèn)題。

近年來(lái)針對(duì)共識(shí)算法的研究，多趨向于對(duì)實(shí)用性強(qiáng)的實(shí)用拜占庭算法（PBFT）進(jìn)行改進(jìn)。Mingxiao Du等［7］采用分層的MBFT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用LCG對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展，從而增加區(qū)塊鏈系統(tǒng)的吞吐量，但針對(duì)PBFT算法通信復(fù)雜度較高的問(wèn)題并沒(méi)有得到更好地改善。伍星等［8］基于QoS值提出了Q-PBFT算法，并將其匹配云制造服務(wù)場(chǎng)景。通過(guò)理論和試驗(yàn)表明該算法可以減少帶寬消耗、降低共識(shí)時(shí)延，從而提升基于區(qū)塊鏈的云制造服務(wù)平臺(tái)的性能。Li等［9］提出了一種可擴(kuò)展的多層PBFT共識(shí)機(jī)制以降低單層PBFT共識(shí)的通信量。然而，目前針對(duì)共識(shí)算法的研究多致力于共識(shí)節(jié)點(diǎn)模型的修改以降低通信復(fù)雜度與時(shí)延，提高吞吐量，其安全性與共識(shí)速度方面還存在一定缺陷。

鑒于此，本文通過(guò)引入Hyperledger fabric框架編寫(xiě)底層區(qū)塊鏈，保證數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與發(fā)布安全可靠，避免因平臺(tái)中心化引起的系統(tǒng)故障和數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)將改進(jìn)的PBFT算法應(yīng)用至共識(shí)層，加強(qiáng)共識(shí)模塊中對(duì)惡意攻擊的檢測(cè)和排除，為今后采用非傳統(tǒng)布局倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)作的農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)庫(kù)管理者提供決策支持。

1 區(qū)塊鏈嵌入的農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)平臺(tái)構(gòu)建

1.1 農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)平臺(tái)需求分析

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的中心化弊端日漸顯露。多數(shù)情況下使用第三方的管理系統(tǒng)可以提高農(nóng)產(chǎn)品的信息處理和交易成本，但此過(guò)程會(huì)出現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品物流信息不透明、難以追溯追責(zé)等問(wèn)題，造成服務(wù)質(zhì)量大幅降低。此外由于農(nóng)品種繁多、數(shù)量龐大、存儲(chǔ)保鮮要求各異，受自然條件的制約和影響，產(chǎn)量不穩(wěn)定、供給與需求之間存在矛盾。為滿足農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)中用戶的隱私保護(hù)、交易安全、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多方面的需求，本文引入以下技術(shù)：（1）引入身份認(rèn)證模塊與公私鑰技術(shù)，保證系統(tǒng)的安全性；（2）引入權(quán)限模塊以便擁有權(quán)限的用戶可以隨時(shí)隨地查詢(xún)農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)信息；（3）引入農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)管理模塊負(fù)責(zé)農(nóng)產(chǎn)品的出庫(kù)、入庫(kù)、移庫(kù)、庫(kù)存盤(pán)點(diǎn)、分類(lèi)以及庫(kù)存查詢(xún)等。

此外，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行，提高系統(tǒng)的易用性，改善用戶的使用體驗(yàn)。在安全性方面基于區(qū)塊鏈架構(gòu)的系統(tǒng)具有嚴(yán)格的訪問(wèn)限制，可以消除農(nóng)產(chǎn)品在錄入過(guò)程中業(yè)務(wù)活動(dòng)信息和交易數(shù)據(jù)被篡改和破壞的風(fēng)險(xiǎn)，保證系統(tǒng)活動(dòng)數(shù)據(jù)的安全性。在可靠性方面區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的輸入有一個(gè)嚴(yán)格的審核過(guò)程［10］，只有當(dāng)所有參與用戶通過(guò)共識(shí)機(jī)制審核后，數(shù)據(jù)方能存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

基于區(qū)塊鏈嵌入的農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)平臺(tái)通過(guò)區(qū)塊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，智能合約定義業(yè)務(wù)邏輯［11］，共識(shí)算法對(duì)交易、合約數(shù)據(jù)進(jìn)行共識(shí)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，滿足各類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)的不同需求。利用此平臺(tái)可以確保信息的公平性，保證農(nóng)產(chǎn)品信息的可追溯，強(qiáng)化農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)管控；同時(shí)采用區(qū)塊鏈技術(shù)+智能倉(cāng)儲(chǔ)的模式，可有效提升農(nóng)業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)管理水平，增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)的可視化，方便其進(jìn)行線上、線下的售賣(mài)或調(diào)轉(zhuǎn)，體現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)在調(diào)節(jié)供需矛盾以及規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)方面的作用，為農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展提供新的動(dòng)力。

1.2 區(qū)塊鏈嵌入的農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文使用Hyperledger fabric作為農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)平臺(tái)的區(qū)塊鏈部分，底層設(shè)計(jì)利用區(qū)塊鏈的防篡改性和可追溯性［12］。系統(tǒng)的功能模塊主要分為注冊(cè)和登錄模塊、用戶管理模塊、農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)信息存儲(chǔ)模塊、農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)信息查詢(xún)、接口模塊等部分。該系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

在農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)平臺(tái)上用戶首先需要注冊(cè)賬號(hào)，已經(jīng)有賬號(hào)的用戶可直接登錄系統(tǒng)。在注冊(cè)成功的同時(shí)，服務(wù)器也會(huì)將用戶信息在區(qū)塊層注冊(cè)。當(dāng)用戶進(jìn)入系統(tǒng)后，可選擇提交信息發(fā)布、錄入、查詢(xún)、存儲(chǔ)等申請(qǐng)。在提交完成后，用戶的信息參數(shù)將會(huì)被提交至Hyperledger fabric網(wǎng)絡(luò)封裝成客戶端的請(qǐng)求。在服務(wù)模塊收到申請(qǐng)后，將調(diào)用相關(guān)的鏈上代碼進(jìn)行交易處理，隨后提交至背書(shū)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證。在依照背書(shū)協(xié)議進(jìn)行背書(shū)后，請(qǐng)求會(huì)被所有共識(shí)節(jié)點(diǎn)按本文改進(jìn)的PBFT進(jìn)行共識(shí)，最后區(qū)塊被各節(jié)點(diǎn)確認(rèn)。此過(guò)程完成后所有的農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)均被部署到區(qū)塊鏈中，可隨時(shí)查詢(xún)與更新。除此之外在倉(cāng)儲(chǔ)管理的環(huán)節(jié)上，由于農(nóng)產(chǎn)品的特殊性與活性，在收獲后甚至加工后還保持著一定的新鮮度。為了將農(nóng)產(chǎn)品的生理活動(dòng)減少到最低的程度，保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)則成為影響商品質(zhì)量的一個(gè)至關(guān)重要的因素。對(duì)于不同的農(nóng)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，依據(jù)其性質(zhì)和特點(diǎn)，需要使用不同的貯存方式，以便擁有較長(zhǎng)的貯存期。

結(jié)合分布式共識(shí)、加密算法和簽名算法等技術(shù)，使用Hyperledger框架作為底層應(yīng)用程序平臺(tái)，同時(shí)使用鏈上代碼以確保鏈上數(shù)據(jù)的透明性和防篡改性。此外在底層區(qū)塊鏈的共識(shí)模塊中利用改進(jìn)的PBFT算法進(jìn)行共識(shí)操作，在一定程度上提高系統(tǒng)的交易吞吐量、節(jié)省系統(tǒng)資源的消耗，保證該平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 基于可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)的PBFT共識(shí)算法改進(jìn)

2.1 算法改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1.1 基于ECDSA的可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)

橢圓曲線數(shù)字簽名算法（ECDSA）是使用橢圓曲線密碼對(duì)數(shù)字簽名算法的模擬［13］，本文將ECDSA與可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)結(jié)合，主要過(guò)程包括系統(tǒng)初始化、密鑰生成、隨機(jī)數(shù)和證明生成、驗(yàn)證。過(guò)程如下：（1）設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：GF（q）：階為q的有限域；q：A位的大素?cái)?shù)；E：定義在上的橢圓曲線；G：橢圓曲線上的基點(diǎn)。（2）密鑰生成：選擇隨機(jī)數(shù)x∈［1，q-1］，生成一對(duì)橢圓曲線密鑰，其中私鑰為x，公鑰為Y=xG；（3）隨機(jī)數(shù)和證明生成：輸入消息m，私鑰x；輸出：隨機(jī)數(shù)v，證明proof。（4）驗(yàn)證：輸入消息m′，證明proof′；輸出合法性。

2.1.2 算法優(yōu)化方案

在PBFT算法中，達(dá)成共識(shí)所需要的通信次數(shù)會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加呈現(xiàn)多項(xiàng)式級(jí)別的增加［14］，其中通信次數(shù)為F（n）=2n（n-1），n為節(jié)點(diǎn)數(shù)［15］。本文通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)優(yōu)化，將基于ECDSA的可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)算法應(yīng)用于分組中，通過(guò)降低n值，改進(jìn)算法性能。在初始階段，將n個(gè)相同的共識(shí)節(jié)點(diǎn)分成x組。每組分別進(jìn)行PBFT算法，同時(shí)每組的主節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行PBFT算法。具體分組過(guò)程的示意圖如圖2所示。

此外，在共識(shí)過(guò)程中，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)故障或存在惡意行為需要進(jìn)行視圖切換時(shí)。通常利用某一輪次視圖編號(hào)v和副本個(gè)數(shù)R作為輸入，即P=vmod|R|得到新輪次主節(jié)點(diǎn)。但由于v和R是公開(kāi)的，其抽簽結(jié)果可以被預(yù)測(cè)，節(jié)點(diǎn)容易遭受攻擊。

本文利用基于ECDSA的可驗(yàn)證隨機(jī)算法可提高安全性。該算法執(zhí)行過(guò)程首先對(duì)各節(jié)點(diǎn)輪流進(jìn)行抽簽，通過(guò)各節(jié)點(diǎn)的私鑰外加全網(wǎng)都知道的隨機(jī)數(shù)W作為輸入，生成一個(gè)零知識(shí)證明以及隨機(jī)數(shù)。隨后所有節(jié)點(diǎn)輪流抽簽，率先抽到大于W的隨機(jī)數(shù)則為當(dāng)前輪次的打包者，并在廣播的內(nèi)容中加入一個(gè)零知識(shí)證明。通過(guò)零知識(shí)證明，使得全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)只需通過(guò)公鑰就可以驗(yàn)證并接受新輪次的打包者。同時(shí)該過(guò)程其他節(jié)點(diǎn)不知道新輪次打包者的私鑰因而不會(huì)出現(xiàn)與其相同的結(jié)果。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)流程

本文結(jié)合可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)設(shè)計(jì)隨機(jī)分組算法，應(yīng)用該算法將共識(shí)網(wǎng)絡(luò)中所有無(wú)差別的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分為x組。該算法執(zhí)行流程如圖3所示：（1）所有節(jié)點(diǎn)使用算法生成一對(duì)公鑰PK和私鑰SK。（2）輸入上一步生成的SK和隨機(jī)生成的消息M，通過(guò)計(jì)算得到隨機(jī)字符串W和證明P，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)生成的隨機(jī)字符串W進(jìn)行廣播。（3）每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)收到n個(gè)字符串，隨后對(duì)其進(jìn)行字典序排序，將字符串?dāng)?shù)組分為x組。（4）每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播驗(yàn)證消息，A為節(jié)點(diǎn)的地址。（5）每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到驗(yàn)證信息后，對(duì)第三步得到的x組字符串使用算法進(jìn)行驗(yàn)證。得到節(jié)點(diǎn)地址的數(shù)組后，各節(jié)點(diǎn)聯(lián)系各所在組的其他節(jié)點(diǎn)。（6）分組完成后，所有的節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)的分為x個(gè)相同的組，等待執(zhí)行共識(shí)算法。

當(dāng)分組完成后，如若主節(jié)點(diǎn)故障或被惡意攻擊時(shí)，需要啟動(dòng)視圖更換協(xié)議［16］。客戶端利用在客戶端及節(jié)點(diǎn)中引入的“發(fā)布—訂閱模式”通道，訂閱“主節(jié)點(diǎn)更換消息”得知主節(jié)點(diǎn)選舉情況以節(jié)省等待時(shí)間。組主節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)廣播視圖切換消息。其他組主節(jié)點(diǎn)得知總主節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤后，向分組內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送重新執(zhí)行隨機(jī)分組算法的消息。

算法執(zhí)行完成后會(huì)得到新的總主節(jié)點(diǎn)，當(dāng)總主節(jié)點(diǎn)收到2f個(gè)來(lái)自其他分組主節(jié)點(diǎn)的有效的視圖更換消息后［17］。總主節(jié)點(diǎn)向其他分組主節(jié)點(diǎn)廣播新視圖消息：V包含主節(jié)點(diǎn)收到的2f+1個(gè)有效的視圖更換消息，Q包含有效的預(yù)準(zhǔn)備消息［18］。如若主節(jié)點(diǎn)收到的2f+1個(gè)有效的視圖更換消息集合存在序號(hào)n，說(shuō)明存在預(yù)準(zhǔn)備消息m，則主節(jié)點(diǎn)需要向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)廣播新的預(yù)準(zhǔn)備消息；如若都不包含序號(hào)n，說(shuō)明不存在未提交的消息。

2.3 安全性分析

與傳統(tǒng)的PBFT共識(shí)算法相比，在本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)共識(shí)算法中，是通過(guò)使用可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)隨機(jī)生成主節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)隨機(jī)數(shù)的輸入與輸出，確定其是否由該輸入生成；且該過(guò)程不需要公開(kāi)私鑰，因此使原有共識(shí)機(jī)制的安全性能增強(qiáng)。除此之外，傳統(tǒng)的PBFT提案人是固定的，當(dāng)提案人宕機(jī)后，進(jìn)行View change時(shí)通常選擇節(jié)點(diǎn)排序，順次成為提案人。而本文是在View change時(shí)使用上一次的VRF Value+節(jié)點(diǎn)私鑰進(jìn)行VRF運(yùn)算，計(jì)算出的VRF Value作為計(jì)算下次輪次提案人的因子，并將VRF Proof、VRF Value發(fā)送給其他Orderer節(jié)點(diǎn)做驗(yàn)證，其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證通過(guò)后，更換新提案人。因此。引入基于ECDSA的可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)改進(jìn)共識(shí)算法可以確保數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和不可篡改，同時(shí)在系統(tǒng)故障時(shí)也能保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3 算法測(cè)試與分析

3.1 試驗(yàn)環(huán)境配置與搭建

本論文采用的硬件環(huán)境CPU 4核，內(nèi)存2G的計(jì)算機(jī)4臺(tái)。超級(jí)賬本的部署關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的底層業(yè)務(wù)。在本系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)的工作是超級(jí)賬本網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)盟鏈架構(gòu)，具體的環(huán)境配置和軟件如表1所示。

3.2 測(cè)試方法與部署

本文使用服務(wù)器A、B、C進(jìn)行試驗(yàn)，下載并修改Hyperledger Fabric 2.2.1的源代碼，通過(guò)更新configtxgen和orderer服務(wù)的相關(guān)文件，將VRF改進(jìn)帶入共識(shí)中，并在Docker-compose腳本中為orderer節(jié)點(diǎn)配置唯一的標(biāo)識(shí)、端口和節(jié)點(diǎn)列表。節(jié)點(diǎn)的具體部署情況如表2所示。

3.3 測(cè)試結(jié)果

3.3.1 可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)性能測(cè)試

利用天津市漢拓計(jì)算機(jī)研究所的試驗(yàn)環(huán)境和數(shù)據(jù)，依照本文設(shè)計(jì)的可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)進(jìn)行性能測(cè)試。其實(shí)現(xiàn)的可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)主要分為三部分：生成密鑰、生成隨機(jī)數(shù)和證明、驗(yàn)證隨機(jī)數(shù)和證明。通過(guò)試驗(yàn)編寫(xiě)代碼對(duì)本方案設(shè)計(jì)的可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)進(jìn)行了多次測(cè)試，得到各部分算法的平均運(yùn)行時(shí)間如表3所示。

由表3可知，可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)各部分算法的運(yùn)行時(shí)間均在毫秒級(jí)，并且相較于處理交易所需的總時(shí)間，基本可以忽略其對(duì)交易處理速度的影響。

3.3.2 算法驗(yàn)證過(guò)程

為證明本文提出的算法效率更高，將原始PBFT和改進(jìn)后PBFT的通信次數(shù)公式列舉如表4所示。

表4中n為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，x為分組的數(shù)量。改進(jìn)后的通信次數(shù)前半部分表示組內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的通信次數(shù)，后部分表示各組主節(jié)點(diǎn)間的通信次數(shù)。

如圖5所示，當(dāng)發(fā)送量為1 000時(shí)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多其吞吐量也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。此外原PBFT在4節(jié)點(diǎn)時(shí)的吞吐量與改進(jìn)后PBFT在16節(jié)點(diǎn)的吞吐量接近。因此可以得知改進(jìn)后的共識(shí)算法，即便在較多節(jié)點(diǎn)的情況下其單位時(shí)間內(nèi)處理交易量筆數(shù)也優(yōu)于改進(jìn)前的PBFT。

綜上所述，同交易量下改進(jìn)后的PBFT較原PBFT相比吞吐量較高、時(shí)延較低。除此之外隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，原PBFT在超過(guò)其處理能力后，時(shí)延與吞吐量都有明顯的下降趨勢(shì)；而改進(jìn)后的PBFT在時(shí)延與吞吐量方面影響較小。因此可以看出改進(jìn)方案的性能較之前相比有所提高。

3.3.5 同節(jié)點(diǎn)時(shí)不同交易量對(duì)比

根據(jù)Caliper報(bào)告測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)PBFT以及改進(jìn)后PBFT的10節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)，其時(shí)延與吞吐量如圖6所示。由圖6可知，改進(jìn)后的PBFT與改進(jìn)前的時(shí)延相近。但當(dāng)?shù)竭_(dá)一定交易量范圍后，會(huì)出現(xiàn)明顯延遲，時(shí)延差距較大。因而推知在未達(dá)到交易上限時(shí)，代表系統(tǒng)有能力處理，此時(shí)的延時(shí)不會(huì)過(guò)高。但當(dāng)系統(tǒng)無(wú)法處理時(shí)，交易會(huì)發(fā)生堆積，導(dǎo)致延遲增加。相較于原PBFT在達(dá)到上限后時(shí)延的突增，改進(jìn)后的PBFT在達(dá)到上限后的時(shí)延與未達(dá)上限前的時(shí)延差距較小，表明了改進(jìn)后的PBFT具有較好的低延時(shí)性。

由圖7可知，在同節(jié)點(diǎn)的情況下，當(dāng)交易筆數(shù)較少時(shí)，改進(jìn)前后PBFT的吞吐量差別不大。但隨著交易筆數(shù)增多，原方案很快到達(dá)處理上限，并會(huì)維持在某一TPS水平附近；然而改進(jìn)后的方案隨著交易筆數(shù)的增多其吞吐量仍繼續(xù)增加。由此可知，改進(jìn)后的方案較原方案相比在吞吐量上有更高的提升。特別是在交易量較多時(shí)，改進(jìn)后的方案其處理事務(wù)能力更強(qiáng)。

綜上所述，通過(guò)對(duì)10節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，可以看出在其處理能力范圍內(nèi)時(shí)吞吐量與時(shí)延差別較??；但當(dāng)超過(guò)其處理能力范圍，改進(jìn)后的PBFT較最初相比有更好的處理能力。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)存在的信息不對(duì)等、安全性較差等問(wèn)題，利用區(qū)塊鏈的去中心化、分布式存儲(chǔ)、共識(shí)機(jī)制等技術(shù)，提出基于區(qū)塊鏈的智能農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)模型。該系統(tǒng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

1） 通過(guò)對(duì)企業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)庫(kù)的智能化監(jiān)管實(shí)現(xiàn)資源的可管可控，保障各平臺(tái)間的數(shù)據(jù)交互。

2） 加強(qiáng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)備信息的集中管理，促進(jìn)數(shù)據(jù)資源的匯聚共享。

3） 有望逐步形成區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品聯(lián)盟鏈，有助于完善區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、動(dòng)態(tài)監(jiān)管和協(xié)同調(diào)度，提升農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的安全性、可視性、易用性等。相較于傳統(tǒng)集中式農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然需要更多的環(huán)境配置以及調(diào)試操作，但其去中心化的設(shè)置提升了平臺(tái)的安全性與實(shí)用性，方便查詢(xún)與操作。

綜上所述，將區(qū)塊鏈的優(yōu)良特性應(yīng)用至農(nóng)業(yè)可有效解決目前農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提升協(xié)作效率，實(shí)現(xiàn)資源的有效整合與效益的最大化。本文不僅為農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)優(yōu)化問(wèn)題提供了新視角，同時(shí)也對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展起到重要作用。關(guān)于“區(qū)塊鏈+農(nóng)產(chǎn)品智能倉(cāng)儲(chǔ)”的模式，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索，形成更加透明、高效、安全的物流倉(cāng)儲(chǔ)體系。

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