基于區(qū)塊鏈的云制造平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)模型*

杜 蘭，陳琳琳，戴麗麗，張 麗，沈雅婷

(南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

云制造由李伯虎院士團(tuán)隊(duì)于2010年在國(guó)際上首次提出，它是一種網(wǎng)絡(luò)化的服務(wù)型制造的新型模式[1]，其整合先進(jìn)信息技術(shù)、制造技術(shù)及智能物聯(lián)等技術(shù)，構(gòu)建云共享平臺(tái)，在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下集成制造能力及資源，提供全球化的、高價(jià)值的云服務(wù)。

如今，已有大量實(shí)際運(yùn)行的云制造服務(wù)平臺(tái)，如面向制造及管理的集團(tuán)企業(yè)云制造服務(wù)平臺(tái)[2]、航天科技集團(tuán)云制造服務(wù)平臺(tái)[3]、航天云網(wǎng)平臺(tái)[4]、中小企業(yè)云制造服務(wù)平臺(tái)[5]、浙大云制造平臺(tái)[6]和阿里巴巴研發(fā)的淘工廠云制造平臺(tái)[7]。

現(xiàn)行云制造平臺(tái)存在一些尚未解決的關(guān)鍵問(wèn)題：(1)當(dāng)前中心化體系下系統(tǒng)負(fù)載上限受制于中心服務(wù)器性能；(2)各參與主體的各環(huán)節(jié)的信息分散，互相缺乏信任，信息共享程度低，信息的真實(shí)性和可靠性難保證；(3)數(shù)據(jù)追溯困難，不利于產(chǎn)品全生命周期管理；(4)信息易被非授權(quán)獲取和篡改，用戶(hù)信息隱私易泄露；(5)系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力弱，易出現(xiàn)單點(diǎn)故障而引起系統(tǒng)癱瘓。因此，本文提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云制造平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)模型，改變了傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄、傳遞和存儲(chǔ)的方法，解決了上述核心痛點(diǎn)。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈的基本概念和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N由分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、P2P傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)[8]實(shí)現(xiàn)的分布式記賬系統(tǒng)，它把數(shù)據(jù)分成不同的區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊使用時(shí)間戳技術(shù)通過(guò)特定的信息前后順序鏈接到上一區(qū)塊的后面，以此形成一套完整鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。其中每個(gè)區(qū)塊主要由兩部分組成：(1)區(qū)塊頭，包含區(qū)塊頭值、上一區(qū)塊的哈希值、時(shí)間戳、隨機(jī)數(shù)等信息；(2)區(qū)塊主體，包含本區(qū)塊的主要交易信息，如時(shí)間、位置、數(shù)量、金額、評(píng)價(jià)和規(guī)則等[9]。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于云制造平臺(tái)的可行性分析

區(qū)塊鏈如去中心化、去信任化、集體維護(hù)性、加密數(shù)字貨幣、開(kāi)放的智能合約等特性，能有效解決現(xiàn)有云平臺(tái)存在的關(guān)鍵問(wèn)題，因此探索一種基于區(qū)塊鏈的云制造平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)模型會(huì)是一種有益的嘗試，將對(duì)云制造平臺(tái)發(fā)展帶來(lái)積極影響。云制造平臺(tái)面臨的問(wèn)題與區(qū)塊鏈契合度如表1所示。

表1 云制造平臺(tái)與區(qū)塊鏈契合度

2 基于區(qū)塊鏈的云制造系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 雙鏈架構(gòu)模型

目前，區(qū)塊鏈大都使用單鏈架構(gòu)，比如日本網(wǎng)絡(luò)銀行PoC項(xiàng)目[10]以及歐洲央行使用的通用賬本模型[11]。現(xiàn)有區(qū)塊鏈技術(shù)在單鏈架構(gòu)下存在性能、容量、隱私性和可擴(kuò)展性的瓶頸。本文設(shè)計(jì)了一種雙鏈?zhǔn)降脑浦圃炱脚_(tái)系統(tǒng)架構(gòu)模型，如圖2所示，該模型不同于傳統(tǒng)的中心化架構(gòu)，是完全分布式的雙鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它比現(xiàn)有的架構(gòu)效率更高，擴(kuò)展性更好[12]。該鏈網(wǎng)包括兩類(lèi)區(qū)塊鏈：(1)用戶(hù)區(qū)塊鏈(Account Blockchain，ABC)，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存與維護(hù)用戶(hù)信息，僅存儲(chǔ)交易后的信息，但不執(zhí)行交易；(2)交易區(qū)塊鏈(Trading Blockchain，TBC)，創(chuàng)建交易區(qū)塊，僅存儲(chǔ)對(duì)交易有用的信息并且執(zhí)行相關(guān)交易。通過(guò)雙鏈架構(gòu)將用戶(hù)區(qū)塊鏈和交易區(qū)塊鏈分開(kāi)，把數(shù)據(jù)進(jìn)行分流，可減少記錄節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)冗余量，在一定程度上提高云制造系統(tǒng)的共識(shí)速度。再則，通過(guò)信息摘要計(jì)算方法在云平臺(tái)上全網(wǎng)只記錄經(jīng)過(guò)加密處理的交易摘要信息，大大縮小區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)量。這樣可有效應(yīng)對(duì)區(qū)塊鏈應(yīng)用于云制造平臺(tái)的響應(yīng)滯后等關(guān)鍵難題。

圖2 雙鏈架構(gòu)模型

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

將云制造服務(wù)平臺(tái)現(xiàn)有研究成果和區(qū)塊鏈模相融合，本文建立了一種基于區(qū)塊鏈的云制造平臺(tái)體系架構(gòu)，如圖3所示。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 區(qū)塊鏈交易流程圖

單個(gè)區(qū)塊的生成過(guò)程包括需求匹配、交易發(fā)生、認(rèn)證過(guò)程和挖礦記賬四個(gè)步驟。以企業(yè)A與B的交易為例，區(qū)塊鏈的交易流程如圖4所示。

3.2 區(qū)塊鏈信息記錄流程

區(qū)塊鏈信息記錄流程利用了哈希算法、共識(shí)機(jī)制、P2P傳輸和加密算法等技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)的一致性、防篡改性和安全性，增強(qiáng)了云制造系統(tǒng)各主體之間的信任，如圖5所示。

圖3 基于雙鏈架構(gòu)的云制造平臺(tái)體系架構(gòu)圖

用Ex表示記錄節(jié)點(diǎn)，TS表示交易，ID為交易對(duì)象，t為時(shí)間戳，m為交易金額，n為貨品名稱(chēng)，a為交易數(shù)量，CMPpublic和CMPprivate分別為云平臺(tái)公鑰和私鑰，Expublic和Exprivate分別為交易節(jié)點(diǎn)的公鑰和私鑰，使用SHA256方法記錄信息摘要abstract，各個(gè)記賬節(jié)點(diǎn)通過(guò)PoS技術(shù)選出授權(quán)記賬節(jié)點(diǎn)，block表示交易區(qū)塊，block_chain表示交易區(qū)塊鏈，ic為驗(yàn)證碼。流程如下：

BEGIN

request record transaction；

/*節(jié)點(diǎn)Ex產(chǎn)生了新的交易，要求更新*/

transactionEx(ID,TS,request,t,m,n,a)

/*節(jié)點(diǎn)Ex產(chǎn)生了新的交易TS，ID為交易對(duì)象，t為時(shí)間戳，

m為合同金額，n為交貨名稱(chēng)，a為數(shù)量*/

abstract=SHA256(TS)

/*使用SHA256方法形成交易記錄TS的信息摘要*/

CMPpublic=Hash(CMPprivate)

/*云制造平臺(tái)生成自己的公鑰和私鑰*/

Expublic=Hash(Exprivate)

/*交易節(jié)點(diǎn)生成自己的公鑰和私鑰*/

primary=com(workload)

/*根據(jù)共識(shí)機(jī)制，選出記賬節(jié)點(diǎn)*/

block=comb(Ex,abstract) by primary

/*記賬節(jié)點(diǎn)將新

交易信息摘要組合成一個(gè)新的區(qū)塊，ic為驗(yàn)證碼，t為時(shí)間戳*/

block_chain=comp(block,X,ic,t) by primary

/*記賬節(jié)點(diǎn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)X的區(qū)塊值，ic為驗(yàn)證碼，t為時(shí)間戳*/

MS=broadcast(block) by primary

/*授權(quán)節(jié)點(diǎn)利用P2P技術(shù)將新區(qū)塊向全網(wǎng)廣播*/

if MS is received

/*如果節(jié)點(diǎn)收到了消息*/

No.= count(MS)

/*記錄節(jié)點(diǎn)收到信息的數(shù)量*/

if the NO.>=N for any node

/*如果任意

節(jié)點(diǎn)收到的信息數(shù)量在N個(gè)以上,N與系統(tǒng)容錯(cuò)數(shù)有關(guān)*/

then updating for every node(X,block)

/*所有節(jié)點(diǎn)更新節(jié)點(diǎn)X的新區(qū)塊值*/

else give up

/*否則，放棄更新*/

END

3.3 區(qū)塊鏈信息驗(yàn)真流程

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)驗(yàn)真業(yè)務(wù)流程比較簡(jiǎn)單，各主體發(fā)送查詢(xún)請(qǐng)求，即可查詢(xún)得到結(jié)果，其流程如圖6所示。用E1表示企業(yè)A的記錄節(jié)點(diǎn)，E2表示企業(yè)B的記錄節(jié)點(diǎn)，t表示交易時(shí)間，block表示數(shù)據(jù)區(qū)塊，E2public表示E2的公鑰對(duì)，abstract為信息摘要，cr表示完整交易記錄。流程為：

BEGIN

query(A, B,t,TS)

/*企業(yè)A查詢(xún)企業(yè)B在時(shí)間t是否存在某次交易TS*/

E1=node(A)

/*企業(yè)A所擁有的記錄節(jié)點(diǎn)為E1*/

E2=inform_node(B)

/*企業(yè)B告知A，E2為其記錄節(jié)點(diǎn)*/

block=query_block(E1,t,E2,TS)

/*在節(jié)點(diǎn)E1的交易

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)?cè)跁r(shí)間t存在的E2節(jié)點(diǎn)交易的數(shù)據(jù)區(qū)塊*/

abstract =obtain_ abstract(E1,block)

/*獲取E2的交易信息摘要*/

decrypt(E2public,abstract)

/*利用E2的公鑰對(duì)信息摘要進(jìn)行解密*/

cr=complete_record(B)

/*企業(yè)B提供交易完整記錄cr*/

abs=SHA256(E1,cr)

/*企業(yè)A利用SHA256對(duì)cr運(yùn)算*/

compare(abstract,abs)

/*比較計(jì)算后的結(jié)果和上一步解密后的結(jié)果*/

validate(A,B,Other,account_inform)

/*企業(yè)A

驗(yàn)證在該次交易中和企業(yè)B相關(guān)的其他企業(yè)的記賬信息*/

END

圖4 區(qū)塊鏈的交易流程

圖5 區(qū)塊鏈信息記錄流程

圖6 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)驗(yàn)真業(yè)務(wù)流程

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)行云制造平臺(tái)系統(tǒng)中信息孤島、信任度低和用戶(hù)隱私保護(hù)等痛點(diǎn)，充分利用了區(qū)塊鏈的中心化、開(kāi)發(fā)共識(shí)、去信任和匿名性、集體維護(hù)、不可篡改、可追溯性和可編程的智能合約等技術(shù)特點(diǎn)，提出了基于雙鏈架構(gòu)的云制造系統(tǒng)架構(gòu)模型的構(gòu)想，詳細(xì)設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈交易的信息記錄與查詢(xún)驗(yàn)真機(jī)制，提出了一種云制造平臺(tái)上利用區(qū)塊鏈交易的新思路，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)中關(guān)鍵問(wèn)題。下一步工作將根據(jù)該架構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)出系統(tǒng)原型，逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，同時(shí)解決諸如區(qū)塊鏈交易響應(yīng)速度滯后、交易安全與隱私保護(hù)等問(wèn)題，希望最終能實(shí)際推廣使用。