基于區(qū)塊鏈的食品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)雙鏈存儲優(yōu)化模型

高圣喬 劉新亮,3 高彥平

(1. 北京工商大學(xué)電商與物流學(xué)院，北京 100048；2. 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯技術(shù)及應(yīng)用國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

食品供應(yīng)鏈通常由監(jiān)管機(jī)構(gòu)監(jiān)管，上下游企業(yè)串聯(lián)而成，鏈上企業(yè)的數(shù)據(jù)都由企業(yè)自己維護(hù)，容易造成供應(yīng)鏈上的信息孤島[1-2]。由于商業(yè)競爭，上下游企業(yè)篡改、偽造信息十分常見，導(dǎo)致不同企業(yè)與消費(fèi)者之間的信息不對稱[3]。盡管中國很早就著手構(gòu)建追溯平臺，通過加大監(jiān)管力度，讓食品供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)透明，從而解決不對稱問題[4]，但企業(yè)中心化的管理方式存在著極大的信息自主權(quán)，無法保證信息的完整性和準(zhǔn)確性，同時還存在供應(yīng)鏈不同環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)難以統(tǒng)一，難以整合的問題，因此，信息不對稱問題一直未得到有效解決[5]。

隨著比特幣的持續(xù)升溫，區(qū)塊鏈因其去中心化和不可篡改的特性進(jìn)入人們視野[6]，區(qū)塊鏈的特性不僅可以有效解決當(dāng)前供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)中心化存儲帶來的諸多問題，同時也為跨機(jī)構(gòu)溯源提供技術(shù)支持[7-8]。但是，區(qū)塊鏈技術(shù)帶來諸多優(yōu)勢的同時也存在一些問題，最明顯的就是存儲膨脹：截至2020年1月，比特幣區(qū)塊鏈賬本總?cè)萘考s為220 GB，這一數(shù)字還在持續(xù)高速增加。比特幣全節(jié)點(diǎn)約有10 000個，這些節(jié)點(diǎn)提供的總?cè)萘扛哌_(dá)2 PB，卻只存儲了220 GB的數(shù)據(jù)。高昂的空間需求也造成了入網(wǎng)的巨大門檻，隨著數(shù)據(jù)的持續(xù)膨脹，能負(fù)擔(dān)得起的節(jié)點(diǎn)越來越少[9-10]。此外，由于共識算法的制約，一些交易確認(rèn)時間延長，導(dǎo)致性能也存在瓶頸[11]。為解決區(qū)塊鏈自身存儲膨脹以及性能低的問題，文章擬提出基于區(qū)塊鏈的食品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)雙鏈存儲優(yōu)化模型。利用區(qū)塊鏈的不可篡改和去中心化的特點(diǎn)，來解決食品供應(yīng)鏈存在的信息篡改和不對稱的頑疾；采取主鏈—摘要鏈模式緩解存儲膨脹；通過改進(jìn)的委托權(quán)益證明(Delegated Proof of Stake，DPoS)+拜占庭容錯(Byzantine Fault Tolerance，BFT)共識機(jī)制，配合候選節(jié)點(diǎn)信譽(yù)積分機(jī)制，提高交易吞吐量和性能，同時增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

1 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈的本質(zhì)是去中心化的分布式賬本[12]，運(yùn)用非對稱加密[13]、哈希函數(shù)、時間戳[14]、點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、共識機(jī)制等技術(shù)。區(qū)塊是存儲交易信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將其蓋上時間戳，首尾相連，形成有時間順序的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)就是區(qū)塊鏈。共識機(jī)制維護(hù)分布式一致性，使區(qū)塊數(shù)據(jù)不可篡改；哈希和非對稱加密等技術(shù)保證交易的安全可驗(yàn)證。

圖1是比特幣區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)：其本質(zhì)是一個單向鏈表，包含一個指向前驅(qū)區(qū)塊的指針；區(qū)塊頭中包含時間戳、版本號等信息，其中默克爾根連接了一棵記錄著所有交易的完全二叉樹，逐層哈希得到默克爾根[15]。

1.1 區(qū)塊鏈的技術(shù)特點(diǎn)

(1) 去中心化：區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中不存在中心化節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)是平等的。這是因?yàn)槠涞讓硬捎昧薖2P網(wǎng)絡(luò)(圖2)，節(jié)點(diǎn)間可以任意通信、交易，無需第三方審核[16]。

(2) 不可篡改：區(qū)塊按時間順序生成，通過前驅(qū)區(qū)塊的頭哈希連接。一旦交易被篡改，默克爾根和頭哈希都會改變，與后繼區(qū)塊的記錄不符，從而該區(qū)塊后的所有區(qū)塊都要重新共識，這需要全網(wǎng)大部分算力來重新完成工作量證明，因此數(shù)據(jù)幾乎無法被篡改。

圖1 比特幣中區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

(3) 性能低：網(wǎng)絡(luò)中一筆交易和每個新區(qū)塊都要通過全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證，為防止分叉導(dǎo)致的欺詐行為，一筆交易只有上鏈并在其上方累積若干區(qū)塊后，才被認(rèn)定完成。

(4) 存儲膨脹：用戶的不斷增加導(dǎo)致交易量日趨龐大，因此區(qū)塊數(shù)據(jù)量快速膨脹。由于不存在第三方可信機(jī)構(gòu)，信任構(gòu)建于完整的歷史交易，所以區(qū)塊鏈系統(tǒng)普遍面臨存儲瓶頸，準(zhǔn)入門檻高的問題。

1.2 共識機(jī)制

目前有幾大主流的共識算法：比特幣的工作量證明機(jī)制(Proof of Work，PoW)[17]；以太坊的權(quán)益證明機(jī)制(Proof of Stake，PoS)[18]；委托權(quán)益證明DPoS[19]以及實(shí)用拜占庭容錯機(jī)制(Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT)[20]。

DPoS通過社區(qū)投票選舉witness(見證人)節(jié)點(diǎn)記賬出塊。通過減小記賬節(jié)點(diǎn)數(shù)量，縮短區(qū)塊間隔，增加吞吐量。但其存在投票惰性、惡意賄賂等問題，且過分依賴社區(qū)自治，有中心化的風(fēng)險(xiǎn)。

PBFT主要用于聯(lián)盟鏈，由于主節(jié)點(diǎn)多次廣播，因此需要盡可能少的節(jié)點(diǎn)參與來保證效率。

2 食品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)雙鏈存儲優(yōu)化模型

鑒于食品供應(yīng)鏈現(xiàn)存的問題以及區(qū)塊鏈應(yīng)用的瓶頸，提出基于區(qū)塊鏈的食品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)雙鏈存儲優(yōu)化模型，模型的整體架構(gòu)見圖3。參與方包括食品供應(yīng)鏈的主要成員：消費(fèi)者、核心企業(yè)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)；產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分為鏈上和鏈下兩部分存儲；P2P網(wǎng)絡(luò)中依據(jù)參與方的功能進(jìn)行節(jié)點(diǎn)類型劃分；最底層是主鏈—摘要鏈的雙鏈存儲模式。

按區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)(如圖4)，將模型拆分成數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層和應(yīng)用層單獨(dú)設(shè)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層用于存儲食品供應(yīng)鏈產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈依賴分布式系統(tǒng)，單位存儲成本極高，模型根據(jù)數(shù)據(jù)的敏感程度和重要性，將其分為鏈上和鏈下存儲[21]：鏈上只存放敏感且重要的小型數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品信息、交易參與方信息、證書和憑證的哈希值等。哈希值是通過哈希函數(shù)對目標(biāo)內(nèi)容生成的固定長度以十六進(jìn)制表示，具有輸入敏感的特性，可驗(yàn)證數(shù)據(jù)一致性[22]。鏈下即為企業(yè)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)各自的數(shù)據(jù)庫，主要保存企業(yè)信息、產(chǎn)品信息、檢疫數(shù)據(jù)、證書及合同完整信息、轉(zhuǎn)賬裝載憑證等交易源數(shù)據(jù)、物流追溯信息等非敏感內(nèi)容。這樣可以很好地利用區(qū)塊空間，杠桿化區(qū)塊鏈的性能[23]。

2.1.1 食品供應(yīng)鏈交易信息結(jié)構(gòu) 區(qū)塊鏈上鏈的數(shù)據(jù)不可篡改，而要保證源頭可信則需其他技術(shù)，例如通過射頻識別(radio frequency identification，RFID)、物聯(lián)網(wǎng)等對加工生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時采集，確保源頭可信[24]。

圖4 區(qū)塊鏈?zhǔn)称饭?yīng)鏈體系分層結(jié)構(gòu)圖

為了更高效地存儲供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了如表1的全新交易信息結(jié)構(gòu)，對于某類食品，其在供應(yīng)鏈上流通所生成的交易信息包括但不限于：食品編號Id，食品名稱Name，操作信息(Operating Information，OI)，時間戳TimeStamp，交易參與方P，數(shù)字簽名Signp，源數(shù)據(jù)地址Url(s)，源數(shù)據(jù)哈希值Hash(s)，前一步驟地址Url(ls)，交易信息哈希值Hash(t)。

食品在供應(yīng)鏈經(jīng)過每一步驟都需負(fù)責(zé)人簽名。若超級節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)簽名及時定責(zé)，同時阻斷產(chǎn)品流通。源數(shù)據(jù)即為鏈下數(shù)據(jù)，提供地址和哈希值，確保未篡改；前一步交易信息地址用來回溯交易過程；提供整條交易哈希值供驗(yàn)證。每筆交易審核通過且上鏈即交易達(dá)成。

表1 交易信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.1.2 主鏈—摘要鏈區(qū)塊結(jié)構(gòu) 主鏈記錄全網(wǎng)的所有交易信息，為緩解存儲膨脹，在主鏈的基礎(chǔ)上生成摘要鏈，記錄主鏈部分信息以及系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。為適配食品供應(yīng)鏈，配合信譽(yù)積分機(jī)制，模型對區(qū)塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。如圖5所示，主鏈區(qū)塊頭新增了區(qū)塊生產(chǎn)者簽名。

如圖6所示，摘要鏈區(qū)塊頭除主鏈區(qū)塊頭內(nèi)容外，還包括對應(yīng)主鏈區(qū)塊高度、數(shù)量。區(qū)塊體包含：主鏈區(qū)塊高度、頭哈希、默克爾根；該輪超級節(jié)點(diǎn)信譽(yù)積分變動情況。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證規(guī)則、不同角色以及競爭記賬權(quán)的規(guī)則。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)搭建與節(jié)點(diǎn)類型 食品供應(yīng)鏈包含監(jiān)管機(jī)構(gòu)、核心企業(yè)及消費(fèi)者等參與者。首先由監(jiān)管機(jī)構(gòu)組建P2P許可區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，其他參與者需申請入網(wǎng)。為避免女巫攻擊，申請時需提供相應(yīng)的營業(yè)許可、檢疫記錄、法人信息等，通過監(jiān)管機(jī)構(gòu)CA認(rèn)證(Certificate Authority)。通過后會授予數(shù)字證書和公私鑰，允許參與交易[25]。

圖5 主鏈區(qū)塊結(jié)構(gòu)圖

圖6 摘要鏈區(qū)塊結(jié)構(gòu)圖

節(jié)點(diǎn)按功能分為3類：超級節(jié)點(diǎn)、候選節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。

超級節(jié)點(diǎn)是區(qū)塊鏈記賬節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)驗(yàn)證交易、生成賬本并維護(hù)一致性；超級節(jié)點(diǎn)分常任和輪換兩種：組建網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)為常任超級節(jié)點(diǎn)；其他參與者競爭輪換超級節(jié)點(diǎn)。超級節(jié)點(diǎn)數(shù)目固定。

候選節(jié)點(diǎn)從全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選出，作為超級節(jié)點(diǎn)的候選域；候選節(jié)點(diǎn)意味著有意愿參與全網(wǎng)共識過程，履行維護(hù)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的義務(wù)，并保存主鏈賬本數(shù)據(jù)；候選節(jié)點(diǎn)根據(jù)信譽(yù)積分機(jī)制競爭超級節(jié)點(diǎn)。詳見2.2.3。

普通節(jié)點(diǎn)僅參與交易，不參與共識過程。無需保存主鏈數(shù)據(jù)，只需記錄摘要鏈。供應(yīng)鏈成員在認(rèn)證入網(wǎng)后，可以根據(jù)自身需求，選擇成為候選節(jié)點(diǎn)或普通節(jié)點(diǎn)。

2.2.2 交易廣播及驗(yàn)證 參與方對交易簽名并轉(zhuǎn)發(fā)給臨近的超級節(jié)點(diǎn)，超級節(jié)點(diǎn)先利用公鑰驗(yàn)證數(shù)字簽名，然后利用哈希值驗(yàn)證交易內(nèi)容是否被篡改。驗(yàn)證無誤后加入本地交易池，并轉(zhuǎn)發(fā)給其他超級節(jié)點(diǎn)。

以s(source)代表源數(shù)據(jù)，SN(SuperNode)代表超級節(jié)點(diǎn)。偽代碼：

算法1 超級節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證交易

Input：交易數(shù)據(jù)t(transaction)

Output：void

1) boolean flag1=SN.check(Signp);//驗(yàn)證交易簽名

2) s=SN.getSource(Url(s));//通過地址獲取源數(shù)據(jù)

3) boolean flag2=Hs==Hash(s)?true:false;//驗(yàn)證源數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

4) boolean flag3=Ht==Hash(t)?true:false;//驗(yàn)證交易數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

5) If(flag1 && flag2 && flag3)

6) SN.SendtoAll(t);//發(fā)送給其他超級節(jié)點(diǎn)

7) SN.addToLocal(t);//加入本地交易池

8) else:

9) SN.SendtoSupVision();//發(fā)送給監(jiān)管部門確權(quán)定責(zé)

2.2.3 信譽(yù)積分機(jī)制 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，若選擇候選節(jié)點(diǎn)，則會得到初始積分。經(jīng)過不同的行為，分?jǐn)?shù)會產(chǎn)生變化，詳見表1。根據(jù)預(yù)設(shè)的超級節(jié)點(diǎn)數(shù)量，系統(tǒng)會按照積分降序從候選節(jié)點(diǎn)中補(bǔ)齊輪換超級節(jié)點(diǎn)。若候選節(jié)點(diǎn)積分相同，則參考達(dá)成的有效交易數(shù)量。每輪雙鏈共識完成后，根據(jù)積分實(shí)時替換超級節(jié)點(diǎn)：積分不足者成為候選節(jié)點(diǎn)，積分高者頂替其位置。

2.3 共識層

2.3.1 改進(jìn)的DPoS+BFT共識機(jī)制 傳統(tǒng)的DPoS共識機(jī)制存在投票惰性，惡意賄賂，過度依賴社區(qū)自治等問題，節(jié)點(diǎn)投票率僅為40%[26]。因懲罰機(jī)制不完善，作惡成本低，惡意節(jié)點(diǎn)甚至采取賄賂手段爭取記賬權(quán)，損害公平性的同時，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成巨大威脅。此外，DPoS中區(qū)塊不可逆的條件是該區(qū)塊上方累積2/3*見證節(jié)點(diǎn)個區(qū)塊，導(dǎo)致交易確認(rèn)時間非必要延長，造成性能瓶頸；共識過程取消了全網(wǎng)驗(yàn)證，系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到弱化，更易受攻擊或出現(xiàn)分叉。

該模型采用候選節(jié)點(diǎn)信譽(yù)積分機(jī)制，舍棄DPoS的投票機(jī)制，規(guī)避了惡意節(jié)點(diǎn)的行為以及社區(qū)投票惰性。根據(jù)候選節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)運(yùn)行期間的累積信譽(yù)積分，選出對系統(tǒng)貢獻(xiàn)最大的n個超級節(jié)點(diǎn)，參與記賬出塊。信譽(yù)積分由節(jié)點(diǎn)平時交易等行為積累，因此超級節(jié)點(diǎn)都是系統(tǒng)的

表2 候選節(jié)點(diǎn)積分細(xì)則

最大權(quán)益節(jié)點(diǎn)，維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定的同時保護(hù)自身利益。BFT算法根據(jù)當(dāng)前視圖編號v計(jì)算出主節(jié)點(diǎn)，將客戶端請求發(fā)給不同的副本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，判斷副本節(jié)點(diǎn)返回消息數(shù)量，當(dāng)即決定請求是否通過。這一點(diǎn)彌補(bǔ)了DPoS的缺陷，區(qū)塊驗(yàn)證更充分，省去了區(qū)塊上鏈到不可逆的過程，從而縮短交易確認(rèn)時間，性能得到提高。因此該模型形成改進(jìn)的DPoS+BFT共識機(jī)制，雙鏈共識流程圖如圖7。

2.3.2 主鏈及摘要鏈生成 經(jīng)上述步驟即生成主鏈區(qū)塊，由所有超級節(jié)點(diǎn)參與共識而成。

以bi表示第i個副本節(jié)點(diǎn)，m為區(qū)塊內(nèi)容，P表示主節(jié)點(diǎn)，v表示視圖編號。偽代碼表示：

算法2 生成主鏈區(qū)塊

Input：N(本輪超級節(jié)點(diǎn)集合)；t(交易數(shù)據(jù)集合)

Output：主鏈區(qū)塊

1) While(!N.isEmpty()) do//存在超級節(jié)點(diǎn)未提議區(qū)塊

2)v=0;//進(jìn)入初始視圖

3)P=N.getRandom() //隨機(jī)選取主節(jié)點(diǎn)

4)m=p.CreateBlock(T)//從本地交易池打包區(qū)塊

5) p.Sign(m)//生產(chǎn)者簽名

6) Dm=p.Hash(m);//計(jì)算區(qū)塊摘要

7) req=p.generate(view,Dm,m);//打包消息

8) p.SendtoAll(req);//發(fā)送request消息

9) for biin N: //Backup節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證:

10) If(check(sign)&&(Dm==Hash(m)))

11) return resp;//返回response消息

圖7 雙鏈共識流程圖

12) else:

13) return change;//返回更換視圖消息

14) forbiin N: //超級節(jié)點(diǎn)判斷response:

15) If(!(check(resp)&&(resp>2/3)) || change>2/3) //驗(yàn)證內(nèi)容和數(shù)量

16) addBlock(m);//上鏈,等待下次共識

17) else:

18) view++;//更換視圖

19) PointChange();//積分變更

20) end while;

摘要鏈生成周期和主鏈一致，主鏈經(jīng)過一輪共識生成不大于超級節(jié)點(diǎn)個數(shù)n個區(qū)塊，摘要鏈生成一個區(qū)塊。摘要鏈同樣采用改進(jìn)的DPoS+BFT共識機(jī)制，據(jù)式(1)選出主節(jié)點(diǎn)，打包摘要區(qū)塊，重復(fù)一輪共識過程，若成功則本輪摘要鏈出塊結(jié)束；否則，發(fā)起更換視圖請求，重新選取主節(jié)點(diǎn)打包區(qū)塊。

DigestP=(v+Tstamp)modn，

(1)

式中：

DigestP——下輪超級節(jié)點(diǎn)編號；

v——視圖編號；

Tstamp——時間戳，ms；

n——主鏈超級節(jié)點(diǎn)編號。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是監(jiān)管機(jī)構(gòu)、食品企業(yè)以及消費(fèi)者的前端入口，用戶可以訪問企業(yè)和監(jiān)管部門的網(wǎng)站查詢數(shù)據(jù)。還包含基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈追溯Web應(yīng)用，提供用戶交互功能，包括數(shù)據(jù)查詢、追溯等業(yè)務(wù)。消費(fèi)者的商品到手后，可憑借其產(chǎn)品Id進(jìn)行溯源信息查詢，過程源數(shù)據(jù)對消費(fèi)者可見。

雖然區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)是公開的，但是針對企業(yè)之間惡意競爭問題，為數(shù)據(jù)設(shè)置訪問權(quán)限：所有交易信息均通過公鑰加密，需私鑰解鎖查看；在應(yīng)用層的訪問端口，未經(jīng)授權(quán)的用戶無法查詢交易商品的源數(shù)據(jù)、企業(yè)信息等敏感數(shù)據(jù)。

3 仿真試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

利用以太坊部署食品供應(yīng)鏈雙鏈模型，模擬110個節(jié)點(diǎn)，包括監(jiān)管節(jié)點(diǎn)10個，核心企業(yè)95個，消費(fèi)者組織5個，在本地局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多機(jī)互聯(lián)。為便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集，開始前在企業(yè)節(jié)點(diǎn)部署源數(shù)據(jù)，模擬生產(chǎn)、加工、屠宰、運(yùn)輸?shù)炔煌A段的數(shù)據(jù)，通過不同的url記錄訪問地址。設(shè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每5 s隨機(jī)發(fā)生交易，單個節(jié)點(diǎn)每筆交易量為1。設(shè)超級節(jié)點(diǎn)個數(shù)為23個。試驗(yàn)相關(guān)環(huán)境和參數(shù)如表3。

試驗(yàn)過程中會生成兩條鏈，表4截取了摘要鏈的部分區(qū)塊數(shù)據(jù)，反映雙鏈結(jié)構(gòu)以及兩條鏈之間的關(guān)聯(lián)。

3.2 模型性能分析

3.2.1 存儲性能分析 試驗(yàn)選取了兩個指標(biāo)來衡量存儲性能，分別是存儲增長率(Storage growth rate，SGR)，以及存儲利用率(Storage utilization rate，SUR)。存儲增長率指的是單位時間內(nèi)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)量的增長，如式(2)；存儲利用率指的是單位存儲空間中，包含的有效交易個數(shù)，如式(3)。

表3 試驗(yàn)環(huán)境和參數(shù)表

表4 摘要鏈區(qū)塊部分?jǐn)?shù)據(jù)表

(2)

式中：

RSG——存儲增長率，MB/s；

Sizet1——t1時間區(qū)塊鏈大小，MB；

Sizet2——t2時間區(qū)塊鏈大小，MB；

Δt——時間增量，s。

(3)

式中：

RSU——存儲利用率，筆/MB；

Δtransaction——交易增量，筆；

Δsize——區(qū)塊鏈大小增量，MB。

選取系統(tǒng)運(yùn)行20，40，60，80，100，120 min的時間點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)主鏈和摘要鏈的大小，得到的對比數(shù)據(jù)如表5。首先，共識機(jī)制決定了兩條鏈存儲增速比較穩(wěn)定，但摘要鏈占用空間同比遠(yuǎn)低于主鏈，僅為主鏈的1/20左右。且通過計(jì)算，摘要鏈的存儲增長率明顯低于主鏈，增速緩慢。這得益于摘要鏈的生成機(jī)制，幾乎沒有冗余。說明普通節(jié)點(diǎn)的存儲壓力較低，證明了模型入網(wǎng)門檻低的優(yōu)勢。

為了驗(yàn)證模型的SUR，選取文獻(xiàn)[25]中的水產(chǎn)品追溯區(qū)塊鏈作對比試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境和條件均設(shè)為相同，包括節(jié)點(diǎn)數(shù)、交易時間間隔和單次交易量等參數(shù)。交易達(dá)到不同數(shù)量時，分別記錄兩個模型區(qū)塊鏈大小，并計(jì)算SUR。統(tǒng)計(jì)的交易次數(shù)為100 000的整數(shù)次，共統(tǒng)計(jì)6次，對比結(jié)果如圖8。通過式(3)計(jì)算出模型主鏈SUR為877.96 筆/MB，水產(chǎn)品追溯區(qū)塊鏈SUR為790.51 筆/MB；主鏈要好于水產(chǎn)品追溯鏈，說明相同大小的區(qū)塊數(shù)據(jù)中，主鏈包含更多有效交易。這得益于全新的交易信息結(jié)構(gòu)以及鏈上鏈下存儲模式，不存在冗余和較大的源數(shù)據(jù)。

3.2.2 系統(tǒng)性能分析 試驗(yàn)選取兩種指標(biāo)來衡量模型的性能，一是吞吐量(Transaction Per Secod，TPS)，指模型在單位時間內(nèi)能夠處理請求的數(shù)量，是衡量模型解決短時間高并發(fā)問題能力的重要指標(biāo)，如式(4)。二是平均交易確認(rèn)時長，即一筆交易從廣播到上鏈不可逆所需時間。

(4)

式中：

表5 主鏈摘要鏈占用空間對比

圖8 區(qū)塊鏈存儲利用率對比圖

TPS——每秒交易數(shù)量，筆/s；

Δtransaction——交易增量，筆；

Δt——時間增量，s。

TPS方面，模型的改進(jìn)DPoS+BFT共識機(jī)制，配合信譽(yù)積分機(jī)制，通過試驗(yàn)獲取的交易數(shù)量與運(yùn)行時間，計(jì)算出TPS為185.4 筆/s。為證明模型效率方面的優(yōu)勢，選取相對成熟的共識機(jī)制對比，結(jié)果如圖9。PoW中設(shè)置挖礦隨機(jī)數(shù)解為以5個0開頭的8位十六進(jìn)制數(shù)，由于全網(wǎng)參與廣播和工作量證明，吞吐量僅為6～7 筆/s；PoS難度值與PoW相同，由于幣齡的加權(quán)，所需工作量更小。由于出塊間隔和交易確認(rèn)條件未發(fā)生變化，其TPS表現(xiàn)與PoW接近，前兩者都無法支持短時間高并發(fā)交易。后兩者的表現(xiàn)明顯好于前兩者，PBFT由于每次切換視圖前對請求作出判斷，確認(rèn)時間短，提升了吞吐量；模型的共識機(jī)制在請求確認(rèn)的處理方面加以改進(jìn)，能一直保持較低的確認(rèn)時限，維持較高的吞吐量。

圖10對比了DPoS、PBFT和試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸沧R機(jī)制中，不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的交易確認(rèn)時長。分別模擬40，60，80，100，120個節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的情況，測試出一筆交易從產(chǎn)生到上鏈的平均時間。由圖10可知，DPoS中隨著節(jié)點(diǎn)的增加，見證節(jié)點(diǎn)隨之增加，而達(dá)到不可逆需要大于2/3的見證節(jié)點(diǎn)出塊，因此交易確認(rèn)時間也在增加。PBFT中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)個數(shù)保持在100以內(nèi)時，表現(xiàn)良好，而一旦超過100，消息傳播會受制于網(wǎng)絡(luò)帶寬，無法達(dá)到最佳速度。相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，模型的超級節(jié)點(diǎn)個數(shù)會隨全網(wǎng)用戶數(shù)量的增加而改變，不過由于改進(jìn)了區(qū)塊不可逆的確認(rèn)條件，能夠使交易的確認(rèn)保持在一個穩(wěn)定的時間，性能隨節(jié)點(diǎn)增加一直保持在較高水準(zhǔn)。

圖9 4種共識機(jī)制TPS對比圖

圖10 3種共識機(jī)制交易確認(rèn)時長對比

4 結(jié)論

文章提出了食品供應(yīng)鏈雙鏈存儲優(yōu)化模型，在解決供應(yīng)鏈固有頑疾的同時，還對區(qū)塊鏈落地項(xiàng)目中普遍存在的低吞吐量、低性能、存儲膨脹等問題加以優(yōu)化解決。對于食品供應(yīng)鏈企業(yè)，為其提供極低的門檻，就能夠參與企業(yè)間的點(diǎn)對點(diǎn)交易，且能滿足企業(yè)對于高頻交易、快速確認(rèn)的需求，同時為企業(yè)數(shù)據(jù)安全和隱私提供保護(hù)；對于消費(fèi)者而言，模型滿足其購買食品的每一項(xiàng)數(shù)據(jù)安全可追溯，保證數(shù)據(jù)完整性、真實(shí)性。區(qū)塊鏈技術(shù)仍在高速發(fā)展中，下一步研究方向主要是線上交易、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南G失、延遲、重復(fù)或亂序問題，以及智能合約技術(shù)的引入研究。