基于區塊鏈跨鏈的供應鏈信息共享方法

南方電網物資有限公司 夏肇元 程文美 劉菲 李榮

利用區塊鏈技術進行供應鏈管理及信息共享是近年來的研究熱點。由于各供應鏈或供應鏈中各企業所采用的區塊鏈大都是聯盟鏈或私有鏈,無法進行互操作及信息共享,形成了一座座信息孤島。針對區塊鏈跨鏈情況下的供應鏈信息共享問題,本文設計了側鏈與聯盟鏈雙層跨鏈模型,并設計了公證人機制來實現側鏈與聯盟區塊鏈之間的共識,提出了隱私信息保護策略和信息共享激勵機制,并通過仿真實驗驗證了本文方法的有效性。

0 引言

供應鏈是指圍繞核心企業,從配套零件開始,制成中間產品以及最終產品,最后由銷售網絡把產品送到消費者手中,將供應商、制造商、分銷商直到最終用戶連成一個整體的功能網鏈結構。隨著全球經濟一體化的不斷發展,各國及各經濟組織間的合作越來越普遍,供應鏈中涉及的供應商、制造商、分銷商等企業數量眾多、分布范圍也很廣。如何對供應鏈進行全過程高效管理是各企業面臨的一大問題。早期,各企業通常利用供應鏈管理系統進行供應鏈管理。但是,傳統的供應鏈管理系統是集中式結構,系統的管理員可修改數據,從而導致信任問題。此外,集中式系統還容易出現單點故障,受到內部攻擊等。

2008年,Satoshi Nakamoto提出了區塊鏈的概念,立即受到了多個領域學者的關注。區塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新賬本數據、利用密碼學方式保證數據傳輸和訪問安全、利用智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎,具有分布式共享、非篡改、數據可追溯的特點。

區塊鏈跨鏈技術是實現各區塊鏈之間互聯互通和信息共享的重要技術途徑。然而,目前已有的跨鏈方案主要是為金融領域設計的。針對供應鏈中區塊鏈跨鏈信息共享問題,本文設計了雙層跨鏈模型,設計了公證人機制來實現側鏈與聯盟區塊鏈之間的共識,提出了隱私信息保護策略和信息共享激勵機制,并通過仿真實驗驗證了本文方法的有效性。

1 相關工作

邵奇峰等人[1]從交易流程、區塊鏈網絡、共識機制、區塊鏈數據、智能合約、隱私保護幾方面闡述了企業級區塊鏈的原理與技術,并總結了企業級區塊鏈的未來發展趨勢。朱興雄等人[2]提出基于區塊鏈技術由供應鏈各方搭建聯盟鏈,開展供應鏈金融、精準營銷等業務,可提高金融領域的服務效率。張志威等人[3]總結了區塊鏈數據管理技術,包括從區塊鏈數據存儲、區塊鏈事務處理、區塊鏈查詢處理、區塊鏈可擴展性等方面。Wen等人[4]提出了一種基于區塊鏈的供應鏈結構,提供了供應鏈中不同實體之間的協作解決方案以及一種面向供應鏈的細粒度數據共享方案,保證了供應鏈數據的可靠性和供應鏈的隱私保護。葛琳等人[5]提出了一種基于區塊鏈的物聯網信息共享安全機制,采用了數據區塊鏈和交易區塊鏈相結合的雙鏈模式:在數據區塊鏈中實現數據的分布式存儲和防篡改,在交易區塊鏈中實現資源和數據交易,提升了交易效率,并實現了隱私保護。Jiang等人[6]提出了物聯網數據管理的跨鏈集成解決方案,構建了一個跨鏈交互的分散訪問模型,設計了一種用于在側鏈和聯盟區塊鏈之間保護物聯網數據隱私的數據訪問控制協議。綜上所述,已有工作主要集中在單一區塊鏈的數據管理與數據共享,以及物聯網領域的跨鏈數據管理,關于在區塊鏈跨鏈情況下的供應鏈信息共享問題,目前還缺乏有效的方法。

2 本文方法

本節首先介紹本文所采用的跨鏈體系結構,然后分別介紹為了實現跨鏈數據共享所采用的關鍵技術,包括共識機制、隱私信息保護和信息共享激勵機制。

2.1 跨鏈體系結構

本文采用雙層跨鏈模型來集成多個供應鏈區塊鏈,如圖1所示。該模型的底層是聯盟區塊鏈,可作為控制站運行(本文采用Hyperledge Fabric作為聯盟區塊鏈);模型的上層是各個側鏈,每個側鏈都是一個供應鏈區塊鏈。聯盟區塊鏈通過公證人節點與各側鏈相連。當供應鏈較多時,或者隨著時間的增加,供應鏈所產生的數據量也不斷增加。在區塊鏈上存儲數據是非常昂貴的,為了高效存儲這些數據,本文采用IPFS作為數據存儲的分布式存儲系統。聯盟區塊鏈和側鏈都通過公證人節點連接到IPFS。

圖1 雙層跨鏈模型Fig.1 Two-layer cross-chain model

2.2 共識機制

共識機制是實現區塊鏈跨鏈的關鍵問題。本文設計了一種公證人機制,來實現側鏈與聯盟區塊鏈之間的共識。

在圖1中,聯盟區塊鏈和側鏈間通過公證人節點連接,這些公證人節點形成了一個網絡,可以充當不同區塊鏈系統的網關。跨鏈網關負責讀取鏈上的信息并對跨鏈事務進行路由。公證人網絡通過投票機制確認每個跨鏈交易,當網絡中超過2/3的公證人簽名時確認該交易。圖2所示顯示了通過公證人網絡的兩個區塊鏈系統之間的數據流。只有公證人節點驗證的交易才會通過網關傳輸到目標區塊鏈。

圖2 基于公證人節點網關的共識機制Fig.2 Consensus mechanism based on the notary's node gateway

具體來說,在圖2中,當發生跨鏈交易或數據交互時,主要進行如下三個步驟:(1)源區塊鏈將跨鏈交易提交到網關中的公證人節點;(2)公證人節點驗證并對交易簽名;(3)網關在收集2/3以上公證節點的簽名后路由和轉發該交易事務。

2.3 隱私信息保護

供應鏈涉及多個環節或企業,每個環節都會產生很多信息,其中某些信息可能會涉及商業隱私或商業秘密,所以每個企業愿意共享的信息是有限制的。本文將供應鏈中可進行共享的信息分為如下5類:庫存、成本、需求、質量、其他信息。其中庫存信息包括庫存能力和當前庫存量,成本信息包括原材料成本、人工成本、交易成本等,需求信息包括當前訂單需求、預期訂單需求、已銷售數據等,質量信息包括生產規格、產品參數等,其他信息包括除上述信息之外的其他產品相關屬性信息。針對上述5類隱私信息,用戶可以生成5個對應密鑰,并通過MD5進行加密后保存到區塊鏈上。

隱私信息所有者可對允許訪問該隱私信息的用戶進行授權。在進行用戶授權時,首先選擇該用戶允許訪問的隱私信息類別,然后設定2.4節所描述的激勵積分數量(可根據系統協議自動設定,也可雙方協商設定),最后用信息需求用戶的公鑰把該用戶所需信息類別對應的密鑰發送給該用戶。

2.4 信息共享激勵機制

供應鏈涉及企業較多,各企業處于供應鏈的上下游不同位置,或者各供應鏈之間有單向的供給依賴關系,這就使得不同企業對于信息共享的意愿不同。為了鼓勵供應鏈各企業積極參與信息共享,本文設計了信息共享激勵機制。在隱私信息被其他區塊鏈或同一區塊鏈內的其他企業訪問后,提供隱私信息的一方將收到約定數量的積分作為補償,以提高其信息共享的主動性。

3 實驗結果

本節對上節提出的跨鏈體系結構及相應的策略機制進行實驗驗證。本文基于Hyperledger Fabric構建了聯盟區塊鏈,并在VultrVPS上部署了4個節點作為公證人節點,并組成公證人節點網關。每個節點的配置為:英特爾I7-11700K處理器,8核,主頻3.6GHz;內存為DDR4 3200MHz 32GB。在每個測試中,本文通過Hyperledger Fabric提供的API生成并發送5000個事務(均為共享數據查詢事務)。本文測試了不同發送率下系統的延遲和吞吐率(單位為TPS,即每秒事務數),具體如表1所示:

表1 模擬實驗系統延遲及吞吐率Tab.1 Delay and throughput rate of simulation experiment system

可見,在該模擬環境下,本文設計的跨鏈體系結構及相應的策略機制可以有效處理區塊鏈跨鏈情況下的供應鏈信息共享。特別是當發送率不高時,本文方法尤為有效。

4 結語

由于區塊鏈技術具有分布式共享、非篡改、數據可追溯的特點,現已成為供應鏈管理重要技術手段。但是,各供應鏈或供應鏈中不同企業所采用的區塊鏈大都是聯盟鏈或私有鏈,都是獨立、封閉的網絡,各個區塊鏈之間難以互聯互通。為了解決現有供應鏈區塊鏈的信息孤島問題,本文設計了包含側鏈與聯盟鏈的雙層跨鏈模型,同時設計了公證人機制來實現側鏈與聯盟區塊鏈之間的共識;此外,為了保護用戶隱私并提高用戶信息共享的積極性,提出了隱私信息保護策略和信息共享激勵機制;最后通過仿真實驗驗證了本文方法的有效性。

引用

[1] 邵奇峰,張召,朱燕超,等.企業級區塊鏈技術綜述[J].軟件學報,2019,30(9):2571-2592.

[2] 朱興雄,何清素,郭善琪.區塊鏈技術在供應鏈金融中的應用[J].中國流通經濟,2018,32(3):111-119.

[3] 張志威,王國仁,徐建良,等.區塊鏈的數據管理技術綜述[J].軟件學報,2020,31(9):2903-2925.

[4] Quansi W,Ying G,Zhiling C,et al.A Blockchain based Data Sharing Scheme in The Supply Chain by IIoT[C].IEEE International Conference on Industrial Cyber Physical Systems,2019.

[5] 葛琳,季新生,江濤,等.基于區塊鏈技術的物聯網信息共享安全機制[J].計算機應用,2019,39(2):458-463.

[6] Yiming J,Chenxu W,Yawei W,et al.A Cross-Chain Solution to Integrating Multiple Blockchains for IoT Data Management[J].Sensors,2019,19(9):2042.