基于區塊鏈的工業互聯網系統設計

袁夢思　賈子彥

摘要：為了解決工業數字化、自動化進程中的生產信息安全問題，保障生產質量，提高系統自動化運轉的能力，提出了區塊鏈與工業互聯網深度融合的概念。通過區塊鏈的去中心化、可信協作、不可篡改等固有優勢，利用Hyperledger Fabric平臺搭建一個工業互聯網系統，采用Raft算法以及智能合約實現節點共識以及流程設定，打造一個可信的第三方交流平臺，讓企業聯盟之間實現信息互通互聯。

關鍵詞：區塊鏈;工業互聯網;智能合約;鏈碼

中圖分類號：TP311.1? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）09-0083-03

1 引言

隨著全球范圍內新一輪科技革命和產業變革的蓬勃興起，以人工智能、大數據技術和物聯網等新一代信息技術為標志的新產業革命正在改變傳統制造業的運營模式和知識技術創新方式[1-3]。作為新一代信息技術與制造業深度融合的平臺，工業互聯網成為未來制造業發展的新引擎。

所謂工業互聯網，就是通過開放的網絡平臺，將原料供應商、生產線、倉庫、產品和客戶緊密地聯系起來，共享工業生產流程中的部分信息資源，以減少人力資源的應用，提升產品生產效率，降低生產成本。然而，現階段在同一條制造產業鏈上的企業的生產管理系統并不能實現互聯互通，產業鏈上下游數據不能共享。區塊鏈擁有可追溯和不可篡改等特點，具有可信協作以及隱私保護等技術優勢，能夠較好地實現上下游廠商之間數據的互聯互通，有效的保證工業互聯網的數據安全。因此，本文設計了一個基于區塊鏈的工業互聯網系統，通過Hyperledger Fabric平臺進行系統搭建、共識算法設計以及智能合約的制定，實現產業鏈的數據共享，解決工業互聯網引發系統安全、數據安全、隱私泄露、架構僵化、資源調度等多方面的問題[4]。

2 區塊鏈技術簡介

區塊鏈是一種數據以區塊為單位產生和存儲，并按照時間順序首尾相連形成鏈式結構，具有不可篡改、匿名性、去中心化、可追溯和無需信任基礎等特點[5-7]。其自帶的哈希算法和非對稱加密算法[8]也有效地保證了工業數據的真實性和安全性。各節點之間通過共識算法保證賬本的一致性，通過智能合約執行計算機協議，實現流水化操作。

按照開放程度，區塊鏈可以劃分公有鏈、私有鏈和聯盟鏈。其中，公有鏈的開放程度最高，任何人都可以加入公有鏈參與節點共識，成為公證人、參與者、使用者[9-10]。私有鏈不對外開放，僅供企業內部的人員使用，加入私有鏈的節點需要進行注冊和身份認證[11]。只有特定的聯盟成員才能加入聯盟鏈，共享利益和資源[12-13]。本文是為了上中下游產業鏈之間實現數據流通，屬于企業間的資源共享，故采用聯盟鏈來進行系統設計。

3 系統框架設計

3.1 框架設計

本系統主要涉及原材料供應商、生產廠家以及零售商三個方面的用戶。每個參與方在區塊鏈中都以一個組織的形式存在，可以根據實際情況設置若干節點，每個組織至少設置一個節點。同時，本系統引入了政府監測組織，可以實現高危（重點）行業的生產信息監測，比如對化工行業的原材料把控等。

如圖1所示，本文所涉及的組織之間通過不同的通道進行信息傳達與交流。政府監測組織始終參與區塊鏈的共識，活躍于每一條通道中。原材料供應商將商品種類、生產日期以及庫存儲備數量等信息上傳到區塊鏈中，政府監測組織與生產廠家可以在通道1中查詢相關信息，生產廠家根據其需要的材料種類以及數量等進行產品選購。在采購協議達成一致之后，商家庫存儲備量以及生產廠家的原料儲備量都會發生相應的改變，交易信息上傳至區塊鏈。與此類似，生產廠家將成品的相關信息上傳到區塊鏈中，政府監測組織與零售商在通道2中查詢有關信息，零售商也能夠根據生產廠家成品的類型以及數量進行產品選購，交易信息上傳至區塊鏈。通道3是政府監測組織與零售商的一個單獨交流通道，可以查詢零售商商品信息的實時變化。

3.2 軟件架構

根據上文所述系統框架，軟件架構可以分為基礎層、數據層和應用層三個部分，如圖2所示。

基礎層是Hyperledger Fabric的框架，主要是由一些底層代碼組成，編寫了區塊鏈的基本機構;數據層主要包括了分布式賬本數據的存儲，節點權限的管理以及共識算法和智能合約的部署;應用層則是對鏈碼功能的調用，包括賬本初始化、賬本讀取、賬本更新、交易信息錄入等。各方參與者通過不同的API接口接入區塊鏈，向應用層發起請求，應用層將請求轉發至數據層，查詢節點權限，根據智能合約設定的流程讀取并更新賬本，完成區塊鏈的交互工作。

4 基于區塊鏈的工業互聯網監測系統設計

本文采用Hyperledger Fabric平臺來實現系統搭建，以STM32單片機系統的生產為例進行工業互聯網監測系統設計。

4.1 工業互聯網系統設計

以STM32單片機系統的生產為例，對工業互聯網系統進行設計。由于STM32屬于普通商品，不需要政府部門進行監測，因此在該例證中不引入政府監測組織。區塊鏈的參與方分別為原材料供應商（Org1）、單片機系統生產商（Org2）以及產品零售商（Org3）。每一個組織下設3個節點來模擬賬本的錄入、更新以及查詢等。

在本系統中，Org1、Org2、Org3之間通過2個不同的通道進行信息交互。通道1中部署鏈碼chaincode1，主要負責Org1、Org2之間的信息交互;通道2中部署鏈碼chaincode2，負責Org2、Org3之間的業務交流。

通道1中的信息涉及原材料采購的問題。STM32單片機的生產主要涉及30種原材料，包括6款普通電阻、1款線繞電阻、2款鉭電容、3款陶瓷電容、3款二極管、2款LED燈、1款電感、2款晶振、1款電池、1款液晶屏以及8款芯片。因此，在通道1中部署的鏈碼chaincode1需要將以上30個參數融入賬本設計中。具體而言，chaincode1需要實現以下幾種功能：

1）initAsset（）：該功能是對區塊鏈賬本的一個初始化，原材料供應商錄入不同倉庫存放的材料數量，同時自動生成對應的時間戳。

2）readAsset（）：該功能是對賬本信息的一個讀取，通過唯一標識的參數（本系統中為倉庫地點）對應到具體的賬本信息。readAsset（）函數執行過程中沒有數值輸出，一般都與updateAsset（）、transferAsset（）等函數聯合調用，不單獨使用。

3）updateAsset（）：該功能是對賬本的一個更新，原材料供應商將一段時間內原材料生產的數量錄入到賬本中，生成對應的時間戳。

4）transferAsset（）：該功能是對商品交易的賬本記錄，根據客戶需求，調撥相應的產品，如果產品數量不足，則會產生報警，交易無效;交易成功則將交易后的產品余量以及交易對象一同錄入到區塊鏈中，并生成對應的時間戳。

5）queryAssets（）：該功能是對賬本信息的查詢，針對輸入的參數，輸出給定對應的查詢結果。如輸入參數為Address1，則返回Address1對應的賬本信息。

鏈碼chaincode2與chaincode1類似，與之不同的是存儲的賬本信息分別為STM32單片機系統的生產信息以及零售信息。此外，chaincode2還對transferAsset（）函數做了一些改變，將transferAsset（）分為了購入transferinAsset（）和售出transferoutAsset（）兩個部分：

1）transferinAsset（）：該功能是產品購入時的交易記錄，在庫存少于一定數量時，系統則發送通知提醒材料購入。購入成功后，產品數量會發生相應的改變，同時記錄購入的廠家名稱，并生成對應的時間戳。

2）transferoutAsset（）：該功能是產品售出時的交易記錄，在產品庫存少于一定數量時，系統則會發送信息提醒補入;當客戶購入數量超過庫存數量時，則交易不成功，產生報警;若是交易成功，則產品數量自動改變，連同客戶名稱一起記錄到區塊鏈中，生成對應的時間戳。

4.2 工業互聯網監測系統的測試

在工業互聯網監測平臺搭建成功之后，在通道1、2中分別部署chaincode1、chaincode2，并對其功能進行測試。運行腳本文件，并創建名稱為channel1、channel2的兩個通道，將3個組織（Org1、Org2、Org3）分別加入不同的通道中，啟用couchdb數據庫來存儲賬本信息。鏈碼1是針對Org1（原料生產商）和Org2（生產公司）編寫的智能合約。在通道1中部署鏈碼1，并將鏈碼安裝到Org1的管理者節點上，讓其他節點同意該鏈碼的定義，方便共識工作展開。鏈碼安裝完成之后，對鏈碼進行初始化，以通道中某節點的身份去啟動鏈碼，調用鏈碼中的相關函數，完成交易以及賬本信息的查詢。

圖3是對賬本信息的初始化，以杭州為例，上傳倉庫地址及其存儲的各類原材料數量;圖4是對倉庫中材料數量更新的查詢，結果無誤;圖5是對原材料的交易，對比交易前后的原材料數量變化可知，交易成功。

鏈碼2是針對Org2（產品生產商）、Org3（產品零售商）編寫的智能合約，部署在通道2中，安裝在Org2的管理者節點上。在其他節點上認證鏈碼2的定義并提交鏈碼定義至通道，完成初始化，為區塊鏈賬本的正常運行提供前期保障。

在鏈碼2初始化完成之后，以Org2管理者節點的身份進行賬本信息初始化、交易信息記錄以及鏈碼信息查詢。

如圖6所示，對賬本信息進行初始化，錄入生產者倉庫地點、剩余原材料數量以及產品庫存數量;圖7是對原材料購買信息的錄入和驗證，包括材料購入數量和購入品牌名稱等信息，查詢可知，賬本信息無誤;圖8和圖9分別對應的是產品的售出與生產信息，對比產品前后庫存可知查詢結果正確無誤，系統工作正常。

本文經過多次重復測試，系統均未發生錯誤，始終保持正常工作，具備高效性和可行性。

5 結束語

本系統針對目前工業產業聯盟之間的信任機制問題，提出了一種基于區塊鏈的工業互聯網系統，利用Hyperledger Fabric平臺進行了系統開發設計，完成了系統的實際搭建，并對系統性能進行了模擬測試。根據測試所得結果，本系統能夠滿足工業聯盟之間信息互聯互通的問題，有效解決企業之間信息孤島的問題，保證了數據的安全性、有效性和不可篡改性。

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【通聯編輯：謝媛媛】