基于區(qū)塊鏈的港口物流交易數據共享模型

孫一萌，范洪博，彭慢煜，莊金玉

（昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650000）

隨著我國對“一帶一路”高質量發(fā)展的不斷深化，航運作為推動國民經濟發(fā)展和全球一體化的關鍵要素，其連接國際的重要橋梁作用越發(fā)顯著，中國在全球航運業(yè)的地位也舉足輕重。我國航運業(yè)成績顯著，港口規(guī)模穩(wěn)居世界第一，在2020 年我國有8 個港口位列全球港口貨物吞吐量前十，另有7 個港口位列全球集裝箱吞吐量前十[1]。國際航運作為歷史悠久的傳統(tǒng)行業(yè)，也在科技浪潮中進行著變革，由各種技術驅動的“智慧航運”時代正在影響傳統(tǒng)的商業(yè)模式。雖然數字化建設在國際航運領域已經初見成效，但由于國際航運業(yè)相對保守和傳統(tǒng)、航運活動涉及多個利益相關者、航運活動國際性較強，航運業(yè)仍依賴基于紙質文件的貿易和人工文件處理方式，若無法使數據在各利益方之間及時共享，則勢必會影響效率、造成信息質量低下等諸多問題。

區(qū)塊鏈技術在航運業(yè)中已經有了一些初步落地應用，其中，智能電子提單、資源和數據共享和貨物追蹤溯源是區(qū)塊鏈在航運業(yè)務中的典型應用。區(qū)塊鏈具有去中心化、公開透明、永久存儲且不可篡改和可溯源性等特點，這些特點非常適合解決航運業(yè)數字化道路中正面臨的各種問題[2]。2021 年6 月，《關于加快推動區(qū)塊鏈技術應用和產業(yè)發(fā)展的指導意見》指出要加快推動區(qū)塊鏈技術和產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，積極推進區(qū)塊鏈和經濟社會發(fā)展，涉及供應鏈管理和航運物流等多個領域。本文結合區(qū)塊鏈技術，針對航運業(yè)的應用場景，設計了各港口間物流交易數據的共享模型。利用變色龍哈希函數，在某些特定情況下，數據所有者可以對上傳的敏感信息或亟需修改的交易數據進行修改。既滿足了航運業(yè)中信息的共享，也滿足在信息監(jiān)管、隱私保護、數據更新等方面存在的編輯需求。

1 相關技術

1.1 區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈技術在應用中被視作一個分布式的共享賬本和數據庫，具有去中心化、公開透明[3]、不可篡改、可以追溯、集體維護等特點。區(qū)塊鏈涉及包括密碼學、P2P（peer-to-peer）網絡、共識機制等相關技術，其中密碼學技術賦予了區(qū)塊鏈上的數據信息極高的穩(wěn)定性和安全性，P2P 網絡架構幫助實現數據的傳輸和通信，共識機制保證了數據的一致性[4]。

1.2 變色龍哈希

傳統(tǒng)的哈希函數可以將任意長度的消息壓縮到某一固定長度的消息摘要，該函數具有強抗碰撞性；而Krawczyk 等人提出的變色龍哈希算法[5]可以人為設下陷門，只要掌握該陷門即可輕松找到碰撞。這種算法允許區(qū)塊鏈修改交易內容但不改變其哈希值。變色龍哈希函數由5 個子函數組成：

初始化函數：輸入安全參數λ，輸出公共參數pp。

密鑰生成函數：輸入公共參數pp，輸出公鑰h、私鑰s，其中私鑰s 也稱為陷門信息。

哈希計算函數：輸入公鑰h、明文m、可變參數r，輸出變色龍哈希值CH，CH=Hash(h,m,r)。

可變參數鍛造函數：輸入私鑰s、原明文m、原可變參數r、新明文m’，輸出與m’匹配的新可變參數r’。

哈希驗證函數：輸入公鑰h、明文m、可變參數r、變色龍哈希值CH，驗證CH 與m，r 是否匹配，如果匹配輸出1，否則輸出0。

變色龍哈希的特點如下：

（1）掌握公鑰的人可以計算出原始數據的變色龍哈希值；

（2）當一個人掌握陷門私鑰時，就可以找到使其哈希值與原始數據對應的哈希值相同的碰撞；

（3）對于沒有陷門私鑰的人來說，變色龍哈希函數仍然具有抗碰撞性，即無法找到一個碰撞與原始數據對應的哈希值相同。

2 港口物流數據共享模型

2.1 可編輯區(qū)塊鏈在物流數據管理中的應用

作為歷史悠久的傳統(tǒng)行業(yè)，航運業(yè)涉及復雜的利益主體，其運輸效率可通過增進各方信任、實現物流溯源、優(yōu)化各項流程及增強網絡協調等方面來提升。區(qū)塊鏈的網絡結構可以用來改善不同航運企業(yè)之間由于系統(tǒng)不互通而產生的信息孤島問題。區(qū)塊鏈去中心化、數據公開的特點也可以用于解決傳統(tǒng)航運網絡中心化程度高導致的數據交換和共享程度低、成本高等問題，比如貨物追蹤系統(tǒng)的數據失真和信息篡改嚴重。

隨著區(qū)塊鏈應用場景和用戶需求的變化，可能會出現需要對區(qū)塊數據進行編輯管理的情況。譬如在港口運營的場景中，若貨運商、船東、中介各自對應的數據資源發(fā)生了變化，可能會產生編輯或更新數據的需求。而“可編輯”并不會挑戰(zhàn)區(qū)塊鏈本身的安全性，它是對“不可篡改”造成的應用局限性的補充。編輯操作必須合法才能被完成，否則修改后的區(qū)塊數據無法通過全網驗證?？删庉媴^(qū)塊鏈仍具有去中心化、不可篡改的特點，同時亦可合法修改、合法刪除。

2.2 系統(tǒng)分層架構

系統(tǒng)建立在P2P網絡上，連接各個港口物流服務商。模型架構自底向上分為數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)分層架構

其中數據層負責存儲物流交易記錄，通過加解密技術、哈希函數、時間戳來實現數據加密、身份標識、封裝區(qū)塊等功能。網絡層通過P2P 網絡，實現去中心化的各港口物流數據快速同步。共識層對物流交易信息進行排序處理，提供高吞吐、低延遲的處理能力，并在集群內部支持節(jié)點故障容錯，保證數據的一致性。合約層通過用戶在鏈上布置智能合約，來實現對鏈上數據的合法修改，同時實現安全可信的物流交易數據共享。在應用層上，可以進行物流交易信息查詢、新數據上鏈、物流交易數據或敏感數據的更改，實現不同港口之間可信數據共享等功能。

2.3 可編輯區(qū)塊結構設計

區(qū)塊鏈中參與其維護的每一個節(jié)點都擁有全賬本，其中通過哈希函數來實現完整性驗證。以比特幣系統(tǒng)為例，其區(qū)塊結構包含兩個部分：區(qū)塊頭和區(qū)塊體。區(qū)塊頭中包含6 個參數分別是區(qū)塊版本號、父區(qū)塊哈希值、時間戳、難度、隨機數Nonce 值和Merkle 根；區(qū)塊體中保存每個節(jié)點的交易數據。每個子區(qū)塊的區(qū)塊頭中都存有父區(qū)塊的哈希值，若父區(qū)塊中數據發(fā)生更改，則前后哈希值就無法對應，該結構保證了交易數據的完整性以及不可篡改性。傳統(tǒng)區(qū)塊結構如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)區(qū)塊結構

在可編輯區(qū)塊鏈中，將交易數據的哈希函數替換為變色龍哈希，若要修改第i 個區(qū)塊的某個交易，只需要重新算出和該交易相關的可變參數，從而更改交易內容之后，該交易的哈希值不變，不會影響Merkle 根。在港口物流業(yè)務管理系統(tǒng)中，需要多方參與其中，不同的參與者會被賦予不同的角色與權限，只有獲得修改權限的節(jié)點能拿到公鑰對交易進行修改。而修改請求的合理性需要通過所有節(jié)點對該修改請求進行共識來保證。

3 總結

本文通過對當前航運數字化進程的分析，利用區(qū)塊鏈的去中心化、不可篡改等特性來解決航運業(yè)中的痛點，提出系統(tǒng)架構模型實現對港口物流數據的管理和共享，以此將區(qū)塊鏈技術和航運業(yè)進行了結合。同時結合變色龍哈希在不破壞區(qū)塊鏈特性的前提下，使區(qū)塊鏈可以進行細粒度的編輯，使其能應用在更復雜的應用場景中。