劉 瑤

（天津理工大學(xué)管理學(xué)院，天津 300384）

一、引言

當(dāng)下，區(qū)塊鏈技術(shù)呈現(xiàn)著蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，這一新興技術(shù)正在被積極應(yīng)用于金融、商業(yè)、公益等領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊。區(qū)塊鏈技術(shù)是近年來出現(xiàn)的分布式賬本技術(shù)，具有去中心化、公開透明、不可更改、不可偽造等特點(diǎn)[1]。通過利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、非對(duì)稱加密、共識(shí)機(jī)制、時(shí)間戳等技術(shù)，大大減少了交易的中間環(huán)節(jié)以及復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了中心化分布式系統(tǒng)。物流存儲(chǔ)是現(xiàn)代物流系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在供應(yīng)鏈流轉(zhuǎn)過程中，貨物將經(jīng)歷不同的環(huán)節(jié)。通常情況下，貨物經(jīng)過多次流轉(zhuǎn)后放入倉庫進(jìn)行存儲(chǔ)，且存放時(shí)間較長。因此倉儲(chǔ)單據(jù)就顯得尤為重要。由此可見，倉庫是倉儲(chǔ)物流中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，而倉儲(chǔ)單據(jù)是供應(yīng)鏈和倉儲(chǔ)流轉(zhuǎn)過程中的重要憑證。由于供應(yīng)鏈之間的信用關(guān)系只能建立在可靠的倉儲(chǔ)上，因而存儲(chǔ)過程中必須使用倉單來記錄信息。倉單不僅是保管人支付貨款的重要憑證，還是以可信倉庫貨物為核心的信息表達(dá)方式。因此，如果相關(guān)信息可以存儲(chǔ)在以倉庫存儲(chǔ)空間為中心的區(qū)塊鏈中，建立可靠完整的商品信息網(wǎng)絡(luò)，對(duì)商品進(jìn)行監(jiān)管；將有助于在供應(yīng)鏈的所有參與者之間建立信任，促進(jìn)倉庫收據(jù)的可靠登記與存儲(chǔ)，同時(shí)也將為電子倉單的便捷交易創(chuàng)造機(jī)會(huì)。

二、相關(guān)技術(shù)

1.區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈綜合了共識(shí)機(jī)制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和密碼賬本等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信任關(guān)系與時(shí)序不可篡改性。通過智能合約，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的挖掘以及價(jià)值互聯(lián)，使其具備了分布式的總體特征。以區(qū)塊鏈技術(shù)為支撐的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過所有節(jié)點(diǎn)就能夠完成對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和維護(hù)，不受中央權(quán)威機(jī)構(gòu)的管制和監(jiān)督。各節(jié)點(diǎn)利用工作量證明等算法，將運(yùn)行過程中產(chǎn)生的交易信息及時(shí)、安全地封裝到區(qū)塊里。區(qū)塊的內(nèi)部由區(qū)塊頭與區(qū)塊體兩部分組成，其中區(qū)塊頭的主要作用是對(duì)當(dāng)前區(qū)塊的地址、時(shí)間戳、隨機(jī)數(shù)、版本號(hào)、目標(biāo)哈希值等的封裝[2]。在封裝完成后，通過P2P系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)塊的全網(wǎng)廣播。所有區(qū)塊都由哈希技術(shù)緊密連接，形成高度安全的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)——區(qū)塊鏈。通過區(qū)塊鏈，不僅可以查詢和跟蹤整個(gè)交易過程的真實(shí)數(shù)據(jù)，還可以確保數(shù)據(jù)不被篡改，甚至可以避免黑客的暴力攻擊。

圖1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)示意圖

區(qū)塊鏈基礎(chǔ)構(gòu)成由下而上：數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、契約層和應(yīng)用層。共識(shí)層包含：權(quán)益證明機(jī)制（PoS）、工作量證明機(jī)制（PoW）、股份授權(quán)證明機(jī)制（DPoS）等常用的共識(shí)機(jī)制。本文在激勵(lì)層方面不作研究，主要改進(jìn)共識(shí)層的PBFT算法。

2.實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法

實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法（Practical Byzantine Fault Tolerance，簡稱PBFT）于1999年被Miguel Castro和Barbara Liskov二人提出[3]。利用實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法不僅將共識(shí)過程中的復(fù)雜度降低，還解決了原有算法效率低下等多種問題。PBFT是一種狀態(tài)機(jī)復(fù)制算法，它允許（n-1）/3節(jié)點(diǎn)故障，其中n是分布式系統(tǒng)一致性過程中涉及的所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。該算法可以確保系統(tǒng)處于（n-1）/3的狀態(tài)，并且在節(jié)點(diǎn)故障或被惡意操作的情況下，仍然可以正確訪問該節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用過程中因其安全性、活動(dòng)性和容錯(cuò)性等多種優(yōu)勢(shì)，成為最受歡迎的共識(shí)。此外，PBFT協(xié)商一致算法要求所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)一個(gè)狀態(tài)。為此需要運(yùn)行三類基本協(xié)議：一致性協(xié)議、檢查點(diǎn)協(xié)議和視圖更換協(xié)議。一致性協(xié)議至少包含請(qǐng)求（request）、序號(hào)分配（pre-prepare）、響應(yīng)（reply）三個(gè)階段[4]。在達(dá)成共識(shí)的過程中，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)執(zhí)行客戶的請(qǐng)求，或者當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到主節(jié)點(diǎn)發(fā)生惡意行為或宕機(jī)狀態(tài)時(shí)，將啟動(dòng)視圖切換協(xié)議以替換存在錯(cuò)誤的主節(jié)點(diǎn)。

3.物流倉儲(chǔ)與電子倉單

倉儲(chǔ)是指以倉庫為基礎(chǔ)進(jìn)行物資儲(chǔ)存、保管的總稱，包括與倉庫有關(guān)的倉儲(chǔ)物流活動(dòng)[5]。倉庫貨物作為實(shí)物資產(chǎn)的重要組成部分，通常情況下利用電子倉單實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變。電子倉單的流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)主要包括倉單備案、倉單審批、倉單注銷、倉單取件、倉單交易等?？蛻艨筛鶕?jù)庫存狀況在指定倉儲(chǔ)服務(wù)平臺(tái)提交入庫申請(qǐng)。同時(shí)，工作人員必須對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督檢查。對(duì)貨物信息內(nèi)容的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和有效性進(jìn)行核實(shí)后。通過倉單服務(wù)平臺(tái)對(duì)倉單進(jìn)行審核，審核通過后，生成正式倉單。倉單操作的步驟較為復(fù)雜，必須依靠倉庫、財(cái)務(wù)、監(jiān)管等多個(gè)服務(wù)平臺(tái)相互配合。因此，過程的透明度和安全性變得尤為重要。在倉單領(lǐng)域使用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以監(jiān)控儲(chǔ)存貨物的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和物流過程。將物流倉儲(chǔ)與區(qū)塊鏈相結(jié)合，將有效改善鏈上及鏈下的數(shù)據(jù)信任問題。

三、拜占庭容錯(cuò)算法改進(jìn)

區(qū)塊鏈分布式結(jié)構(gòu)存在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)持續(xù)變化的特性。若要保障共識(shí)機(jī)制的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，需要選出可信的節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)。因此，本文依據(jù)區(qū)塊鏈中各節(jié)點(diǎn)的信任值的大小來確定計(jì)票節(jié)點(diǎn)數(shù)量。當(dāng)節(jié)點(diǎn)擁有較高的信任值時(shí)，該節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的歷史行為就會(huì)更加誠實(shí)，在共識(shí)過程中就更適合進(jìn)行計(jì)票任務(wù)。本文將所有投票節(jié)點(diǎn)的信任值全部初始化為T0，通過節(jié)點(diǎn)在不同階段的表現(xiàn)，實(shí)時(shí)更新各節(jié)點(diǎn)的信任值。

1.可信度定義

共識(shí)達(dá)成效率直接關(guān)系著區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)性能，期望參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、共識(shí)系統(tǒng)響應(yīng)上應(yīng)有較好表現(xiàn)。對(duì)于這種表現(xiàn)的度量，本文定義為可信度。通過統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)分組探測(cè)、完成選舉投票、實(shí)現(xiàn)共識(shí)過程中的事務(wù)完成表現(xiàn)、應(yīng)答信息交互表現(xiàn)等數(shù)據(jù)。這里定義參數(shù)T表示可信度，為便于計(jì)算將可信度的值域限定為[0：1]，值越大表示越可信。通過可信度對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)級(jí)，這里采用4級(jí)評(píng)級(jí)制。評(píng)分大于0.8的為優(yōu)，小于0.8但大于0.6的為良，小于0.6大于0.4的為中，小于0.4的為差。其中，優(yōu)等是分組存續(xù)期持續(xù)穩(wěn)定可靠、響應(yīng)速度快的節(jié)點(diǎn)，良等為事務(wù)、應(yīng)答有響應(yīng)但延時(shí)稍大的節(jié)點(diǎn)，中等節(jié)點(diǎn)是應(yīng)答有中斷或者無響應(yīng)情況的節(jié)點(diǎn)，差等則是有惡意行為的節(jié)點(diǎn)。

2.基于信任機(jī)制的節(jié)點(diǎn)選舉

在分組確定后，各節(jié)點(diǎn)初始值T0設(shè)置為0.6。而后隨著節(jié)點(diǎn)參與投票、共識(shí)等任務(wù)展開統(tǒng)計(jì)事務(wù)、應(yīng)答完成情況，更新節(jié)點(diǎn)信任值。由于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)變特性，可信度指標(biāo)難以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確選出每一個(gè)組內(nèi)的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，但是可以準(zhǔn)確的排除那些惡意節(jié)點(diǎn)和不太穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)。因此，在進(jìn)行選舉時(shí)，可將等級(jí)為優(yōu)的節(jié)點(diǎn)視為候選節(jié)點(diǎn)，等級(jí)為優(yōu)和良的節(jié)點(diǎn)作為選舉節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)更新信任值方式如下：

其中Tjk表示第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的第k個(gè)信任值。Tj（k-1）表示第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的k-1信任值，也是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前一次信任值。w表示上次選舉中對(duì)該節(jié)點(diǎn)行為的評(píng)估值。如果節(jié)點(diǎn)行為良好，則w為正，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的基本信任也會(huì)增加。如果節(jié)點(diǎn)行為惡劣，則w為負(fù)，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的基本信任值將顯著降低。因此，可以根據(jù)特定的業(yè)務(wù)需求與選舉需求動(dòng)態(tài)確定變化量w。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的信任值越高，其對(duì)應(yīng)歷史各個(gè)階段的投票、計(jì)數(shù)和檢查過程就越誠實(shí)。在共識(shí)過程中，信任值高的節(jié)點(diǎn)較為誠實(shí)，適合參與計(jì)票任務(wù)。

（1）組內(nèi)選舉。具體步驟包括： ①更新當(dāng)前分組內(nèi)節(jié)點(diǎn)可信度，得到各節(jié)點(diǎn)可信度等級(jí)與信用值。②確定主節(jié)點(diǎn)：初始主節(jié)點(diǎn)為種子節(jié)點(diǎn)，成功完成組內(nèi)選舉并完成全局共識(shí)后，上次被選出的節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)。③確定選舉人節(jié)點(diǎn)：所有優(yōu)等節(jié)點(diǎn)和良等節(jié)點(diǎn)為選舉人節(jié)點(diǎn)，對(duì)優(yōu)等、良等節(jié)點(diǎn)編號(hào)。④確定候選人。⑤主節(jié)點(diǎn)發(fā)起針對(duì)提名候選節(jié)點(diǎn)投票，進(jìn)入投票流程。⑥主節(jié)點(diǎn)確認(rèn)投票結(jié)果：贊成票數(shù)超過投票人數(shù)一半，則通過提案，否則為失敗。⑦成功則結(jié)束選舉環(huán)節(jié)；失敗則重復(fù)④-⑥步，直到成功選出；若所有候選人全部被淘汰，此時(shí)結(jié)束選舉，進(jìn)入異常處理過程。

因?yàn)閰⑴c選舉與被選舉的節(jié)點(diǎn)均通過可信度測(cè)算，基本排除惡意節(jié)點(diǎn)。這里投票過程采用一種簡化的拜占庭的方法實(shí)現(xiàn)：首先主節(jié)點(diǎn)生成投票準(zhǔn)備消息并向其他選舉人節(jié)點(diǎn)廣播。各選舉人節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證消息內(nèi)容，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，生成對(duì)應(yīng)投票消息向選舉人節(jié)點(diǎn)廣播。同時(shí)選舉人節(jié)點(diǎn)還要驗(yàn)證消息正確性并統(tǒng)計(jì)收到的消息數(shù)。如果成功接收到2f+1個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息，就可以判斷與自己意見一致的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。因此可以將確認(rèn)消息發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)收到2f+1個(gè)確認(rèn)信息則表示意見一致，達(dá)成共識(shí)。

（2）全局共識(shí)。各分組完成選舉后的節(jié)點(diǎn)，形成了參加全局共識(shí)的分組。采用經(jīng)典PBFT機(jī)制，達(dá)成最終共識(shí)。首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)號(hào)排序，其次確定首輪主節(jié)點(diǎn)編號(hào)，從而以該對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)區(qū)塊作為記賬備選區(qū)塊。而后按照節(jié)點(diǎn)號(hào)排序依次擔(dān)任輪值主節(jié)點(diǎn)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)區(qū)塊進(jìn)行投票。本算法在進(jìn)行分組時(shí)，各組節(jié)點(diǎn)數(shù)量并不相等。各組選舉出來的代理人所代表的利益是有差別的。這里以各組節(jié)點(diǎn)數(shù)量為參考計(jì)算選票，修正PBFT算法的計(jì)票方法，實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的代表選舉。組內(nèi)選舉階段推選出參加全局共識(shí)節(jié)點(diǎn)，全局共識(shí)階段則確定最終的記賬節(jié)點(diǎn)，將其對(duì)應(yīng)區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈中。其算法共識(shí)消息處理流程如圖2所示。

圖2 組內(nèi)選舉投票處理流程

四、基于可信倉單的系統(tǒng)構(gòu)建

1.系統(tǒng)架構(gòu)

Hyperledger Fabric是一種開源、帶權(quán)限的分布式賬本平臺(tái)，采用模塊化通用型框架，所具有的獨(dú)一無二的身份管理及訪問控制功能使其非常適用于各種行業(yè)應(yīng)用。例如，供應(yīng)鏈的追蹤和跟蹤、貿(mào)易融資、忠誠度和獎(jiǎng)勵(lì)，以及金融資產(chǎn)的清算和結(jié)算等。用此軟件可以快速構(gòu)建區(qū)塊鏈塊平臺(tái)，為用戶提供賬簿管理、身份管理、智能合約管理、業(yè)務(wù)管理等功能。

本文根據(jù)區(qū)塊鏈的內(nèi)部架構(gòu)，將其分成三個(gè)部分：首先是由數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)設(shè)施組成的基礎(chǔ)部分；其次是核心技術(shù)部分，由契約層、共識(shí)層和網(wǎng)絡(luò)層組成；最后是應(yīng)用層的交互部分[6]。在基礎(chǔ)部分，數(shù)據(jù)層是由區(qū)塊鏈提供的分布式存儲(chǔ)。主要功能是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在倉單業(yè)務(wù)中，保證數(shù)據(jù)不被篡改，能夠追溯到倉單的歷史。在區(qū)塊鏈核心技術(shù)部分使用Docker技術(shù)，將不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用多個(gè)docker容器虛擬化，并用Go語言進(jìn)行編程使節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)。在倉單系統(tǒng)的應(yīng)用層中，通過web應(yīng)用程序調(diào)用fabric提供的API與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交互。

2.設(shè)計(jì)目標(biāo)

在數(shù)據(jù)共享過程中，常規(guī)的解決辦法是在各用戶之間建立數(shù)據(jù)訪問機(jī)制，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換與共享。然而通過此方式很容易導(dǎo)致“一賬多記”的問題。即在多個(gè)參與者的賬簿上記錄相同的記錄。這種方法容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致因而產(chǎn)生爭議，并使多方數(shù)據(jù)交換及其追溯性難以實(shí)現(xiàn)。然而，有效且安全的多方訪問是倉儲(chǔ)業(yè)務(wù)的必要組成部分。與此同時(shí)，在不同的交易過程中，由于商品需要頻繁流轉(zhuǎn)，所以其溯源性就顯得尤為重要。而倉單作為保管人收到貨物之后向收貨人出具的憑證，就為這一交易提供了良好的解決方案。因此基于上述問題，本文提出以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：

（1）本系統(tǒng)允許用戶動(dòng)態(tài)加入或退出，所有系統(tǒng)內(nèi)部的用戶均可進(jìn)行監(jiān)督。

（2）采用非對(duì)稱加密算法（RSA算法、Elgamal數(shù)字簽名等）來驗(yàn)證所要接入的成員身份，同時(shí)利用較為嚴(yán)格的權(quán)限管理機(jī)制，對(duì)其成員分配相應(yīng)的權(quán)限來滿足倉單業(yè)務(wù)在各方面的要求。

（3）在該方案設(shè)計(jì)過程中，將該系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)對(duì)接從而實(shí)現(xiàn)信息交互。因此需要設(shè)置較多的接口，使各方能夠靈活、便捷的與該系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)企業(yè)或移動(dòng)終端以及web的訪問。

3.功能模塊設(shè)計(jì)

在倉單業(yè)務(wù)中，往往存在以下操作：

（1）入庫登記與公示：用戶可以選擇自己的存貨進(jìn)行入庫申請(qǐng)。審批后，將觸發(fā)區(qū)塊鏈倉單事件，生成倉單并進(jìn)行全網(wǎng)公示。

（2）倉單入庫監(jiān)督：用戶入庫申請(qǐng)?zhí)峤缓螅瑐}庫內(nèi)部工作人員對(duì)入庫操作進(jìn)行審核監(jiān)督。如果貨物的數(shù)量與信息正常，將通過審查。

（3）倉單交易：通過一系列操作生成倉單后，可以在一些平臺(tái)上進(jìn)行交易，并實(shí)時(shí)更新交易狀態(tài)。

（4）區(qū)塊鏈的管理包括一些基本功能、共識(shí)機(jī)制、分布式賬本以及節(jié)點(diǎn)的管理、成員之間的管理等系統(tǒng)管理功能。

圖3 平臺(tái)功能模塊圖

通過功能模塊，實(shí)現(xiàn)物流倉儲(chǔ)中按采購預(yù)算資金和消耗比例進(jìn)行物料分配。由于系統(tǒng)允許物資補(bǔ)貨業(yè)務(wù)上鏈，當(dāng)物資數(shù)據(jù)上鏈以后，可以在區(qū)塊鏈環(huán)境下的不同部門之間進(jìn)行流轉(zhuǎn)和共享。此外，共識(shí)節(jié)點(diǎn)中的主節(jié)點(diǎn)可以發(fā)起鏈上物資入庫和出庫的共識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)其操作并將相關(guān)信息寫入?yún)^(qū)塊鏈。

五、總結(jié)與展望

本文提出了“區(qū)塊鏈+物流倉儲(chǔ)”的方案，將區(qū)塊鏈與物流倉儲(chǔ)進(jìn)行了一定程度的結(jié)合。利用區(qū)塊間的相互證明，研究了倉庫物流信息的可信存儲(chǔ)與電子倉單的交易，解決了流通過程中倉單的可追溯性困難、交易安全不能保證等關(guān)鍵問題。在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)了PBFT算法的實(shí)現(xiàn)過程，使其在區(qū)塊鏈技術(shù)中的應(yīng)用得到了改進(jìn)。在倉儲(chǔ)物流的實(shí)際應(yīng)用中，既滿足了倉單交易與信息存儲(chǔ)的要求，又為解決數(shù)據(jù)上鏈的真實(shí)性提供了思路。此外，基于改進(jìn)的PBFT算法的區(qū)塊鏈技術(shù)不僅在物流倉儲(chǔ)中有較好的應(yīng)用，還使該技術(shù)能較早投入使用，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率[1]。