嚴(yán)玉權(quán)， 陳中育， 林飛龍， 王曉虎， 馬永進(jìn)

(浙江師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

0 引 言

當(dāng)前,越來越多的國(guó)家和地區(qū)將推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)的重要抓手,以生產(chǎn)要素?cái)?shù)據(jù)化為依托,推動(dòng)制造業(yè)向自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型[1].根據(jù)IDC(互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心)的調(diào)查結(jié)果,全球1 000強(qiáng)企業(yè)中有67%的企業(yè)將數(shù)字化轉(zhuǎn)型作為核心發(fā)展戰(zhàn)略,這意味著數(shù)字化轉(zhuǎn)型是現(xiàn)代企業(yè)生存和發(fā)展的必由之路[2].從中國(guó)的國(guó)情出發(fā),積極推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義.然而,如何確保數(shù)據(jù)信息可信與安全存儲(chǔ),成了工業(yè)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)性問題.

區(qū)塊鏈技術(shù)[3]是近年來出現(xiàn)的一種新型去中心化可信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過共識(shí)機(jī)制、智能合約、分布式冗余賬本技術(shù),構(gòu)建任意點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可信交互機(jī)制,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全與可靠.區(qū)塊鏈技術(shù)已成為當(dāng)前各領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).Asiri等[4]通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和區(qū)塊鏈的結(jié)合,利用智能合約對(duì)設(shè)備的信譽(yù)分進(jìn)行計(jì)算,只有信譽(yù)分大于臨界值,交易提議才會(huì)被接受.這在一定程度上降低了惡意設(shè)備帶來的影響.Dedeoglu等[5]為了確保記錄在區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)來自可靠的數(shù)據(jù)源,為基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用搭建了一個(gè)分層的可信架構(gòu).通過對(duì)數(shù)據(jù)源的不斷觀察,對(duì)數(shù)據(jù)源的可靠性進(jìn)行評(píng)估.Malik等[6]在食品供應(yīng)鏈場(chǎng)景下提出了一個(gè)三層的信任管理框架.通過信譽(yù)模型來評(píng)估商品的質(zhì)量及供應(yīng)鏈參與實(shí)體的可信性,以此來確保記錄在區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)都是可信的.所有交易實(shí)體的信譽(yù)分都由智能合約完成計(jì)算,當(dāng)交易實(shí)體信譽(yù)分低于閾值時(shí),便不能參與到交易中來.Yang等[7]提出了一個(gè)基于區(qū)塊鏈的信譽(yù)系統(tǒng),用于車輛網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)可靠性評(píng)估.如果發(fā)送消息的車輛擁有高信譽(yù),那么消息的接收者認(rèn)為該消息是可靠的并接受此消息.Chen等[8]提出了一種在車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的質(zhì)量驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)機(jī)制,通過EM算法(expectation-maximization algorithm)評(píng)估獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量,以確保區(qū)塊鏈上和區(qū)塊鏈下的安全數(shù)據(jù)共享.

可見,區(qū)塊鏈技術(shù)為進(jìn)一步強(qiáng)化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ).面向工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的安全和可信需求,筆者將區(qū)塊鏈和工業(yè)制造相結(jié)合,提出了一種基于區(qū)塊鏈和信譽(yù)機(jī)制的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可信任務(wù)機(jī)制.本研究的主要?jiǎng)?chuàng)新和貢獻(xiàn)總結(jié)如下:

1)基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可信任務(wù)機(jī)制,利用區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)將生產(chǎn)任務(wù)數(shù)字化,實(shí)現(xiàn)任務(wù)過程的區(qū)塊鏈存證,保障任務(wù)執(zhí)行的透明性與安全性,并且保證了各方權(quán)益,減少在傳統(tǒng)方式中存在的爭(zhēng)議；

2)提出了一種用戶信譽(yù)評(píng)估機(jī)制,激勵(lì)用戶發(fā)布可信數(shù)據(jù),約束用戶數(shù)據(jù)造假行為,只有通過采取誠(chéng)實(shí)可信的行為,才能維持信譽(yù),以此來過濾惡意用戶,并為信譽(yù)機(jī)制設(shè)計(jì)相關(guān)智能合約,使得信譽(yù)評(píng)估過程公開透明；

3)基于Hyperledger Fabric搭建了原型系統(tǒng)(Hyperledger Fabric是一個(gè)提供分布式賬本解決方案的平臺(tái),是開源軟件社區(qū)Hyperledger中的區(qū)塊鏈項(xiàng)目之一),在原型系統(tǒng)上進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所提出系統(tǒng)的可用性和有效性.

1 系統(tǒng)定義

1.1 應(yīng)用場(chǎng)景

本文的數(shù)據(jù)來源是工業(yè)生產(chǎn)任務(wù),工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)就是系統(tǒng)用戶根據(jù)自身需求所發(fā)布的任務(wù)信息.在任務(wù)執(zhí)行完成之后,產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù),即先有生產(chǎn)任務(wù),后有數(shù)據(jù).在現(xiàn)實(shí)世界中,確有工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)需求的用戶可以通過本文設(shè)計(jì)的基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)發(fā)布任務(wù)消息.表1定義了文中用到的相關(guān)符號(hào)的含義.

表1 參數(shù)定義

1.2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型圖如圖1所示.由4部分組成:任務(wù)發(fā)布者,工作者,區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端及面向工業(yè)制造的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)(記為工業(yè)制造鏈).

任務(wù)發(fā)布者:P={p1,p2,…，pi,…,pn}指任務(wù)發(fā)布者集合,任務(wù)發(fā)布者指有工業(yè)生產(chǎn)需求的系統(tǒng)用戶.任務(wù)發(fā)布者通過區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端,發(fā)布任務(wù)消息.

工作者:W={w1,w2,…，wj,…,wm}指工作者集合,工作者指擁有生產(chǎn)技能的系統(tǒng)用戶,工作者通過競(jìng)爭(zhēng)任務(wù)并且完成任務(wù)來獲得獎(jiǎng)勵(lì).工作者通過區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端,接收任務(wù)發(fā)布者發(fā)布的任務(wù)消息.在任務(wù)完成之后提交任務(wù)結(jié)果給系統(tǒng)平臺(tái).

區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端:任務(wù)發(fā)布者和工作者通過區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互.區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端可以運(yùn)行在任務(wù)發(fā)布者和工作者的本地終端設(shè)備上.

工業(yè)制造鏈:工業(yè)制造鏈由以下組件組成:

1)IPFS:IPFS指星際文件系統(tǒng)[9],是一種分布式文件存儲(chǔ)系統(tǒng).本文IPFS用來存儲(chǔ)工作者的工作記錄,以圖片或視頻的形式將完成的任務(wù)記錄下來,以佐證工作者執(zhí)行了任務(wù).

圖1 系統(tǒng)模型圖

2)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò):區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的核心組成部分,記錄著任務(wù)發(fā)布者發(fā)布的任務(wù)信息,以及任務(wù)發(fā)布者和工作者的交易記錄.區(qū)塊鏈存儲(chǔ)交易記錄的哈希地址,而原始的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈之外的IPFS分布文件系統(tǒng)中.

3)智能合約:本質(zhì)上來說,智能合約是一段可執(zhí)行的程序,通過把業(yè)務(wù)邏輯寫入智能合約中,并提前設(shè)置好觸發(fā)合約執(zhí)行的條件,當(dāng)用戶發(fā)起交易調(diào)用合約觸發(fā)相應(yīng)條件時(shí)便自動(dòng)完成業(yè)務(wù)邏輯的執(zhí)行.

4)信譽(yù)評(píng)估:在去中心化的系統(tǒng)中,無法保證交易雙方行為的確定性與可靠性,用戶必須承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn).由于難以評(píng)估對(duì)方是否可靠,因此有可能造成交易失敗,甚至?xí)馐艿揭欢ǖ慕?jīng)濟(jì)損失.為了解決這個(gè)問題,采用信譽(yù)評(píng)估方法.信譽(yù)評(píng)估是一種廣泛采用的方法,通過分析用戶的歷史行為來評(píng)估信譽(yù),從而為交易對(duì)象的選擇提供一定的依據(jù).高信譽(yù)代表用戶在過去有良好的表現(xiàn)行為.本文的信譽(yù)評(píng)估模型用來評(píng)估任務(wù)發(fā)布者和工作者的信譽(yù)狀態(tài),為篩選惡意用戶提供一定的依據(jù).只有信譽(yù)分值不低于閾值的用戶才可以發(fā)布任務(wù)消息以及參與任務(wù)的執(zhí)行.任務(wù)發(fā)布者和工作者可以互相評(píng)估信譽(yù).本文提出的信譽(yù)評(píng)估方法所采用的評(píng)估指標(biāo)在區(qū)塊鏈和IPFS分布式文件系統(tǒng)中都有記錄,數(shù)據(jù)公開透明,任何人不能偽造,因此,本文的信譽(yù)評(píng)估機(jī)制是公平公正的,可以消除惡意評(píng)估的影響.

5)礦工:礦工在交易記錄生成之后,負(fù)責(zé)收集并驗(yàn)證交易記錄,將交易記錄打包成區(qū)塊,并把區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈中.

從任務(wù)發(fā)布者發(fā)布一個(gè)任務(wù)開始,到此次任務(wù)被工作者完成,工作者提交生產(chǎn)數(shù)據(jù)到系統(tǒng)平臺(tái),最后任務(wù)發(fā)布者支付工作者報(bào)酬的過程,稱為一次交易.任務(wù)發(fā)布者發(fā)布的任務(wù)由一名工作者完成.需要指出的是,用戶都需要在系統(tǒng)中完成注冊(cè),獲得合法身份之后,才可以在系統(tǒng)中進(jìn)行任務(wù)的發(fā)布和任務(wù)的執(zhí)行及交易的驗(yàn)證.

1.3 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)中的用戶在向證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)(CA)注冊(cè)后才能成為合法實(shí)體,并且與其在現(xiàn)實(shí)世界中的身份相綁定,例如每個(gè)用戶的身份證號(hào).本文中,基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)模型是搭建在HyperledgerFabric基礎(chǔ)上的,通過HyperledgerFabric自帶的證書管理工具Fabric-CA提供的成員注冊(cè)功能,對(duì)系統(tǒng)用戶的身份證書進(jìn)行管理,例如證書的新增和撤銷.假設(shè)系統(tǒng)中有S個(gè)用戶,每個(gè)用戶s∈{1,2,…,S}在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中獲取它的公私鑰對(duì)(PK(s),SK(s)).公鑰用于加密數(shù)據(jù).使用公鑰加密的數(shù)據(jù)只能使用私鑰解密[10].CA使用其私鑰SKCA簽名后,用戶s獲得其身份地址ID(s)和數(shù)字證書DC(s),用以唯一標(biāo)識(shí)用戶和證明用戶身份的真實(shí)性.為了實(shí)現(xiàn)交易金額的流動(dòng),用戶需要得到一個(gè)錢包地址WA(s),因此,每個(gè)用戶都擁有一個(gè)賬戶A(s)={ID(s),PK(s),SK(s),DC(s),WA(s),B(s)},B(s)是用戶的賬戶余額.

1.4 信譽(yù)評(píng)估模型

1.4.1 對(duì)工作者的信譽(yù)評(píng)估

1)是否按時(shí)提交任務(wù)結(jié)果

任務(wù)發(fā)布者發(fā)布的每次任務(wù)都有截止時(shí)間,因此,根據(jù)工作者是否在截止時(shí)間之前提交任務(wù)結(jié)果,作為一項(xiàng)評(píng)估指標(biāo).

(1)

式(1)中:Tpi→wj指的是任務(wù)發(fā)布者pi對(duì)工作者wj在任務(wù)結(jié)果提交及時(shí)性指標(biāo)上進(jìn)行評(píng)估;Tres為工作者實(shí)際提交任務(wù)結(jié)果的時(shí)間;Ttaskdea是提交任務(wù)結(jié)果的截止時(shí)間.

2)是否執(zhí)行任務(wù)

(2)

式(2)中:Hpi→wj指任務(wù)發(fā)布者pi對(duì)工作者wj在是否執(zhí)行任務(wù)指標(biāo)上進(jìn)行評(píng)估.在一次任務(wù)結(jié)束之后,任務(wù)發(fā)布者可以向IPFS文件系統(tǒng)查詢工作者的工作記錄,以此來判定工作者在此次任務(wù)中是否執(zhí)行了任務(wù).

3)是否完成任務(wù)

(3)

式(3)中:Qpi→wj指任務(wù)發(fā)布者pi對(duì)工作者wj在是否完成任務(wù)指標(biāo)上進(jìn)行評(píng)估.

結(jié)合以上評(píng)估指標(biāo),可以得到任務(wù)發(fā)布者pi對(duì)工作者wj在第k次交易中的信譽(yù)評(píng)估為

(4)

式(4)中:α1,α2,α3是權(quán)重參數(shù),且滿足α1+α2+α3=1.

綜上,得到任務(wù)發(fā)布者對(duì)工作者的信譽(yù)分評(píng)估為

(5)

式(5)中:Dwj指的是工作者wj累計(jì)參與的歷史任務(wù)次數(shù).如果工作者wj之前沒有任何參與任務(wù)歷史,就默認(rèn)取信譽(yù)分為0.5.否則,將工作者wj歷次參與任務(wù)的信譽(yù)分加和取平均數(shù),作為此次任務(wù)中工作者wj的信譽(yù)分.

1.4.2 對(duì)任務(wù)發(fā)布者的信譽(yù)評(píng)估

在每一次任務(wù)完成之后,任務(wù)發(fā)布者需要支付相應(yīng)的報(bào)酬給工作者.因此,可以根據(jù)任務(wù)發(fā)布者是否在報(bào)酬支付截止時(shí)間之前支付報(bào)酬,作為一項(xiàng)評(píng)估指標(biāo),即

(6)

式(6)中:Twj→pi指的是工作者wj對(duì)任務(wù)發(fā)布者pi在任務(wù)報(bào)酬支付及時(shí)性指標(biāo)上進(jìn)行評(píng)估;Tpay是任務(wù)發(fā)布者提交支付消息即支付報(bào)酬的時(shí)間;Tpaydea是任務(wù)發(fā)布者支付報(bào)酬的截止時(shí)間.

結(jié)合以上評(píng)估指標(biāo),可以得到工作者wj對(duì)任務(wù)發(fā)布者pi在第k次交易中的信譽(yù)評(píng)估,即

(7)

綜上,得到工作者對(duì)于任務(wù)發(fā)布者的信譽(yù)分評(píng)估為

(8)

式(8)中:Dpi指的是任務(wù)發(fā)布者pi累計(jì)發(fā)布的歷史任務(wù)次數(shù).如果任務(wù)發(fā)布者pi沒有發(fā)布任何任務(wù)消息,就默認(rèn)取信譽(yù)分為0.5.否則,將任務(wù)發(fā)布者pi在歷次任務(wù)中的信譽(yù)分加和取平均數(shù),作為此次任務(wù)中任務(wù)發(fā)布者pi的信譽(yù)分.

1.5 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖2所示.

1)任務(wù)發(fā)布者pi根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求,通過區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端發(fā)布任務(wù)消息TaskMsg(pi)到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò).任務(wù)發(fā)布者pi首先為任務(wù)消息內(nèi)容生成一個(gè)摘要SHA256(TaskMsg(pi)),并使用其私鑰對(duì)摘要操作生成一段“簽名”Sign(SHA256(TaskMsg(pi)),SK(pi)),并將此簽名附在任務(wù)消息后面,通過區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端一同發(fā)送給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò).

圖2 工作流程執(zhí)行時(shí)序圖

2)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)接收到任務(wù)發(fā)布者pi的任務(wù)請(qǐng)求消息之后,先根據(jù)CA的公鑰PKCA檢查任務(wù)發(fā)布者pi的數(shù)字證書DC(pi)是否過期,然后再通過驗(yàn)證函數(shù)Verify(SHA256(TaskMsg(pi)),PK(pi))對(duì)數(shù)字簽名進(jìn)行驗(yàn)證.如果驗(yàn)證通過,就說明任務(wù)請(qǐng)求消息由任務(wù)發(fā)布者本人發(fā)出.最后對(duì)任務(wù)消息進(jìn)行相同的哈希運(yùn)算,將得到的結(jié)果和用任務(wù)發(fā)布者的公鑰PK(pi)解得的摘要進(jìn)行對(duì)比,如果二者一致就說明接收到的消息是完整的、準(zhǔn)確的,沒有被篡改.在任務(wù)消息通過驗(yàn)證之后,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)向任務(wù)發(fā)布者pi發(fā)送任務(wù)消息發(fā)布成功的通知,任務(wù)發(fā)布者pi向系統(tǒng)指定合約賬戶提交任務(wù)押金.隨后區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)廣播任務(wù)消息,工作者可以通過區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端接收到任務(wù)發(fā)布者pi發(fā)布的任務(wù)消息.

3)在工作者對(duì)任務(wù)發(fā)布者pi進(jìn)行信譽(yù)評(píng)估之后,決定是否接受此次任務(wù)請(qǐng)求,如果工作者wj接受此次任務(wù)請(qǐng)求,就可以通過區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端發(fā)送經(jīng)私鑰SK(wj)簽署過的反饋消息ReplyMsg(wj)給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò).

4)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)接收到工作者wj的反饋消息之后,同上述步驟類似,對(duì)接收到的反饋消息進(jìn)行驗(yàn)證,在反饋消息通過驗(yàn)證之后,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)向任務(wù)發(fā)布者pi返回反饋消息ReplyMsg(wj),任務(wù)發(fā)布者pi可以通過區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端獲取工作者wj提交的反饋消息.

5)任務(wù)發(fā)布者pi對(duì)所有接受此次任務(wù)請(qǐng)求的工作者進(jìn)行信譽(yù)評(píng)估,選擇信譽(yù)分最高的工作者作為此次任務(wù)的交易對(duì)象,將確認(rèn)消息ConfirmMsg(pi)用私鑰SK(pi)簽署,發(fā)送給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò).區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)在接收到任務(wù)發(fā)布者pi發(fā)送的確認(rèn)消息之后,和之前的消息驗(yàn)證規(guī)則一樣,對(duì)確認(rèn)消息進(jìn)行驗(yàn)證.在確認(rèn)消息通過驗(yàn)證之后,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)向工作者wf返回確認(rèn)消息,工作者wf可以通過區(qū)塊鏈應(yīng)用客戶端獲取任務(wù)發(fā)布者提交的確認(rèn)消息.被任務(wù)發(fā)布者選中的工作者wf提交任務(wù)押金到系統(tǒng)指定合約賬戶.

6)工作者wf完成了此次任務(wù)之后,提交此次任務(wù)的結(jié)果消息TaskResultMsg(wf).工作者wf同時(shí)將此次任務(wù)的工作證明(以圖片或視頻的形式)發(fā)送給IPFS分布式文件存儲(chǔ)系統(tǒng).任務(wù)發(fā)布者pi將支付消息PaymenyMsg(pi)發(fā)送給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò).

1.6 PoR(proof-of-reputation)共識(shí)機(jī)制

共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈最重要的組件之一.共識(shí)機(jī)制確保了交易的正確性和一致性.然而采用傳統(tǒng)的工作量證明(PoW)共識(shí)機(jī)制在本文提出的應(yīng)用背景中是不合適的,因?yàn)镻oW共識(shí)機(jī)制需要消耗大量的計(jì)算資源,而本文的系統(tǒng)用戶所使用的終端設(shè)備是移動(dòng)設(shè)備,不具備如此巨大的計(jì)算能力.為了解決這個(gè)問題,本文采用PoR共識(shí)機(jī)制,即基于信譽(yù)的共識(shí)機(jī)制.需要指出的是,處于交易狀態(tài)中的任務(wù)發(fā)布者和工作者不能參與到共識(shí)過程中來,只有處于非交易狀態(tài)的系統(tǒng)用戶才可以參與到共識(shí)過程中.處于非交易狀態(tài)的系統(tǒng)用戶可以根據(jù)信譽(yù)分去競(jìng)爭(zhēng)成為礦工,信譽(yù)分越高,成為礦工的概率就越大.圖3是主要的共識(shí)流程.

圖3 PoR共識(shí)過程示意圖

PoR共識(shí)機(jī)制的步驟如下:

步驟1:礦工選舉.系統(tǒng)用戶根據(jù)信譽(yù)分競(jìng)爭(zhēng)成為礦工,在所有參與競(jìng)爭(zhēng)的系統(tǒng)用戶中,擁有最高信譽(yù)分的系統(tǒng)用戶被選舉為礦工.礦工負(fù)責(zé)收集交易記錄并把交易記錄打包進(jìn)區(qū)塊.

步驟2:高信譽(yù)分用戶選舉.在選舉出礦工之后,將其余系統(tǒng)用戶按信譽(yù)分從高到低排序,信譽(yù)分排在前L%的用戶會(huì)被選舉成為高信譽(yù)分用戶.

步驟3:生成新區(qū)塊.當(dāng)?shù)V工收集到足夠多的交易記錄之后,將交易記錄打包生成一個(gè)新的區(qū)塊.

步驟4:向新區(qū)塊投票.當(dāng)?shù)V工收集到足夠多的交易記錄之后,把它們打包進(jìn)區(qū)塊中并且廣播給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)用戶.高信譽(yù)分用戶驗(yàn)證區(qū)塊中的交易是否正確.在本文提出的工業(yè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)以下條件同時(shí)成立時(shí),一筆交易才會(huì)被驗(yàn)證通過:

條件1：交易雙方的消息簽名正確;

條件2：任務(wù)發(fā)布者pi提交的支付消息中確認(rèn)的已完成工作量ConfirmedTaskAmount和工作者wf提交的任務(wù)結(jié)果消息中已完成的工作量CompleteTaskAmount一致.

步驟5:區(qū)塊被添加到區(qū)塊鏈中.當(dāng)一個(gè)區(qū)塊收到超過2/3的高信譽(yù)分用戶的投票之后,此區(qū)塊會(huì)被添加到區(qū)塊鏈中.礦工會(huì)收到一筆來自系統(tǒng)的虛擬貨幣獎(jiǎng)勵(lì),這筆獎(jiǎng)勵(lì)可以用作任務(wù)押金.

2 仿真驗(yàn)證與分析

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文使用區(qū)塊鏈作為任務(wù)系統(tǒng)的底層框架,部署了版本1.4的Fabric區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò).相關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)需要用到虛擬機(jī),因此,需要安裝VMware虛擬機(jī)和Ubuntu系統(tǒng),智能合約的開發(fā)在微軟公司的VisualStudioCode上編寫,Golang作為智能合約的開發(fā)語(yǔ)言.實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4和圖5對(duì)本文提出的信譽(yù)評(píng)估機(jī)制和文獻(xiàn)[11]提出的信譽(yù)模型進(jìn)行了比較.圖4和圖5分別顯示了誠(chéng)實(shí)用戶和惡意用戶信譽(yù)值的變化.誠(chéng)實(shí)用戶和惡意用戶的信譽(yù)值隨著交易次數(shù)的增加而變化.實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為α1=0.6,α2=0.2,α3=0.2.

從圖4可以看出,誠(chéng)實(shí)用戶的信譽(yù)值隨著交易次數(shù)的增加而不斷上升.無論是本文提出的信譽(yù)評(píng)估機(jī)制還是對(duì)照組RTRC(reputation-basedincentivegamemodelfortrustworthycrowdsourcingservice)機(jī)制，都有同樣的結(jié)果.然而,RTRC機(jī)制的上升趨勢(shì)要比本文提出的信譽(yù)評(píng)估機(jī)制更快.這是因?yàn)楸疚奶岢龅男抛u(yù)評(píng)估機(jī)制考慮的信任因素更加全面,可以更好地識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中用戶的惡意行為,RTRC機(jī)制對(duì)于用戶是否有惡意行為的檢測(cè)指標(biāo)比較單一,導(dǎo)致用戶的信譽(yù)值上升較快.

圖5比較了一個(gè)惡意用戶在2種信譽(yù)評(píng)估機(jī)制下的信譽(yù)值.從圖5可以看出,當(dāng)用戶有惡意行為時(shí),本文提出的信譽(yù)評(píng)估機(jī)制和RTRC機(jī)制的信譽(yù)分都有下降的趨勢(shì),但是前者下降得更快,經(jīng)過2到3次交易后,它很快就降到了可信的臨界線以下.而RTRC機(jī)制在經(jīng)過25次交易之后,信譽(yù)值才降到信譽(yù)閾值以下.對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示,本文設(shè)計(jì)的信譽(yù)評(píng)估機(jī)制對(duì)識(shí)別惡意用戶有更大的優(yōu)勢(shì).

圖4 誠(chéng)實(shí)用戶信譽(yù)值變化 圖5 惡意用戶信譽(yù)值變化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如果用戶采取誠(chéng)實(shí)可信的行為,此用戶的信譽(yù)分就會(huì)維持在一個(gè)比較高的狀態(tài);如果用戶有惡意行為,此用戶的信譽(yù)分就會(huì)下降直到降低至信譽(yù)閾值以下,被系統(tǒng)淘汰.無論是任務(wù)發(fā)布者還是工作者,以此來激勵(lì)用戶在任務(wù)中選擇誠(chéng)實(shí)可信的行為,發(fā)布可信的數(shù)據(jù)以維持信譽(yù),進(jìn)而獲得長(zhǎng)期效益,同時(shí)促進(jìn)任務(wù)的可信性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)本文的信譽(yù)機(jī)制能有效地激勵(lì)用戶選擇發(fā)布可信數(shù)據(jù),也驗(yàn)證了信譽(yù)機(jī)制對(duì)于促進(jìn)任務(wù)可信是有效的,證明本文的任務(wù)機(jī)制是可信的.

本文使用tape測(cè)試工具(https://github.com/Hyperledger-TWGC/tape)對(duì)原型系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,tape是一個(gè)測(cè)試HyperledgerFabric性能的輕量級(jí)工具.本文在原型系統(tǒng)中部署了發(fā)布任務(wù)消息合約、提交任務(wù)結(jié)果合約和提交支付消息合約,并使用tape工具對(duì)智能合約的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)驗(yàn)次數(shù)分別為100,200和300次,測(cè)試結(jié)果如圖6所示.以執(zhí)行次數(shù)100次為例,調(diào)用發(fā)布任務(wù)消息合約、提交任務(wù)結(jié)果合約和提交支付消息合約所耗費(fèi)的時(shí)間分別是1.72,1.85和1.83s.圖7主要考慮以下指標(biāo): 1)區(qū)塊封裝的交易數(shù)量,表明原型系統(tǒng)的服務(wù)能力;2)區(qū)塊大小,表明存儲(chǔ)原型系統(tǒng)的賬本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源占用情況.通過設(shè)置不同的交易發(fā)送周期來評(píng)估不同交易強(qiáng)度下的系統(tǒng)性能,從圖7可以看到,隨著交易發(fā)送周期從300ms增加到600ms,相應(yīng)地,區(qū)塊封裝交易數(shù)量也隨之降低,區(qū)塊的大小也相應(yīng)地減小.

圖6 合約執(zhí)行時(shí)間消耗 圖7 區(qū)塊封裝的交易數(shù)量和區(qū)塊大小變化

表3對(duì)任務(wù)發(fā)布者和工作者的相應(yīng)功能進(jìn)行了測(cè)試.本文在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中部署了完成相應(yīng)功能的智能合約,并使用tape測(cè)試工具對(duì)智能合約的功能進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試指標(biāo)包括耗費(fèi)時(shí)間和TPS(transactionpersecond,每秒交易數(shù)量,TPS=交易數(shù)量/交易總耗時(shí)).TPS是反映系統(tǒng)處理能力的重要性能指標(biāo),TPS越高,系統(tǒng)的處理能力越好.在測(cè)試中,對(duì)智能合約的調(diào)用和查詢分別執(zhí)行1 000次.實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)四舍五入保留2位小數(shù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在1 000次交易請(qǐng)求的情況下,智能合約的執(zhí)行時(shí)間耗時(shí)少且系統(tǒng)的每秒交易處理能力高,驗(yàn)證了系統(tǒng)在處理大量交易請(qǐng)求時(shí)的良好性能.

表3 功能測(cè)試

3 結(jié) 論

為了提高工業(yè)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的可信性,本文提出了一種基于區(qū)塊鏈和信譽(yù)機(jī)制的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可信任務(wù)機(jī)制.本文將事務(wù)的處理邏輯寫進(jìn)智能合約,系統(tǒng)用戶通過調(diào)用智能合約自動(dòng)完成相應(yīng)的事務(wù)處理,將最終的任務(wù)數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈,實(shí)現(xiàn)任務(wù)過程的區(qū)塊鏈存證,以確保任務(wù)數(shù)據(jù)不被惡意篡改和偽造.為了激勵(lì)系統(tǒng)用戶遵守系統(tǒng)規(guī)則,提交可信的數(shù)據(jù),一種具有激勵(lì)性質(zhì)的信譽(yù)評(píng)估機(jī)制被提出,只有誠(chéng)實(shí)的行為才能維持高信譽(yù),而采取不誠(chéng)實(shí)的行為會(huì)導(dǎo)致信譽(yù)降低,直到被系統(tǒng)淘汰,以此來激勵(lì)系統(tǒng)用戶做出誠(chéng)實(shí)的行為,進(jìn)而提升任務(wù)的可信性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了信譽(yù)機(jī)制對(duì)于激勵(lì)用戶選擇發(fā)布可信數(shù)據(jù)的行為是有效的,驗(yàn)證了本文的任務(wù)機(jī)制是可信的.最后,本文基于HyperledgerFabric搭建了原型系統(tǒng),在搭建的原型系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可用性.