0 概述

供应链溯源系统对供应链上的产品进行从生产到消费的全生命周期追踪。建立安全、高效、可信的供应链溯源系统, 是促进供应链产品质量安全及保障消费者权益的重要手段。由于供应链涉及主体众多、主体之间数据不对称以及数据共享无直接经济效益产出等原因, 导致供应链溯源体系管理难度大且效率低, 特别是在数据安全存储方面面临众多挑战。

区块链是一种去中心化的分布式存储技术, 其能够在一个无中心网络中建立信任, 保证数据公开透明、不可篡改以及具有可追溯性。随着区块链技术的发展, 越来越多的企业和研究人员将其应用于供应链溯源系统的设计中。

本文总结区块链技术的主要性能瓶颈, 分析当前供应链溯源系统存在的问题与需求, 利用以太坊侧链技术对其进行扩容, 在此基础上, 设计一种改进的供应链溯源系统。

1 研究背景 1.1 区块链与扩容技术

从比特币的概念被提出后^[1], 人们开始用“区块”和“链”来记录交易。文献[1]设计一种分布式记账的数字货币系统, 该系统不受任何中心机构控制, 而由全网共同维护和记账, 所有交易均由全网节点共识确认后生效, 不存储在某一台服务器上, 而在每个节点的硬盘中都存在一份拷贝。同时, 比特币使用工作量证明(Proof of Work, POW)共识算法使数据不可被篡改。目前, 各种互联网服务都趋向于中心化, 比特币这种去中心化的系统设计受到了人们的广泛关注, 尤其在一系列的安全事件爆发之后, 越来越多的学者开始研究这种高安全、高可靠的数字货币技术, 区块链的概念即应运而生。

文献[2]提出一种下一代加密货币与去中心化应用平台——以太坊, 其宣布了区块链智能合约时代的到来。智能合约旨在以计算机的方式传播、验证、执行合同, 并允许在没有第三方的情况下进行可信交易。但由于缺少可信的执行环境, 智能合约并没有在提出后被立即应用到实际产业中。而区块链技术可以为智能合约提供可信执行环境, 以太坊也因此成为第一个搭载智能合约的区块链平台。区块链技术从最开始的加密货币, 逐渐转变为一种信任模型和一种分布式网络中的自证明技术。

以太坊智能合约的出现加速了区块链技术的发展与应用, 各种传统的应用场景开始寻求与区块链技术的结合, 如供应链溯源、慈善公益、合同防伪、电子发票、版权保护等。现有的供应链管控及信息化系统大多采用中心化设计, 由核心企业进行建设和维护, 成本高, 数据流通不对称, 信息可追溯性差, 数据库容易被攻击, 追溯信息能够被轻易篡改。区块链技术可以满足供应链溯源的需求, 其能够使数据在供应链上的所有节点之间进行可信的共享, 且数据安全性高, 不容易被篡改。

然而, 文献[3-4]研究表明, 区块链技术同样存在性能瓶颈, 其中最大的制约因素来源于其可扩展性差, 即区块链网络处理交易的能力弱, 吞吐量(TPS)低。由于比特币和以太坊网络中发送的每笔交易都需要矿工经过POW验证后才能确认, 因此比特币每秒只能处理7笔交易, 以太坊只能处理15笔, 相较而言, 中心化的支付系统Visa处理速度可达40笔/s, 支付宝则高达8.59万笔/s。2017年11月, 一款基于以太坊的DAPP游戏Crypto Kitties引起关注, 大量玩家的涌入导致交易数量激增, 以太坊网络一度瘫痪, 确认一笔转账的时间超过了一天。

因此, 为进一步拓宽区块链技术的应用范围, 必须提高区块链的交易效率, 降低交易成本, 实现这一目的的技术被称为区块链扩容技术^[5-6]。针对比特币网络, 文献[7]提出闪电网络, 其是一种链下扩容方案, 能够在不修改现有比特币协议的前提下对比特币交易进行扩容。反之, 链上扩容方案通过重构比特币网络来提高其交易吞吐量, 如文献[8]提出的OHIE区块链协议, 其通过重写比特币骨干协议来实现扩容。针对以太坊网络, 扩容技术分为分片技术与状态通道技术2种。分片技术将网络上的交易分成不同碎片, 由其网络上的不同节点分别进行处理, 这种操作能使更多的交易同时被处理和验证^[9]。状态通道技术与比特币中的闪电网络原理类似^[10], 频繁进行交易的节点之间会生成一个状态通道, 交易首先在状态通道中结算, 当通道关闭时, 交易与主网进行同步结算, 这样能够大幅提高以太坊网络的吞吐量。

上述扩容技术都只针对比特币或以太坊上的数字货币交易, 并未延伸到区块链的其他应用领域。要将区块链技术应用到供应链溯源系统中, 需要对非数字货币交易进行扩容。

1.2 区块链与供应链溯源

供应链网络将供应商、制造商、经销商以及消费者连接成一个整体, 供应链管理是在满足客户服务水平的条件下, 将产品加工、制造、分销、销售等环节进行有效地组织, 以降低系统成本^[11]。目前, 多数供应链都具有“中间大, 两头小”的特点, 如图 1所示。核心企业在供应链中处于垄断地位, 供应链溯源系统也通常由核心企业进行部署, 而且大多采用中心化的设计, 这造成了供应链中信息的不对称性。

当前中心化的供应链溯源系统主要存在如下问题:

1) 信息闭塞。供应链由众多参与主体构成, 主体间需要大量交互与协作, 但由于缺乏信任, 很多信息被离散地保存在主体各自的系统中, 信息不透明。

2) 监管追溯难。企业难以平衡数据公开与隐私保护间的关系, 没有对监管部门开放足够的数据管理权限, 一旦产品出现质量问题, 信息追溯容易中断, 举证追责困难。

3) 无直接效益产出。供应链溯源系统需要增加成本, 但并没有直接经济效益产出, 导致供应链上的小微企业无力维护。

4) 数据滥用。中心化的供应链系统由于数据集中、数据流通单向、缺乏监管, 易产生溯源数据造假、数据篡改、数据泄露等安全问题, 严重影响供应链主体之间的信任与协同, 最终降低了溯源数据的真实性。

区块链技术为供应链溯源提供了新的解决方案^[12]。首先, 区块链利用共识算法和密码学技术保证账本数据不可篡改, 使得链上信息真实可靠; 其次, 区块链是一个分布式账本, 能够解决中心化系统中企业不愿意向溯源平台建设方单向交付数据的信任问题; 最后, 区块链技术通过智能合约来促成更高效的供应链交易和数据共享, 形成供应链的可追溯、可信体系标准。

2 研究现状 2.1 基于区块链的供应链溯源系统

目前, 在学术界与工业界中有很多利用区块链实现供应链溯源的研究与应用。文献[13]将区块链应用于药品供应链溯源系统, 其使用联盟链技术以及快速响应的加密QR码, 为药品建立从制造商到销售者的全链条溯源。文献[14]提出一种新的two-step出块方法, 并基于该方法设计一种联合分布式账本CoC, 用于供应链管理系统。实验结果表明, two-step出块方法具备良好的性能, 其出块速度较快, 效率较高, 也更加安全。文献[15]将区块链技术用于增强供应链的弹性, 并研究区块链的基本框架及其底层技术, 分析当前供应链面临的各种风险, 描述区块链技术在供应链中的具体应用场景。

上述文献涉及区块链技术的研究与供应链溯源系统的设计, 但大多未介绍底层区块链平台, 且缺少链上的运行与测试。在工业界中, 食品行业巨头纷纷利用区块链技术对食品供应链进行改革。沃尔玛、IBM、京东联合清华大学成立安全食品区块链溯源联盟, 利用区块链技术追踪食品供应链, 打造安全餐桌。其中, IBM研发的超级账本Hyperledger作为一种底层区块链技术, 被各大公司广泛应用于供应链的各种领域。在国外, 沃尔玛超市首先与IBM公司进行合作, 基于Hyperledger设计一种Food Trust解决方案, 将生鲜产品进行上链, 实现产品实时、端到端的可追溯。该项目取得成功后, 沃尔玛又与Dole、Kroger、Nestle、联合利华等行业巨头展开合作, 成立供应链溯源的区块链技术联盟。在国内, 天猫国际商品使用阿里自主研发的蚂蚁区块链进行跨境商品溯源, 大幅增加了进口商品的安全性。清华大学智能供应链管理研究院与永辉超市进行合作, 利用钢腮为兴城多宝鱼追溯进行赋码, 做到了一鱼一码以保障食品安全, 并已推广至十多种生鲜产品。京东Y事业部推出“智臻链”Baas平台, 利用该平台实现京东超市中部分商品的溯源。

目前, 已经实施的供应链溯源项目基本使用联盟链技术。联盟链是指只允许特定群体成员和有限的第三方接入的区块链网络。由于存在准入机制、节点数量较少、使用高性能的共识算法(类BFT算法)等原因, 联盟链相较于公有链通常拥有更高的交易性能, 而且联盟链可以向第三方以开放API的形式提供查询等功能, 对监管更加友好, 因此, 其被称为“区块链3.0”, 标榜着区块链未来的发展方向。而供应链的需求和背景与联盟链相契合:供应链的成员有限且固定; 供应链信息上链需要较快的交易速度和较低的交易成本; 供应链溯源需要相关部门的监管。因此, 联盟链技术适用于供应链溯源系统。目前, 较活跃、较被认可的联盟链开源项目是由IBM研发的Hyperledger Fabric, 国内的区块链平台(如华为区块链、京东智臻链、蚂蚁区块链、趣链等)大都基于Hyperledger进行改进与封装。

然而, 相关研究表明, 联盟链的实现存在诸多困难。其中, 供应链中的小微企业资金实力偏弱、无力维护组建联盟链所需的服务器是主要的性能瓶颈。因此, 在实际应用中, 联盟链通常部署成如图 2所示的2种模型。

在图 2(a)中, 共识节点通常部署在大型企业以及某些第三方机构中, 而供应链中的小微企业, 如原材料供应商、经销商等, 一般只有终端或物联网采集设备, 不会配置共识服务器。这就造成了联盟链中共识权利的失衡, 也会因为共识节点过少导致共识策略失效, 从而在实际部署中逐渐演变成图 2(b)所示的模型。在图 2(b)中, 核心企业将共识节点部署在同一个共识域下, 或者在同一台服务器上利用Docker容器技术生成4个节点用于共识, 供应链上的其他企业利用客户端接入联盟链。这种操作可以节约成本, 方便小型应用以及前期调试, 但违背了联盟链的初衷和原则, 无法发挥联盟链的作用。

本文系统基于以太坊智能合约进行开发, 以去中心化的方式实现供应链溯源, 从而为链上的企业节约成本。

2.2 侧链技术

在以太坊上实现供应链溯源, 必须考虑交易开销的问题。供应商、加工商、经销商分别对原材料信息、产品的加工信息、产品的销售信息进行上链。这些数据会对以太坊主网造成巨大压力并带来高昂的交易手续费, 还会存在较高的确认延迟。本文使用侧链技术对以太坊进行扩容, 以满足供应链溯源信息上链的需求。

侧链技术最早应用在比特币的扩容方面, 其是一种可让比特币安全转移到其他区块链, 又可以从其他区块链安全返回到比特币主链的协议^[16]。该协议将一些频繁、小额的交易转移到侧链上, 不仅提高了比特币主网的运行效率, 也大幅降低了交易的手续费。因此, 在以太坊上部署对应的侧链技术, 可以降低以太坊主网的压力, 提高交易效率。目前, 常用的以太坊侧链协议有Loom PlasmaChain^[17]、Snark^[18]等。Loom PlasmaChain是一条实现了Plasma Cash框架模型的高性能DPoS侧链, 其可以获得以太坊底层网络的安全背书, 使得用户在使用ERC 20和ERC 721支持的Token时, 可以享受DPoS算法带来的高性能共识。Snark侧链方案可以将以太坊网络交易能力扩展至17 000 TPS, 作为一种链下扩容, Snark允许用户在以太坊之外转移代币和ETH。

在现有研究中, 比特币和以太坊的侧链扩容方案都仅包含代币转移, 将代币交易转移到侧链, 以获得更高的吞吐量和更低的手续费^[19]。本文构建一种用户数据转移的侧链模型, 为供应链溯源信息上链提供扩容方案, 使得基于以太坊的供应链溯源系统能够应用到实际生产中。

3 系统设计 3.1 系统架构

本文针对现有供应链溯源方案的不足, 利用以太坊及智能合约, 设计并实现一种基于侧链技术的供应链溯源系统, 其架构如图 3所示。其中, 智能合约模块包含了该系统的业务逻辑, 将该模块部署在侧链上, 能够大幅增加以太坊的使用效率, 减少交易确认时间, 降低交易成本。数据同步模块负责处理每批交易数据, 利用Merkle树算法得到交易的哈希值^[20-21], 并将哈希值同步到以太坊进行锁定。在消费者与监管方查询时, 可通过数据同步模块进行计算和验证, 以防止数据被篡改。

基于区块链的供应链溯源系统网络拓扑如图 4所示。其中, 供应商、生产商和经销商等企业使用物联网采集设备收集产品信息, 产生原始数据, 使用一台终端进行数据处理后发送到侧链服务器。侧链服务器由核心企业维护, 运行以太坊侧链进程, 并连接到以太坊公链进行数据存证。监管方、用户分别使用PC、移动设备访问侧链服务器, 同时在以太坊公链上验证数据的真实性。

3.2 合约设计

基于区块链的供应链溯源系统共有5类参与者, 各参与者的职责如图 5所示。

供应商作为原材料提供企业, 是一批产品信息追溯的源头, 需要为原材料创建初始档案及溯源编号; 生产商对原材料进行加工与分装, 是产品最小售卖单位的信息源, 需要为溯源产品赋予批号和二维码, 实现一物一码; 经销商从生产商进货, 通过不同的渠道对商品进行销售, 需要提供产品的仓储、物流等信息; 监管方对商品的生产、流通、运转进行监管; 消费者通过扫描二维码即可查看商品全生命周期的溯源信息。参与者对智能合约的相关操作及流程如图 6所示。

智能合约主要包含以下5个功能:

1) 用户注册。由于公链本身没有身份认证机制, 因此需要通过智能合约实现用户准入。同一条供应链上的企业在录入信息前, 需要商定一个号码, 然后执行userRegister()函数进行用户注册。该号码将这些企业编入一个用户组, 只有组内用户才有权限对链上产品添加溯源信息。userRegister()函数算法伪代码如下:

算法1  userRegister()函数

输入  supplyChain合约地址base_addr, 用户组号user_group, 用户编号user_id, 用户角色user_name, 合约发布者owner

输出  用户注册完成或失败

1.要求注册的user_id未被占用;

2.if msg.sender == owner then

3.要求用户组号未被占用;

4.if user_group[msg.sender].occupied == 0 then

5.user_group[msg.sender].occupied == 1;

6.return完成用户组注册;

7.end if

8.else

9.要求用户组号已经注册;

10.user_group[user_group].add(user_id);

11.user.id = user_id;

12.user.name = user_name;

13.end if

14.final

15.return用户注册完成

2) 原材料录入。供应商是供应链的信息源头, 需要用物联网设备对原材料的生产环境、生产周期、操作负责人等数据进行采集, 然后调用rawRegister()函数将数据上链, 为原材料建立初始档案, 分配原料批号。如某批次原材料溯源档案被建模为: <rawID, rawName, rawFac, produceTime, rawInfo>。rawRegister()函数算法伪代码如下:

算法2  rawRegister()函数

输入  supplyChain合约地址base_addr, 原材料名称raw_name, 原材料批号raw_id, 生产厂家raw_factory, 生产信息raw_info, 时间戳timestamp

输出  原材料录入完成或失败

1.要求录入的raw_id未被占用;

2.要求用户经过注册;

3.if raw.raw_id!= 0 ‖ supplierMap[msg.sender].id==0 then

4.return FALSE;

5.end if

6.raw.rawID = raw_id;

7.raw.rawName = raw_name;

8.raw.rawFac = raw_factory;

9.raw.produceTime = timestamp;

10.raw.rawInfo = raw_info;

11.final

12.return TRUE

3) 产品生产。生产企业对供应商提供的原材料进行加工, 产出商品的最小售卖单元。在该环节中, 基于溯源码的商品档案正式建立, 并以二维码的形式提供给消费者以进行查询。生产企业需要调用newProduct()函数对原材料信息进行整合上链, 还可以在product_info字段写入生产环境、生产视频等大文件的URL。

4) 产品经销。该功能记录了产品的流通情况, 能够帮助消费者查询商品来源, 并利于生产商防止窜货。经销商或物流企业在经手货物后, 使用product_deal()函数为商品添加经销信息。由于存在一个或多个经手企业, 产品信息的结构体中使用动态数组bytes32[] retailerNames进行存储。由于代码逻辑与原材料录入较为相似, 此处不再赘述生产与经销函数的伪代码。

5) 监管与查询。消费者能够查询商品所属批次的溯源信息, 监管方在查询商品时拥有更高的权限。在查询函数中, 首先对查询者身份进行验证, 通过后将该产品的批次档案返回给查询者。某批次商品溯源信息建模示意图如图 7所示。

3.3 数据同步与验证

在商品溯源信息存储到侧链上以后, 使用Merkle Tree算法进行哈希锁定, 并将得到的Merkle Root同步到以太坊主链。一旦溯源信息被篡改, Merkle Root也会随之改变。用于供应链溯源的Merkle Tree算法流程如图 8所示。

在一轮交易结束后, 将侧链中供应商、生产商、经销商等节点上传的信息作为Merkle Tree的叶子节点, 计算其哈希值。如果存在多个供应商或经销商, 就将不同节点的信息分别作为叶子节点进行处理。在得到若干个哈希值(H₁, H₂, …)以后, 再对(H₁, H₂, …)进行两两哈希运算求哈希值。如此循环, 直至得到根哈希Merkle Root。Merkle Tree算法伪代码如下:

算法3  Merkle Tree算法

输入  供应链溯源信息list_info = [T₁, T₂, …, t₁, t₂, …]

输出  根哈希merkle_root

1.定义数组hashed_info[]存放哈希运算后的结果

2.定义数组temp_info[]存放每一层哈希运算后的结果

3.for TRUE do

4.for index = 0;index < len(list_info); index += 2 do

5.current = list_info[index];

6.current_right = list_info[index+1];

7.current_hash = sha256(current);

8.current_right_hash = sha256(current_right);

9.hashed_info[list_info[index]] = current_hash;

10.hashed_info[list_info[index+1]]=current_right_hash;

11.将(current_hash+current_right_hash)放入temp_info[]中;

12.end for

13.if len(list_info) == 1 then

14.break;

15.else

16.list_info = temp_info;

17.end if

18.end for

19.hashed_info数组中存放的最后一个哈希值即为merkle_root;

20.return merkle_root

将Merkle Root与产品批号绑定, 同步到以太坊主链, 即可作为这批产品的溯源验证码。当用户查询到商品溯源信息后, 再使用同样的方法得到Merkle Root, 与以太坊上可靠的值相比较, 即可判断该产品的溯源信息是否被篡改。一旦数据有误, 监管方能够通过Merkle Tree算法更加快速地定位被篡改数据来自哪一分支, 并对应到供应链中的具体环节以进行追责。

3.4 系统业务流程

本文设计的供应链溯源系统业务流程如图 9所示。商品从最初的原材料开始进行追溯, 经供应商的粗加工到生产商的精加工, 再经过各大销售渠道, 最终到达消费者手中, 所有的安全信息全方位、多角度、宽领域覆盖, 真正做到来路可查、去向可追。

4 实验结果与分析

基于侧链技术的供应链溯源系统使用以太坊作为区块链底层平台, 将侧链技术应用于溯源信息的存储中, 大幅提高了系统的运作效率, 降低了交易成本, 解决了以太坊用于供应链溯源时性能低的问题。本节进行实验测试, 将侧链部署在一个具有8核CPU、16 GB内存的服务器上, 使用docker容器模拟10个客户端节点向侧链发送交易。在固定时间内侧链交易池中确认的交易数量如表 1所示。从表 1可以看出, 该系统的吞吐量能够稳定在200 TPS以上, 其具备承载商业应用的能力。

供应链产品全生命周期的溯源流程界面如图 10所示。企业首先进行用户注册, 然后分别将原材料信息、生产信息、经销信息和监管信息上链, 最后将该批次产品溯源信息的哈希值与主链进行同步。用户通过扫描产品的二维码来查看溯源信息, 并对其进行验证。

本文对该系统的性能进行测试。由于侧链本身没有区块确认时间, 因此实验使用交易哈希值同步到以太坊主链上的确认时间作为研究对象。经过500次的测试, 图 11所示为平均确认时间与Gas Price(单位为Gwei)的关系曲线。其中, 柱状图上的误差线为实验中测试数据的取值范围, 虚线为趋势线。从图 11可以看出, 交易确认时间与交易时设置的Gas Price有关, 高额的手续费可能会让矿工更早地将交易打包进区块, 但交易速度的提高存在瓶颈, 过高的Gas Price并不能有效缩短交易确认时间。

本文对一次存储交易中所需的计算量进行估算。在以太坊虚拟机中, 通过SSTORE指令使用非易失性存储器来存储哈希值, 每字节约消耗20 000 Gas, 一次交易的上链约消耗40 000 Gas。分别按照以太坊推荐的不同确认时间设置Gas Price, 得到本文系统的成本分析结果如表 2所示。

综上, 本文推荐使用交易确认速度1.1 Gwei~2.0 Gwei作为Gas Price, 每笔交易平均花费折合人民币0.07元, 从而将供应链溯源费用控制在企业可接受的范围之内。

5 结束语

当前, 区块链技术处于发展阶段, 如何突破区块链的技术瓶颈, 使其更好地应用到实际生产中成为业界关注的焦点。本文设计一种基于侧链技术的供应链溯源系统, 以促进供应链上企业间的合作, 提高供应链协作效率, 为数据共享提供一个不依赖第三方的可信平台。实验结果表明, 该系统将侧链技术与供应链溯源这一应用场景相结合, 为非转账型交易提供了一种扩容方案。下一步将对比分析不同的侧链协议, 从中选取更适用于供应链溯源系统的高性能侧链技术, 以提升系统的交易性能。