基于联盟区块链的物流信息平台LIP -Chain
宁 卓1,李牧阳2
(1.南京邮电大学 现代邮政学院、现代邮政研究院,江苏 南京 210003;2.南京邮电大学 物联网学院,江苏 南京 210003)
摘 要: 区块链技术是一种基于公钥加密和P2P网络的分布式智能账本技术。其去中心化、去信任、信息透明等原生优点完美契合物流行业对数据不可篡改,信息永久可溯源的需求,且解决了流通环节多方共同参与情况下的信任问题。但是,现有主流区块链系统在性能和安全性上难以兼得,区块链系统中的各项关键技术仍有待进一步改进。针对国内物流快递行业当前发展的痛点,文中提出了一个基于联盟区块链的物流业信息平台系统LIP-Chain。该系统解决了传统信息系统中心机构权利过大、信息难以溯源等问题,重新定义了物流信息的交易和存储方式。对系统设计的关键问题,如访问控制及身份管理、共识算法、安全与隐私保护等进行了详细分析,并搭建了原型系统进行仿真实验。实验结果表明,LIP-Chain不仅吸收了上述区块链技术的特性,且具有较强的可扩展性,能够支撑包含上百完整节点以及上千客户端的区块链网络;资源占用量低,内存占用不足100 M,CPU、网络IO等开销远低于一般移动设备的硬件配置;数据吞吐量较大,可达到每秒几百至几千笔交易。
关键词: 区块链;共识机制;物流;信息平台
0 引 言
近年来,随着国内电子商务的迅速发展,物流快递行业的业务量迎来了爆发式的增长。但在这种增长背后,隐藏着诸多问题亟待解决。信息溯源难、事故责任含糊不清、企业间数据不流通成为行业现状,传统物流企业的“中心化”管理,使得个体权利过大化,不同企业之间难以互相信任,壁垒由此产生。物流快递业务由众多参与主体构成,核心企业掌握的信息不够对称与透明,并且存在作假的风险,严重影响供应链的管理效率。物流环节区域多、时间跨度长,因此监管困难,假冒伪劣难以根除。
但建设行业级的物流信息平台,实施起来面临着许多困难:物流企业众多,很难信任或支持哪个“龙头”企业创建的行业平台,即去中心化的要求;企业之间既希望通过共享数据互通有无,合作共赢,又不希望泄露自己的关键信息,具有很强的抗大数据分析和数据保密性的要求;既希望发生事故时能通过平台高效溯源,又希望保护快递参与各方的隐私信息;为了提高平台的可信度与权威性,应允许第三方或政府机构的介入监管和审计,平台应具备多方参与特性并保持信息高度透明。
综上,文中提出了一个基于联盟区块链的物流业信息平台系统LIP-Chain。利用区块链技术的去中心化、数据防篡改、数据溯源三大特性,从底层优化物流行业信息交易与存储方式存在的问题。首先,区块链技术底层由P2P网络支撑,所有节点共同维护和验证区块链网络。这种去中心化架构解决了传统系统中中心机构权力过大的问题,非常适合应用于物流快递等需要多方共同参与的业务场景中。其次,区块链交易信息存储在从后向前有序链接起来的区块中。当区块链达到一定长度,区块内的数据在实际上便是无法篡改的[1]。最后,区块链中大量使用数字签名,并且使用Merkle树作为快速归纳和校验完整性的数据结构[2]。使得数据的溯源、验证、查询流程摆脱传统的人工审计,提高效率的同时大大降低了成本[3]。配合智能合约,这一特性将在物流业等高吞吐量的交易场景中发挥巨大作用。
城市轨道交通的车辆密度大,运输量较高,在工程设计上,主要以行车间隔缩短为主。在该种方式的作用下,可以进一步提升服务质量,降低旅客的候车时间以及工程总体投资数额。但在信号ATP系统的作用下,该项操作的实际效果并没有很好的体现出来,如“车、地”通信速率、轨道区段长度等因素,在具体应用过程中不能将行车距离无限缩短,而且最小行车间隔对整个系统方案设计影响较大。信号ATP系统的出现,主要是利用各种控制参数来确定行车间隔。站在实际工程角度来说,应该以实际施工方案内容内容、线路、距离等综合因素为主,建立起一个合理的投资计划,最终满足车辆信号系统的设计要求。
除了区块链技术具有的原生性去中心化、去信任、信息不可篡改、易溯源等特点,提出的框架还具有以下优点:
(1)运行于区块链上的智能合约可在满足条件时自动促成交易,省去了中间环节和大量人工审核成本;
(2)采用联盟链而非无限制的公有链体制,可在保证去中心化运作的基础上最大限度保护用户隐私和企业机密;
客户端向任一合法背书节点发送请求,开始一次交易。背书节点模拟执行该交易的智能合约并读取当前区块链的状态,一并签名后返回给客户端程序。客户端程序接收到数据后,将其与原始交易数据一同打包,广播给所有组织节点。组织节点集群执行基于BFT-SMART的改进共识算法,在接收到一定数量的交易或达到一定时间后,将已通过共识算法的交易组织成为一个区块。
(4)选取了基于拜占庭容错的共识算法BFT-SMART,在保证性能满足需求的前提下,将系统安全性提升至33%拜占庭容错水平。
1 区块链技术研究现状
1.1 区块链数据安全
区块链顾名思义,是由区块组成的链状数据结构。在一条区块链中,区块被从后向前有序地链接,每个区块都指向前一个区块。对每个区块头进行SHA256加密哈希[4],可生成一个哈希值。通过这个哈希值,可以识别出区块链中的对应区块。同时,每一个区块都通过“父区块哈希值”字段引用前一区块(父区块)。这样把每个区块链接到各自父区块的哈希值序列就创建了一条一直可以追溯到第一个区块(创世区块)的链条。
1.2 公有链与联盟链
按照网络中节点拥有的权限公平性,可以将区块链分为公有链、联盟链和私有链三种。文中采用的联盟链机制,适用于对物流快递等对隐私和性能有一定要求的行业[5]。联盟链的参与者需要通过第三方机构的身份审核,联盟链通过将系统的参与者划分角色,之后赋予不同的节点以不同的权限。
然而,依托PSCAD仿真软件对10 kV线路进行潜供电流计算发现,在典型参数下,5 km同杆并架10 kV线路出现两相或三相短路时,故障线路上潜供电流不到3 A,感应电压不超过300 V,难以形成稳定的弧道,不会对故障点熄弧产生影响。
1.3 共识机制
区块链系统中所谓的共识,即所有节点对下一步要将哪些交易数据,以怎样的顺序加入区块链达成一致[6]。由于区块链系统中存储的交易信息具有实际价值,因此系统内共识的达成不仅是为了性能和稳定性的提升,更直接的原因是为了防止“双重支付攻击”[7]。
目前的主流共识算法总结见表1[8]。
该系统采用模块化设计,将P2P网络中的节点分为三种角色:
表1 主流共识算法比较
综上所述,POW等概率共识算法为了保证系统的安全性而牺牲了确认速度与吞吐量等其他指标,且这类算法往往需要高性能的节点来支持其复杂的逻辑,不适用于物流行业的交易场景。而RAFT、PAXOS[9]等算法只支持冲突容错,一旦系统内出现恶意节点,则有可能因为单一节点导致整个系统崩溃。近年来逐渐受到关注的拜占庭共识算法[10]在各项性能上中和了以上两类算法的优缺点,该类算法拥有33%的拜占庭容错与冲突容错能力[11]。根据实际传输的数据不同,交易确认时间一般在几百毫秒至几秒之间,且可以保证1 000 tps左右的系统吞吐量。近年来,以Hyperledger[12]为代表的企业级、联盟区块链系统也都选择基于拜占庭共识算法作为其下一步发展与研究的方向。
本文在精确测定金门花岗闪长岩SHRIMP锆石U-Pb年龄的基础上,探讨其成岩与成矿作用的关系,分析其与钦杭成矿带及旁侧与花岗闪长(斑)岩有关的Cu-Au-Pb-Zn-Ag多金属成矿带成因联系,为矿区及区域下一步找矿工作提供年代学依据。
2 LIP-Chain设计
文中设计了基于联盟区块链的物流业信息平台LIP-Chain。该设计主要针对以下关键问题进行研究和探讨:系统内的访问控制及身份管理问题;系统内用户和交易数据的安全与隐私保护问题;区块链网络中使用的共识算法问题。
提出的系统架构如图1所示,整个系统分为两层:应用交互层和区块链共识层。
2.1 系统整体架构设计
该系统采用联盟链架构,在外层引入PKI体系,以此达到强化系统身份管理与访问控制的目的。同时,引入了基于拜占庭容错的BFT-SMART协议作为共识算法,在保证系统性能满足实际需求的前提下,将现有联盟链系统普遍采用的冲突容错类共识算法提升至可容忍33%拜占庭错误的水平。该系统虽然抛弃了传统区块链完全去中心化的特性,但可以满足行业级信息平台的需求。相反,基于联盟链的多中心化架构有利于充分发挥区块链技术在数据不可篡改、易溯源,多方验证维护等其他特性上的优势,提升了系统的性能与效率。
图1 系统整体架构
应用交互层负责将用户数据和操作封装成符合标准的数字资产,之后以预先定义好的标准交易形式向区块链节点发送各类请求以完成用户操作,并最终将数据存储在区块链上。
区块链共识层包括维护区块链的P2P节点网络和由系统中节点共同维护的唯一一条区块链。主要参与者负责运行作为节点的实体服务器,验证来自上层的交易并将交易组成区块,运行共识算法并最终更新各节点区块链副本中的数据。
2.2 底层P2P网络构成
由图4可知,新疆降水突变点为1986年;北疆降水突变点为1986,1997年,南疆降水突变点为1986年,突变点分布如表1。
为了解枢纽模块可能作用,对得到的枢纽模块进行GO富集及KEGG通路分析,结果显示基因显著富集于细胞周期相关生物过程及通路。另外GSEA显示枢纽基因高表达组主要富集于细胞周期及免疫相关通路。许多研究显示肿瘤发生发展与细胞周期密切相关,细胞周期相关通路可能成为肿瘤诊断、预后判断及治疗靶点[28-29]。综上,本研究筛选得到的枢纽基因可能通过细胞周期相关通路来影响肾透明细胞癌进展及预后。
CEI计算的软件系统使用Java开发,设计为基于Web的网页应用程序,浏览器/服务器模式,无需安装,只需要通过网页浏览器即可登录使用,大幅提高了使用的灵活机动性,并且动态页面技术也有助于软件的智能化。软件程序采用广泛使用的MVC架构来设计,如图2所示。MVC框架将软件程序分为模型、视图和控制器三个层次: 模型主要负责处理业务逻辑和数据;视图主要指用户界面;控制器负责联系视图和模型,从视图获取用户请求后向模型传递数据,将模型处理的结果返回视图。
(1)背书节点:背书节点负责验证交易合法性并对其签名,验证通过后负责执行交易。
为了验证系统设计的可行性,并对系统性能做出评估,文中基于区块链开源框架Hyperledger Fabric搭建了底层区块链网络,使用Fabric SDK编写应用交互层客户端,执行交易请求。共识机制模块基于文献[18]提供的BFT-SMART开源库实现了针对该系统进行改进的BFT共识机制。
从表6可以看出,2012—2016年青岛市总的就业人数不断增加。2012—2016年青岛市第一产业的就业比重呈现逐年递减趋势,但趋势比较平缓;第二产业的就业人员比重同样呈现逐年递减趋势,其中2013—2014年就业人员比重减少最多;第三产业的就业人员比重在逐年递增,尤其2014年第三产业就业人员的比重增加最大,这是第二产业就业人员大量向第三产业转移的结果。通过分析三次产业就业结构可以看出,2012年青岛市的工业化发展水平属于工业化后期,2013—2016年属于工业化中期。
(3)提交节点:提交节点验证组织完成的区块,之后用该区块更新区块链。
2.3 系统交易流程
在设计的系统中,一次标准的交易流程由交易背书、生成区块、确认提交三个阶段构成。具体流程简述如下:
(3)在区块链网络外层引入身份控制,增强网络内部信任度,简化验证操作,提升系统效率;
每当一个区块完成,组织节点向所有的提交节点广播此区块。提交节点对区块进行时效性与合法性验证,通过后使用区块中的交易数据更新本地的区块链副本。最后,所有提交节点单独通知客户端此次交易是否提交成功。一次完整交易流程结束。
2.4 安全和隐私问题
该系统在数据存储和系统访问控制两个层面保证了交易数据和用户信息的安全。其中在数据存储层面采用中本聪提出的经典区块链结构[2]。系统内产生的所有数据均被封装在各类标准交易中,由组织节点定期打包为区块后,最终被放入该交易网络所拥有的唯一区块链内,成为区块链不可更改的一部分[13]。
3.3.1.2 心理干预 向患者说明肝穿刺的意义、程序、有可能出现的问题和应对办法及密切配合的重要性,让做过肝穿刺的患者介绍经验和体会,让患者早有心理准备,增强患者的信任感和安全感,消除过度的紧张和焦虑。因术后疼痛的出现与否、强度如何与机体的情绪状态密切相关。本组患者疼痛病例出现较少,与术前进行了较好的心理和行为干预,减少和降低了患者的焦虑和紧张情绪有关。因为焦虑可使脑内去甲肾上腺素递质释放增加,能减低痛阈,增加痛觉[2]。王瑞敏等[3]也认为,加强心理干预,可明显减少紧张情绪及疼痛的发生率。
在发展休闲农业之前,乡村旅游资源主要以乡村本身自然风光以及地理条件作为依托,所采用的经营模式较为传统。对于现代休闲农业而言,可以将其和其他产业结合在一起。对乡村旅游做出规范化管理,提升管理水平。进一步发展休闲农业以及乡村旅游,必须高度重视旅游地饮食卫生和公共安全等,进一步提升服务质量,采取科学方式避免开展旅游导致的当地环境受到污染。结合实际情况,制定行业标准,并且加大管理力度,确保餐饮食谱绿色卫生,对当地种植业以及养殖业卫生清洁,从而确保前来旅游的游客健康安全,
在系统访问控制层面,该系统引入X.509证书规范[14]以及PKI体系[15]对系统内身份和权限进行管理。任何加入网络的参与者首先需要从证书颁发机构获得数字证书,以作为在网络中活动的唯一合法身份。引入PKI体系以密码学原理保证了系统的隐私安全,实现真正的区块链“去信任”。
2.5 共识机制
文中选取了文献[16]提出的BFT-SMART算法应用于该物流业信息平台。BFT-SMART在拜占庭共识算法的基础上实现了一个模块化的SMR协议[17]。对BFT-SMART算法进行了简化,主要修改如下:抛弃了原版算法中的领导人选举操作,客户端将随机选择临近组织节点作为BFT-SMART算法中的领导人;在共识算法的任意阶段发生错误后,直接丢弃该交易并通报客户端,而不执行原版BFT-SMART算法中的错误处理阶段。
计算法获得烃露点通过现场获取实际天然气样品,然后采用气相色谱法分析天然气的组成,再由天然气组成数据通过软件计算天然气的烃露点。由于天然气是一种组分十分复杂的混合物,影响计算法获得烃露点结果的因素较多,其主要影响因素包括样品的代表性、组成分析结果的准确性以及计算模型的选择等。
3 仿真实验
3.1 实验环境及配置
(2)组织节点:组织节点接收由背书节点签名完成的交易,运行共识算法,确保一致性后将交易组织成区块后交付给提交节点。
实验环境配置为:Docker 17.09.0-ce,Hyperledger Fabric v1.1,在Mac OS 13.3上搭建了应用交互层客户端,以及包含4个背书节点和4个组织节点的底层区块链网络。在Ubuntu 16.04搭建了共识机制模块。实验机器为Macbook Pro17,CPU:Intel Core i5 3.1 GHz,内存:16 GB。
由于同步碎石封层技术是通过沥青或者改性沥青和碎石的充分粘合后对地面进行的养护处理,首先要对沥青进行加热,改性沥青加热温度控制在180~200℃之间,普通沥青加热温度控制在160~170℃之间,再进行沥青的喷洒。为了减少外界温度对施工的影响,在西北地区,一般将施工期选择在6~9月期间,以此来降低天气对施工效果的影响,并且尽可能的避免雨水天气,保证沥青胶和碎石粘合度,增大原材料的粘合度,提高封层质量[3]。
为了验证该系统能够满足物流交易场景的实际需求,使用了用户注册和交易信息查询两种标准交易对系统进行了测试,每种交易分别运行3 000~5 000次。通过对相应进程及Docker容器进行监测记录,获取了系统吞吐量、交易延迟、节点资源消耗(内存、CPU、网络IO占用)几项关键数据。并对改进的共识机制进行了单独测试,得出了其平均共识执行时间。
3.2 实验结果
图2显示了在每秒50、100、150交易(transaction per second,tps)作为输入的条件下,对系统交易延迟以及输出吞吐量的影响。可以看出,在50 tps作为输入的条件下,系统中只需不到1 s便可执行一笔交易并
图2 输入交易速率对交易延迟及输出吞吐量的影响
进行确认,且输出交易速率未受影响。随着输入交易速率的提升,交易确认延迟明显上升,且输出交易速率稳定在90 tps左右。
图3~图5显示了在50 tps输入,1 000笔交易的条件下,各主要进程及容器的资源占用情况。结果表明,1 000笔交易后,网络流量消耗最高的组织节点约消耗20 M流量,系统各主要模块平均CPU占用均不高于20%,各主要模块平均内存占用在100~150 M左右(图中EP、OP分别代表背书节点与组织节点)。
图3 模拟节点平均网络流量使用情况
图4 模拟节点平均CPU占用情况
图5 模拟节点平均内存占用情况
由此可见,该系统各主要模块的资源消耗较低,能适应物流交易业务场景的需求,并应用于手持终端等移动设备。在实际应用场景中,若采取多进程并发处理机制,系统吞吐量有望达到数百甚至上千笔交易每秒。未来将在这一方向上进行更多研究与验证。
同时,对共识机制模块进行了单独测试。共识模块配置为每区块仅存储一笔交易,收到交易后立即执行后续操作,以此来分析BFT-SMART的执行效率。图6为在分别使用1~64 kB大小的交易进行测试的情况下,基于BFT-SMART的共识算法的执行时间。结果显示,单笔交易数据大小在8 kB以下时,执行时间较为稳定,超过这一数值,算法执行时间将呈指数级上升。
图6 交易数据大小对共识算法执行时间的影响
4 结束语
针对国内物流行业当前痛点,结合区块链技术优势及特点,提出了一个基于联盟区块链的物流业信息平台。对设计信息平台所涉及的关键问题进行了分析和研究,如访问控制及身份管理、共识算法、安全与隐私保护等问题,并搭建了原型系统进行仿真实验。相比于比特币等加密货币系统以及现有的联盟链系统,该系统具有如下优势:
(1)在区块链网络外层引入PKI体系进行身份管理,满足了行业级信息平台对数据透明度与隐私保护机制上的灵活需求;
(2)引入了基于拜占庭容错的BFT-SMART协议作为共识算法,在保证系统性能满足实际需求的前提下,将现有联盟链系统普遍采用的冲突容错共识算法提升至可容忍33%拜占庭错误的水平;
(3)联盟链架构简化了系统的数据验证与安全机制,交易只需被区块链网络部分节点验证与执行,降低了节点的资源占用需求,节省成本。
该系统虽然在理论上具有一定的研究价值和优势,且仿真结果理想。但要想付诸实践,真正应用于现实交易场景之中,还有许多具体细节需要考虑。下一步的工作是在真实的分布式场景中对系统进行搭建与测试,并对共识算法进行改进。
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LIP -Chain :A Logistics Information Platform Based on Permissioned Blockchain
NING Zhuo1,LI Mu-yang2
(1.School of Modern Posts & Institute of Modern Posts,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.School of Internet of Things,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)
Abstract :Blockchain is an intelligent distributed ledger technology (DLT) based on public key encryption and P2P networks. Its original advantages,such as decentralization,elimination of trust,and information transparency have perfectly meet the needs of the logistics industry for data not to be tampered with and information to be traceable forever,and solved the problem of trust when multiple parties participate in the circulation. However,the current mainstream blockchain system is difficult to have both performance and security,and the key technologies in the blockchain system still need to be further improved. Aiming at the pain points of the current development of domestic logistics express industry,we propose a logistics information platform system LIP-Chain based on permissioned blockchain. Unlike traditional information systems,LIP-Chain redefines the way to exchange and store logistics data,and solves the centralization and traceability issues perfectly. Furthermore,the key issues are discussed in detail,such as access control and identity management,consensus algorithm,security and privacy protection methods. Finally,the simulation shows that LIP-Chain not only maintains the above merit of blockchain,but also has strong scalability,which can support the blockchain network consisting of hundreds of complete nodes and thousands of clients. With low resource consumption,less than 100 M of memory,CPU,network IO and other costs are much lower than the hardware configuration of general mobile devices. Data throughput is large and can achieve hundreds to thousands of transactions per second.
Key words :blockchain;consensus mechanism;logistics;information platform
收稿日期: 2018-09-24
修回日期: 2019-01-16
网络出版时间: 2019-03-27
基金项目: 江苏省高校自然科学面上项目(16KJB520033)
作者简介: 宁 卓(1975-),女,博士,讲师,研究生导师,研究方向为网络安全、入侵检测、新一代信息技术在物流中的应用;李牧阳(1994-),男,硕士研究生,研究方向为区块链关键技术。
网络出版地址: http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20190327.1629.050.html
中图分类号: TP393
文献标识码: A
文章编号: 1673-629X( 2019) 08-0190-05
doi: 10.3969/j.issn.1673-629X.2019.08.036
标签:区块链论文; 共识机制论文; 物流论文; 信息平台论文; 南京邮电大学现代邮政学院现代邮政研究院论文; 南京邮电大学物联网学院论文;