一种区块链多链协同的供应链物流溯源系统的制作方法

本发明涉及区块链应用技术领域，特别涉及一种区块链多链协同的供应链物流溯源系统。

背景技术：

物流是社会经济生活的重要组成部分，国标将其定义为：物品从供应地向接收地的实体流动过程。根据实际需要，将运输、储存、配送、信息处理等基本功能实施有机结合。供应链是通过对信息流、物流、资金流的控制，从采购原材料开始，制成中间产品以及最终产品，最后由销售网络把产品送到消费者手中，将供应商、制造商、分销商、零售商和最终用户连成一个整体的功能网链结构。物流是供应链流程的一部分，供应链物流不再只强调孤立的优化活动，而是要加强供应链企业群体协作作用。

随着技术的进步和社会的发展，物流产业也正经历着阶段性的变革，由传统的物流运转模式向智能物流模式转变，物联网、人工智能等技术加强了信息快速识别以及部分推断能力，溯源是供应链物流信息流通的重要手段，目标是有效管理物流活动，提高流通效率和水平,实现产品的品质控制，但当前智能化技术构建的溯源系统仍无法解决以下问题：

(1)假冒伪劣产品长期存在于供应链中，尚无有效的措施加以管控；

(2)物流系统的信息获取不对等，信息传递环节多并缺乏透明性，造成信息扭曲并放大，影响系统效率；

(3)物流中合同存在无法正常履行的潜在风险，处理纠纷时举证和追责费时费力；

(4)物流业务数据由中心机构维护，物流运转中的丢包爆仓、错领误领、信息泄露等问题普遍存在，目前中心化方法无法有效保证信息流的公平可信。

因此，根据现有技术的需求，当前供应链物流需要构建一个安全可信、信息透明、权责明确的溯源系统，区块链技术正是可信溯源的高效解决方案。区块链不可篡改、可追踪性、去中心化、支持建设交易各方信任机制的优良特性，是供应链物流溯源发展的技术驱动。区块链是一个分布式的公开分类账本，通过各参与方的共识机制来约束信息的记录，这就意味着供应链的合作成员之间的共享信息是公开透明且不可改变的，这是溯源有效运行的前提条件；区块链数据不可篡改性和时间戳存在性可有效解决参与主体的纠纷，实现轻松举证和追责；溯源信息的不可篡改和去中介化也可大力改善物流假冒伪劣现象。总之，区块链有助于减少供应链物流的信任成本，提高运转效率。

供应链物流溯源是一个长期备受产业界和学术界关注的领域，并已开展了许多工作，目的就是为了实现物流产品的品质控制，建设供应链物流各方的信任机制，从而提高流通效率和水平。现有技术包括：可使用rfid、epc等物联网设备完成水产品供应链部分流程的追溯；可使用数据库集成和算法加密技术，并通过rfid设备完成农产品的全程追溯；可构建一套供应链的质量与安全控制信息系统，在供应链成员之间共享信息，提高运转效率。

供应链物流溯源系统多使用中心数据库外加物联网采集设备，这样可以加快运转流程，实现溯源应用，但无法有效解决中心数据库安全风险、造假以及纠纷处理困难等多方面的问题。并且从现有研究来看，区块链技术在供应链物流溯源缺乏完整的技术体系和解决方案，一系列关键性技术问题并没有得到有效解决，这些问题包括：

(1)供应链物流包括运输、存储、配送等复杂流程，涉及多个参与方，加之异构物联网设备采集的数据种类繁多，信息量大，现有区块链的存储性能有限，查询能力不足，无法有效满足数据存储和信息快速查询分析的实际需求；

(2)链上信息的真实可靠，是区块链溯源系统有效运转的前提条件之一。目前常用的方法是使用物联网设备采集数据，减少人为干预因素，增强信息上链的“保真”，但仅仅使用这种方法尚不足以对信息真实性形成有效保障，还需要更加完善的机制来进一步加强；

(3)物联网设备是前端信息采集的基本载体，目前的研究缺乏有效的管控机制来保证物联网边缘设备的安全可信。另外，大量异构数据采集需要预处理，这将会给溯源系统造成过高负担，并增加延迟，费时费力。

(4)数据安全是区块链溯源系统的重要基础，高效的共识机制是区块链发挥作用的重要组成部分，权限分配、加密机制和共识算法的深入研究也是当前区块链溯源的必要工作，需要进一步加强和深入。

技术实现要素：

为了解决这些问题，本发明提供了一种区块链多链协同的供应链物流溯源系统，通过构建相对完整的区块链物流溯源技术体系来解决或改善上述问题，推进该领域的应用进一步落地和实施，发明构思主要定位于当前供应链物流溯源系统遇到的纠纷取证困难、数据篡改、信息不对等及造假等实际问题，从区块链和智能合约技术特点出发，通过建立高效的区块链溯源运行机制和管理方法，保证其具有高安全性、高可靠性和高实用性，丰富和发展供应链物流的内涵以及区块链技术的实际应用，创新上链、共识、监管等机制和关键技术，提供示范应用的技术支撑。该系统在区块链技术理论的基础上，设计面向供应链物流的溯源系统运行机制，提出信息、信用、规则的融合体系，将上链信息“保真”和运行中“证伪”有效结合，解决了目前物流运转中的难题，探索了数据不可篡改并可高效存储检索的新方法，拓展了边缘设备的管控机制和计算任务，为可信物流业务新模式的推行提供有效实施方法。

本发明的目的在于提供一种区块链多链协同的供应链物流溯源系统，包括：资源管理层、区块信息层、系统管理层以及应用服务层四个层次，由底层向上层层支撑，从资源管理层到应用服务层逐渐接近用户应用，从应用服务层到资源管理层逐步靠近物理资源。

优选地，所述资源管理层涉及物理资源系统管理，所述资源分为计算资源、外设资源、存储资源和网络资源，按照区块链的底层需求，将资源抽象为分布式文件系统、分布式数据库、边缘计算设备、虚拟机/容器以及网络协议，所述分布式文件系统用于存储溯源关键信息、信用链上信息，所述分布式数据库用于存储产品属性信息，所述边缘计算设备属于被认证的终端设备，用于采集数据并承担部分计算任务，所述虚拟机/容器用于运行智能合约实例，所述网络协议用于共识和通信。

优选地，所述区块信息层是溯源区块链系统的数据抽象层，包括所有与业务逻辑相关的区块链底层数据，所述区块信息层分为溯源关键信息区块、信用区块、智能合约和属性信息，所述溯源关键信息区块包括供应链产品和用户关键上链信息，所述信用区块包括用户信用变迁信息，所述智能合约包括智能合约代码，并且所述属性信息存储供应链物流产品的非关键属性信息。

优选地，所述系统管理层涉及溯源区块链的系统级功能，所述系统管理层集中了用户权限设定、上链策略、智能合约管理、共识算法，以及系统监控、多链交互、信息融合的系统管理功能模块，从而完成核心系统功能的实现，所述用户权限设定包括供应链上下流参与者的权限以及终端产品用户的权限两部分的设定。

优选地，所述应用服务层与系统用户对接，所述系统用户包括供应商、运输商、零售商、消费用户以及监管部门，通过统一的用户接口，依据不同的权限和安全认证要求，提供产品溯源、数据分析、系统运维的功能。

优选地，所述区块链多链协同的供应链物流溯源系统采用溯源多链保障及协同工作机制，所述多链包括物流信息链、监管信用链以及智能合约链，分别对应物流信息、监管信用和执行规则三个体系。

优选地，所述区块链多链协同的供应链物流溯源系统采用“证伪”反馈惩罚机制作为上链“保真”机制的有效补充，所述“证伪”反馈惩罚机制设计监管信用体系，该体系结点涉及监管部门、第三方机构以及供应链用户，结点用户具备物流信息链的查询功能，并且还根据各方面信息发起信用评估操作，经过数据验证、信息广播、结点共识环节，确定用户信用评估结果，修改信用状态值，并将信用变迁记录和凭证存储于信用链；其中，所述物流信息链的查询功能对应的查询规则和/或所述“证伪”反馈惩罚机制对应的惩罚规则可自主定制，所述查询规则和/或所述惩罚规则是自动执行的智能合约代码，并且构建智能合约链来保证执行的强制性，所述应用对象为各授权结点用户，用户可在具有公共功能的合约模板的基础上进行合约镜像的撰写，所述合约镜像为定制组合的具有特定功能的合约代码模板，然后完成合约验证、参与结点共识，构建合约镜像并存入智能合约链，在实际应用中，需要通过用户设置具体参数和数据，激活合约镜像并实例化，然后加以执行，完成合约操作，并把执行记录存入智能合约链提供合约溯源依据。

优选地，所述区块链多链协同的供应链物流溯源系统使用边缘设备，所述边缘设备使用之前需采用系统认证模块加以验证，依据验证策略确定为安全可信的边缘设备才可融入溯源系统展开工作；对于区块链多链协同的供应链物流溯源系统中所使用的不同的物联网边缘设备，传统的手工上链的异构数据，在上链之前完成一系列数据处理和融合操作，包括数据标准化处理、完整性验证，以及用户上链时要检查监管信用链和信用状态信息，如果用户的信用记录不良，结点共识机制可能拒绝此次上链操作。

优选地，所述数据处理和融合操作通过边缘计算完成，将部分数据处理和融合操作移交给边缘设备承担，协同完成数据采集和上链过程。

优选地，所述区块链多链协同的供应链物流溯源系统还采用信息安全认证与共识机制，包括用户权限和共识算法，结点用户参与溯源操作，必须具有相应的权限，在供应链流转过程中，使用数据签名技术来保障各参与结点用户拥有唯一识别身份，并保证操作行为的确定性，用户成功注册后，将会获得一个公钥和私钥，公钥向区块链中全体授权成员公开，而私钥则作为业务流转过程中验证身份与信息的关键，每个参与者都可以利用已注册id登陆终端，进入指定的区块链网络。

区块链多链协同的供应链物流溯源系统为联盟许可链，成员范围是可枚举的，采用拜占庭算法，并选举区域主结点，采用层次化自组织网络的方式，完成信息传递和结点共识，由这点对外通信，并在组内广播。

本发明的有益效果：

本发明基于区块链技术的物流溯源系统，是智能物流系统领域的创新型应用，具有广阔的应用前景，主要包括以下三方面：

(1)区块链技术可有效解决物流领域中存在的信任与溯源问题：商品的溯源包括信息的搜集、整合和展示，还要求不可篡改和可追踪，这正是区块链的技术特点，本发明的系统架构解决了供应链物流溯源的关键技术，可在此基础上，进一步拓展为供应链全流程应用。

(2)建立基于区块链技术的物流信任体系，从而带来新一轮的物流行业模式变革和经济关系重塑：区块链带来一种全新的无需第三方背书，并且真正可信的社会关系，极大地降低了生产与服务成本、市场交易成本以及信用成本，区块链可以和供应链金融、供应链争议解决组织以及信誉机制关联，形成全生命周期扩展管理。

(3)通过区块链与大数据技术及物联网技术的融合可颠覆传统共享经济商业模式，为共享经济发展提供全新机遇：共享经济作为互联网时代重要的产物，其本质是依靠互联网技术，将社会闲置资源重新利用，进而创造出新的市场价值。区块链技术是基于通信协议的全新互联网架构，通过其加密分享、分布式账本等特征为数据的流通与共享提供新的方法与思路。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

图1为根据本发明实施例的区块链多链协同的供应链物流溯源系统体系架构图；

图2为根据本发明实施例的区块链多链协同的供应链物流溯源系统多链协同工作机制原理图；

图3为根据本发明实施例的区块链多链协同的供应链物流溯源系统物流信息链与物流信息库协同架构图；

图4为根据本发明实施例的区块链多链协同的供应链物流溯源系统上链逻辑架构图；

图5为根据本发明实施例的区块链多链协同的供应链物流溯源系统安全认证与共识原理图。

具体实施方式

为了使得本发明能够针对其发明要点更加明显易懂，下面将结合附图和实例对本发明作进一步的说明。在下面的描述中阐述了很多细节和具体实例，提供这些实例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明完整形象地传达给本领域的技术人员。虽然本发明能够以很多不同于此描述的其它方式实施，但是本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做相应的推广，因此本发明不受下面公开的具体实例及具体附图所限制。

依据区块链技术的运行原理，分析供应链物流信息溯源系统的应用需求，如图1所示，建立溯源体系结构，将系统划分为资源管理、区块信息、系统管理以及应用服务四个层次，由底层向上层层支撑，越往上越接近用户应用，越往下越靠近物理资源，层级模块相互依赖，共同作用，组成有机整体，支撑整个系统功能的正常运转。

资源管理层主要是涉及物理资源系统管理，资源可分为计算资源、外设资源、存储资源和网络资源四种类型。按照区块链的底层需求，可将资源抽象为分布式文件系统(用来存储溯源关键信息、信用、智能合约镜像等链上信息)、分布式数据库(用来存储产品属性信息)、边缘计算设备(被认证的终端设备，用于采集数据并承担部分计算任务)、虚拟机/容器(用来运行智能合约实例)以及网络协议(共识和通信)。

区块信息层是溯源区块链系统的数据抽象层，囊括了与业务逻辑相关的区块链底层数据，可分为溯源关键信息区块(供应链产品和用户关键上链信息)、信用区块(用户信用变迁信息)、智能合约(智能合约模板)和属性信息(存储供应链物流产品的非关键属性信息)。

系统管理层主要涉及溯源区块链的系统级功能，从用户权限设定(包括供应链上下流参与者的权限以及终端用户的权限两部分)、上链策略，到智能合约管理、共识算法，以及系统监控、多链交互、信息融合等系统管理功能模块，都集中到该层，从而完成核心系统功能的实现。

最上面是应用服务层，主要是和系统用户打交道，溯源系统是针对供应链物流领域，因此涉及供应链环节多方用户，包括供应商、运输商、零售商、消费用户以及监管部门等，通过统一的用户接口，依据不同的权限和安全认证要求，提供产品溯源、数据分析、系统运维等功能。

(2)溯源多链保障及协同工作机制

区块链依据应用范围和特点可分为公有链、联盟许可链和私有链，由于本发明的应用领域是供应链物流，利用溯源技术手段，把控供应链物流的产品和环节品质，建立用户与参与方的信任关系，致力于构建该领域内的数字可信体系，因此，联盟许可链是更加合理的选择。

溯源的任务就是将物理实物与数字映射并可上链查询，区块链溯源要求链上信息真实可靠，虽然边缘设备自动采集可减少人为影响因素，加大信息的“保真”，但在实际中是无法完全避免造假的，因此，除了上链前的信息“保真”，本发明还提出了一种事后反馈“证伪”的惩罚机制，将信息“保真”和反馈“证伪”有机结合，共同保障区块链溯源系统信息的可信可靠。

信息查询、交易、功能使用等规则的柔性化管理也是区块链溯源系统可用性的实际需求。多链互联结构可以将信息可信和柔性管理两方面需求有机组合，共同发挥效用，其协同工作机制如图2所示。

多链系统根据业务特点，构建物流信息、监管信用和执行规则三个体系，分别对应物流信息链、监管信用链以及智能合约链。区块链系统各结点，可拥有1个或者多个责任用户，均具有唯一标识。物流信息体系中结点包括供应商、运输商、零售商、最终用户等，物流各环节结点用户可存储关键信息上链，并具有查询溯源的功能；为了保证链上信息的真实可靠，“证伪”反馈惩罚机制成为上链“保真”机制的有效补充，具体是系统设计了监管信用体系，该体系结点涉及多个监管部门、第三方机构以及部分供应链用户等，这些结点用户除了具备物流信息链的查询功能以外，还可以根据各方面信息(比如投诉信息)，发起信用评估操作，经过数据验证、信息广播、结点共识等环节，确定用户信用评估结果，修改信用状态值，并将信用变迁记录和凭证存储于信用链。这种机制可有效制约链上虚假信息，并为用户信用提供历史溯源凭证。另外，为了增加系统功能柔性(弹性或灵活性)特征，用户信息查询规则或者惩罚规则可自主定制，这就是设计执行规则体系的驱动力。执行规则是自动执行的智能合约代码，这里构建智能合约链来保证执行的强制性。应用对象为各授权结点用户，用户可在具有公共功能的合约模板的基础上进行合约镜像的撰写，然后完成合约验证、参与结点共识，构建合约镜像并存入智能合约链。在实际应用中，需要通过用户设置具体参数和数据，激活合约镜像并实例化，然后加以执行，完成合约操作，并把执行记录存入合约链提供合约溯源依据。

在区块链溯源系统中，前端边缘设备通常为应用自动采集数据，供应链物流领域涉及多参与方的运输、存储、配送等复杂流程，采集的数据规模大、种类多，如果单独使用区块链存储，通常表现为性能和空间不足，吞吐量小、延迟高，查询能力有限，无法满足数据存储和快速查询分析的实际需求。因此，本发明提出一种分布式数据库与区块链协同工作的物流信息体系，协同架构如图3所示。左边的数据库具有区块链的不可篡改、分布式去中心等特点，但是保留了数据库存储容量大、响应时间快、查询便利的优势，这里将其称之为物流信息库。而右边则是传统的区块链系统，具有更强的安全溯源特性，并可与其他区块链体系交互，形成闭环。供应链物流区块链系统产生的大量数据，经过信息分流模块，关键信息(比如标识产品唯一性的编码)存储于物流信息链中，而其他属性信息则存储于物流信息库中。物流信息链和物流信息库可相互通信，使用指标检索关联信息。物流信息库提供查询接口，快速便利；而物流信息链也使用自研的查询接口完成查询工作，这样对关键信息可充分利用区块链的安全、可追溯特性，对其他非关键属性信息则可提高查询和存储效率，有助于进行数据分析。

(3)异构数据融合上链关键技术

供应链物流周转环节多，涉及企业复杂，因此上链信息来源具有多样性和异构性的特点，随着物联网技术的发展和推广，rfid、各种传感器、条形码广泛使用并可自动识别，这些技术减少了上链信息造假的可能性。然而，终端采集设备和传感器是需要依赖边缘设备完成通信传输的，比如树莓派、手机、路由器等，这就增加了恶意边缘设备造假和攻击的可能性。因此边缘设备的管控变得非常必要，本发明拟使用的方法是，边缘设备使用之前需要系统认证模块加以验证，依据验证策略确定为安全可信的边缘设备才可融入溯源系统展开相关工作。另外，不同的物联网边缘设备的使用也增加了上链数据的复杂性。同时，传统的手工上链的图片、视频等仍旧存在，这种异构数据的特点，需要在上链之前完成一系列数据处理和融合操作，包括数据标准化处理、完整性验证，特别是用户上链时要检查监管信用链和信用状态信息，如果用户的信用记录不良，结点共识机制可能拒绝此次上链操作。这种方法可在源头减少链上的虚假信息，阻止恶意结点的不正当行为。这些数据处理和融合操作，如果都交给区块链系统处理，费时费力，加大延迟，造成溯源系统负担过重，因此，进行边缘计算，将部分任务移交给边缘设备承担，协同完成数据采集和上链过程，是适应物流溯源的又一特色设计。当然，适用于复杂数据信息的区块结构，也是需要着力设计的一部分，区块数据结构包括用户身份识别id(结点用户的唯一标识)、上链时间和结点位置、产品的属性信息等。这些信息一旦上链则不可更改，保证信息的可追溯性，并为交易纠纷提供所需依据。另外，还需要依据用户权限提供用户查询功能，保证用户可以快速、透明的查询所需信息，保证溯源功能的有效实施。上链逻辑架构如图4所示。

(4)信息安全认证与共识机制

区块链信息安全认证和共识机制是保证区块链系统正常运行的基础条件，是溯源系统需要考虑的重要问题。这主要涉及用户权限和共识算法的研究，安全认证与共识机制原理如图5所示。结点用户参与溯源操作，必须具有相应的权限，这在用户注册阶段就已经确定。在供应链流转过程中，各参与结点用户需要唯一识别身份，并保证操作行为的确定性，这里使用数据签名技术来加以保障，用户成功注册后，将会获得一个公钥和私钥，公钥向区块链中全体授权成员公开，而私钥则作为业务流转过程中验证身份与信息的关键。每个参与者都可以利用已注册id登陆终端，进入指定的区块链网络。

溯源区块链系统，作为联盟许可链，成员范围是可枚举的，因此可选择运行效率更高的拜占庭算法，并选举区域主结点，采用层次化自组织网络的方式，完成信息传递和结点共识，由这点对外通信，并在组内广播，提高共识操作的实际效率，又可有效防止广播风暴。

本实施例总体上提出一种溯源多链机制，以供应链物流为基础，清晰表现出区块链技术不可篡改的特征与产品溯源的关系，保证链上信息的真实可靠。其中使用的基础理论方法涉及拜占庭协议、非对称加密技术、容错问题、paxos算法、分布式存储、边缘计算，本实施例结合供应链物流的实际应用背景，选择最适用的拜占庭共识算法，提高共识算法的运行效率。同时在具体技术方案上通过建立区块链技术支撑的供应链物流信息溯源体系框架，设计供应链物流中产品溯源、信用约束、规则柔性执行的关系结构，形成物流信息、监管信用、执行规则三个体系，进而组建三个对应的链，分别存储信息、信用、规则数据，从而有效结合业务功能，保障运行机制，通过区块链技术对货物和人员信息的记录和存储，实现信息对接，上链“保真”策略和“证伪”惩罚机制相结合，保证信息可靠可信。通过改进数据存储和检索效率，充分利用边缘设备的计算能力，可有效提高溯源系统的执行效率，真正解决产品溯源难题，减少供应链物流的信用成本。

本实施例基于区块链技术的物流溯源系统，是智能物流系统领域的创新型应用，具有广阔的应用前景，主要包括以下三方面：

(1)区块链技术可有效解决物流领域中存在的信任与溯源问题：商品的溯源包括信息的搜集、整合和展示，还要求不可篡改和可追踪，这正是区块链的技术特点，本发明的系统架构解决了供应链物流溯源的关键技术，可在此基础上，进一步拓展为供应链全流程应用。

(2)建立基于区块链技术的物流信任体系，从而带来新一轮的物流行业模式变革和经济关系重塑：区块链带来一种全新的无需第三方背书，并且真正可信的社会关系，极大地降低了生产与服务成本、市场交易成本以及信用成本，区块链可以和供应链金融、供应链争议解决组织以及信誉机制关联，形成全生命周期扩展管理。

(3)通过区块链与大数据技术及物联网技术的融合可颠覆传统共享经济商业模式，为共享经济发展提供全新机遇：共享经济作为互联网时代重要的产物，其本质是依靠互联网技术，将社会闲置资源重新利用，进而创造出新的市场价值。区块连技术是基于通信协议的全新互联网架构，通过其加密分享、分布式账本等特征为数据的流通与共享提供新的方法与思路。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。