區(qū)塊鏈技術(shù)與應(yīng)用第6章課件

區(qū)塊鏈：技術(shù)與應(yīng)用第6章：區(qū)塊鏈與供應(yīng)鏈管理本章學(xué)習(xí)目標(biāo)了解基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)的設(shè)計思路與技術(shù)實現(xiàn)根據(jù)具體的案例，了解基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈管理流程供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)在區(qū)塊鏈的體系中采用了多種加密算法如安全哈希算法、梅克爾樹算法、圓錐曲線數(shù)字簽名算法等這些算法憑借良好的隨機(jī)來源使得區(qū)塊鏈具有良好的不可偽造性。供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)在“區(qū)塊鏈+供應(yīng)鏈”體系中，所采用的加密原理來源于非對稱加密算法與傳統(tǒng)的對稱加密算法中需要甲乙雙方傳遞密鑰不同，在這種算法中，一共出現(xiàn)了兩個不同的密鑰，分別為公開密鑰（publickey）和私有密鑰（privatekey）。供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)公鑰可以向他人公開，私鑰則保密，并且不能夠通過推算得出。用公鑰（私鑰）加密的數(shù)據(jù)可用對應(yīng)的私鑰（公鑰）進(jìn)行解密，從而避免了通信雙方交換密鑰帶來的不安全性，建立了更加安全保密的通信環(huán)境。在不同場景下，這種非對稱加密的使用過程如圖6-1和圖6-2所示。供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)

圖6-1信息加密場景供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)

圖6-2數(shù)字簽名場景供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)此外，梅克爾樹的存在極大降低了交易的算法復(fù)雜度，對于有N個交易的區(qū)塊，確認(rèn)一個交易的算法復(fù)雜度僅為log2N，為無需存儲整個區(qū)塊鏈的輕量級節(jié)點(diǎn)的存在提供了條件，使得在手機(jī)等移動端進(jìn)行供應(yīng)鏈上的交易以及信息查詢成為可能。供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈時間戳服務(wù)器設(shè)計在“區(qū)塊鏈+供應(yīng)鏈”體系中，“時間戳服務(wù)器”對每一個供應(yīng)鏈中的交易區(qū)塊進(jìn)行哈希處理后，在數(shù)據(jù)區(qū)塊頭中加蓋時間戳后，對該哈希值進(jìn)行廣播。其中，每個時間戳都會將前一個區(qū)塊的時間戳納入其隨機(jī)哈希值中，因此我們可以認(rèn)為，每一個時間戳都對前面的時間戳進(jìn)行了增強(qiáng)，由此形成了一個由供應(yīng)鏈交易區(qū)塊組成的不可篡改鏈條。供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)一旦某一區(qū)塊的數(shù)據(jù)被修改，則該區(qū)塊前一個區(qū)塊的哈希值將會與之不匹配，則需要繼續(xù)修改前一個交易區(qū)塊的哈希值，由此迭代，可以追溯到該鏈表的頭部，即創(chuàng)世區(qū)塊，由于創(chuàng)世區(qū)塊不能被修改，因此，一旦供應(yīng)鏈上某一交易區(qū)塊被區(qū)塊鏈確認(rèn)且存在于區(qū)塊鏈的最長鏈中，則無法對其進(jìn)行篡改和偽造。圖6-3則為基于區(qū)塊鏈構(gòu)建的供應(yīng)鏈體系中的區(qū)塊設(shè)計。供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)

圖6-3基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈交易區(qū)塊供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)在傳統(tǒng)供應(yīng)鏈中，由于信息的共享性與透明性不足，供應(yīng)鏈一旦有環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，難以準(zhǔn)確地對相應(yīng)企業(yè)進(jìn)行責(zé)任追究，對于非法活動也較難舉證，無法做到供應(yīng)鏈上的監(jiān)督審查。此外，由于供應(yīng)鏈中信息閉塞，企業(yè)間交流困難，為欺詐、盜取數(shù)據(jù)的行為提供了可乘之機(jī)，使得供應(yīng)鏈上信息的安全性難以得到保障。供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到供應(yīng)鏈中，為區(qū)塊鏈中的信息共享提供了途徑，使得上下游的企業(yè)之間可以快速建立信任。由時間戳服務(wù)器確保的數(shù)據(jù)不可篡改的性質(zhì)保證了區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)的真實性，這使得企業(yè)之間可以相互監(jiān)督，供應(yīng)鏈中的審計工作也易于開展，由此可以提升供應(yīng)鏈的運(yùn)作效率。供應(yīng)鏈中數(shù)據(jù)的透明公開保證了數(shù)據(jù)在傳播過程中難以出現(xiàn)欺詐等行為，同時，區(qū)塊鏈的特殊的加密措施使得其上的數(shù)據(jù)難以破解，這也進(jìn)一步為數(shù)據(jù)提供了安全保障，保障了供應(yīng)鏈中的數(shù)據(jù)在流通過程中的安全無損。供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)在供應(yīng)鏈中，也可以基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈側(cè)鏈實現(xiàn)。側(cè)鏈技術(shù)（即楔入式側(cè)鏈技術(shù)）是指實現(xiàn)資產(chǎn)在多個區(qū)塊鏈之間進(jìn)行安全轉(zhuǎn)移的技術(shù)。側(cè)鏈?zhǔn)侵冈谂c主鏈平行的另一條區(qū)塊鏈，同時，側(cè)鏈可以實現(xiàn)與主鏈之間價值的雙向轉(zhuǎn)移，但是側(cè)鏈與主鏈之間是隔離的，故此，即便側(cè)鏈中的加密被破解，主鏈并不會因而受到損害。供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)主鏈與側(cè)鏈之間實現(xiàn)價值轉(zhuǎn)移的方式主要有兩種，分別為雙向楔入和聯(lián)合楔入。雙向楔入是通過簡單支付驗證證明（simplifiedpaymentverificationproof，SPV）以一個固定的匯率在主鏈與側(cè)鏈之間傳遞資產(chǎn)的機(jī)制。聯(lián)合楔入則是指主鏈與側(cè)鏈之間通過由多方公證人控制的多重簽名地址以及由多方的控制權(quán)來鎖定或解鎖資產(chǎn)的資產(chǎn)轉(zhuǎn)移機(jī)制。側(cè)鏈的出現(xiàn)，為區(qū)塊鏈技術(shù)提供了更多的可能，既使傳統(tǒng)區(qū)塊鏈可以支持股票、債券等更多的資產(chǎn)類型，又為智能合約的出現(xiàn)以及大量使用提供了更方便的技術(shù)支持。供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)考慮到側(cè)鏈可以與主鏈之間進(jìn)行資產(chǎn)轉(zhuǎn)移以及側(cè)鏈與主鏈之間的隔離性特點(diǎn)，在“區(qū)塊鏈+供應(yīng)鏈”體系中可以通過聯(lián)合楔入方式構(gòu)建側(cè)鏈，幫助主鏈進(jìn)行新功能新業(yè)務(wù)的拓展與試運(yùn)行，并在側(cè)鏈上構(gòu)建智能合約系統(tǒng)，實現(xiàn)針對生產(chǎn)商、供貨商、銷售商以及消費(fèi)者在采購、付款、運(yùn)輸、融資、稅收等多個流通環(huán)節(jié)的多方智能實施與監(jiān)控。圖6-4從供應(yīng)鏈?zhǔn)召?、配送以及銷售環(huán)節(jié)三個方面列出了“區(qū)塊鏈+供應(yīng)鏈”體系中包含的部分智能合約。供應(yīng)鏈的安全性及側(cè)鏈實現(xiàn)

圖6-4基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈智能合約基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計區(qū)塊鏈根據(jù)其分布式存儲的程度可以分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈三種。在公有鏈中，不存在用戶授權(quán)機(jī)制以及任何核心節(jié)點(diǎn)，所有的節(jié)點(diǎn)都是對等的，都可以在區(qū)塊鏈上進(jìn)行讀寫操作。比特幣所采用的區(qū)塊鏈就是典型的公有鏈。聯(lián)盟鏈的去分布式存儲程度次于公有鏈，但在處理速度上有著更大的優(yōu)勢。聯(lián)盟鏈只對特定的部分組織開放，區(qū)塊的生成由部分節(jié)點(diǎn)決定，因此并不是所有的節(jié)點(diǎn)都可以對區(qū)塊鏈進(jìn)行讀寫操作。在構(gòu)建不同機(jī)構(gòu)之間的區(qū)塊鏈時通常會選擇聯(lián)盟鏈。分布式存儲程度最弱的是針對單一機(jī)構(gòu)開放的私有鏈，私有鏈具有較弱的分布式存儲特性和極快的處理速度，可以在企業(yè)內(nèi)部廣泛應(yīng)用?；趨^(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計因此，在“區(qū)塊鏈+供應(yīng)鏈”體系中，選用聯(lián)盟鏈來構(gòu)建平臺。下面我們討論基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識算法設(shè)計?；趨^(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計在最初的比特幣區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，采用的共識算法為工作量證明算法PoW，這種算法是用來應(yīng)對拒絕服務(wù)攻擊和其他服務(wù)濫用的對策，它要求客戶端進(jìn)行一定量的運(yùn)算，允許節(jié)點(diǎn)通過算力互相競爭。基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，工作量證明就是通常所說的“挖礦”中要做的主要工作，在這個過程中礦工基于自身算力通過不斷地進(jìn)行雙重SHA-256運(yùn)算解決工作量證明迷題，節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立，各節(jié)點(diǎn)通過計算能力的比例分配資源，不存在某一點(diǎn)獨(dú)占資源的情況，以此達(dá)到分布式存儲的目的。此外，工作量證明也提高了攻擊系統(tǒng)帶來的成本，想要成功對區(qū)塊鏈進(jìn)行攻擊，往往需要自身算計達(dá)到總算力的51%，而攻擊者通過攻擊所獲得的收益往往不值得攻擊者付出如此大的成本，因此，工作量證明也在很大程度上保證了區(qū)塊鏈的安全性。基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計但是PoW算法依然存在一些問題。例它要求節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大量的計算從而導(dǎo)致了較大的能源消耗，而且在比特幣系統(tǒng)中，新區(qū)塊的生成時間約為十分鐘左右，這對于其他場景下的大部分交易來講并不合適。因此，在工作量證明的基礎(chǔ)上，權(quán)益證明PoS被提出并成為了替代工作量證明的新的共識機(jī)制，它用通過節(jié)點(diǎn)對所有權(quán)的證明取代了PoW中的通過競爭性的哈希運(yùn)算來達(dá)成共識，在PoW機(jī)制中，算力強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)得到的信任越高，而在PoS機(jī)制中，擁有的代幣越多且?guī)琵g越高的節(jié)點(diǎn)擁有權(quán)益越大，得到的信任越高?；趨^(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計此外，常用的共識算法還有委任權(quán)益證明機(jī)制DPoS以及實用拜占庭容錯算法PBFT。DPoS機(jī)制是指即先通過權(quán)益選出該系統(tǒng)的受托人，只有這些受托人有權(quán)利在區(qū)塊鏈中進(jìn)行記賬，在交易發(fā)生時，由受托人輪流負(fù)責(zé)在區(qū)塊鏈上進(jìn)行記賬。PBFT算法是一種允許少數(shù)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯誤的情況下達(dá)成共識的算法，在交易發(fā)生時，各節(jié)點(diǎn)通過這種算法對交易進(jìn)行投票，投票高于一定的比例則可以將該區(qū)塊連接到區(qū)塊鏈中，這種算法通過少數(shù)服從多數(shù)機(jī)制完成了區(qū)塊鏈中的共識過程。基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計在實際應(yīng)用中，不同的區(qū)塊鏈往往根據(jù)自身所需要的分布式存儲程度的不同以及應(yīng)用場景的不同選擇各自的共識算法。例如，公司可以在自身內(nèi)部構(gòu)建私有鏈，而在這種情況下，由于企業(yè)內(nèi)部存在層級結(jié)構(gòu)，通常可以選擇在分布式存儲的程度上做出一定的妥協(xié)，不會選擇工作量證明算法，而是采用其他運(yùn)算速度快，消耗能源少的算法，從而實現(xiàn)高效率低成本的目的。基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計PBFT算法是成熟的在聯(lián)盟鏈中較為常用的算法，而在“區(qū)塊鏈+供應(yīng)鏈”體系中，我們采用改進(jìn)的拜占庭容錯算法，即授權(quán)拜占庭容錯算法（delegatedByzantinefaulttolerance，DBFT）。這種方法首先按照供應(yīng)鏈中各企業(yè)持有的權(quán)益比例選出供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)中的共識節(jié)點(diǎn)，再通過投票達(dá)成共識，其中，只有共識節(jié)點(diǎn)才有權(quán)力在區(qū)塊鏈中進(jìn)行記賬?；趨^(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計這種共識方法具有良好的容錯性，適用于構(gòu)建在供應(yīng)鏈上的聯(lián)盟鏈體系。在“供應(yīng)鏈+區(qū)塊鏈”體系中，供應(yīng)鏈中的核心企業(yè)擁有較大的股份，可以作為整個聯(lián)盟鏈中的共識節(jié)點(diǎn)，在有新的交易發(fā)生時，共識節(jié)點(diǎn)可生成區(qū)塊，即在區(qū)塊鏈中進(jìn)行記賬，新生成的區(qū)塊需要在全部共識節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行投票，當(dāng)通過票數(shù)超過一定比例時，即可將該區(qū)塊視為正確的區(qū)塊，而后方可將該區(qū)塊連接到現(xiàn)有區(qū)塊鏈中?；趨^(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計在“區(qū)塊鏈+供應(yīng)鏈”體系的聯(lián)盟鏈中，并非所有的交易信息都是對外開放的，除供應(yīng)鏈中可信任度較高的核心企業(yè)以外，只有該區(qū)塊所涉及的參與方才對交易信息擁有閱讀權(quán)限，這種共識算法在保證了供應(yīng)鏈共享數(shù)據(jù)的能力的同時也保障了供應(yīng)鏈中交易方的隱私?；趨^(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計在實際應(yīng)用的供應(yīng)鏈中，由于商品的來源可能來自多個不同的產(chǎn)地，而且在商品從生產(chǎn)者到最終被客戶購買的過程中可能經(jīng)歷了多次中間產(chǎn)品的交易流通，其中的交易信息通常是十分分散的，這也導(dǎo)致了一旦在某一環(huán)節(jié)中，商品出現(xiàn)問題，消費(fèi)者難以追溯商品具體的來源信息，另外，即便商品沒有出現(xiàn)問題，消費(fèi)者也難以在商品出庫后及時得到反饋信息，從而給假冒偽劣產(chǎn)品提供了可乘之機(jī)。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為供應(yīng)鏈上商品的實時追蹤提供了更為高效可靠的途徑。基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計在供應(yīng)鏈中，可以對每一件商品賦予一個特定的身份編碼，每一次商品的運(yùn)輸流通或者所屬權(quán)的變更都可以視為一次交易，利用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以真實地記錄商品的每一次交易，從原材料采買、流通一直到商品的營銷過程都可全程記錄，同時，利用其多種數(shù)字加密技術(shù)和時間戳服務(wù)器可以使得記錄有著防破解防篡改的特點(diǎn)，保障了數(shù)據(jù)的真實性與可靠性。一旦商品出現(xiàn)問題，即可追溯商品的全部交易環(huán)節(jié)，從而找到出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，并做出相應(yīng)決策，因此可以做到高效防偽，也為商品提供了可追責(zé)性?；趨^(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在供應(yīng)鏈中可以在保障了消費(fèi)者的權(quán)益的同時促進(jìn)商家之間的積極競爭，提高商品的整體質(zhì)量水平，推動供應(yīng)鏈的良性發(fā)展?；趨^(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈共識機(jī)制設(shè)計本章以黑龍江某品牌大米為例，構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的大米行業(yè)供應(yīng)鏈體系。該大米由總供應(yīng)商從各大米廠家收購后，通過鐵路運(yùn)輸或陸海聯(lián)運(yùn)的方式運(yùn)往京津、上海、江浙和廣東等各區(qū)域的分銷企業(yè)，最后再通過各地的零售商將大米送到消費(fèi)者手中。基于區(qū)塊鏈的大米供應(yīng)鏈設(shè)計舉例在大米供應(yīng)鏈中，可將上下游中股份較大的部分企業(yè)即供應(yīng)鏈中的核心企業(yè)設(shè)置為區(qū)塊鏈中的共識節(jié)點(diǎn)，這些共識節(jié)點(diǎn)擁有在區(qū)塊鏈中記賬的權(quán)力。當(dāng)區(qū)塊鏈中有其他節(jié)點(diǎn)想要成為共識節(jié)點(diǎn)時，需要現(xiàn)有的共識節(jié)點(diǎn)進(jìn)行投票，在投票通過后，新加入的節(jié)點(diǎn)與原共識節(jié)點(diǎn)擁有同樣的權(quán)限?；趨^(qū)塊鏈的大米供應(yīng)鏈設(shè)計舉例在每完成一筆大米交易時，這些大企業(yè)有權(quán)力將交易信息記錄在區(qū)塊中，其他共識節(jié)點(diǎn)可以通過數(shù)字簽名的方式對交易信息進(jìn)行投票確認(rèn)，由于區(qū)塊鏈的加密技術(shù)保障了數(shù)字簽名的不可偽造性，從而保證了企業(yè)投票時信息的安全性。當(dāng)區(qū)塊被共識節(jié)點(diǎn)投票通過后，將會連接在現(xiàn)有區(qū)塊鏈的末端，并加蓋時間戳。這里的交易可以指大米在供應(yīng)鏈中的每一個流通環(huán)節(jié)所發(fā)生的交易?；趨^(qū)塊鏈的大米供應(yīng)鏈設(shè)計舉例在現(xiàn)有情況下，部分商品為消費(fèi)者提供了通過掃描二維碼或條碼了解商品產(chǎn)地的服務(wù)，但是由于網(wǎng)絡(luò)中的信息存在被惡意篡改的可能，消費(fèi)者看到的信息有可能并不是真實的，而將區(qū)塊鏈應(yīng)用到大米供應(yīng)鏈中則可以解決這一問題。在基于區(qū)塊鏈的大米供應(yīng)鏈體系中，被連接到區(qū)塊鏈中的區(qū)塊由于加蓋了時間戳而不能被篡改或者偽造，從而確保了被記錄到區(qū)塊鏈中的大米的交易信息的準(zhǔn)確性與可信性?；趨^(qū)塊鏈的大米供應(yīng)鏈設(shè)計舉例因此，大米在供應(yīng)鏈的每一環(huán)節(jié)的交易信息都會被如實記錄在區(qū)塊鏈中，消費(fèi)者可以根據(jù)大米特定的身份編碼查看大米的真實流通環(huán)節(jié)，真正了解大米是如何通過層層運(yùn)輸交易到自己手中的?；趨^(qū)塊鏈的大米供應(yīng)鏈設(shè)計舉例通過區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)，可以更好更全面的對大米供應(yīng)鏈的各個環(huán)節(jié)做好智能管控，大大節(jié)省人力成本。例如，在大米收購環(huán)節(jié)，通過智能合約，供應(yīng)商能夠及時了解庫存情況，及時向生產(chǎn)商進(jìn)行采購，并利用智能合約監(jiān)控大米的存儲條件以及大米的質(zhì)量，從而保證了優(yōu)質(zhì)的大米來源。在大米運(yùn)輸環(huán)節(jié)，可以通過智能合約實時監(jiān)控大米運(yùn)輸過程中的溫濕度，一旦溫濕度不達(dá)標(biāo)則給出相應(yīng)提示。此外，在銷售環(huán)節(jié)，還可以通過智能合約搭建線上支付平臺，實現(xiàn)智能線上貨到付款，違約退款等服務(wù)?；趨^(qū)塊鏈的大米供應(yīng)鏈設(shè)計舉例將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到供應(yīng)