基于区块链的物流信息管理框架研究

2018-10-17葛长涛马宏斌HUJieGEChangtaoSUNYongMAHongbin

物流科技 2018年10期

胡洁，葛长涛，孙勇，马宏斌 HU Jie,GE Changtao,SUN Yong,MA Hongbin

（空军研究院特种勤务研究所，北京 100190）

(Air Force Research Academy Special Service Research Institute,Beijing 100190,China)

0 引言

近年来，随着我国经济发展方式的转变、产业结构的调整，以及互联网技术不断发展，物流行业进入高速发展阶段。主要体现在：一方面，物流行业整体规模和范围不断增长，从传统的物资运输拓展到整个供应链流程[1]；另一方面，与大数据、物联网、云计算等新技术结合，物流行业逐步迈入智能物流时代。在物流产业高速发展过程中，一些问题也逐渐暴露出来，特别是物流各方信息不对称[2]、物流过程缺乏透明度[3-4]、物流信息真实性难以保证[5-6]等问题，已经对物流效率、物流过程可信等造成较大程度影响，一定程度制约了物流行业发展。

区块链（Blockchain）技术是随比特币（Bitcoin）等数字加密货币日益普及而逐渐兴起的一种全新的基础架构和计算范式[7]，其通过去中心化、去信任的方式集体维护一个可靠的数据集合，运用数据加密、共识机制和激励手段等方式，在无需信任的分布式系统中实现点对点的信息共享与协作[8-9]。该技术为解决当前物流行业中存在的信息不对称、不透明、存储不安全、难以确责等问题提供了有效途径。目前，部分物流企业正在开展区块链技术应用研究。例如，阿里巴巴、京东[10]在产品溯源中就应用该技术。这些应用大多是对区块链技术本身进行研究，对区块链在物流领域的具体应用场景，以及如何与企业现有业务系统进行融合等问题，尚缺乏深入分析和研究。

本文基于区块链的特点，针对物流信息管理存在的诸多问题，分析了区块链技术在物流信息管理中的应用场景，设计了基于区块链技术的物流信息管理框架、典型拓扑结构和信息管理流程，为提升物流信息的安全性、可靠性和可信性奠定基础。

1 区块链技术特点

区块链最早源于比特币交易，主要用于记录所有发生交易信息[7]。从本质上看，区块链并不是一种新的技术，是在整合现有技术基础上形成的一种新的技术标准和协议[8]，其主要特点可归纳为四个方面：（1）去中心化。可将区块链看做一个没有控制中心的分布式网络，数据分布存储在多个节点上，即使某个节点出现问题或者损毁，系统也能正常运行。（2）信息可追溯。基于区块和链式结构建立统一账本保存数据。账本由多个节点共同维护，只能增加不可修改，保证数据真实性。（3）信息公开。一旦加入到区块链网络，节点可享有同样的权利和义务。任何节点都可以查看数据，消除信息不对称。（4）智能合约。区块链以数字合约的形式驱动记账等事务的运行，根据其触发条件，在没有处理中心和人工参与条件下，自动执行并履行合约内容，提升合约的公平和公正性[11-13]。

2 区块链在物流信息管理中的应用

2.1 物流信息管理存在的问题

近年来，物流企业普遍引入物流信息技术，对物流过程产生的信息进行采集、存储、汇集、分析。物流信息技术的不断提高，对提升物流效率、降低物流成本发挥了重要作用。随着物流业务专业化和产业集约化发展，专业化的仓储、运输公司不断涌现，物流信息管理从物流企业内部走向企业与企业之间，成为企业共享咨询和沟通的桥梁，对物流参与各方的高效协同起到关键作用。

目前，国内物流资源分布较散，物流上下游企业的规模、体制各异[2]，难以在物流企业间建立信任机制，物流企业相互不愿共享信息。同时，由于缺乏有效技术手段保证物流参与各方数据的安全性和可信性，企业无法通过有效渠道进行信息交换。这就导致：（1）企业掌握的物流信息不对称。一些小散物流企业，以及寻求物流服务的企业，无法获取有效、充分的物流信息，势必对经营造成影响。（2）物流信息不透明。物流参与各方无法准确了解物资状态，无法及时发现问题，影响企业进行相关决策。（3）责任主体认定难。一旦物流出现问题，由于缺乏足够信息支持，无法确认事故责任主体，后期举证和追责也受到影响。上述问题已经成为物流信息管理水平提升的瓶颈，制约了物流行业发展。

2.2 区块链应用场景

针对物流信息管理存在问题，区块链可对提升物流数据共享、保证物流数据的真实性，实施有效确权和追责，提升物流数据安全性等方面提供一种技术途径。

（1）物流信息共享。以企业业务信息系统为基础，通过区块链将需要各方认可的信息或公共信息，例如，仓储信息、配送信息、车辆运力等，统一保存在区块链的数据账本中。这些信息可对网络中的所有物流节点公开，任何节点都可以通过预定义的接口查询账本中的数据，实现物流信息的共享，保证物流过程高度透明。

（2）“责权”不可抵赖。依赖区块链记录数据的方式，任何节点提交的记账请求都需要网络中的共识节点进行背书，获取其认可后才可被写入账本中，一旦物流信息被记录，就不可被篡改，保证了数据真实性。同时，区块链采用非对称数字加密技术进行身份验证，保证交易双方身份的真实性。如果物流过程出现问题，可以利用区块链在保障数据真实性和身份真实性上的优势实施有效追责[14]。

（3）提升物流信息安全保护。区块链对物流信息安全性的提升体现在四个方面：①对接入区块链网络的节点实行认证制度，只有认证后的节点才能接入到区块链中，防止非法节点接入到网络中。②通过匿名交易的方式切段身份信息与物流信息之间关联，使得攻击者无法通过分析物流数据获得用户身份信息。③基于P2P网络，通过中继转发的方式进行通信，攻击者很难通过窃听发现网络中传播信息的真实来源和去向[15]。④采用分布式的存储方式，不需要再对数据集中存储，避免传统服务器被攻击造成的数据泄露风险。

（4）自动履行物流合约。利用区块链的智能合约机制，可以将传统的纸质合同转化为数字合同存放在网络中[4]，区块链自动判断合约条件，根据条件满足情况自动执行合约。以运输合同为例，一旦合约拟定的条件满足，区块链自动执行付款。依赖于区块链对数据真实性的保证，相比传统合约履行过程，该方式可兼顾合同双方对降低合约风险和提高合约履行效率的诉求。

3 基于区块链的物流信息管理架构

3.1 物流信息管理框架

结合前述应用场景，本文基于开源系统Hyperledger Fabric[16]，设计了物流信息保障框架，如图1所示。

该框架共包括五个部分：物流信息存储服务、物流信息共识服务、物流节点服务、物流信息服务和区块链平台监管。

（1）物流数据存储服务。物流数据存储是物流信息保障的基础。基于Fabric的存储机制，可将物流数据存储分为三个部分：账本模型，账本存储和数据接口。账本模型是对物流状态数据的建模，定义数据项和数据类型。区块链按照账本模型将物流数据打包为区块记录到物流账本中，存储在节点文件系统中。同时，提供全局数据检索和更新接口，供上层调用。

图1 基于区块链的物流信息管理框架

（2）物流信息共识服务。物流信息共识服务为数据管理的核心。其主要以节点间的信任模型为基础，通过共识机制实现物流参与各方对物流信息背书，同时保证分布在不同节点上的物流数据保持同步和容错。目前，常用的共识算法包括：工作量证明机制（PoW）、股份证明机制（DPoS）、实用拜占庭容错（PBFT）、Kafka等。在应用过程中，需要结合具体场景选择某一算法进行相应适配和优化。同时，基于Fabric的多通道机制，还可以为不同类型的交易建立单独的通道，保证交互间数据隔离保密。

（3）物流信息节点服务。物流信息节点服务为区块链节点提供服务，主要包括：账户管理、合约管理和数据访问服务。账户管理利用认证机制提供节点注册、签发登记证书、签发交易证书、证书需求和撤销等服务。智能合约管理对部署在节点上的智能合约进行管理，实现合约的安装、部署、触发、调用等。数据访问为节点上的智能合约和其他应用提供账本数据访问服务。

（4）物流信息全局服务。物流信息全局服务主要基于区块链存储的物流信息，围绕物流过程和物资状态对物流信息进行抽取、统计、分析以及可视化。其中，物流过程信息管理主要从物流过程的角度，例如，收件、中转、运输等不同的物流环节，监控物流状态。物资状态主要以物资为核心对物流流转进行追溯和状态管理。同时，该部分服务还可被其他应用进行调用，查询物流过程信息和物资状态数据。

（5）区块链平台监管。通过区块链平台监管可以查看区块链整体运行的状态，及时发现问题并预警，具体包括：储监控、网络节点监控、物流事务监控、物流合约监控。数据存储监控主要监控各个节点存储账本情况，对存储信息摘要显示。网络节点监控主要显示当前区块链的基本网络拓扑形态，各节点状态信息等。物流事务监控主要结合物流合约查看事务运行信息。物流合约主要对不同节点上部署的智能合约运行状态进行监控。

3.2 物流信息管理网络拓扑

基于前述的管理框架，设计网络拓扑结构，如图2所示。每个物流企业或者组织都可作为网络的一个基本单元，包含共识节点、排序节点、网关节点、CA节点和若干个客户端节点。其中，共识节点参与区块链的背书和数据存储。排序节点根据智能合约运行情况生成数据区块，发送给共识节点并保持节点存储一致。客户端节点代表不同物流业务，主要以各企业业务系统为基础，经过适配后通过网关节点访问区块链，通过发起智能合约进行数据操作和查询，不参与记账、背书等事务。在客户端接入过程中，可结合企业自建CA进行节点认证。此外，网络中还包含一个全局CA节点和监管节点。该CA节点主要对区块链内的共识节点、排序节点进行认证，与组织内的CA节点形成分级认证机制。监管节点负责监控整个区块链的运行状态。

图2 基于区块链的物流信息保障网络拓扑结构

3.3 物流信息管理框架运行流程

结合物流信息管理架构和网络拓扑，设计物流区块链信息管理运行流程，如图3所示。具体如下：根据业务流程编写智能合约，将智能合约部署在网络节点中。客户端利用智能合约发起记账请求，排序节点根据智能合约向指定节点发起背书请求，背书完成后生成区块发送给共识节点进行记账。区块链监督定时抽取区块链中的各类型数据，监控网络中智能合约、事务运行、通道和账本的状态和变化。物流全局业务服务可以读取账本数据监控物流状态的变化，并为上层应用提供信息服务。