面向时空数据的区块链研究综述

傅易文晋,陈华辉,钱江波,董一鸿

(宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211)

0 概述

时空数据是指具有时间与空间2个维度的数据,其主要用于描述地理信息在时间维度上的变化情况,目前在三维建模、自动驾驶和物流追踪等方面得到广泛应用。

目前,针对时空数据的存储主要通过集中式的方法,但随着数据的进一步中心化,集中式存储方法的弊端开始显现。在2018年的长生疫苗事件中,包含疫苗采购、物流及最终销售流向的时空数据均单点集中存储于长生公司自身服务器中。通过伪造疫苗的生产日期、生产厂家地址等信息,长生公司将过期、未授权厂家生产的劣质疫苗投放到市场,导致注射该疫苗的婴幼儿患上了严重疾病。在事件发生后,尽管长生公司公布了其服务器中存储的相关数据,但经过调查,这些数据已经被篡改,原始数据不知去向。在执法部门介入后,疫苗实际上已经大量流通,对社会造成了严重危害。时空数据的单点集中式存储导致其他行业商品的生产、认证、流通、销售等环节也同样发生信息不透明、大面积假冒伪劣商品难以查处等问题[1]。在2008年的毒奶粉事件、2011年的地沟油事件、2016年的山东疫苗案等的调查过程中,都出现了不同程度的关键数据缺失问题,而这些数据中多数都是时空数据。

区块链与时空数据相结合为上述问题提供了一种解决思路。本文总结现有区块链体系架构的特点,探讨分析其针对时空数据所进行的优化以及对于时空数据的性能支持度,在此基础上,对区块链技术在时空数据领域的应用前景和未来的研究方向进行展望。

1 时空数据及特点

时空数据是空间数据的扩展,其通常表现为包含时间数据的地理信息数据。时空数据含有空间、时间和时空数据的概念,并捕获数据的空间和时间信息,处理随着时间变化的空间数据或同一时间点下的不同空间数据。

空间数据包含复杂的对象,如点、线、多边形以及其他形状的大小参数等。时空数据将多个属性(如纬度、经度和时间)组合成有助于理解人类行为的度量单位,其中,最典型的时空数据为经纬度数据,通过解析经纬度数据可以快速获取目标的当前位置。时空数据具有时序属性,因此,其可以是无限的,也可以随时开始或停止,同时可以按顺序排序。空间数据揭示基于邻近的关系,对于互联网数据用户,位置通常定义一种相关性。时空数据在3D建模、智能行车、供应链管理等方面发挥了重要作用。

在一个供应链解决方案中需要对某个对象进行实时追踪,因此,跟踪机制不仅要求时空信息不断更新,还要求支持有关对象随时间变化的位置查询。其中,典型的查询有“列出时间t位置l处的所有对象”或“列出时间间隔[t1,t2]内在位置l半径r范围内移动的所有对象”。

时空数据是供应链产业的基础,目前,时空数据大多以单点集中的方式进行存储。大型供应商通过将其物流的时空数据存储在单点集中式服务器中以控制数据源。单点集中式存储所带来的问题是存在信息孤岛,大型厂商控制了数据源头,通过封闭数据源,厂商可以发布任意虚假信息来欺骗消费者[2]。区块链的出现为上述问题提供了解决方案。时空数据的增长速度高于金融区块链系统当前支持的交易数据的增长速度,此外,用于时空数据的共识协议需要位置证明处理。时空数据区块链应同时考虑安全数据存储和高效查询处理,但是传统区块链体系架构对于时空数据的支持度有限,因此,需要从安全数据存储及高效查询处理两方面对现有区块链体系进行优化。

2 区块链技术

早期的区块链技术[3]是作为比特币的基础架构,其实质是加密后的分布式账簿。区块链的主要存储机制为分布式加密存储,在进行内容修改时需要节点依照共识机制进行投票,从而最大程度地保障数据的安全性和不可修改性。目前较为成熟的区块链架构主要有2个,即以比特币为代表的UTXO[4]模型区块链1.0体系架构和由以太坊为代表的Account[5]模型区块链2.0体系架构。Block-DAG[6]体系架构由以色列耶路撒冷希伯来大学提出,其被认为是区块链3.0体系架构的主要研究方向。区块链体系架构的关键数据结构包括区块链和区块两部分。

1)区块链(Blockchain)。区块链是一个去中心化的分类账系统[7],图1所示为区块链的基本架构。在比特币网络的区块链体系架构中,交易被存储在区块上,每一个区块的块头中保存有上一个区块块头的哈希指针。通过单向的哈希指针,区块与区块之间构成一条单向延伸的链,即区块链[8]。

图1 区块链体系架构

2)区块(Block)。在比特币网络中,每笔交易都被加密并存储在块体中,块体中的数据存储在分布式列数据库中。块体上存储每一笔交易的哈希值,而哈希值通过Merkle树的形式进行存储,因此,在块体上并不存储具体的交易信息。图2所示为比特币交易区块架构,区块包括块头和块体,块头中所存储的数据包括该区块的版本信息、记录交易的Merkle Root、父区块哈希值和Timestamp等信息,块体中存储交易记录的哈希值。块体中存储的已加密的交易内容包括交易双方的加密信息、交易具体金额以及付款者签名等[9]。

图2 比特币交易区块架构Fig.2 Block structure of bitcoin transaction

3 传统区块链与时空数据

时空数据是供应链产业的基础,而区块链在解决供应链产业中出现的一些问题时发挥着重要作用[10],原因是区块链自身所具有的特性与供应链产业的需求相辅相成。表1所示为区块链应用于基于时空数据的供应链产业时的优点总结，“”表示能实现该效果。

表1 区块链的特性与优点Table 1 Characteristics and advantages of blockchain

传统区块链体系架构主要包括UTXO模型区块链体系架构和Account模型区块链体系架构。现有多数针对时空数据区块链的相关研究也主要聚焦于上述2种架构,下文将对这2种架构展开综述。

3.1 区块链1.0体系架构

比特币由中本聪在2008年提出,其本质是一种点对点的去中心化的交易货币,代表了区块链1.0技术体系架构。比特币的每一笔转账内容包括该转账地址的输入和输出[10],输入及输出的内容为交易的金额。每个输入产生一个对应的输出,所有的转账交易信息存放于交易池中,未被使用的交易输出被称为UTXO。在比特币中,UTXO是用于转账的一种账户模型,与传统交易模式不同,在比特币网络中没有交易账户的概念,每个区块记录所有交易地址的加密交易信息而非账户余额。图3所示为比特币的交易机制。

图3 比特币交易UTXO账户模型

比特币的核心思想是去中心化,所有的节点都拥有交易的副本。与现有金融体系不同,比特币使用UTXO进行结算。比特币本质上是一种加密货币,它的产生不依赖于任何中央权威,可以将其记账过程形象地比喻为“采矿”的过程,从事采矿的比特币网络节点称为矿工。矿工相互竞争以计算可调整难度系数的数学问题,解决了数学问题的矿工在最短的时间内将结果和相关信息广播到比特币网络。当其他矿工收到广播后,验证信息的有效性,检查该信息是否存在于先前的区块中,如果所有检查均通过,则在当前周期中使用最短时间解决了数学问题的矿工将获得更新区块链的权利,这一过程时长平均为10 min。在此周期中,该矿工将所有未确认的交易打包到一个新区块中,并按时间顺序将其链接到区块链的主链,然后获得一定数量的比特币作为奖励。如果验证结果无效,则计算结果和信息被丢弃,所有矿工将再次竞争开采。比特币使用工作量证明(PoW)共识算法来确保生成新区块,从而保证区块链的稳定增长。在这一投票机制中,所有的节点都具有相等的投票权,这意味着如果要对系统进行攻击,攻击者至少要获得51%以上节点的信任才能完全控制区块链系统[11],这一防御体系很好地提升了系统的安全性。在早期比特币用户非常少的情况下,所有在比特币网络中运行计算机的客户端都可以看作是一个全节点,这些节点保存着整个比特币区块链网络中的数据,网络中每发生一次交易,接收到信息的节点会对交易信息的安全性、合规性等进行验证,验证通过后再广播到全网络的其他节点,数据生成后不可以篡改,这意味着比特币全节点的数量越多,比特币区块链网络就越安全。随着节点数量的增加,由于全节点需要占用较大的内存与带宽,因此比特币网络采取了轻节点与全节点的分类方式[12]。轻节点不保存所有区块的数据,只保存与自己相关的数据,其体积小,可以运行于电脑、手机等设备。不借助第三方的计算,UTXO模型使用了一种最不信任的方式[13]完成了一种最值得信任的交易。

3.2 时空数据与区块链1.0体系架构

区块链1.0体系架构通过UTXO模型保证了数据的不变性,数据的安全性得到了极大提高。但是,比特币网络交易确认时间长、效率低等问题[14]限制了其对于时空数据的性能支持度。时空数据是一种时间敏感度极高的数据类型,尤其是物流数据,每时每刻都在变化。缓慢的交易投票虽然保证了数据的安全性,但是对于快速变化的时空数据而言将存在效率问题。

为解决上述问题,有研究机构提出通过侧链技术来提升区块链的投票效率,从而提升区块链1.0体系架构对于时空数据的支持度。在比特币架构中,所有的区块都在一条链上,所有的交易信息也都存在于一条链上。针对时空数据的时间和空间二维属性,文献[15]提出使用侧链技术来提高区块链1.0体系架构效率以使其支持时空数据的方法。该方法的主要思想是将数据在不同的区块链上进行存储,将时间数据与空间数据分别存储在2条链上,通过2条链的并行投票来提升交易效率。由于区块链中的每个全节点区块均备份有所有区块的相同数据,因此通过双向锚定技术[16]可以暂时将时间数据锁定于主链中,同时将其所对应的空间数据在侧链中释放,同样当对应的空间数据在侧链中被锁定时,主链的时间数据也可以被释放。图4所示为通过侧链对时空数据区块链进行优化的示意图,其中,阴影方块分别表示起始区块和处理区块。

图4 通过侧链优化时空数据区块链的过程示意图

Fig.4 Process diagram of optimizing spatiotemporal data blockchain through side chain

随着区块链1.0体系架构的进一步发展,其数据量持续增加,尤其是时空数据,实时更新速度快且持续性强。区块链最初规定每个区块的存储容量仅为1 MB,这使得区块的冗余度较小。文献[17]提出一种区块扩容架构,旨在通过一个转发队列实现区块的扩容。区块扩容能够提升区块链的整体数据处理容量,从而使得区块链能够更好地支持大数据。图5所示为通过转发队列实现区块扩容从而提升区块链对于时空数据支持度的过程示意图。闪电网络[18]是基于比特币网络的第2层支付协议,其通过将小额交易数据从主链中分离出来,并建立部分节点之间的双向快速支付通道,从而提升区块链的交易效率。对于时空数据而言,在许多应用场景下都存在双向数据交互,例如,在供应链系统中,司机和指挥中心的双向数据交互相当频繁,如果每次的数据交互都进行投票将大幅增加区块链的负载。对于可信任的司机节点,闪电网络通过在主链之外建立双向传输通道,从而提升信任节点间的传输效率。图6所示为闪电网络信任节点之间的数据传输过程。

图5 区块扩容体系架构

图6 闪电网络中信任节点间的数据传输示意图

Fig.6 Data transmission diagram between trust nodes in lightning network

由于区块链1.0体系架构协议的特殊性,使得区块链1.0体系架构的性能始终存在一定瓶颈,且现有研究大多聚焦于提升其架构效率。侧链技术的相关研究旨在通过双向锚定的简单支付认证技术来减轻主链的处理压力。区块扩容技术通过扩大区块的承载能力,从而大幅提升区块链的处理能力。闪电网络通过将不同体量的数据分开处理,以最大限度地提升网络的利用率。以上3种方式均一定程度上提升了区块链1.0体系架构的效率,但是比特币的交易机制限制了区块链1.0体系架构在不同领域中的应用。为解决该问题,区块链2.0体系架构提出智能合约的概念,从而拓展了区块链在时空数据领域中的应用。

3.3 区块链2.0体系架构

区块链1.0体系架构首次实现了去中心化的加密货币,并描绘了统一全球货币的宏伟蓝图。同时,加密货币触发了“多米诺骨牌效应”,将作为先驱者引发了货币领域的革命,并带来社会形态和运营模式的演变,从而极大地改变了人们的生活方式。然而,区块链1.0体系架构仅专注于加密货币,在实际应用中需要将其扩展到除加密货币外的其他领域并构建去中心化应用。为解决该问题,以以太坊为代表的区块链2.0体系架构应运而生。以太坊由VITALIK在2015年末提出,并于2016年1月亮相于在美国佛罗里达州迈阿密举办的北美比特币会议[19]。以太坊允许所有区块链技术的开发者在以太坊平台中建立并使用去中心化应用。比特币的交易机制是确定且无法修改的,而以太坊大幅拓展了区块链的应用场景。在以太坊中存储账户的余额,同时以太坊维持一个状态机,以保证用户能够快速获取当前状态的账户余额[20]。图7所示为以太坊账户的基本结构模型。

图7 以太坊账户的结构模型

以太坊账户主要由以下四部分内容组成:

1)合约序号,包括了该账户地址截至最近一笔交易为止的累计交易次数。

2)账户余额,包括了该账户地址截至最近一笔交易为止的以太币余额。

3)账户地址哈希值,存储了该区块的账户地址,用于用户查询。

4)Merkle Root,包括了该区块块体中所存储的该账户交易信息的Merkle树根值。

以太坊通过一个MPT(Merkle Patricia Tree)[21]树状结构索引来提升终端用户对于账户余额的查询效率。MPT可以在以太坊的架构中实现对最新状态余额的快速查询,其由Merkle Tree[22]和Patricia Tree[23]构成。Merkle Tree由计算机科学家RALPH提出,用于确保从其他节点接收的数据不会被破坏和替换,并且可以检查其他人是否欺骗或发布虚假数据。Patricia Tree是一种前缀树的索引结构,前缀树的索引结构可以以更快的速度和更小的计算资源代价进行查询及更新操作,在更新时,Patricia Tree只需修改叶节点,从而大幅提高了更新效率。图8所示为Merkle Tree和Patricia Tree的具体结构。

图8 Merkle Tree和Patricia Tree结构Fig.8 Structure of Merkle Tree and Patricia Tree

Patricia Tree可以作为索引,从而使用户快速地查找到自身账户的当前状态以太币余额。以图8(b)为例,Patricia Tree共有6个叶子节点,其key的值分别是to、tea、ted、ten、A、inn,通过这样一种前缀树的结构,可以快速找到用户的目标对象。MPT是一种树形结构,包含根节点和分支节点。根节点由分支指针和值组成,其中,分支指针存储指向分支节点的指针。分支节点中的键列出了所有可能的字符,以减少动态更新带来的计算量。当搜索路径到达分支节点时,关键词的索引号指向搜索代码的值。当分支节点作为根时,分支节点的值字段存储Merkle Tree的Merkle Root。当用户发起查询时,查询请求从Merkle Root开始逐层计算,最终到达分支节点以获取用户的账户余额。

3.4 时空数据与区块链2.0体系架构

以太坊代表了区块链2.0体系架构,其MPT索引结构满足了用户对于查询速率的需求。以太坊维持一个状态机,能够更好地支持用户对于账户余额的查询。在每次数据写入后只需要更新Merkle Tree,从而极大地提高了数据的写入性能。然而,由于哈希函数的单向性,以太坊的MPT仅维持最近一次的交易状态,用户难以查询到历史数据。与账户余额不同,时空数据具有连贯性,数据与数据之间的相关性较强。

区块在以太坊中通过其建块时间来进行排序。对于交易信息,交易时间与建块时间排序相同,这样可以保证交易的顺序。但是对于时空数据而言,交易的时间并不一定是用户最想获取的信息,按照建块时间进行排序反而会造成架构查询效率降低。文献[24]针对学籍信息数据集提出了一种时空数据区块链体系架构ECBC,其中,学籍信息是学生在不同时间不同地点的时空数据。如图9所示,通过对时空数据区块链的区块块头进行优化,在块头中加入时间数据的区间信息和空间数据的索引,从而提升区块链体系架构对于时空数据的支持度。针对区块链2.0体系架构难以查询历史状态的问题,通过在MPT索引结构的叶节点中增加指针,使区块链按照学号进行排列,从而有效提升了时空数据在区块链上的查询效率。

图9 ECBC时空数据区块链结构

有研究机构提出通过本地主机将区块链的交易情况进行解析处理,从而提升时空数据区块链的处理效率。文献[25]针对时空数据区块链查询速度较慢的问题,提出一种Ethernity DB架构,其在区块链2.0体系架构的数据层和共识层中加入一个解析层,通过模块化代码将每次进行投票时的时空数据解析至本地数据库然后实时存储,从而实现在本地数据库上的查询操作。区块链2.0体系架构与区块链1.0体系架构最显著的区别在于智能合约,通过定义智能合约,用户可以自定义数据交互的形式、时间和逻辑等,Ethernity DB同样定义了智能合约,用以提升其架构本身的数据交互效率。图10所示为Ethernity DB的体系架构。其中,阴影部分表示处理动作。

图10 Ethernity DB体系架构Fig.10 Ethernity DB architecture

除了扩容技术,对区块进行改造从而提升区块链2.0体系架构对于时空数据的支持度也是目前的研究热点之一。文献[26]提出一种名为Loamit的区块链2.0体系架构,用于检测信贷用户的贷款征信情况。该系统通过区块链架构存储信贷用户的交易时空数据,从而监测该用户的资金流动情况。与ECBC不同,Loamit并未改变区块链2.0体系架构的块头内部,而是通过在每个区块的底部加入时间范围与空间阈值,再建立所有区块的索引,从而提升区块链2.0体系架构对于时空数据的支持度。图11所示为Loamit架构的区块结构。

图11 Loamit时空数据区块链区块结构

与以比特币为代表的区块链1.0体系架构相比,区块链2.0体系结构最显著的特点是智能合约,这也是以太坊的核心内容。智能合约是内置在区块链应用程序中的代码片段,其预先设置了各种规则和操作,且触发机制包含在代码中。一旦满足触发条件,代码将自动根据约定的规则进行执行。由于时空数据具有更新速度快、数据关联度大的特点,因此对于时空数据区块链2.0体系架构的优化主要在于提高区块链效率。区块链2.0体系架构本身的MPT体系架构存在难以查询历史交易数据的问题,因此,对历史数据的查询与维护也是时空数据区块链2.0体系架构的一个重要研究方向。

4 Block-DAG区块链

有向无环图(DAG)是计算机科学领域数据结构理论中的一个重要概念,由于独特的拓扑结构,DAG通常用于处理动态编程问题,例如最短路径跟踪、数据压缩等。“有向”意味着网络中存在方向,而且是完全相同的方向,“无环”则表示整个网络结构中没有闭环。文献[27]提出了一种名为PHANTOM的可扩展Block-DAG协议,其被看作区块链3.0体系架构。Block-DAG的出现大幅提升了区块链的交易效率,比特币的交易速度为每秒7笔交易,而Block-DAG能达到每秒200笔交易。在Block-DAG中,每笔交易构成一个区块,每个区块所记录的是其对应用户的交易内容。相比传统的区块链体系架构,Block-DAG中的交易封装时间大幅缩短。在Block-DAG网络中,每个新交易都直接验证其父交易,并间接验证父区块的交易。经过多次直接和间接验证后,可以找到最左边的创始单元。每个交易都包含从创始单元到其父单元的哈希值,通过验证父区块的交易从而决定当前交易,而具体验证前序交易的数量,取决于用户所定义的合约,用户可以通过合约来定义交易验证的敏感程度,这种验证机制意味着Block-DAG实现了并行且异步的交易,并形成一种树形的拓扑结构,这可以大幅提高可扩展性。随着时间的增加,所有节点都相互连接形成缠结结构,只要改变任何一个节点的数据,整个网络的哈希值都会改变,因此,篡改网络的难度非常大。图12所示为Block-DAG区块链基本体系结构。

图12 Block-DAG区块链基本体系架构

Block-DAG网络采用Gossip算法[28]来确保不同交易之间状态的最终一致性,尽管其不能始终保证网络状态的一致性,但整个网络的数据将最终在某个特定时间达成一致。在以太坊区块链2.0体系架构中,MPT只能查询到最近一次的状态。同时,以太坊虽然可以实现链的分支,但是其访问依旧按照某种顺序进行。对于时空数据而言,查询所得到的结果更多与其本身性质相关而不关注块头的时间戳排序。Block-DAG网络采用异步通信机制,可以大幅提升区块链的可扩展性(吞吐量和交易速度)。网络中涉及的交易越多,确认交易的速度就越快。但是,Block-DAG良好的性能是以周期一致性为代价的。异步通信和Gossip算法在某些特定时间点获得了Block-DAG网络的数据同步,在此之前,攻击者可以使用数据不一致性来发起双花攻击[29]。同时,在Block-DAG网络中可能存在前向区块链接失败的情况,这将导致网络交易确认缓慢甚至无法确认等问题。

5 时空数据与Block-DAG

时空数据包括时间和空间2个维度,目前的集中式存储存在一些问题,而区块链作为分布式存储的代表,为解决上述问题提供了一种思路。传统的区块链架构对于时空数据的支持度有限,而Block-DAG的体系架构及快速投票协议对于时空数据的存储、查询等均具有较高的支持度。

目前,IOTA[30]、HLC[31]等基于Block-DAG的架构得到了一定研究与应用。IOTA是为物联网(IoT)设计的基于时空数据的区块链系统,其将比特币的P2P交易模式扩展到M2M模式,满足了大量机器之间的小额支付需求。在IOTA网络中,如果一个节点要发起一个新的事务,首先必须验证网络中的其他2个事务并指向这2个事务,此时新交易不断进行验证并添加到网络中使得网络得到扩展。IOTA网络结构如图13所示。

图13 IOTA区块链体系结构

HLC是基于Block-DAG的面向清真食品的来源可追溯平台,其通过IOT数据采集体系对供应链物流中的时空数据进行自动记录和上传,无需经过人工的干预。同时,通过对块头结构及块链体系、共识机制等进行改进,从而优化清真食品供应链体系。文献[32]提出了一种基于Block-DAG的区块链体系架构Conflux,其核心是共识协议。Conflux在保证安全性能的情况下允许多个参与者同时向区块链系统进行请求与写入。共识算法根据时间序列将Conflux网络划分为若干个单元,然后分别确定每个单元的子链,所有子链最终组成主链。只要主链保持清晰和稳定,网络中的多数常规安全问题都将得到解决。文献[33]提出了一种Block-DAG区块链体系架构SPECTER,其核心在于避免并行处理带来的交易冲突,并确保新生成的区块中所包含信息的一致性。用户可以自定义交易顺序,其包括上级交易的顺序和上级交易的上级交易顺序。在网络可用性高的前提下,表决机制可以保证网络中事务的稳定进行,并避免由系统冲突引起的安全问题。通用区块链编程平台Nerthus于2017年发布,其将以太坊和Block-DAG相结合,构建了“DAG+以太坊”的区块链体系结构模型。此外,许多面向时空数据的Block-DAG体系架构正在兴起,例如Nano、Hash-Graph和ITC等都是基于Block-DAG的区块链3.0体系架构,且都针对以时空数据为基础的供应链产业进行了相应的优化[34]。

6 总结与展望

6.1 体系架构

本文阐述现有的时空数据区块链体系架构,并分析了时空数据区块链的研究现状。对于当前典型的区块链体系架构,以比特币为代表的区块链1.0架构按照建块顺序存储,根据UTXO模型保证数据不被篡改,查询聚焦于交易而非账户,其对于时空数据的支持度较低。以以太坊为代表的区块链2.0架构,块链按照建块顺序排序,其对于原始数据的支持度较低。由于时空数据具有更新速度快、数据关联性强等特性,以上2种体系架构对于时空数据的支持度均有限,而Block-DAG能够很好地解决以上问题。对上述3种架构进行比较,其区块链体系架构对比如图14所示。

图14 现有3种区块链体系架构对比

6.2 性能优化

如表2所示,本文针对现有3种区块链架构对于时空数据所进行的优化进行总结。区块链1.0体系架构所进行的优化主要包括侧链、闪电网络等,区块链2.0体系架构的优化方式主要包括块体优化、数据分区等。Block-DAG区块链体系结构突破了传统区块链处理能力的局限性,在系统吞吐量和交易速度上有了较大的提升,这使得其能够更好地支持以时空数据为基础的供应链产业。Block-DAG区块链体系结构具有并行处理和多线程操作的优势,适用于供应链产业大数据量的交易场景。目前,已有部分研究机构使用Block-DAG体系架构来处理时空数据及供应链问题。

表2 现有时空数据区块链体系架构的特性比较Table 2 Comparison of characteristics of existing spatiotemporal data blockchain architectures

6.3 供应链产业

由于区块链与基于时空数据的供应链产业具有较高的适用性,因此有研究人员将区块链的应用前景聚焦于供应链产业。在将区块链应用于供应链的过程中,早期研究者根据区块链来跟踪供应链中的相关信息,例如追踪执行者、执行时间和执行地点。供应链中的每个合作伙伴都可以跟踪产品的装运、交付和进度。将区块链应用于供应链产业还可以衡量供应链中各项活动的绩效,并监控运输过程中产品的质量。基于区块链的供应链系统能够减少工作量并确保产品的可追溯性,同时提高效率和降低成本。文献[35]基于区块链体系结构提出了一种用于大豆生产溯源的供应链系统,其提高了大豆及相关产品的安全性。文献[36]基于区块链体系架构提出一种面向医疗健康领域的供应链系统,其可以用于解决医疗产品采购中的信任问题。文献[37]基于区块链体系结构提出了一种面向汽车生产装配产业的供应链系统,从而提高了该产业中的生产效率。

6.4 存在的问题与挑战

目前,区块链技术的发展极为迅速,但其仍然存在一定的问题并面临一些挑战。例如,对于区块链物流和供应链管理的研究仍处于起步阶段,许多物流运营商,特别是中小型公司对区块链知之甚少,甚至认为区块链技术是一种威胁。此外，对于区块链架构本身而言，区块链1.0体系架构已被证明不适用于大规模数据处理问题，而区块链2.0体系架构在处理历史数据时也具有一定的局限性并存在效率瓶颈。Block-DAG区块链网络提升了可扩展性，但是，由于特殊的同步机制，使其更容易遭受到双花攻击。同时，Block-DAG区块链网络中可能存在前向区块链接失败的情况，这可能导致网络交易确认缓慢甚至无法确认等现象。上述都是未来研究中需要解决的问题。

7 结束语

时空数据是供应链产业的基础,传统的集中式存储给供应链产业带来了一定的问题,区块链的出现为解决这些问题提供了一种思路。Block-DAG架构被看作是区块链3.0体系架构,其突破了传统区块链处理能力的局限,为区块链在大数据供应链领域中的应用提供了可能。尽管目前Block-DAG体系架构仍存在一定技术瓶颈,但其能够更好地支持以时空数据为基础的供应链产业,两者相结合能够带来较大的经济效益和社会效益。