基于区块链技术的产品标准链架构研究

江 涛，邢恩博，覃琼霞，添 梦

（1.中国计量大学经济与管理学院，浙江杭州 310018；2.浙江理工大学经济管理学院，浙江杭州 310018)

1 研究背景

标准是产业链实现高效生产和分工协作的基石。随着企业间合作范围扩大，产品标准不断增多，产品标准建设与标准匹配问题不断涌现。传统产业链上的产品标准通过谈判、合同或中介的方式向上下游企业传递，出现了传递效率慢、监管不到位或人为失误等因素导致的标准信息失真、恶意篡改标准信息、标准不协调等问题。上述问题的出现会导致全链产品生产受阻，进而削弱了产品标准在全产业链转型升级中的重要价值［1］。因此，完善与创新产品标准体系建设已成为新时代推进产业链转型升级的重要内容。

Nakamoto［2］在2008年首次提出“比特币”的概念，构建了一种不需要通过第三方金融机构，采用点对点方式直接将电子现金从一方给到另一方的方法，即一种去中心化的交易方法。这种交易方式建立在区块链的技术基础之上，区块链技术可以实现数据在交易的过程中公开透明，具体到企业标准领域，区块链技术可以在整个供应链的生产阶段形成一条完整的标准信息流，确保参与生产的供应链中各方可以及时发现产品标准存在的问题，并找到针对性的解决办法。区块链是提升标准链完备性和有效性的创新型方法，具有中心化、不可篡改、集体维护、智能合约等特点，对于完善产品生产标准体系、提高产品标准化水平具有重要意义。因此，本研究抓住产品标准体系建设中信息不对称、标准错位和标准体系不完备等典型缺陷，利用区块链技术在数据不可篡改性、分布式存储、自动网络共识和智能合约等方面的技术优势构建基于区块链技术的产品标准链逻辑架构，实现去中心化标准信息链与中心化监管的标准链创新机制，建立了标准链主链与企业侧链相结合的标准信息传递系统。相应地设计了区块链底层架构中的数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层，每层的内容与标准信息业务对应。这将对于企业之间进行快速的标准匹配、实现对于标准信息的实时访问和完善产品标准体系建设做出边际贡献。

2 相关研究评述与研究评论

2.1 产品标准链

标准链建设是提高供应链运作效率的重要内容。寻找一种提升标准链完备性和有效性的创新型方法是当前产业链升级的迫切要求。然而，目前针对产品标准链建设的研究依然停留在标准体系建设模式与标准协调等方面，相关产品标准链的系统性研究较为缺乏。毛丰付［3］认为，中国作为世界上最大的发展中国家，从贸易和加工大国向产业大国发展时无法绕开产业标准的发展问题。部分研究人员对产业标准展开研究，瞿羽扬等［4］从技术标准生命周期视角出发，运用成长曲线定量化地描述了3G、4G及5G 技术标准生命周期的具体特征，探究移动通信产业技术标准的演化路径。在标准体系建设模式方面，Vlasov 等［5］以国家标准与国际标准协调为例剖析了自上而下标准体系建设模式的效率问题；添梦等［6］的研究发现欧美国家积极采用标准化联盟模式来推进标准化，这为我国产品标准化体系建设提供了思路。事实上，不管是标准体系建设模式还是标准协调问题，本质上可以通过标准链系统统一起来，以解决多主体间的标准协调、匹配以及体系建设问题。区块链技术正是构建标准链系统架构的有效方法。

2.2 区块链的应用

近年来，区块链已成为计算机行业广泛应用的一项技术，区块链通过去中心化的特点解决了传统信息传递形式下中心化机构所具有的弊病，并促使了加密数字货币的诞生。区块链去中心化、可溯源和不可篡改等特性可以很好地用于解决供应链中的标准设置与修改的问题，减少企业间由于信息不对称带来的相关纠纷与摩擦。目前区块链的应用主要集中在金融、医疗、数据管理等方面。在金融领域，比特币、莱特币、以太坊等数字货币都建立在区块链技术之上，区块链是各类数字货币的底层技术，Urquhart［7］检验了比特币的市场效率。朱建明等［8］针对环球银行金融电信协会系统安全系数低、运行维护成本较高等劣势，提出了基于许可链的SWIFT系统架构，为保障跨境支付、清算的安全与效率提供新思路。在医疗健康方面，薛腾飞等［9］提出了一种基于区块链的医疗数据共享模型。建立医疗机构联盟服务器群和审计联盟服务器群相结合的医疗区块链系统MDSM，这种方法仍然存在效率低、实施困难的问题。为此，张超等［10］建立了一种基于实用拜占庭容错算法的联盟式医疗区块链系统，解决MDSM 系统中存在的问题。Tanwar 等［11］设计了一种基于区块链技术的电子医疗记录系统，用于提高医疗数据的可访问性。在数据管理方面，魏银珍等［12］提出了一种基于区块链的数据安全溯源方法。区块链的应用已经渗透到了生活的各行各业中，但企业标准链是区块链在数据管理领域的一个全新的应用领域。在为数不多的研究中，Allison 等［13］分析了区块链在推进建筑产业和建筑产品中的标准一致性和协调性的重要作用。张辉等［14］认为区块链所拥有的自动网络共识和智能合约机制还能高效地实现区块链和标准链的两链融合。总体而言，区块链应用研究具有广阔的前景，但是将区块链技术应用于标准链的研究依然缺乏。

2.3 研究评论

有关产品标准体系建设与产业链升级的研究为本文提供了相关的理论基础，但在产品标准融入产业链以及区块链在标准建设中的应用研究依然缺乏。就产品标准链而言，其本身是一个包含多主体的复杂系统，运用区块链技术构建一个创新型的产品标准链系统以解决多主体间的标准制定、修改、溯源、匹配中的信息不对称问题，提高标准实践效率，理应是一个可行的选择。

3 基于区块链技术的产品标准链

3.1 区块链技术

区块链技术是利用加密链式区块结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用自动化脚本代码(智能合约)来编程和操作数据的一种全新的去中心化基础架构与分布式计算范式［15］，具有去中心化、不可篡改、集体维护等优势。区块链中的密码技术有加解密算法、Hash算法、Merkle 树、数字签名等，众多技术结合构成了区块链技术的可溯源性，任何操作者都不可随意更改已经上链的内容。建立在区块链技术之上的以太坊是一个开源的区块链智能合约开发平台，提供区块链应用开发服务。

区块链分为公有链、私有链、联盟链。公有链完全对公众开放，不存在身份认证的限制，其中比特币和莱特币就是典型的公有链；私有链是指不对公众开放，仅仅在一个实体内部使用的系统，例如企业的财务系统、高校的教务系统等；联盟链是介于公有链与私有链之间的一种系统，被使用于多个实体之间，加入需要身份认证的限制。

3.2 标准链模型

标准链是区块链在企业标准领域创新型的应用。由于在标准制定、修改、溯源、匹配中存在信息不对称和效率低下等问题，而基于区块链的标准链系统可以有效解决上述问题。为此本文设计了基于区块链技术的产品标准链模型。不妨假设一个产品生产链上由零部件到成品的生产一共需要三级生产商构成，生产商之间通过标准进行匹配，相应的产品标准链结构如图1 所示。

图1 不同级生产商标准匹配流程

标准链模型结构如图2 所示。在签订合同时企业将标准库中的标准在标准链上通过智能合约自动匹配，若和另一家企业标准库中的标准匹配成功，则该企业成为潜在的签订合同企业，企业可以在匹配成功的数家企业中进行谈判以签订合同。新标准通过认证后，通过选举出的代理节点将新标准加入标准链中。标准链引入中心化的监管模式，由国家知识产权部门对加入标准链中的各节点企业进行行为监督，国家知识产权部门建立一条私有监管链，实现对国家知识产权内部的节点进行自监督，进一步保证标准链中的数据安全。每个企业建立自己的私有链，建设企业内部标准库，同时让一个节点加入联盟链主链，实现与主链中其他企业节点的信息交互，即每个企业内部的系统由企业内部各部门组成，主链为联盟链，内部系统为私有链，一般标准化部门作为接口连接到标准链主链上，作为信息交互的载体。

图2 标准链模型结构

4 产品标准链技术架构

基于区块链的基本技术架构，标准链信息平台也由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层构成，具体如图3 所示。数据层是区块链的底层，将数据提取摘要保存在区块链中，数据保存在底层数据库，例如Mysql 和Oracle 等。网络层包括区块链的传播与验证机制，由于区块链的点对点性质，数据在节点间传输，即使某些节点网络被破坏也不会对其他部分造成影响。共识层与合约层方面，标准链模型采用委托权益证明(DPOS)共识算法，采用信誉积分(R)作为奖励机制，并使用智能合约进行标准链上的业务。应用层通过几种不同的客户端对区块链进行管理、操作与维护。本节是对区块链技术架构的具体介绍。

图3 产品标准链信息平台技术架构

4.1 数据层

（1）区块结构。数据层是区块链的基础层，在标准链中的功能是进行产品生产流程中的各零部件标准的录入、修改与删除等功能，数据层的技术可以保证标准数据的不可篡改性。比特币中应用的区块链技术用来储存交易信息，本质上是一个分布式账本。在产品标准链中，产品标准的数据摘要储存在区块链上，区块链在这里就是一个分布式数据库，交易信息储存产品标准的数据摘要。产品标准链由区块和产品标准两部分构成，区块具体构成如图4所示。

区块头保存前一个区块的Hash 值、时间戳、版本号、Merkle 根Hash 值等信息，需要进行数字签名，保证数据的完整性。Hash 算法是指通过输入消息，经过一系列不可逆的运算求出数字摘要来保证数据完整性的一种算法，同样的明文在经过Hash 算法计算后得到的数字摘要一定是相同的。如果数据被篡改，经Hash 算法求得的数字摘要一定不一致。通过对数据进行Hash 算法求出数字摘要并与原始数字摘要进行对比就可以判断数据是否被篡改。

区块体保存Merkle 树结构。Merkle 树是区块链中保证数据完整性的重要手段，每一个区块中都存在一个Merkle 结构，区块链中的Merkle 树结构如图4 所示。Merkle 树通过对底层事务两两结对计算其Hash 值，然后再继续将计算出的Hash 值两两结对计算Hash 值，以此类推最后生成的Hash 值就为区块链的Merkle 根Hash 值。其作用为：一旦数据被篡改，我们不仅可以判断出数据已经被篡改过，还可以通过Merkle 树中的Hash 值定位到被篡改的数据。

图4 区块结构

标准单是储存标准数据摘要的载体，标准单中包括该标准的标准ID、标准单类型、时间戳和公钥等。标准单的生成者对标准单ID 签名，标准单类型包括增加、删除、修改和查询，标准单ID 为对标准内容、时间戳和公钥进行Hash 运算得出的结果，与生成者对标准单ID 签名一起保证数据不被篡改。产品标准包括产品的适用范围、产品的品种、规格和结构形式、产品的技术要求、产品的试验方法、产品的检验规则(验收规则)、产品的标志、包装、贮存和运输等，具体的形式可能是文字和视频等。企业只需将标准进行比对后加入自己的标准库，同时负责自身标准库的维护。

传统的数据信息传递方式依靠一个参与信息传递各方都高度信任的第三方机构，若使用第三方中介机构管理标准，第三方机构可以篡改数据，不便于监管。如果把数据集中在一个地方储存，那么很容易遭受不法分子的攻击。相较传统的标准传递方式，产品标准链可以更好地实现标准传递的过程。区块链中的每个节点只储存标准的数据摘要，系统中包含一定数量的全节点，标准的具体信息统一储存在全节点的服务器中，这些全节点往往由国家知识产权部门管理维护。当企业需要使用某一标准与其他企业签订合同时，只需在产品标准链中进行标准匹配，另一家企业收到后可以自行检验标准的数字签名判断标准是否被篡改。

（2）标准单内容。标准单中储存的内容是标准链的核心业务内容，包括企业信息、标准信息、监管机构信息、双方签订合同标准内容和各节点的信息等。每条标准单相当于一张表，里面储存若干条数据，标准单中所包含的内容主要由以下几部分组成：

1）标准主体信息：主要用于记录标准链中企业与监管机构的具体信息，具体包括企业所在地址、企业法人、企业联系方式和企业信用评级（根据企业在区块链中的信誉积分确定）以及每家企业或监管机构所拥有的公钥信息等。对于一些不公开的信息，例如处罚了某一企业的监管机构节点，监管机构的操作会使用非对称加密技术储存到区块链中，但公钥信息不被加密，监管机构可以自己查看自己进行的操作或者在企业上诉时授权给高级别部门查看自己的操作来核实对企业的处罚信息是否真实可靠。

2）标准具体信息：此部分信息是标准链中最核心的部分，储存了所有通过认证的标准，主链标准单储存标准经过Hash 运算后得到的数字摘要，标准的具体信息保存在由国家部门维护的全节点数据库中，这样减少了企业的区块链节点数据存储负担，加强企业参与建设的积极性。全节点中的标准不进行加密，可以供所有需要的企业查询，企业所拥有的私有链可以根据需要选择对自己标准库中的标准进行加密，此时企业的公钥与数字签名也保存在标准单上，方便企业内部进行查询。如果某企业篡改了标准内容，标准的数字摘要会发生变化，与储存在标准单上的Hash 值不符，进而根据Merkle 树找到被篡改数据的位置，并且可以通过数字签名找到进行操作的企业，从而保证了数据的不可篡改和操作可溯源。

3）操作与合同信息：操作信息主要用于记录用户对于区块链上数据进行了何种操作，操作时间以及操作前后的变化。对于企业私有链，企业在标准库中增加或修改标准后，生成新的区块会标注相应的操作类型。若标准单标注的操作类型为修改，并且为某工作人员恶意修改，可以在区块链上找到操作前的标准ID、操作后的标准ID、修改时间以及修改人员，增加了企业内部人员进行恶意操作的风险，有利于减少恶意操作。对于公有链，当企业进行标准匹配后，标准单同样可以保存两企业匹配的操作记录，并且在合同签订后保存两者的合同内容的Hash 值，提高交易效率并防止抵赖行为的出现。

4.2 共识层与激励层

常见的区块链共识机制包括工作量证明机制(proof of work，POW)［16］，权 益 证 明 机 制(proof of stake，POS)［17］，拜占庭容错机制(practical Byzantine fault tolerance)等［18］。由于POW 需要消耗大量算力来维持区块链的运行，POS 的安全性还需要进一步检验，PBFT 不能实现节点的动态加入与退出，因此本文采用引入信誉积分的DPOS 作为标准链的共识算法。信誉积分可以增加节点投票的积极性并且将剔除恶意节点变得可实现，在DPOS 算法中，区块链代理人负责打包区块、维持系统的运转并可以根据工作量获得相应的奖励。代理人个数由区块链项目决定，通常是101 个代理人，任何一个持币用户都可以投票或竞选代理人。用户可以随时投票、撤票，每个用户投票的权重根据用户持有的股份决定。投票和撤票可以随时进行，在每一轮选举结束后，得票率最高的n个用户则成为该项目的代理人（n由区块链项目决定）。

本文进一步采用信誉积分的DPOS 共识机制来激励企业积极参与标准链上的标准匹配、代理人选举生成区块等事项。在节点中投票选取一定数量的代理人，代理人负责进行区块的打包。激励层引入信誉积分制，各类节点共同竞争代理人，成功打包区块会有相应信誉积分(R)的奖励，为节点通过打包区块所获信誉积分、为节点投票所获信誉积分。当节点为恶意节点或故障，没有成功打包区块时将会被扣除信誉积分。信誉积分高的节点，说明在区块链的维护中表现良好，投票节点可以根据信誉积分对节点投票。

产品标准链节点包括管理节点m、投票节点v、代理人节点i、候选代理人节点j。

（1）管理节点m：管理节点为国家知识产权部门，负责监督标准链上的各节点的行为，拥有节点退出标准链的一票否决权，主要负责标准链上行为监督。

（2）投票节点v：投票节点为企业参与标准链的各部门节点，可以查看企业标准库与匹配到企业的标准，并且拥有投票选举代理人节点的权限，负责区块的验证与转发。当投票节点给成功块的节点投赞成票或给恶意节点或故障节点投反对票时都会获得相应信誉积分奖励，α为区块打包的奖励系数，β和γ分别为投票的奖励系数和惩罚系数（α＞γ＞β），向恶意节点投票获得的惩罚大于奖励，增加了节点竞争代理人的积极性同时增加了节点恶意投票的成本，减少恶意投票次数，一旦信誉积分降为0，节点将会被剔除。

（3）代理人节点i：投票节点为企业的标准化部门，由投票节点选举出得票前10%的节点担任，负责产生区块。如果在任职过程中按规定产生区块，将得到α信誉积分的奖励；如果在任职过程中发生故障，则信誉积分降低至原有积分的一半；如果任职过程中存在恶意行为，那么下一轮投票中该节点将会被直接剔除。

（4）候选代理人节点：候选代理人节点为企业的标准化部门，由投票节点选举出得票10%～20%的节点担任，如果上一轮投票过程中代理人节点被剔除，则将由候选代理人节点来替代这个位置。

系统运行后企业的信誉积分将会作为企业评级的依据，IEEE SA 标准奖和ISO 标准奖等奖项可根据信誉积分的高低进行评选，也可以直接作为中国标准创新贡献奖和各省级标准创新贡献奖的评选依据。信誉积分的发放受全链节点监督，不仅为标准类奖项评选提供参考标准，还有利于保证参评单位的竞争公平公正，让更多中小企业也有机会参与到产品标准体系建设中。

4.3 合约层

合约层包括智能合约脚本、智能合约算法机制和智能合约模板。企业之间达成协议，将合约内容代码封装在系统中，在一定条件下自动触发，也可以在一定条件下自动解约。这种不需要人为控制的合约系统大大节省了人力物力，避免了人为录入数据错误引起的标准冲突，提高了标准的处理效率。一些适合在标准领域应用的智能合约见表1 所示。

表1 产品标准链智能合约

4.4 应用层

应用层是供应链中各企业进行标准信息交互的媒介。供应链中各企业可以通过产品标准链系统及时查看产品最新生产标准，省去了传统生产过程中使用纸质合同传递生产标准的步骤，在一定程度上避免了标准不协调为企业带来的标准冲突，提高了生产效率与产品质量。

参与到产品标准链建设中的主要有两类客户端，它们分别是管理客户端和普通客户端。管理部门和企业分别使用各自的客户端进行操作，具体操作流程图如图5 所示。

图5 客户端操作流程

（1）管理客户端：管理客户端由国家知识产权部门和国家标准委员会使用。管理客户端拥有标准链上的最高权限，可以对标准链主链上的标准进行增、删、改、查操作。在建设标准链过程中，若企业上传了标准链中没有的标准，则国家知识产权部门通过主管理客户端对该标准进行认证，若通过认证则将该标准增加入链，供企业签订合同时使用，提高了新标准认定的处理效率。当某种标准被淘汰时，主管理客户端可以删除或修改该标准。企业在链上的行为可以随时被管理客户端查看，根据区块链的特点，当标准发生增删改查等操作时，可以根据发生的操作追溯到进行操作的节点，将恶意节点剔除标准链，保证数据安全。

（2）普通客户端：普通客户端由企业使用。在签订合同时，企业分为甲方企业与乙方企业，甲方需要生产某种产品时，将该产品所需标准上传至普通客户端中，在代理人节点验证成功后，通过智能合约自动匹配出标准库中拥有该标准的乙方企业。若有多个企业同时具备甲方需要的标准，则这些企业共同作为甲方签订合同的潜在企业，供甲方选择。匹配成功后双方可以直接在标准链系统中完成标准互认，标准合同签订等操作。节省了传统的标准互认的过程，在一定程度上提高了交易效率，第三方监管机构也保证了交易的公平公正。

5 结论

随着我国全产业链转型升级的深化，企业对产品标准体系的要求不断提高，产品标准繁多、参与生产供应链地理位置分散和信息传递时间长等特点要求企业之间必须进行相互信任的高效率信息交互过程。本文针对产品标准链信息不协调、传递效率慢和监管不到位等问题，结合了区块链技术优化了传统标准信息的传递模式，创新性地提出了基于区块链的产品标准链创新机制，并对标准链的底层架构进行设计。基于区块链技术的标准链系统将企业、国家知识产权局与国家标准化委员会利用区块链有效串联在一起，利用侧链（企业私有链）降低主联盟链的数据负担，保证主联盟链运作的稳定性，并设计了主链中的中心化监管模式，保证企业交易公开透明与不可抵赖。标准数据的增加、删除以及签订合同等操作均可回溯流程，可方便政府机关在系统中进行监管，为进一步完善产品标准体系建设做出贡献。

相较于传统的标准信息共享模式，本研究提出的基于区块链的标准信息共享机制允许企业之间公开透明地共享信息，具有很强的时效性与安全性。然而，本研究仍处于以联盟链为核心的区块链底层架构的搭建阶段，标准链的并行共识验证设计、去中心化智能合约的研究以及标准链的微链仿真等工作都需要后续研究不断开展。区块链在标准领域的应用仍然面对一定的挑战，如可能存在小企业入链积极性不高、区块链开发成本较大等问题。未来研究可探索区块链技术在标准领域的具体应用，以提升产品标准链实施效率为目的，提出具有可复制、可推广的产品标准链创新机制实施方案和政策建议。