區塊鏈技術及其在供應鏈管理中的應用

◆陸歌皓 李析禹 謝麗紅 楊丹妮 羅健釗

區塊鏈技術及其在供應鏈管理中的應用

◆陸歌皓 李析禹 謝麗紅 楊丹妮 羅健釗

（云南大學軟件學院 云南 650504）

區塊鏈技術歸功于比特幣應用，它作為比特幣的底層技術支持，傳統的數據庫管理系統由單一機構管理，在進入海量用戶和數據時，無法完全信任相關數據。區塊鏈技術在沒有第三方中介機構的協調下，實現了可信的數據共享和點對點的價值傳輸，本文對區塊鏈的基本知識及其在供應鏈管理中的應用進行了研究，供相關讀者參考。

區塊鏈；數據庫管理；可信數據

區塊鏈技術無疑是現在最受熱捧的前言技術之一，區塊鏈所具有的一些顛覆性的特征，也讓我們看到了它即將改變世界的可能，尤其是近些年來，大眾已經從熱議區塊鏈逐步轉變為開始積極引入區塊鏈技術。2018年全社會大部分群體將認識到區塊鏈是下一代價值互聯網業態和基礎解決方案，根本不是一個產業，就像傳統互聯網已經不能稱作一個產業，互聯網是一種社會業態。未來價值互聯網普及的根本原因是人類科技的發展導致信息的傳遞成本傾向于零的時代產物，2015年是區塊鏈元年，出現最頻繁的一個詞語就是“區塊鏈”，區塊鏈技術是一項新技術，但它不是一種創新技術。它是將許多已有的跨領域的學科整合到一起，從而形成的一種技術，涉及數學、密碼學、計算機科學等領域。比特幣系統是第一個采用區塊鏈技術作為底層技術構建的系統，它是一個實現了去中心化、去信任化、安全、可靠的電子現金系統。區塊鏈是一種不可篡改的、全歷史的數據庫存儲技術，巨大的區塊數據集合包含著每一筆交易的全部歷史，隨著區塊鏈的應用迅速發展，數據規模會越來越大，不同業務場景區塊鏈的數據融合進一步擴大了數據規模和豐富性。

區塊鏈提供的是賬本的完整性，數據統計分析的能力較弱。大數據具備海量數據存儲技術和靈活高效的分析技術，極大提升區塊鏈數據的價值和使用空間。區塊鏈以其可信任性、安全性和不可篡改性，讓更多數據被解放出來，推進數據的海量增長。區塊鏈的可追溯特性使得數據從采集、交易、流通，以及計算分析的每一步記錄都可以留存在區塊鏈上，使得數據的質量獲得前所未有的強信任背書，也保證了數據分析結果的正確性和數據挖掘的效果。區塊鏈首次出現在中本聰（SatoshiNakamoto）出版的《比特幣：點對點電子現金系統》一書中。文章指出，區塊鏈技術是構建比特幣數據結構和交易信息傳輸的基礎技術，它可以實現和比特幣采礦的交易過程。目前，幾乎所有交易都是在第三方組織的幫助下完成的。這種交易方式是由于雙方相互不信任。商家會要求客戶填寫完整但不必要的信息，但仍然無法避免某些欺詐行為。第三方機構的存在增加了中介成本，并擴大了不必要的交易規模[1]。

隨著全球化的深入，現代企業的供應鏈已經變得零散，復雜和多樣化。這也給供應鏈管理帶來了巨大挑戰，最重要的例子是食品安全問題。一旦發生食品污染，追溯到源頭將花費一周甚至更長的時間。食品生產商或零售商可能會付出沉重的代價。這種情況導致供應鏈不透明，這很可能會增加運營成本。本文從區塊鏈技術的技術結構和技術特點的角度闡述了區塊鏈技術在供應鏈管理中的應用研究，為供應鏈相關領域的區塊鏈技術研究提供幫助[1]。

1 區塊鏈和供應鏈概述

區塊鏈，作為比特幣的基礎技術，用于登記所有交易記錄。本質上是分散的分布式分類帳數據庫。任何人都可以參與區塊鏈網絡，每個設備可以是一個節點。允許每個節點獲取數據庫的完整副本，節點基于共識機制，整個區塊鏈通過競爭性計算得以維護。如果任何節點發生故障，其余節點仍然可以正常工作，并解決了傳統集中化模式容易受到攻擊和篡改的缺陷。

當前尚無統一的區塊鏈定義。袁勇認為區塊鏈技術是利用加密的區塊結構來驗證和存儲數據，使用分布式節點共識算法來生成和更新數據，使用自動化腳本代碼來編程和操作新型數據分散式基礎架構和分布式計算范例[4]。該定義將區塊鏈技術定義為一種分散的技術框架，該框架由諸如加密算法和共識機制之類的關鍵技術有機地結合在一起，它比較全面[3]。

供應鏈是指從原材料階段到最后一個用戶的所有與產品流程和加工相關的活動以及隨附的信息流。材料和信息流可能沿著供應鏈流向下游，也可能流向上游。供應鏈管理是這些活動的集成管理，并且通過改善供應鏈上各方之間的關系而獲得了長期的競爭優勢。供應鏈管理是各個部門之間的傳統企業，各個部門之間的特定企業每個企業在供應鏈系統上的戰略協調活動，其目的是改善單個公司以及整個供應鏈的經營績效每個環節都是長期的[1]。

2 區塊鏈的基礎知識

2.1 密碼學

在密碼學中，有兩種常見的密碼[2]：第一種，對稱密碼算法，加密和解密的密鑰是使用同一個密鑰，當需要給組內成員更新密鑰時，選擇對稱密碼算法，對稱加密算法加密速率快、效率高，在消息發送方需要加密較大數據時使用，加密速度和加密效率較高，密鑰更新較為方便，但是其缺點非常致命，在進行數據傳輸以前，兩邊都必須保管好密鑰，若是一方的密鑰被泄露，加密信息就存在安全隱患。第二種，非對稱密碼算法：密鑰對由一對公鑰和私鑰密鑰對組成，公鑰加密數據能被私鑰解密。區塊鏈技術也用到了這兩種技術。

哈希算法將任意長度的輸入值映射為較短的固定長度的二進制值。例如，MD5算法[6]就是將任意長度的輸入映射為長度為256位的固定長度輸出，這個二進制值稱為哈希值（也稱為散列值），哈希值可以用來做數字簽名，鑒別文件完整性。哈希算法廣泛應用于區塊鏈中，區塊鏈通常不保存原始數據，而是保存該數據的哈希值，簽名頻繁應用于區塊鏈中，它由私鑰和需要被簽名的數據經哈希運算而成。

Merkle樹[6-8]是由RalphMerkle發明的一種基于數據哈希構建的樹：（1）其數據結構是一棵樹，一般為二叉樹，也可以為多叉樹；（2）其葉子節點是數據塊（如文件或文件集合）的哈希值；（3）非葉子節點是其所有子節點的哈希值。Merkle樹在驗證、文件對比中應用較多，特別是在分布式環境下，Merkle樹會大大減小數據的傳輸量和計算的復雜度。

2.2 時間戳服務

時間戳服務是用于解決重復支付的問題，即一筆貨幣不能被花費兩次或者一筆資金不能出現在兩個交易中。中心化的信用系統（例如銀行）依靠國家機器的強制力來防止偽鈔，而區塊鏈系統完全依靠技術來解決“重復支付”問題[3]。系統給每一筆交易蓋上正確的時間戳，以此證明在這個時刻這筆交易確實發生，交易中資金的所屬權已經轉移，之前資金所有者再次使用這筆資金時就會報錯，從而解決重復支付問題。

2.3 工作證明

工作證明（Proof of Work，PoW），也稱為工作量的證明[2]。比特幣系統利用PoW機制使系統各節點最終達成共識，進而得到最終區塊。這里的工作是指找到一個合理的區塊哈希值，它需要不斷地進行大量的計算，計算時間取決于當前目標的難度和機器的運算速度。當一個節點找到這個值之后，就說明該節點確實經過了大量的計算，這就是工作量的證明。由于驗證只需對結果值進行一次哈希運算，因此PoW的驗證效率很高[3]。

2.4 點權益證明

點權益證明（Proof of Stake，PoS）僅僅需要少量的計算就能維持區塊鏈的正常運轉[7]。這種機制根據貨幣持有量和時間來分配相應的利息。但是這種機制存在一點不足，即區塊的產生沒有消耗大量算力，導致這種機制下的貨幣價值來源難以確定，因為任何區塊鏈系統都可以實現[8]。

2.5 區塊鏈數據結構

區塊鏈是由區塊的有序連接形成的數據結構。區塊是索引數據的集合，包含了相關信息和記錄，是形成區塊鏈的基本單元。為了確保區塊鏈的可追溯性，每個區塊都有一個時間戳，作為唯一的標記[5]。具體來說，塊由兩部分組成：

（1）區域塊與前塊相連，為塊鏈提供完整性；

（2）塊體將更新后的數據信息記錄在網絡中。每個塊體通過塊頭信息鏈接到上一個塊，從而形成鏈結構。區塊鏈的基本架構包括數據層、網絡層、共識層、激勵層、契約層和應用層。

2.6 區塊鏈的特征

（1）分權

區塊鏈數據的驗證、記賬、存儲、維護和傳輸是基于分布式系統結構的，一致性機制是塊鏈技術實現分布式存儲的重要基礎[2]。分布式節點之間的信任關系是用純數學的方法代替中心機構建立起來的，形成一個分散可信的分布式系統。

（2）區塊鏈防篡改

對數據庫的篡改很難影響到其他節點。

（3）區塊鏈的可追溯性

區塊鏈技術的可追溯性特征，區塊鏈中的每個事務都通過密碼學與兩個相鄰的區塊串聯。區塊鏈交易的數據被儲存，可以查詢到任何交易的前身，交易的就會被記錄下來，所存儲的數據可以防止被破壞和篡改[5]。

（4）區塊鏈事務加密

區塊鏈的安全性由加密技術保證，整個分布式網絡提供的計算能力是驚人的。不僅理論上不可能對區塊鏈中的數據進行篡改，還可能造成電力、設備等成本的損失[3]。

區塊鏈采用非對稱加密算法來解決用戶之間的信任問題。非對稱加密算法需要兩個密鑰：公鑰和私鑰[3]。公鑰和私鑰是一對。如果使用公鑰加密數據，則只能解密相應的私鑰。如果使用私鑰加密數據，則只能解密相應的公鑰。區塊鏈中的每個參與者都有一個私鑰和一個私鑰，獨占公鑰將發布給所有網絡用戶。所有網絡用戶采用相同的加密或解密算法[5]。私鑰僅對用戶可用。用戶用私鑰加密信息，其他用戶用公鑰解密信息。其他用戶可以通過公鑰驗證數據源的真實性。同時，區塊鏈系統的運行過程和規則是安全透明的，網絡數據更新需要多個用戶的共同支持來支持[2]。

3 區塊鏈技術在供應鏈管理中的應用

根據區塊鏈技術的工作原理和供應鏈管理系統的應用需求，將基于區塊鏈的供應鏈管理系統分為三層：資源層、區塊信息層和應用服務層。底層支持上層，離用戶應用越近，離物理資源越近，各層次模塊相互依賴，相互作用，形成一個有機的整體，支持整個系統功能的正常運行。

3.1 供應鏈管理中存在的問題

由于我國企業供應鏈管理發展水平的局限性、供應鏈管理理念的滯后性和生產方式的局限性。供應鏈中的一些相關業務，如計劃、采購、生產、物流等流程，大多是通過鏈主進行集中設計和管理[1]。然而，傳統的“獨立”、“集權化”的供應鏈管理在開始存在局限性。

3.2 信息傳輸延遲

在大數據時代，信息不對稱會使企業處于劣勢，甚至降低整個供應鏈生態系統的價值。不正確或不一致的信息將導致核心企業的決策失誤，當發生爭議時，證明或承擔責任的過程非常耗時，有時很難實現[5]。信息流通渠道暢通，信息傳遞不及時，造成內容傳遞失真。供應鏈管理的整個過程依賴于系統內部信息的高精度傳遞[1]。供應鏈中信息傳遞的不及時和扭曲帶來了一系列問題，比如牛鞭效應，這種現象的結果就是廠商產品庫存積壓，產品成本增加，企業生存期縮短。另外，傳統供應鏈信息技術的風險也很大。

3.3 缺乏透明度

近年來，盡管有供應鏈管理，我國各行業都在不斷努力。以零售業為例，從標準化實施、技術人員培訓、設備標準化、信息統一等方面還存在一些問題需要解決，關鍵是供應鏈管理的物流標準體系不到位，“信息孤島”嚴重。供應鏈缺乏透明度，如客戶交易價格與產品實際成本之間的關系[1]。因此，買賣雙方缺乏一種有效可靠的方法來核實他們買賣的產品的真實價值。供應鏈中的每一個參與者都很難了解供應鏈的現狀和存在的問題。因此影響了供應鏈的效率，無形增加了供應鏈的整體成本，而且沒有一個賬簿或系統記錄整個供應鏈中發生的一系列交易，會出現信息錯誤和篡改的問題。供應鏈仍然無法追查假冒偽劣商品、非法勞工和洗錢等非法活動的源頭。

3.4 可追溯性差

依靠集中的中央數據庫，數據在存儲、傳輸、顯示等環節都可以被篡改。貨物跟蹤系統在許多環節仍處于人工操作中，信息提供者可以有選擇地屏蔽底層信息，貨物追蹤有賴于中央機構監管措施的力度，制度有人的操作空間，對監管人的權利沒有有效的約束[4]。

區塊鏈有效的時間戳機制，可以使得供應鏈能夠有效的追溯前一個環節的信息。

3.5 供應鏈信息跟蹤查詢

通過使用區塊鏈技術，可以保證不同運營商之間的交易共享和信息完整性。在執行快遞業務流程時，采用區塊鏈技術，客戶使用私鑰簽署收據。這個簽名是不可否認和核實的，這是非常有價值的郵資貴重物品，采用區塊鏈技術，客戶使用私鑰簽署收據。這個簽名是不可否認和核實的，這是非常有價值的郵資貴重物品[1]。

利用區塊鏈技術實現交易信息完整記錄的全過程，它能全面掌握供應鏈交易過程中各個環節的交易信息，掌握商品的流向和數量，停止銷售行為。

由于區塊鏈具有透明性、中心性、不可篡改性和可追溯性，自然適合多方構建信息共享平臺[4]，為了實現供應鏈中信息數據的開放和民主化，將分散的數據庫連接到網絡上。基于區塊鏈技術，任何參與者都可以得到相同的交易，同時數據，這意味著整個交易過程是完全透明的[1]。此外，由于區塊鏈打破了企業的數據孤島，因此會有更多的大數據基于供應鏈，對數據源、庫存等方面進行優化，從而大大提高數據質量，使大數據能夠更好地發揮其作用。同時，區塊鏈數據的不可篡改也提高了數據的可信度，使得企業可以對數據進行信用化，這將進一步促進大數據交易市場的建立和繁榮。

3.6 信息篡改

區塊鏈技術篡改的具體實踐是將制造商、供應商、分銷商、零售商和最終用戶納入區塊鏈的系統應用。區塊鏈技術要求擁有記賬權的節點必須在當前數據塊頭中添加一個時間戳，以指示塊數據的寫入時間[4]。時間戳技術本身并不復雜，但它在區塊鏈技術中的應用是一個重要的創新[1]。時間戳可以作為塊數據的存在性證明（存在性證明），有助于形成不可篡改、不可偽造的塊鏈數據庫。在市場正式銷售之前，生產者首先將產品記錄在區塊鏈網絡中，然后在市場交易過程中逐步記錄每一筆交易的交易。當用戶發現商品有問題時，中間環節的經銷商想逃避責任。刪除您自己的非法記錄只能刪除您計算機上記錄的信息，您不能更改其他參與成員存儲的交易信息將區塊鏈技術定義為一個分布式數據庫，通過其分散可信的技術特征，由鏈中的參與者維護。

4 總結

近兩年來，區塊鏈技術的研究和應用呈現出爆炸式增長的趨勢。區塊鏈技術的發展被業內人士廣泛看好，這個越來越受青睞的趨勢會一直持續，這些趨勢不一定以區塊鏈形式直接出現，可能會作為區塊鏈技術的衍生品興起，如區塊鏈與供應鏈的結合。區塊鏈應用已經從最初單純的數字貨幣過渡到更廣泛的食品，醫療醫生等行業，并且滲透到社會中的很多領域，在身份驗證、文件存儲等方面，應用相對較廣。

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