基于改進的實用拜占庭容錯算法在物流倉儲中的應用

劉 瑤

（天津理工大學管理學院，天津 300384）

一、引言

當下，區塊鏈技術呈現著蓬勃發展的態勢，這一新興技術正在被積極應用于金融、商業、公益等領域，發展前景廣闊。區塊鏈技術是近年來出現的分布式賬本技術，具有去中心化、公開透明、不可更改、不可偽造等特點[1]。通過利用點對點通信、非對稱加密、共識機制、時間戳等技術，大大減少了交易的中間環節以及復雜度，實現了中心化分布式系統。物流存儲是現代物流系統的關鍵環節。在供應鏈流轉過程中，貨物將經歷不同的環節。通常情況下，貨物經過多次流轉后放入倉庫進行存儲，且存放時間較長。因此倉儲單據就顯得尤為重要。由此可見，倉庫是倉儲物流中的關鍵節點，而倉儲單據是供應鏈和倉儲流轉過程中的重要憑證。由于供應鏈之間的信用關系只能建立在可靠的倉儲上，因而存儲過程中必須使用倉單來記錄信息。倉單不僅是保管人支付貨款的重要憑證，還是以可信倉庫貨物為核心的信息表達方式。因此，如果相關信息可以存儲在以倉庫存儲空間為中心的區塊鏈中，建立可靠完整的商品信息網絡，對商品進行監管；將有助于在供應鏈的所有參與者之間建立信任，促進倉庫收據的可靠登記與存儲，同時也將為電子倉單的便捷交易創造機會。

二、相關技術

1.區塊鏈技術

區塊鏈綜合了共識機制、數據存儲和密碼賬本等相關技術，實現了點對點信任關系與時序不可篡改性。通過智能合約，實現了數據的挖掘以及價值互聯，使其具備了分布式的總體特征。以區塊鏈技術為支撐的系統網絡，通過所有節點就能夠完成對系統的監測和維護，不受中央權威機構的管制和監督。各節點利用工作量證明等算法，將運行過程中產生的交易信息及時、安全地封裝到區塊里。區塊的內部由區塊頭與區塊體兩部分組成，其中區塊頭的主要作用是對當前區塊的地址、時間戳、隨機數、版本號、目標哈希值等的封裝[2]。在封裝完成后，通過P2P系統實現區塊的全網廣播。所有區塊都由哈希技術緊密連接，形成高度安全的鏈式存儲結構——區塊鏈。通過區塊鏈，不僅可以查詢和跟蹤整個交易過程的真實數據，還可以確保數據不被篡改，甚至可以避免黑客的暴力攻擊。

圖1 區塊鏈結構示意圖

區塊鏈基礎構成由下而上：數據層、網絡層、共識層、激勵層、契約層和應用層。共識層包含：權益證明機制（PoS）、工作量證明機制（PoW）、股份授權證明機制（DPoS）等常用的共識機制。本文在激勵層方面不作研究，主要改進共識層的PBFT算法。

2.實用拜占庭容錯算法

實用拜占庭容錯算法（Practical Byzantine Fault Tolerance，簡稱PBFT）于1999年被Miguel Castro和Barbara Liskov二人提出[3]。利用實用拜占庭容錯算法不僅將共識過程中的復雜度降低，還解決了原有算法效率低下等多種問題。PBFT是一種狀態機復制算法，它允許（n-1）/3節點故障，其中n是分布式系統一致性過程中涉及的所有節點的數量。該算法可以確保系統處于（n-1）/3的狀態，并且在節點故障或被惡意操作的情況下，仍然可以正確訪問該節點。在實際應用過程中因其安全性、活動性和容錯性等多種優勢，成為最受歡迎的共識。此外，PBFT協商一致算法要求所有節點共同維護一個狀態。為此需要運行三類基本協議：一致性協議、檢查點協議和視圖更換協議。一致性協議至少包含請求（request）、序號分配（pre-prepare）、響應（reply）三個階段[4]。在達成共識的過程中，當主節點不能及時執行客戶的請求，或者當節點檢測到主節點發生惡意行為或宕機狀態時，將啟動視圖切換協議以替換存在錯誤的主節點。

3.物流倉儲與電子倉單

倉儲是指以倉庫為基礎進行物資儲存、保管的總稱，包括與倉庫有關的倉儲物流活動[5]。倉庫貨物作為實物資產的重要組成部分，通常情況下利用電子倉單實現資產的動態轉變。電子倉單的流轉環節主要包括倉單備案、倉單審批、倉單注銷、倉單取件、倉單交易等。客戶可根據庫存狀況在指定倉儲服務平臺提交入庫申請。同時，工作人員必須對其進行監督檢查。對貨物信息內容的準確性、真實性和有效性進行核實后。通過倉單服務平臺對倉單進行審核，審核通過后，生成正式倉單。倉單操作的步驟較為復雜，必須依靠倉庫、財務、監管等多個服務平臺相互配合。因此，過程的透明度和安全性變得尤為重要。在倉單領域使用區塊鏈技術，可以監控儲存貨物的生產、儲存和物流過程。將物流倉儲與區塊鏈相結合，將有效改善鏈上及鏈下的數據信任問題。

三、拜占庭容錯算法改進

區塊鏈分布式結構存在網絡狀態、節點狀態持續變化的特性。若要保障共識機制的穩定實現，需要選出可信的節點參與共識。因此，本文依據區塊鏈中各節點的信任值的大小來確定計票節點數量。當節點擁有較高的信任值時，該節點相應的歷史行為就會更加誠實，在共識過程中就更適合進行計票任務。本文將所有投票節點的信任值全部初始化為T0，通過節點在不同階段的表現，實時更新各節點的信任值。

1.可信度定義

共識達成效率直接關系著區塊鏈結構性能，期望參與共識的節點在網絡狀態、共識系統響應上應有較好表現。對于這種表現的度量，本文定義為可信度。通過統計節點響應分組探測、完成選舉投票、實現共識過程中的事務完成表現、應答信息交互表現等數據。這里定義參數T表示可信度，為便于計算將可信度的值域限定為[0：1]，值越大表示越可信。通過可信度對節點進行評級，這里采用4級評級制。評分大于0.8的為優，小于0.8但大于0.6的為良，小于0.6大于0.4的為中，小于0.4的為差。其中，優等是分組存續期持續穩定可靠、響應速度快的節點，良等為事務、應答有響應但延時稍大的節點，中等節點是應答有中斷或者無響應情況的節點，差等則是有惡意行為的節點。

2.基于信任機制的節點選舉

在分組確定后，各節點初始值T0設置為0.6。而后隨著節點參與投票、共識等任務展開統計事務、應答完成情況，更新節點信任值。由于網絡的時變特性，可信度指標難以實時準確選出每一個組內的最優節點，但是可以準確的排除那些惡意節點和不太穩定的節點。因此，在進行選舉時，可將等級為優的節點視為候選節點，等級為優和良的節點作為選舉節點。節點更新信任值方式如下：

其中Tjk表示第j個節點的第k個信任值。Tj（k-1）表示第j個節點的k-1信任值，也是當前節點的前一次信任值。w表示上次選舉中對該節點行為的評估值。如果節點行為良好，則w為正，相應節點的基本信任也會增加。如果節點行為惡劣，則w為負，相應節點的基本信任值將顯著降低。因此，可以根據特定的業務需求與選舉需求動態確定變化量w。當節點的信任值越高，其對應歷史各個階段的投票、計數和檢查過程就越誠實。在共識過程中，信任值高的節點較為誠實，適合參與計票任務。

（1）組內選舉。具體步驟包括： ①更新當前分組內節點可信度，得到各節點可信度等級與信用值。②確定主節點：初始主節點為種子節點，成功完成組內選舉并完成全局共識后，上次被選出的節點為主節點。③確定選舉人節點：所有優等節點和良等節點為選舉人節點，對優等、良等節點編號。④確定候選人。⑤主節點發起針對提名候選節點投票，進入投票流程。⑥主節點確認投票結果：贊成票數超過投票人數一半，則通過提案，否則為失敗。⑦成功則結束選舉環節；失敗則重復④-⑥步，直到成功選出；若所有候選人全部被淘汰，此時結束選舉，進入異常處理過程。

因為參與選舉與被選舉的節點均通過可信度測算，基本排除惡意節點。這里投票過程采用一種簡化的拜占庭的方法實現：首先主節點生成投票準備消息并向其他選舉人節點廣播。各選舉人節點驗證消息內容，根據驗證結果，生成對應投票消息向選舉人節點廣播。同時選舉人節點還要驗證消息正確性并統計收到的消息數。如果成功接收到2f+1個節點的消息，就可以判斷與自己意見一致的節點數量。因此可以將確認消息發送給主節點，當主節點收到2f+1個確認信息則表示意見一致，達成共識。

（2）全局共識。各分組完成選舉后的節點，形成了參加全局共識的分組。采用經典PBFT機制，達成最終共識。首先根據節點號排序，其次確定首輪主節點編號，從而以該對應節點區塊作為記賬備選區塊。而后按照節點號排序依次擔任輪值主節點，對各節點區塊進行投票。本算法在進行分組時，各組節點數量并不相等。各組選舉出來的代理人所代表的利益是有差別的。這里以各組節點數量為參考計算選票，修正PBFT算法的計票方法，實現更真實的代表選舉。組內選舉階段推選出參加全局共識節點，全局共識階段則確定最終的記賬節點，將其對應區塊加入區塊鏈中。其算法共識消息處理流程如圖2所示。

圖2 組內選舉投票處理流程

四、基于可信倉單的系統構建

1.系統架構

Hyperledger Fabric是一種開源、帶權限的分布式賬本平臺，采用模塊化通用型框架，所具有的獨一無二的身份管理及訪問控制功能使其非常適用于各種行業應用。例如，供應鏈的追蹤和跟蹤、貿易融資、忠誠度和獎勵，以及金融資產的清算和結算等。用此軟件可以快速構建區塊鏈塊平臺，為用戶提供賬簿管理、身份管理、智能合約管理、業務管理等功能。

本文根據區塊鏈的內部架構，將其分成三個部分：首先是由數據層和基礎設施組成的基礎部分；其次是核心技術部分，由契約層、共識層和網絡層組成；最后是應用層的交互部分[6]。在基礎部分，數據層是由區塊鏈提供的分布式存儲。主要功能是將數據存儲在倉單業務中，保證數據不被篡改，能夠追溯到倉單的歷史。在區塊鏈核心技術部分使用Docker技術，將不同的網絡節點用多個docker容器虛擬化，并用Go語言進行編程使節點達成共識。在倉單系統的應用層中，通過web應用程序調用fabric提供的API與區塊鏈網絡交互。

2.設計目標

在數據共享過程中，常規的解決辦法是在各用戶之間建立數據訪問機制，進行數據的交換與共享。然而通過此方式很容易導致“一賬多記”的問題。即在多個參與者的賬簿上記錄相同的記錄。這種方法容易導致數據不一致因而產生爭議，并使多方數據交換及其追溯性難以實現。然而，有效且安全的多方訪問是倉儲業務的必要組成部分。與此同時，在不同的交易過程中，由于商品需要頻繁流轉，所以其溯源性就顯得尤為重要。而倉單作為保管人收到貨物之后向收貨人出具的憑證，就為這一交易提供了良好的解決方案。因此基于上述問題，本文提出以下設計目標：

（1）本系統允許用戶動態加入或退出，所有系統內部的用戶均可進行監督。

（2）采用非對稱加密算法（RSA算法、Elgamal數字簽名等）來驗證所要接入的成員身份，同時利用較為嚴格的權限管理機制，對其成員分配相應的權限來滿足倉單業務在各方面的要求。

（3）在該方案設計過程中，將該系統與網絡對接從而實現信息交互。因此需要設置較多的接口，使各方能夠靈活、便捷的與該系統對接，實現企業或移動終端以及web的訪問。

3.功能模塊設計

在倉單業務中，往往存在以下操作：

（1）入庫登記與公示：用戶可以選擇自己的存貨進行入庫申請。審批后，將觸發區塊鏈倉單事件，生成倉單并進行全網公示。

（2）倉單入庫監督：用戶入庫申請提交后，倉庫內部工作人員對入庫操作進行審核監督。如果貨物的數量與信息正常，將通過審查。

（3）倉單交易：通過一系列操作生成倉單后，可以在一些平臺上進行交易，并實時更新交易狀態。

（4）區塊鏈的管理包括一些基本功能、共識機制、分布式賬本以及節點的管理、成員之間的管理等系統管理功能。

圖3 平臺功能模塊圖

通過功能模塊，實現物流倉儲中按采購預算資金和消耗比例進行物料分配。由于系統允許物資補貨業務上鏈，當物資數據上鏈以后，可以在區塊鏈環境下的不同部門之間進行流轉和共享。此外，共識節點中的主節點可以發起鏈上物資入庫和出庫的共識，從而實現其操作并將相關信息寫入區塊鏈。

五、總結與展望

本文提出了“區塊鏈+物流倉儲”的方案，將區塊鏈與物流倉儲進行了一定程度的結合。利用區塊間的相互證明，研究了倉庫物流信息的可信存儲與電子倉單的交易，解決了流通過程中倉單的可追溯性困難、交易安全不能保證等關鍵問題。在此基礎上，改進了PBFT算法的實現過程，使其在區塊鏈技術中的應用得到了改進。在倉儲物流的實際應用中，既滿足了倉單交易與信息存儲的要求，又為解決數據上鏈的真實性提供了思路。此外，基于改進的PBFT算法的區塊鏈技術不僅在物流倉儲中有較好的應用，還使該技術能較早投入使用，提高了企業的生產效率[1]。