基于區塊鏈的二手車交易系統研究

盧鑫海，余建坤

（1.云南財經大學 信息學院；2.云南省經濟社會大數據研究院，云南 昆明 650221）

0 引言

我國每年汽車保有量呈不斷增長趨勢，二手車交易量也屢創新高。據2020 年2 月中國汽車流通協會發布的《2019 年全國二手車市場分析》顯示，全國累計交易二手車1 492.28 萬輛，同比增長7.96%。從跨區域流通情況來看，2019 年7 月開始，轉籍比例呈下降趨勢，并低于歷史同期。在二手車市場快速發展的同時，也存在多種問題：信任度低，有些企業經營者對用戶打虛假廣告，蓄意隱瞞車輛真實狀況，用戶難以溯源車輛歷史數據；流通性差，如果異地買車，用戶必須親自到現場驗車，中間環節會大量耗費財力與精力，導致車輛流通不順暢等［1］。隨著網絡信息技術的發展，許多學者在二手車交易系統研究過程中進行了大量應用性實踐。如宋國柱［2］應用J2EE 等技術框架，設計并實現了一個二手車交易管理系統，可方便、快捷地管理二手車車源、訂單等信息；袁瑩靜等［3］運用Visual Studio 軟件實現了一個二手車交易平臺，提升了商品的流通性；吳文川［4］提出一個二手車C2C（Customer to Customer）系統，以APP 為載體提供更透明的二手車信息售賣方式；馮波［5］提出基于Java Script 的二手車估價平臺，方便用戶了解二手車在當前市場的鑒定評估行情；苗得慶［6］實現了基于SaaS平臺的二手車鑒定評估與置換系統，為準確鑒定評估車輛發揮了輔助性作用。以上應用研究雖然使二手車交易更加便捷，但仍然存在一些問題。例如第三方數據庫的存儲方法不能避免人為因素的影響，數據存在被偽造、被篡改的潛在風險，資產難以確權與防偽溯源，也無法避免中心化系統存在的單點故障問題等。可見，目前仍然沒有最優方式解決二手車交易存在的問題。

2008 年，一位化名為“中本聰”的學者提出比特幣系統［7］，其是去中心化加密數字貨幣系統的典型代表。比特幣系統率先引進區塊鏈思想，區塊鏈技術具有去中心化、不可篡改、可溯源、公開透明等特點［8-9］，為解決資產交易系統存在的可信度低、難溯源、單點故障等問題帶來了新思路。

針對二手車交易現狀，本文提出一種基于區塊鏈的二手車交易系統方案，將區塊鏈技術與二手車交易相結合，其具有以下優勢：①提高二手車交易過程中的信任度，加快車輛流通；②保證交易數據安全、不可篡改，且具有可追溯性，防止交易抵賴；③分布式存儲賬本數據，系統由單中心變為多中心化，避免出現單點故障問題。

1 區塊鏈相關技術

1.1 區塊鏈技術架構

區塊鏈是一個公共賬本，是一系列包含交易和信息的數據塊以順序相連的方式組合成的鏈式數據結構［10］。賬本可記錄多方資金的往來記錄、物品交換記錄等。區塊鏈對數據進行分布式加密存儲，融合了數學、計算機、密碼學等多個學科的成果，具有去中心化、天然互信、數據不可篡改等特點，已被用于金融、征信、貿易等多個領域［11］。典型的區塊鏈架構由6 層組成，由下至上分別為數據層、傳輸層、共識層、激勵層、合約層和應用層［12］，如圖1 所示。

Fig.1 Blockchain architecture model圖1 區塊鏈架構模型

其中，數據層實現了數據存儲，并通過非對稱公私鑰數據加密和時間戳等技術保證了賬戶與交易安全；網絡層則包括分布式組網機制、數據傳播機制和數據驗證機制等；共識層主要封裝網絡節點的各類共識算法；激勵層一般出現在公有鏈中，定義了獎懲機制來制約節點參與交易驗證行為；合約層主要包括各類腳本、算法機制及智能合約，是區塊鏈可編程特性的基礎；應用層則封裝了區塊鏈的各種應用場景和案例。在區塊鏈的6 層結構模型中，基于時間戳的區塊排序、共識算法、對節點進行激勵以及智能合約開發與部署是最具代表性的創新點。

1.2 區塊鏈分類

根據對外開放程度和權限管理的不同，區塊鏈可分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈3 類［13］。公有鏈去中心化程度最高，被認為是完全去中心化。在公有鏈中，每個節點可以自由加入或退出網絡，加入網絡中的每個節點都能讀取數據、參與交易、競爭記賬權。私有鏈則完全封閉，其寫入權限由某個組織和機構控制，參與節點的資格會被嚴格限制。聯盟鏈則是半公開的，是指有若干個機構共同參與管理的區塊鏈，每個機構都運行著一個或多個節點，其中的數據只允許系統內不同機構進行讀寫及發送交易，并且共同記錄交易數據，如農產品聯盟鏈等［14］。

公有鏈、私有鏈與聯盟鏈的特點比較如表1 所示。

Table 1 Comparison of the characteristics of three blockchain types表1 3 種區塊鏈特點比較

1.3 智能合約

智能合約最早由尼克薩博于1994 年提出［15］，并將其定義為“一套以數字形式指定的承諾，包括合約參與方可以在上面執行這些承諾的協議”。智能合約是合約協議的數字化代碼表達，通過預置的響應事件、響應規則，根據不同輸入內容輸出對應結果［16］。區塊鏈借助智能合約的可編程性封裝了去中心化網絡中節點的復雜行為，逐漸成為智能合約最主要的計算場景。目前智能合約的主流開發平臺是超級賬本（Hyperledger Fabric）和以太坊（Ethereum）。在超級賬本中，智能合約又稱為鏈碼，部署在組織的背書節點上，并運行在Docker 容器［17］中。開發者利用鏈碼與區塊鏈底層交互以開發業務、定義資產及管理去中心化應用。在以太坊中，合約在以太坊虛擬機中執行，每次執行需要消耗當前賬戶一定的燃油費，避免系統因惡意程序走向失控［18］。由于智能合約具有較低的運行成本和人為干預風險，以及執行準確等特性，目前被應用于很多領域和場景中，如資產交易、身份管理、醫療隱私記錄及眾籌等。

1.4 超級賬本

超級賬本是Linux 基金會于2015 年發起的推進區塊鏈技術與交易驗證的開源項目［19］，其具有去中心化、天然互信、數據不可篡改、多通道等特點［20］。相比于比特幣和以太坊，超級賬本屬于聯盟鏈，具有權限控制的優勢，安全程度較高［21］。Fabric 提供的SDK 接口、可插拔的共識算法和鏈碼服務對開發者更加友好。Fabric 為開發者提供了開發接口，使用簡單，因而便于開發。在API 的基礎上，又針對Java、Node.js 和Go 語言封裝了不同的SDK。其事件模塊是指在鏈碼中定義的事件可通過應用程序監聽，當監聽事件被觸發時，則執行預先定義好的回調函數。所以本文以Fabric 作為區塊鏈實現方式，設計基于區塊鏈的二手車交易系統模型。

2 模型設計

2.1 系統模型

為提高二手車交易市場的安全性和可信度，結合區塊鏈應用架構，提出基于區塊鏈的二手車交易模型，如圖2 所示。使用區塊鏈技術對數據的存儲與使用方式作出改進，取代了中心化的存儲中心。

Fig.2 Second-hand car trading system model圖2 二手車交易系統模型

針對系統管理員、大眾用戶與機構管理員，可支持C/S和B/S 兩種架構模式，用戶通過手機APP 或網頁平臺完成資產交易過程。交易中心系統主要完成對用戶請求的處理，若請求需要訪問或改變公共賬本數據，則將該請求轉發到區塊鏈網絡，調用區塊鏈應用層上的智能合約完成該請求。若只是查詢車輛信息，則由管理服務層的交易中心系統直接對狀態數據庫進行查詢。區塊鏈網絡是由多臺服務器共同組成的一個分布式網絡，狀態數據庫按照時間順利記錄每一筆資產交易，賬本只能添加而不能刪減，以保證數據變化可追溯。

2.2 系統架構

基于區塊鏈的二手車交易系統架構如圖3 所示，主要由區塊鏈層、管理服務層、應用層與交互層構成。

Fig.3 Architecture of second-hand car trading system圖3 二手車交易系統架構

（1）區塊鏈層。區塊鏈層由狀態數據庫、網絡通信模塊、共識算法、智能合約等組成。用戶與車輛相關信息存儲在狀態數據中，可被外部程序快速訪問，即使狀態數據庫中的數據丟失，也可根據區塊中的交易記錄找回丟失的數據。共識算法的功能是將交易排序，達成共識后按照一定的時間間隔打包成區塊。由于聯盟鏈中可能存在拜占庭節點和因宕機產生的無效節點，綜合考慮系統的安全性和性能，本文采用PBFT 共識算法。智能合約針對上層發送的申請，通過預置的響應規則輸出對應結果。

（2）管理服務層。管理服務層是連接應用層與區塊鏈層的橋梁，主要提供交易請求傳遞、賬本查詢、車輛管理等功能。用戶對于不同組織發起的請求，通過管理服務層轉發到對應的組織節點上。若請求需要改變狀態數據庫的數據，則將該請求轉發到區塊鏈層，由區塊鏈層上的智能合約完成。若只是對二手車信息進行查詢，則由管理服務層的交易中心完成。新節點加入區塊鏈網絡時，管理服務層使用Fabric 提供的CA 組件對節點進行認證，以實現節點的權限管理。

（3）應用層。應用層為系統管理員、大眾用戶、機構管理員3 類角色提供服務。系統管理員的職責是更新、維護二手車交易系統，保障其穩定運行。用戶可進行開戶、銷戶、二手車交易、二手車溯源數據查詢、交易記錄查詢等操作。機構管理員負責監督上鏈的二手車各項數據的真實性，并對存在問題的用戶發出警告。

（4）交互層。交互層包括手機APP、桌面端應用、Web應用、微信小程序等，是系統與用戶之間的接口，可提供便捷的系統操作途徑。

2.3 智能合約設計

智能合約定義了交易規則，保證機構間業務邏輯的可信執行，因此編寫安全、可靠的智能合約對于二手車交易至關重要。為了不受系統環境的影響，智能合約的執行環境使用Docker 容器。Docker 可將軟件及其環境依賴打包成標準化單元，不需要虛擬整個操作系統，只需虛擬環境即可。根據二手車交易系統的實際需求，智能合約主要實現用戶開戶與銷戶、資產上鏈、資產交易、用戶查詢、資產溯源等功能，其智能合約接口列表如表2 所示。

Table 2 Interface list表2 接口列表

3 系統實現

本系統通過Fabric 搭建底層的區塊鏈網絡，并將智能合約部署到區塊鏈網絡的合約層上，以實現數字資產交易的自動化與智能化，確保交易數據的安全性與透明性。

3.1 交易流程

區塊鏈層中包含4 種節點類型，分別是背書節點、主節點、記賬節點和排序節點。不同類型的節點功能如圖4 所示。背書節點、主節點、記賬節點是組織內部的節點，統稱為Peer 節點。背書節點的主要作用是執行智能合約以及為交易作擔保；主節點由網絡初始化時的配置文件指定，是組織內部唯一與排序節點通信的節點；所有Peer 節點都是記賬節點，記賬節點的主要功能是更新狀態數據庫中的數據；實現共識的節點為排序節點，排序節點的功能是從客戶端接收交易，并對交易進行排序，達成共識后按照一定的時間間隔打包成區塊，分發給其它組織的主節點。

Fig.4 Four types of node functionality圖4 4 種類型節點功能

用戶的資產交易過程可分為“背書—排序—驗證”3 個階段。第一階段為背書階段，用戶通過交互層中的應用程序將交易發送到組織中的背書節點上，背書節點收到客戶端請求，驗證通過后模擬執行智能合約，將交易結果和背書節點簽名返回給客戶端。該階段的執行結果不會改變狀態數據庫，只有經過排序階段確認后，賬本數據才會更新。如果沒有背書階段，為了達成共識，各個階段都需要執行智能合約，將會影響系統交易處理速度。第二階段為排序階段。排序節點對交易進行排序，并將一段時間間隔內的交易集合打包生成區塊。以PBFT 共識算法為例，當共識節點收到客戶端發來的交易時，會對交易進行驗證，包括客戶端簽名和背書節點簽名。在驗證通過后，經過三階段協議達成共識。第三階段為驗證階段。排序節點將區塊廣播到組織中的主節點，主節點使用交易讀寫集中的讀集部分驗證區塊中交易的有效性。驗證通過后保存區塊，更新狀態數據中的數據，同時通過Gossip 協議同步區塊數據到組織中的記賬節點上。3 個階段整體流程如圖5 所示。

在“背書—排序—驗證”三階段中，背書策略和背書過程確保了智能合約按照業務邏輯正確執行。排序服務確保了節點對交易順序的一致性達成共識。記賬節點根據相同規則對每筆交易數據進行驗證，從而在交易內容的合法性上達成共識。基于“背書—排序—驗證”的交易流程能有效將信任模型同底層的共識協議相解耦，將最為耗時的交易執行操作交由背書節點執行，共識過程只負責交易內容驗證與排序，從而加快了交易寫入區塊的速度。

Fig.5 Flow of system transactions圖5 系統交易流程

3.2 智能合約實現

智能合約給區塊鏈提供核心交易處理的應用接口，通過調用該接口，交易能自動執行，并向區塊鏈系統返回執行結果。智能合約必須被部署安裝在鏈上，才能實現對節點的讀寫操作。智能合約的業務對象包括用戶、二手車資產、資產溯源數據等。用戶對象屬性包括用戶名、用戶標識、資產列表，資產列表可為空。資產對象屬性包括資產名、資產標識、配置等。資產溯源數據對象的數據包括資產標識、資產原始擁有者、資產現在的擁有者。系統最核心的功能為開戶、資產上鏈、資產交易、資產溯源數據查詢等。

用戶在系統上的活動流程是首先通過客戶端調用鏈碼傳入用戶名，并進行用戶標識開戶，然后使用用戶名和用戶標識進行登錄。開戶的合約偽代碼如下：

用戶在系統上傳入二手車名稱、二手車標識、配置參數、擁有者標識進行資產上鏈，機構管理員對上鏈后的資產信息進行核對，其他用戶也可對資產進行查詢與交易。資產上鏈的合約偽代碼如下：

在資產交易過程中，區塊鏈系統首先要確定商品庫存信息和買賣雙方信息，當庫存大于零時才能繼續交易。之后對賣方是否擁有當前資產進行驗證，驗證通過后交易繼續執行。二手車交易實現的偽代碼如下：

用戶可在系統上查詢二手車相關配置信息和歷史交易記錄。實現的合約偽代碼如下：

3.3 管理服務層與應用層實現

在完成區塊鏈網絡環境初始化并實現智能合約后，對模型中的管理服務層和應用層進行實現。實現管理服務層的交易中心系統時，通過Fabric 提供的SDK 把合約函數封裝成應用層可調用的接口。若應用層接收到交互層發來的請求涉及賬本數據改變，則將該請求轉發至區塊鏈層，交由智能合約完成。若只是對商品進行查詢，則由交易中心系統完成。

3.4 比較分析

將本文的二手車交易系統與二手車交易市場及傳統商品交易系統進行比較，如表3 所示。

Table 3 Comparison of advantages and disadvantages表3 優缺點比較

綜上，本文設計的基于區塊鏈的二手車交易系統能很好地提高二手車交易環境的信任度與流通性，去中心化的鏈式存儲結構能保證車輛參數不可篡改，且可溯源，同時避免了單點故障問題。但共識過程中通信開銷較大，用戶節點數越多，共識效率越低，僅適合節點規模較小的交易場景。因此，下一步將對共識算法展開研究，設計出一款可適合較大用戶規模、可信、高效的共識算法。

4 結語

本文針對當前二手車交易市場存在的信任度低、難溯源、流通慢等問題，結合超級賬本的架構和特點，研究設計了基于區塊鏈的二手車交易模型。系統采用“背書—排序—驗證”的交易流程，通過智能合約進行了業務邏輯的實現，實現了資產上鏈、資產交易、資產溯源等基本功能，保障了系統的可信性。但目前系統仍處于雛形，還有繼續完善的空間。接下來將進一步實現并豐富交互層，以改善用戶體驗，并對共識算法進行優化，提高系統吞吐量，保證系統穩定、高效地運行。