區(qū)塊鏈下的個人快遞件隱私保護(hù)系統(tǒng)研究

戚燕芳，高法欽，蔣路茸，李蒙

（1.浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，浙江杭州 310018；2.深圳技術(shù)大學(xué)大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，廣東深圳 518000）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，電子商務(wù)發(fā)展迅速，帶動了快遞行業(yè)的興起，很多問題也隨之產(chǎn)生。快遞單面上醒目的個人信息讓不少用戶擔(dān)憂自己的隱私會被泄露，很多人在領(lǐng)到快遞后為防止個人信息落入不法分子手中，會撕去快遞上的快遞單。即便如此，也無法避免快遞在運(yùn)輸過程中的信息泄露現(xiàn)象。新聞曾頻頻爆出，由于快遞單上個人信息顯目，導(dǎo)致不法分子冒領(lǐng)快遞；更有快遞站或快遞員未經(jīng)用戶同意，擅自簽收破損快遞；甚至有快遞公司內(nèi)部人員和不法分子獲取快遞單信息并進(jìn)行販賣，獲取不法收益。由于快遞公司不能有效地監(jiān)督快遞運(yùn)輸過程，面對快遞破損、丟失等情況，無法及時進(jìn)行解決，導(dǎo)致用戶體驗較差。如何改進(jìn)快遞單，實現(xiàn)既可有效地運(yùn)輸快遞，又可保護(hù)用戶個人隱私，成為快遞公司關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計一個快遞專用APP，幫助快遞公司很好地解決了上述問題，大大提升了用戶體驗。APP中使用加密技術(shù)對快遞信息進(jìn)行加密，防止快遞過程中出現(xiàn)惡意掃碼的情況，從而泄露個人信息。由于加密后的用戶信息量大，因此用二維碼取代常規(guī)條形碼制作成隱形單面。使用區(qū)塊鏈技術(shù)將快遞整個運(yùn)輸過程記錄在區(qū)塊鏈上，記錄不可篡改且可追溯，使得快遞公司面對用戶的訴求時可以及時解決，從而有效提高服務(wù)質(zhì)量，打造良好的公司形象。

1 相關(guān)工作

在實名制寄快遞的要求下，快遞信息中包含了很多私人信息，如姓名、電話、住所等，導(dǎo)致一些不法分子收集快遞信息進(jìn)行販賣，對用戶造成了很大影響。因此，如何保護(hù)收發(fā)快遞過程中用戶的隱私信息成為亟待解決的問題。文獻(xiàn)［6］提出使用RFID標(biāo)簽取代快遞單面，由于需要專門的設(shè)備才能讀取，可防止用戶信息被外人隨意讀取，但因快遞單面無法重復(fù)使用，所以使用RFID標(biāo)簽成本太高；文獻(xiàn)［7］指出快遞公司在考慮是否對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行隱私保護(hù)時，主要考慮保護(hù)與否帶來的收益差額，若使用RFID技術(shù)保護(hù)用戶隱私，快遞公司需要付出高額成本，因而難以落地。然而，隨著二維碼的普及，很多地方都開始采用二維碼管理數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［9］提出二維碼的制作成本低、易識別，可為快遞公司節(jié)省開支，但需要使用PC端進(jìn)行加密、運(yùn)送掃描等操作，在實際操作中有所不便；文獻(xiàn)［10］采用分級路由思想，使得每個站點(diǎn)只能獲取快遞運(yùn)輸過程中的部分信息，可防止快遞工作人員惡意泄露用戶信息；文獻(xiàn)［11］通過分段加密技術(shù)，將用戶信息加密后存儲于二維碼中；文獻(xiàn)［12］在寄快遞過程中，采用圖像加密方式對身份證圖片進(jìn)行加密，并存儲于二維碼中。上述文獻(xiàn)都是將加密技術(shù)與二維碼技術(shù)相結(jié)合，以提高用戶個人信息的安全性，但所有數(shù)據(jù)都存貯在快遞公司的數(shù)據(jù)庫中，用戶對于快遞運(yùn)輸過程并未享有所有知情權(quán)與決定權(quán)，這樣的集中式管理模式常常會引發(fā)很多問題。例如，快遞員自作主張簽收快遞、快遞破損卻無法查明緣由等，這些問題都會引發(fā)顧客不滿。那么是否可建立一個公開、透明的物流信息庫，且任何人都不可隨意篡改其中信息，讓用戶可以實時了解自己快遞的運(yùn)輸情況？有研究者提出，區(qū)塊鏈技術(shù)憑借其不可篡改、可追溯等特點(diǎn)，可提高快遞公司服務(wù)質(zhì)量，并提升用戶對快遞公司的信任度和滿意度。文獻(xiàn)［16］提出采用區(qū)塊鏈技術(shù)解決快遞包裹丟失問題；文獻(xiàn)［17］將區(qū)塊鏈與審計平臺相結(jié)合，以更好地對用戶隱私進(jìn)行保護(hù)。但采用第三方審計平臺成本較高，在實際生活中落地較為困難。

基于以上情況，本文提出一種基于區(qū)塊鏈的個人快遞件隱私保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)計一款專用的快遞APP，使得任何用戶只需一臺智能手機(jī)便能進(jìn)行操作，而無需購買其他專業(yè)設(shè)備，從而節(jié)省成本。APP采用加密算法對快遞單信息進(jìn)行加密后，將其存儲于成本低且存儲量大的二維碼中，然后將二維碼張貼在快遞上，并結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)將快遞運(yùn)輸全過程上鏈。用戶可實時關(guān)注自己的快遞信息，若出現(xiàn)問題可及時向快遞公司尋求解決方案。憑借區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改性，快遞公司可立即進(jìn)行處理。該技術(shù)在考慮成本的同時，提高了用戶個人信息的安全性，有助于快遞公司及時解決用戶的各項訴求，令用戶對快遞公司服務(wù)的滿意度大幅提升。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 二維碼

二維碼種類眾多，其中最常見的是QR Code（Quick Response Code）。QR Code可通過水平方向與垂直方向兩個維度存儲信息，且存儲的信息量大、類型多，如文本、指紋、鏈接等。形象地說，其是由多個黑格子和白格子有規(guī)律地組合而成，黑格子代表二進(jìn)制的1，白格子代表二進(jìn)制的0，黑白格子實際上就是黑白像素點(diǎn)。二維碼具有信息存儲量大、容錯能力強(qiáng)、成本較低、識別率高、兼容性好等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于人們的生活中。

在二維碼生成方面，由于開源代碼眾多，人們可自主選擇本地生成或是線上生成，操作方便且成本較低。二維碼可分為靜態(tài)二維碼和動態(tài)二維碼，靜態(tài)二維碼是指靜止不變的二維碼，可以大量復(fù)制，例如張貼在商品上的二維碼；動態(tài)二維碼是指根據(jù)需求在某個瞬間自動生成的二維碼，且一定時長后失效，從而防止盜取，如支付寶付款碼。

目前快遞單基本都采用條形碼，主要得益于條形碼具有很高的識別率。但是條形碼的存儲量有限，在目前的快遞單上，條形碼用于存儲快遞單號，其他用戶信息都是明文寫在快遞單面上。本文對快遞單信息進(jìn)行加密后，使用二維碼顯示加密后的信息，以實現(xiàn)隱形單面的功能，可防止用戶個人隱私信息在傳輸過程中被泄露。

2.2 區(qū)塊鏈

2.2.1 區(qū)塊鏈發(fā)展歷史

早期，極客們?yōu)樽非髲氐椎碾[私、信息自由，開展了“密碼朋克”運(yùn)動。2008年，一位化名為中本聰?shù)臉O客不滿政府的通貨膨脹，發(fā)表了《比特幣：一種點(diǎn)對點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》一文，開啟了比特幣時代。從此，區(qū)塊鏈作為比特幣的底層技術(shù)，受到了各個國家及各行各業(yè)的廣泛關(guān)注。

2.2.2 區(qū)塊鏈概念

從不同角度看，區(qū)塊鏈具有不同定義。例如，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度看，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N價值互聯(lián)網(wǎng)；從記賬的角度看，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N公開且不可篡改的分布式賬本。在本系統(tǒng)中采用區(qū)塊鏈作為分布式賬本這一定義。區(qū)塊鏈模塊可劃分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、智能合約層與應(yīng)用層。

（1）數(shù)據(jù)層。以比特幣為例，某節(jié)點(diǎn)把加上數(shù)字簽名的交易發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上，其余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢驗，核實無誤后加入各自的新區(qū)塊中。礦工們通過算力競爭打包出新區(qū)塊（該區(qū)塊由前一區(qū)塊的哈希值、新區(qū)塊中全部交易組成的默克爾樹根節(jié)點(diǎn)哈希值、時間戳、證明工作量的隨機(jī)值組成）并進(jìn)行全網(wǎng)廣播，其余節(jié)點(diǎn)檢驗無誤后，將新區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈中。人們通常將區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)層理解成數(shù)據(jù)庫，只不過這個數(shù)據(jù)庫的信息是不可纂改、全網(wǎng)共享的。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層包括P2P網(wǎng)絡(luò)、傳播機(jī)制、數(shù)據(jù)驗證機(jī)制等。其中，P2P網(wǎng)絡(luò)又稱為點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點(diǎn)都掌握著整個網(wǎng)絡(luò)所有資源。所有節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息要向所有節(jié)點(diǎn)廣播，只有大部分節(jié)點(diǎn)同意后，消息方可加入?yún)^(qū)塊。該網(wǎng)絡(luò)的所有區(qū)塊，需要全網(wǎng)共同維護(hù)。

（3）共識層。制定一個規(guī)則，可讓去中心化的網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識。目前已有大量共識算法，如PoW算法、PoS算法、DPoS算法、PBFT算法等，每種算法都有各自的優(yōu)勢和不足。目前，很多共識算法都在不斷地進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化。

（4）智能合約層。智能合約是一段預(yù)先寫好的代碼，經(jīng)觸發(fā)后會自動執(zhí)行，無需人工干預(yù)。智能合約具有確定性，以及成本低、效率高、過程公開透明等優(yōu)點(diǎn)。

（5）應(yīng)用層。將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)實生活中的各個場景中，例如醫(yī)療、金融等。通過與Web、APP相結(jié)合，為用戶提供便利。

區(qū)塊鏈架構(gòu)如圖1所示。

Fig.1 Blockchain architecture圖1 區(qū)塊鏈架構(gòu)

2.2.3 區(qū)塊鏈特點(diǎn)

由于區(qū)塊鏈采用前一區(qū)塊“鏈”著后一區(qū)塊的形式，塊頭中包含著該塊內(nèi)所有交易的哈希值，對塊內(nèi)任意信息進(jìn)行改動后，該哈希值就會發(fā)生變化，導(dǎo)致后續(xù)一系列塊都需要更改，工作量非常巨大。而且，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)采用分布式存儲方式，一旦修改了塊的信息，就會與其他節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)生矛盾，故具有不可篡改性。因其按時間排序且不可篡改，故區(qū)塊鏈具有可追溯性。本系統(tǒng)借助區(qū)塊鏈的不可篡改性、可追溯性等特點(diǎn)對快遞運(yùn)輸過程進(jìn)行管理，可高效地監(jiān)督運(yùn)輸過程，從而大大提高快遞公司服務(wù)質(zhì)量。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要分為3部分，首先利用底層的區(qū)塊鏈對用戶信息進(jìn)行存儲與加密，然后采用P2P網(wǎng)絡(luò)及智能合約對快遞相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后可使不同用戶在APP端寄快遞、運(yùn)快遞及領(lǐng)快遞。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

Fig.2 Overall system architecture圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)主要面向的用戶包括顧客、運(yùn)送快遞員、派單快遞員。顧客可提交訂單、簽收快遞、查看物流；運(yùn)送快遞員能夠上傳破損的快遞照片、接收快遞、查看下一站地點(diǎn)；派單快遞員可上傳貨架信息，在不知道用戶手機(jī)號的情況下可調(diào)用API直接打電話、發(fā)短信給用戶。用戶功能表如表1所示。

Table1 User function table表1 用戶功能表

3.3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

在比特幣的設(shè)計架構(gòu)中采用工作量證明算法，其通過算力尋找一個隨機(jī)數(shù)，對包含該隨機(jī)數(shù)的區(qū)塊頭進(jìn)行Hash計算后，若所得的Hash值滿足一定條件，則表明挖到新區(qū)塊，經(jīng)全網(wǎng)廣播后繼續(xù)開采下一個區(qū)塊。但是工作量證明算法耗能大，且出塊量低，無法滿足本系統(tǒng)的需求。相比而言，PBFT算法時延較低、吞吐量較高，更適合本系統(tǒng)，故本系統(tǒng)采用PBFT算法進(jìn)行共識。當(dāng)應(yīng)用層需要讀寫區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)時，便會觸發(fā)智能合約進(jìn)行審核，不同用戶擁有不同權(quán)限。當(dāng)用戶的請求合理時，便會觸發(fā)智能合約自動執(zhí)行，并將執(zhí)行記錄上鏈；當(dāng)用戶的請求不合理時，智能合約便會自動拒絕用戶請求。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲在一個公開的數(shù)據(jù)庫中，用戶可隨時查看。根據(jù)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)不可篡改的特點(diǎn)，用戶根據(jù)自己的需求在手機(jī)APP端存儲與自己相關(guān)的區(qū)塊即可，從而大大減少對手機(jī)內(nèi)存的要求，使得該款A(yù)PP更易被大眾所接受。系統(tǒng)區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)如圖3所示。

Fig.3 Blockchain structureof theproposed system圖3 系統(tǒng)區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

手機(jī)APP的功能包括注冊、用戶登錄、用戶寄快遞、快遞員運(yùn)快遞及領(lǐng)快遞5部分。

（1）APP注冊。如圖4所示，點(diǎn)擊“注冊”按鈕，個人用戶使用手機(jī)號注冊賬號，快遞員使用員工工號注冊賬號；注冊成功后，可查看與該用戶有關(guān)信息；點(diǎn)擊“實名綁定”按鈕，可綁定身份證號；綁定成功后，用戶自己設(shè)計一個復(fù)雜的私鑰，并通過橢圓曲線算法得到公鑰，將公鑰上傳系統(tǒng)；當(dāng)用戶提交信息時，需利用私鑰對信息進(jìn)行處理，生成相應(yīng)的數(shù)字簽名一同提交。系統(tǒng)利用公鑰驗證正確后，方可提交成功。公私鑰關(guān)系如圖5所示。

當(dāng)用戶上傳信息及簽名后，如圖6所示，其他節(jié)點(diǎn)通過該用戶公鑰對簽名求解得到的結(jié)論如果與上傳信息Hash后的結(jié)果一致，便相信是該用戶自己發(fā)送的消息，各節(jié)點(diǎn)將信息加入?yún)^(qū)塊中。

（2）用戶登錄APP。用戶用手機(jī)號或員工工號登錄賬號，登錄成功后出現(xiàn)“掃一掃”按鈕和“我的”按鈕。點(diǎn)擊“我的”按鈕，可選擇以下功能：①身份認(rèn)證。有些用戶在注冊時未進(jìn)行身份認(rèn)證，可在這里補(bǔ)全；②我的信息。可查看與該用戶相關(guān)的物流信息；③提交訂單。寄快遞時使用。具體登錄過程如圖7所示。

Fig.4 Signing up for the APP圖4 APP注冊

Fig.5 Public and private key relationship diagram圖5 公私鑰關(guān)系圖

Fig.6 Public key decryption圖6 公鑰解密

Fig.7 Loging in to the APP圖7 APP登錄

在本系統(tǒng)中，用戶手機(jī)號都是純數(shù)字的，員工工號開頭是兩位字母，第三位數(shù)字如果是0，表示是運(yùn)送快遞員；第三位數(shù)字如果是1，則表示是派送快遞員。點(diǎn)擊“掃一掃”按鈕，用戶可掃描快遞單面，根據(jù)不同用戶類型顯示相應(yīng)界面，如圖8所示。

在“掃一掃”時，后臺會提取用戶賬號信息。如果賬號的開頭兩位是字母，則判斷其為快遞員，再根據(jù)第三位數(shù)字判斷快遞員類型，并給出相應(yīng)界面。如果賬號的開頭是數(shù)字，后臺提取該用戶信息與二維碼中的快遞單號進(jìn)行審核，判斷該用戶是否為此快遞的領(lǐng)取者。如果是，后臺將給予解密的私鑰。解密后，用戶可看到相應(yīng)的訂單信息，否則無法看到。

Fig.8 Scan result圖8 掃描結(jié)果

（3）用戶寄快遞。用戶首先在快遞站購買快遞單號，然后登錄APP，點(diǎn)擊“我的”，再點(diǎn)擊“提交訂單”，添加訂單信息。訂單信息包含快遞照片，便于用戶領(lǐng)取。此時，利用RSA算法獲得一對公私鑰，利用公鑰對個人信息進(jìn)行加密，并把私鑰上傳到后臺，取快遞者可憑借身份從后臺獲得私鑰，解密并查看信息。最后，用戶可將加密后的信息打印成二維碼貼在快遞上，如圖9所示。

Fig.9 Stealth one-sided generation圖9 隱形單面生成

由于所有個人信息是經(jīng)加密后上傳的，即使數(shù)據(jù)庫被攻擊，黑客也無法直接讀懂其中數(shù)據(jù)，從而可保證數(shù)據(jù)的安全性。訂單提交流程如圖10所示。

Fig.10 Order submitting flow圖10 訂單提交流程

用戶提交訂單信息后，后臺審核該訂單號是否可用，若審核通過，用戶利用RSA算法獲得一對公私鑰，利用公鑰進(jìn)行加密，把私鑰上傳到后臺。加密后的信息與該用戶數(shù)字簽名一同上鏈。

（4）快遞員運(yùn)送快遞。在運(yùn)輸過程中，快遞員在交接時掃一掃快遞上的二維碼，APP根據(jù)快遞員工號判斷快遞員類型，并顯示相應(yīng)界面（見圖8）。運(yùn)送快遞員先檢查快遞是否有破損，如果破損則應(yīng)先點(diǎn)擊“拍照上傳”按鈕，進(jìn)行拍照上傳，再點(diǎn)擊“接收快遞”按鈕，確認(rèn)快遞已被接收。確認(rèn)收貨后，點(diǎn)擊“查看下一站地點(diǎn)”按鈕查看下一站位置。派件快遞員可上傳貨架信息，或調(diào)用APP的打電話/發(fā)短信API聯(lián)系用戶，但不能直接獲取手機(jī)號。例如，快遞員A將一批快遞交給快遞員B，A需要等B把所有快遞用APP掃碼接收后方可離開。如果提前離開，萬一出現(xiàn)快遞失蹤現(xiàn)象，需要A負(fù)全責(zé)。在交接期間如果發(fā)現(xiàn)快遞破損，需要掃碼上傳破損照片。如果B不上傳，而是由下一個快遞員C上傳，則快遞破損責(zé)任需要由快遞員B承擔(dān)。所有信息全網(wǎng)可知、公開透明，且不可篡改。用戶在領(lǐng)取快遞時，如發(fā)現(xiàn)破損可拒絕領(lǐng)取，否則責(zé)任自負(fù)。快遞員每一次調(diào)用信息都會以日記形式存儲在區(qū)塊鏈上，以加強(qiáng)快遞公司對員工的管理。

（5）用戶領(lǐng)快遞。用戶可查看快遞照片，了解快遞外形，以更好地找到快遞。其找到快遞并掃碼看到訂單信息后，點(diǎn)擊“簽收快遞”按鈕，輸入用戶私鑰，確認(rèn)收貨，從而可有效防止冒領(lǐng)、代領(lǐng)現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文為快遞公司設(shè)計一款A(yù)PP，以解決因用戶隱私信息泄露引發(fā)的一系列問題。該款A(yù)PP主要為用戶與快遞員提供服務(wù)，用戶提交的訂單信息經(jīng)加密上傳到區(qū)塊鏈上。快遞站以二維碼形式打印加密的訂單信息，取代明文的用戶個人信息。以上措施可有效保護(hù)用戶個人隱私數(shù)據(jù)不被泄露，私鑰只有用戶本人知道，保證了快遞只有用戶本人可以簽收。通過區(qū)塊鏈技術(shù)，用戶和快遞員對快遞所有操作都清晰可見，且不可篡改，責(zé)任到人。當(dāng)出現(xiàn)快遞破損、丟失等問題，快遞公司可以及時解決，有效提升了用戶體驗。為更好地增強(qiáng)本系統(tǒng)的安全性，如何實現(xiàn)隨機(jī)異構(gòu)，防止區(qū)塊鏈因某一漏洞被黑客入侵后直接造成區(qū)塊鏈癱瘓，將是后續(xù)研究方向。