基于區塊鏈的大宗商品供應鏈物流方案研究

孫裕儼, 牛偉納*, 廖旭涵, 黃世平, 黃步添, 張小松,b

(1.電子科技大學 a.計算機科學與工程學院; b.交子金控區塊鏈研究院， 四川 成都 611731；2. 杭州云象網絡技術有限公司， 浙江 杭州 311121)

供應鏈是指將產品或服務等從采購生產到交付至消費者的整個流程的核心企業及上下游企業組成的一種網鏈形式。它能夠借助網絡將地理上不相鄰的商業合作伙伴在賽博空間中構成龐大的聯合體，并通過相互合作、協同管理及責任分擔等信條達到共贏的目的。供應鏈中的各企業節點通常包括原料供應商、制造商、儲存商、運輸商、批發商及零售商等[1]，最終客戶是整條鏈的終端節點。供應鏈在經濟全球化過程中扮演了重要角色，它讓企業不拘泥于一隅之地，而放眼全球找尋利益共通的潛在合作伙伴[2]。供應鏈物流和供應鏈金融是供應鏈中最熱門的領域[3]，在農業、工業、食品和電子等行業供應鏈中都有舉足輕重的作用[4]。

2021年，中國物流業總收入超過11萬億元，大宗商品物流在我國物流業中占比極高，有著中流砥柱的作用。大宗商品是指能夠流通、存在同質化特性、通常用于工農業大批量產銷的商品，分為能源產品、工業基礎材料及農副產品等種類。它是國家發展過程中不可或缺的重要資源。目前，大宗商品物流業務正從基礎的生產、消費環節逐步向系統化集成方向發展，形成大宗商品供應鏈物流形式[5]，進一步對物流全過程進行管理。但在大宗商品供應鏈物流的流轉和交易等環節中，還存在著許多亟需應對的問題：相關物流企業數量多規模小，使得相應的管理及服務水平不高，它們各自經營，資源分散，導致社會總體物流資源使用效率降低，存在資源浪費現象；供應鏈物流整體信息化水平較低，難以對大宗商品傳輸過程進行跟蹤，存在層層轉包、空載以及拼車運輸等情況，易出現貨權難確認、貨物安全難保障等問題；供應鏈中缺少明確的責任分擔相關合同或協議，某些企業可能通過纂改物流數據、重復質押及交易欺騙等手段謀取不當利益，對政府的相應監管造成困擾。這些問題阻礙了大宗商品供應鏈物流業務的高質量發展，區塊鏈為解決上述問題提供了新思路。2017年10月，國務院辦公廳印發了《關于積極推進供應鏈創新與應用的指導意見》，明確指出可研究利用區塊鏈、人工智能等新興技術實現供應鏈的創新性發展。中國物流與采購聯合會發布的《2019中國物流與供應鏈產業區塊鏈應用白皮書》指出，物流和金融是供應鏈結合區塊鏈時最契合的應用場景[6]。區塊鏈技術有著分布式信任、不可纂改、可追溯和去中心化等特性，能夠讓大宗商品供應鏈中各個參與企業完成高效透明的交易，滿足產業鏈上下游企業等各類業務主體對標貨物的安全追蹤需求以及金融機構的融資監管要求，打通大宗商品供應鏈物流的關鍵環節，進而實現大宗商品貨權全生命周期跟蹤、交易可信及風險可視可控。

本文的主要貢獻如下：①設計了“區塊鏈加云”的大宗商品供應鏈物流數據信息存儲方案，在鏈上留存元數據，在云上存放完整信息，并基于物流數據的具體屬性提出了一種鏈上的元數據構建方法；②設計了基于聯盟鏈的大宗商品供應鏈物流方案框架，并通過對具體應用場景的分析，完成了仿真實驗。本文后續的內容安排如下：第二部分是對供應鏈物流與區塊鏈融合研究及實施現狀的簡要闡述；第三部分探討了傳統供應鏈物流基礎情況和特性，闡述了區塊鏈技術原理；第四部分設計并詳細描述了基于區塊鏈技術的大宗商品供應鏈物流方案、框架，通過大宗商品供應鏈物流具體場景進行仿真實驗，最后對結果進行分析。第五部分總結了全文內容，并對區塊鏈應用于大宗商品供應鏈的前景進行了展望。

1 文獻綜述

區塊鏈在供應鏈物流場景下的應用問題已得到廣泛關注，學者們對其進行了不倦探索。

Tian[7]對當前農業市場進行分析，認為傳統的農業供應鏈物流數據記錄方式難以滿足新時代新需求，從而結合區塊鏈構建了一個農業食品供應鏈可追溯系統。他們首先對射頻識別技術(Radio Frequency Identification, RFID)與區塊鏈技術的發展情況進行闡述，并分析將其用于構建農業食品供應鏈追溯體系的可行性及優缺點。然后通過對供應鏈上各類數據的屬性提取和具體分析，結合RFID與區塊鏈技術逐步構建供應鏈可追溯系統。最后使用農產品在生產、加工、倉儲、運輸和分銷等全流程中的現實數據對系統進行演示，該系統能夠實現農業食品供應鏈中相關信息的可追溯性，保障食品安全。但由于使用RFID標簽，該系統中供應的農業食品成本很高，難以定價，區塊鏈落地實施比較困難。

孫宇博[8]針對普通供應鏈物流系統在面臨突發情況時難以維持正常運行的問題，提出了基于區塊鏈技術的應急物流供應鏈體系。作者通過對區塊鏈技術和應急物流供應鏈體系的簡單闡述，分析區塊鏈在應急情況下的應用意義，然后在已有架構的基礎上構建應急物流供應鏈體系，該體系包括6個層次，分別為數據層、網絡層、共識層、合約層、應用層以及用戶層。最后作者為應急物流供應鏈建設提出了一些建議，但該文章處于理論研究階段，缺少實際運行驗證。

Helo等[9]設計了一個基于區塊鏈的供應鏈物流追蹤系統，對物流過程中的包裹進行有效跟蹤，具體結構包括物聯網層、數據層、業務層以及用戶層，該系統支持對每個包裹的查詢。Gopalakrishnan 等[10]探究區塊鏈在固體廢物逆向供應鏈物流中的應用，通過跟蹤使用過程中易于產生固體垃圾的工業化產品，從而提高固體廢物逆向物流管理的工作效率來降低其對環境的不良影響。他們都僅針對供應鏈物流中的物品追蹤問題進行研究，在整體體系建設方面存在缺陷。

除了學術研究，在全球多國政府的支持與有關企業的參與下，部分工業界設想成功提上日程或開始嘗試。

新加坡公司yojee上線了一個針對物流行為的特殊軟件[11]，在有效利用已有“最后一公里”交付裝備的基礎上，有機地綜合了人工智能以及區塊鏈技術，便于物流企業優化管理配送方式。該軟件借助機器學習合理地分配商品交付任務，減少分配失誤，節約人力資源，降低了物流企業的相關成本，提高了配送效率，并為客戶提供了更佳服務。它同時將物流中的交易細節存于區塊鏈中，讓企業在必要時能夠跟蹤并驗證相應數據，更具安全性。該軟件在商品配送環節具有優良性能，不過將其應用于供應鏈整體物流還需進一步拓展。

丹麥哥本哈根、紐約阿蒙克市-馬士基集團和 IBM 有意組建一家合資公司[12]，通過區塊鏈技術為開展全球貿易提供更為高效、安全的方式。該區塊鏈解決方案由 IBM 在貨運行業的全球領軍企業馬士基集團的幫助下，基于 Hyperledger Fabric 架構完成構建，目標用戶為海運和物流行業中有相關需求的企業。他們設計的全新系統將端到端的整個供應鏈流程數字化，可幫助企業管理和跟蹤全球數千萬個船運集裝箱的書面記錄，提高貿易伙伴之間的信息透明度，并實現高度安全的信息共享。但對全球商貿體系的優化需要不斷挑戰已有貿易秩序，相關研發者仍在默默積蓄力量，與真正投入實踐存在一定距離。

騰訊在第三屆全球物流技術大會上，與中國物流與采購聯合會簽署了戰略合作協議，并聯合公布了雙方首個重要合作項目——區塊供應鏈聯盟鏈及云單平臺[13]。本次戰略協議的簽訂，標志著騰訊正式落子于物流場景，將利用它們在區塊鏈領域的技術突破為我國物流行業提供嶄新思路和有益幫助。

區塊鏈在供應鏈物流方面的研究與應用體現了區塊鏈應用場景的多樣性，它的各項特性為供應鏈物流賦予了新的活力。綜觀現有的學術界與工業界的眾多研究與嘗試，由于國外學者受公有鏈技術的影響更早，區塊鏈技術發展更迅速，與供應鏈物流的結合較深入，在物品追蹤、商品配送等方面都有成熟方案，但這些方案綜合性有所不足，對物流全環節以及整個供應鏈物流體系的構建缺乏明確思路；相比于國外，國內學者更注重區塊鏈和供應鏈物流相結合的系統或體系設計，然而因我國的區塊鏈技術起步較晚，仍處于不斷探索、不斷突破的階段，許多研究停留于初期理論環節，因此，將區塊鏈應用于供應鏈物流行業的研究仍有著極大成長空間。本文將針對大宗商品供應鏈物流中出現的信息不對稱、缺少互信等關鍵問題，討論與區塊鏈結合的有效方案。

2 相關理論概述

2.1 大宗商品供應鏈物流體系概述

大宗商品供應鏈物流體系以供應鏈中的運輸、配送等物流相關活動為重心，在物流的基礎上對供應鏈上的進貨、儲存和分銷等眾多環節進行協調，涉及生產與采購計劃、庫存控制方案、銷售訂單處理與配送方式等具體場景。除此之外，該體系還囊括合作伙伴間的溝通與協作。

2.1.1 大宗商品供應鏈物流特征

大宗商品供應鏈物流中的基本活動有配送、運輸、儲存、分銷和加工等，其中最基礎也最重要的環節便是運輸，因此，將在運輸特征分析的基礎上，兼顧其余活動的特征進行闡述。

大宗商品供應鏈物流的特征主要包括以下3點：

(1)主要運輸形式為長距離運輸與聯合運輸相結合。我國地大物博，但存在各類資源分布不均的特點。華北、西北地區如山西盛產煤炭，石油、天然氣主要分布于西北、東北及華北地區，多種金屬礦產資源也并無集中分布地域。除此之外，我國各地的農業、工業和制造業發展水平也不盡相同。這些性質決定了我國大宗商品供應鏈物流的長距離運輸特征。同時，運輸過程中大都將鐵路、公路和水路運輸等有機地結合起來，通過這種聯合運輸形式將大宗貨物有效送達。

(2)對重載化要求較高，對時效性需求較低。大宗商品最突出的特征為大批量，所以在物流過程中需要運輸重載化，讓運輸成本更低，運輸效率更高。大宗商品的運輸形式決定了其運輸時間一般較長，運輸過程中遭遇的氣象或政策因素都可能導致延期，因此，大宗商品供應鏈物流對時效性的需求較低。

(3)對物流防護要求高。大宗商品中的礦產資源和能源資源等是散堆類型貨物，且可能為化學危險品，在物流過程中需要嚴密保護，否則將可能出現對周圍環境的各種污染，如對土壤的滲透污染或對水資源的擴散污染等。大宗商品中的農副產品也需要物流過程中的合理防護，否則可能讓產品損壞或腐爛，導致商品質量下降，造成嚴重經濟損失。

(4)組織管理方面的有效協作。大宗商品供應鏈物流過程中涉及到的核心企業及上下游企業數目較多，因此，成功的物流活動背后都離不開合理的組織方式和有效的管理方法[14]，它們能夠提升合作伙伴間的信任度，實現互利共贏。

2.1.2 大宗商品供應鏈物流現狀及存在的問題

大宗商品供應鏈物流中相關物流企業數量多規模小，使得相應的管理及服務水平不高，運營規范程度差，它們各自經營、資源分散，導致社會總體物流資源使用效率降低，并存在資源浪費現象。較低的行業門檻也使得它們提供的服務愈發類似，趨向同質化，缺少差異化方向的突破。

供應鏈物流有信息不對稱問題。供應鏈整體信息化水平較低，難以對大宗商品傳輸全過程進行跟蹤，并且在采購、運輸和分銷等環節的信息割裂情況嚴重。運輸過程中存在層層轉包、空載以及拼車運輸等現象，易出現貨權難確認、貨物安全難保障等問題。同時可能有某些企業不能或不愿及時與其他上下游企業共享信息的情況，使得物流過程中形成信息孤島[15]，難以對大宗商品物流進行合理把控。

大宗商品供應鏈物流中缺少明確的責任分擔相關合同或協議，透明度也不高。某些企業可能通過纂改物流數據、重復質押及交易欺騙等手段謀取不當利益，對政府的相應監管造成困擾，并降低行業內企業間的信任度，使得更多潛在的合作難以開展。

2.2 區塊鏈概述

區塊鏈是一種分布式分類賬本，具有去中心化、不可變性、匿名性、持久性以及可審計性等特點，應用場景包括物聯網、政府服務、金融、供應鏈管理和醫療保健等。

區塊鏈最初出現在大眾視野中是因為它支持加密貨幣領域的交易，如比特幣和以太幣等。它作為一種新興技術，并不是一開始就有如此廣闊的應用范圍，而是隨著時間的發展被人們研究得更加透徹，才發現其優良的適配性。區塊鏈發展至今的歷程可簡單地分為3個階段[16]：①自2008年至2012年被視為區塊鏈1.0階段，2008年中本聰比特幣白皮書的出版使得區塊鏈的概念首次進入大眾視野；緊跟著，2009年比特幣的發行正式拉開1.0階段的帷幕，該階段是虛擬貨幣的階段，主要借助分布式賬本以及工作量證明等核心技術完成虛擬貨幣的發售與交易。②2013年到2017年處于區塊鏈2.0階段，該階段最值得稱道的事件為以太坊平臺的發布，它借助智能合約對金融等領域的某些場景與工作流程完成有效優化，使人們將目光投向虛擬貨幣以外的更多領域；以太坊的開源性與公共性也催化了更多優異的區塊鏈思路。③2018年至今可稱為區塊鏈3.0階段[17]，在本階段中，區塊鏈的應用領域井噴式增加，為更多行業提供了不同于傳統思路的去信任化方法[18]，并在政府及相關企業的推動下，逐步為社會建立全新的信任體系，力圖解決信用問題。

區塊鏈的基礎單位是區塊，區塊分為區塊頭以及區塊載荷，區塊頭中主要包括塊版本、父區塊哈希、本區塊哈希和時間戳等信息，區塊載荷中包含著關于單體或多方的交易過程或事務信息。區塊鏈中加密的哈希函數接收事務信息輸入后將生成固定長度的哈希串，后可創建同一時間段內的事務序列，并能通過編碼保證其時序性。礦工節點驗證該序列后，創建新區塊并將其添加入區塊載荷，通過共識算法的驗證即可將新區塊上鏈添加至舊區塊之后，如此便形成了區塊鏈。在區塊鏈的分布式結構中，并無中央節點確保所有分布式節點都可信，因此，借助共識算法確保不同節點中區塊鏈的一致性是至關重要的。在區塊鏈中，智能合約通常是一種程序，充當用戶間值得信賴的中介，廣泛應用于各種行業中，它的不可更改性帶來了許多便利。

區塊鏈主要被分為3種類型，分別是公有鏈、私有鏈[19]以及聯盟鏈[20]，它們間的區別主要體現于鏈中節點在訪問區塊鏈、將交易上鏈以及共識過程相關控制等方面的權限設置。公有鏈的代表是比特幣和以太坊，在公有鏈中，參與者可以是匿名節點，一切交易都能被任意節點訪問，并存在一整套激勵機制來吸引更多節點加入。而私有鏈和聯盟鏈在權限方面存在許多限制，其中尤以私有鏈為最，它通常僅由單個企業控制，幾乎可視為另一種概念上的中心化結構。聯盟鏈的參與者是一整個成員聯盟，新節點的加入需要成員的共同許可，其內部有數個高算力的受信節點用于驗證事務序列以及區塊生成，每個節點的讀取權限不同，提供了一定程度上的隱私保護。

3 基于區塊鏈的大宗商品供應鏈物流方案設計、實現與分析

3.1 基于區塊鏈的大宗商品供應鏈物流方案設計

3.1.1 大宗商品供應鏈物流數據信息存儲方案設計

大宗商品供應鏈中時刻產生著海量物流數據，借助區塊鏈將它們完整的存儲廣播是低效的，并導致整體性能受到影響。因此,設計“區塊鏈加云”的物流數據信息存儲方案，將物流數據屬性進行提取形成元數據，鏈上存放元數據哈希值，云中存放具體物流信息。用戶能夠通過對元數據的查詢判斷其有效性，后從云上獲取完整內容。

元數據清晰地展示著物流數據屬性，在區塊鏈中可針對大宗商品的各項屬性進行設計，從而將商品抽象為鏈上的虛擬資產，并依此實現貨物實時跟蹤及管理、歷史交易數據查詢等功能。大宗商品的屬性主要包括商品歸屬權以及商品特性，其中商品特性是對不同類型貨物(如能源產品、工業基礎材料及農副產品)進行分類的標準。將大宗商品屬性分為4點：①基礎屬性：{名稱、型號、生產日期、類別、產品代碼}；②商品屬性：{數目、重量、品質、單價}；③歸屬屬性：{擁有者、暫存者}；④其他屬性：{路線、運輸方式、訂單號}。設計大宗商品供應鏈物流方案中的鏈上元數據屬性如表1。

表1 物流信息元數據Table 1 Metadata of logistics information

3.1.2 區塊鏈成熟框架的比較與選擇

(1)比特幣(Bitcoin)是一種點對點版本電子交易系統構想，人們因虛擬貨幣而對其熟知。它具有分布式特征，整個比特幣網絡由用戶節點組成，實現了完全去中心化，并有極佳的可擴展性，節點能夠隨時進出。自2009年以來十余年的積累讓比特幣網絡無比健壯，算力龐大，能夠保證交易不可纂改性、安全性以及用戶匿名性等。

(2)以太坊(Ethernet)是帶有開源性質的具備智能合約相關功能的區塊鏈平臺，其中智能合約通過圖靈完備語言完成編寫，彌補了比特幣網絡中存在功能性缺失的不足，并進一步增強了可擴展性。以太坊為用戶提供多種類型的模塊來構建符合需求的應用，能夠減少設計并實現區塊鏈應用的成本，并提高設計效率。

比特幣及以太坊都屬于公有鏈，它們雖然有著超強可擴展性、健壯性，但是存在交易費用高、確認時間長和事務處理效率較低等公有鏈上普遍存在的問題。因此，聯盟鏈應運而生，它具備多節點控制下的可擴展性和較高的事務處理效率，性能優良，下述為2個具有代表性的聯盟鏈框架。

(3)超級賬本(Hyperledger Fabric)是企業級分布式賬本平臺，它同樣是開源的，且設計目的就是為企業提供區塊鏈解決方案。因此，它并不像比特幣和以太坊具備內置加密貨幣，而更多地關注模塊化及適用性，并支持多種語言編寫鏈碼，支持可插拔共識協議。

(4)Fisco BCOS是企業級金融聯盟鏈底層平臺，它具有安全可控、穩定易用和性能優異等特點，在現實需求的基礎上兼顧了可運維性以及可拓展性，并為用戶提供了大量可視性工具，有效減少開發區塊鏈應用的時間。與超級賬本相比，它更側重于聯盟鏈在金融領域的應用。

大宗商品供應鏈中合作企業被視為鏈上的節點，且整體對授權有較大需求，可看作一種聯盟鏈。上述4個區塊鏈成熟框架中，前兩者為公有鏈的突出代表，并不符合供應鏈場景，后兩者都面向企業并針對聯盟鏈進行周詳設計，但綜合了框架的適應性、可行性以及擴展性，本方案選擇超級賬本作為底層平臺框架。Hyperledger Fabric能夠搭建一個具有授權性質的聯盟鏈，其中的節點在授權后才能參加或離開網絡，與公有鏈不同，參與共識的節點大大減少，因此，能夠提供更高的效率，性能更貼近供應鏈需求。和BCOS更專注于金融行業的聯盟鏈平臺構建相比，Fabric的適用性更優良，能夠靈活地應用于更多領域，且能根據需求為平臺添加定制化組件，設計專用功能。

3.1.3 大宗商品供應鏈物流方案框架設計

本方案中的大宗商品供應鏈物流方案架構保留了區塊鏈框架的分層體系結構，包括5層：應用層、鏈碼層、網絡層、共識層以及數據存儲層。其中除應用層外的4個層次可被視為基礎功能層，為應用提供智能合約、存儲、網絡和共識算法等基礎功能，具體架構如圖1所示。

圖1中，數據存儲層將存儲大宗商品供應鏈物流中產生的數據信息，如交易、訂單、憑證和合同等；共識層中封裝了共識算法等區塊鏈平臺使用的共識模型內容；網絡層為區塊鏈提供P2P組網、消息傳播方式以及事務驗證機制；鏈碼層具有合約封裝、合約部署及信息查詢等功能，并為應用層提供相應接口，完成數據交換操作；應用層借助接口實現眾多與大宗商品供應鏈物流相關的功能。

結合大宗商品供應鏈物流場景，各層的具體描述如下：

(1)應用層對大宗商品供應鏈物流方案主要場景實現應用拓展，滿足供應鏈在安全性和數據等領域的功能需求。該層所提供的最基礎的功能是物流相關數據上鏈，可對供應鏈物流運營過程中產生的訂單記錄、交易信息、簽訂合同、倉儲信息、運輸記錄和有關憑證等進行保存。在供應鏈中存在核心企業與上下游企業之分，它們的訪問權限存在差異，本層中將設置數據共享與授權模塊，消除信息孤島，在滿足數據共享的同時保護企業關鍵數據的隱私，實現該部分數據的可用不可見。數據搜索模塊能讓供應鏈中各節點對重要事務信息隨時進行查閱，滿足檢索需求以及對物流過程的實時監控需求，使貨權得以保證。物流風險告警與防范是各企業關注的重點，該模塊能對風險點進行識別并記錄，借助區塊鏈保證其追溯能力，在出現意外時企業能及時更新處理，更好地保障貨物安全。

(2)鏈碼層中，主要有合約及接口服務。本層中擁有智能合約相關的初始化、部署、調用以及查詢功能。初始化功能為供應鏈中企業節點提供已通過驗證的多種智能合約模板，讓他們能夠根據相應需求，查詢并調用合約模板。合約有著多種狀態，在正式運行前需要完成合約部署，才能夠執行交易。部署功能在節點發起的合約寫入申請基礎上，查找相應的合約模板，然后進行部署以完成定制功效。調用功能針對供應鏈物流中出現的交易信息更新需求，在將事務寫入區塊之前先對已部署的智能合約進行調用并自動執行，然后存儲改變的狀態，最后將結果記錄于區塊中，從而實現自動更新。查詢功能根據供應鏈中企業節點的申請或跨鏈接口的查詢請求，提供智能合約的現實執行情況，為交易多方提供實時數據。總的來說，智能合約為大宗商品供應鏈物流中大量需要信譽擔保的情況提供了有效的解決方案，在運行合約時自動執行已約定的合同條款，提升企業間信任度，并有效提高供應鏈物流的經營效率。除此之外，本層將為應用層提供相應接口，滿足在物流應用場景下應用層對基礎服務層的智能合約、存儲、網絡和共識算法等需求。

(3)網絡層為區塊鏈提供P2P組網、消息傳播方式以及事務驗證機制。區塊鏈從本質上看是P2P網絡，才能保證其去中心化特點，因此，為P2P組網。當鏈上某節點生成新區塊后，需要及時地將其廣播至所有節點，因此，每個節點都在不斷地監聽網絡中其他節點發送的消息，然后對接受的消息進行驗證，如最終實現區塊鏈的良性增長。這些流程需借助消息傳播方式和事務驗證機制實現。

(4)共識層封裝了共識算法等區塊鏈平臺使用的共識模型內容。共識算法是保證區塊鏈安全性最關鍵的設計之一，針對大宗商品供應鏈物流中參與節點眾多、中間環節復雜且各方需要更高信任的現狀，本層中的共識機制使用改進的實用拜占庭容錯(Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT)算法來完成新區塊的共識，解決各方互信問題。具體修改方式為將PBFT算法中的3階段協議進行簡化，去掉1次全節點廣播；將PBFT算法中的C/S請求響應模式調整為P2P網絡拓撲響應模式；引入投票選舉機制，限制參加共識環節的節點數量，以提供效率更佳的共識。

(5)數據存儲層將存儲大宗商品供應鏈物流中產生的數據信息元數據，這些信息將被放入區塊載荷中，主要包括物流數據以及交易過程中產生的合同信息等。在此過程中，將根據業務類型的差異對事務實現分布式存儲，相同類型的信息借助默克爾樹進行組織，樹根被區塊頭記錄，樹葉是該類型下某組事務的哈希值，如此便能夠方便且迅速地對某個載荷中存儲的數據進行驗證。

3.2 具體應用場景設計

本方案基于Hyperledger Fabric進行聯盟鏈構建，借助其組件化特征，將共識算法和安全策略等添加入框架中，并為應用層的多種現實場景提供適應的接口，從而實現大宗商品供應鏈物流的數字化轉變。

在本節中，將大宗商品供應鏈物流的場景具象化，選取大宗商品交易過程為實驗場景，設計相應的物流聯盟鏈。大宗商品供應鏈物流過程中運送的貨物價值較高，并且環節眾多、資金流復雜，需要明確貨權并實時跟蹤，保證貨物安全性。通過區塊鏈完成對物流數據的收集、整理和存儲，覆蓋原料采購、運輸、加工、分銷及交易等大宗商品供應鏈物流中的多個關鍵步驟，以保障信息的安全性、隱私性及可靠性。按物流合作者、監管者設置對應節點權限，可作為節點查詢等操作的依據，既能夠為參與企業的物流管理環節提供了支持，保護了企業的商業機密與核心數據，又能夠為政府提供該大宗商品供應鏈物流整體信息，使得政府監管決策更加有效合理。

下面對大宗商品交易過程進行具體闡述，如圖2所示。其中買方可為消費者、制造商、批發商或零售商，賣方可為原料供應商、制造商、批發商或零售商。

交易進行之初，買賣雙方能夠在鏈上對本次交易細節進行協商，確定商品價格、數量和交付日期等，最終記錄下這些信息，形成合同并留存于鏈上，保證其不可纂改性。然后根據所簽訂的合同，買方需將定金或全款交付至賣方，賣方收到貨款后，在平臺上簽署交易，形成事務，并留存貨物及交易基礎信息，以備之后的查詢。

賣方將貨物交由運輸商進行配送后，需及時更新鏈上的貨物信息，將貨物擁有者變更為買方，并設置暫存者為運輸商。運輸商負責保證人、運輸工具及貨物的安全，并實時跟蹤貨物的配送情況，時刻檢查受損程度，將相關信息上鏈。買方能夠通過訪問這些信息對貨物運送狀況做出合理判斷，及時與有關企業協商調整配送方案。

大宗商品供應鏈物流常會使用聯合運輸方式，在更換運輸方式時常需臨時進行儲存，此時暫存者將變更為儲存商。在完成貨物入庫及清點等步驟后，儲存商將所得數據上鏈，買方能迅速地完成對賬工作，驗證貨物信息。

當運輸或儲存過程出現貨物受損情況，暫存者需在鏈上盡快更新貨物狀態，以便買方確認責任歸屬。

若買方收到的貨物品質與交易協商所得結果不同，能夠借助鏈上的時間戳信息及溯源應用對物流全過程進行追蹤溯源，從而清楚地界定責任。

監管方能夠在需要時經過授權環節，獲取鏈上數據的訪問權限，完成高效且清晰的大宗商品供應鏈物流監察工作。

在大宗商品供應鏈物流聯盟鏈中，每個參與組織都能通過相應授權，調用已設定完畢的智能合約，實現物流、合同等數據信息上鏈的需求。鏈中包含的多個成員數據通道能夠支持業務分離，有利于相應監管的展開。

3.3 仿真實驗及結果闡述

3.3.1 測試環境介紹

本實驗搭建供應鏈物流方案時使用2核4 G的虛擬機，內存為20 G，具體實驗環境配置如下：

操作系統：Ubuntu 20.04

Docker版本：20.10.7

Fabric版本：2.2.1

根據上文所述的具體場景，搭建聯盟鏈過程中將設置8個節點，其中7個peer節點，1個order節點，創建多個成員數據通道。每個peer節點包括分布式賬本及鏈碼，完成與具體應用的交互。在測試環境中使用docker單機部署所有節點。

3.3.2 評測工具及指標

Caliper是一款由Fabric社區推出的性能測試工具，支持用戶通過將某特定事務多次循環發送，完成對已配置區塊鏈網絡的測試。Caliper能夠生成包含具體性能參數的測試報告，主要有如下指標：

Succ：成功發送事務數量；

Fail：失敗發送事務數量；

Send rate：發送事務速率；

Avg latency：處理1次事務請求的平均用時；

Consensus throughput：每秒完成的共識吞吐量，即共識速度；

Query throughput：每秒處理的查詢吞吐量，即查詢速度。

3.3.3 實驗結果與分析

通過對用戶從某交易發出到完成共識整個流程的時間開銷測試，Caliper所得結果如表2所示。

表2 共識速度測試結果Table 2 Results of consensus speed tests

由表2可看出，從測試1到測試4，發送共識事務速率自100 tps漸進地提高到400 tps，共識速度隨之不斷增加并穩定在90 tps左右，處理1次共識請求所需的平均用時也大幅增加，從1 s逐漸延長至20 s。在同時發起的交易數量很少時，共識速度相對較低，因為通信在處理時間中占比很高，隨著交易數量的逐漸增加，通信的比重越來越小，共識速度穩步提升。由于單機部署，網絡中多個節點的共識過程與分布式部署情況存在差異，存在擁塞現象，實際運行過程中平均用時會更加理想。

通過對用戶發起查詢請求到收到相應數據完整過程的測試，Caliper所得結果如表3所示。

表3 查詢速度測試結果Table 3 Results of query speed tests

從表3中可以看到，在發送查詢事務速率以100 tps為底持續提升至400 tps的過程中，查詢速度同樣經歷了由少變多逐漸穩定的過程，最終保持在130 tps左右。處理單次查詢事務的平均用時由不到1 s增加至8 s以上，同樣是因為受到單機部署中所存在的擁塞現象困擾。查詢前所需的背書操作包含了海量的請求、簽名和驗證等環節，它們屬于計算密集型任務，導致此過程中計算量遠大于訪存、通信以及I/O操作，在實際運行過程中可通過對同一組織下peer節點的擴充進行優化，從而提高查詢速度并減少平均時延。

4 總結及展望

供應鏈物流是大宗商品物流的演變趨勢，讓物流全過程得以緊密聯系，但這也讓許多深藏的物流問題暴露，亟需解決方案。區塊鏈是發展迅速的新興技術之一，在眾多領域展現了獨特價值，已被國家納入“十四五”規劃。區塊鏈在大宗商品供應鏈物流行業方面的應用能夠為我國物流領域提供嶄新思路，有著重要的現實意義及研究價值。

考慮到海量數據對區塊鏈性能的影響，本文提出“區塊鏈加云”的大宗商品供應鏈物流數據信息存儲方案，并結合具體物流場景設計了基于聯盟鏈的大宗商品供應鏈物流方案框架，相關仿真實驗結果展示了兩者結合的可行性。不過，本文中的方案仍存在一些問題需要持續研究，例如本文對具體場景的抽象并未涉及供應鏈金融，相關情景的設置需要更多調研及統計；所構建的方案并未真實落地，而是借助單機模擬表明可行性，實際應用時設置節點需滿足拜占庭容錯性，相關配置要因地制宜，綜合企業體量及需求。

展望未來，區塊鏈還能作為諸多新興技術在大宗商品供應鏈物流領域加以融合的基點，它能為將來的智能化生產、工業5G與數字孿生、數字化倉儲、多式聯運及供應鏈金融等場景提供數字化可信基礎和風險管控技術能力。