基于區塊鏈的工業互聯網數據溯源方案

祝 劍，楊珍娜，龐 龍，丁 瑾

(1.西安郵電大學 學報編輯部，陜西 西安 710121；2.西安郵電大學 網絡空間安全學院，陜西 西安 710121)

工業互聯網[1]是將互聯網技術延伸到工業領域，利用智能技術提升網絡性能，以物聯網的形式幫助企業實現工業自動化，現已廣泛應用在數字化管理、智能化制造和網絡化協同等領域。隨著越來越多的產品由工業互聯網加工生產，工業生產效率得到有效提高，但是在數據溯源過程中，存在信息數據泄露、篡改和仿冒等安全問題。

數據溯源是指對產品的全生產周期進行跟蹤與追溯，即對產品的生產、加工、運輸和銷售過程進行“統一化管理”，是對信息數據“從產地到市場”監控的有效途徑。因此，數據溯源技術[2]可改善工業互聯網中信息數據安全問題。在當前大數據背景下，利用數據溯源技術分析非法數據的相關特性，可保證數據溯源信息的可靠性，但其安全性并未得到提高[3]。基于屬性加密的數據溯源方案[4]通過屬性加密使信息數據更加安全，但所消耗的計算資源較大。文獻[5]將區塊鏈技術融入數據溯源技術中，提高了信息數據的安全性，但基于區塊鏈的云儲存方式，需要更大的云存儲空間[6]。基于區塊鏈的數據溯源可信查詢方法[7]通過建立Merkle樹動態追加性能的數據結構，實現了溯源數據的可信存儲，但延長了數據查詢時間。基于雙區塊鏈的防偽溯源系統[8]改善了傳統溯源系統存在的安全性問題，但該系統的信息數據傳輸速率較低。基于區塊鏈技術的射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)大數據溯源安全模型[9]實現了對RFID大數據的溯源管理，但信息數據安全性較低。基于區塊鏈和RFID結合的數據采集溯源系統[10]提高了信息數據的安全性，但數據傳輸速率仍較低。

針對工業互聯網數據溯源過程中存在的信息數據安全性較低、傳輸速率慢的問題，擬提出一種基于區塊鏈的工業互聯網數據溯源方案。通過建立產品信息存儲和共享模型，實現產品信息上傳、查詢、防偽和溯源等功能。在貼有RFID標簽的產品生產、加工、倉儲、運輸和銷售等多環節建立區塊鏈賬本，使“賬本-環節”相互對應，將產品供應鏈各環節數據分別存儲在不同的賬本上，降低產品信息存儲結構，提升信息數據傳輸速率。同時，建立基于區塊鏈的工業互聯網數據溯源系統，保證上傳前產品信息的真實、透明、不可篡改并驗證二維碼的真實性，利用星際文件系統[11](Interplanetary File System，IPFS)存儲產品信息減少存儲開銷。

1 相關知識

1.1 區塊鏈

區塊鏈[12-14]是比特幣最底層的技術，具有去中心化、不可篡改、公開透明和可追溯等特點。區塊鏈中的每個區塊由區塊頭和區塊體構成，區塊頭包含前一個區塊的Hash值、版本號、隨機數、時間戳、Merkle根和難度目標等，區塊體包含此區塊的交易信息，包括交易數量和數據。具體結構如圖1所示。

圖1 區塊鏈結構

區塊鏈可分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈，其特征如表1所示。

表1 公有鏈、私有鏈和聯盟鏈特征

1.2 射頻識別技術

RFID技術[15]是自動識別技術的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，并對電子標簽或射頻卡等記錄媒體進行讀寫，從而達到識別目標和數據交換的目的。RFID主要由電子標簽、閱讀器、天線和應用系統軟件等4部分構成。電子標簽由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。閱讀器是讀取標簽信息的設備，可設計為手持式RFID讀寫器(如C5000W)或固定式讀寫器。天線是在標簽和讀取器間傳遞射頻信號的途徑。RFID系統結構如圖2所示。

圖2 RFID系統結構

1.3 二維碼技術

二維碼[16]即二維條形碼，是在一維條形碼的基礎上發展起來的一種二維條碼。在功能方面，二維碼比一維條形碼安全性更好、存儲信息量更大，QR碼[17](Quick Response Code)是目前應用最廣泛的二維條碼之一。二維碼識別信息的方法是通過圖像行讀碼，通過專門的掃碼器和掃碼軟件，自動辨別讀取信息，從而實現信息處理自動化。該方法的圖形編譯規則和條碼技術具有一些共性，但同時又具有對不同領域的信息自動識別功能和處理圖形旋轉變化點。二維碼和條形碼的優勢對比如表2所示。

表2 二維碼和條形碼的優勢對比

1.4 智能合約

智能合約[18-20]是一種無需中介、自我驗證和自動執行合約條款的計算機交易協議。一個智能合約是一套以數字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執行這些承諾的協議。用戶在區塊鏈上可通過交易執行智能合約。智能合約的運用減少了用戶在區塊鏈上交易的成本，同時，區塊鏈又為智能合約的發展提供了機會。智能合約運行機制如圖3所示。

圖3 智能合約運行機制

2 方案構建

2.1 傳統工業互聯網系統模型

為保障工業產品質量，近幾年來我國工業互聯網產業增速飛快，國家層面也出臺了各項政策給予支持，國際上對工業互聯網的關注度也不斷提高。大多數的傳統工業互聯網系統由生產部門、倉儲部門、加工部門、運輸部門、銷售部門、監管部門以及中心數據庫構成，模型如圖4所示。

圖4 傳統工業互聯網模型

2.2 方案模型架構

結合傳統工業互聯網模型，基于區塊鏈的工業互聯網數據溯源方案在其基礎上加入區塊鏈以及IPFS，采用數據采集層、數據存儲層、數據傳輸層和數據應用層等4層進行數據溯源，模型架構如圖5所示。

圖5 模型架構

1)數據采集層。工業產品信息由產品生產商、加工商、倉儲商、運輸商和銷售商等各個節點采集并上傳，配合監控設備、RFID標簽以及一些物聯網中間件等設備，對產品供應鏈各環節的信息進行采集，保證數據的真實性。

2)數據存儲層。工業產品信息(Industry Produce Information，IPI)存儲由超級賬本Hyperledger與IPFS組成。其中，Hyperledger存儲IPI的哈希值HIPI和哈希地址AIPI，IPFS存儲IPI。供應鏈參與節點P{P1,P2,…,Pn}在對應賬本中均有其特定身份標識，從源頭確保數據的不可抵賴性。

3)數據傳輸層。IPI通過網絡傳輸到計算機系統及IPFS中存儲。

4)數據應用層主要由消費者、企業和監管部門構成，實現對IPI監管和溯源。

2.3 工業互聯網數據溯源系統

工業互聯網數據溯源系統主要包含監管部門、供應鏈各參與方、IPFS和區塊鏈網絡等4個實體，如圖6所示。

圖6 工業互聯網數據溯源系統

1)監管部門負責供應鏈中各參與方P{P1,P2,…,Pn}首次進入區塊鏈時信息的注冊以及證書的頒發，信息注冊獲得用于識別身份信息的身份標識號和進行IPI加密的公私鑰對(KP,KS)，同時對工業產品信息的存儲和數據共享過程進行監督和管理。

2)供應鏈上各參與方P{P1,P2,…,Pn}，即工業互聯網數據的擁有者，主要包括生產部門、加工部門、倉儲部門、運輸部門和銷售部門。P{P1,P2,…,Pn}各自擁有一個賬本，負責將各自擁有的公開工業產品信息IPub直接上傳至IPFS，隱私工業產品信息IPri調用智能合約自動進行加密并將工業產品加密信息Enc(IPri)存儲在賬本中，P{P1,P2,…,Pn}也可對IPI進行溯源。

3)IPFS負責存儲工業產品信息IPI，生成IPI的HIPI和AIPI，并將其上傳至區塊鏈。

4)區塊鏈網絡負責存儲查詢節點的鍵值對(KP,K′)以及IPI的哈希值HIPI和哈希地址AIPI，其中，K′是由公鑰KP加密K生成。

P{P1,P2,…,Pn}在監管部門注冊后加入工業互聯網產品信息溯源鏈，IPFS將HIPI和AIPI上傳至區塊鏈中，當消費者進行IPI溯源時，向區塊鏈發送請求，即查詢公開工業產品信息IPub，區塊鏈返回公開的哈希值HPub和哈希地址APub，根據APub從IPFS下載進行查看，并根據HPub判斷IPub是否被篡改。當授權查看節點需要查詢隱私工業產品信息IPri時，向區塊鏈發送請求，區塊鏈返回加密的哈希值HE和哈希地址AE以及(KP,K′)，授權節點根據AE和(KP,K′)在IPFS中下載并解密Enc(IPri)。工業產品信息存儲和共享模型如圖7所示。

圖7 工業產品信息存儲和共享模型

3 方案實現

基于區塊鏈的工業互聯網數據溯源方案實現主要分為IPI信息采集和加密存儲過程、IPI生成和上傳存儲過程，以及IPI防偽和溯源查詢過程。通過物聯網設備實時采集信息，結合密碼學相關加密算法加密隱私數據，調用智能合約進行存儲，利用二維碼技術實現防偽，從而實現工業互聯網數據溯源。

3.1 IPI采集和加密存儲過程

3.1.1 采集過程

通過物聯網設備，結合RFID與二維碼技術，對IPI進行采集。在工業產品的生產、加工、倉儲、運輸和銷售過程均采用監控設備進行實時監控，利用自動化機械設備實時上傳產品信息獲取IPI，保證數據源頭的真實性。

將RFID信息采集系統安裝在工業產品供應鏈每個環節，通過13.56 MHz高頻的RFID實時采集供應鏈每個環節IPI，將采集到的IPI信息存儲在RFID內的電子碼編碼(Electronic Product Code，EPC)的射頻識別電子標簽中，并將EPC存儲的IPI上傳至計算機系統，再轉為二維碼形式存儲IPI，作為工業產品的唯一標識碼。工業產品信息二維碼生成過程如圖8所示。

圖8 二維碼生成過程

IPI分為公開工業產品信息IPub和隱私工業產品信息IPri。IPub主要包含工業產品溯源信息的公開信息，如生產方式、加工時間、倉儲時間、地點和質檢結果等，直接上傳至IPFS。IPri主要包含工業產品溯源鏈中的一些企業信息，如倉儲數量、加工成本、進貨價格和交易信息等。在工業產品隱私信息保護上，P{P1,P2,…,Pn}的IPri通過智能合約校驗后，采用高級加密標準(Advanced Encryption Standard，AES)加密算法隨機生成對稱密鑰K加密，并將Enc(IPri)上傳至IPFS中，由最優非對稱加密(RSA-Optimal Asymmetric Encryption Padding，RSA-OAEP)算法對K進行加密保證其安全性。IPri的查詢需要經過授權，通過查詢節點的公鑰KP加密K生成K′，KP和K′構成鍵值對(KP,K′)，并將其存入區塊鏈中。供應鏈IPI加密存儲的具體步驟如下。

步驟1生產部門通過自動化設備實時上傳工業產品零件的數據、加工設施和負責人簽名等IPub1至IPFS，將成本價格和生產方式等IPri1通過智能合約自動加密后上傳至IPFS。當倉儲部門查看IPri1時，智能合約隨機生成密鑰K1加密IPri1生成Enc(IPri1)，并采用倉儲部門的KP1作為RSA算法的公鑰加密K1生成K′1，即

步驟2加工部門將工業產品區塊號、加工過程的時間、方式、地點和負責人簽名等IPub2直接上傳至IPFS，將訂單價格、加工成本和商品成本等IPri2通過智能合約自動加密后上傳至IPFS。當運輸部門查看IPri2時，智能合約隨機生成密鑰K2加密生成Enc(IPri2)，并采用運輸部門的KP2作為RSA算法的公鑰加密K2生成K′2，即

步驟3倉儲部門對產品進行倉儲并標識RFID溯源碼，將產品區塊號、倉儲地點、時間、倉儲環境和負責人簽名等IPub3直接上傳至IPFS，將倉儲數量和剩余產品數量等IPri3通過智能合約自動加密后上傳至IPFS。當加工部門查看IPri3時，智能合約隨機生成密鑰K3加密生IPri3成Enc(IPri3)，并采用加工部門的KP3作為RSA算法的公鑰加密K3生成K′3，即

“借錢變貴了。”在某省一家新能源公司做財務的李英，明顯感覺到這幾年企業融資成本在上漲。“2016年以前，銀行貸款利率在基準利率上打九折，2017年還能打九五折，今年則回到基準利率。”

步驟4運輸部門將工業產品區塊號、運輸時間、運輸方式、裝卸信息和負責人簽名等IPub4直接上傳至IPFS，將運輸成本和物流客戶等IPri4通過智能合約自動加密后上傳至IPFS。當銷售部門查看IPri4時，智能合約隨機生成密鑰K4加密生成Enc(IPri4)，并采用銷售部門的KP4作為RSA算法的公鑰加密K4生成K′4，即

步驟5銷售部門將工業產品身份標識號(Identity Document,ID)、區塊號、產品名、銷售時間、銷售數量和負責人簽名等IPub5直接上傳至IPFS，將銷售價格和進貨價格等IPri5通過智能合約自動加密后上傳至IPFS。當生產部門查看IPri5時，智能合約隨機生成密鑰K5加密生成Enc(IPri5)，并采用生產部門的KP5作為RSA算法的公鑰加密K5生成K′5，即

IPI存儲形式如圖9所示。

圖9 IPI存儲形式

值得注意的是，上述IPrii(i=1,2,3,4,5)授權查看節點是按照供應鏈順序授權。實際上，任何授權查看節點均可以在其他節點授權后，通過智能合約獲取鍵值對(KPi,K′i)，通過KSi解密鍵值對查看IPrii，授權過程與上述一致，在此不再敘述。

3.2 IPI生成和上傳存儲過程

3.2.1 IPI生成過程

P{P1,P2,…,Pn}由自動化設備上傳IPI后，通過KSi對IPI進行簽名并生成HIPI，將其發送給監管部門，由監管部門進行審核，審核通過后進行上傳。

3.2.2 IPI上傳儲存過程

工業產品供應鏈中的P{P1,P2,…,Pn}將IPI上傳至IPFS。對于IPri處理時，IPFS先調用智能合約自動加密IPri生成Enc(IPri)，然后將Enc(IPri)存儲至IPFS中，最后將HIPI和AIPI上傳至區塊鏈中。IPI存儲流程如圖10所示。

圖10 IPI上傳存儲流程

3.3 IPI防偽過程

消費者購買產品后，掃描工業產品包裝上的二維碼進行溯源。消費者進行工業產品溯源時，首先要驗證二維碼是否被篡改，通過在客戶端查詢，使用手機端應用程序或小程序掃描產品的二維碼。若二維碼被多次掃描，則返回客戶端信息異常，正常則直接從IPFS中獲取IPub，通過哈希函數計算得到HPub′，當HPub=HPub′時，IPub未經篡改，否則，IPub被篡改。防偽流程如圖11所示。

圖11 消費者驗證二維碼產品信息流程

3.4 IPI溯源查詢過程

3.4.1 IPI查詢合約

當P{P1,P2,…,Pn}需要查看IPri時，向區塊鏈提出查詢節點請求，當驗證身份且符合查詢要求后，區塊鏈返回(KPi,K′i)、HE和AE，授權查詢節點Pi根據AE在IPFS中獲得Enc(IPri)，使用KSi解密鍵值中的K′得到原始K值，利用K值解密IPri查看，并計算所獲IPri的HE′，當HE≠HE′時，證明IPri未經篡改，否則，IPri被篡改。IPI查詢流程如圖12所示。

圖12 IPI查詢流程

3.4.2 溯源過程

溯源信息按照時間順序從工業產品的生產開始記錄一直到產品銷售給消費者，使產品信息正向記錄，逆向追溯。同時，產品在流通的過程中一旦發現存在產品質量問題，可以通過溯源信息追蹤流向、及時召回。當用戶查詢到IPI被篡改后，根據區塊鏈上生產、加工、倉儲、運輸和銷售環節的數據賬本，判斷是供應鏈哪一環節的IPI賬本被篡改，并及時向監管部門進行反應。

4 方案安全性及性能分析

4.1 安全性分析

4.1.1 不可篡改性和不可抵賴性

基于區塊鏈的工業互聯網數據溯源方案將IPI的HIPI和AIPI存儲于區塊鏈中，P{P1,P2,…,Pn}在IPFS獲得IPI后計算其哈希值HIPI′與區塊鏈上存儲的HIPI進行對比。當HIPI=HIPI′，證明IPI未被篡改，當HIPI≠HIPI′，證明IPI被篡改，從而保證了IPI的不可篡改性。同時，P{P1,P2,…,Pn}在IPI上傳前用自己的KSi進行簽名，保證IPI來自P{P1,P2,…,Pn}，數字簽名保證了不可抵賴性。

4.1.2 抗偽造性

假設攻擊者γ能夠通過某種手段得到IPri，當γ查看IPri時,首先要通過各P{P1,P2,…,Pn}的KSi解密K′獲得對稱密鑰K。然而，γ獲取P{P1,P2,…,Pn}的KSi幾乎是不可能的，即想要在沒有P{P1,P2,…,Pn}的KSi下解密Enc(IPri)是困難的。假設γ用Enc(IPri)′替換掉IPFS中存儲的Enc(IPri)，而Enc(IPri)在上傳至IPFS時需要將HE與IPFS中其他HE′對比。當HE≠HE′時，HE′無法覆蓋Enc(IPri)，從而保證了IPri的安全性。

4.1.3 機密性

該方案使用對稱加密算法對IPri加密，進行隱私信息的處理。為了確保對稱加密算法的安全性，保證K的安全性至關重要。而傳統的RSA算法存在著“小明文攻擊”，K容易被破解，因此，采用最優非對稱填充RSA-OAEP算法對密鑰K進行加密生成K′，以授權查看節點的公鑰KPi作為加密的公鑰，由KPi和K′組成鍵值對(KPi，K′)存放在區塊鏈中。對于IPri的共享上，只有經過授權后的節點才可以查看，當多個參與節點同時需要查詢IPri時，只需要多次調用智能合約即可，并不會影響已授權的節點查看IPri，從而保證了IPri的機密性。

4.2 性能分析

4.2.1 工業產品信息加解密

基于區塊鏈的工業互聯網數據溯源方案先使用AES加密IPri，再通過RSA-OAEP加密算法加密對稱密鑰K，利用兩次加密確保IPri的安全性。采用英特爾i5-8250U 1.60 GHz處理器、8 GB內存、Ubuntu 18.04.1搭配環境、64位系統與Python 3.8編譯器，對IPri進行加解密的仿真實驗。當IPri從2 048條到32 768條時，所提方案、文獻[4]方案和文獻[6]方案對IPri加解密時間對比如圖13所示，每次測試增量為2 048條信息。

圖13 3種方案不同數量IPri加解密時間對比

由圖13仿真結果可知，隨著IPri條數的增加，加解密的時間也隨之增加，對于32 768條IPri加解密，所提方案消耗的時間分別為1 156.28 s和1 221.04 s，時間消耗不超過15 min，優于文獻[4]方案和文獻[6]方案。這是因為，所提方案在數據溯源方面采取了AES-OAPE的加解密方式，相比文獻[4]算法所采取的屬性加密在加解密效率方面有所提高。同時，采取區塊鏈的去中心化技術，較文獻[6]方案對于云存儲數據溯源方面更加安全。

由此可見，所提方案對于產品供應鏈中的所有IPri，可以容納大規模產品正常生產時的信息，并及時將IPri上傳至IPFS。

4.2.2 吞吐量

在實驗環境為Inter? CoreTMi7-7700HQ CPU @280 GHz的CPU，RAM為8 GB的服務器上對IPri的吞吐量進行分析。固定時間內向IPFS上傳IPri數量如表3所示。可以看出，吞吐量能夠穩定在2 365條/s，因此，所提方案可以應對大規模產品供應鏈上產品信息的產生和存儲。

表3 上傳產品隱私信息數量

4.2.3 性能分析對比

分別對比文獻[4]方案、文獻[6]方案和所提方案的性能，結果如表4所示。

表4 各方案性能對比

從表4可以看出，所提方案相比于文獻[6]方案，在數據存儲方面采用去中心化的方式，安全性得到了較大的提升，加密速度較其他兩個方案也存在一定的優勢。同時，在資源消耗以及系統開銷方面，所提方案的算法優化較高，所消耗的資源較少。

5 結語

基于區塊鏈的工業互聯網數據溯源方案包含工業互聯網數據溯源全周期的各個模型。通過RFID中的閱讀器對產品生產、倉儲、加工、運輸和銷售全過程進行信息采集，存儲于電子標簽中并轉為二維碼，方便溯源。通過對稱加密算法對產品隱私信息進行加密，采用公鑰加密算法加密對稱密鑰后存儲于區塊鏈網絡中，調用智能合約實現信息存儲和共享，提高了信息存儲和共享效率，在IPFS存儲加密后的產品信息，節省了存儲產品信息開銷。安全性分析和性能分析表明，所提方案在計算資源消耗以及加解密速度方面較其他方案存在一定的優勢。同時，采取區塊鏈以鏈上鏈下的方式存儲數據，提高了產品信息的安全性和溯源過程的可靠性，且數據傳輸速率有所提升。