基于區塊鏈技術的產品標準鏈架構研究

江 濤，邢恩博，覃瓊霞，添 夢

（1.中國計量大學經濟與管理學院，浙江杭州 310018；2.浙江理工大學經濟管理學院，浙江杭州 310018)

1 研究背景

標準是產業鏈實現高效生產和分工協作的基石。隨著企業間合作范圍擴大，產品標準不斷增多，產品標準建設與標準匹配問題不斷涌現。傳統產業鏈上的產品標準通過談判、合同或中介的方式向上下游企業傳遞，出現了傳遞效率慢、監管不到位或人為失誤等因素導致的標準信息失真、惡意篡改標準信息、標準不協調等問題。上述問題的出現會導致全鏈產品生產受阻，進而削弱了產品標準在全產業鏈轉型升級中的重要價值［1］。因此，完善與創新產品標準體系建設已成為新時代推進產業鏈轉型升級的重要內容。

Nakamoto［2］在2008年首次提出“比特幣”的概念，構建了一種不需要通過第三方金融機構，采用點對點方式直接將電子現金從一方給到另一方的方法，即一種去中心化的交易方法。這種交易方式建立在區塊鏈的技術基礎之上，區塊鏈技術可以實現數據在交易的過程中公開透明，具體到企業標準領域，區塊鏈技術可以在整個供應鏈的生產階段形成一條完整的標準信息流，確保參與生產的供應鏈中各方可以及時發現產品標準存在的問題，并找到針對性的解決辦法。區塊鏈是提升標準鏈完備性和有效性的創新型方法，具有中心化、不可篡改、集體維護、智能合約等特點，對于完善產品生產標準體系、提高產品標準化水平具有重要意義。因此，本研究抓住產品標準體系建設中信息不對稱、標準錯位和標準體系不完備等典型缺陷，利用區塊鏈技術在數據不可篡改性、分布式存儲、自動網絡共識和智能合約等方面的技術優勢構建基于區塊鏈技術的產品標準鏈邏輯架構，實現去中心化標準信息鏈與中心化監管的標準鏈創新機制，建立了標準鏈主鏈與企業側鏈相結合的標準信息傳遞系統。相應地設計了區塊鏈底層架構中的數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層，每層的內容與標準信息業務對應。這將對于企業之間進行快速的標準匹配、實現對于標準信息的實時訪問和完善產品標準體系建設做出邊際貢獻。

2 相關研究評述與研究評論

2.1 產品標準鏈

標準鏈建設是提高供應鏈運作效率的重要內容。尋找一種提升標準鏈完備性和有效性的創新型方法是當前產業鏈升級的迫切要求。然而，目前針對產品標準鏈建設的研究依然停留在標準體系建設模式與標準協調等方面，相關產品標準鏈的系統性研究較為缺乏。毛豐付［3］認為，中國作為世界上最大的發展中國家，從貿易和加工大國向產業大國發展時無法繞開產業標準的發展問題。部分研究人員對產業標準展開研究，瞿羽揚等［4］從技術標準生命周期視角出發，運用成長曲線定量化地描述了3G、4G及5G 技術標準生命周期的具體特征，探究移動通信產業技術標準的演化路徑。在標準體系建設模式方面，Vlasov 等［5］以國家標準與國際標準協調為例剖析了自上而下標準體系建設模式的效率問題；添夢等［6］的研究發現歐美國家積極采用標準化聯盟模式來推進標準化，這為我國產品標準化體系建設提供了思路。事實上，不管是標準體系建設模式還是標準協調問題，本質上可以通過標準鏈系統統一起來，以解決多主體間的標準協調、匹配以及體系建設問題。區塊鏈技術正是構建標準鏈系統架構的有效方法。

2.2 區塊鏈的應用

近年來，區塊鏈已成為計算機行業廣泛應用的一項技術，區塊鏈通過去中心化的特點解決了傳統信息傳遞形式下中心化機構所具有的弊病，并促使了加密數字貨幣的誕生。區塊鏈去中心化、可溯源和不可篡改等特性可以很好地用于解決供應鏈中的標準設置與修改的問題，減少企業間由于信息不對稱帶來的相關糾紛與摩擦。目前區塊鏈的應用主要集中在金融、醫療、數據管理等方面。在金融領域，比特幣、萊特幣、以太坊等數字貨幣都建立在區塊鏈技術之上，區塊鏈是各類數字貨幣的底層技術，Urquhart［7］檢驗了比特幣的市場效率。朱建明等［8］針對環球銀行金融電信協會系統安全系數低、運行維護成本較高等劣勢，提出了基于許可鏈的SWIFT系統架構，為保障跨境支付、清算的安全與效率提供新思路。在醫療健康方面，薛騰飛等［9］提出了一種基于區塊鏈的醫療數據共享模型。建立醫療機構聯盟服務器群和審計聯盟服務器群相結合的醫療區塊鏈系統MDSM，這種方法仍然存在效率低、實施困難的問題。為此，張超等［10］建立了一種基于實用拜占庭容錯算法的聯盟式醫療區塊鏈系統，解決MDSM 系統中存在的問題。Tanwar 等［11］設計了一種基于區塊鏈技術的電子醫療記錄系統，用于提高醫療數據的可訪問性。在數據管理方面，魏銀珍等［12］提出了一種基于區塊鏈的數據安全溯源方法。區塊鏈的應用已經滲透到了生活的各行各業中，但企業標準鏈是區塊鏈在數據管理領域的一個全新的應用領域。在為數不多的研究中，Allison 等［13］分析了區塊鏈在推進建筑產業和建筑產品中的標準一致性和協調性的重要作用。張輝等［14］認為區塊鏈所擁有的自動網絡共識和智能合約機制還能高效地實現區塊鏈和標準鏈的兩鏈融合。總體而言，區塊鏈應用研究具有廣闊的前景，但是將區塊鏈技術應用于標準鏈的研究依然缺乏。

2.3 研究評論

有關產品標準體系建設與產業鏈升級的研究為本文提供了相關的理論基礎，但在產品標準融入產業鏈以及區塊鏈在標準建設中的應用研究依然缺乏。就產品標準鏈而言，其本身是一個包含多主體的復雜系統，運用區塊鏈技術構建一個創新型的產品標準鏈系統以解決多主體間的標準制定、修改、溯源、匹配中的信息不對稱問題，提高標準實踐效率，理應是一個可行的選擇。

3 基于區塊鏈技術的產品標準鏈

3.1 區塊鏈技術

區塊鏈技術是利用加密鏈式區塊結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新數據、利用自動化腳本代碼(智能合約)來編程和操作數據的一種全新的去中心化基礎架構與分布式計算范式［15］，具有去中心化、不可篡改、集體維護等優勢。區塊鏈中的密碼技術有加解密算法、Hash算法、Merkle 樹、數字簽名等，眾多技術結合構成了區塊鏈技術的可溯源性，任何操作者都不可隨意更改已經上鏈的內容。建立在區塊鏈技術之上的以太坊是一個開源的區塊鏈智能合約開發平臺，提供區塊鏈應用開發服務。

區塊鏈分為公有鏈、私有鏈、聯盟鏈。公有鏈完全對公眾開放，不存在身份認證的限制，其中比特幣和萊特幣就是典型的公有鏈；私有鏈是指不對公眾開放，僅僅在一個實體內部使用的系統，例如企業的財務系統、高校的教務系統等；聯盟鏈是介于公有鏈與私有鏈之間的一種系統，被使用于多個實體之間，加入需要身份認證的限制。

3.2 標準鏈模型

標準鏈是區塊鏈在企業標準領域創新型的應用。由于在標準制定、修改、溯源、匹配中存在信息不對稱和效率低下等問題，而基于區塊鏈的標準鏈系統可以有效解決上述問題。為此本文設計了基于區塊鏈技術的產品標準鏈模型。不妨假設一個產品生產鏈上由零部件到成品的生產一共需要三級生產商構成，生產商之間通過標準進行匹配，相應的產品標準鏈結構如圖1 所示。

圖1 不同級生產商標準匹配流程

標準鏈模型結構如圖2 所示。在簽訂合同時企業將標準庫中的標準在標準鏈上通過智能合約自動匹配，若和另一家企業標準庫中的標準匹配成功，則該企業成為潛在的簽訂合同企業，企業可以在匹配成功的數家企業中進行談判以簽訂合同。新標準通過認證后，通過選舉出的代理節點將新標準加入標準鏈中。標準鏈引入中心化的監管模式，由國家知識產權部門對加入標準鏈中的各節點企業進行行為監督，國家知識產權部門建立一條私有監管鏈，實現對國家知識產權內部的節點進行自監督，進一步保證標準鏈中的數據安全。每個企業建立自己的私有鏈，建設企業內部標準庫，同時讓一個節點加入聯盟鏈主鏈，實現與主鏈中其他企業節點的信息交互，即每個企業內部的系統由企業內部各部門組成，主鏈為聯盟鏈，內部系統為私有鏈，一般標準化部門作為接口連接到標準鏈主鏈上，作為信息交互的載體。

圖2 標準鏈模型結構

4 產品標準鏈技術架構

基于區塊鏈的基本技術架構，標準鏈信息平臺也由數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層構成，具體如圖3 所示。數據層是區塊鏈的底層，將數據提取摘要保存在區塊鏈中，數據保存在底層數據庫，例如Mysql 和Oracle 等。網絡層包括區塊鏈的傳播與驗證機制，由于區塊鏈的點對點性質，數據在節點間傳輸，即使某些節點網絡被破壞也不會對其他部分造成影響。共識層與合約層方面，標準鏈模型采用委托權益證明(DPOS)共識算法，采用信譽積分(R)作為獎勵機制，并使用智能合約進行標準鏈上的業務。應用層通過幾種不同的客戶端對區塊鏈進行管理、操作與維護。本節是對區塊鏈技術架構的具體介紹。

圖3 產品標準鏈信息平臺技術架構

4.1 數據層

（1）區塊結構。數據層是區塊鏈的基礎層，在標準鏈中的功能是進行產品生產流程中的各零部件標準的錄入、修改與刪除等功能，數據層的技術可以保證標準數據的不可篡改性。比特幣中應用的區塊鏈技術用來儲存交易信息，本質上是一個分布式賬本。在產品標準鏈中，產品標準的數據摘要儲存在區塊鏈上，區塊鏈在這里就是一個分布式數據庫，交易信息儲存產品標準的數據摘要。產品標準鏈由區塊和產品標準兩部分構成，區塊具體構成如圖4所示。

區塊頭保存前一個區塊的Hash 值、時間戳、版本號、Merkle 根Hash 值等信息，需要進行數字簽名，保證數據的完整性。Hash 算法是指通過輸入消息，經過一系列不可逆的運算求出數字摘要來保證數據完整性的一種算法，同樣的明文在經過Hash 算法計算后得到的數字摘要一定是相同的。如果數據被篡改，經Hash 算法求得的數字摘要一定不一致。通過對數據進行Hash 算法求出數字摘要并與原始數字摘要進行對比就可以判斷數據是否被篡改。

區塊體保存Merkle 樹結構。Merkle 樹是區塊鏈中保證數據完整性的重要手段，每一個區塊中都存在一個Merkle 結構，區塊鏈中的Merkle 樹結構如圖4 所示。Merkle 樹通過對底層事務兩兩結對計算其Hash 值，然后再繼續將計算出的Hash 值兩兩結對計算Hash 值，以此類推最后生成的Hash 值就為區塊鏈的Merkle 根Hash 值。其作用為：一旦數據被篡改，我們不僅可以判斷出數據已經被篡改過，還可以通過Merkle 樹中的Hash 值定位到被篡改的數據。

圖4 區塊結構

標準單是儲存標準數據摘要的載體，標準單中包括該標準的標準ID、標準單類型、時間戳和公鑰等。標準單的生成者對標準單ID 簽名，標準單類型包括增加、刪除、修改和查詢，標準單ID 為對標準內容、時間戳和公鑰進行Hash 運算得出的結果，與生成者對標準單ID 簽名一起保證數據不被篡改。產品標準包括產品的適用范圍、產品的品種、規格和結構形式、產品的技術要求、產品的試驗方法、產品的檢驗規則(驗收規則)、產品的標志、包裝、貯存和運輸等，具體的形式可能是文字和視頻等。企業只需將標準進行比對后加入自己的標準庫，同時負責自身標準庫的維護。

傳統的數據信息傳遞方式依靠一個參與信息傳遞各方都高度信任的第三方機構，若使用第三方中介機構管理標準，第三方機構可以篡改數據，不便于監管。如果把數據集中在一個地方儲存，那么很容易遭受不法分子的攻擊。相較傳統的標準傳遞方式，產品標準鏈可以更好地實現標準傳遞的過程。區塊鏈中的每個節點只儲存標準的數據摘要，系統中包含一定數量的全節點，標準的具體信息統一儲存在全節點的服務器中，這些全節點往往由國家知識產權部門管理維護。當企業需要使用某一標準與其他企業簽訂合同時，只需在產品標準鏈中進行標準匹配，另一家企業收到后可以自行檢驗標準的數字簽名判斷標準是否被篡改。

（2）標準單內容。標準單中儲存的內容是標準鏈的核心業務內容，包括企業信息、標準信息、監管機構信息、雙方簽訂合同標準內容和各節點的信息等。每條標準單相當于一張表，里面儲存若干條數據，標準單中所包含的內容主要由以下幾部分組成：

1）標準主體信息：主要用于記錄標準鏈中企業與監管機構的具體信息，具體包括企業所在地址、企業法人、企業聯系方式和企業信用評級（根據企業在區塊鏈中的信譽積分確定）以及每家企業或監管機構所擁有的公鑰信息等。對于一些不公開的信息，例如處罰了某一企業的監管機構節點，監管機構的操作會使用非對稱加密技術儲存到區塊鏈中，但公鑰信息不被加密，監管機構可以自己查看自己進行的操作或者在企業上訴時授權給高級別部門查看自己的操作來核實對企業的處罰信息是否真實可靠。

2）標準具體信息：此部分信息是標準鏈中最核心的部分，儲存了所有通過認證的標準，主鏈標準單儲存標準經過Hash 運算后得到的數字摘要，標準的具體信息保存在由國家部門維護的全節點數據庫中，這樣減少了企業的區塊鏈節點數據存儲負擔，加強企業參與建設的積極性。全節點中的標準不進行加密，可以供所有需要的企業查詢，企業所擁有的私有鏈可以根據需要選擇對自己標準庫中的標準進行加密，此時企業的公鑰與數字簽名也保存在標準單上，方便企業內部進行查詢。如果某企業篡改了標準內容，標準的數字摘要會發生變化，與儲存在標準單上的Hash 值不符，進而根據Merkle 樹找到被篡改數據的位置，并且可以通過數字簽名找到進行操作的企業，從而保證了數據的不可篡改和操作可溯源。

3）操作與合同信息：操作信息主要用于記錄用戶對于區塊鏈上數據進行了何種操作，操作時間以及操作前后的變化。對于企業私有鏈，企業在標準庫中增加或修改標準后，生成新的區塊會標注相應的操作類型。若標準單標注的操作類型為修改，并且為某工作人員惡意修改，可以在區塊鏈上找到操作前的標準ID、操作后的標準ID、修改時間以及修改人員，增加了企業內部人員進行惡意操作的風險，有利于減少惡意操作。對于公有鏈，當企業進行標準匹配后，標準單同樣可以保存兩企業匹配的操作記錄，并且在合同簽訂后保存兩者的合同內容的Hash 值，提高交易效率并防止抵賴行為的出現。

4.2 共識層與激勵層

常見的區塊鏈共識機制包括工作量證明機制(proof of work，POW)［16］，權 益 證 明 機 制(proof of stake，POS)［17］，拜占庭容錯機制(practical Byzantine fault tolerance)等［18］。由于POW 需要消耗大量算力來維持區塊鏈的運行，POS 的安全性還需要進一步檢驗，PBFT 不能實現節點的動態加入與退出，因此本文采用引入信譽積分的DPOS 作為標準鏈的共識算法。信譽積分可以增加節點投票的積極性并且將剔除惡意節點變得可實現，在DPOS 算法中，區塊鏈代理人負責打包區塊、維持系統的運轉并可以根據工作量獲得相應的獎勵。代理人個數由區塊鏈項目決定，通常是101 個代理人，任何一個持幣用戶都可以投票或競選代理人。用戶可以隨時投票、撤票，每個用戶投票的權重根據用戶持有的股份決定。投票和撤票可以隨時進行，在每一輪選舉結束后，得票率最高的n個用戶則成為該項目的代理人（n由區塊鏈項目決定）。

本文進一步采用信譽積分的DPOS 共識機制來激勵企業積極參與標準鏈上的標準匹配、代理人選舉生成區塊等事項。在節點中投票選取一定數量的代理人，代理人負責進行區塊的打包。激勵層引入信譽積分制，各類節點共同競爭代理人，成功打包區塊會有相應信譽積分(R)的獎勵，為節點通過打包區塊所獲信譽積分、為節點投票所獲信譽積分。當節點為惡意節點或故障，沒有成功打包區塊時將會被扣除信譽積分。信譽積分高的節點，說明在區塊鏈的維護中表現良好，投票節點可以根據信譽積分對節點投票。

產品標準鏈節點包括管理節點m、投票節點v、代理人節點i、候選代理人節點j。

（1）管理節點m：管理節點為國家知識產權部門，負責監督標準鏈上的各節點的行為，擁有節點退出標準鏈的一票否決權，主要負責標準鏈上行為監督。

（2）投票節點v：投票節點為企業參與標準鏈的各部門節點，可以查看企業標準庫與匹配到企業的標準，并且擁有投票選舉代理人節點的權限，負責區塊的驗證與轉發。當投票節點給成功塊的節點投贊成票或給惡意節點或故障節點投反對票時都會獲得相應信譽積分獎勵，α為區塊打包的獎勵系數，β和γ分別為投票的獎勵系數和懲罰系數（α＞γ＞β），向惡意節點投票獲得的懲罰大于獎勵，增加了節點競爭代理人的積極性同時增加了節點惡意投票的成本，減少惡意投票次數，一旦信譽積分降為0，節點將會被剔除。

（3）代理人節點i：投票節點為企業的標準化部門，由投票節點選舉出得票前10%的節點擔任，負責產生區塊。如果在任職過程中按規定產生區塊，將得到α信譽積分的獎勵；如果在任職過程中發生故障，則信譽積分降低至原有積分的一半；如果任職過程中存在惡意行為，那么下一輪投票中該節點將會被直接剔除。

（4）候選代理人節點：候選代理人節點為企業的標準化部門，由投票節點選舉出得票10%～20%的節點擔任，如果上一輪投票過程中代理人節點被剔除，則將由候選代理人節點來替代這個位置。

系統運行后企業的信譽積分將會作為企業評級的依據，IEEE SA 標準獎和ISO 標準獎等獎項可根據信譽積分的高低進行評選，也可以直接作為中國標準創新貢獻獎和各省級標準創新貢獻獎的評選依據。信譽積分的發放受全鏈節點監督，不僅為標準類獎項評選提供參考標準，還有利于保證參評單位的競爭公平公正，讓更多中小企業也有機會參與到產品標準體系建設中。

4.3 合約層

合約層包括智能合約腳本、智能合約算法機制和智能合約模板。企業之間達成協議，將合約內容代碼封裝在系統中，在一定條件下自動觸發，也可以在一定條件下自動解約。這種不需要人為控制的合約系統大大節省了人力物力，避免了人為錄入數據錯誤引起的標準沖突，提高了標準的處理效率。一些適合在標準領域應用的智能合約見表1 所示。

表1 產品標準鏈智能合約

4.4 應用層

應用層是供應鏈中各企業進行標準信息交互的媒介。供應鏈中各企業可以通過產品標準鏈系統及時查看產品最新生產標準，省去了傳統生產過程中使用紙質合同傳遞生產標準的步驟，在一定程度上避免了標準不協調為企業帶來的標準沖突，提高了生產效率與產品質量。

參與到產品標準鏈建設中的主要有兩類客戶端，它們分別是管理客戶端和普通客戶端。管理部門和企業分別使用各自的客戶端進行操作，具體操作流程圖如圖5 所示。

圖5 客戶端操作流程

（1）管理客戶端：管理客戶端由國家知識產權部門和國家標準委員會使用。管理客戶端擁有標準鏈上的最高權限，可以對標準鏈主鏈上的標準進行增、刪、改、查操作。在建設標準鏈過程中，若企業上傳了標準鏈中沒有的標準，則國家知識產權部門通過主管理客戶端對該標準進行認證，若通過認證則將該標準增加入鏈，供企業簽訂合同時使用，提高了新標準認定的處理效率。當某種標準被淘汰時，主管理客戶端可以刪除或修改該標準。企業在鏈上的行為可以隨時被管理客戶端查看，根據區塊鏈的特點，當標準發生增刪改查等操作時，可以根據發生的操作追溯到進行操作的節點，將惡意節點剔除標準鏈，保證數據安全。

（2）普通客戶端：普通客戶端由企業使用。在簽訂合同時，企業分為甲方企業與乙方企業，甲方需要生產某種產品時，將該產品所需標準上傳至普通客戶端中，在代理人節點驗證成功后，通過智能合約自動匹配出標準庫中擁有該標準的乙方企業。若有多個企業同時具備甲方需要的標準，則這些企業共同作為甲方簽訂合同的潛在企業，供甲方選擇。匹配成功后雙方可以直接在標準鏈系統中完成標準互認，標準合同簽訂等操作。節省了傳統的標準互認的過程，在一定程度上提高了交易效率，第三方監管機構也保證了交易的公平公正。

5 結論

隨著我國全產業鏈轉型升級的深化，企業對產品標準體系的要求不斷提高，產品標準繁多、參與生產供應鏈地理位置分散和信息傳遞時間長等特點要求企業之間必須進行相互信任的高效率信息交互過程。本文針對產品標準鏈信息不協調、傳遞效率慢和監管不到位等問題，結合了區塊鏈技術優化了傳統標準信息的傳遞模式，創新性地提出了基于區塊鏈的產品標準鏈創新機制，并對標準鏈的底層架構進行設計。基于區塊鏈技術的標準鏈系統將企業、國家知識產權局與國家標準化委員會利用區塊鏈有效串聯在一起，利用側鏈（企業私有鏈）降低主聯盟鏈的數據負擔，保證主聯盟鏈運作的穩定性，并設計了主鏈中的中心化監管模式，保證企業交易公開透明與不可抵賴。標準數據的增加、刪除以及簽訂合同等操作均可回溯流程，可方便政府機關在系統中進行監管，為進一步完善產品標準體系建設做出貢獻。

相較于傳統的標準信息共享模式，本研究提出的基于區塊鏈的標準信息共享機制允許企業之間公開透明地共享信息，具有很強的時效性與安全性。然而，本研究仍處于以聯盟鏈為核心的區塊鏈底層架構的搭建階段，標準鏈的并行共識驗證設計、去中心化智能合約的研究以及標準鏈的微鏈仿真等工作都需要后續研究不斷開展。區塊鏈在標準領域的應用仍然面對一定的挑戰，如可能存在小企業入鏈積極性不高、區塊鏈開發成本較大等問題。未來研究可探索區塊鏈技術在標準領域的具體應用，以提升產品標準鏈實施效率為目的，提出具有可復制、可推廣的產品標準鏈創新機制實施方案和政策建議。