基于PBFT 算法的冷鏈物流運輸系統

孫佩茹，陳子君 （武漢科技大學 汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430065）

0 引 言

相比于普通型倉庫，冷庫倉儲的投資成本更高且管理更復雜。冷鏈物流具有高投資、高成本、復雜性等特點，使冷鏈物流運輸存在以下難題。

首先，由于冷鏈物流運輸供應鏈環節眾多，導致各節點之間信息流通不順暢，連接節點之間存在信息孤島的問題。其次，冷鏈運輸鏈較為復雜，系統組織程度低、運行效率不高，對用戶私人信息的保護力度較弱，尋在信息泄漏的問題。此外，物流運輸鏈各節點之間利益不對稱，也降低了終端消費者對物流的信任度。

平臺網絡化的建立需要解決大量數據存儲和管理的問題，運輸鏈的信息壁壘情況在節點處發生較多，需要引入新技術來實現物流運輸鏈模型的優化。考慮到冷鏈物流的前期投入成本較高導致其對運輸過程中的車輛和倉儲有特殊要求，難以形成較大規模的冷鏈物流網絡，故而需要高水平的信息技術提供支撐，以提高物流數據管理的效率，解決節點端資源信息不對稱的問題。本文將PBFT算法引入傳統冷鏈運輸網絡，通過設計運輸鏈優化模型來提高數據間共識效率，并帶動整個運輸網絡的效率提高，對冷鏈運輸效率的提高具有重要意義。

1 基于PBFT 算法的冷鏈物流運輸模式

1.1 冷鏈運輸追溯問題

冷鏈物流作為日常食品的主要供應鏈之一，其質量安全溯源受到了公眾的廣泛關注。冷鏈物流信息溯源是對冷鏈產品從生產到銷售的完整產業運輸鏈的所有數據進行監管，但現有的溯源管理手段大多為集中管理，把數據信息存儲進中央數據庫，由于數據信息龐大，難以從中發現異常數據或被篡改的數據。集中式管理數據的溯源系統無法保證數據的真實性，也無法滿足用戶對冷鏈物流信息溯源的需求。

研究[1]發現區塊鏈技術具有去中心化、不可篡改、可追溯等特性。為提高數據傳輸的安全性，譚海波等[2]利用區塊鏈相關技術，提出了一種去中心化的數據保護和共享方式，有利于網絡數據存儲模式的轉型。在運輸網絡中數據共享和達成共識是一痛點問題，需要耗費大量成本，薛騰飛等[3]提出了一個基于區塊鏈的醫療數據共享模型，該模型適用于解決各醫療機構之間數據共享的問題，并采取改進后的共識機制完成了數據共享。

區塊鏈中采用去中心化的共識算法可以保證信任問題，在運輸過程中產生的所有溯源數據均可通過物聯網設備或人工錄入的方式完成信息上鏈，信息上鏈一旦完成便無法修改，有效切斷了數據被篡改的可能性，終端消費者只需通過溯源碼查詢即可獲取冷鏈物流溯源數據，很大程度上解決了消費者對數據不信任的問題。

1.2 PBFT 算法

實用拜占庭容錯機制（PBFT）[4]是一種廣泛應用于區塊鏈的共識機制，是一種狀態機副本復制算法[5]，即基于投票的算法。其核心理論是n≥3f+1，其中，n是系統的總節點數，f是允許出現故障的節點數，從PBFT算法的核心理論可以看出，PBFT系統至少需要4個參與節點，其中一個被選為主要節點，其余為次要節點。系統對信息的處理首先從次要節點對信息進行分析處理得出結論，再轉由主要節點進行分析判斷，反饋最終信息，并默認在整個系統中認可這條信息。PBFT算法的具體共識流程如圖1所示[6]。

圖1 PBFT 共識算法流程

PBFT的提出使拜占庭的容錯共識性能大幅提高，其具體工作流程如下。

1.2.1 請求階段

終端消費者向主節點發送n條請求消息。

1.2.2 預準備階段

主節點發送（n-1）條消息，副節點接收并發送（n-1）×（n-1）條消息，并進行廣播預準備消息。

1.2.3 準備階段

主節點發布的預準備消息被集群節點接收后進行自主核驗，若查驗后表示同意則立刻轉入準備階段等待其余節點的核驗。當在集群內收到2f+1個從節點發布的完成預準備消息的核驗并同意進入準備階段時，即表示準備階段已經完成。

1.2.4 確認階段

節點i需要檢查接收包括自身在內的2f+1個消息，當確認消息與預準備消息一致時表示此階段已完成。

1.2.5 回復階段

當節點結束上一階段時，需要向終端發送反饋回復消息，確認終端收到f+1個反饋信息時，即表示發出的請求已經成功達成了共識。

PBFT算法在初始化時所有節點需要同步視圖，即保證全部節點處于同一狀態，初始視圖編號從0開始。當所有節點視圖全部完成后，從中選取主節點P，按照以下公式選取。

式中：v為視圖編號，n為節點數。

2 共識機制優化

PBFT共識算法中的視圖轉換協議指的是當發現主節點錯誤時，通過積分機制根據當前階段的節點積分選擇新的主節點，以提高共識效率。但由圖1可知，PBFT算法需要通過三階段協議才能達成共識，每個階段都將產生大量消息，系統存儲空間負荷度較高，若不及時對信息進行回收清理，系統存儲空間將難以承擔高強度工作。現有的PBFT算法中已設計了垃圾回收機制來處理無用信息，其執行方式為周期性循環，目的是保證系統的正常運轉和網絡安全。但在實際應用中，周期性循環回收會耗費大量網絡資源，在此基礎上改進PBFT算法，在現有的垃圾回收機制的基礎上增加動態刪減和積分重分配功能，當節點積分大于所設定的閾值時，運行垃圾回收機制，并刪除所有參與共識的節點信息，同時清除該部分節點積分重新賦值，達到共識節點動態刪減的目的。

2.1 基于PBFT 算法的冷鏈運輸網絡的優化

通過分析上述研究背景可以看出，冷鏈物流運輸的復雜性和風險性較高，為了降低或避免風險，簡化運輸網絡，降低運輸過程中的損耗和成本損失，本文將PBFT算法引入冷鏈物流，對冷鏈物流運輸網絡進行合理的優化與完善。

冷鏈運輸以冷凍工藝為基礎、制冷技術為手段，保證物品運輸整個過程始終在規定的溫度環境下保存，以保證物品的質量。物流運輸網絡結構是包含不同起點終點、不同路線和不同交通形式的復雜鏈式結構。本文將物流運輸網絡定義為公式（2），包括區間距離、費用和運行時間。

式中：V為網絡中的節點數，E為網絡中的邊，W為網絡中邊上的權重。

運輸網絡是由相互連接的節點和弧段組成的系統結構，其中弧包括方向和權值，權值可以表示時間、運費、流量、距離等。利用網絡權值之間的關系可以采用最小費用、最大流等運算方法優化設計出距離最短、用時最少、費用最低、流量最大的路線。

2.2 基于PBFT 的冷鏈運輸網絡優化的模型

利用PBFT對冷鏈運輸網絡進行優化的主要目的是提高網絡運輸效率，確保在多節點網絡中提高共識完成率。將各個配送節點之間的網絡鏈接轉化為圖論。現提出以下三種模型。

獨立模型：該模型中每個節點之間的節點和線路相互獨立、互不影響，只要節點和網絡當中有一個可以正常運行，該網絡就可以順利進行運輸。其優化模型存在一條從起點到終點的完整線路。

半獨立模型：該模型中每個節點和線路不完全獨立，節點和線路之間存在聯系，任意節點和線路在任意時刻都處于模型中的某種狀態，但是不同狀態下其工作能力不同。其優化模型兩節點間存在一條滿足約束的連通線路。

非獨立模型：在此模型中，網絡中的節點和線路相互聯系，具有較高的相關性，不能獨立存在，該優化模型存在一條相互連通的路線。

3 基于PBFT 的冷鏈物流運輸優化的驗證

3.1 模型分析和設計

本研究基于上述三種分析模型，引入PBFT算法計算每個網絡中的最優解，即選擇完成共識次數最多、路線最短、用時最少、費用最低、流量最大的路線，并將該路線與傳統路線作比較。

本優化模型的主要結構如下。

簡化網絡：首先將復雜的運輸網絡轉化為圖論，將約束條件轉化為弧段上的權值；

算法計算：運用PBFT算法計算并完成共識，改變網絡節點數分析完成共識的次數變化；

分析比較：對傳統型網絡完成共識與引入PBFT算法的網絡完成共識的數據進行對比分析，比較兩者在不同節點數的情況下達成共識的效率。

3.2 模型主要技術仿真測試

冷鏈物流運輸鏈追溯系統面向企業用戶和廣大消費者，為了確保系統能夠穩定運行，需要對系統的主要技術進行全面測試，以檢查軟件系統的性能和需求功能是否滿足了指定要求，并將該模型與傳統運輸鏈在有效性、適用性、節能性等方面進行對比。

共識有效完成率是指簡化網絡后，對網絡發出共識機制的請求，當整個網絡達成共識時則表示該舉動完成，研究中用完成次數代表完成率。本實驗將PBFT算法和傳統算法在共識有效完成次數上進行仿真對比分析，使用MATLAB R2017a軟件進行實驗仿真，分別模擬節點數為4、6、8、10等多組的情況，實驗條件為系統中無故障節點，每種情況下傳輸的數據大小一致。

仿真結果如圖2所示，可看出隨著節點數的不斷增加，PBFT和Tradition的有效完成次數呈明顯下降趨勢，但PBFT的有效完成次數總高于Tradition的有效完成次數，故將PBFT共識算法引入冷鏈物流中與傳統的運輸鏈共識機制相比可以大大提高其效率。

圖2 共識有效完成次數

4 結 論

研究通過對基于區塊鏈的冷鏈物流系統方案進行研究設計，在一定程度上解決了我國冷鏈物流規模較小且難以擴張的痛點問題。區塊鏈網絡中的各個節點具有去中心化、加密、防篡改等特點，與智能物流運輸系統多節點、網絡化的特點相適應，故考慮將區塊鏈技術應用到復雜性較高的冷鏈物流系統中。本文主要通過查閱相關文獻分析傳統冷鏈物流運輸中存在的問題，將區塊鏈技術引入追溯系統。設計并實現了基于區塊鏈技術的冷鏈物流運輸追溯模型，并對模型的主要技術進行仿真模擬。研究的主要工作意義有以下幾點。

有利于提高冷鏈共識的完成效率，減少運輸過程中的成本損耗，并利用區塊鏈相關技術平衡各節點間數據的不對稱性；

有利于后續終端消費者追溯冷鏈貨品的進度，利用PBFT算法使整個運輸網絡擁有平等信息；

有利于加快區塊鏈相關技術在不同領域的應用和推廣，區塊鏈技術仍處于研究和發展階段，將PBFT算法引入冷鏈行業是對推廣區塊鏈應用的一項重大幫助。

研究只選取了區域性的部分節點作為參考進行研究，后續將擴大研究的區域面，將更多節點加入網絡中，盡可能地保障物流運輸鏈追溯的完整性；另外，可以研究設計更高效簡易的算法來提高多節點動態性物流運輸鏈的追溯效率。