论文研究-基于云计算的物流区块链共识算法研究.pdf

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为解决物流企业供应链的商流、物流、资金流、信息流、服务流等信息的不可篡改性、物品可溯源性、公证防伪不可抵赖性、资金的安全性等日益迫切的问题,提出了基于云计算的物流区块链模型及区块链共识算法。分析传统物流交易流程及其交易模型存在的问题,提出利用云计算与区块链解决其存在不足的思路;根据云计算与区块链的技术特点,融合各自的优势,给出物流区块链和云物流区块链的定义,提出基于云计算的物流区块链模型。根据实用拜占庭共识算法的基本原理和云物流区块链模型,结合去中心化和不可抵赖性的要求,对物流区块链共识算法进行设计,并与原始实用拜占庭共识算法、优化MinBFT算法进行分析比较。该算法与PBFT、MinBFT、
周杰,李文敬:基于云计算的物流区块链共识算法研究 有交易信息及对应交易者信息都会被记录,传递路线也 定义《云物流区块链通过证书传递以达成虚拟节 会被完整记录,数据信息都无法被摧毁或篡改,不仅保点U共识过程。证书消息 Message格式为, 证了数据信息的准确性,也方便对每笔交易进行追溯 Message=(rEPly, b, v, i) 对提高父易监管效率和质量有很大帮助。云计算的虚其中代FPY为消息类型,根据证书类型不同b可能 拟化节点存储技术给网络稳定性和大规模高运算能力为区块或区块哈希,可代表视图 编号,i代表节点 提供了有力保障。 编号 物流区块链和云物流区块链 云计算的物流区块链模型设计 综合物流交易流程、交易机制以及区块链、云计算 基于区块链的物流交易主体结构下,企业內部交 的相关理论,利川区块链实用拜占庭算法的共识机制, 易主体供应商销售商为区块链交易的认证主体,同 提出物流区块链和云物流区块链的定义 时客户作为区块链交易的一个主体也进行交易行为认 定义物流区块链中至少存在 个节点彼此O证,以此满足了实用拜占庭共识算法的3+1个节点的 互为相邻节点,组成基本的拜占庭单元(),其中,表 要求。为此考虑构建基于区块链的物流模型,但各个 示正常物流网点,表示共认网络单元 节点需有大规模计算集群以快速完成共识认证过程。 定义物流区块链中,有机制按划分视图 ()执行,并对该视图进行编号,记作,一个共有 为实现资源弹性、节快速调整、低成本、高鲁棒性的 3f+1个节点的视图中只有一个主节点,主节点的编号 用户需求,各个交易主休不需要在本地部署大规模计 算集群,所有的共识认证过程均有区块链云平台完成 记为p,其余节点为备份节点称为每一个节点 计算。因此,进一步提出构建基于云计算的物流区块 用整数表示依次为01,…,3f+1},满足: 链模型 1=7mod3f+1 () 基于云计算的物流区块链模型真正做到了去屮心 其中,v表示共识网终初始化,力表示创世区块。 化的核心要求,由多认证节点共同来验证物流活动中 定义物流区块链中所有节点Nole;,存储其余节的交易行为。从长远来看,上游的供应商与下游的销 点区块链信息,具有双链表结构, nodei-{a,,a、b售商是动态变化的,这样可以保证节点数量和防止恶 分别表示区块链头索引和区块链内容。 意节点的大规模破坏。各认证节点是作为物流交易 定义区块链信息、Bhny川来存储区块链数据信行为的受益者,会主动遵守该共识认证机制,因此基云 息H,同时记录该区块链所属的节点名称N、数据的计算的物流区块链模型具有较高的交易稳定性和容 密钥K和更新时间T,区块链信息BWv/结构 错性。 BIn/o=(BH, BN, BK, Br 如图可以看出,基亍云计算的物流区块链模型, 定义云物流区块链的构建,在物流区块链基础有的交易认证行为均在 区块链云平台执行。 上,云平台虚拟物流网络节点映射 其中 模块负责存储更新区块链信息, 模 Node:LB→UB )块执行奁洵操作和分配节点任务,模块分配任务节 C表示云虚拟节点的集合。 点进行区块链信息的传递更新操作,模块通过共 Ht H 区块头区块 (区扶头区块主 区块头区块主体 物流区块链信息 图基于云计算的物流区块链模型 计算机工程与应用 识协议完成数据的规约处理;首先函数动态的分配的物流交易中去中心化安全性和算法的性能。 n个节点给各个交易主休,模拟其交易认证过程,通过 力实例的区块链形式化 加密算法传递物流交易信息,进而实川拜占庭共 云物流区块链的共识分为两大阶段:区块初始化和 识()算法完成认证过程再使用函数进行规。共识过程。在共识阶段,包括交易验证、区块验证、共 约处理,整体认证过程具有较高容错性,这样便于企业识验证其云物流区块链的形式化表述为: 内部交易主体、供应商、销售商共同维护物流交易信 息。区块链共识机制及 分布式存储技术,从而 an+1=∑C((2,N) () 达到物流去中心化、不可篡改性,客户可以溯本求源地其中,n+4产生的新区块B,确认的交易包括n个节 跟踪整个货品的来源及物流运输过程。 点,表示经全网物流区块链B状态迁移函数,P表 单节点区块链状态迁移函数,表示某个单时刻的该 基于云计算的物流区块链共识算法设计 区块链状态,表示可用节点数量,0-1表示添加新区 根据云计算的物流区块链模型,结合实川拜占庭 块B后的物流区块链状态。 识(算法提出基丁云计算的物流区块链法 实验验算 ,算法步骤如图所示 实验环境见表 开始 表实验环境 发货主体发送请求 主要部件云物流区块链平台搭建内存 盘 初始化请求,确定主节点信息 参数说明 实验区块链结构安全性,模型去中心化安全性。 进行全网检索,确定包括各参与主体对应的物流节点的全网节点 实验算法性能。 确定各物流节点的节点信息,并发送至对应的物流节点 首先规定物流网络中正常节点传递物流区块链的 主节点将其节点信息加密生成对应区块信息 概率为r,破坏节点伪造物流区块铚的概率为ω,则破 坏节点能够控制全网z个节点的概率为u2 区块信息进行全网广播,全网其余节点下载该区块信息并存储 r≤ 否 后一物流节 验证上一物流节是否 重复至物流 为信任节点一 交易完成 山伪造节点与正常节点相差区块数量的规律来看 后一物流节点将其节点信息附在前一物流节 其满足泊松分布的概率密度关系,设有r<,伪造区块 点的区块信息上,并加密生成对应区块信息 节点攻击成功概率P有 归约处理 Im =,(上),k=012 () a<h<3 删除每个正常通信节点中存储的重复数据,形成子数据 其中,α、B为设定区间。 映射虚拟节点,建立共识节点网络 本文设定伪造物流区块链的概率a分别为和 通过算法完成节点共识过程 进行实验测试得表。 表伪造区块成功概 达到节点认证个数 相差区块数:成功概率p相差区块数z成功概率户 下载各物流节点信息,各物流节点信息组合得物流信息 输出物流信息 结東 图 算法流程图 应用示例与实验 应川小例 某同城快递网终中,有n个公司用区块链系统开展 快递交易业务,通过 算法测试它们在系统中 周杰,李文敬:基于云计算的物流区块链共识算法研究 可以得出,伪造区块与正常区块数值增大,攻击成 功概率P呈现指数下降趋势,如图。在基于云计算的 日·a-2a日-日 物流区块链模型中虚拟节点理论上可以无限大,结合 x…)-着…米-米一米 共识算法采用的加密验证的机制可以有效的规避 破坏节点。 餐相 节点数量 日日日日+ 图算法的吞吐量比较 伪造节点与正常节点区块相差数量 次时趋于饱和。 在 个节点数量之 图伪造区块成功概率超势 ,吞吐量表现一致,且还有略有下降的趋势,说明在相 以下是对一种算法 同条件下, 和 两种优化算法性能均 和 算法性能的比较,在 云环境中设计分布了 优于 拥有动态容错机制和实时分配 个节点。 副夲的能力,使得在信息处理过程中能更快的处理错误 ()算法延迟比较,结果如图所示 节点,以保障吞吐量的稳定上升。 算法容错性 算法最多能容忍=1个错误节 点,分别假设∫ 的情况下,观察算法延 迟时间和区块高度,以判断该算法的容错区间 如图、图所示可知,错误节点在之间,算法 延迟时间呈下降趋势,说明该算法的容错机制能保证物 流节点数在实际应川场景中可以完成操作,当错误节点 数超过∫的峰值时,延迟明显上升,且在半数节点为错 误节点时,共识网终宕机,此时交易将自动重启。物流 网络延迟 交易区块高度也随着错误节点的增加,不再增高,这是 图算法的延迟比较 受该算法设定其容错机制的影响。 在相同环境下,通过模拟物流交易主体节点,在 的网络延迟屮,三科算法均表现出递增的趋势, 且波动较小,其中未优化的原始算法的总延迟最 大 算法和 算法两者的 总延迟基本一致,表现出优化后共识算法该有的网络延 迟水平,后者在后半程开始发力,从总延迟时间来看, 算法是延迟最小的,只有在实验中 错误节点数量 还发现节点越大,表现出延迟越小的趋势。由此可以得 图算法延迟时间 出,在算法延迟比较中, 表 明本文算法在网络通信上具有比较好的优势,节点容错 上充分发挥了 云计算分布式节点运算的优势 提高了区块链技术在实际共识认证过程中的速度。 ()算法吞吐量比较,结果如图所示 在节点数量小于时,三种算法的吞吐量呈现出 线性上升的趋势, 的吞吐量最大,达到了 错误节点数量 次ε把节点数量逐步增到个, 吞 图算法区块高度 吐量任然能波动上升,最高能实现 次 算法在个节点时表现出平缓的态势,之后继续增 结束语 加节点数量,吞吐量随之增大,呈现出上升趋势,但也在 本文采用区块链技术和云计算,设计了基于云计算 计算机工程与应用 的物流区块链模型,以及基丁实用拜占庭共识算法的 算法,保证了去屮心化和不可篡改性的要 宋建明,付永贵基于区块链的供应链动态多中心协同认 求,应用了云计算的高鲁棒性、分布式存储的特性,解决 证模型网络与信息安全学报 了大规模共识运算的算力问题,为当前物流行业存在的 悦,黄俊钦,王瑞锦基于区块铤的数字作品管控 交易不透明等一系列问题提供了区块链解决的思路 模型硏究计算机应用, 通过仿真实验表明,该模型在安全性、稳定性、吞叶量都 有较高的表现。 但是,区块链的公开透甽特性,也意味着物流信息 王吉詰,赵蕴龙,吴静中拜占庭容错网终结构及算 公开在物流网络中,用户在对信息流溯木求源的同时, 法计算机工程 些不适合公开的信息也将暴露,接下来的研究工作着●周立聯,李智华区块链在供应链金融的应用信息系 眼于物流夫中心化模型的继优化,考虑应用数字签名、溶为线数字货币分布式总账具认系统设计与实现 用户的隐 私保密工作 呼和浩特:内蒙古大学, 参考文献 蒋润祥,魏长江区块链的应用进展与价值探讨甘肃金 融,(): Vukolic m. The quest for scalable blockchain fabric 刘杰公路物流中心货运信息交易模型及应用重庆 重庆交通大学, 张滨,刘小军,陶章我国跨境电子商务物流现状及运作模 式中国流通经济 叶学军,张同亮一种改进的物流货运交易网站信用评价 模型物流科技, 夏清,张凤军,左春加密数字货币系统共识机制综述 计算机系统应用, 徐彬基于的整车物流业务流程优化与实现技术研 究合肥:合肥工业大学 张建军,赵启兰基丁“互联网”的产品供应链与物流服务 供应链联动发展的演化机理仂究—一从¨去中间化”到¨去 中心化”商业经济与管理,() 梁斌从“比特币挖矿”看区块链技术的共识机制中国 金融电脑,() 王妙娟区块链技术及在物流快递业务中的应用设想 物流技术 俞华锋基于云计算的物流信息平台的构建科技信 息 王静宇,王秀苹,张晓琳云计算下基于拜占庭算法的容 忍入侵技术研究内蒙古科技大学学报, 安庆文基丁区块链的去中心化交易关键技术研究及应 用上海:东华大学,

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