馬茜

摘?要：為解決傳統(tǒng)煙草行業(yè)缺少物料管理數(shù)據(jù)留痕導致的物料無法追溯問題，在研究區(qū)塊鏈中智能合約及IoT技術基礎上提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)及區(qū)塊鏈的去中心化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由三個主要組件組成，包括IoT客戶端網(wǎng)絡、智能合約和安全模塊。實現(xiàn)利用區(qū)塊鏈技術防止數(shù)據(jù)信息被篡改，利用數(shù)據(jù)加密等特性存儲數(shù)據(jù)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)物料從采購到出庫全生命周期數(shù)據(jù)可查詢，可溯源，可分析，可信任。仿真分析結果進一步驗證了所提方法的有效性及實用性。

關鍵詞：區(qū)塊鏈;煙草行業(yè);物料管理;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP393??????文獻標識碼：A

A?Decentralized?Data?Management?System

Based?on?Internet?of?Things?and?Blockchain

WU?Jilin1，CHEN?Lin2，TONG?Chaoyi3

（Information?Centre，Guizhou?Branch?of?China?National?Tobacco?Corporation，?Guizhou，?Guiyang?550001，?China）

Abstract：In?order?to?improve?the?traditional?tobacco?industrys?lack?of?material?management?data?traces，?which?leads?to?the?problem?that?materials?can?not?be?traced?back，?this?paper?proposes?a?decentralized?data?management?system?based?on?the?Internet?of?things?and?blockchain，?based?on?the?research?of?intelligent?contract?and?IoT??technology?in?blockchain.?The?system?is?composed?of?three?main?components，?including?IoT?client?network，?smart?contract?and?security?module.?It?can?store?data?by?using?blockchain?technology?to?prevent?data?tampering，?data?encryption?and?other?features.?It?can?query，?trace，?analyze?and?trust?the?whole?life?cycle?data?of?materials?from?purchase?to?delivery?through?internet?of?things?technology.?The?simulation?results?further?verify?the?effectiveness?and?practicability?of?the?proposed?method.

Key?words：blockchain;?tobacco?industry;?material?management;?internet?of?things

在煙草行業(yè)推進卷煙營銷市場化取向改革和深入落實供給結構性改革的過程中[1-2]，準確把握卷煙消費需求及其變化顯得尤為重要，卷煙消費信息采集的地位也更加凸顯。物料作為重要的權益載體，在煙草行業(yè)激勵場景中普遍使用[3]。然而，在行業(yè)與企業(yè)營銷活動中，促銷物料、贈品、優(yōu)惠券、抵扣券、第三方會員卡等物料的使用量巨大，在當前模式下，缺少物料管理數(shù)據(jù)留痕，導致物料無法追溯，一旦出現(xiàn)問題（冒領、貨物假冒等），難以追查和處理。這些問題與隱患為煙草行業(yè)中物料管理帶來了重大挑戰(zhàn)。因此，亟需引入?yún)^(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等新技術，以不斷拓展煙草行業(yè)物料管理中技術應用新空間，進一步釋放創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活力。D4D81EFA-BD50-4874-A97B-433DCB780175

區(qū)塊鏈建立了一種去中心化的共識機制[4]，這種共識機制使得參與者在無任何外部強制約束的情況下即自行形成了相互牽制的可信環(huán)境。相對傳統(tǒng)體系，區(qū)塊鏈有著相對安全、相對透明、相對高效的優(yōu)勢。張寧等[5]探索了能源互聯(lián)網(wǎng)中的區(qū)塊鏈技術，并對區(qū)塊鏈技術在能源互聯(lián)網(wǎng)中面臨的挑戰(zhàn)進行了分析和總結。楊現(xiàn)民等[6]將區(qū)塊鏈引入教育領域，實現(xiàn)網(wǎng)絡學習社區(qū)“自組織”運行，并開發(fā)去中心化教育系統(tǒng)。目前，煙草行業(yè)區(qū)塊鏈技術仍處于起步階段，如何進一步利用還需要大量研究。

此外，不同于傳統(tǒng)物料管理中的管理實物，煙草行業(yè)中物料不僅包括促銷物料、贈品等實物，還包括優(yōu)惠券、抵扣券、第三方會員卡等虛擬物料。為應對煙草行業(yè)中物料管理中的挑戰(zhàn)，物料在采購、入庫、商城兌換規(guī)則設定、兌換、出庫，發(fā)貨所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上，都可以利用物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術在連接的網(wǎng)絡上傳輸以進行存儲或進一步處理[7-8]。

為此，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)及區(qū)塊鏈的去中心化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過區(qū)塊鏈技術搭建透明可靠的統(tǒng)一信息平臺，使促銷物料、贈品從采購入庫、活動調(diào)配到消費者領取出庫都有跡可循，形成完整的物料追溯鏈條。

1?體系結構

文章的研究范圍是使用區(qū)塊鏈分散數(shù)據(jù)訪問管理和使用Intel?指令集擴展（Software?Guard?Extensions，SGE）保護數(shù)據(jù)隱私。為簡化模型，不考慮網(wǎng)絡遭受服務攻擊情況。

區(qū)塊鏈可以存儲數(shù)據(jù)并執(zhí)行分散實體執(zhí)行的計算，同時以自主方式確定區(qū)塊鏈的狀態(tài)。這些自主計算被稱為智能合約。通過利用智能合約，文章提出了一個在不依賴第三方服務提供商的情況下實施分散數(shù)據(jù)訪問策略控制的基于物聯(lián)網(wǎng)及區(qū)塊鏈的去中心化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)體系結構如圖1所示。該系統(tǒng)由三個主要組件組成，包括IOT客戶端網(wǎng)絡、智能合約和安全模塊?？蛻粑锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡由所有物聯(lián)網(wǎng)設備組成，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關將設備連接到外部網(wǎng)絡。

智能合約在區(qū)塊鏈中為用戶數(shù)據(jù)提供去中心化的訪問控制策略。為節(jié)省存儲空間，規(guī)定智能合約只在區(qū)塊鏈中存儲數(shù)據(jù)的哈希值。同時數(shù)據(jù)被加密并存儲在指令集擴展模塊上。智能合約模塊主要包括四個部分：用戶注冊、設備注冊、數(shù)據(jù)寫入策略和設備數(shù)據(jù)讀取策略。

1.1?用戶注冊

用戶注冊模塊主要基于以太坊網(wǎng)絡構成。模塊中任意用戶可通過生成的唯一標識ID訪問以太坊網(wǎng)絡。該模塊可利用私鑰及智能合約模塊進行用戶注冊或數(shù)據(jù)訪問。

1.2?設備注冊

當用戶通過身份驗證后，可利用設備唯一的標識符將該設備注冊成為物聯(lián)網(wǎng)設備。再使用智能合約模塊及哈希映射將用戶擁有的設備映射到區(qū)塊鏈上所有者的地址，即地址為所有者列表設備ID。

1.3?數(shù)據(jù)寫入

數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈前需提供設備所有者的地址、設備ID及數(shù)據(jù)。將設備所有者的地址、對應設備ID及數(shù)據(jù)利用哈希映射生成一一對應的鍵和值（key，value），以此實現(xiàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)存儲地址一一對應。此外，為了確保數(shù)據(jù)不重復，智能合約模塊將對擁有者地址與設備ID進行一致性檢查。

1.4?數(shù)據(jù)訪問

當一個用戶想要讀取第三方用戶的數(shù)據(jù)時，首先需要向第三方用戶申請數(shù)據(jù)讀取權限，同時需提供設備地址和設備ID。該過程在智能合約中描述為一個哈希映射，鍵中包含設備所有者和地址，設備ID作為密鑰，第三方用戶列表作為值。

需注意，為確保數(shù)據(jù)訪問過程安全，只有已注冊的用戶可訪問設備數(shù)據(jù)。

2?系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

圖2所示為系統(tǒng)執(zhí)行過程中數(shù)據(jù)流情況。對于要寫入或讀取數(shù)據(jù)的設備，首先，該設備在步驟③中與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關通信以向區(qū)塊鏈注冊自身。對于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關信任SGX平臺，執(zhí)行遠程認證，如步驟①所示。為了執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入，設備在步驟②中與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關通信。然后，網(wǎng)關在步驟③中檢索智能合約地址，并將加密和哈希數(shù)據(jù)。哈希數(shù)據(jù)將使用智能合約中的數(shù)據(jù)寫入函數(shù)寫入?yún)^(qū)塊鏈。然后在步驟④將原始加密數(shù)據(jù)寫入SGX平臺。通過使用數(shù)據(jù)拆封包裝器，SGX應用程序中的不可信模塊與可信模塊通信，如步驟⑤所示。在步驟⑥中，完整性檢查器模塊計算數(shù)據(jù)的基于哈希的消息認證碼（HMAC），并在步驟⑦和步驟⑧中數(shù)據(jù)被密封和寫入磁盤之前附加數(shù)據(jù)的HMAC。

對于讀取操作，用戶必須使用注冊授權方法向智能合約注冊第三方用戶。步驟①（紅體）所示，第三方用戶與智能合約通信，通過提供設備ID來獲得設備生成的數(shù)據(jù)的哈希值。智能合約模塊將對用戶設備ID和設備地址進行校驗，從而確定該用戶是否具有數(shù)據(jù)訪問資格。在步驟④（紅體）中，SGX平臺將利用數(shù)據(jù)讀取API與智能合約模塊共同檢查用戶提供的數(shù)據(jù)哈希標識符。一旦確定允許用戶訪問數(shù)據(jù)，則SGX模塊可從步驟⑤（紅體）對數(shù)據(jù)執(zhí)行檢索操作。檢索完成后，利用⑥（紅體）對數(shù)據(jù)執(zhí)行解封操作及完整性檢驗[步驟⑦（紅體）]，之后將再次計算數(shù)據(jù)的HMAC。如果HMAC沒有變化，則用戶對數(shù)據(jù)進行讀取操作，如步驟⑨（紅體）和步驟⑩（紅體）所示。

3?系統(tǒng)仿真與評估

3.1?仿真環(huán)境

為驗證所提系統(tǒng)性能，本節(jié)模擬使用五個物聯(lián)網(wǎng)設備（GPS與傳感器等）和若干部手機來評估物料管理過程。仿真中使用以太坊區(qū)塊鏈實現(xiàn)了所提系統(tǒng)中智能合約模塊。仿真環(huán)境為solidity編程語言，實現(xiàn)了用戶注冊、設備注冊、哈希數(shù)據(jù)寫入/讀取訪問等接口，使物聯(lián)網(wǎng)設備能夠與智能合約進行交互。

3.2?系統(tǒng)評估

表1所示為各個智能合約操作過程的評估結果，用戶使用以太坊Gas完成一個操作的調(diào)用。要確認一個事務，該事務必須包含在生成的塊中。評估過程中包含4個設備，各設備有效負載情況如表1所示。D4D81EFA-BD50-4874-A97B-433DCB780175

圖3所示為區(qū)塊鏈平臺數(shù)據(jù)流執(zhí)行過程，橫軸為寫入操作負載，縱軸為寫入操作吞吐量大小。當寫入操作負載從500增加至2000時，寫入吞吐量隨著寫入工作負載的增加而降低。啟用哈希映射后，寫入吞吐量也會降低。

圖4顯示了SGX平臺上的封裝和解封操作CPU開銷大小對比結果，其中橫軸表示塊大?。▎挝粸镵B），縱軸表示CPU開銷（單位為ms）。使用1024字節(jié)的塊封裝2.8?MB的單個批處理記錄所需的平均時間為400ms，而使用32字節(jié)的塊則需要2000ms?？梢钥闯觯S著塊大小的增加，封裝和解封數(shù)據(jù)的時間不斷縮短。

4?結?論

物料作為重要的權益載體，在煙草行業(yè)激勵場景中普遍使用。物料作為權益，發(fā)放使用過程中需要明確統(tǒng)計其庫存流向，確定其適用范圍，定位其最終領用用戶信息。通過物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術搭建透明可靠的統(tǒng)一信息平臺，使促銷物料、贈品從采購入庫、活動調(diào)配到消費者領取出庫都有跡可循，

形成完整的物料追溯鏈條，從而方便實時查看物料管理狀態(tài)，追溯物料的采購入庫到兌換積分出庫的全過程，當發(fā)生糾紛時，舉證和追查也變得更加清晰和容易。

需注意，在模型驗證時，不考慮所提模型網(wǎng)絡遭受服務攻擊或用戶個人數(shù)據(jù)遭到泄露等情況的做法，在實際應用中有一定局限性，將來可進一步考慮網(wǎng)絡受攻擊情況及用戶隱私問題。

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