基于开源的区块链及其在物品溯源中的应用文献综述

文献综述（或调研报告）：

2008年11月1日，中本聪发表了一篇论文，题为《比特币：一种点对点式的电子现金系统》[1]，论文中详细描述了如何创建一套去中心化的电子交易体系，且这种体系不需要创建在交易双方相互信任的基础之上，但该文献并没有提出区块链的概念，但是其对底层技术原理的描述被公认是最早的区块链定义。2009年比特币系统被实现，与此一同诞生还有世界上第一个区块链系统，可以说区块链是实现比特币的底层核心技术，渐渐的，越来越多的学者将区块链分离出来作为独立的研究课题。如今，数字加密货币和区块链已成为两个截然不同的研究方向。区块链狭义上是指一种以区块为基本单位的链式数据结构，通过包含对前一区块的数字摘要来实现数据的防篡改；广义上指基于这种数据结构实现的分布式记账技术，还另外包含分布式共识、隐私与安全保护、点对点通信等技术。

区块链一般会具有分布式、永久性、匿名性和可审查性几个特征。通过这些特征，区块链可以大幅节约记账成本以及提高效率。由于允许交易在没有任何银行或中介机构的参与下进行，因此区块链可以被用于众多金融业务，例如虚拟资产、在线转账和网络支付[2],[3]。另外区块链还可用于其他领域，包括智能合约[5]、公共服务[6]、物联网[7]、信誉系统[8]和安全服务[9]。这些应用受益于区块链的不同特征。首先，区块链是不可篡改的。交易一旦被记录在区块链中便无法再修改。那些要求高可靠性和诚实度的业务可以用这个特点吸引消费者。另外，区块链是分布式系统，可以避免因一个节点出现问题导致系统瘫痪。至于智能合约，一旦合约被部署在区块链上，矿机便可以自动执行合约内容。

区块链系统可以被粗略的分为三类:公有链，私有链和联盟链[10]。 在公有链中，链上数据完全公开，而且任何一个人都可以参与记账。只有预先选定的一部分节点可以参与的是联盟链。私有链则是只有某个专门的组织中的节点允许参与。私有区块链被认为是一个集中的网络，因为它完全由一个组织控制。由多个组织构建的联盟区块链部分分散，因为只选择一小部分节点来确定共识。

在珠宝消费市场上，消费者越来越关心珠宝首饰的产地和材料，商家也需要可靠的信息来证明珠宝的价值，然而珠宝产业复杂零碎的产业结构却很难有效的提供这些信息，从而珠宝的追踪和溯源逐渐成为珠宝产业的关注焦点[11]。区块链恰好迎合了这种需求，去中心化和防篡改的特点为非互信环境提供了可靠的信息存储和查验平台。

在区块链中，如何在不可信的节点之间达成共识是拜占庭将军（BG）问题的一个变种，该问题在[12]中被提出。在拜占庭将军问题中，指挥一部分拜占庭军队的一组将军在城市周围盘旋。有的将军想要进攻，有的将军想要撤退。然而，如果只有一部分将军攻击这座城市，攻击就会失败。因此，他们必须达成进攻或撤退的协议。如何在分布式环境中达成共识是一个挑战。随着区块链网络的分布，这也是区块链面临的挑战。在区块链中，没有一个中心节点可以确保分布式节点上的账本是相同的。因此需要一些协议来确保不同节点中的账本是一致的。这个协议被称为共识算法，常见的共识算法有PoW，PoS，PBFT等。

最初的比特币区块链面对的是价值交易中各方的完全非互信环境[1]，实现中所使用的共识算法是PoW，需要浪费庞大的计算资源来争取第一个记录区块的机会，显然这对于珠宝溯源的应用环境是完全不必要的，使用面向更普遍应用环境共识算法和智能合约更为合适。智能合约是指一组存储在区块链上，根据预设的条件自动转移数字资产的程序，这些程序是不能单方面更改的[13]。智能合约在区块链上的应用可以大幅度提高的区块链系统效率的同时降低复杂度。

Hyperledger[14]是由Linux基金会牵头，多家业界顶尖企业参加的开源联盟区块链项目，Hyperledger项目致力为透明、公开、去中心化的企业级分布式账本技术提供开源参考实现。Fabric是其中目前发展最为完善的子项目，原生支持权限管理、身份认证和智能合约，并且支持对共识算法的替换，以应对不同应用场景的要求。Hyperledger对区块链的定义是为不互信的对象记录交易内容的不可改变的分布式账本。Hyperledger Fabric是其中发展最为完善的一个子项目，Fabric旨在提供一种弹性可扩展而且安全性良好的区块链框架，弹性可扩展是指其使用的共识算法可以进行替换，而且Fabric是第一个支持以标准编程语言书写智能合约的区块链系统。

截至目前，已有大量研究建立在Hyperledger Fabric的基础之上：

陈德[15]等设计并实现的基于Hyperledger Fabric的一个去中心化的自交易平台解决方案，可用于实现低成本网络节点数据的自主管理和商品资产化的增值服务，从而衍生出新型的商业形态。

Pu Yuan[16]等设计并实现的基于Hyperledger 的排污权交易系统，最终部署在阿里云的云服务器上，系统处理交易的峰值吞吐量可达到340RPS。 文章以Hyperledger Fabric作为区块链实现平台，配以Node.js实现的HTTP服务器并提供一系列RESTful API作为接口。

Patrick Sylim[17]等设计了基于Hyperledger Fabric的药物分发系统，可以监控药物分发的整个流程，从而查验假冒伪劣药品。

Bihuan Chen[12]等设计了基于Hyperledger Fabric金融产品管理系统可以管理和溯源来自多个金融机构的金融产品数据。

四、方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

设计方案：

珠宝假冒伪劣泛滥，原产地信息无法追溯；同时供应链和上下游关系较长，生产和流通信息在传播过程中全部或局部缺失、或受到篡改；而对监管部门而言，造成了无法对流通全过程进行监管、对相关方进行追责的困境。使用区块链确保商品的原产地信息不可篡改、各方均可进行溯源：商品流通全过程均经过各方确认并记录于链上，形成完整的、可追溯、可监管、可追责的流通记录

针对以上问题，本课题旨在基于开源的区块链底层实现设计一个对于珠宝的区块链溯源系统，系统中将存在四个组织:珠宝的消费者、生产商、经销商、鉴定机构和监管机构，他们在区块链中分别拥有不同的操作权限，详细情况如下：

• 消费者:允许查询特定珠宝的全部信息；
• 生产商:允许增加和查询珠宝的生产信息；
• 经销商:允许增加和查询珠宝的转卖信息；
• 鉴定机构：允许增加和查询珠宝的鉴定证书；
• 监管机构：允许查询所有珠宝的全部信息；

当珠宝在以上各方之间流动交易时，组织和个人上传相关信息，但是未经网络中其他方的同意，任一方都不能修改、删除已上链的信息，从而消费者和监管机构可以验证珠宝流通的每个环节。

开发框架选型:

区块链框架：Hyperledger Fabric和Ethereum

Hyperledger是由Linux基金会牵头，多家业界顶尖企业参加的开源区块链项目，Hyperledger项目致力为透明、公开、去中心化的企业级分布式账本技术提供开源参考实现。Fabric是其中目前发展最为完善的子项目，原生支持权限管理和身份认证，支持对共识算法的替换，以应对不同应用场景的要求。该项目拥有详细的文档和开发示例，并且在GitHub拥有很高的活跃度，目前已更新到v1.4版本，是开发面向企业区块链项目的合适选择。

以太坊（Ethereum）项目的最初目标，是打造一个运行智能合约的平台（Platform for Smart Contract）。该平台支持图灵完备的应用，按照智能合约的约定逻辑自动执行，理想情况下将不存在故障停机、审查、欺诈，以及第三方干预等问题。智能合约开发者使用官方提供的工具和以太坊专用应用开发语言 Solidity，可以很容易开发出运行在以太坊网络上的“去中心化”应用（Decentralized Application，DApp）。

本项目将Hyperledger Fabric作为首选。因为它的共识算法和原生权限控制更加适合珠宝溯源的半互信应用环境。

服务器后端框架：SpringBoot和EJB

SpringBoot设计目的是用来简化Spring应用的初始搭建以及开发过程，Spring框架的目标是为J2EE应用提供了全方位的整合框架，在Spring框架下实现多个子框架的组合，这些子框架之间可以彼此独立，也可以使用其它的框架方案加以代替，Spring希望为企业应用提供一站式的解决方案，该框架已经十分成熟，已经在众多项目中得到广泛应用，拥有十分详细的文档和开发示例。

EJB (Enterprise JavaBean)是J2EE(javaEE)的一部分，定义了一个用于开发基于组件的企业多重应用程序的标准。其特点包括网络服务中心支持和核心开发工具(SDK)。EJB的目标在于提供一个标准的分布的、基于OO的组件架构，能够屏蔽复杂的系统级功能需求，提供与非Java应用之间的互操作能力并具有良好的移植性。

本项目将SpringBoot作为首选。因为在项目中该部分只负责处理网络请求，作为与区块链的桥梁，不会具有很高的复杂性，两种框架在功能上都满足，但是SpringBoot的开发更为快速高效，而EJB架构过于复杂，开发难度大。

方案可行性分析：

Hyperledger Fabric在商业上有众多企业支持，同时阿里云、腾讯云等云服务提供商在预计推出的区块链服务中也选用了该框架作为底层技术，在学术上也有众多基于该框架进行研究的课题，详见文献综述。而且该项目文档完善，有丰富示例教程。

SpringBoot以成为实际上的业界标准，官方文档和学习资源丰富，同时网络有存在大量的类型项目示例。

已将上述方案的开发和测试环境搭建完成，配置和运行了官方示例，进行过简单的开发测试，由此可得本方案可行。

五、参考文献：

[1] S. Nakamoto, “Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system,” 2008.[Online]. Available: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf

[2] G. W. Peters, E. Panayi, and A. Chapelle, “Trends in crypto-currenciesand blockchain technologies: A monetary theory and regulation perspective,” 2015. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.2646618

[3] G. Foroglou and A.-L. Tsilidou, “Further applications of the blockchain,”2015.

[4] A. Kosba, A. Miller, E. Shi, Z. Wen, and C. Papamanthou, “Hawk:The blockchain model of cryptography and privacy-preserving smart contracts,” in Proceedings of IEEE Symposium on Security and Privacy (SP), San Jose, CA, USA, 2016, pp. 839–858.

[5] B. W. Akins, J. L. Chapman, and J. M. Gordon, “A whole new world: Income tax considerations of the bitcoin economy,” 2013. [Online]. Available: https://ssrn.com/abstract=2394738

[6] Y. Zhang and J. Wen, “An iot electric business model based on the protocol of bitcoin,” in Proceedings of 18th International Conference on Intelligence in Next Generation Networks (ICIN), Paris, France, 2015, pp. 184–191.

[7] M. Sharples and J. Domingue, “The blockchain and kudos: A distributed system for educational record, reputation and reward,” in Proceedings of 11th European Conference on Technology Enhanced Learning (EC-TEL 2015), Lyon, France, 2015, pp. 490–496.

[8] C. Noyes, “Bitav: Fast anti-malware by distributed blockchain consensus and feedforward scanning,” arXiv preprint arXiv:1601.01405, 2016.

[9] I. Eyal and E. G. Sirer, “Majority is not enough: Bitcoin mining is vulnerable,” in Proceedings of International Conference on Financial Cryptography and Data Security, Berlin, Heidelberg, 2014, pp. 436– 454.

[10] V. Buterin, “On public and private blockchains,” 2015. [Online]. Available: https://blog.ethereum.org/2015/08/07/ on-public-and-private-blockchains/

[11] CIBJO, 2018. CIBJO sets up industry-wide working committee to formulate responsible sourcing guidance for gem and jewellery sectors. CIBJO—The World Jewellery Confederation, Milan, Italy, 8 May, www.cibjo.org/cibjo-sets-up-industry-wide-workingcommittee- to-formulate-responsible-sourcing-guidancefor-gem-and-jewellery-sectors, accessed 8 May 2018.

[12] L. Lamport, R. Shostak, and M. Pease, “The byzantine generals problem,” ACM Transactions on Programming Languages and Systems (TOPLAS), vol. 4, no. 3, pp. 382–401, 1982.

[13] Iansiti M. and Lakhani K.R., 2017. The truth about blockchain. Harvard Business Review, 95(1), 118–127.

[14] Androulaki, E., Barger, A., Bortnikov, V., Cachin, C., Christidis, K., De Caro,A., Enyeart, D., Ferris, C., Laventman, G., Manevich, Y., et al.: “Hyperledger fab-ric: A distributed operating system for permissioned blockchains”. arXiv preprintarXiv:1801.10228 (2018)

[15] 陈德[1] , 姜新旺[1,2] , 王艳霞[2] , et al. 基于Hyperledger的自交易共享平台解决方案[J]. 计算机时代, 2018.

[16] Pu Y.,Xiong X.,Kan Z. “Design and Implementation on Hyperledger-Based Emission Trading System” IEEE Access Access, IEEE. 7:6109-6116 2019

[17] Patrick S, Fang L，Alvin Marcelo,Paul Fontelo, “Blockchain Technology for Detecting Falsified and Substandard Drugs in the Pharmaceuticals Distribution System” Journal of Medical Internet Research. Sep2018, Vol. 20 Issue 9, p122-122. 1p. 5 Color Photographs, 3 Diagrams.

[18] Bihuan C.,Zhixiong T.,Wei Fang.”Blockchain-Based Implementation for Financial Product Management” 2018 28th International Telecommunication Networks and Applications Conference (ITNAC) Telecommunication Networks and Applications Conference (ITNAC), 2018 28th International. :1-3 Nov, 2018