基于区块链的军事物资质量信息溯源系统的设计与研究_景一佳.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 06 022基于区块链的军事物资质量信息溯源系统的设计与研究景一佳1，童一飞1，赵建波2(1 南京理工大学机械工程学院，江苏 南京210094)(2 中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州450052)摘要:为顺应部队信息化体系建设和区块链技术发展，对包含军事物资设计、生产、交付、测试、作战、训练、维护等重要节点的区块链网络和数据库应用技术进行了研究。在不破坏部队现有的金字塔式领导指挥体系并且严格保密关键信息的前提下，应用区块链技术，减少供应链中的业务环节，明确物资流转的业务流程，打破供应链参与者之间的信息壁垒。提出能够快速定位军事物资质量问题、提高供应保障效率的有效技术方案，建立了军事物资全寿命质量信息溯源区块链系统。系统基于区块链网络架构实现了用户管理、数据上链、数据溯源等功能，并测试得到当并发数量在 150 时系统处于最佳运行状态。关键词:军事物资供应链;区块链;质量溯源;系统设计中图分类号:TP311 13文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)06 0113 06由于现代战争形式的快速转变，高效、敏捷、安全的军事物资供应管理逐渐成为了影响战争结果的重要因素之一1。其中物资质量信息和流转业务数据记录了军事物资在全寿命周期内各个环节所处的状态，二者也是维护和判断装备战备是否完好、战斗能否成功的重要依据。当前，军事物资质量信息的储存方式与人工审核、多层级审批的管理方式导致大量的信息孤岛产生，使得质量信息溯源的请求很难得到快速响应，导致质量溯源效率低下的同时也阻碍了军事物资质量的提升与质量管理水平的提升。因此，对于军事物资的质量信息溯源不是目的，而是提高军事物资供应保障能力的手段。区块链技术在企业供应链管理、商品质量溯源领域的广泛成熟应用为推动军事物资的质量信息溯源提供了契机2。区块链技术在解决军事物资质量信息溯源上有天然的优势:区块链的链式结构保证了溯源的准确性;非对称加密算法使得数据在传输过程中的安全性得到保障，经过非对称加密的数据信息不会在传输过程中被窃取和篡改，并且可以清晰地验证来源;共识机制和分布式账本能够保证数据采集和储存的安全，在有节点被完全攻克的情况下系统本身的业务流程和决策不会受到影响，提高了系统的容错性;智能合约和 P2P 的数据交换方式使得业务流程规范化、溯源请求高效化。因此本文以军事物资质量信息溯源为研究对象，以提升军事物资供应阶段的供应保障效率与信息化水平为目的，基于区块链技术设计军事物资供应联盟链，并开发军事物资质量溯源系统。1区块链技术1 1区块链概述我国工业与信息化部在 2016 年发布的区块链技术和应用发展白皮书 20163，对区块链技术从狭义的结构逻辑和广义上的实现方式两方面做出如下解释:狭义上，区块链是一种数据结构，数据在区块链中以数据块的形式打包形成账本，账本按照时间序列顺序分布，首尾相连组合成链式结构，收稿日期:2023 03 30基金项目:教育部人文社会科学研究一般项目(17YJC630139)作者简介:景一佳(1997)，男，硕士研究生，主要研究方向为智能制造与区块链，747762919 qq com通讯作者:童一飞，男，教授，tyf51129 aliyun com3112023 年 6 月机械设计与制造工程Jun 2023第 52 卷 第 6 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 6同时链上的分布式账本以密码学的方式保证其数据不可被伪造和篡改。广义上，区块链是一种以密码学保障数据访问和传输过程的安全性，以智能合约来定义与操作数据间传输逻辑，以数据打包成块之后连接形成数据链式结构来储存数据，以分布式账本和共识机制来生成、更新和拓展数据链的一种分布式数据架构和计算范式。目前，区块链的三种运营模式为私有链、公有链和联盟链4。私有链的应用范围常常限定在一个特定的企业中，写入权限由内部控制，但本质上还是中心化的管理模式，只是在技术上借鉴了区块链的思想;而公有链则是完全的对外开放，所有用户节点无需验证权限即可加入网络，无任何监督节点，实现完全的去中心化;联盟链基于成员信任，在建立联盟之初首先确认一部分节点预先加入联盟链网络，之后由 CA(certificate authority，证书授权)机构审核新加入联盟的节点并在所有节点联合验证下颁发证书。根据本文所要研究的军事物资质量信息溯源的应用场景，本文应用区块链技术中联盟链开发平台，基于 Hyperledger Fabric(超级账本结构)开发可供演示验证的军事物资质量信息溯源系统。1 2区块链技术在军事方面应用区块链技术问世之后，各国开始探索如何将区块链技术应用到国防军事领域5。美国在 2018 年颁布的 国防授权法案 中首次提到并分析了区块链技术应用到军事领域的可行性。近年来，我国许多专家学者对区块链技术的军事应用也开展了相关探索与研究。廉蔺等6 分析了区块链技术的匿名性特征，提出可以将其应用在情报工作的激励金发放，以此保护情报人员信息与隐私安全，此外也提出将区块链技术应用到武器装备全寿命周期管理和军用物流中;孙瑜等7 重点关注了联盟链的部署方式，分析了其技术特性，并指出区块链技术的军事应用需要解决隐私保护、通证授权和人才建设的问题。区块链技术如同其他前沿科技一样，在世界范围内都在向各国军事领域推进。目前区块链技术在军事领域的应用仍处于起步阶段，但由于区块链的特性使其在军事物资全寿命周期管理、军用物流、供应保障领域具有天然的优势，拥有着广泛的应用前景。2基于区块链的军事物资质量信息溯源总体方案2 1军事物资联盟链设计本文根据军事物资产品特点，结合质量信息溯源的需求分析、供应链的管理要求以及部队军械信息化系统的建设要求，分析可准确、便捷、规范登记各类业务工作数据的电子化和数字化手段，利用数字信息的校验确保登记业务数据内在逻辑的完整，最终确定军事物资供应链联盟链设计方案。将军事物资在供应链上的流转业务简化为如图1 所示的流程，包括:在指挥本部的监督与决策下，物资在制造厂商设计生产后交由运输机构(物流企业或运输部队)运送到靠前保障工作站(各类仓库)，并交由物资使用终端(一线部队)在作战任务或日常训练任务中使用。由于组成联盟链的指挥本部、制造厂商、运输机构、靠前保障工作站、物资使用终端的职能、数据格式、保密要求差异大，因此在建立“主链+私有链”的联盟链时，需要针对性地分析主链信息分类共享，私有链信息分类存储，允许企业进入、退出和交易的智能合约逻辑 8。图 1军事物资供应链简化流程军事物资供应链联盟链由五类节点组成，其中指挥本部作为超级管理员，制造厂商、运输机构、靠前保障工作站、物资使用终端作为用户节点。联盟链网络中流转的信息由军事物资设计单位、生产单位、检验单位、运输单位、仓储单位、部队等共同提供与维护，共同组成涵盖军事物资设计、生产、验收、运输、使用、维修等全生命周期的质量信息溯源目标。最终依据军事物资管理制度、保养维护条例，基于各单位的数据采集技术以及信息化建设程度，利用信息共享技术实现已有数据的重复使用，利用数字信息的校验确保登记业务数据内在逻辑的完整，按照智能合约定义好的电子数据交换访问接口服务，完成将军事物资质量信息有机融入的供应链联盟链网络方案设计，系统总体架构如图 2 所示。4112023 年第 52 卷机械设计与制造工程图 2基于区块链的军事物资质量信息溯源系统2 2软件架构设计在提出面向区块链各节点的物资质量、维修状况、运输状态、备件需求和业务数据等记账信息的基础上，结合 Hyperledger Fabric 开发平台及其组件搭建基于区块链的军事物资质量信息溯源系统软件框架，最终系统以 B/S 架构呈现给用户。系统采用当前最为主流的前后端分离方式进行开发，前后端之间的数据以 JSON 数据格式进行交互。用户在浏览器中所有的行为动作都将通过 SDK 传递给在 Linux 服务器中部署的 Fabric 网络。软件架构包括网络层、业务层、数据库存储层和应用层。下面对系统软件架构中各层的实现方案进行详细描述。1)网络层:基于 Go 语言和 Hyperledger Fabric区块链开发平台。Go 语言是 Fabric 区块链中智能合约的官方编程语言之一。Hyperledger Fabric 是企业级区块链平台，运行 Fabric 网络前需要部署相关运行环境，包括安装 Docker、Docker Compose 工具以及配置 Go 语言环境。本次系统开发使用 Hy-perledger Fabric 14 7 版本。由于溯源业务作为本文研究的核心，因此要将网络中所有智能合约的操作(invoke)上链，且在区块链上持久化储存数据。Fabric 网络中自带的 CouchDB 数据库是以 JSON 文本数据格式对链上数据进行持久化储存。2)业务层:基于 Java 编程语言的各层级直接的交互以及基于 Golang 语言编写的智能合约逻辑。通过网络层中 Hyperledger Fabric 官方提供的Node js SDK 与区块链进行交互。Java SDK 含有 4个顶级模块，包括 fabric network、api、fabric cli-ent 和 fabric ca client。3)数据库存储层:基于 My SQL 数据库。通过SQL(structured query language，结构化查询语言)管理数据库，具有速度快、可靠性高和适应性强的特点。4)应用层:基于 SpringBoot 开发军事物资质量信息溯源平台。应用层主要作用是向用户展示操作界面，通过 SpringBoot 与前端业务进行交互，将产品的更改信息通过 SDK 随时上链，并通过 SDK提供的接口信息获取系统所有的账本并交由前端渲染。前端使用主流的 Vue 结合 Element UI 进行设计开发，整个应用层架构在搭建时基于主流的前后端分离思想。2 3数据采集方式设计本文从物联网与区块链相结合的角度看待军事物资质量信息的采集，将需要采集并上链的数据分为 3 类:物资流转信息、物资固有属性和节点固有属性。物资流转信息指军事物资从制造厂商生产出来到使用终端进行消耗这一过程中产生的业务数据，其溯源信息需要根据每个节点的信息化建设水平来实时更新。同时，物资的流转记录采用近距离无线通讯(near field communication，NFC)技术进行采集，在每一批次生产出的各类物资箱体上贴上识别码，各用户可以通过扫描该码获得所有的溯源信息。另外，以 NFC 技术高强度的密码算法来确保实现“一物一码”，保障身份码无法复制和伪造。物理层面的防伪标签与区块链唯一哈希值的数字防伪相结合，最终向用户展示该物资的流转信息。物资固有属性和节点固有属性不会随物资的流转而发生变化，反映的是物资本身的各项质量参数和所处节点的设备、人员配置能力。因此这类信息的采集应与节点本身的企业信息化系统相结合，在节点申请加入联盟链时，就以智能合约中定义结构体的方式明确要采集的关键信息，并在军事物资5112023 年第 6 期景一佳:基于区块链的军事物资质量信息溯源系统的设计与研究质量信息溯源系统的用户端进行数据录入。3系统实现与测试3 1系统功能实现3 1 1用户管理功能实现考虑到信息安全，加入到联盟链的用户不能通过登录界面直接注册，因为这样的注册方式会削弱系统的安全性。假设用户可以在任何时间、任何网络环境中随意进行注册登录，那么整个联盟链中的交易信息就会外露，这对溯源系统尤其是在军事场景下的应用而言是十分危险的。因此，新用户的注册将内置到超级管理员的功能模块中，只有向担当超级管理员的指挥本部提交资质证书并经过检验有效后才可加入 Fabric 网络。而指挥本部作为超级管理员，具有删除拜占庭节点的权限，也有添加合法节点的权限，同时也有查看整个 Fabric 网络所有交易信息的权限。指挥本部对军事物资供应联盟链中节点的管理界面如图 3 所示