基于图像识别技术的轨道交通缺陷检测研究

马茜

摘 要：为解决传统烟草行业缺少物料管理数据留痕导致的物料无法追溯问题，在研究区块链中智能合约及IoT技术基础上提出了一种基于物联网及区块链的去中心化数据管理系统。系统由三个主要组件组成，包括IoT客户端网络、智能合约和安全模块。实现利用区块链技术防止数据信息被篡改，利用数据加密等特性存储数据。通过物联网技术实现物料从采购到出库全生命周期数据可查询，可溯源，可分析，可信任。仿真分析结果进一步验证了所提方法的有效性及实用性。

关键词：区块链;烟草行业;物料管理;物联网

中图分类号：TP393      文献标识码：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

在煙草行业推进卷烟营销市场化取向改革和深入落实供给结构性改革的过程中[1-2]，准确把握卷烟消费需求及其变化显得尤为重要，卷烟消费信息采集的地位也更加凸显。物料作为重要的权益载体，在烟草行业激励场景中普遍使用[3]。然而，在行业与企业营销活动中，促销物料、赠品、优惠券、抵扣券、第三方会员卡等物料的使用量巨大，在当前模式下，缺少物料管理数据留痕，导致物料无法追溯，一旦出现问题（冒领、货物假冒等），难以追查和处理。这些问题与隐患为烟草行业中物料管理带来了重大挑战。因此，亟需引入区块链、物联网等新技术，以不断拓展烟草行业物料管理中技术应用新空间，进一步释放创新创业活力。D4D81EFA-BD50-4874-A97B-433DCB780175

区块链建立了一种去中心化的共识机制[4]，这种共识机制使得参与者在无任何外部强制约束的情况下即自行形成了相互牵制的可信环境。相对传统体系，区块链有着相对安全、相对透明、相对高效的优势。张宁等[5]探索了能源互联网中的区块链技术，并对区块链技术在能源互联网中面临的挑战进行了分析和总结。杨现民等[6]将区块链引入教育领域，实现网络学习社区“自组织”运行，并开发去中心化教育系统。目前，烟草行业区块链技术仍处于起步阶段，如何进一步利用还需要大量研究。

此外，不同于传统物料管理中的管理实物，烟草行业中物料不仅包括促销物料、赠品等实物，还包括优惠券、抵扣券、第三方会员卡等虚拟物料。为应对烟草行业中物料管理中的挑战，物料在采购、入库、商城兑换规则设定、兑换、出库，发货所产生的数据上，都可以利用物联网（IOT）技术在连接的网络上传输以进行存储或进一步处理[7-8]。

為此，提出了一种基于物联网及区块链的去中心化数据管理系统，该系统通过区块链技术搭建透明可靠的统一信息平台，使促销物料、赠品从采购入库、活动调配到消费者领取出库都有迹可循，形成完整的物料追溯链条。

1 体系结构

文章的研究范围是使用区块链分散数据访问管理和使用Intel 指令集扩展（Software Guard Extensions，SGE）保护数据隐私。为简化模型，不考虑网络遭受服务攻击情况。

区块链可以存储数据并执行分散实体执行的计算，同时以自主方式确定区块链的状态。这些自主计算被称为智能合约。通过利用智能合约，文章提出了一个在不依赖第三方服务提供商的情况下实施分散数据访问策略控制的基于物联网及区块链的去中心化数据管理系统，系统体系结构如图1所示。该系统由三个主要组件组成，包括IOT客户端网络、智能合约和安全模块。客户物联网网络由所有物联网设备组成，物联网网关将设备连接到外部网络。

智能合约在区块链中为用户数据提供去中心化的访问控制策略。为节省存储空间，规定智能合约只在区块链中存储数据的哈希值。同时数据被加密并存储在指令集扩展模块上。智能合约模块主要包括四个部分：用户注册、设备注册、数据写入策略和设备数据读取策略。

1.1 用户注册

用户注册模块主要基于以太坊网络构成。模块中任意用户可通过生成的唯一标识ID访问以太坊网络。该模块可利用私钥及智能合约模块进行用户注册或数据访问。

1.2 设备注册

当用户通过身份验证后，可利用设备唯一的标识符将该设备注册成为物联网设备。再使用智能合约模块及哈希映射将用户拥有的设备映射到区块链上所有者的地址，即地址为所有者列表设备ID。

1.3 数据写入

数据写入区块链前需提供设备所有者的地址、设备ID及数据。将设备所有者的地址、对应设备ID及数据利用哈希映射生成一一对应的键和值（key，value），以此实现系统中数据与该数据存储地址一一对应。此外，为了确保数据不重复，智能合约模块将对拥有者地址与设备ID进行一致性检查。

1.4 数据访问

当一个用户想要读取第三方用户的数据时，首先需要向第三方用户申请数据读取权限，同时需提供设备地址和设备ID。该过程在智能合约中描述为一个哈希映射，键中包含设备所有者和地址，设备ID作为密钥，第三方用户列表作为值。

需注意，为确保数据访问过程安全，只有已注册的用户可访问设备数据。

2 系统数据流

图2所示为系统执行过程中数据流情况。对于要写入或读取数据的设备，首先，该设备在步骤③中与物联网网关通信以向区块链注册自身。对于物联网网关信任SGX平台，执行远程认证，如步骤①所示。为了执行数据写入，设备在步骤②中与物联网网关通信。然后，网关在步骤③中检索智能合约地址，并将加密和哈希数据。哈希数据将使用智能合约中的数据写入函数写入区块链。然后在步骤④将原始加密数据写入SGX平台。通过使用数据拆封包装器，SGX应用程序中的不可信模块与可信模块通信，如步骤⑤所示。在步骤⑥中，完整性检查器模块计算数据的基于哈希的消息认证码（HMAC），并在步骤⑦和步骤⑧中数据被密封和写入磁盘之前附加数据的HMAC。

对于读取操作，用户必须使用注册授权方法向智能合约注册第三方用户。步骤①（红体）所示，第三方用户与智能合约通信，通过提供设备ID来获得设备生成的数据的哈希值。智能合约模块将对用户设备ID和设备地址进行校验，从而确定该用户是否具有数据访问资格。在步骤④（红体）中，SGX平台将利用数据读取API与智能合约模块共同检查用户提供的数据哈希标识符。一旦确定允许用户访问数据，则SGX模块可从步骤⑤（红体）对数据执行检索操作。检索完成后，利用⑥（红体）对数据执行解封操作及完整性检验[步骤⑦（红体）]，之后将再次计算数据的HMAC。如果HMAC没有变化，则用户对数据进行读取操作，如步骤⑨（红体）和步骤⑩（红体）所示。

3 系统仿真与评估

3.1 仿真环境

为验证所提系统性能，本节模拟使用五个物联网设备（GPS与传感器等）和若干部手机来评估物料管理过程。仿真中使用以太坊区块链实现了所提系统中智能合约模块。仿真环境为solidity编程语言，实现了用户注册、设备注册、哈希数据写入/读取访问等接口，使物联网设备能够与智能合约进行交互。

3.2 系统评估

表1所示为各个智能合约操作过程的评估结果，用户使用以太坊Gas完成一个操作的调用。要确认一个事务，该事务必须包含在生成的块中。评估过程中包含4个设备，各设备有效负载情况如表1所示。D4D81EFA-BD50-4874-A97B-433DCB780175

图3所示为区块链平台数据流执行过程，横轴为写入操作负载，纵轴为写入操作吞吐量大小。当写入操作负载从500增加至2000时，写入吞吐量随着写入工作负载的增加而降低。启用哈希映射后，写入吞吐量也会降低。

图4显示了SGX平台上的封装和解封操作CPU开销大小对比结果，其中横轴表示块大小（单位为KB），纵轴表示CPU开销（单位为ms）。使用1024字节的块封装2.8 MB的单个批处理记录所需的平均时间为400ms，而使用32字节的块则需要2000ms。可以看出，随着块大小的增加，封装和解封数据的时间不断缩短。

4 结 论

物料作为重要的权益载体，在烟草行业激励场景中普遍使用。物料作为权益，发放使用过程中需要明确统计其库存流向，确定其适用范围，定位其最终领用用户信息。通过物联网、区塊链技术搭建透明可靠的统一信息平台，使促销物料、赠品从采购入库、活动调配到消费者领取出库都有迹可循，

形成完整的物料追溯链条，从而方便实时查看物料管理状态，追溯物料的采购入库到兑换积分出库的全过程，当发生纠纷时，举证和追查也变得更加清晰和容易。

需注意，在模型验证时，不考虑所提模型网络遭受服务攻击或用户个人数据遭到泄露等情况的做法，在实际应用中有一定局限性，将来可进一步考虑网络受攻击情况及用户隐私问题。

参考文献

[1] 张严柱. 中国烟草行业发展战略选择问题研究[D].大连：东北财经大学，2012.

[2] 王开盛，白晓龙.卷烟市场评价体系研究综述[J].时代经贸，2017（25）：76-77.

[3] 王宏铝.浅析批次管理在浙江中烟的实现思路[J].现代商业，2010（33）：179-180.

[4] 袁勇，王飞跃.区块链技术发展现状与展望[J].自动化学报，2016，42（4）：481-494.

[5] 张宁，王毅，康重庆，等.能源互联网中的区块链技术：研究框架与典型应用初探[J].中国电机工程学报，2016，36（15）：4011-4023.

[6] 杨现民，李新，吴焕庆，等.区块链技术在教育领域的应用模式与现实挑战[J].现代远程教育研究，2017（2）：34-45.

[7] 孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33（3）：1-9.

[8] 丁治明，高需.面向物联网海量传感器采样数据管理的数据库集群系统框架[J].计算机学报，2012，35（6）：1175-1191.D4D81EFA-BD50-4874-A97B-433DCB780175