选举供应链：基于区块链的供应链自治框架

许蕴韬，朱俊武*，孙彬文，孙茂圣，陈四海

选举供应链：基于区块链的供应链自治框架

许蕴韬1，朱俊武1*，孙彬文1，孙茂圣2，陈四海3

（1.扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225127； 2.扬州大学 信息化建设与管理处，江苏 扬州 225127； 3.阜宁县自来水有限公司信息中心，江苏 盐城 224404）（*通信作者电子邮箱jwzhu@yzu.edu.cn）

区块链与供应链的结合应用是近几年的热门研究课题。区块链的数据可溯源、防篡改、分布式存储等优点可以为供应链提供较好的数据安全保障，而区块链自身的自治属性也为供应链自治提供了可能。区块链的自治主要依赖于共识机制，然而现有共识机制难以实现对供应链自治的良好支持。针对上述问题，提出一种基于委托权益证明（DPoS）的选举型共识机制，并在此基础上构建了一个基于区块链的供应链自制框架：选举供应链（ESC）。在ESC中，先根据节点参与的智能合约活动计算其信用分，然后从博弈论的角度分析ESC下节点的活跃度和信用分数对其权益的影响。最后，通过定理证明与仿真实验验证了该机制对节点具有良好的激励作用，能有效抑制理性节点支付的最大交易费用，且抑制的力度会随着代表数量的增加而增大。

供应链；区块链；智能合约；选举；共识算法；博弈论

0 引言

传统供应链在数据溯源、数据安全性、数据存储等方面有较高的要求。区块链具有数据可追溯、数据防篡改、分布式存储等优点，引入智能合约后，区块链的去中心化、去信任等属性［1］也日益凸显。此外，区块链系统表现出较强的自治属性，这为供应链中的自主管理提供了可能。在区块链及其智能合约的支持下，供应链的自动化、自治程度将得到极大提高。

区块链智能合约最早以比特币脚本［2］的形式被用于控制简单的比特币交易。近年来，随着以太坊、Hyperledger Fabric等内置图灵完备开发环境的区块链平台的发布，智能合约的计算功能得到进一步完善。在区块链与物联网（Internet of Things， IoT）等技术的加持下，传统供应链中的生产、装配、运输、仓储等流程均可利用智能合约实现不同程度的自动化。

近几年工业界十分重视IoT-区块链在供应链中的应用。文献［6］中综述了区块链在供应链管理中的应用，分析了不同行业下供应链的需求特点与相应的区块链解决方案；文献［7］中对IoT-区块链系统网络进行了详尽的调查分析，列举并对比了现有IoT-区块链系统采用的各种共识机制。Filament［8］、UniquID［9］、LeewayHertz［10］等一众IoT-区块链产品仍以最成熟、最安全的PoW作为共识机制，但由于IoT设备的计算和存储能力有限，在此基础上做工作量证明计算会带来较高的能耗，同时降低系统的工作效率。研究者尝试使用不同的共识算法来适应不同供应链场景的IoT-区块链服务：Rejeb［11］使用权威证明（Proof of Authority， PoA）对IoT传感器采集的用户数据进行认证，PoA将记账权授予最值得信赖的、高集成的主节点；Waltonchain［12］采用父子链架构的贡献证明（Waltonchain Proof of Contribution， WPoC）保证IoT数据的信息透明，WPoC是一种混合共识机制，其父链采用PoW+PoS，子链则采用劳动证明（Proof of Labor），即“多劳多得”；Blockcloud［13］提出了服务证明（Proof of Service）来实现一个去中心化的物联网服务框架；Gemini-chain［14］服务于加密货币交易监管，在拜占庭容错（Byzantine Fault Tolerance， BFT）共识机制的基础上加入信用评级机制，据此调整节点权限；Hawk［15］、ProvChain［16］、Zcash［17］主要面向交易信息隐私保护问题，采用改进的轻量化PoS、PoW机制，在保证高安全性的同时兼顾改善了吞吐量和延迟问题。不难发现，不同的共识算法适用于不同侧重的供应链服务场景，在涉及供应链管理、自治的服务场景下，研究者较为看重节点在区块链网络中的信用、贡献等属性，但少有工作关注智能合约在供应链自治中的重要性。

为进一步探讨供应链自治在与区块链结合应用下的可能性，本文提出一种基于DPoS改进的共识机制，并在此基础上提出了选举供应链（Election-based Supply Chain， ESC）框架，该框架根据网络节点在供应链中参与的智能合约活动计算其信用分，节点凭借信用分参与记账人选举，实现基于IoT-区块链的供应链自治系统。

1 ESC的框架与模型

1.1 概述

ESC中，智能合约是网络节点间交互活动的主要载体。图1显示了ESC的一个简单框架，它包括5种供应链基本角色类型：制造商、运输商、零售商、消费者、IoT监管部门。ESC通过代表选举来保证各角色间形成自治，节点的竞选依据是：根据其交互数据计算出的动态变化的信用分。当选为代表的节点获得更高的权限，获得一些额外的经济奖励，并参与区块链网络的管理（数据打包、区块生产等）。

图1 ESC简单框架

1.2 数据存储

ESC中不同角色产生的数据被存储在本地服务器中进行预处理，然后通过共识机制更新到区块链上。图2给出了一部分数据的类型。数据存储通常包含三个步骤：

1）原始数据采集。IoT传感器严格监控供应链中的生产、运输、仓储等流程，它们自动收集产品在每一流程的相关参数，并发送到本地服务器进行预处理。

2）数据预处理。因为遵循多种硬件/软件协议，从多个IoT传感器收集的原始数据的可读性较差，预处理过程使这些原始数据易于访问。

3）数据更新。通过有效的共识机制，预处理的数据被打包成一个新的区块并更新到区块链。

图2 ESC数据存储

1.3 智能合约

智能合约提高了供应链角色的交互效率。在ESC中，智能合约的主要功能有：对于制造商，智能合约用于连接IoT传感器并收集生产数据，如果某些数据出现异常，智能合约可以及时报警并做出应急反应；对于运输商，智能合约用于跟踪运输路线、监测物流仓储温湿度等；对于零售商，智能合约用于与制造商指定采购合同、与消费者交易、处理售后服务等；对于消费者，智能合约用于与卖家签订购买协议、对产品进行评价、进行售后维权等；对于市场秩序监管部门，智能合约是一些政策与建议，如提高税率、改善生产要求等。

1.4 共识机制

图3 ESC节点类型及权限

表1 ESC关键参数描述

1.4.1 代表选举

普通数据节点可注册成为矿工。代表节点通过一个加权投票模型从所有矿工中选出，下面给出代表选举模型。

定义1 代表选举模型如下：

1.4.2 智能合约上链

图4 ESC智能合约的链上更新过程

定义 2 智能合约的上链过程选举模型如下：

2 可行性分析

2.1 活跃度的影响

对函数（10）求导，有：

图5 函数

对函数（13）求导，得：

2.2 信用的影响

3 仿真测试

实验结果的直方图如图6所示，其中：

图6 对总费用范围的影响

从图6可以看出：

4 结语

本文针对IoT-区块链在供应链自治方面的应用中的共识机制改进问题，提出了选举供应链（ESC）框架，它基于改进的DPoS共识机制，充分考虑了节点的活跃度与智能合约参与情况，并依此计算节点的信用分，根据信用分选举代表并分配记账权。ESC是一种面向供应链自治管理的解决方案，通过本文的定理证明得出，它对节点参与智能合约活动具有良好的激励性；同时，仿真实验结果表明，ESC能够对节点自发的交易费行为起到较好的抑制作用。

智能合约在IoT-区块链及其供应链应用中的积极作用越来越明显，节点参与智能合约的编写、测试、调用等工作，对维护整个系统的自治、自动化贡献巨大。因此，下一步工作是研究智能合约解构、合约质量评价、合约的自生成与监管，进一步为构建供应链自治系统奠定基础。

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Election-based supply chain： a supply chain autonomy framework based on blockchain

XU Yuntao1， ZHU Junwu1*， SUN Binwen1， SUN Maosheng2， CHEN Sihai3

（1，，225127，；2，，225127，；3，，224404，）

The combination of blockchain and supply chain is a popular research topic in recent years. The advantages of blockchain such as data traceability， tamper proof and distributed storage can guarantee good data security for supply chain， while the autonomy property of blockchain also provides possibility of supply chain autonomy. The autonomy of blockchain mainly depends on consensus mechanism， but the existing consensus mechanism is difficult to realize good support for supply chain autonomy. To solve the above problems， an election-based consensus mechanism based on Delegated Proof of Stake （DPoS） was proposed， and on this basis， a self-made framework of supply chain based on blockchain was constructed， namely Election-based Supply Chain （ESC）. In ESC， the credit score of a node was first calculated according to the smart contract activities participated in by this node. Then， from the perspective of game theory， the influences of node active degree and credit score on stake under ESC were analyzed. Finally， theorem proving and simulation experiments verify that the proposed mechanism has a good incentive effect on nodes and can effectively inhibit the maximum transaction cost paid by rational nodes，and the inhibition increasing with the increase of the number of delegates.

supply chain; blockchain; smart contract; election; consensus algorithm; game theory

This work is partially supported by National Natural Science Foundation of China （61872313）， Research Fund of Open Project of State Key Laboratory of Marine Engineering （1907）， Jiangsu Water Conservancy Science and Technology Project （2017071）， Key Research Project of Education Informatization in Jiangsu Province （20180012）， Science and Technology Project of Emergency Management Department of Jiangsu Province （YJGL-YF-2021-3， YJGL-YF-2020-17）， Yangzhou Science and Technology Program （YZ2019133， YZ2020174）.

XU Yuntao， born in 1997， M. S. candidate. His research interests include blockchain， algorithmic game theory.

ZHU Junwu， born in 1972， Ph. D.， professor. His research interests include artificial intelligence， knowledge engineering， algorithmic game theory.

SUN Binwen， born in 1999. His research interests include blockchain.

SUN Maosheng， born in 1971， Ph. D.， senior engineer. His research interests include artificial intelligence.

CHEN Sihai， born in 1971， engineer. His research interests include Intelligent water affairs system integration， enterprise information applications.

TP311

A

1001-9081（2022）06-1770-06

10.11772/j.issn.1001-9081.2021091761

2021⁃10⁃13；

2022⁃01⁃11；

2022⁃01⁃13。

国家自然科学基金资助项目（61872313）；海洋工程国家重点实验室开放课题研究基金资助项目（1907）；江苏省水利科技项目（2017071）；江苏省教育信息化研究重点课题（20180012）；江苏省应急管理厅科技项目（YJGL-YF-2021-3， YJGL-YF-2020-17）；扬州市科技计划项目（YZ2019133， YZ2020174）。

许蕴韬（1997—），男，江苏兴化人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向：区块链、算法博弈论；朱俊武（1972—），男，江苏江都人，教授，博士生导师，博士，CCF高级会员，主要研究方向：人工智能、知识工程、算法博弈论；孙彬文（1999—），男，江苏扬州人，主要研究方向：区块链；孙茂圣（1971—），男，江苏海安人，高级工程师，博士，主要研究方向：人工智能；陈四海（1971—），男，江苏阜宁人，工程师，主要研究方向：智慧水务系统集成、企业信息化应用。