CN112334848A

CN112334848A - 分层分布式账本

Info

Publication number: CN112334848A
Application number: CN201980041261.9A
Authority: CN
Inventors: K·赫菲希; C·克莱因; M·罗特费尔德; M·施图尔姆; V·扎霍卡克
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2039-06-14
Also published as: US20210263504A1; JP7038863B2; EP3584654A1; WO2019243201A1; US11196564B2; CN112334848B; LT3584654T; DK3584654T3; EP3584654B1; JP2021528753A

Abstract

本发明涉及以安全且可靠的方式监视技术装置的生产。该监视是使用第一分布式账本到第二分布式账本中的封装来实现的。

Description

分层分布式账本

技术领域

本发明的各种示例总体涉及监视包括多个组件的技术装置的生产。各种示例具体涉及基于分布式账本来进行监视。

背景技术

在工业环境中，技术装置的产品属性常常被密切监视。具体地，技术装置的生产被密切监视，例如，出于质量保证的原因。

例如在生产日志中监视技术装置的生产的传统技术面临某些约束和缺陷。例如，传统生产日志可能受制于篡改或伪造。

以下文档从以下现有技术中已知：US 8,531,247 B2、US 8,892,616 B2、US 8,300,811 B2、US 9,147,088 B2、US 9584311 B2、EP 2976707 B1、EP 2 605 445 B1、EP 2870 565 A1、EP 2 891 102 A1、WO 2017137256 A1、EP 2870565 B1、EP 3028140 B1、EP17175275和US 8 843 761 B。

发明内容

因此，存在针对监视技术装置的生产的高级技术的需要。具体地，存在针对提供对抗篡改和伪造的安全性的高级技术的需要。

该需要由独立权利要求的特征满足。从属权利要求的特征限定了实施例。

提供了一种用于监视技术装置的生产的设备。所述技术装置包括多个组件。所述设备包括：控制电路，被配置成针对所述多个组件中的第一组件的多个生产步骤中的每一个触发与所述第一组件相关联的第一分布式账本中相应条目的存放（deposition），所述相应条目与相应生产步骤相关联。所述控制电路进一步被配置成在所述第一组件集成在所述多个组件中的第二组件中时：触发与所述第二组件相关联的第二分布式账本中所述第一分布式账本的封装。

提供了一种监视包括多个组件的技术装置的生产的方法。所述方法包括：针对所述多个组件中的第一组件的多个生产步骤中的每一个触发与所述第一组件相关联的第一分布式账本中相应条目的存放，所述相应条目与相应生产步骤相关联。所述方法还包括在所述第一组件集成在所述多个组件中的第二组件中时：触发与所述第二组件相关联的第二分布式账本中所述第一分布式账本的封装。

一种计算机程序产品或计算机程序包括程序代码。所述程序代码可以由至少一个处理器执行。执行所述程序代码使所述至少一个处理器执行监视包括多个组件的技术装置的生产的方法。所述包括：针对所述多个组件中的第一组件的多个生产步骤中的每一个触发与所述第一组件相关联的第一分布式账本中相应条目的存放，所述相应条目与相应生产步骤相关联。所述方法还包括在所述第一组件集成在所述多个组件中的第二组件中时：触发与所述第二组件相关联的第二分布式账本中所述第一分布式账本的封装。

应当理解，上面提及的特征和下面尚待解释的特征不仅可以以所指示的相应组合而使用，而且可以在不脱离本发明范围的情况下以其他组合或孤立地使用。

附图说明

图1示意性地图示了包括多个组件的技术装置，且进一步示意性地图示了根据各种示例的技术装置的生产。

图2示意性地图示了根据各种示例的实现分布式账本的区块链。

图3示意性地图示了根据各种示例的区块链的封装。

图4是根据各种示例的方法的流程图。

图5示意性地图示了根据各种示例的设备。

具体实施方式

以下，将参考附图来详细描述本发明实施例。应当理解，实施例的以下描述不应在限制的意义上进行。本发明的范围不意在受下文中描述的实施例限制或受附图限制，附图仅被认为是图示性的。

附图应被视为示意性表示，并且附图中图示的元件不必按比例示出。相反，各种元件被表示成使得它们的功能和一般目的变得对本领域技术人员来说明显。功能块、设备、组件、或者附图中所示或本文描述的其他物理或功能单元之间的任何连接或耦合还可以由间接连接或耦合实现。还可以在无线连接上建立组件之间的耦合。功能块可以以硬件、固件、软件或其组合实现。

下文中，描述了促进技术装置的生产的安全且灵活的监视的技术。技术装置的示例包括从多个组件生产的复杂技术系统。具体地，示例包括在多个生产步骤中生产（即，包括第1层组件、第2层组件、第3层组件等等）的复杂技术系统。换言之，根据各种示例，可以监视分层生产过程。

一般而言，本文描述的技术不限于特定类型的技术装置。示例包括但不限于：火车、交通工具、引擎、涡轮机、发电厂、计算机、控制装备、机器人、组装线等。

描述了使得能够采用分布式账本技术以监视技术装置的生产的技术。分布式账本是促进跨地理上远距离的多个站点的数据的复制和共享和同步的分布式数据库。典型地，分布式账本不依赖于管理跨该多个站点的数据分布的集中式权威机构。分布式账本可以在公共算法上操作，该公共算法组织跨该多个站点的数据分布。该算法可以提供对抗在分布式账本中记录的交易的篡改和伪造的安全性。

分布式账本的示例是区块链。下文中，为了简明，将主要关于使用区块链的实现方式来描述各种技术。然而，可以容易地将类似技术应用于其他种类和类型的分布式账本。

区块链是验证和存储对等网络中发生的交易的复制分布式账本。区块链不依赖于任何中央受信权威机构的操作。取而代之，其可信度是从区块链算法导出的，且可选地，是从用于处理网络中的节点的刺激机制导出的。区块链提供了存储交易的分散式受保护机制。交易的示例包括数字货币、智能合约和物联网应用中的数据。区块链通过使用密码学来保护其在相应分布式数据库中的条目（区块）和对应的交易日志免于操控。区块承载交易集合。每一个区块使用经加密的密钥来指向其前一区块。由此，通过改变信息而对区块的操控是不可能的或者仅在有限程度上可能。

各种技术基于下述调查结果：在工业环境中，产品属性或来自生产过程的数据（例如温度、震动（shock）等）常常需要被记入日志。各种技术基于下述调查结果：这种日志可以是使用区块链来实现的。这里，可以满足针对数据完整性的需要，即使考虑到典型地涉及的多个利害关系人：从在处理上原始材料的运送到复杂装置的构造的价值链的每一个步骤可以被存储在区块链中，使得任何利害关系人获得与生产的上游活动有关的知识。区块链附加地被保护免于操控。这是重要的功能，这是由于操控质量数据可能潜在地创造针对一些利害关系人的金钱利益。质量保证变得可能。

各种技术基于下述调查结果：由于典型地以分层方式生产技术装置，因此用于监视生产的技术需要能够通过存储生产步骤的物理技术参数的相关数据来充分覆盖该层级。使用这种层级而制造的技术装置的示例是计算机。计算机由不同组件（第1层）构成，每一个组件进而由子组件（第2层）构建。系统的这种分层分解的示例在图1中描绘。

图1示意性地图示了关于技术装置530的方面。技术装置530包括多个组件501-523。具体地，技术装置530包括多个层级的组件：最高层级水平处的第1层组件521-523；下一较低层级水平处的第2层组件511-516；以及最低层级水平处的第3层组件501、502。例如，第3层组件501、502在装置530的生产期间集成到第2层组件511中，第2层组件511进而与另一第2层组件512一起集成到第1层组件521中。第1层组件521然后与另一第1层组件522、523一起集成以形成系统530。

一般而言，每一个组件501-523的生产可以包括一个或多个生产步骤。例如，为了生产组件511，可能要求两个、三个或更多个生产步骤的计数（生产步骤未在图1中图示）。

例如，令图1的组件511为要集成到计算机530中的图形卡。然后，计算机530的质量属性将依照图形卡的种类和类型而变化。根据本文描述的技术，可能提供计算机的生产的防篡改日志，其包括图形卡的种类和类型的指示。

一般而言，可能监视根据本文描述的各种示例的装置530的生产的不同属性。如将从图1中领会的那样，技术装置530由下述各项表征：（i）装置530的生产中涉及的生产步骤的数目和类型；（ii）从中生产它的组件501-523的数目和类型；以及（iii）与组件501-523相关联的相应生产步骤的物理技术参数。根据本文描述的各种示例，可能使用区块链来监视（i）和/或（ii）和/或（iii）。因此，如将领会的那样，可以在本文描述的示例中实现监视的不同水平的细节。

在本文描述的各种示例中，可以监视生产步骤的各种物理技术参数。示例包括：关联生产装备的差错日志；执行生产步骤所需的持续时间；生产站点处的环境参数，例如温度、压力、湿度、震动等；生产装备的操作参数；等等。

各种技术基于下述调查结果：如果生产是使用区块链来监视的并且如果第n-1层集成到第n层组件中，则集成的该分层步骤也可以被应用于区块链中存储的数据。图2图示了区块链的细节。

图2图示了关于区块链的方面，具体地，生成区块链600的算法。在图2的示例中，区块链600包括多个区块671-673——其实现分布式账本的条目。

每一个区块671-673例如凭借密码散列值621-623指向区块链600的前一区块671-673（成链）。例如，区块672指向区块671，其中基于区块671来生成区块672的散列值622。散列值对应于每一个区块671-673的数字签名。从区块生成散列值在计算上是容易的，但从散列值生成区块是困难的。从而，容易检验针对区块而提供的散列值是否是有效的，例如通过简单地再次生成以及将其与区块中包括的散列值进行比较。

每一个区块671-673包括首部611-613，首部611-613可以包括一个或多个相应交易661-663的概要，例如它的默克尔（Merkle）树。例如，每一个区块671-673可以包括交易661-663的列表。一般地，交易661-663可以对应于要记入日志的数据。每一个交易661-663典型地由交易的拥有者来签名。签名631-633变成区块671-673的一部分；且因此还变成下一区块671-673的散列值621-623的一部分。基于私钥641-643和使用交易661-663的相应签名算法——或者更具体地，基于交易661-663而计算的散列值621-623——作为输入，生成签名631-633。签名631-663可以是基于相应拥有者的公钥来验证的。

为了触发区块671-673的存放，要求向相应区块给出有效散列值621-623。为了计算散列值621-623，可以考虑时间戳和随机值。可以设置困难。添加区块671-673的过程有时被称为挖掘。通过请求参与节点进行挖掘来触发存放。

使用该算法，改变现有区块671-673中的数据是计算上昂贵的任务。改变区块中的数据（例如，交易661-663）将改变其散列，且将使区块链无效，这是由于所操控的区块后的区块将具有针对前一区块的无效散列。

以使得其具有与现有区块相同的散列的方式生成区块在理论上是可能的，这是由于散列的数目是有限的并且区块的数目是无限的，但这在数学上是困难的。

区块链具有不同应用，且一般可以被用作分布式数据库。其可以与允许可编程商务逻辑或有条件交易的智能合约一起使用。智能合约是在区块链上运行的半自主程序。它们可以存储和更新变量，并实例化和调用其他智能合约。以太坊是支持针对智能合约的图灵完整脚本语言（Solidity）的最广泛使用的区块链。对代码的有效执行的信任由对区块链的完整性的信任引起。

如将从图2中领会的那样，区块链600的结构是线性的。成链的区块671-673的序列被包括在区块链600中。各种技术基于下述调查结果：区块链600的这种线性结构在被孤立地看时并不非常适合于监视包括组件501-523的层级的复杂技术装置530的生产过程。

为了解决这一点，根据各种示例，针对区块链而采用封装的构思。例如，针对第一组件501-523的多个生产步骤中的每一个，触发第一区块链中与相应生产步骤相关联的相应区块的成链。第一区块链与第一组件相关联。由此，第一区块链可以包括多个区块，该多个区块包括指示第一组件的各种生产步骤的物理技术参数的交易。

然后，最终完成第一组件的生产。然后将第一组件集成到另一第二组件中。在第一组件集成到第二组件中时，触发与第二组件相关联的第二区块链中第一区块链的封装。第二区块链进而可以包括多个区块，该多个区块包括指示第二组件的物理技术参数生产步骤的交易。

一般而言，该构思可以被容易地应用于分布式账本技术。这里，触发与第一组件相关联的第一分布式账本中条目的存放，其中条目与第一组件的相应生产步骤相关联。然后，在第一组件集成在第二组件中时，触发与第二组件相关联的第二分布式账本中第一分布式账本的封装。

令B = b₁、……、b_n为具有组件C_B的区块B_i的区块链B。如果来自生产步骤的生产数据被存储在区块链的区块b_i∈B中，则区块Bi可以被称为生产区块。如果在任何生产步骤期间现有组件C_A集成到组件C_B中，则使用B的生产区块将集成的过程记入日志。在开始集成过程之前，使用所谓的集成区块（这对应于封装）将组件C_A的现有区块链A存储到区块链B中。因此，关于在组件C_A集成到组件C_B中之前在区块b_m、……、b_n中记入日志的一些生产步骤和在区块b_s、……、b_t中记入日志的一些另外生产步骤，区块链B是：

B = ……、b_m、……、b_n、b_integration、b_s、……、b_t

其中b_integration存储包含针对组件C_A的生产日志的现有区块链A。因此，区块链A的各种区块可以被聚集到区块链B的单个区块中。这里，区块b_integration被存放在区块链B中，且与将组件C_A集成在组件C_B中的生产步骤相关联。

通过该封装构思，可以监视在生产过程期间技术装置的分层组成。以该方式，可以使用现有区块链算法以检验完整性。

在经封装的区块链上操作的示例完整性检验由表I中的伪码图示。

(1) bool hierarchical_check (Blockchain B)

(2) {

(3) bool integrity=true;

(4) foreach (Block b in B)

(5) {

(6) if (check (b) !=true)

(7) {

(8) integrity=false;

(9) break;

(10) }

(11) if (b is integration block)

(12) {

(13) if (hierarchical_check (b) ! =true)

(14) {

(15) integrity=false;

(16) break;

(17) }

(18) }

(19) }

(20) return integrity;

(21) }

表I。

如将从表I中领会的那样，完整性检验最初在区块链B上操作——区块链B在层级方面比区块链A高——参见伪码的第4行。然后，针对区块链B递归地调用完整性检验——区块链B在层级方面较低——参见伪码的第13行。因此，递归地应用完整性检验，从而在层级方面沿经封装的区块链下降。

使用区块链的分层封装并且使用如表I中呈现的算法检验数据完整性，可以将分层分解的系统属性存储在区块链中。这还在图3中图示。

图3图示了存储用于图1中描绘的系统的分解的数据的区块链609的示例。如所图示的那样，存在不同集成步骤。例如，通过对组件515和516进行集成且然后实施一个附加生产步骤来生产组件522。以该方式，以与装置530相同的方式分解区块链609。区块链609中包含的交易反映了针对组件511-523的所存储的数据，并且数据的完整性由区块链技术确保。

在图3中，使用星号来标记每一个区块链601-609的根或创世区块。这些创世区块不具有前身，且因而不并入有相应区块链601-609的任何另外区块的散列值。每一个区块链601-609具有对应的创世区块。

一般而言，被封装在彼此内的各种区块链可以共享相同算法，例如，如结合图2解释的算法。例如，可以采用相同散列算法，其根据表I来促进递归完整性检验。

图4是根据各种示例的方法的流程图。

该方法开始于框1001处。

接着，在框1002处，触发相应分布式账本中创世条目的存放。该条目可以指示给定组件的生产步骤的一个或多个物理技术参数；或者指示给定组件的生产步骤的类型。

接着，在框1003处，检验是否出现给定组件的另一生产步骤。在肯定的情况下，重新执行框1002，即，触发分布式账本中另一条目的存放。由于框1002的重新执行不是框1002的第一次迭代，因此分布式账本的该另一条目不是创世条目。由此，框1002的当前迭代取决于框1002的前一次迭代，例如通过将先前存放的条目的对应散列值并入到要存放的当前条目中或者应用另一存放算法。

一般而言，触发分布式账本中条目的存放可以包括分散式处理。具体地，将可能的是，通过参与分布式账本的多个节点的大规模协作来认证要在分布式账本中存放的条目的对应交易。相应地，对应交易或指示对应交易的控制数据可以被传送到参与分布式账本的一个或多个节点。这里，可以验证交易的签名。

将条目存放在分布式账本中可以是通过在区块链中对区块成链来实现的。

当执行框1002的迭代时，两个场景是可想到的。

在第一场景中，关联生产步骤不涉及将一个或多个子组件并入到给定组件中；相反，关联生产步骤可以对应于给定组件的操控或测试。示例将包括：芯片的后端测试，其中芯片自身未被修改；或者管芯的蚀刻等。

在第二场景中，关联生产步骤涉及将一个或多个子组件并入到给定组件中。然后，分布式账本的对应条目可以指示聚集与该一个或多个子组件相关联的一个或多个分布式账本的交易。这对应于将与该一个或多个子组件相关联的一个或多个分布式账本封装到与给定组件相关联的分布式账本中。这种生产步骤的示例包括将管芯附着在芯片载体上、将图形卡集成到计算机中等。

一般而言，第一分布式账本到第二分布式账本中的封装可以是使用也被应用于将传统交易存放到第二分布式账本中的相同存放算法来实现的。上面已经关于图2描述了这种存放算法的示例；这里，前一条目的散列值被包括在后一条目中，并且指示相应交易的控制数据被包括在每一个条目的首部中。

如果在框1002的一次或多次迭代之后在框1003处判断未出现另一生产步骤，那么执行框1004。在框1004处，触发包括与框1002的该一次或多次迭代相关联的一个或多个条目的分布式账本在更高层级的另一分布式账本中的封装。框1004是可选的。

该方法结束于框1005处。

图5示意性地图示了关于设备701的方面。该设备包括控制电路，该控制电路包括存储器702和处理器703。处理器703可以加载来自存储器702的程序代码。在执行程序代码时，处理器703可以实现如本文关于使用分布式账本（诸如区块链）（具体地，使用分布式账本的层级）监视技术装置的生产而描述的技术。具体地，处理器703可以实现依赖于将较低层级分布式账本封装到较高层级分布式账本中的技术。

设备701还包括接口704。处理器703可以通过经由接口704传送控制信号来触发条目到分布式账本中的存放。例如，交易可以被提供给参与分布式账本的一个或多个节点，以用于验证。然后，对应的条目可以在验证时被添加分布式账本。

总之，已经描述了用于提供将包括子区块链的区块包括在层级中的区块链的技术。该层级对应于从多个组件对关联技术装置的生产的层级。较高水平层级区块链封装一个或多个较低水平层级区块链。

尽管已经关于某些优选实施例示出和描述了本发明，但对本领域其他技术人员来说将在阅读和理解说明书时想到等同物和修改。本发明包括所有这种等同物和修改，且仅受所附权利要求的范围限制。

为了说明，上面已经描述了依赖于区块链以监视技术装置的生产的各种示例。类似技术可以被容易地应用于其他种类和类型的分布式账本。

Claims

1.一种用于监视包括多个组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）的技术装置（530）的生产的设备（701），所述设备（701）包括控制电路，所述控制电路被配置成：

针对所述多个组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）中的第一组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）的多个生产步骤中的每一个：触发与所述第一组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）相关联的第一分布式账本（600-609）中相应条目（671-673）的存放，所述相应条目（671-673）与相应生产步骤相关联，以及

在所述第一组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）集成在所述多个组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）中的第二组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）中时：触发与所述第二组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）相关联的第二分布式账本（600-609）中所述第一分布式账本（600-609）的封装。

2.如权利要求1所述的设备（701），

其中所述第二分布式账本（600-609）中所述第一分布式账本（600-609）的封装的所述触发包括：

触发与所述第二组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）中所述第一组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）的集成的相应生产步骤相关联的第二分布式账本（600-609）中相应条目（671-673）的存放。

3.如权利要求1或2所述的设备（701），

其中所述第一分布式账本（600-609）中的条目（671-673）指示生产步骤的物理技术参数。

4.如权利要求3所述的设备（701），

其中所述物理技术参数选自包括下述各项的组：差错日志；持续时间；环境参数；以及生产装备的操作参数。

5.如前述权利要求中任一项所述的设备（701），

其中所述控制电路进一步被配置成执行递归完整性检验，其中所述递归完整性检验在所述第一分布式账本（600-609）上操作之前在所述第二分布式账本（600-609）上操作。

6.一种监视包括多个组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）的技术装置（530）的生产的方法，所述方法包括：

针对所述多个组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）中的第一组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）的多个生产步骤中的每一个：触发与所述第一组件（501、502、511、512、515、516、521、522、523）相关联的第一分布式账本（600-609）中相应条目（671-673）的存放，所述相应条目（671-673）与相应生产步骤相关联，

7.如权利要求6所述的方法，

8.如权利要求6或7所述的方法，

9.如权利要求8所述的方法，

10.如权利要求6至9中任一项所述的方法，进一步包括：

执行递归完整性检验，其中所述递归完整性检验在所述第一分布式账本（600-609）上操作之前在所述第二分布式账本（600-609）上操作。