CN113239409B - 基于区块链的钢结构溯源系统及方法 - Google Patents

基于区块链的钢结构溯源系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的钢结构溯源系统及方法，包括由若干个施工方服务器、运输方服务器、加工方服务器和监管部门服务器组成的区块链系统；施工方服务器、运输方服务器、加工方服务器和监管部门服务器分别为区块链系统中的联盟节点，并通过将各自涉及的钢结构实施过程中的数据在区块链上留存，为每一个钢构件和每一个用户设置全局唯一的用户ID、钢构件ID，将参与钢结构实施过程的用户ID、钢构件ID与钢结构实施过程中的数据关联，保存到区块链系统，实现钢结构实施全过程可信记账。本发明实现不同地域、不同参与方之间的钢构件数据及时有效的互通，数据来源可追踪；各参与方间权责划分清晰，质量问题溯源可靠，数据安全不外泄。

Description

基于区块链的钢结构溯源系统及方法
技术领域
本发明涉及区块链技术的应用，尤其是涉及基于区块链的钢结构溯源系统及方法。
背景技术
在建筑领域内，钢结构建筑因其具有安全性高，施工周期短的特点被广泛应用。随着钢结构的快速发展，钢结构的管理和质量问题也日益凸显。目前钢结构一般由加工厂加工好，然后运输到施工现场进行拼装，其中涉及到深化设计、原材料采购、取样评估结果确认、钢构件加工、焊接检测结果确认、质量检验、出场运输、验收入库、出库安装和安装验收10个流程环节，10个流程环节由加工方、运输方和施工方分别管控，各参与方之间信息不共享，造成各参与方之间信息不能及时有效的互通，资料可信性差，权责不易划分，无法进行可靠的质量问题溯源。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于区块链的钢结构溯源系统，本发明另一目的在于提供该溯源系统的溯源方法。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述基于区块链的钢结构溯源系统，包括由若干个施工方服务器、运输方服务器、加工方服务器和监管部门服务器组成的区块链系统，所述施工方服务器、运输方服务器、加工方服务器和监管部门服务器分别为所述区块链系统中的联盟节点；
施工方服务器，用于将施工方涉及到的钢构件入库验收过程中的验收单、出库过程中的出库清单、以及安装验收过程中的验收确认文件，通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据通过加密路径映射上传到区块链中；区块链将SM3计算得出的数据摘要在链上留存，具体数据通过数据加密路径映射存储到该施工服务器中，实现链上节点和业务系统数据的关联；
运输方服务器，用于将运输方涉及到的钢构件出场运输过程中的发货单通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据加密路径映射上传到区块链中，区块链将SM3计算得出的数据摘要在链上留存，具体数据通过数据加密路径映射存储到该运输方服务器中；
加工方服务器，用于将加工方涉及到的钢构件深化设计过程中的深化设计图纸、原材料采购过程中的采购清单、取样评估过程中的评估报告、钢构件加工过程中的加工确认单、焊接检测结果确认过程中的检测报告、质量检验过程中的质检合格证通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据加密路径映射上传到区块链中，区块链将SM3计算得出的数据摘要在链上留存，具体数据通过数据加密路径映射存储到该加工方服务器中；
监管方服务器，用于对钢结构实施全过程进行安全监管，将涉及到的不同钢构件信息的相关数据区块进行分类汇总统计。
进一步地，所述施工方服务器、运输方服务器、加工方服务器，通过将各自涉及的钢结构实施过程中的数据在区块链上留存，并为每一个钢构件和钢结构实施过程中的每一个用户设置全局唯一的用户ID、钢构件ID，将参与钢结构实施过程的所述用户ID、钢构件ID与钢结构实施过程中的数据关联，保存到区块链系统，实现钢结构实施全过程可信记账。
本发明所述钢结构溯源系统的溯源方法，包括账号注册、数据上传、数据获取和安全监管；
所述账号注册，包括下述步骤：
S1.1，用户填写个人信息，包括由离线SM2算法生成的个人密钥中的公钥信息,然后向对应的所述联盟节点发起申请账号请求；
S1.2，联盟节点审核用户信息的完整性, 并验证用户公钥的真实性;
S1.3，验证通过后，为用户生成全局唯一的用户ID，并为该用户ID配置权限数据，构建账号数据区块，在区域链系统中发起共识请求；所述账号数据区块包含用户ID、用户公钥信息和所述权限数据；
S1.4，等待其他联盟节点验证该共识请求的真实性，验证失败则向该用户返回注册失败信息；
S1.5，验证成功后，该联盟节点将账号数据区块写入区块链，并返回用户ID给该用户；其中该返回的用户ID信息将通过SM2算法使用该用户提供的公钥加密；用户使用自己的私钥解密；
所述数据上传，包括下述步骤：
S2.1，用户向对应的联盟节点发起登陆请求，并提供自己的私钥通过SM2算法对信息进行签名；
S2.2，联盟节点通过区块链的认证合约对该用户进行签名验证，验证成功后该用户被允许进入到区块链系统进行数据上传操作；用户在区块链系统中的每一步操作之前都要进行签名验证；
S2.3，该用户根据区块链上传合约约定，上传与其负责的钢构件实施环节中所涉及的钢构件相关的钢构件信息，并向联盟节点发起审核请求；
其中，用户负责的钢构件实施环节中所涉及的钢构件相关的钢构件信息及文件格式见表1；
表1：
S2.4，联盟节点审核信息的完整性后，向其他联盟节点发起区块链共识请求，请求共识上链，并构建数据区块；
所述数据区块为三元组结构，包括<DATA{ steel structure}，SIG{operator}，INFO{origin} >（钢构件的信息、上传该钢构件信息的用户信息和信息来源），通过将钢构件信息与上传该信息的用户以及信息来源关联起来，实现钢构件全流程信息存储与溯源；其中数据区块中大文件信息存储在本地数据库中，文件信息通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据加密路径映射上传到区块链中；
S2.5，其他联盟节点验证共识请求真实性，验证成功则将数据区块写入区块链，并返回成功录入信息；验证失败，则将失败信息返回；
所述获取数据，包括下述步骤：
S3.1，用户向对应的联盟节点发起登陆请求，并提供自己的私钥通过SM2算法对信息进行签名；
S3.2，联盟节点通过区块链的认证合约进行签名验证；
S3.3，验证正确后，联盟节点自动验证用户账号权限，通过Hyperledger的数据通道机制为账号分配权限数据通道；
S3.4，用户向联盟节点发送获取数据请求，并使用该用户的公钥对获取数据请求进行签名；
S3.5，联盟节点通过区块链数据获取合约，从数据库中提取对应的数据区块，将数据区块加密返回给该联盟节点；
S3.6，用户使用其私钥对数据区块进行解密，获得数据；
通过获取数据，实现数据共享，为区块链内所有的联盟节点提供数据查询功能，任一用户可以从任一区块链内的联盟节点上获取其他联盟节点上传的钢结构施工过程数据，实现不同地域、不同参与方之间的钢构件数据及时有效的互通；
所述安全监管，包括下述步骤：
S4.1用户发起登陆请求，提供自己的私钥通过SM2算法对信息进行签名，通过区块链的认证合约进行签名验证，验证正确后进入到系统中进行相关操作；
S4.2所述监管服务器自动验证用户账号权限，通过Hyperledger的channel数据通道机制为账号分配权限数据通道；
S4.3该用户向监管服务器提交监管请求，监管服务器通过审计合约按照不同的企业、不同工地项目，将涉及到的不同钢构件信息的相关数据区块进行分类汇总统计，方便监管部门进行审计。
进一步地，S1.3中，所述权限数据分为3个等级：一级权限用于各环节中涉及到的钢构件具体负责人员拥有其所负责的数据权限；二级权限用于各环节中涉及到的钢构件公司和部门拥有其所参与的钢构件环节的数据权限；三级权限用于监管部门拥有所有数据权限。
本发明优点在于将钢结构工程涉及到的所有参与方设置为区块链中的联盟节点，为钢结构中每个钢构件和每个参与钢结构实施流程的用户建立全局唯一的编号，与钢构件各环节的关键证书和文件一起上链存储，实现不同地域、不同参与方之间的钢构件数据及时有效的互通，数据来源可追踪，数据真实可靠，不可篡改；各参与方间权责划分清晰，质量问题溯源可靠；同时本发明还结合密码学技术和权限控制保证所有数据处理过程加密，数据安全不外泄。
附图说明
图1是本发明涉及到钢结构实施的各工作环节流程图。
图2是本发明所述钢结构溯源系统网络架构图。
图3是本发明所述账号注册流程图。
图4是本发明所述权限控制示意图。
图5是本发明所述数据上传流程图。
图6是本发明所述数据共享示意图。
图7是本发明所述数据获取流程图。
图8是本发明所述安全监管示意图。
图9是本发明所述溯源系统物理层的部署方案框图。
图10是本发明的数据采用压缩前缀树数据存储结构框图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所述基于区块链的钢结构溯源系统，涉及到钢结构实施的10个工作环节；即：深化设计→原材料采购→取样评估结果确认→钢构件加工→焊接检测结果确认→质量检验→出场运输→验收入库→出库安装→安装验收。
其中，加工方参与的工作环节是：深化设计、原材料采购、取样评估结果确认、钢构件加工、焊接检测结果确认和质量检验；运输方参与的工作环节是出场运输过程；施工方参与的工作环节是：验收入库、出库安装和安装验收。
如图2所示，是本发明实施例提供的基于区块链的钢结构溯源系统构架图；包括由若干个施工方服务器、运输方服务器、加工方服务器和监管部门服务器组成的区块链系统，施工方服务器、运输方服务器、加工方服务器和监管部门服务器分别为该区块链系统中的联盟节点。区块链系统内可以包括联盟内各个参与方的服务器，例如，服务器可以为参与出场运输过程的运输方在该区块链系统中对应的联盟节点，也可以是参与原材料采购、取样评估结果确认等过程的加工方在该区块链系统中对应的联盟节点。
施工方服务器，用于将施工方涉及到的钢结构实施过程中钢构件入库验收过程中的验收单、出库安装过程中的出库清单和安装验收过程中的验收确认文件通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据加密路径映射上传到区块链中；区块链将SM3计算得出的数据摘要在链上留存，具体数据通过数据加密路径映射存储到该施工服务器中，实现链上节点和业务系统数据的关联。
运输方服务器，用于将运输方涉及到的钢结构实施过程中钢构件出场运输过程中的发货单通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据加密路径映射上传到区块链中，区块链将SM3计算得出的数据摘要在链上留存，具体数据通过数据加密路径映射存储到该运输方服务器中，实现链上节点和业务系统数据的关联。
加工方服务器，用于将加工方涉及到的钢结构实施过程中钢构件深化设计过程中的深化设计图纸、原材料采购过程中的采购清单、取样评估过程中的评估报告、钢构件加工过程中的加工确认单、焊接检测结果确认过程中的检测报告和质量检验过程中的质检合格证通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据加密路径映射上传到区块链中，区块链将SM3计算得出的数据摘要在链上留存，具体数据通过数据加密路径映射存储到该加工方服务器中，实现链上节点和业务系统数据的关联。
所述施工方服务器、运输方服务器、加工方服务器，通过将各自涉及的钢结构实施过程中的数据在区块链上留存，并为每一个钢构件和钢结构实施过程中的每一个用户设置全局唯一的用户ID、钢构件ID，将参与钢结构实施过程的所述用户ID、钢构件ID与钢结构实施过程中的数据关联，保存到区块链系统，实现钢结构实施全过程可信记账，打造可信钢构件生产链。
监管方服务器，用于对钢结构实施全过程进行安全监管，可以按照不同的企业和不同工地项目，将涉及到的不同钢构件信息的相关数据区块进行分类汇总统计，方便监管部门审计。
本发明实施例提供的一种基于区块链的钢构件溯源方法，包括账号注册、数据上传、数据获取和安全监管。
如图3所示，所述账号注册，包括下述步骤：
S1.1，用户填写个人信息，其中需包括由离线SM2算法生成的个人密钥中的公钥信息, 向联盟节点发起申请账号请求;
S1. 2，联盟节点审核用户信息的完整性, 并验证用户公钥的真实性;
S1. 3，验证通过后，为用户生成全局唯一的用户ID，并为该用户ID配置权限数据，构建账号数据区块，在区域链系统中发起共识请求；
如图4所示，所述权限数据分为3个等级：一级权限用于各环节中涉及到的钢构件具体负责人员拥有其所负责的数据权限，例如工地负责人和加工负责人；二级权限用于各环节中涉及到的钢构件公司和部门拥有其所参与的钢构件环节的数据权限，例如建筑公司和加工厂；三级权限用于监管部门拥有所有数据权限，例如监管部门；该权限用于控制用户操作数据范围，通过权限控制保证信息的安全可靠，权责清晰。
所述账号数据区块包含用户唯一ID、用户公钥信息和权限数据；
S1.4，等待其他联盟节点验证该共识请求的真实性，验证失败则向该用户返回注册失败信息；
S1.5，验证成功后，该联盟节点将账号数据区块写入区块链，并返回ID给用户；其中该返回的ID信息将通过SM2算法使用该用户提供的公钥加密；用户需使用自己的私钥解密；该过程在保证用户账号安全的同时，可以证明当前用户操作的真实性和有效性；
如图5所示，所述数据上传，包括下述步骤：
S2.1，用户向联盟节点发起登陆请求，并提供自己的私钥通过SM2算法对信息进行签名；
S2.2，联盟节点通过区块链的认证合约对该用户进行签名验证，验证成功后该用户可进入到区块链系统进行数据上传操作；用户在区块链系统中的每一步操作之前都需要进行签名验证，保证区块链系统中的信息可信，可准确溯源；
S2.3，该用户根据区块链上传合约约定，上传与其负责的钢构件实施环节中所涉及的钢构件相关的钢构件信息，并向联盟节点发起审核请求；
其中，用户负责的钢构件实施环节中所涉及的钢构件相关的钢构件信息及文件格式见表1；
表1：
S2.4，联盟节点审核信息的完整性后，向其他联盟节点发起区块链共识请求，请求共识上链，并构建数据区块；
所述数据区块为三元组结构，包括<DATA{ steel structure}，SIG{operator}，INFO{origin} >（钢构件的信息、上传该钢构件信息的用户信息和信息来源），通过将钢构件信息与上传该信息的用户以及信息来源关联起来，实现钢构件全流程信息存储与溯源；其中数据区块中大文件信息存储在本地数据库中，文件信息通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据加密路径映射上传到区块链中，摘要上链，节约存储资源，减少带宽开销；
S2.5，其他联盟节点验证共识请求真实性，验证成功则将数据区块写入区块链，并返回成功录入信息；验证失败，则将失败信息返回；
如图7所示，所述获取数据，包括下述步骤：
S3.1，用户向联盟节点发起登陆请求，并提供自己的私钥通过SM2算法对信息进行签名；
S3.2，联盟节点通过区块链的认证合约进行签名验证；
S3.3，验证正确后，联盟节点自动验证用户账号权限，通过Hyperledger的数据通道机制为账号分配权限数据通道；
S3.4，用户向联盟节点发送获取数据请求，并使用该用户的公钥对获取数据请求进行签名；
S3.5，联盟节点通过区块链数据获取合约从数据库中提取对应的数据区块，将数据区块加密返回给该联盟节点；
S3.6用户使用其私钥对数据区块进行解密，获得数据；
通过获取数据，实现数据共享，为区块链内所有的联盟节点提供数据查询功能，如图6所示，任一用户可以从任一区块链内的联盟节点上获取用户从联盟节点1上传的钢结构施工过程数据，实现不同地域、不同参与方之间的钢构件数据及时有效的互通；
如图8所示，所述安全监管，包括下述步骤：
S4.1，用户发起登陆请求，提供自己的私钥通过SM2算法对信息进行签名，通过区块链的认证合约进行签名验证，验证正确后方可进入到系统中进行相关操作；
S4.2所述监管服务器自动验证用户账号权限，通过Hyperledger的channel数据通道机制为账号分配权限数据通道；
S4.3，该用户可以向监管服务器提交监管请求，监管服务器通过审计合约按照不同的企业，不同工地项目将涉及到的不同的钢构件信息的相关数据区块进行分类汇总统计，方便监管部门进行审计。
如图9所示，本发明物理层部署方案包括：呈现层、应用层、业务层和数据层组成；
其中呈现层由个人界面、注册界面、认证界面和查询界面组成，提供可视化的信息输入界面，并将接收的信息发送给应用层；
应用层根据收到的呈现层的信息，向业务层发起相应的业务逻辑，由不同的业务逻辑响应用户的不同的需求；
业务层用于处理用户的不同需求，其包含内部业务逻辑和区块链业务逻辑。内部业务逻辑用于处理联盟节点所属参与方的内部业务逻辑与微服务，区块链业务逻辑由整个系统共享，基于智能合约技术与区块链账本信息进行数据交互。
数据层用于数据存取、数据加密、数据区块构建，其包含3个实体数据库，分别为原始数据库、区块链过渡数据库和区块链状态数据库。其中原始数据库用于存储联盟节点本地业务数据，其中包含本地业务数据中与区块信息相关连的大文件信息；区块链过渡数据库用于将原始数据库中的数据与区块链的数据区块相映射，当需要获取某数据区块信息时，通过区块链过渡数据库映射关系访问原始数据库，获取数据；区块链状态数据库用于存储区块链上所有数据区块；数据加密采用SM2算法和SM3算法。通过离线的SM2算法为联盟节点用户提供公钥和私钥，公钥和私钥相互配合，实现联盟节点登陆认证、数据传输时加密和查阅时解密；数据区块中大文件信息存储在本地数据库中，文件信息通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据加密路径映射上传到区块链中，摘要上链，节约存储资源，减少带宽开销；
本发明数据采用压缩前缀树数据存储结构，如图10所示。

Claims (3)

1.一种基于区块链的钢结构溯源方法，其特征在于：包括由若干个施工方服务器、运输方服务器、加工方服务器和监管方服务器组成的区块链系统，所述施工方服务器、运输方服务器、加工方服务器和监管方服务器分别为所述区块链系统中的联盟节点；
施工方服务器，用于将施工方涉及到的钢构件入库验收过程中的验收单、出库过程中的出库清单、以及安装验收过程中的验收确认文件，通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据通过加密路径映射上传到区块链中；区块链将SM3计算得出的数据摘要在链上留存，具体数据通过数据加密路径映射存储到该施工方服务器中，实现链上节点和业务系统数据的关联；
运输方服务器，用于将运输方涉及到的钢构件出场运输过程中的发货单通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据加密路径映射上传到区块链中，区块链将SM3计算得出的数据摘要在链上留存，具体数据通过数据加密路径映射存储到该运输方服务器中；
加工方服务器，用于将加工方涉及到的钢构件深化设计过程中的深化设计图纸、原材料采购过程中的采购清单、取样评估过程中的评估报告、钢构件加工过程中的加工确认单、焊接检测结果确认过程中的检测报告、质量检验过程中的质检合格证通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据加密路径映射上传到区块链中，区块链将SM3计算得出的数据摘要在链上留存，具体数据通过数据加密路径映射存储到该加工方服务器中；
监管方服务器，用于对钢结构实施全过程进行安全监管，将涉及到的不同钢构件信息的相关数据区块进行分类汇总统计；
所述溯源方法包括账号注册、数据上传、数据获取和安全监管；
所述账号注册，包括下述步骤：
S1.1，用户填写个人信息，包括由离线SM2算法生成的个人密钥中的公钥信息,然后向对应的所述联盟节点发起申请账号请求；
S1.2，联盟节点审核用户信息的完整性, 并验证用户公钥的真实性;
S1.3，验证通过后，为用户生成全局唯一的用户ID，并为该用户ID配置权限数据，构建账号数据区块，在区域链系统中发起共识请求；所述账号数据区块包含用户ID、用户公钥信息和所述权限数据；
S1.4，等待其他联盟节点验证该共识请求的真实性，验证失败则向该用户返回注册失败信息；
S1.5，验证成功后，该联盟节点将账号数据区块写入区块链，并返回用户ID给该用户；其中该返回的用户ID信息将通过SM2算法使用该用户提供的公钥加密；用户使用自己的私钥解密；
所述数据上传，包括下述步骤：
S2.1，用户向对应的联盟节点发起登陆请求，并提供自己的私钥通过SM2算法对信息进行签名；
S2.2，联盟节点通过区块链的认证合约对该用户进行签名验证，验证成功后该用户被允许进入到区块链系统进行数据上传操作；用户在区块链系统中的每一步操作之前都要进行签名验证；
S2.3，该用户根据区块链上传合约约定，上传与其负责的钢构件实施环节中所涉及的钢构件相关的钢构件信息，并向联盟节点发起审核请求；
其中，用户负责的钢构件实施环节中所涉及的钢构件相关的钢构件信息及文件格式见表1；
表1：
S2.4，联盟节点审核信息的完整性后，向其他联盟节点发起区块链共识请求，请求共识上链，并构建数据区块；
所述数据区块为三元组结构，通过将钢构件信息与上传该信息的用户以及信息来源关联起来，实现钢构件全流程信息存储与溯源；其中数据区块信息存储在本地数据库中，文件信息通过SM3计算摘要，将摘要数据及其相对应的数据加密路径映射上传到区块链中；
S2.5，其他联盟节点验证共识请求真实性，验证成功则将数据区块写入区块链，并返回成功录入信息；验证失败，则将失败信息返回；
所述数据获取，包括下述步骤：
S3.1，用户向对应的联盟节点发起登陆请求，并提供自己的私钥通过SM2算法对信息进行签名；
S3.2，联盟节点通过区块链的认证合约进行签名验证；
S3.3，验证正确后，联盟节点自动验证用户账号权限，通过Hyperledger的数据通道机制为账号分配权限数据通道；
S3.4，用户向联盟节点发送获取数据请求，并使用该用户的公钥对获取数据请求进行签名；
S3.5，联盟节点通过区块链数据获取合约，从数据库中提取对应的数据区块，将数据区块加密返回给该联盟节点；
S3.6，用户使用其私钥对数据区块进行解密，获得数据；
所述安全监管，包括下述步骤：
S4.1用户发起登陆请求，提供自己的私钥通过SM2算法对信息进行签名，通过区块链的认证合约进行签名验证，验证正确后进入到系统中进行相关操作；
S4.2所述监管方服务器自动验证用户账号权限，通过Hyperledger的channel机制为账号分配权限数据通道；
S4.3该用户向监管方服务器提交监管请求，监管方服务器通过审计合约按照不同的企业、不同工地项目，将涉及到的不同钢构件信息的相关数据区块进行分类汇总统计。
2.根据权利要求1所述基于区块链的钢结构溯源方法，其特征在于：所述施工方服务器、运输方服务器、加工方服务器，通过将各自涉及的钢结构实施过程中的数据在区块链上留存，并为每一个钢构件和钢结构实施过程中的每一个用户设置全局唯一的用户ID、钢构件ID，将参与钢结构实施过程的所述用户ID、钢构件ID与钢结构实施过程中的数据关联，保存到区块链系统，实现钢结构实施全过程可信记账。
3.根据权利要求1所述的溯源方法，其特征在于：S1.3中，所述权限数据分为3个等级：一级权限用于各环节中涉及到的钢构件具体负责人员拥有其所负责的数据权限；二级权限用于各环节中涉及到的钢构件公司和部门拥有其所参与的钢构件环节的数据权限；三级权限用于监管部门拥有所有数据权限。
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