CN116383869A - 基于pbft共识机制的农产品供应链可信追溯模型及实现方法 - Google Patents

基于pbft共识机制的农产品供应链可信追溯模型及实现方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型，包括Web可视化操作平台，Web可视化操作平台连接有IPFS集群、消费者、供应链参与主体和区块链网络，供应链参与主体连接有物联网IoT，区块链网络通过智能合约连接有查询记录存储区块链。具有以下优点：通过对区块链系统中参与共识的节点进行可信度评估，以信任值为依据选出可信节点加入共识组，提高了共识节点的可信性，保障了区块链系统的高效运行。并采用IPFS存储关键的溯源信息，然后将IPFS地址上传至区块链网络以减轻区块链主链的存储压力，并且数据的上链和查询由智能合约辅助完成，确保系统的高效可信溯源。

Description

基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型及实现方法
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，涉及区块链技术下的数据安全存储与共享，具体是一种基于可信度评估PBFT共识机制的农产品供应链可信溯源模型及方法。
背景技术
农产品溯源系统可以记录农产品种植、加工、运输等各个环节的数据信息，实现供应链各环节的可视化，并能及时的召回存在质量问题的产品，因此建立农产品供应链溯源体系是保障农产品质量安全的有效方式。
而现有的溯源平台在实际应用中仍存在不足，比如中心化的数据库使得数据容易被篡改；各企业之间相对独立导致数据共享困难；溯源数据不够透明导致无法及时定位责任主体等。因此研究更加可信的溯源体系对保障溯源数据的可靠性具有重要意义，而区块链技术的出现为实现建立可信溯源体系提供了新思路。
区块链本质上是一种分布式的全局账本数据库，由全网节点共同维护，具有去中心化、防篡改、可追溯、隐私保护的特性。而共识机制是区块链技术的基础和核心，其直接影响整个系统的安全性和吞吐效率。为了提高农产品供应链溯源数据的安全性以及共识效率，研究一种适合应用于供应链可信溯源的共识机制显得尤为重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型及实现方法，通过对区块链系统中参与共识的节点进行可信度评估，以信任值为依据选出可信节点加入共识组，提高了共识节点的可信性，保障了区块链系统的高效运行。并采用IPFS存储关键的溯源信息，然后将IPFS地址上传至区块链网络以减轻区块链主链的存储压力，并且数据的上链和查询由智能合约辅助完成，确保系统的高效可信溯源。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型，包括Web可视化操作平台，Web可视化操作平台连接有IPFS集群、消费者、供应链参与主体和区块链网络，供应链参与主体连接有物联网IoT，区块链网络通过智能合约连接有查询记录存储区块链；
所述物联网IoT用于实时地对农产品所处的环境信息进行采集，保证农产品溯源信息的完整，并通过各种网络协议的接入，实现对农作物的智能化感知、识别和管理；
所述IPFS集群是分布式的文件存储系统，用于存储农产品的关键溯源信息；
所述供应链参与主体是农产品溯源数据的提供者，各企业节点采集到溯源数据并签名后发送至IPFS集群；
所述区块链网络是存储经过哈希计算后的企业ID、农产品ID和IPFS集群内对应信息的哈希值摘要以及溯源信息在IPFS集群内的存储地址。
所述智能合约是搭载在区块链网络上的自主运行的程序代码，用来表示系统流程的业务逻辑，负责将数据写入到区块链和溯源查询过程的实现；
所述查询记录存储区块链是系统模型中设置的一条辅助区块链，实现对区块链网络查询行为的记录；
所述消费者是溯源系统的使用者，通过可视化平台可进行农产品信息的溯源，同时可以根据需要对查询到的数据进行哈希校验,以确保数据的真实性和完整性。
基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型的实现方法，是在区块链的基础上，采用可信度评估的PBFT共识机制，即在PBFT共识算法的基础上引入可信度评估机制，通过对区块链网络中参与共识的节点进行可信度评估，以节点的信任值R为依据选出可信节点加入共识组。
进一步的，所述实现方法具体包括以下步骤：
步骤一：农产品的溯源信息通过物联网IoT技术进行采集，采集到的数据定时发送给对应的供应链参与主体；
步骤二：供应链参与主体将收到的关键溯源信息使用私钥MCsk签名后上传到IPFS集群，IPFS集群收到传来的信息后会返回溯源信息在IPFS集群中的存储地址Addr给供应链参与主体。
步骤三：供应链参与主体将返回的Addr、企业ID以及对农产品的关键溯源信息进行Hash计算后得到的哈希摘要信息组成溯源交易信息帧Trans；
步骤四：供应链参与主体将溯源交易信息帧Trans发送至共识组中的领导节点，共识组中的成员是根据节点的信任值作为权重进行选举的，并由信任值最高的节点担任领导节点；
步骤五：区块链通过时间戳的机制实现了时序性，故共识组中的领导节点按照交易上传的时间顺序对自己收到的溯源交易信息帧Trans进行排序后打包成新区块；
步骤六：领导节点将生成的新区块使用自身私钥MLsk签名后广播到共识组中的其余节点，其余节点对即将发布的区块进行共识，共识通过后将新区块写入区块链网络。
进一步的，还包括区块链网络中的节点可信度评估方法，通过节点可信度评估确定步骤四中区块链网络中各节点的信任值R，并将节点的信任值R作为各节点的权重进而选举出共识组成员。
进一步的，所述区块链网络中的节点可信度评估方法包括以下步骤：
步骤1，计算出节点的活跃度α(n)以及节点的共识完成率β；
根据公式(1)和公式(2)计算出当前节点的活跃度以及共识完成率；
Figure SMS_1
Figure SMS_2
其中，n表示节点参与共识次数，参数b为活跃度调节因子，用于调节增长速度，α(n)值随n值增大而增大，其值越大表示节点活跃度越高；v代表节点成功完成共识的次数，n表示节点参与共识的总次数，β值越大表明节点完成共识的频度越高；
步骤2，引入事务重要程度的评价因子L，用来表示交易事务的重要程度；
由公式(3)计算出交易事务重要程度的评价因子L；
Figure SMS_3
其中，G0为交易重要性参数的阈值，初始值取为3，参数g表示交易事务的重要性，L(g)随g值的增大而增大，L(g)越大表示事务重要程度越高；
步骤3，计算出节点的历史影响度Y以及节点参与共识的时延评价指数τ；
引入历史影响度以及共识时延评价指数，分别由公式(4)和公式(5)求得；
Figure SMS_4
Figure SMS_5
其中Δt为两次采样之间的时间间隔，参数γ表示时间衰减因子，Y(Δt)与Δt成反比；k表示达成共识的节点数目，N为网络中节点的总数目，t为节点完成共识所需时间，d为调节因子，用来调节节点共识时延评价值的大小。
进一步的，所述区块链网络中的节点可信度评估方法还包括以下步骤：
步骤4，在每次共识过程完成后，系统会对各节点在本次过程中的表现进行评价；
将以上的相关因子以不同的权重加入信任值的计算中，得到节点的信任值R。
节点信任值R由公式(6)求得；
Figure SMS_6
其中自变量i表示第i轮的共识，W0为节点的信任值初值，式(6)结合步骤1-3中的信任度因子。
进一步的，还包括基于可信度评估PBFT共识机制的执行流程，通过在PBFT共识算法的基础上引入可信度评估机制，进一步的保证了共识节点的可信性。
进一步的，所述基于可信度评估PBFT共识机制的执行流程包括以下步骤：
步骤1.1，各供应链企业节点运行可信度评估算法求出各节点的信任值R，以此作为共识算法节点的权重；
步骤1.2，区块链系统根据各个节点的权重，在权重达到进入共识组要求的节点中，随机选择一届共识组；
步骤1.3，在共识组中根据随机数机制选举出本届共识组的领导节点，进行新区块的组装和发布；
步骤1.4，领导节点将收到的关键溯源信息打包组装成新的区块，并将区块广播至共识组成员；
步骤1.5，共识组成员根据PBFT共识机制对新区块进行共识，验证其合法性；
步骤1.6，将通过共识的新区块写入到本地分布式数据库中，重新开始下一轮共识。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明针对现有中心化溯源系统中安全性较差和吞吐量较低的问题，结合区块链技术提出一种新型的可信溯源系统模型，在区块链已有的隐匿性，去中心化的基础上，提出一种基于可信度评估的PBFT共识机制，通过对区块链系统中参与共识的节点进行可信度评估，以信任值为依据选出可信节点加入共识组，提高了共识节点的可信性，保障了区块链系统的高效运行，有效地将该共识机制应用到溯源模型中，提高了模型整体的安全性和吞吐量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本发明实施例提供的基于区块链技术的农产品供应链可信溯源系统模型图；
图2是本发明实施例提供的溯源信息从产生到写入区块链的协议过程示意图；
图3是本发明实施例提供的共识算法进行共识过程的流程图。
具体实施方式
实施例1，如图1所示，基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型，包括Web可视化操作平台，Web可视化操作平台连接有IPFS集群、消费者、供应链参与主体和区块链网络，供应链参与主体连接有物联网IoT，区块链网络通过智能合约连接有查询记录存储区块链。
所述物联网IoT通过部署多种类型的传感器，比如温湿度传感器、光照传感器等感知终端，实时地对农产品所处的环境信息进行采集，保证农产品溯源信息的完整，并通过各种网络协议的接入，实现对农作物的智能化感知、识别和管理。
所述IPFS集群是分布式的文件存储系统，在进行数据存储时不会受到文件大小的限制，用于存储农产品的关键溯源信息。
所述供应链参与主体是农产品溯源数据的提供者，主要包括农产品生产、加工、运输、销售企业，各企业节点采集到溯源数据并签名后发送至IPFS集群。
所述区块链网络是存储经过哈希计算后的企业ID、农产品ID和IPFS内对应信息的哈希值摘要以及溯源信息在IPFS集群内的存储地址。
所述智能合约是搭载在区块链上的自主运行的程序代码，用来表示系统流程的业务逻辑，主要负责将数据写入到区块链和溯源查询过程的实现。
所述查询记录存储区块链是系统模型中设置的一条辅助区块链，实现对区块链查询行为的记录。
所述消费者是溯源系统的使用者，通过可视化平台可进行农产品信息的溯源，同时可以根据需要对查询到的数据进行哈希校验,以确保数据的真实性和完整性。
所述可信追溯模型采用基于可信度评估的PBFT共识机制。
在PBFT共识机制中，通常按照编号的顺序来选举主节点，因此无法确保选举的节点是否诚实，容易使得系统受到攻击。所以本发明所提到的模型采用信任值作为各节点的权重，更能保证共识组的诚实性。
因为共识算法是区块链系统的核心，共识算法的好坏将直接影响区块链系统的整体性能。为了解决现有共识算法应用到溯源系统中出现的节点可靠性不高和吞吐效率较低的问题，本文对共识算法进行了优化改进，提出一种基于可信度评估的PBFT共识机制，该共识机制用可信度评估得到的信任值作为节点的权重。
如图2所示，基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型的实现方法，包括如下步骤：
步骤一：农产品的溯源信息通过物联网IoT技术进行采集，采集到的数据定时发送给对应的供应链参与主体；
步骤二：供应链参与主体将收到的关键溯源信息使用私钥MCsk签名后上传到IPFS集群，IPFS集群收到传来的信息后会返回溯源信息在IPFS集群中的存储地址Addr给供应链参与主体。
步骤三：供应链参与主体将返回的Addr、企业ID以及对农产品的关键溯源信息进行Hash计算后得到的哈希摘要等信息组成溯源交易信息帧Trans，其中Hash计算采用的SHA-256(Secure Hash Algorithm 256)哈希散列算法；
步骤四：供应链参与主体将溯源交易信息帧Trans发送至共识组中的领导节点，共识组中的成员是根据节点的信任值作为权重进行选举的，并由信任值最高的节点担任领导节点。
步骤五：区块链通过时间戳的机制实现了时序性，故共识组中的领导节点按照交易上传的时间顺序对自己收到的溯源交易信息帧Trans进行排序后打包成新区块；
步骤六：领导节点将生成的新区块使用自身私钥MLsk签名后广播到共识组中的其余节点，其余节点对即将发布的区块进行共识，共识通过后将新区块写入区块链网络。
其中ML表示共识组中的节点，负责对区块进行共识以验证区块的有效性；MC表示区块链网络中的普通节点，也称记账节点，承担着记账的职责，不参与共识过程，负责将达成共识的有效区块进行存储；其中ML和MC公私钥对的生成方法基本一致，以MC的密钥生成为例，通过随机选择两个素数S1和S2并计算乘积n＝S1*S2，计算出n的欧拉函数Φ(n)＝(S1-1)(S2-1)；取随机数T，T与Φ(n)需要互为素数，并且T∈[1,Φ(n)]；通过同余式S*T＝1modΦ(n)计算出乘法逆元S；得到公钥MCpk＝{T,n}，私钥MCsk＝{S,n}。
本发明在提供溯源信息存储到区块链的基础上提供一条访问记录存储区块链，主要是对区块链的查询过程进行记录，记录查询的时间以及查询的内容。溯源信息的查询和查询记录的过程入链主要由智能合约完成。
基于改进PBFT高效共识机制的农产品供应链可信追溯模型的实现方法还包括区块链网络中的节点可信度评估方法，通过可信度评估确定区块链网络中各节点的信任值，并将信任值作为各节点的权重进而选举出共识组成员，从而更能保证共识组节点的诚实性，提升了区块链网络的安全性，区块链网络中的节点信任值评估方法包括以下步骤：
步骤1，计算出节点的活跃度α(n)以及节点的共识完成率β；
根据公式(1)和公式(2)计算出当前节点的活跃度以及共识完成率；
Figure SMS_7
Figure SMS_8
其中，n表示节点参与共识次数，参数b为活跃度调节因子，用于调节增长速度，α(n)值随n值增大而增大，其值越大表示节点活跃度越高；v代表节点成功完成共识的次数，n表示节点参与共识的总次数，β值越大表明节点完成共识的频度越高。
步骤2，引入事务重要程度的评价因子L，用来表示交易事务的重要程度；
由公式(3)计算出交易事务重要程度的评价因子L；
Figure SMS_9
其中，G0为交易重要性参数的阈值，初始值取为3，参数g表示交易事务的重要性，L(g)随g值的增大而增大，L(g)越大表示事务重要程度越高。
步骤3，计算出节点的历史影响度Y以及节点参与共识的时延评价指数τ；
引入历史影响度以及共识时延评价指数，分别由公式(4)和公式(5)求得；
Figure SMS_10
Figure SMS_11
其中Δt为两次采样之间的时间间隔，参数γ表示时间衰减因子，Y(Δt)与Δt成反比；k表示达成共识的节点数目，N为网络中节点的总数目，t为节点完成共识所需时间，d为调节因子，用来调节节点共识时延评价值的大小。
步骤4，在每次共识过程完成后，系统会对各节点在本次过程中的表现进行评价。
将以上的相关因子以不同的权重加入信任值的计算中，得到节点的信任值R。
节点信任值R由公式(6)求得；
Figure SMS_12
其中自变量i表示第i轮的共识，W0为节点的信任值初值，式(6)结合步骤1-3中的信任度因子，综合往次共识情况进行信任值的计算，以更精确的反映节点的可信情况。
如图3所示，基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型的实现方法还包括基于可信度评估PBFT共识机制的执行流程，通过在PBFT共识算法的基础上引入可信度评估机制，进一步的保证了共识节点的可信性，最大限度的降低了节点作恶的可能，避免了因节点作恶而导致更换共识组中领导节点的情况，提升了共识效率，保证了系统的高效运行，该共识机制的实现主要包括以下步骤：
步骤1.1，各供应链企业节点运行可信度评估算法求出各节点的信任值R，以此作为共识算法节点的权重；
步骤1.2，区块链系统根据各个节点的权重，在权重达到进入共识组要求的节点中，随机选择一届共识组；
步骤1.3，在共识组中根据随机数机制选举出本届共识组的领导节点，进行新区块的组装和发布；
步骤1.4，领导节点将收到的关键溯源信息打包组装成新的区块，并将区块广播至共识组成员；
步骤1.5，共识组成员根据PBFT共识机制对新区块进行共识，验证其合法性；
步骤1.6，将通过共识的新区块写入到本地分布式数据库中，重新开始下一轮共识。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明针对现有中心化溯源系统中安全性较差和吞吐量较低的问题，结合区块链技术提出一种新型的可信溯源系统模型，在区块链已有的隐匿性，去中心化的基础上，提出一种基于可信度评估的PBFT共识机制，通过对区块链系统中参与共识的节点进行可信度评估，以信任值为依据选出可信节点加入共识组，提高了共识节点的可信性，保障了区块链系统的高效运行，有效地将该共识机制应用到溯源模型中，提高了模型整体的安全性和吞吐量。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型，其特征在于：包括Web可视化操作平台，Web可视化操作平台连接有IPFS集群、消费者、供应链参与主体和区块链网络，供应链参与主体连接有物联网IoT，区块链网络通过智能合约连接有查询记录存储区块链；
所述物联网IoT用于实时地对农产品所处的环境信息进行采集，保证农产品溯源信息的完整，并通过各种网络协议的接入，实现对农作物的智能化感知、识别和管理；
所述IPFS集群是分布式的文件存储系统，用于存储农产品的关键溯源信息；
所述供应链参与主体是农产品溯源数据的提供者，各企业节点采集到溯源数据并签名后发送至IPFS集群；
所述区块链网络是存储经过哈希计算后的企业ID、农产品ID和IPFS集群内对应信息的哈希值摘要以及溯源信息在IPFS集群内的存储地址。
所述智能合约是搭载在区块链网络上的自主运行的程序代码，用来表示系统流程的业务逻辑，负责将数据写入到区块链和溯源查询过程的实现；
所述查询记录存储区块链是系统模型中设置的一条辅助区块链，实现对区块链网络查询行为的记录；
所述消费者是溯源系统的使用者，通过可视化平台可进行农产品信息的溯源，同时可以根据需要对查询到的数据进行哈希校验,以确保数据的真实性和完整性。
2.基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型的实现方法，其特征在于：所述实现方法应用于如权利要求1所述的基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型中，所述实现方法是在区块链的基础上，采用可信度评估的PBFT共识机制，即在PBFT共识算法的基础上引入可信度评估机制，通过对区块链网络中参与共识的节点进行可信度评估，以节点的信任值R为依据选出可信节点加入共识组。
3.如权利要求2所述的基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型的实现方法，其特征在于：所述实现方法具体包括以下步骤：
步骤一：农产品的溯源信息通过物联网IoT技术进行采集，采集到的数据定时发送给对应的供应链参与主体；
步骤二：供应链参与主体将收到的关键溯源信息使用私钥MCsk签名后上传到IPFS集群，IPFS集群收到传来的信息后会返回溯源信息在IPFS集群中的存储地址Addr给供应链参与主体。
步骤三：供应链参与主体将返回的Addr、企业ID以及对农产品的关键溯源信息进行Hash计算后得到的哈希摘要信息组成溯源交易信息帧Trans；
步骤四：供应链参与主体将溯源交易信息帧Trans发送至共识组中的领导节点，共识组中的成员是根据节点的信任值作为权重进行选举的，并由信任值最高的节点担任领导节点；
步骤五：区块链通过时间戳的机制实现了时序性，故共识组中的领导节点按照交易上传的时间顺序对自己收到的溯源交易信息帧Trans进行排序后打包成新区块；
步骤六：领导节点将生成的新区块使用自身私钥MLsk签名后广播到共识组中的其余节点，其余节点对即将发布的区块进行共识，共识通过后将新区块写入区块链网络。
4.如权利要求2所述的基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型的实现方法，其特征在于：还包括区块链网络中的节点可信度评估方法，通过节点可信度评估确定步骤四中区块链网络中各节点的信任值R，并将节点的信任值R作为各节点的权重进而选举出共识组成员。
5.如权利要求4所述的基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型的实现方法，其特征在于：所述区块链网络中的节点可信度评估方法包括以下步骤：
步骤1，计算出节点的活跃度α(n)以及节点的共识完成率β；
根据公式(1)和公式(2)计算出当前节点的活跃度以及共识完成率；
Figure FDA0004095539420000031
Figure FDA0004095539420000032
其中，n表示节点参与共识次数，参数b为活跃度调节因子，用于调节增长速度，α(n)值随n值增大而增大，其值越大表示节点活跃度越高；v代表节点成功完成共识的次数，n表示节点参与共识的总次数，β值越大表明节点完成共识的频度越高；
步骤2，引入事务重要程度的评价因子L，用来表示交易事务的重要程度；
由公式(3)计算出交易事务重要程度的评价因子L；
Figure FDA0004095539420000033
其中，G0为交易重要性参数的阈值，初始值取为3，参数g表示交易事务的重要性，L(g)随g值的增大而增大，L(g)越大表示事务重要程度越高；
步骤3，计算出节点的历史影响度Y以及节点参与共识的时延评价指数τ；
引入历史影响度以及共识时延评价指数，分别由公式(4)和公式(5)求得；
Figure FDA0004095539420000034
Figure FDA0004095539420000035
其中Δt为两次采样之间的时间间隔，参数γ表示时间衰减因子，Y(Δt)与Δt成反比；k表示达成共识的节点数目，N为网络中节点的总数目，t为节点完成共识所需时间，d为调节因子，用来调节节点共识时延评价值的大小。
6.如权利要求5所述的基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型的实现方法，其特征在于：所述区块链网络中的节点可信度评估方法还包括以下步骤：
步骤4，在每次共识过程完成后，系统会对各节点在本次过程中的表现进行评价；
将以上的相关因子以不同的权重加入信任值的计算中，得到节点的信任值R。
节点信任值R由公式(6)求得；
Figure FDA0004095539420000041
其中自变量i表示第i轮的共识，W0为节点的信任值初值，式(6)结合步骤1-3中的信任度因子。
7.如权利要求2所述的基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型的实现方法，其特征在于：还包括基于可信度评估PBFT共识机制的执行流程，通过在PBFT共识算法的基础上引入可信度评估机制，进一步的保证了共识节点的可信性。
8.如权利要求7所述的基于PBFT共识机制的农产品供应链可信追溯模型的实现方法，其特征在于：所述基于可信度评估PBFT共识机制的执行流程包括以下步骤：
步骤1.1，各供应链企业节点运行可信度评估算法求出各节点的信任值R，以此作为共识算法节点的权重；
步骤1.2，区块链系统根据各个节点的权重，在权重达到进入共识组要求的节点中，随机选择一届共识组；
步骤1.3，在共识组中根据随机数机制选举出本届共识组的领导节点，进行新区块的组装和发布；
步骤1.4，领导节点将收到的关键溯源信息打包组装成新的区块，并将区块广播至共识组成员；
步骤1.5，共识组成员根据PBFT共识机制对新区块进行共识，验证其合法性；
步骤1.6，将通过共识的新区块写入到本地分布式数据库中，重新开始下一轮共识。
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CN116628757A (zh) * 2023-07-20 2023-08-22 东方空间技术(山东)有限公司 基于区块链的航天器供应链管理方法、设备及存储介质
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