基于区块链的工业数据交互可信验证研究与应用

01工业数据交互面临的问题传统的工业系统交互数据验证模式是两两

系统之间以异步处理的方式各自生成业务记录文件进行逐笔比对，并以事先约定的处理方式

及流程处理差异。假设T为需做数据比对的日期，一般T+1日才能完成T+0日的数据比对度量。

在实际业务场景中，存在安全性、隐私性以及

性能效率方面的问题。因此，

如何高效、安全、可靠地保障多系统数据交互的一致性是目前业界亟需解决的痛点。目前业界已存在较为成熟的保障多系统数据交互一致性的方式方法。根据功能部署方式、信息存储模式和信息记录对比方式可分为两类：

原生系统消息验证和集中式批量验证。原生系统消息验证通过围绕业务的两个系统间自行约定的规则进行操作记录日志交换，

在各自本地进行操作记录的分析比对，将比对结果进行沟通，以验证结果的一致性。集中式批量验证则通过建立可信第三方独立系统的方式异步处理各业务系统收集到的日志记录，并进行分析与配对，按照业务规定给出信息比对结果，并提供给业务人员可查看的业务系统访问接口。上述两种数据交互一致性度量方式方法，

虽然在业界使用居多、较为成熟，但是由于数据都是通过网络传输实现异步数据对齐，随着业务参与方增多，对于实际业务和实际场景中数据交互一致性度量实时性的诉求、度量结果是否具备公信力、可度量业务系统数量是否具备良好的可扩展性等不断增加的需求，已经凸显疲态，主要呈现以下三类问题无法妥善解决。1.1跨系统数据交互缺乏一致性检查机制现有工业生产和执行系统以业务流为牵引进行业务数据交互，并在各自系统维护业务记录文件。然而，由于各系统间采用异步处理的方式，且重复存放的数据未能及时进行同步检查，偶发的网络故障、系统故障，以及人为因素等原因，导致数据交互的不一致难以被发现，从而不能及时进行反馈。同时，由于工业设备通常属于重资产，更新换代较慢且代价不菲，导致工业系统异构化明显，复杂度较高，牵一发而动全身，难以通过系统的优化和修改建立一致性检查机制。1.2多系统数据对账复杂且难以定位由于缺乏及时的一致性检查机制，当发现多系统间存在数据不一致的情况时，通常已经是由多个错误叠加产生的结果。数据可能在系统之间往返流转，在多个环节发生错误，产生叠加或者部分消弭，导致错误难以快速定位。通常需要导出所有业务数据后，由熟悉业务流程的管理人员根据个人经验，针对异常的数据进行人工的筛选、排查、分析，定位系统发生错误的具体位置，最终对错误进行人工修复。然而，人工进行对账核算也会带来不可忽视的成本和风险

，比如耗费大量的时间（通常较自动化对账多耗费42%～67%的时间）

，且这些时间大量耗费在等待他人了解对账状态上。除了为此投入的人力成本，还存在人为原因导

致的数据可靠性风险，审计与合规性缺乏有力支撑，以及面临人才流失的潜在风险等。1.3跨系统关键数据交互缺乏自动审计追责机制由于工业系统结构复杂，多系统的维护通常由多个技术厂商提供服务，系统间数据交互缺乏明确的追责机制，当出现数据不一致的情况时，容易出现相互推诿的情况，缺乏可信仲裁的角色去判定各方系统的数据是否准确，难以快速定责，无法及时联络对应人员进行数据修复。同时，由于对账过程中所采取的控制措施在多个地点和业务单元中分散且不同、解释及辅助性文件欠缺，往往造成审计成本增加。在因为数据不一致造成生产效率下降或经济损失时，或在关键数据审计时，由于缺乏对中间过程的跟踪、对账不全面、无法快速回答审计师的问题以及缺乏整体可见性，从而会增加审计的总体费用。0２国内外相关技术研究现状基于区块链技术的多系统数据交互可信验证方案是传统多系统信息交互保障方案的技术优化，增强了数据从产生、交互到审计、溯源、修复全流程的可靠性。主要涉及分布式存储、数据完整性保护以及数据一致性验证等核心技术。目前国内外高校和科研机构已经在分布式存储系统以及区块链在数据完整性保护与验证领域开展了研究和探索。一些对技术生态建设有需求的企业，

也已联合多家金融机构发起基于区块链的机构对账平台，区块链技术在数据交互可靠性保障领域的应用正在从传统金融行业和场景向其他行业和场景中推广。2.1基于区块链的分布式存储系统区块链技术可以为分布式场景提供有效的解决方案，能够解决中心化场景下的单点失效问题。其中，最为核心的技术是通过分布式共识算法实现数据副本之间的一致性，从而提高在大规模应用中对数据服务高可用的要求。基于区块链的这种特性，将其视为分布式存储的一种实现方式，需要确保其在功能和性能上不低于传统的分布式数据库。已有大量研究人员针对如何优化区块链技术，尤其是在高效查询、吞吐量和延迟等方面进行了深入的研究和探索。提出了一种优化区块链的开源分布式数据库，通过研发数据库和应用程序之间的区块链中间件，设计了一种区块链数据库ChainSQL系统，除了可以满足数据库基本的搜索查询功能，还具备可抵抗恶意篡改、数据副本保持一致性等特点。该系统通过在链上记录所有数据库操作日志的方式，

使新节点可通过链上记录同步完整的数据库存储。设计了一种区块链数据库BlockchainDB，在区块链的存储层之上增加了数据库层。数据库层主要包括分片管理、交易管理和验证管理等功能，通过灵活的分片技术，

实现客户端的读写和验证等功能。通过灵活自

定义的存储层，引入了全节点和轻节点，从而在全局层面实现安全和效率的兼顾。焦通等人提出了一种区块链数据库的概念，通过将传统数据库中的表分别存储于多个存储节点，所有节点均通过共识算法存储含有数据记录的区块头信息，

可在各个节点进行查询和验证。同时，设计了一种基于哈希指针的索引，通过索引实现数据的查询并保障索引本身的不可篡改，以此提高数据检索效率。提出了一种专门设计用于为区块链和可分叉应用程序提供有效支撑的存储引擎ForkBase，

引入了一种新颖的索引结构来有效识别与消除跨数据对象的重复副本。该系统在提供高性能的同时，也显著降低了开发成本。其团队成员在此基础上进一步研究，利用区块链技术防御分叉攻击，将云存储操作的日志上链，保护关键目录和操作日志服务器，实现了细粒度的、安全高效的区块链数据回溯，为在线交易提供安全的数据变迁轨迹存证。2.2基于区块链的数据完整性验证解决方案在数据交互过程中，被篡改、丢失也是引发数据不一致的主要原因。基于区块链技术的链式数据结构特点，国内外学者在数据完整性验证与区块链相结合方面也做了深入研究。传统方法都是使用中心化的方式对存储数据的完整性进行验证，需要依赖可信第三方来完成验证。但是依然存在第三方是否可信的问题。魏艳等人提出了一种在不被信任的环境下无需第三方审查机构，基于区块链技术的去中心化时间戳的数据完整性验证机制，同时利用以太坊智能合约建立数据完整性验证的区块链结构，完成小规模数据的验证，为区块链技术在数据完整性应用方面提出了理论证明。日志是网络设备、系统及服务程序等在运作时产生的事件记录，这些记录是信息系统的正常运维、故障恢复和错误排查的前提，更是维护信息安全的关键。日志数据对于实现网络安全有非常重要的研究和分析价值，获取有价值的日志需要系统和设备必须进行合适的设置以便记录需要的数据，

同时需要有合适的工具、具备良好培训的人员和可用的资源来综合分析收集到的数据。除了满足上述需求之外，还迫切需要一种对日志可靠的、安全的存储方式。费禹等人设计了基于公有链的日志系统，采用工作量证明（ProofofWork，PoW）

算法实现共识层，该系统相比于传统日志存储形式，具有隐私性强、可控性高、数据分享安全便捷的优点。Sutton等人设计的区块链日志记录系统能够部署在现有的比特币公有区块链上，但存在成本高、效率低、可扩展性差的缺陷。日志数量越大所需交易数量越多，会在链上占

据相当大的存储空间。使用以太坊

的智能合约实现日志数据的完整性和异常检测，并结合机器学习允许智能合约本身能够实现一

定程度的自我更新。2.3基于区块链的机构间对账平台国内某公司研发的机构间对账平台于2016年8月投产，是国内首个在生产环境中运行的多金融机构间的区块链应用。通过区块链技术，

优化贷款业务中的机构间对账流程，降低运营成本。平台运行3年多记录了真实交易笔数已达7000多万笔的量级，上线以来保持零故障运行。该应用主要通过区块链和分布式账本技术，优化贷款业务中的对账流程，提升对账效率，

其对账流程如图1所示。交易数据秒级完成同步，并快速生成准确可信的账目数据；

T+0日准实时

对账。通过3年多时间的真实生产数据检验与

零故障运行，该应用印证了区块链底层技术的

安全可控、稳定可信、健壮可用等优点，也为

区块链技术在金融领域的交易对账场景提供了

典型的应用案例。国外某公司研发的基于区块链的支付网络，可以转账任意一种货币，支付简便易行快捷，

交易速度快、交易费用低。截至2020年4月，已有60多个国家和850多家银行或机构使用。

依托该支付网络，所有的跨境收付款人的信息都可以实现可信的支付和资金清结算。该支付网络解决了跨境支付信任建立难的痛点，提升业务效率并降低成本，通过一定的技术妥协融入现有的金融支付结算体系，提供端到端的跨境支付解决方案。图1

机构间贷款业务对账平台流程0３工业系统数据交互可信验证方案为了解决传统工业数据交互验证方案中所遇到的一些瓶颈问题，本方案引入基于区块链的基础设施赋能于业务场景实际问题，以工业系统为区块链节点，多方共识算法可确保多系统数据副本的一致性；智能合约是一种预写入的逻辑代码，通过部署业务智能合约可以实现秒级的自动化数据分析与比对，从而解决传统数据对账过程中不一致数据定位难的问题；基于分布式账本技术，将对账数据在链上进行存证，

为事后审计提供支撑，解决多方系统定责难且缺乏自动审计追责机制的问题。3.1工业系统数据交互可信验证方案设计工业系统数据交互可信验证方案主要由业务系统接入组件、具备可信验证功能的区块链节点和可视化管理查询系统3个部分组成。其中，具备可信验证功能的区块链节点为

方案的核心部分，该节点可灵活部署于业务系

统现有网络结构中，业务系统通过公钥（Public

KeyInfrastructure，PKI）

机制实现联盟链构建，业务数据通过镜像的方式实现旁路上链，从而

在不影响业务连续性的前提下实现数据的采集。然后，在区块链节点部署数据自动化验证的智

能合约，实现自动化秒级对账，同时提供信息

访问接口实现业务员查阅操作，其解决方案如

图2所示。为保障区块链节点的可信验证功能运转，需研究下述4项关键技术：（1）分布式身份认证技术：通过智能合约编写身份数据发布、认证以及撤销相关规则，

基于分布式账本技术，利用区块链共识机制，实现身份数据的可信存储。通过智能合约提供的外部接口实现身份的可信验证。图2

工业系统数据交互可信验证方案（2）智能合约一致性校验技术：深入分析业务系统数据交互格式，提取关键参数，抽象为规则化的业务智能合约，实现数据流的自动解析与实时比对，并对结果进行链上存储。（3）基于身份标识的溯源技术：建立基于区块链的全局唯一标识，支持链上可验证。进一步研究Merkel树机制，实现基于摘要的数据快速检索机制，支持链上数据的有效输出。（4）分布式账本客户端：基于JavaJNI规范，开发向下兼容的硬件算法接口，向上实现以交

易形式的链上互通，与分布式身份认证技术相

结合，实现数据的可信上链。此外，为进一步确保从业务系统采集数据的可靠性，后续可利用区块链硬件设备与本方案配合，进一步保障数据源头的可信，该硬件需具备下述两大功能特点：（1）可信密钥管理：建立基于硬件的密码管理技术，通过统一口令实现硬件与用户的绑定关系，用户通过可变的单一口令即实现多重密码安全使用。（2）可信数据采集：

建立设备/系统唯一

身份标识与链上公钥地址的对应关系，通过分布式账本客户端实现基于硬件算法的数据签名，以交易形式提交数据，

配合区块链的验签机制，确保数据来源的可靠与防篡改。3.2工业系统数据交互可信验证系统实施架构工业系统数据交互可信验证方案旨在引入区块链基础设施作为对账验证核心，对原有业务系统侵入性较小，整体系统实施架构由区块链核心层、区块链接入层及业务层3个关键层级组成，如图3所示。（1）区块链核心层：

基于区块链基础设施，实现业务型合约的编排、部署、可信执行。本方案采用国内主流的联盟链，自主设计业务型合约，通过JSONRPC远程调用协议实现与区块

链接入层的对接。其中业务型合约设计是本方

案的核心，包括对账、计算和存储合约。根据实际度量的业务需求，定位需要比对的关键参数，

包括但不限于消息ID、时间、地点、业务关键参数等需要对齐的数据内容，进行并行或者递归顺序的比对。将上述流程实现自动化编码，即完成业务合约的编码，根据不同区块链的技术要求完成合约部署。图3

工业系统数据交互可信验证整体架构（2）区块链接入层：打通实体业务与链层服务的关键功能组件，也是本实施架构的核心模块。根据业务系统的实际形态可提供3种实体业务对接模式。①流量镜像：对业务系统无侵入式对接模式，通过业务系统路由器的适当配置，获取工业系统间的交互流量进行镜像。主要难点在路由器的配置、流量的准确获取和正确解析。②HTTP接口：业务系统无需源码修改，调用本方案的接口进行信息传输。本方案根据实际业务信息度量参数，设置业务系统与区块链核心层的对接信息通信接口。主要工作在网络接口参数设置与适当的消息反馈。③区块链客户端：业务系统需要进行源码层

面的部分改动，

集成分布式账本客户端集成接口，实现客户端在原业务系统的集成与调试，保障业务“第一手”信息以交易的方式上链，在一定程

度上规避被篡改的风险，符合区块链信息上链安

全性的高需求。在区块链客户端做了缓存处理，

即使某笔交易发送失败，

也保障交易信息不丢失。分布式账本客户端承接信息解析与交易上链，实

现数据在“第一公里”的时候就以签名交易的方

式上链，有力规避信息在传输过程中被篡改的可

能，是目前最为可靠的信息上链方式。值得注意的是，上述3种对接方式中，消息队列作为“流量镜像”与“HTTP接口”的信息缓存，保证信息不丢失，即使在链服务偶尔宕机的情况下，也可保障原始信息的备份。（3）业务层：负责业务呈现，用户交互功

能与界面，

提供用户安全便捷的信息查阅途径。

涵盖用户管理、权限管理、业务数据库3个主

要功能模块。其中，用户管理与权限管理相配合，完成用户的注册、登录及访问信息库的功能。

业务数据库主要是与度量功能相关的基础信息，根据具体业务的不同而变化。通过上述实施方案的部署，工业系统数据交互可信验证系统的交互过程主要可分为“数据可信验证”与“业务可视化”两个流程，两个流程之间通过链层的分布式账本进行桥接，

系统数据交互具体流程描述如下。数据上链验证流程：①业务方根据自身系统强壮性、安全性与技术实现等方面评估，进行数据对接模式的定位，“流量镜像”对原系统保护最好，“HTTP接口”数据获取最方便，

“区块链客户端”信息获取最可靠；②进行关键信息解析，将数据写入消息队列缓存；③调用区块链客户端开放接口，实现数据的再次封装与交易上链；④通过区块链客户端实现待验证原始数据

的上链，并依次调用对账、计算合约和存储合约，实现数据度量与结果的链上存储。至此完成数

据的可信验证流程。业务可视化流程：①根据业务方的实际需求，进行用户管理与权限管理的配置，并且可兼容业务方原有的用户体系；②业务员通过可视化界面进行查询参数的输入；③后台调用信息解析模块，实现从分布式账

本信息的读取与展示。至此完成业务可视化流程。3.3工业系统数据交互可信验证方案性能估算本方案设计充分考虑系统可扩展性，基于数学组合理论分析如下：条件：假设M个系统，N个度量指标参数，TPS为区块链系统的每秒吞吐量。目的：给出基于区块链可信验证系统的数学模型与性能分析。思路：可信验证系统的性能即为每秒能处理的最大系统数量与最大指标参数。建模：可信验证系统可表述为关于M、N变量的数学不等式函数：进一步，验证分析过程需要两两比对，任选两个系统做排列组合，对账参数数量N，不等式（1）转换为：分析：底层链采用FISCO-BCOS，

可信区块链测评给出其最新TPS可达20000。不等式（2）展开即为：采用缩放法，对不等式（3）进行估值：假设M=N，则对账系统每秒能完成34个系统，最多34个指标参数条件下的两两对账。3.4系统原型验证效果以常见的工业信息化系统数据交互为例，

假设需保证某生产企业的企业资源计划系统ERP、制造执行系统MES和仓储管理系统WMS中的某关键数据（如产品库存）一致性。采用传统方案的人工比对，数据一致性校验只能通过两两系统之间进行比对，且需要人工去导出数据，

定位异常，通常是在T+1日对T日的数据进行比对，并修复数据。整个过程需多系统多部门人员参与、复核、验证，通常需要3人持续2至3小时才可完成，且仍有人为因素导致错误的可能。根据上述假设的工业系统数据交互需求搭

建了系统原型。首先，根据具体业务系统情况

考虑对账系统的区块链节点部署。本次实验部署了4个区块链节点，由于MES系统、WMS系

统、ERP系统部署在内网的不同子网，且相互之间数据交互频度不一，系统原型部署3个区块链节点在一个子网，部署1个区块链节点在另一个子网