基于区块链技术的建筑材料供应链质量数据安全共享方法

刘彩红, 周森伟, 王姝雨

(中国建筑第八工程局有限公司, 上海 200120)

随着数字经济时代的到来,全球每天都会产生大量的数据,数据作为一种重要的生产资源,对经济发展以及价值创造具有重要意义。建筑材料供应链体系从业务层面具备建设建筑行业领先的数字供应链业务基础,通过数字化转型,大力建设数字供应链数字化支撑服务能力,可实现建筑行业领先的数字供应链,支撑公司产业互联网的发展。供应链质量数据安全共享成为建筑企业数字化发展的核心,以客户为中心,以价值创造为目标,形成“业务一条链、数据一个源、管理一个环、生态一个圈”的供应链数字化新格局,打造大数据支撑、网络化共享、智能化协作的八局数字供应链管理系统,实现降本、保供、可控、合规的供应链愿景,提高建筑企业核心竞争力,引领建筑企业数字化转型。区块链技术为建筑领域材料供应链质量数据可信存储和安全共享提供了新的发展机遇,区块链技术作为一种新型大数据处理、存储技术,可以有效防止数据篡改,实现文明供应链质量数据安全共享。目前国内外已有区块链技术在建筑领域的应用研究,谭晓军等[1]提出应用云平台来解决智造方供应链信息共享的问题,采用分布式协作理论,对庞大的供应链业务数据进行处理,构建了分布式下实时动态更新算法和共享数据资源池相结合的供应链企业数据互联互通协作模型,实现供应链数据额共享。毛焕宇和张果[2]采用物联网技术,对智能工厂供应链共享平台进行优化设计,以物联网框架结构为基础,通过感知层、网络层和应用层,构建供应链共享平台数据库,关联各个环节的信息,实现平台的信息共享功能。

但是上述供应链数据共享方法在实际应用中效果并不理想,不仅数据误码率比较高,而且数据共享时延比较长,现行方法已经无法满足实际需求,目前急需研究出一种新的方法。为此提出基于区块链技术的建筑材料供应链质量数据安全共享方法。

1 方法设计

对于建筑材料供应链质量数据安全共享方法的设计,坚持以需求为导向,充分考虑物资采购业务的多样性和独特性,明确数据共享建设和功能应用的重点,夯基础、重实用、求实效,精准把握用户需求,急用先行,实现流程全程在线,推动数字供应链与业务深度融合。坚持试点先行,根据总体规划,选取部分单位开展有针对性、有特色、有示范效应的试点建设,力争在试点单位快速形成成熟、可供推广的典型版本。根据试点成果,编制典型方案,成熟后大规模部署应用。坚持基于云平台研发环境,打造“一平台、多场景、微服务、微应用”领先的基础平台;实现资源统筹分配、快速部署、快速实施、敏捷迭代,积极响应业务创新发展需要。

1.1 基于区块链技术的质量数据加密

从建筑材料供应链质量数据属性入手,利用区块链技术对质量数据加密处理,保证建筑材料供应链质量数据的安全性,其加密流程如图1所示。

图1 基于区块链技术的质量数据加密流程

图1显示,利用区块链技术对建筑材料供应链数据加密主要包括质量数据初始化、生成密钥(公钥、私钥)、密钥计算、密钥恢复以及解密等5个流程。将待存储与共享的建筑材料供应链数据映射到区块中,在区块中利用双线性映射原理对质量数据进行初始化,得到密钥对,密钥对包括主密钥和公钥,其用公式表示为

(1)

式中:d为主密钥;s为乘法循环群的生成元;q为双线性映射函数;a为建筑材料供应链质量数据哈希值;u为随机指数;α为建筑材料供应链质量数据属性;k为建筑材料供应链质量数据属性总数量;g为公钥[3]。所有存入区块中的建筑材料供应链质量数据都将其表示为数据序列,利用生成的密钥对,并且选择一个随机向量,对密钥进行分割,将分割得到的多个密钥块中随机选择一个密钥块,将其作为建筑材料供应链质量数据秘密共享密钥份额,并将其与指定的质量数据属性相关联,生成密文,存储到区块中[4]。当用户需要调取区块链中建筑材料供应链质量数据时,需要对密钥进行恢复,预先选定质量数据的模逆颜色,根据模逆元素对密钥进行推算,获取到建筑材料供应链质量数据属性密钥,利用恢复的密钥对密文进行解密处理,得到明文,其用公式表示为

(2)

式中:E为解密计算后得到建筑材料供应链质量数据明文;C为秘密共享密钥份额;P为恢复密钥;W为身份随机数密钥;Q为身份随机数公钥[5]。利用式(2)对密文进行解密处理,从而得到建筑材料供应链质量数据明文。

1.2 建立质量数据安全共享链

考虑到在数据安全共享过程中质量数据加密、恢复、解密程序比较烦琐,为了使整个过程程序化,在完成对质量数据加密处理后,建立质量数据安全共享链,使整个流程在一条共享链上完成与实现[6]。根据建筑材料供应链质量数据上传到区块链上的时间,形成共享数据时间序列,基于数据的时间序列,建立数据安全共享链。数据安全共享链由多个事物格组成,根据建筑材料供应链质量数据安全共享需求,共设计了安全共享数据标志号、质量数据上传者、质量数据共享者、质量数据类型、质量数据共享请求、质量数据密钥计算、质量数据密文、质量数据安全共享操作类型、质量数据发布、质量数据验证以及质量数据共享者签名共11个事物格[7]。整个数据安全共享链是以区块链为核心,结构成树状,数据安全共享链结构底端是多个事物格,利用区块链技术生成事物对应的字符串,将其作为数据安全共享链的节点,并且每个节点都存在一个对应的哈希值,在数据加密、解密过程中密钥顺着节点向上传递,从而将整个建筑材料供应链质量数据加密连接成一个整体,实现对数据加密流程整合。

1.3 实现质量数据安全访问共享

考虑到建筑材料供应链质量数据的安全性,仅依靠数据加密是远远不够的,故在数据安全共享链建立完成后,设计一个共享用户身份验证机制,即质量数据接收者在获取到明文之前,需要向区块链证明自己的合法身份[8]。共享者在区块链中输入身份标识和基于区块链的质量数据库登录密码,区块链计算公式为

(3)

式中:A为用户与服务器之间对话密钥;B为共享者的掩码身份标识;⊕表示异或运算;E为提供数据共享服务的服务器编号;ID为共享者身份标识;R为用户登录次数;PW为共享者输入的数据库登录密码[9]。并且选择一个随机数计算:

(4)

式中:M为建筑材料供应链质量数据密文;X为一个随机数;RN为当前时间戳;MID为区块链中存在的用户掩码身份编号[10]。如果式(3)、式(4)同时成立,则表示该用户为合法用户,服务器将密钥对发送给共享者,用户在区块链中输入密钥对,对密文进行解密处理,即可获得到建筑材料供应链质量数据明文。如果式(3)和式(4)不成立,或者仅有一个公式成立,则表示该用户为非法用户,无法获得到质量数据明文。按照以上设计的用户身份验证机制,对所有向服务器发送质量数据共享服务请求的用户身份进行验证,通过检验后才能获得数据,以此实现了基于区块链技术的建筑材料供应链质量数据安全共享。

2 实验论证

2.1 实验准备与设计

选择目前两种最为常用的共享方法作为对照组,为了方便后续实验陈述,以下将文献[1]提出的方法(对照方法1)和文献[2]提出的方法(对照方法2)作为对照组,将本文的设计方法作为实验组,选择某建筑企业材料供应链质量数据作为实验数据,数据总量共8 000 Byte(字节),利用本文的设计方法对建筑材料供应链质量数据安全共享。实验是在建筑企业以太网中进行,网络节点宿主机均为HNFKLH虚拟机,windows2010操作系统,搭配Intel Core i8CPU,内存为32 GB,网络带宽为1 000 MB。按照上述流程对建筑材料供应链质量数据加密,建立安全共享链。以及对用户身份验证,完成质量数据安全共享,以下对具体共享效果进行评定。

2.2 实验结果与讨论

为了检验质量数据安全共享过程中数据的完整性,选择误码率作为评价指标,误码率越高,则表示数据的完整性越差,其计算公式为

(5)

式中:r为供应链质量数据共享误码率;x为共享的数据中误码样本数量;b为缺失数据数量;a为无效数据数量;e为共享的建筑材料供应链质量数据总量。以1 000 Byte数据为基准,每完成1 000 Byte数据共享后利用上述公式计算误码率,直到共享数据达到8 000 Byte为止,使用电子表格记录误码率,具体数据见表1。

表1 3种方法的误码率

由表1可知,在实验中本文的设计方法误码率在1%以内,平均误码率为0.45%,对照方法1平均误码率为8.86%,对照方法2平均误码率为5.68%,均远远高于本文的设计方法。这是因为采用区块链技术对供应链数据共享,供应链技术具有防篡改功能,可以保证数据的完整性,从而降低了数据共享误码率。为了检验数据共享时效性,选择质量数据共享时延为指标,实验共设计8组,每组实验完成对1 000 Byte质量数据共享,使用电子表格记录数据共享时延数据,具体见表2。

表2 3种方法的共享时延

由表2可知,在实验中本文的设计方法数据共享时延均在1 s以内,平均共享时延为0.23 s,与对照方法2相比本文的设计方法共享时延快5.12 s,与对照方法2相比本文的设计方法共享时延快6.05 s,说明本文的设计方法对数据共享具有良好的时效性。通过以上实验数据和结果证明,本文的设计方法具有良好的供应链质量数据安全共享效果,能够有效保证数据共享的安全和效率。

3 结语

结合区块链技术优势,将其应用到建筑材料供应链质量数据安全共享中,研发出一种新的共享方法,利用区块链技术加密建筑材料供应链质量数据属性,建立质量数据安全共享链,设计一个共享用户身份验证机制,实现建筑材料供应链质量数据安全共享。

1)通过实验验证本文的供应链质量数据安全共享方法,能够将数据误码率保持在1%以内,数据共享时延在1 s以内,可有效降低数据误码率和共享延时,应用效果较好,保证了供应链质量数据的完整性与真实性。

2)建筑材料供应链质量数据共享使得供应商、生产商和采购者能够更好地相互了解,有助于优化资源配置,提高产品质量和客户满意度,确保建筑材料的质量和可持续发展。在未来的研究中,将继续完善设计方法,建立数据更新和备份机制,确保数据的及时性和可靠性。定期对数据进行审查和校验,及时更新和修正错误或不准确的信息。同时,建立备份系统,保留历史数据,以便在需要时进行追溯和分析,为对建筑行业的质量管理、可持续发展和整体效率的提升提供一定的技术支持。