基于區塊鏈技術的服裝可追溯系統設計與實現

金鵬 薛哲彬 江潤恬 張弛 許晗

摘要： 目前服裝可追溯體系存在覆蓋不全、產權難以保護等問題，中心化賬本的數據記錄方式存在數據篡改風險，二維碼或RFID技術存在防偽性不足問題。針對服裝產品溯源與真偽辨識問題，文章提出一種基于權威證明機制的服裝可追溯系統設計方案。通過對現有可追溯系統進行分析，并對服裝供應鏈進行剖析分解，指出各環節與區塊鏈技術結合方式。系統借用區塊鏈技術，結合權威證明機制、哈希算法、時間戳技術、智能合約，從數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層、應用層六部分進行研究，利用去中心化網絡結構，實現對服裝產品全生命周期的數據錄入。同時，解決算力與存儲空間不足、節點作惡、數據防篡改、服裝實物與數據結合問題，保證服裝產品的可溯源性與防偽性。

關鍵詞： 服裝;可追溯系統;區塊鏈;權威證明;系統設計

中圖分類號： TS941.26

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2021）05-0062-08

引用頁碼： 051110

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.05.010（篇序）

Abstract： At present， there still exist some problems in clothing traceability system， such as incomplete coverage， difficulty in property rights protection， data tampering risk in centralized account book data recording methods， and lack of anti-falsification of two-dimensional code or RFID technology. To solve the issues concerning of clothing products traceability and authenticity identification of clothing products， a design scheme of clothing traceability system based on proof-of-authority mechanism was proposed. Through the analysis of the existing traceability system， the analysis and decomposition of the clothing supply chain， this paper pointed out the mode for the combination between each step and blockchain technology. This system is focused on the study from six aspects of data layer， network layer， consensus layer， incentive layer， contract layer and application layer， hash algorithm， timestamp technology and smart contract through blockchain technology based on proof-of-authority mechanism， and the data input of the whole life cycle of clothing products was implemented by using decentralized network structure. At the same time， this system can solve the problems of insufficient computing power and storage space， node evil， data tamper proofing， and the combination of clothing objects and data， thereby guaranteeing the traceability and anti-counterfeiting of clothing products.

Key words： clothing; traceability system; blockchain; proof-of-authority; system design

可追溯系統（traceability system）[1]是指利用與產品一一對應的標志，追溯或跟蹤某產品的生產、交易、售后情況的一種保障體系?？勺匪蒹w系一方面可以對產生問題的產品進行追溯，以找清問題源頭[2];另一方面可對產品進行跟蹤，以確定產品流通情況，便于售后處理等問題[3]。

隨著人們物質生活水平不斷改善，消費者對服裝的購買力有較大提升[4]。但鑒于服裝品牌、品類繁多，針對服裝的溯源仍存在諸多問題;同時，普通消費者不具備對服裝真偽鑒別能力。因此，進行服裝可追溯體系研究，使普通消費者可追溯服裝生產全生命周期，具有相當重要的意義。

區塊鏈作為一種新興技術，其具有的不可篡改、公開透明等特性，可用于改善現有服裝追溯體系中流程覆蓋、設計版權保護、監管乏力等問題。將區塊鏈技術應用于服裝可追溯體系中，不僅有利于服裝企業獲取版權保護、打擊盜版、利于自身的可持續發展，同時可使政府監管部門與消費者一起參與服裝追溯體系的監管及維護，促進行業良性、可持續發展。

本文基于共識算法中的權威證明（POA），提出一種服裝溯源方法。該方法與傳統的RFID或二維碼溯源方法相比，具有不可篡改、無需實物、溯源性強、成本較低等優點，在實際生產生活中具有現實意義。

1 服裝可追溯體系研究現狀

針對可追溯體系的研究分為體系研究與技術研究兩大類，目前這些研究集中在農產品領域，如肉制品、奶制品等[5]。目前，國內外較為成熟的可追溯體系分為兩種，即中心化賬本模式或者由各個市場參與者分散式記錄和保存的模式。前者容易導致賬本被篡改等問題，而后者是一種信息孤島模式，賬本擁有者可以隨意更改臺賬。這兩種模式下產生的信任問題難以解決。同時，可追溯體系中的技術研究集中于RFID技術與二維碼技術。RFID使用專用讀寫器及附著于目標物的RFID標簽，對物品進行非接觸式的移動識別，從而對物品進行全產業鏈的追蹤[6]。但RFID技術成本較高、實行標準尚未統一，且由于讀寫器與標簽之間的身份識別很容易破解，其安全性難以得到保障[7]。二維碼技術常用于煙酒茶、化妝品等行業[8]。該技術一般在產品包裝上粘貼具有獨一性的二維碼，并通過掃碼計數器甄別二維碼的掃碼次數，一個二維碼只有第一次掃碼時才會顯示正品，從而辨別產品真偽[9]。但該技術同樣存在相應漏洞：包裝上的二維碼可被刮下并粘貼于仿制品上;用于甄別掃碼次數的系統可被偽造。

同時，國內外研究學者也基于區塊鏈技術對服裝溯源問題作出相應研究。Kamalendu Pal等[10]提出了一種基于區塊鏈的物聯網應用架構，該架構使用分布式數據管理，以支持多方服裝供應鏈中的交易服務;Juan José Bullón Pérez等[11]基于區塊鏈技術提出一種服裝可追溯性方案，該方案在確保供應鏈透明度的同時，保證服裝的真實性、可靠性和完整性;梁曉穎等[12]與蔡建梅等[13]均從用戶維度、屬性維度、功能維度3方面對區塊鏈技術在服裝供應鏈上的應用進行可行性分析，

提出基于區塊鏈技術的服裝供應鏈的邏輯框架或開發流程;王璽瑞等[14]對服裝生產流程進行分解，指出在服裝生產銷售過程中可與區塊鏈技術相結合，并據此設計相應系統;祝煥等[15]從服裝線上定制模式入手，結合區塊鏈特點提出一種服裝定制發展策略。

綜上，目前利用區塊鏈技術對服裝溯源進行的研究大多局限于理論層面，且對共識機制的選用、系統構架設計等涉及較少。對供應鏈溯源而言，傳統區塊鏈中的工作量證明機制及權益證明機制均存在諸多弊端。就工作量證明機制而言，其隨著系統內交易數量的增多，其交易的確認時間會逐漸增長，可拓展性差;而權益證明機制過于中心化，存在權益過大的節點篡改數據的風險。因此在實際使用時，傳統的區塊鏈溯源機制并不適用于供應鏈溯源。

據此，本文提出一種基于權威證明算法的服裝可追溯體系。該體系與傳統區塊鏈所使用的工作量證明算法、權益證明算法相比，除去可保證溯源體系的真實性，同時具有低耗節能、反應速度快、對系統容量要求較低、可拓展性好的優點，可以切實解決服裝可追溯體系中的防偽問題與信息孤島問題。

2 服裝可追溯體系

2.1 服裝可追溯流程分析

服裝可追溯流程基本呈鏈式結構，大致可分為生產前流程、生產流程、生產后流程，如圖1所示。其中以服裝生產流程最為復雜，服裝從原料到成衣需經過設計、制作、入庫、出庫一系列流程。

服裝生產前流程主要為服裝原材料進廠前的一系列流程，包括服裝原材料生產流程與服裝設計流程。原材料生產流程包含服裝原料、面輔料的生產流程、物流運輸流程;服裝設計流程包含設計需求、設計調研、設計版單、服裝效果圖、樣衣制作等。

服裝生產流程主要由倉儲部門、品管部門、生產部門、品檢部門負責完成。倉儲部門負責對進廠原料、面輔料添加可追溯標識，并確認出廠成衣的可追溯標識;品管部門負責確認進廠原料及面輔料的檢驗狀態;生產部門負責生產過程中的標識作業;品檢部門負責檢驗成品品質及標識，并對可追溯性資料進行收集與歸檔。

服裝生產后流程主要包括服裝出庫、物流分銷、經銷商分銷、售后服務、舊衣回收等。

2.2 服裝可追溯體系現存問題

2.2.1 追溯流程全覆蓋問題

目前，服裝追溯體系的追溯流程集中于服裝生產企業內部，對進廠前的服裝原材料溯源及出廠后的服裝成衣溯源較為困難。由于服裝供應鏈較為復雜，參與成衣生產的服裝企業眾多。而且企業間信息化程度不一、信任問題難以解決，產業上下游的信息不對稱問題突出，導致服裝原材料追溯問題難以解決。

此外，服裝產業作為僅次于石油業的第二大污染行業，其自身的可持續發展議題一直是行業痛點之一。目前服裝可追溯體系大多只能覆蓋至服裝銷售端，服裝出售后的市場流向難以掌握，對服裝回收再利用帶來一定困難，不利于服裝行業的綠色可持續發展。

2.2.2 設計產權保護問題

服裝行業的產權保護問題日益嚴峻，服裝設計師或廠家的服裝設計作品難以得到保護。目前服裝可追溯體系的研究集中于對服裝實物的追溯，缺乏設計師版權保護問題的探討與解決。服裝設計的保護最普遍的方法為申請外觀專利，但這一方法耗時長，且會對設計師或廠商帶來經濟負擔，同時由于缺乏監管，對盜版服裝的審查與追究行為也難以進行。

2.2.3 監管體系乏力問題

服裝行業與食品行業不同，難以從源頭對服裝成品進行檢驗追蹤，導致對不合格產品的追查困難。針對服裝產品的審查可分為企業的樣品送檢與市場抽查兩種。企業送檢的樣品合格不足以說明大規模生產時的所有批次均能達到合格要求。針對服裝產品的審查通常由地區內的市場監管局進行，一般以抽檢的方式進行檢測。但服裝批次多、種類雜，難以對同類服裝進行追蹤。不合格的服裝產品特別是嬰幼兒服裝、校服等品類的服裝流入市場，會對消費者人身安全產生一定威脅，同樣不利于行業發展。

2.2.4 數據篡改問題

現行服裝可追溯體系的數據搜集、整理、存儲工作由服裝企業負責，消費者或市場監管部門難以參與，數據以中心化的方式進行管理，體系內數據面臨被惡意篡改風險。

2.3 基于區塊鏈技術的服裝可追溯系統優勢

與現行可追溯系統相比，由于區塊鏈技術的不可篡改、公開透明、集體維護等特性，使用該技術的服裝可追溯系統優勢更為明顯。利用區塊鏈技術可將服裝全生命周期相關信息經過哈希加密上傳至區塊鏈系統，一方面可有效解決服裝生產過程中企業內部“信息孤島”現象，并保護企業設計版權;另一方面可提供給消費者查詢服裝生產流程及詳細信息接口，使服裝達到可溯源效果。其主要優勢可從企業、消費者、政府監管部門三個角度進行分析。

企業角度：1）溯源能力強，對于市場靈敏度更高;2）打破企業間信息壁壘，解決供應鏈企業間信任問題，加強企業間系統合作能力與風險對抗能力;3）自身設計版權可得到保證，打擊盜版;4）優化售后服務;5）可建立服裝回收體系，利于可持續發展。

消費者角度：1）可溯源查詢服裝相關信息，提升消費信心;2）優化二手服裝的流通渠道;3）消費者個人也可參與可追溯系統維護，提升消費者參與感及品牌忠誠度。

政府監管部門角度：1）強化監管體系，可追蹤不合格產品的批次及具體信息;2）打擊盜版，維護市場秩序。

3 基于區塊鏈技術的服裝可追溯系統設計與實現

目前利用區塊鏈技術對服裝供應鏈進行溯源的研究大多停留在理論層面，并未實際進行應用開發。因此，為評估該系統對服裝溯源效果的可行性，本文基于以太坊的開發者平臺，利用Ethereum Studio工具，以服裝公司A為例，對上述系統進行仿真實現，并設計了一個基于JavaScript的Web應用程序用于效果展示。服裝A公司的生產公司地址位于江蘇省無錫市，其某一經銷商地址位于安徽省安慶市，該公司擁有獨立的設計師團隊及生產流水線用于成衣設計與制作。通過利用該系統，滿足該公司、消費者達到對服裝防偽溯源的需求，同時保護相關設計版權，維護正版服裝的合法權益。

3.1 服裝供應鏈與區塊鏈

從服裝供應鏈的角度出發，對服裝供應鏈各環節進行剖析，并依據流程環節，指出可與區塊鏈系統進行數據交互環節。通過流程分析與分解，提出一種基于區塊鏈的多層分布式服裝可追溯系統，如圖2所示。

對本系統而言，系統需首先打包處理服裝生產企業、經銷商的相關信息，以智能合約約定的方式將信息進行驗證、哈希加密，最終上鏈成為創世區塊。隨后，服裝產品的原材料信息、生產信息、加工信息、物流信息、交易信息等相關信息以同樣的方式進行加密處理，并打包存入創世區塊之后的區塊，區塊與區塊之間加蓋時間戳以防止被惡意篡改。信息以梅克爾樹（Merkle Tree）[16]的形式儲存于區塊之中。同時，個人用戶通過注冊的方式成為系統內的節點，并參與到系統的維護，其個人信息也同樣儲存于區塊中。

3.2 系統分層設計

依據區塊鏈系統結構，將服裝產品可追溯體系框架按照應用構架分為數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層、應用層。

數據層從本質上來說是一種分布式賬本[17]，即系統內的節點（服裝企業、經銷商、用戶等）都擁有數據儲存與查詢的權力。數據層用于儲存服裝產品全生命周期的相關信息，這些信息以梅克爾樹結構保存于區塊中，并利用哈希加密防止數據被篡改。

系統中的網絡層主要包含點對點機制、數據傳輸機制與數據驗證機制。點對點機制是指在系統中的每一個分布式的節點都可作為單獨個體對接收到的信息進行處理，這些節點在接收信息的同時也會產生信息[18]。按照功能可將節點分為中心節點、記賬節點、驗證節點。服裝企業通過地區劃分來確認中心節點，并由服裝公司運營相應的中心節點。由于企業與盜版商品間的利益沖突，因此該中心節點在維護交易的真偽性上是值得信任的。同時，消費者可以通過實名制注冊成為系統中的一個普通節點，如圖3所示。

系統通過建立共識層防止交易造假和節點故意作惡[19]，共識層主要用于存放系統所設置的共識算法與共識機制。在本系統中，所有節點遵循權威證明機制（POA）維護與更新系統賬本。權威證明是一種基于聲譽的一致性算法，在系統中的節點首先需要經過實名制驗證，節點作惡會被踢出系統，并對該節點的聲譽造成影響，之后無法再進入本系統。

對于服裝企業而言，其利益即打擊盜版服裝，維護企業自身利益，從這點出發，受企業運營的中心節點在維護信息真實性上是值得信任的。同時為使普通節點有動力參與系統維護與數據存儲，需要使用相應經濟激勵模型。激勵機制由服裝企業負責，通過設置一定現金獎勵或服裝實物獎勵來實現，也可以將節點間交易時產生的手續費作為獎勵補償給記賬節點與驗證節點，從而鼓勵系統中的普通節點參與區塊鏈的安全驗證工作，同時也吸引更多消費者參與到系統內部。

合約層主要用于封裝各類代碼、腳本、算法，以及由此生成的智能合約（smart contract）[20]。智能合約本質上是一段條件判斷的代碼，這段代碼用于聲明合約參與者的權利與義務，并由計算機系統自動執行。作為系統參與者，智能合約可以對信息進行接收、判斷與儲存，也可以向系統廣播信息。

應用層為系統的應用場景與案例，本系統應用層使用Web端網頁來實現。在現實使用場景中，每一個實名注冊的賬號都是虛擬系統中的一個節點，節點使用應用層接入區塊鏈系統，并參與系統維護、數據處理與存儲。

用戶通過使用該系統，可以實時查詢該企業服裝產品生產、運輸、流通的全生命周期，以達到相對應的溯源效果。利用系統中的哈希加密算法與權威證明機制，通過應用層的分布式數據儲存機制，可以保障對產品質量安全可靠性。

3.3 系統實現

3.3.1 系統搭建環境

系統運行系統采用較為主流的Ubuntu Base 16.04.6 LTS（Xenial Xerus），利用Ethereum Studio進行智能合約的編寫、部署與測試。系統的前端應用采用Web形式呈現，其采用React框架進行設計與開發。

3.3.2 系統實現

1） 智能合約編寫與部署

智能合約的編寫采用Solidity語言，該語言是一種面向智能合約的高級語言，其語法與JavaScript類似，是用于生成在EVM上執行的機器級代碼的工具。圖4為某一智能合約部分代碼示意。對編譯好的智能合約代碼使用Remix進行編譯與部署，部署成功后系統將返回智能合約地址及二進制接口（application binary interface，ABI）用于交互。在實際使用時，用戶及系統可通過地址及ABI手動或自動調用智能合約。

2） 服裝ID設計

為在系統內對服裝產品進行統一識別與溯源，需要對每件服裝的編碼進行一定規律設計。

服裝ID可分為現實中的人為識別ID與可被系統識別的系統識別ID，如圖5所示。人為識別ID的設計采用?。ㄗ帜福?、市（字母）、服裝類別（字母）、隨機識別碼（六位隨機數/字母）。服裝的人為識別ID具有獨一性，不會隨著服裝的生產、交易信息的改變而改變。

服裝的系統識別碼設計更為復雜，前九位數字為生產企業的信息編碼，中間的十七位數字為該服裝產品的生產信息碼，第三十位到第三十八位為經銷商信息編碼，最后十位為該服裝最近一次銷售的時間編碼。對于服裝而言，其系統識別ID的前三十五位代表著該服裝的生產、第一次出售的相關信息，該部分代碼不會改變，但該ID的最后十位會隨著服裝的每次交易時間的變化進行改變，便于消費者對服裝的溯源查詢。

3） 數據存儲設計

本系統內數據均采用梅克爾樹形式進行編譯與存儲，梅克爾樹以二叉樹形式進行數據構建。針對溯源數據的存儲問題，區塊數據可通過RLP編碼后存在levelDB數據庫中。在節點上傳相關文件信息后，系統依據哈希算法計算出文件的哈希值并提交溯源記錄，并以此觸發智能合約，將執行結果記錄至區塊鏈上。例如，對于名稱為A1的文件，其哈希值如圖6所示，用戶可以在信息上鏈的過程中選擇及時向全網發布信息或延遲發布。

4） 服裝溯源界面設計

服裝溯源查詢功能設置于由JavaScript語言進行編寫的Web頁面內，用戶利用前端界面接入系統，并在系統內通過查詢每件服裝的人為識別ID獲取該服裝在系統內的哈希值，進而對整件服裝的信息進行溯源與查詢。例如，人為識別ID為FCA001A7B的服裝溯源信息如圖7所示。

3.4 系統實現難點與解決方案

3.4.1 算力與存儲問題

相較于使用工作量證明機制與權益證明機制，本系統使用的權威證明機制可有效解決算力與存儲問題。

權威證明機制的最大特點是較為中心化的節點設計，其記賬權并不是由算力大小或權益大小來決定，而是由隨機函數對實名制的節點進行隨機選取來敲定。被授權的節點被稱為驗證者（validator），負責新區塊的產生和區塊驗證，從而換取系統獎勵。由于不需要將算力浪費在做題上，使用權威證明機制的系統速度將會大幅提升，因此這一機制較為切合服裝供應鏈的溯源體系。

3.4.2 節點作惡問題

享有記賬權的節點作惡會對系統產生不利影響。為解決這個問題，本文在系統中引入可驗證隨機函數機制和委員會背書機制。

可驗證隨機函數（VRF）[21]在本系統中用于隨機選取若干驗證者節點，被選取的節點享有記賬權。同時，在記賬節點之外選取若干實名制節點組成委員會。在數據上鏈的過程中，委員會成員需要驗證記賬節點發起的區塊信息提案。如果驗證為真，委員會節點需要在提案上簽名以作為其正式背書。通過引入該機制，若存在作惡節點，該節點首先需要獲得記賬權，并需要聯合足夠多的委員會節點作為同謀才能達到作惡條件，但隨機函數的存在使得這一情況發生率幾乎為0。同時，由于委員會背書機制的存在，可以預防服裝企業自身的中心節點濫用記賬權，系統的安全性與穩定性也可以得到保障。

3.4.3 數據防篡改

為防止服裝溯源信息被惡意篡改，可在系統內的智能合約中聲明區塊最終性機制。

區塊最終性機制將區塊生成過程分為三個階段，每個階段都需要有2/3的節點達成共識。第一階段為選取記賬節點、驗證節點，記賬節點享有記賬權，而驗證節點享有驗證信息是否真實的權利;第二階段為委員會成員確認區塊中的信息，并背書該區塊;第三階段為新區塊通過加蓋時間戳，并銜接至主鏈上。

由于采用分布式賬本，作惡節點只更改自己記錄數據，不會對整體系統產生影響;同時通過使用時間戳技術與哈希加密，主鏈上區塊內數據不會被篡改，從而達到數據防篡改目的。

3.4.4 線上數據與線下商品對應

目前絕大部分區塊鏈的使用形式為線上系統，針對線上與線下如何結合的研究較少。在本系統中，服裝產品從生產至銷售過程均有與其相匹配的數字ID。針對線下服裝實物與線上數字ID匹配問題，消費者可使用系統應用掃描服裝上二維碼，通過相應應用查詢數字ID了解產品的流通情況和最后一任擁有者信息，觀察其信息是否與線上數字ID信息匹配，從而解決線上數據與線下產品對應問題。

4 結 論

本文以服裝公司A為例，提出一種基于區塊鏈技術的服裝可追溯系統。通過對服裝公司A的供應鏈環節進行剖析分解，指出與區塊鏈技術的結合點。通過對系統進行分層式設計，從智能合約、服裝ID設計、數據儲存、服裝溯源查詢等角度提出實現該系統的方法，并對系統存儲問題、節點作惡問題、數據防篡改問題、線上線下結合問題均提出相應解決方法。利用本系統，可對服裝產品數據進行采集、判斷、存儲、讀取，達到對產品全生命周期記錄。同時利用分布式數據存儲方式、哈希算法，避免中心賬本對系統數據的更改，保證了交易數據不可篡改性，達到對服裝產品真正防偽溯源。

本系統仍存在相應問題：目前區塊鏈系統的智能合約設計仍處于發展階段，存在一定不足，例如其設定仍處于“IF-THEN”響應形式，該響應形式只能解決代碼中的預設問題，對于交易中可能存在預料之外問題難以解決;使用權威證明機制的可溯源系統相較于使用工作量證明機制的可溯源系統更加節能，但系統仍存在存儲容量問題，目前解決方法仍以擴容為主，未來應提出更多解決方案。

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