Реализация прототипа ИУС на основе блокчейн-технологии

Введение

Глобализация – это устоявшаяся часть современного мира, которая оказала существенное влияние на промышленность и торговлю. В условиях глобальной цифровой экономики любой процесс создания добавленной стоимости существенно трансформировался за счёт структурных изменений в экономике [1]. Современная логистика, как часть этого процесса, становится всё более сложной, с большим количеством сторон, прямо или косвенно вовлечённых в цепочку поставок [2, 3]. Эта сложность создаёт новые вызовы для всех участников цепочки создания ценности, которые связаны в первую очередь со следующими проблемами:

Существование этих проблем делает существующие логистические процессы крайне неэффективными и небезопасными [4]. Внедрение сквозных цифровых технологий на различных этапах, в том числе и в производственные процессы, способно решить многие из этих проблем.

Технология блокчейн является одним из возможных решений. Несмотря на зрелость технологии, в докладе, опубликованном в журнале PwC, «Connected and autonomous supply chain ecosystems 2025» сообщается, что, вопреки растущему интересу к этой технологии, только «5% из всех компаний и 27% от общего числа цифровых флагманов в индустрии готовы к её внедрению в реальных проектах» [5].

В качестве успешного примера использования технологии блокчейн для логистики и управления цепочкой поставок можно привести совместный проект датской компании Maersk Global Trade Digitization (GTD) и американской IBM блокчейн-платформы TradeLens [6]. Эта платформа позволяет сэкономить большие суммы средств за счёт улучшения контроля за передачей информации и автоматизации документооборота [7]. Применяемый компанией подход предполагает использование одного из видов блокчейн – приватной блокчейн-сети – для организации коммуникации между компаниями – участниками электронного взаимодействия. Использование приватной блокчейн-сети позволяет участникам электронного взаимодействия подтвердить достоверность информации и тем самым реализует возможность использования легковесных алгоритмов достижения консенсуса. Отметим, что доверие к такой системе строится только на предположении, что большинство компаний, составляющих распределённый реестр, не вступили в сговор с целью мошенничества. В большинстве случаев этого не происходит, однако есть отрасли, которые особо чувствительны к подобного рода проблемам. Отечественной платформы схожего типа не существует.

Основной целью проведения данного исследования было изучение возможности использования технологии гибридного блокчейна для создания прототипа логистической системы контроля перевозок. В качестве перевозимого груза нами была выбрана коллекция картин. Разрабатываемая система должна была обеспечить контейнерную транспортировку картин с учётом соблюдения температурного и влажностного режимов, кроме того, должна быть обеспечена безопасность транспортировки.

Были поставлены следующие исследовательские задачи:

Материалы и методы

К перевозке ценных грузов предъявляются особые требования: упаковка груза должна быть надёжно закрыта и зафиксирована в транспортном средстве; каждая отдельная единица должна быть взвешена и записана в документации; место с ценным грузом должно быть опломбировано, о чём делается запись в грузовой накладной; груз должен быть застрахован. В качестве объекта логистического процесса для нашего исследования были выбраны картины. Перевозка ценных грузов, таких как предметы живописи, имеет особенности, связанные с упаковкой и транспортировкой. Во время длительной перевозки на такой груз могут оказывать влияние колебания температуры, инсоляция, влажность, вибрация и другие факторы, которые могут негативно сказаться на сохранности и состоянии изделия. Поскольку такие изделия часто имеют высокую ценность, то для поддержания целостности будет использоваться контейнер, в который помещается транспортируемый объект. Очевидным решением является использование «умного» контейнера с использованием IoT-технологий, оснащённого датчиками и модулями передачи.

В данной работе вместо контейнера используется модуль эмуляции данного контейнера с использованием языка программирования Rust. Выбор данного языка обусловлен его гибкостью, низкими требованиями к вычислительным ресурсам, поддержкой реального времени, строгим контролем за памятью и мультиплатформенностью.

Важным вопросом также является выбор архитектуры используемого блокчейн-хранилища. Для того чтобы исключить сговор компаний, удобно воспользоваться архитектурой гибридного блокчейна [8], предполагающего аудит записываемой в блокчейн информации. Гибридный блокчейн представляет собой связанные приватный и публичный блокчейны. Приватный блокчейн в доверительной среде работает по одному из легковесных протоколов достижения консенсуса, например, по алгоритму достижения консенсуса RAFT, и отправляет в публичный блокчейн хэши блоков и публичную информацию. Таким образом, приватный блокчейн осуществляет аудит публичного блокчейна. Принципиальная схема гибридного блокчейна представлена на рис. 1.

Также использование гибридного блокчейна сохраняет низкую стоимость транзакции, которая важна при взаимодействии с IoT-решениями. Для нашей реализации был выбран блокчейн на базе платформы Ethereum. Платформа Ethereum является блокчейн-платформой, которая позволяет разработчикам создавать децентрализованные приложения с использованием смарт-контрактов. Смарт-контракт – некоторая программа, записанная в блокчейн, выполняемая и подтверждаемая участниками блокчейн-сети. Логистический контракт, в котором описываются условия доставки, включает в себя целевые показатели приборов, время доставки и любые другие интегрируемые условия. Таким образом, осуществляется валидация логистических условий. Для аудита заключается аудиторский контракт в публичной сети. Данный контракт описывает формат хранения и представления данных аудита.

Данная платформа была выбрана нами в силу простоты использования. В настоящий момент Ethereum является эффективной платформой для построения блокчейн-сетей, которая поддерживает смарт-контракты на Тьюринг –
полном языке программирования Solidity, в отличие от, например, Bitcoin. Кроме всего прочего, использование платформы Ethereum позволит интегрироваться с её базовой криптовалютой эфиром и реализовать собственный токен на базе стандарта ERC20, обеспечивая таким образом простую интеграцию с существующим миром криптофинансов. Для реализации клиентской по отношению к блокчейну части нами был выбран стек разработки Java/Spring. Язык Java в большинстве случаев используется для создания бэкенд-части корпоративных приложений. 

Обсуждение результатов

Реализованный в результате выполнения практической части исследования прототип состоит из двух модулей: модуля эмуляции контейнера перевозки и модуля гибридного блокчейна.

Модуль эмуляции представляет собой обобщённую модель контейнера, в котором перевозится картина. Данный модуль генерирует определённые данные: показания двух датчиков температуры и показания двух датчиков влажности. Именно эти параметры непосредственно влияют на целость и сохранность объекта транспортировки – картины.

Данные генерируются в отдельных потоках в реальном времени. В случае просрочки дедлайна эмулятор отправляет сообщение об ошибке считывания. После считывания данные отправляются на сервер при помощи POST-запроса. Как упоминалось выше, весь код эмулятора был реализован на языке программирования Rust. Преимущество использования данного подхода состоит в том, что при возникновении необходимости в использовании реального времени можно будет быстро развернуть данную программу на встроенной системе. С учётом специфики рассматриваемого процесса применение реального времени сможет улучшить показатели выполнения алгоритма.

В результате выполнения практической части нашей исследовательской работы был получен прототип информационно-управляющей системы с использованием децентрализованной распределённой базы данных. Прототип реализует функционал логистического контроля за картинами на основе технологии блокчейн.

В части программной реализации нами было разработано собственное API на базе методологии REST. Вызов разработанного API со стороны внешней системы позволяет выполнить проверку данных в блокчейн посредством вызова специального метода смарт-контракта. Нами была реализована программная сущность – абстрактный контракт, который описывает интерфейс, реализуемый любым логистическим смарт-контрактом. Он называется Transfer и представлен в Листинге 1.

Листинг 1
Описание абстрактного логистического контракта 

abstract contract Transfer {
string company;
bool public isFailed =
false;
string public owner;
mapping(string => int64)
public sensors;
function CheckIsFailed()
public virtual returns (bool);
function put(string memory
key, int64 value) public {
sensors[key] = value;
}
function setOwner(string
memory newOwner) public {
owner = newOwner;
}
}

Фактическая реализация логистического контракта для работы с конкретным объектом транспортировки – картиной представляет собой реализацию контракта Transfer и представлена в Листинге 2. 

Листинг 2
Реализация контракта для контейнера перевозки картин

contract PictureTransfer is
Transfer {
function CheckIsFailed()
public override(Transfer)
returns (bool){
if (!isFailed) {
isFailed = !(((se
nsors[“temperatureValue1”] < 24
&& sensors[“temperatureValue1”]
> 22) ||
(sensors[“temperatureValue2”]
< 24 &&
sensors[“temperatureValue2”] >
22)) &&
((sensors[“humidityValue1”] < 60
&& sensors[“humidityValue1”] >
50) ||
(sensors[“humidityValue2”] < 60
&& sensors[“humidityValue2”] >
50)));
return isFailed;
}
return true;
}
}

Также нами был описан смарт-контракт аудита. Данная реализация хранит хэши блоков и поступающие данные датчиков. Реализация данного способа записи в виде смарт-контракта представлена Листингом 3. 

Листинг 3
Реализация способа записи данных аудита для хранения

contract AuditContract {
mapping(string=>string)
public hashInfo;
string[] public keys;
function put(string
memory key, string memory value)
public{
hashInfo[key]=value;
keys.push(key);
}
function get(string memory
key) public view returns(string
memory){
return hashInfo[key];
}
function keyLength()
public view returns(uint){
return keys.length;
} }

Тестирование

Модуль эмуляции камеры

Данный проект был протестирован на базе персонального компьютера со следующими характеристиками:

Для разработки применялось следующее ПО:

Модуль блокчейна

Данный проект был протестирован на базе персонального компьютера со следующими характеристиками:

Для разработки использовалось следующее программное обеспечение:

Результаты тестирования и выводы

В результате тестирования разработанного программного проекта нам удалось продемонстрировать эффективность использования технологии блокчейн для решения трёх характерных для логистики проблем, связанных с коммуникациями, сквозной прозрачностью и информационной безопасностью:

1) проблема коммуникации между участниками процесса взаимодействия успешно решается посредством автоматизированного вызова методов смарт-контракта при помощи «умного» оборудования;
2) проблема осуществления сквозной прозрачности процессов решается при помощи использования аудиторского блокчейна в рамках архитектуры гибридного блокчейна;
3) проблема информационной безопасности решается посредством использования архитектуры гибридного блокчейна, так как она делает кибератаку в 51% случаев просто невозможной.

Также была выявлена проблема, связанная с выбранным стеком разработки: низкая производительность транзакций в приватной блокчейн-сети из-за использования Ethereum. Для приватного блокчейна лучше использовать платформу Hyperledger. Данная платформа является специализированной для разработки именно корпоративных приложений на основе блокчейна и предоставляет более эффективные и зрелые инструменты для работы в доверенной среде. 

Заключение

В рамках работы были поставлены и решены исследовательские задачи:

В результате выполнения исследовательской работы был создан и протестирован работающий прототип системы, созданный на базе технологии гибридного блокчейна. Данный прототип продемонстрировал зрелость данной технологии для применения её в рамках разработки технологии контроля логистической цепочки поставок. Авторам представляется перспективной для проведения дальнейших исследований интеграция данной разработки с электронным документооборотом и цифровыми валютами, такими как цифровой рубль. 

Литература

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!