30、多式联运数据交换与共享框架及智能合约应用

多式联运数据交换与共享框架及智能合约应用

在当今数字化时代，多式联运业务的数据交换与共享变得至关重要。随着区块链技术和边缘计算的发展，为解决多式联运数据处理中的诸多问题提供了新的途径。

1. 研究背景与相关工作

在数据交换与共享领域，已有不少关于利用区块链技术和边缘计算的研究。例如，MEdge - Chain框架结合了区块链与边缘计算技术，实现了快速安全的医疗数据交换和存储；EdgeMediChain则是一个安全高效的健康数据共享管理框架；还有研究者利用区块链技术和智能合约建立了物流资源分配网络，并借助边缘计算支持资源受限的运输节点进行复杂计算。

2. 架构设计

多式联运数据交换与共享框架采用了分层架构，包括用户层、本地边缘挖掘层、语义推理层、区块链层和链下分布式存储层。
- 用户层 ：由参与多式联运数据业务流程的各种信息系统、多式联运参与者和物联网设备组成。数据上传有两种方式：
- 加密后上传到本地边缘挖掘层，如物流车辆传感器和手持扫描终端产生的数据，经边缘挖掘层实时处理后，由区块链服务安全存储，智能合约可访问存储数据进行分析决策。
- 加密后通过区块链层的智能合约直接上传到链下分布式文件存储层。
- 本地边缘挖掘层 ：位于物流节点的本地边缘设备上，由边缘节点服务（ENS）创建的分布式数据挖掘池、区块链服务和本地数据库组成。该层的优势包括：
- 赋予边缘设备计算能力，实现网络节点的横向扩展。
- 解决数据真实性和可信度问题。
- 增强终端异构能力。
- 提供实时计算和验证服务。
- 结合区块链和边缘计算形成区块链边缘计算的去中心化模型，节点可直接通信交换数据，无需中央服务器中介，还能实现实时证书存储和基于可信数据分析处理的服务执行，解决业务数据处理中的带宽、实时安全和高可靠性挑战，以及区块链在大规模节点场景下交易处理能力降低的问题。
- 语义推理层 ：对智能合约的执行起着关键作用。该层基于本体知识和访问控制规则进行动态语义推理，物流领域的本体知识构建依赖行业专业知识，访问控制规则分为公共规则和定制规则。在执行合约时，先调用推理服务API确定是否继续操作。
- 区块链层 ：连接其他各层，允许具有可信身份的参与者进行物流数据的交换和共享。通过有效的身份验证机制确保身份可信度，利用智能合约和Chainlink分布式网络实现数据交换共享的自动化和条件执行，同时存储多式联运数据的哈希和URL哈希指针，保障数据安全。
- 链下分布式存储层 ：由于运输行业产生大量数据，区块链数据结构难以处理如此大规模的数据，且链上存储原始数据存在隐私、成本和可扩展性问题。因此采用链下存储和链上认证机制，以星际文件系统（IPFS）作为数据库，采用P2P分布式协议，通过唯一的CID将存储数据与区块链数据关联，提供高效的存储和检索机制，避免单点故障，确保物流数据的完整性和可访问性，还用于存储区块链用户的公钥。

各层相互独立又紧密集成，具有可扩展性、分布式和高效性等显著优势，为多式联运物流行业的数据交换和共享提供了更高效可靠的支持。

3. 智能合约应用

区块链智能合约是一种计算机协议，可高效促进协议的通信、验证和执行，实现无需可信第三方的可信交易，确保交易的可追溯性和不可逆转性。在多式联运中，智能合约的应用主要体现在身份验证注册和数据交换共享两个方面。
- 身份验证与注册 ：身份验证注册过程包括五个模块和八个步骤：
1. 申请人通过注册门户提交申请信息。
2. 身份注册请求传输给管理员进行验证。
3. 验证通过后，向用户发放注册密钥。
4. 注册站点向区块链的认证机构（CA）服务器发起请求。
5. CA服务器执行智能合约1的注册和激活过程，将身份信息记录在区块链上，并返回用户公钥和私钥等信息。
6. 注册门户将用户公钥存储在IPFS中。
7. IPFS返回公钥的唯一CID。
8. 用户获取并保管私钥。

以下是智能合约1的伪代码示例：

01: contract IntermodalTransportation:
02:  
struct Participant:
03:  
string name;
04:  
address wallet;
05:  
bool isRegistered;
06:  
enum ParticipantType { Shipper, Carrier, Consignee }
07:  
mapping (ParticipantType => mapping (address => Participant)) participants;
08:  
function registerParticipant(ParticipantType participantType, string memory n
ame) public {
09:  
require (!participants [participantType][msg.sender].isRegistered, "Participa
nt already registered.");
10:  
Participant memory newParticipant = Participant ({
11:  
name: name,
12:  
wallet: msg.sender,
13:  
isRegistered: true
14:  
});
15:  
participants[participantType][msg.sender] = newParticipant;
16:  
} 
17:  
function getParticipantInfo(ParticipantType participantType, address wallet) p
ublic view returns (string memory, bool) {
18:  
return (
19:  
participants[participantType][wallet].name,
20:  
participants[participantType][wallet].isRegistered
21:  
);
22:  
} 
23:  }

• 数据交换与共享用于自主决策 ：用于自主决策的智能合约依赖Chainlink分布式预言机网络获取外部数据，并通过语义推理确定是否授权访问。例如，若数据交换共享需要天气信息，智能合约需通过Chainlink预言机网络获取准确天气数据。调用语义推理服务API批准智能合约的自主决策后，执行数据交换共享过程，并将相关信息记录在区块链上。

智能合约2的伪代码如下：

01:  import "@chainlink/contracts/src/v0.8/ChainlinkClient.sol";
02:  contract WeatherDataSharingContract is ChainlinkClient {
03:  
mapping (address => bool) public accessPermissions;
04:  
address private oracle;
05:  
bytes32 private jobId;
06:  
uint256 private fee;
07:  
constructor (address _oracle, bytes32 _jobId, uint256 _fee) public {
08:  
setPublicChainlinkToken();
09:  
oracle = _oracle;
10:  
jobId = _jobId;
11:  
fee = _fee;}
12:  
function authorizeAccess() public {
13:
accessPermissions[msg.sender] = true;}
14:  
function revokeAccess() public {
15:  
accessPermissions[msg.sender] = false;}
16:  
function shareData() public {
17:  
require(accessPermissions[msg.sender], "No access permission");
18:  
bool hasAccess = callSemanticInferenceAPI(msg.sender);
19:  
require (hasAccess, "Access denied");
20:  
requestWeatherData();}
21:  
function callSemanticInferenceAPI(address requester) private returns (bool) {
22:  
// Call the semantic inference service API here, infer based on the provided p
arameters to check access permissions.
23:         // For example, infer based on the requester's identity and request time, etc.
24:         // Return a bool value indicating whether access is granted or not.
25:         // Here, a hypothetical logic is used.
26:  
bool hasAccess = true; // Assuming everyone has access permission.
27:  
return hasAccess;}
28:  
function requestWeatherData() private {
29:  
Chainlink.Request memory req = buildChainlinkRequest (jobId, address(thi
s), this.fulfill.selector);
30:  
req.add("url", "https://api.weather.cn/data"); // Assume this is the API URL t
o fetch weather data.
31:  
req.add("path", "temperature"); // Assume the path to the temperature data in
the weather API.
32:  
sendChainlinkRequestTo(oracle, req, fee);}
33:  
function fulfill (bytes32 _requestId, uint256 _temperature) public recordChain
linkFulfillment(_requestId) {
34:  
if (_temperature > 39) {
35:  
// ...
36:           } else { 
37:  
// ...
38:    }}}

智能合约的执行过程如下：
1. 导入Chainlink合约。
2. 定义智能合约。
3. 定义存储访问权限的映射。
4. 定义智能合约在链上的地址和相关参数。
5. 构造函数设置Chainlink配置。
6. 授权访问权限。
7. 撤销访问权限。
8. 进行数据共享。
9. 调用语义推理服务API。
10. 请求天气数据。
11. 处理链上预言机的响应。

4. 总结与展望

该多式联运数据交换与共享框架通过集成区块链技术和边缘计算技术，实现了多个协作方之间安全可控的数据交换和共享，提供了安全、透明、可靠的数据基础设施，提高了物流运营的效率和可信度，为物流参与者提供了更好的决策支持。

未来，多式联运领域可能会出现多种采用不同技术方法的区块链，形成独立的价值孤岛，限制不同区块链之间的业务协作和价值交换。因此，探索通用、可扩展、多中心且易于访问的跨链解决方案将是后续研究的重点。

5. 互联网权利（IOR）模型

随着互联网行业的发展，积累了大量数据，但也暴露出诸多问题，如数据隐私与数据协作的矛盾、数据所有权与使用权的矛盾、数据收集和使用的合法性、数据治理与规则治理的关系以及证据链的可追溯性等。

互联网权利（IOR）模型从区块链的角度出发，采用多链技术将共识机制逻辑分层，包括存储共识、权限共识、角色共识、交易共识等，构建了新的基础设施。该模型具有以下特点：
- 保护数据隐私的前提下，使具有复杂组织结构和交互的数据来源能够顺利协作。
- 利用区块链的去中心化、开放、自主、不可变和可控匿名性，注册数据所有权，使应用基于责任和权利构建生态系统。
- 提供具有隐私保护的跨域处理，以及数据治理和规则治理的分离。
- 结合人工智能和大数据技术的处理能力，以及物联网的无处不在的数据收集能力，为实现群体智能和构建互联网新范式（智能治理）提供新的基础设施概念。

综上所述，无论是多式联运数据交换与共享框架，还是互联网权利（IOR）模型，都在利用区块链等新兴技术解决数据领域的各种问题，为行业的发展和互联网的进步提供了新的思路和方法。

以下是身份验证注册过程的mermaid流程图：

graph LR
    A[申请人提交申请信息] --> B[管理员验证身份]
    B --> C{验证是否通过}
    C -- 通过 --> D[发放注册密钥]
    D --> E[注册站点向CA服务器发起请求]
    E --> F[CA服务器执行注册激活过程]
    F --> G[CA服务器返回公钥和私钥等信息]
    G --> H[注册门户存储公钥到IPFS]
    H --> I[IPFS返回公钥CID]
    I --> J[用户获取并保管私钥]
    C -- 不通过 --> K[结束流程]

各层架构的功能及优势总结表格如下：
| 架构层 | 功能 | 优势 |
| ---- | ---- | ---- |
| 用户层 | 包含信息系统、参与者和物联网设备，提供数据上传方式 | 满足不同数据处理需求，保障数据实时性和安全性 |
| 本地边缘挖掘层 | 由分布式数据挖掘池、区块链服务和本地数据库组成 | 实现节点扩展，解决数据真实性等问题，提供实时服务 |
| 语义推理层 | 基于本体知识和访问控制规则进行语义推理 | 支持智能合约执行，确保操作合法性 |
| 区块链层 | 连接各层，实现数据交换共享、存储和验证 | 保障数据共享的可信性和安全性 |
| 链下分布式存储层 | 采用IPFS存储数据和公钥 | 解决区块链存储难题，确保数据完整性和可访问性 |

多式联运数据交换与共享框架及智能合约应用

6. 多式联运数据处理流程分析

为了更清晰地理解多式联运数据在整个框架中的流转过程，我们可以将其分为几个关键步骤进行分析。

6.1 数据产生与上传

多式联运中的数据来源广泛，包括物流车辆上的传感器、手持扫描终端等物联网设备。这些设备产生的数据根据其性质不同，采用不同的上传方式：
- 实时数据 ：如车辆的位置、行驶速度等实时数据，通过加密后上传到本地边缘挖掘层。这样可以利用边缘计算的实时处理能力，快速对数据进行分析和处理。
- 静态数据 ：一些在业务过程中基本不变的数据，如货物的基本信息等，经过加密后通过区块链层的智能合约直接上传到链下分布式存储层。

以下是数据上传流程的表格总结：
| 数据类型 | 上传方式 | 优势 |
| ---- | ---- | ---- |
| 实时数据 | 加密后上传到本地边缘挖掘层 | 实时处理，提高响应速度 |
| 静态数据 | 加密后通过智能合约上传到链下分布式存储层 | 节省链上存储资源，保障数据隐私 |

6.2 数据处理与存储

• 本地边缘挖掘层处理 ：该层的分布式数据挖掘池、区块链服务和本地数据库协同工作。边缘设备具备计算能力，能够对上传的实时数据进行初步处理和分析，同时利用区块链技术确保数据的真实性和可信度。处理后的数据可以安全地存储在区块链上，为后续的决策提供支持。
• 链下分布式存储层存储 ：对于上传到链下的静态数据，星际文件系统（IPFS）利用其P2P分布式协议进行高效存储。通过唯一的CID将存储数据与区块链数据关联，既保证了数据的完整性和可访问性，又解决了区块链存储大规模数据的难题。

6.3 数据使用与决策

智能合约在数据使用和决策过程中发挥着重要作用。
- 身份验证与访问控制 ：通过智能合约1进行身份验证注册，确保只有具有可信身份的参与者才能访问和使用数据。在数据交换和共享时，智能合约根据预设的规则和语义推理结果，决定是否授权访问。
- 自主决策与数据共享 ：智能合约2依赖Chainlink分布式预言机网络获取外部数据，结合语义推理进行自主决策。当决策通过后，执行数据交换和共享过程，并将相关信息记录在区块链上，保证交易的可追溯性和不可逆转性。

以下是数据处理与使用流程的mermaid流程图：

graph LR
    A[数据产生] --> B{数据类型}
    B -- 实时数据 --> C[加密上传到本地边缘挖掘层]
    B -- 静态数据 --> D[加密通过智能合约上传到链下存储层]
    C --> E[本地边缘挖掘层处理]
    E --> F[区块链存储处理后数据]
    D --> G[IPFS存储数据]
    F --> H[智能合约身份验证与访问控制]
    G --> H
    H --> I[智能合约自主决策]
    I --> J{决策是否通过}
    J -- 通过 --> K[执行数据交换与共享]
    J -- 不通过 --> L[结束流程]
    K --> M[区块链记录交易信息]

7. 智能合约代码分析

智能合约是多式联运数据交换与共享框架的核心组成部分，下面对两个智能合约的代码进行详细分析。

7.1 智能合约1：身份注册

01: contract IntermodalTransportation:
02:  
struct Participant:
03:  
string name;
04:  
address wallet;
05:  
bool isRegistered;
06:  
enum ParticipantType { Shipper, Carrier, Consignee }
07:  
mapping (ParticipantType => mapping (address => Participant)) participants;
08:  
function registerParticipant(ParticipantType participantType, string memory n
ame) public {
09:  
require (!participants [participantType][msg.sender].isRegistered, "Participa
nt already registered.");
10:  
Participant memory newParticipant = Participant ({
11:  
name: name,
12:  
wallet: msg.sender,
13:  
isRegistered: true
14:  
});
15:  
participants[participantType][msg.sender] = newParticipant;
16:  
} 
17:  
function getParticipantInfo(ParticipantType participantType, address wallet) p
ublic view returns (string memory, bool) {
18:  
return (
19:  
participants[participantType][wallet].name,
20:  
participants[participantType][wallet].isRegistered
21:  
);
22:  
} 
23:  }

• 结构体和枚举 ：定义了 Participant 结构体，用于存储参与者的姓名、钱包地址和注册状态； ParticipantType 枚举用于区分参与者的类型，如发货人、承运人、收货人。
• 映射 ：使用嵌套映射 participants 来存储不同类型参与者的信息，方便根据参与者类型和地址进行查找。
• 注册函数 ： registerParticipant 函数用于注册新的参与者，在注册前会检查该参与者是否已经注册，避免重复注册。
• 信息获取函数 ： getParticipantInfo 函数用于获取指定参与者的信息，返回参与者的姓名和注册状态。

7.2 智能合约2：数据交换与共享用于自主决策

01:  import "@chainlink/contracts/src/v0.8/ChainlinkClient.sol";
02:  contract WeatherDataSharingContract is ChainlinkClient {
03:  
mapping (address => bool) public accessPermissions;
04:  
address private oracle;
05:  
bytes32 private jobId;
06:  
uint256 private fee;
07:  
constructor (address _oracle, bytes32 _jobId, uint256 _fee) public {
08:  
setPublicChainlinkToken();
09:  
oracle = _oracle;
10:  
jobId = _jobId;
11:  
fee = _fee;}
12:  
function authorizeAccess() public {
13:
accessPermissions[msg.sender] = true;}
14:  
function revokeAccess() public {
15:  
accessPermissions[msg.sender] = false;}
16:  
function shareData() public {
17:  
require(accessPermissions[msg.sender], "No access permission");
18:  
bool hasAccess = callSemanticInferenceAPI(msg.sender);
19:  
require (hasAccess, "Access denied");
20:  
requestWeatherData();}
21:  
function callSemanticInferenceAPI(address requester) private returns (bool) {
22:  
// Call the semantic inference service API here, infer based on the provided p
arameters to check access permissions.
23:         // For example, infer based on the requester's identity and request time, etc.
24:         // Return a bool value indicating whether access is granted or not.
25:         // Here, a hypothetical logic is used.
26:  
bool hasAccess = true; // Assuming everyone has access permission.
27:  
return hasAccess;}
28:  
function requestWeatherData() private {
29:  
Chainlink.Request memory req = buildChainlinkRequest (jobId, address(thi
s), this.fulfill.selector);
30:  
req.add("url", "https://api.weather.cn/data"); // Assume this is the API URL t
o fetch weather data.
31:  
req.add("path", "temperature"); // Assume the path to the temperature data in
the weather API.
32:  
sendChainlinkRequestTo(oracle, req, fee);}
33:  
function fulfill (bytes32 _requestId, uint256 _temperature) public recordChain
linkFulfillment(_requestId) {
34:  
if (_temperature > 39) {
35:  
// ...
36:           } else { 
37:  
// ...
38:    }}}

• 导入和继承 ：导入 ChainlinkClient 合约并继承，以便使用Chainlink的功能。
• 映射和变量 ： accessPermissions 映射用于存储参与者的访问权限； oracle 、 jobId 和 fee 分别表示预言机地址、作业ID和费用。
• 权限管理函数 ： authorizeAccess 和 revokeAccess 函数用于授权和撤销参与者的访问权限。
• 数据共享函数 ： shareData 函数在检查参与者的访问权限和语义推理结果后，请求天气数据。
• 语义推理函数 ： callSemanticInferenceAPI 函数根据提供的参数进行语义推理，判断是否授予访问权限。
• 数据请求和处理函数 ： requestWeatherData 函数构建Chainlink请求并发送； fulfill 函数处理Chainlink预言机的响应。

8. 总结

多式联运数据交换与共享框架结合了区块链技术和边缘计算，通过分层架构和智能合约的应用，实现了多式联运数据的安全、高效交换和共享。各层架构相互协作，解决了数据处理中的诸多问题，如数据真实性、隐私保护、可扩展性等。智能合约则为数据的使用和决策提供了自动化和可信的机制。

互联网权利（IOR）模型从另一个角度出发，利用区块链的特性解决了互联网数据领域的一些深层次问题，如数据隐私、所有权和使用权等。该模型构建的新基础设施为实现群体智能和智能治理提供了新的思路。

未来，随着技术的不断发展，多式联运和互联网数据领域将面临更多的挑战和机遇。跨链技术的研究和应用将是解决不同区块链之间协作问题的关键，同时，人工智能和大数据技术的进一步融合也将为数据处理和决策带来更多的可能性。我们期待这些新兴技术能够为行业的发展和互联网的进步做出更大的贡献。