杨欣^1,2,3 曾珍香^1,3  魏津瑜⁴

1.河北工业大学经济管理学院  天津 300401

2.天津理工大学中环信息学院  天津300380

3.天津市汉拓计算机技术研究所  天津  300462

4.天津理工大学管理学院  天津 300384

基金项目：天津市企业科技特派员项目（项目编号：19JCTPJC60800）

摘要：工业互联网、物联网制造以及服务型制造等新兴制造业模式给制造业的发展带来了深刻的影响，但目前这些模式均存在着网络集中化和第三方信任运营等问题。鉴于此，本文提出一种基于区块链的工业互联网平台体系架构，以提高工业互联网平台的安全性和可扩展性。

关键词：区块链；工业云；体系架构

一、引言

在20世纪，物联网技术和信息技术的融合被认为是重塑全球制造业企业所必需的关键技术和发展趋势。近年来，物联网技术快速融入制造业，催生了物联网制造新模式，向云计算制造业又迈进了一步。工业互联网作为一种利用物联网和信息技术服务的平台，可以根据终端用户需求，安排制造资源，是一种新型的、面向服务的制造模式。因此，按需提供服务是工业互联网模式的主要优势。然而，工业互联网模式主要使用集中的网络进行交互，并让第三方进行管理，这种集中式网络不仅降低了工业互联网模式的运行效率，同时也带来了不可扩展以及通信模型老化等缺陷，从而使系统产生更多的漏洞。另一方面，在制造业中，一些设备位于不安全的环境中，很容易被黑客篡改。同时，数据通过无线网络传输到集中的数据库，上传过程中也可能会产生安全漏洞。这就意味着，这种基于集中式的系统支持制造企业中的小型物联网网络，无法满足未来制造业生态系统中巨大物联网的紧急需求。

鉴于此，为了应对这些挑战，本文提出了一种基于区块链的工业互联网平台。区块链技术是一种数字化、去中心化的账本，还是一种简单的点对点网络，这一概念是由中本聪在2008年提出的。区块链技术开发了一种分布式的数字交易账本，使得信息数据可以在网络节点之间共享，而不是存储在中央服务器上。因此，区块链技术能够为新的制造模式提供有效的解决方案。本文提出的体系架构可以为工业互联网模式提供一个安全、创新的数据共享解决方案，并完全支持并可实现可伸缩、灵活和分布式的网络，以避免在集中式系统架构中所出现的问题。此外, 基于区块链技术中先进的数据加密算法，本文提出的体系架构可以提供标准和协议实现新的制造模式并且解决安全性和身份问题。

二、相关概念

区块链技术是一种分布式数据结构，它可以保存网络成员之间传递和共享的任何信息。区块链创建了安全可靠的新型对等通信平台，每个块由其哈希值标识，并与另一个块连接，以生成链。因此，每个块基于哈希值与其他块连接，提高了区块链的安全性。事实上，任何可以访问区块链网络的成员都可以读取它并计算出在网络上交换的数据的状态。因此，链中的一个块携带一个事务列表和一个哈希值到前一个块的散列。

区块链网络存在三种类型，即公有链、联盟链和私有链。其中，公有链是现实世界中的任何人或节点均可以访问，并将事务发送到网络上，现实世界中的任何人或节点都可以参与数据一致性检验的过程。公有链的主要缺点是公开，但并不意味着不安全。相反，它是安全的，其安全性基于密码技术。公有链被认为是一个完全去中心化的区块链，其中比特币是公有链成功应用的一个案例。

所谓的联盟链是指，在这种类型中部分是私有的。比如，若干个制造行业成员创建了一个区块链网络来实现成员之间的通信，每个成员必须控制一个节点，为了进行块验证，至少一半以上成员必须对该块进行评估。预选了一组节点来控制系统中的一致性检验过程。读取区块的权利可能是公共的，也可能仅限于参与者，还有一些混合的路径，比如将块的根哈希与API一起公开。

在私有链中，授权集中到一个组织中，读取授权可能是公共的，也可能是随机的。私有链主要应用在审计、数据库管理等领域。近年来，许多研究人员试图开发基于区块链的工业应用，以利用该技术的优势。例如，Li等人研究了基于区块的跨企业知识和服务交互框架，他们使用区块链网络通过边缘计算在企业之间进行知识交互。Sikorski等人提出了通过区块链技术实现点对点通信，并通过理论证明说明了区块链技术在电网系统中如何应用。Tian提出了基于区块链技术的农产品供应链可追溯系统，该系统采用了射频识别技术（RFID）对供应链中的农业食品进行跟踪，以确保数据的正确性和可靠性。该系统能够防止欺诈、篡改以及伪造信息。Oliveir等人提出了一种基于区块链和物联网的新型分散物流平台。区块链和物联网被用作基本构建块，能够创建一个可信的和集成的平台，以完全分散的方式管理物流操作。Liang等人使用区块链来集成医疗应用程序之间的数据共享和协作，他们提出了一种以用户为中心的医疗数据共享解决方案，利用分散的数据管理、通道形成方案以及增强的身份管理系统和会员服务来保护用户的隐私。因此，区块链技术具有安全性、不可逆性、可分布性、透明性和准确性等优点。该技术利用比特币的挖掘和交易，构造比特币的数据结构，加密交易信息的传输。系统中的数据块由节点通过维护功能进行维护，其中没有集中的管理机构，每个节点的权利和义务是平等的。该技术适用于存储需要识别和验证的数据。它使参与者能够按照事件的顺序以及事务的当前状态建立分散的共识。权力下放的好处是不需要权利的集中管理，而且有关各方之间的信任仍然保持。它支持在不受信任的环境中自主、安全地交换数据。一旦信息被验证并添加到区块链中，它将被永久存储。区块链的开放性和不可变性确保了高透明性、稳定性和可靠性是可行的。此外，它还提供了高流动性且更准确的记录和所有权透明度。

物联网的概念是在1995年出版的《未来之路》一书中提出的。由于缺乏高速网络、传感器、智能设备等高科技信息和设备，物联网在当时并没有得到应有的重视。然而，随着21世纪RFID技术的快速发展，物联网受到了越来越多的关注。最近的研究表明，物联网能够为基于RFID、无线传感器网络和云计算的新型工业系统的开发和制造提供良好的机会。因此，它引起了工业界和学术界的广泛关注，由于该技术的大量应用，在这一领域进行了许多技术研究。

如今，物联网是被称为工业互联网的新制造模式的关键组成部分。工业互联网模式定义为在现有先进制造技术的基础上，考虑并支持云计算、物联网和面向服务的技术，开发和建模的新范式。该模式的主要目的是将制造资源和能力转移到服务中，定义以智能统一的方式管理和运行的制造服务，实现制造资源和能力的充分配置和社会化。近年来，无论是工业界还是学术界，工业互联网模式一直是大量研究和应用的主要焦点，包括架构、平台、框架、模型和应用等领域。其中，Hu等人定义了工业互联网模式的概念，并确定工业互联网模式与网格制造之间的关系。Xu通过将云计算迁移到工业互联网模式，提出了基于四层的工业互联网模式架构。Tao等人定义了工业互联网模式的一个典型特征，并介绍了该IT结构在制造业中的关键特征。Lihui和Vincent通过考虑多任务加工，开发了基于云的分布式工艺规划应用。Ocatavian 等人关注于车间级别，Vatankhah通过模型驱动架构为柔性制造系统设计基于云的制造执行系统。

工业互联网模式给制造业带来了很多优势。但在工业环境中使用集中式网络来实现这种体系结构，集中式网络具有灵活性、效率、可用性、安全性和可伸缩性。最近，许多研究指出，分布式网络是改善制造系统中集中式网络的一个很好的解决方案，例如Skulj等人开发了用于工业互联网模式的分散网络架构，该架构基于服务提供商使用的自主工作系统。但是所提出的体系结构受到了标准化和实现协议的影响。因此，这一领域存在着巨大的学术空白，亟待解决。在本文中，介绍了一种基于区块链和工业互联网模式的面向制造业的可信安全分布式网络和服务共享方法。

三、基于区块链的工业互联网平台系统架构

本文提出了一个基于区块链和工业互联网模式的系统架构，用于安全分布式的服务共享，以及最终用户和服务提供者之间的可信连接。该体系架构由资源层、感知层、制造服务提供者层、基础设施层和应用层五个主要层组成。

（一）资源层

这是物理制造资源，也是制造层的能力。该层的主要组成部分分为两部分：硬件资源和软件资源。硬件资源由机器、机器人和物质处理系统组成。软件资源由计算模型、低级控制软件、数据采集软件等组成。制造能力是由资源、人（或组织）和知识构成的，反映了其在相关制造资源和知识的支持下完成制造任务或实验的能力。这一层的主要目的是为最终用户提供制造服务，例如机加工服务。

（二）感知层

该层负责感知物理制造资源和虚拟化等，它遵循工业互联网的概念。该层的主要目的是通过物联网在网络内建立连接，并对相关数据和信息进行处理，实现各种制造资源和能力的整体连接。

（三）制造服务提供者层

这一层不仅负责提供服务，而且还有两个主要职责：首先，它负责将数据类型更改为哈希值并存储在生成的块上。其次，它负责与区块链网络建立连接，区块链网络存在于后续层。这一层的一个关键组件是区块链客户端，它负责连接到网络并监视节点和块。通过间接方式与不同的服务提供商和最终用户进行通信的可能性和分布式系统就是从这一层开始的，这也是工业互联网和基于区块链的工业互联网的主要区别。在提出的体系结构中，区块链客户端建立了与其他部分的对等通信，开始将数据格式改为哈希数据，并将哈希数据封装到区块链网络上创建的块中进行网络广播。

（四）基础设施层

它负责提供支持不同层的基础设施，这包括两个部分：工业互联网和区块链网络。工业互联网负责为制造系统和客户的运营提供核心功能和服务，包括知识管理、云数据存储和云服务。这部分可以由多个工业互联网服务提供者组成。另一方面，区块链网络是基于联盟链开发的，负责在终端用户和服务提供商之间开发对等网络，以及在云基础设施提供商之间开发安全协作平台。它由两个类型节点组成，控制器/验证节点和请求/响应节点。因此提出工业互联网服务提供者扮演控制器节点和终端用户扮演请求节点系统上，所以多个工业互联网服务协作和合作一起开发和管理区块链网络不考虑第三部分和每个工业互联网服务负责会员验证和网络维护，提高平台的安全性，也负责自己的数据共享和存储，降低整个系统的复杂性。

（五）应用层

负责提供不同的具体应用接口和相关的终端交互设备。应用程序可以分为两部分，即PLC应用程序和终端用户应用程序。两个都是使用区块链网络和云环境提供服务的web应用程序。web应用程序的主要任务是为每个用户创建一个钱包，例如最终用户通过web应用程序创建钱包，并根据钱包号连接到区块链网络，以便发送请求或使用服务。在服务请求连接的情况下是短时间的，因为短时间的连接提高了区块链网络的安全性和延迟。

最终用户连接到区块链网络并使用服务后，在执行过程中存在两种类型的服务模式：云上服务和云下服务。云上服务完全在工业互联网服务提供的云平台控制之下，使用区块链网络与终端用户连接。这些服务主要涉及计算资源。云下服务意味着一些制造任务应该由位于工业互联网平台之外的人工或物理资源执行，工业互联网平台位于系统的内部。最终用户需要通过web应用程序创建钱包，并向基于区块链的工业互联网平台发送一个服务请求。终端用户使用区块链网络生成的特定钱包号进行请求服务，创建钱包后，终端用户提供了请求服务的详细信息，基于此信息创建区块并在区块链网络上进行广播。在这一步中，最终用户和服务提供者之间的智能联系的第一个规则是通过考虑最终用户关于服务的信息（如质量和到期日期）而开发的。为了提高平台的安全性，生成了一种最终用户与服务提供者之间数据传输的黑色对称加密方法。对称加密是计算机密码学的一种形式，它使用一个单一的加密密钥来伪装电子消息。最终用户和服务提供者之间的联系是短时间内连接，提高了系统延迟，这意味着发送请求后通过区块链网络到达最终用户，最终用户自动断开连接到服务提供者接受请求并将其发送服务给最终用户，但最终用户可以监控其请求客人的系统，但不能改变或添加新的数据系统。

四、总结

工业互联网、物联网制造、服务型制造等新兴制造业模式给制造业带来了诸多优势，但目前所有的模式都存在着集中化的产业网络和第三方信任运营等问题。本文提出的一种基于区块链的体系架构有效提高了工业互联网平台的安全性和可扩展性。

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