作者：Denis Stefanescu, Leticia Montalvillo, Aitor Urbieta
来源：ACM Distributed Ledger Technologies: Research and Practice
单位：Ikerlan Technology Research Centre，Spain
时间：2024年12月

背景：

工业4.0强调自动化、物联网（IoT）、云计算和数据分析的融合，旨在提升制造业及其他行业的生产力与效率。在这一背景下，区块链作为一种分布式账本技术（DLT），因其透明性、安全性和去中心化特性而备受关注，尤其在供应链管理中可用于追踪货物和材料流动，确保数据的完整性与可追溯性。但是将区块链技术应用于工业4.0场景仍面临挑战
•互操作性•可扩展性和性能•数据隐私•外部数据访问•成本负担

核心贡献：

论文提出了一种基于智能合约的分布式账本框架，旨在为工业4.0企业提供安全、高效、可追溯的业务流程管理解决方案。
•可互作、可定制且免费的智能合约平台
论文设计了一个灵活的智能合约平台，支持不同组织使用不同的区块链系统和数据结构进行协作。通过可适配的接口，该平台促进了企业间的互操作性，同时具备可定制性以适应多样化的业务需求。此外，平台无需交易费用，降低了运营成本。
•私有通道保护数据隐私
论文引入了私有通道机制。只有授权参与者能够访问通道内的敏感数据，从而保障了数据隐私
•整合预言机访问外部数据
论文通过集成区块链预言机（Oracles），使智能合约能够获取外部数据源（如市场价格或设备状态），扩展了其应用场景
•实际用例的实施与验证
论文与工业公司Fagor Automation合作，在真实工业场景中实施并验证了所提框架的有效性。这种实践导向的方法增强了研究的实用性

技术框架：

技术框架基于Hyperledger Fabric，支持多个工业企业与外部实体（如供应商、客户、合作伙伴）之间的业务交互。框架从下至上分为三层
底层：工业工厂通过共享的同质化数据区块链来收集和处理工业物联网数据。
上层：业务平台基于联盟区块链，利用智能合约实现自动化协议，连接工业工厂与其他企业。
连接层：通过互操作性网关和预言机实现跨区块链通信和外部数据访问。

技术框架主要从DLT选择、共识算法、访问权限、外部数据访问、数据隐私机制、跨链协作六个方面进行考量设计
DLT选择：采用区块链作为分布式账本的实现方式，区块链具有安全性与不可篡改性、去中心化、支持智能合约、成熟生态的特性
共识算法：采用Raft，Raft是一种基于leader节点的共识算法，设计直观且易于实现，相较于拜占庭容错共识算法（PBFT）更易维护
网络访问权限：采用联盟链代替公共区块链，联盟链相较于公共区块链，限制了参与者的数量，降低了恶意行为的风险，同时由于数量的减少，网络可以更快的处理交易，共识机制的达成更快
外部数据访问：通过区块链预言机实现对于外部数据的访问，允许智能合约获取外部数据，支持更复杂的业务逻辑实现
数据隐私机制：框架通过私有通道实现数据隐私，通道数据使用对称加密（AES）和非对称加密（ECDSA）进行保护，结合TLS确保通信安全
跨链协作：
框架设计了一个协作连接器网关，分为三层机构实现，监控管理层、实现层、适配层

实验：

环境配置：Ubuntu系统、I7处理器、16GB RAM 、512GB SSD
区块链平台：业务区块链基于Hyperledger Fabric v2.2，工业同质化数据基于Polkadot

部署步骤：
•网络配置：采用自定义的network.sh搭建网络，包括多个组织、节点和通道
•预言机服务：实现链下预言机，允许链码访问外部可信数据源，预言机由可信节点运行
•私有通道：创建私有通道，限制敏感数据访问权限，使用加密技术保护数据传输
•协作连接器：使用NodeJS开发连接器，连接业务区块链与工业工厂的区块链，连接器运行在去中心化的预言机网络，避免单点故障

用例实现

实验与Fagor Automation合作，用例目标监控计算机数控机器的状态，确保符合保修条件，防止未经授权的更改。
监控参数：软件安装、验证代码、配置参数设置、操作模式

实现流程通过框架的层层递进实现工业信息的跨链协作，流程分为数据收集、外部数据获取、变更数据日志生成与存储、严重性评估

框架分析：

性能分析：使用Hyperledger Caliper实现框架的性能分析，指标包括交易吞吐量、延迟、资源使用和链码执行时间

对比设置：
Fagor用例（论文框架+Raft共识）
Basic用例（默认链码+Raft共识）
Fabric PBFT Fagor用例（Fagor用例+PBFT共识）
Fabric PBFT Basic用例（默认链码+PBFT共识）
文献【30】Deebthik框架

在交易吞吐量方面：Raft共识优于PBFT共识，Fagor用例与Basic用例的TPS相近，证明框架在复杂工业场景同样高效稳定，随节点增多，框架的维持128TPS，满足工业4.0的业务需求
框架延迟方面： 确认了框架的低延迟特性，Raft优于PBFT，适合动态工业应用

总结：

聚焦工业4.0背景下业务流程管理的挑战，论文提出了一种智能合约驱动的联盟区块链框架，基于Hyperledger Fabric，通过私有通道、预言机和互操作性网关解决了工业4.0的互操作性、隐私、性能和外部数据访问挑战。该框架被部署于与 Fagor Automation 合作的真实工业场景中，用于监控数控机床（CNC）软件和模式变更的合规性，并通过智能合约动态评估质保状态，从而验证了其在性能、安全性和可扩展性方面的有效性。

启发：

论文提出的框架针对于工业4.0的业务需求，实现了工厂数据（Polkadot+IPFS）与业务层需求（Fabric联盟链）的协作处理，与课题关于多私域数据的处理类似，论文的框架是基于联盟区块链，保证了环境的可信，但是针对于公共区块链即不可信环境的数据协作，可以参考一个权限设置来完成协作节点的信誉保证，同时论文的跨链操作对于不同区块链协议采用中间网关进行处理，对于多私域数据可能存在不同模态，如何处理多模态数据有参考意义。