金鹏 薛哲彬 江润恬 张弛 许晗

摘要： 目前服装可追溯体系存在覆盖不全、产权难以保护等问题，中心化账本的数据记录方式存在数据篡改风险，二维码或RFID技术存在防伪性不足问题。针对服装产品溯源与真伪辨识问题，文章提出一种基于权威证明机制的服装可追溯系统设计方案。通过对现有可追溯系统进行分析，并对服装供应链进行剖析分解，指出各环节与区块链技术结合方式。系统借用区块链技术，结合权威证明机制、哈希算法、时间戳技术、智能合约，从数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层六部分进行研究，利用去中心化网络结构，实现对服装产品全生命周期的数据录入。同时，解决算力与存储空间不足、节点作恶、数据防篡改、服装实物与数据结合问题，保证服装产品的可溯源性与防伪性。

关键词： 服装;可追溯系统;区块链;权威证明;系统设计

中图分类号： TS941.26

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2021）05-0062-08

引用页码： 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]是指利用与产品一一对应的标志，追溯或跟踪某产品的生产、交易、售后情况的一种保障体系。可追溯体系一方面可以对产生问题的产品进行追溯，以找清问题源头[2];另一方面可对产品进行跟踪，以确定产品流通情况，便于售后处理等问题[3]。

随着人们物质生活水平不断改善，消费者对服装的购买力有较大提升[4]。但鉴于服装品牌、品类繁多，针对服装的溯源仍存在诸多问题;同时，普通消费者不具备对服装真伪鉴别能力。因此，进行服装可追溯体系研究，使普通消费者可追溯服装生产全生命周期，具有相当重要的意义。

区块链作为一种新兴技术，其具有的不可篡改、公开透明等特性，可用于改善现有服装追溯体系中流程覆盖、设计版权保护、监管乏力等问题。将区块链技术应用于服装可追溯体系中，不仅有利于服装企业获取版权保护、打击盗版、利于自身的可持续发展，同时可使政府监管部门与消费者一起参与服装追溯体系的监管及维护，促进行业良性、可持续发展。

本文基于共识算法中的权威证明（POA），提出一种服装溯源方法。该方法与传统的RFID或二维码溯源方法相比，具有不可篡改、无需实物、溯源性强、成本较低等优点，在实际生产生活中具有现实意义。

1 服装可追溯体系研究现状

针对可追溯体系的研究分为体系研究与技术研究两大类，目前这些研究集中在农产品领域，如肉制品、奶制品等[5]。目前，国内外较为成熟的可追溯体系分为两种，即中心化账本模式或者由各个市场参与者分散式记录和保存的模式。前者容易导致账本被篡改等问题，而后者是一种信息孤岛模式，账本拥有者可以随意更改台账。这两种模式下产生的信任问题难以解决。同时，可追溯体系中的技术研究集中于RFID技术与二维码技术。RFID使用专用读写器及附着于目标物的RFID标签，对物品进行非接触式的移动识别，从而对物品进行全产业链的追踪[6]。但RFID技术成本较高、实行标准尚未统一，且由于读写器与标签之间的身份识别很容易破解，其安全性难以得到保障[7]。二维码技术常用于烟酒茶、化妆品等行业[8]。该技术一般在产品包装上粘贴具有独一性的二维码，并通过扫码计数器甄别二维码的扫码次数，一个二维码只有第一次扫码时才会显示正品，从而辨别产品真伪[9]。但该技术同样存在相应漏洞：包装上的二维码可被刮下并粘贴于仿制品上;用于甄别扫码次数的系统可被伪造。

同时，国内外研究学者也基于区块链技术对服装溯源问题作出相应研究。Kamalendu Pal等[10]提出了一种基于区块链的物联网应用架构，该架构使用分布式数据管理，以支持多方服装供应链中的交易服务;Juan José Bullón Pérez等[11]基于区块链技术提出一种服装可追溯性方案，该方案在确保供应链透明度的同时，保证服装的真实性、可靠性和完整性;梁晓颖等[12]与蔡建梅等[13]均从用户维度、属性维度、功能维度3方面对区块链技术在服装供应链上的应用进行可行性分析，

提出基于區块链技术的服装供应链的逻辑框架或开发流程;王玺瑞等[14]对服装生产流程进行分解，指出在服装生产销售过程中可与区块链技术相结合，并据此设计相应系统;祝焕等[15]从服装线上定制模式入手，结合区块链特点提出一种服装定制发展策略。

综上，目前利用区块链技术对服装溯源进行的研究大多局限于理论层面，且对共识机制的选用、系统构架设计等涉及较少。对供应链溯源而言，传统区块链中的工作量证明机制及权益证明机制均存在诸多弊端。就工作量证明机制而言，其随着系统内交易数量的增多，其交易的确认时间会逐渐增长，可拓展性差;而权益证明机制过于中心化，存在权益过大的节点篡改数据的风险。因此在实际使用时，传统的区块链溯源机制并不适用于供应链溯源。

据此，本文提出一种基于权威证明算法的服装可追溯体系。该体系与传统区块链所使用的工作量证明算法、权益证明算法相比，除去可保证溯源体系的真实性，同时具有低耗节能、反应速度快、对系统容量要求较低、可拓展性好的优点，可以切实解决服装可追溯体系中的防伪问题与信息孤岛问题。

2 服装可追溯体系

2.1 服装可追溯流程分析

服装可追溯流程基本呈链式结构，大致可分为生产前流程、生产流程、生产后流程，如图1所示。其中以服装生产流程最为复杂，服装从原料到成衣需经过设计、制作、入库、出库一系列流程。

服装生产前流程主要为服装原材料进厂前的一系列流程，包括服装原材料生产流程与服装设计流程。原材料生产流程包含服装原料、面辅料的生产流程、物流运输流程;服装设计流程包含设计需求、设计调研、设计版单、服装效果图、样衣制作等。

服装生产流程主要由仓储部门、品管部门、生产部门、品检部门负责完成。仓储部门负责对进厂原料、面辅料添加可追溯标识，并确认出厂成衣的可追溯标识;品管部门负责确认进厂原料及面辅料的检验状态;生产部门负责生产过程中的标识作业;品检部门负责检验成品品质及标识，并对可追溯性资料进行收集与归档。

服装生产后流程主要包括服装出库、物流分销、经销商分销、售后服务、旧衣回收等。

2.2 服装可追溯体系现存问题

2.2.1 追溯流程全覆盖问题

目前，服装追溯体系的追溯流程集中于服装生产企业内部，对进厂前的服装原材料溯源及出厂后的服装成衣溯源较为困难。由于服装供应链较为复杂，参与成衣生产的服装企业众多。而且企业间信息化程度不一、信任问题难以解决，产业上下游的信息不对称问题突出，导致服装原材料追溯问题难以解决。

此外，服装产业作为仅次于石油业的第二大污染行业，其自身的可持续发展议题一直是行业痛点之一。目前服装可追溯体系大多只能覆盖至服装销售端，服装出售后的市场流向难以掌握，对服装回收再利用带来一定困难，不利于服装行业的绿色可持续发展。

2.2.2 设计产权保护问题

服装行业的产权保护问题日益严峻，服装设计师或厂家的服装设计作品难以得到保护。目前服装可追溯体系的研究集中于对服装实物的追溯，缺乏设计师版权保护问题的探讨与解决。服装设计的保护最普遍的方法为申请外观专利，但这一方法耗时长，且会对设计师或厂商带来经济负担，同时由于缺乏监管，对盗版服装的审查与追究行为也难以进行。

2.2.3 监管体系乏力问题

服装行业与食品行业不同，难以从源头对服装成品进行检验追踪，导致对不合格产品的追查困难。针对服装产品的审查可分为企业的样品送检与市场抽查两种。企业送检的样品合格不足以说明大规模生产时的所有批次均能达到合格要求。针对服装产品的审查通常由地区内的市场监管局进行，一般以抽检的方式进行检测。但服装批次多、种类杂，难以对同类服装进行追踪。不合格的服装产品特别是婴幼儿服装、校服等品类的服装流入市场，会对消费者人身安全产生一定威胁，同样不利于行业发展。

2.2.4 数据篡改问题

现行服装可追溯体系的数据搜集、整理、存储工作由服装企业负责，消费者或市场监管部门难以参与，数据以中心化的方式进行管理，体系内数据面临被恶意篡改风险。

2.3 基于区块链技术的服装可追溯系统优势

与现行可追溯系统相比，由于区块链技术的不可篡改、公开透明、集体维护等特性，使用该技术的服装可追溯系统优势更为明显。利用区块链技术可将服装全生命周期相关信息经过哈希加密上传至区块链系统，一方面可有效解决服装生产过程中企业内部“信息孤岛”现象，并保护企业设计版权;另一方面可提供给消费者查询服装生产流程及详细信息接口，使服装达到可溯源效果。其主要优势可从企业、消费者、政府监管部门三个角度进行分析。

企业角度：1）溯源能力强，对于市场灵敏度更高;2）打破企业间信息壁垒，解决供应链企业间信任问题，加强企业间系统合作能力与风险对抗能力;3）自身设计版权可得到保证，打击盗版;4）优化售后服务;5）可建立服装回收体系，利于可持续发展。

消费者角度：1）可溯源查询服装相关信息，提升消费信心;2）优化二手服装的流通渠道;3）消费者个人也可参与可追溯系统维护，提升消费者参与感及品牌忠诚度。

政府监管部门角度：1）强化监管体系，可追踪不合格产品的批次及具体信息;2）打击盗版，维护市场秩序。

3 基于区块链技术的服装可追溯系统设计与实现

目前利用区块链技术对服装供应链进行溯源的研究大多停留在理论层面，并未实际进行应用开发。因此，为评估该系统对服装溯源效果的可行性，本文基于以太坊的开发者平台，利用Ethereum Studio工具，以服装公司A为例，对上述系统进行仿真实现，并设计了一个基于JavaScript的Web应用程序用于效果展示。服装A公司的生产公司地址位于江苏省无锡市，其某一经销商地址位于安徽省安庆市，该公司擁有独立的设计师团队及生产流水线用于成衣设计与制作。通过利用该系统，满足该公司、消费者达到对服装防伪溯源的需求，同时保护相关设计版权，维护正版服装的合法权益。

3.1 服装供应链与区块链

从服装供应链的角度出发，对服装供应链各环节进行剖析，并依据流程环节，指出可与区块链系统进行数据交互环节。通过流程分析与分解，提出一种基于区块链的多层分布式服装可追溯系统，如图2所示。

对本系统而言，系统需首先打包处理服装生产企业、经销商的相关信息，以智能合约约定的方式将信息进行验证、哈希加密，最终上链成为创世区块。随后，服装产品的原材料信息、生产信息、加工信息、物流信息、交易信息等相关信息以同样的方式进行加密处理，并打包存入创世区块之后的区块，区块与区块之间加盖时间戳以防止被恶意篡改。信息以梅克尔树（Merkle Tree）[16]的形式储存于区块之中。同时，个人用户通过注册的方式成为系统内的节点，并参与到系统的维护，其个人信息也同样储存于区块中。

3.2 系统分层设计

依据区块链系统结构，将服装产品可追溯体系框架按照应用构架分为数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层。

数据层从本质上来说是一种分布式账本[17]，即系统内的节点（服装企业、经销商、用户等）都拥有数据储存与查询的权力。数据层用于储存服装产品全生命周期的相关信息，这些信息以梅克尔树结构保存于区块中，并利用哈希加密防止数据被篡改。

系统中的网络层主要包含点对点机制、数据传输机制与数据验证机制。点对点机制是指在系统中的每一个分布式的节点都可作为单独个体对接收到的信息进行处理，这些节点在接收信息的同时也会产生信息[18]。按照功能可将节点分为中心节点、记账节点、验证节点。服装企业通过地区划分来确认中心节点，并由服装公司运营相应的中心节点。由于企业与盗版商品间的利益冲突，因此该中心节点在维护交易的真伪性上是值得信任的。同时，消费者可以通过实名制注册成为系统中的一个普通节点，如图3所示。

系统通过建立共识层防止交易造假和节点故意作恶[19]，共识层主要用于存放系统所设置的共识算法与共识机制。在本系统中，所有节点遵循权威证明机制（POA）维护与更新系统账本。权威证明是一种基于声誉的一致性算法，在系统中的节点首先需要经过实名制验证，节点作恶会被踢出系统，并对该节点的声誉造成影响，之后无法再进入本系统。

对于服装企业而言，其利益即打击盗版服装，维护企业自身利益，从这点出发，受企业运营的中心节点在维护信息真实性上是值得信任的。同时为使普通节点有动力参与系统维护与数据存储，需要使用相应经济激励模型。激励机制由服装企业负责，通过设置一定现金奖励或服装实物奖励来实现，也可以将节点间交易时产生的手续费作为奖励补偿给记账节点与验证节点，从而鼓励系统中的普通节点参与区块链的安全验证工作，同时也吸引更多消费者参与到系统内部。

合约层主要用于封装各类代码、脚本、算法，以及由此生成的智能合约（smart contract）[20]。智能合约本质上是一段条件判断的代码，这段代码用于声明合约参与者的权利与义务，并由计算机系统自动执行。作为系统参与者，智能合约可以对信息进行接收、判断与储存，也可以向系统广播信息。

应用层为系统的应用场景与案例，本系统应用层使用Web端网页来实现。在现实使用场景中，每一个实名注册的账号都是虚拟系统中的一个节点，节点使用应用层接入区块链系统，并参与系统维护、数据处理与存储。

用户通过使用该系统，可以实时查询该企业服装产品生产、运输、流通的全生命周期，以达到相对应的溯源效果。利用系统中的哈希加密算法与权威证明机制，通过应用层的分布式数据储存机制，可以保障对产品质量安全可靠性。

3.3 系统实现

3.3.1 系统搭建环境

系统运行系统采用较为主流的Ubuntu Base 16.04.6 LTS（Xenial Xerus），利用Ethereum Studio进行智能合约的编写、部署与测试。系统的前端应用采用Web形式呈现，其采用React框架进行设计与开发。

3.3.2 系统实现

1） 智能合约编写与部署

智能合约的编写采用Solidity语言，该语言是一种面向智能合约的高级语言，其语法与JavaScript类似，是用于生成在EVM上执行的机器级代码的工具。图4为某一智能合约部分代码示意。对编译好的智能合约代码使用Remix进行编译与部署，部署成功后系统将返回智能合约地址及二进制接口（application binary interface，ABI）用于交互。在实际使用时，用户及系统可通过地址及ABI手动或自动调用智能合约。

2） 服装ID设计

为在系统内对服装产品进行统一识别与溯源，需要对每件服装的编码进行一定规律设计。

服装ID可分为现实中的人为识别ID与可被系统识别的系统识别ID，如图5所示。人为识别ID的设计采用省（字母）、市（字母）、服装类别（字母）、随机识别码（六位随机数/字母）。服装的人为识别ID具有独一性，不会随着服装的生产、交易信息的改变而改变。

服装的系统识别码设计更为复杂，前九位数字为生产企业的信息编码，中间的十七位数字为该服装产品的生产信息码，第三十位到第三十八位为经销商信息编码，最后十位为该服装最近一次销售的时间编码。对于服装而言，其系统识别ID的前三十五位代表着该服装的生产、第一次出售的相关信息，该部分代码不会改变，但该ID的最后十位会随着服装的每次交易时间的变化进行改变，便于消费者对服装的溯源查询。

3） 数据存储设计

本系统内数据均采用梅克尔树形式进行编译与存储，梅克尔树以二叉树形式进行数据构建。针对溯源数据的存储问题，区块数据可通过RLP编码后存在levelDB数据库中。在节点上传相关文件信息后，系统依据哈希算法计算出文件的哈希值并提交溯源记录，并以此触发智能合约，将执行结果记录至区块链上。例如，对于名称为A1的文件，其哈希值如图6所示，用户可以在信息上链的过程中选择及时向全网发布信息或延迟发布。

4） 服装溯源界面设计

服装溯源查询功能设置于由JavaScript语言进行编写的Web页面内，用户利用前端界面接入系统，并在系统内通过查询每件服装的人为识别ID获取该服装在系统内的哈希值，进而对整件服装的信息进行溯源与查询。例如，人为识别ID为FCA001A7B的服装溯源信息如图7所示。

3.4 系统实现难点与解决方案

3.4.1 算力与存储问题

相较于使用工作量证明机制与权益证明机制，本系统使用的权威证明机制可有效解决算力与存储问题。

权威证明机制的最大特点是较为中心化的节点设计，其记账权并不是由算力大小或权益大小来决定，而是由随机函数对实名制的节点进行随机选取来敲定。被授权的节点被称为验证者（validator），负责新区块的产生和区块验证，从而换取系统奖励。由于不需要将算力浪费在做题上，使用权威证明机制的系统速度将会大幅提升，因此这一机制较为切合服装供应链的溯源体系。

3.4.2 节点作恶问题

享有记账权的节点作恶会对系统产生不利影响。为解决这个问题，本文在系统中引入可验证随机函数机制和委员会背书机制。

可验证随机函数（VRF）[21]在本系统中用于随机选取若干验证者节点，被选取的节点享有记账权。同时，在记账节点之外选取若干实名制节点组成委员会。在数据上链的过程中，委员会成员需要验证记账节点发起的区块信息提案。如果验证为真，委员会节点需要在提案上签名以作为其正式背书。通过引入该机制，若存在作恶节点，该节点首先需要获得记账权，并需要联合足够多的委员会节点作为同谋才能达到作恶条件，但随机函数的存在使得这一情况发生率几乎为0。同时，由于委员会背书机制的存在，可以预防服装企业自身的中心节点滥用记账权，系统的安全性与稳定性也可以得到保障。

3.4.3 数据防篡改

为防止服装溯源信息被恶意篡改，可在系统内的智能合约中声明区块最终性机制。

区块最终性机制将区块生成过程分为三个阶段，每个阶段都需要有2/3的节点达成共识。第一阶段为选取记账节点、验证节点，记账节点享有记账权，而验证节点享有验证信息是否真实的权利;第二阶段为委员会成员确认区块中的信息，并背书该区块;第三阶段为新区块通过加盖时间戳，并衔接至主链上。

由于采用分布式账本，作恶节点只更改自己记录数据，不会对整体系统产生影响;同时通过使用时间戳技术与哈希加密，主链上区块内数据不会被篡改，从而达到数据防篡改目的。

3.4.4 线上数据与线下商品对应

目前绝大部分区块链的使用形式为线上系统，针对线上与线下如何结合的研究较少。在本系统中，服装产品从生产至销售过程均有与其相匹配的数字ID。针对线下服装实物与线上数字ID匹配问题，消费者可使用系统应用扫描服装上二维码，通过相应应用查询数字ID了解产品的流通情况和最后一任拥有者信息，观察其信息是否与线上数字ID信息匹配，从而解决线上数据与线下产品对应问题。

4 结 论

本文以服装公司A为例，提出一种基于区块链技术的服装可追溯系统。通过对服装公司A的供应链环节进行剖析分解，指出与区块链技术的结合点。通过对系统进行分层式设计，从智能合约、服装ID设计、数据储存、服装溯源查询等角度提出实现该系统的方法，并对系统存储问题、节点作恶问题、数据防篡改问题、线上线下结合问题均提出相应解决方法。利用本系统，可对服装产品数据进行采集、判断、存储、读取，达到对产品全生命周期记录。同时利用分布式数据存储方式、哈希算法，避免中心账本对系统数据的更改，保证了交易数据不可篡改性，达到对服装产品真正防伪溯源。

本系統仍存在相应问题：目前区块链系统的智能合约设计仍处于发展阶段，存在一定不足，例如其设定仍处于“IF-THEN”响应形式，该响应形式只能解决代码中的预设问题，对于交易中可能存在预料之外问题难以解决;使用权威证明机制的可溯源系统相较于使用工作量证明机制的可溯源系统更加节能，但系统仍存在存储容量问题，目前解决方法仍以扩容为主，未来应提出更多解决方案。

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