[论文解读] Secure Blockchain-Based Supply Chain Management with Verifiable Digital Twins

Vincenzo Botta, Laura Fusco+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 24被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的供应链系统，通过可验证的数字孪生技术，将物理商品与其数字表示安全关联，确保物理商品的真实性。该系统利用安全多方计算和理想功能，实现端到端可验证的可追溯性，减少供应链中的欺诈行为和数据不一致，尤其在食品可追溯性应用中表现突出。

ABSTRACT

A major problem in blockchain-based supply chain management is the potential unreliability of digital twins when considering digital representations of physical goods. Indeed, the use of blockchain technology to trace goods is obviously ineffective if there is no strong correspondence between what is physically exchanged and the digital information that appears in blockchain transactions. In this work, we propose a model for strengthening the supply chain management of physical goods by leveraging blockchain technology along with a digital-twin verification feature. Our model can be instantiated in various scenarios and we have in particular considered the popular case of food traceability. In contrast to other models known in the literature that propose their own ad-hoc properties to assess the robustness of their supply chain management systems, in this work we use the formalism of secure computation, where processes are described through generic and natural ideal functionalities.

研究动机与目标

• 解决区块链供应链中数字孪生不可靠的关键问题，即链上数据可能无法反映物理商品的真实状态。
• 通过形式化验证机制，确保物理商品与其数字孪生体之间具有强对应关系。
• 提供一个强大且可审计的供应链可追溯框架，支持透明性、不可篡改性和信任，且不依赖中心化权威机构。
• 在保持产品来源公开可验证性的同时，实现对敏感商业信息的隐私保护。
• 基于安全计算原理形式化系统，证明在对抗性环境下系统的安全性和正确性。

提出的方法

• 使用安全多方计算（SMPC）中的理想功能对供应链进行建模，定义一个用于可验证可追溯性的可信参考模型。
• 引入数字孪生验证机制，将物理商品与存储在区块链上的唯一标识符关联，并将检查数据作为不可篡改的交易记录。
• 使用可信注册机构（Reg）和去中心化的FP扫描器发行机构，签发并验证商品的数字身份和物理指纹。
• 实现同态加密和承诺方案等密码学原原子，将私密业务数据离链存储，同时通过哈希实现链上可验证性。
• 定义一个账本功能（$\mathcal{F}_{Ledger}$），确保交易立即、最终且全局可访问地记录，构成系统一致性的基础。
• 对真实系统进行对抗性攻击模拟，并将其映射到理想世界中的等效攻击，通过模拟证明方法证明安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在基于区块链的供应链中，形式化验证物理商品与其数字孪生体之间的对应关系？
• RQ2 哪些机制可确保仅授权且合法的商品被注册和追踪于区块链，防止欺诈和伪造？
• RQ3 如何在保持公开审计性和完整性验证能力的同时，保护敏感业务数据（如采购量、材料使用量）？
• RQ4 在部分参与者行为不端的情况下，系统如何维持安全性和正确性？
• RQ5 所提出的模型能否在现实场景（如食品可追溯性）中实现？与现有基于区块链的供应链系统相比有何优势？

主要发现

• 所提出的系统通过模拟证明方法实现形式化安全，证明任何对真实系统的攻击都可在理想世界中被模拟，确保系统鲁棒性。
• 该模型成功将可验证的数字孪生与区块链可追溯性相结合，显著降低了数据伪造风险以及物理商品与数字记录之间的不匹配风险。
• 同态加密和承诺方案使私密数据可离链存储，同时通过密码学承诺实现链上验证。
• 系统通过将注册机构和FP扫描器发行机构的角色去中心化，实现去中心化的信任机制，降低对单一可信实体的依赖。
• 该框架可适配多种供应链场景，包括食品可追溯性等对产品真实性和完整性要求较高的场景。
• 安全模型通过定理6.1形式化证明，表明在所提出的理想功能下，真实世界与理想世界之间不可区分。