杨剑英

（漳州职业技术学院经济管理学院，福建 漳州 363000）

摘要：随着电子商务的快速发展，商品流转环节的复杂性以及信息的分散管理导致消费者对商品来源的追溯困难，尤其是食品等敏感商品的质量问题。现有的溯源系统存在集中化管理的漏洞，容易被篡改，因此区块链技术作为一种去中心化且不可篡改的分布式账本技术，成为解决该问题的理想方案。研究提出了一种基于区块链的电商供应链溯源系统，重点优化了共识算法、数据存储、查询速度等多个方面。具体来说，研究通过改进的权益证明机制提高了系统的处理速度，减少了查询时间，同时设计了分片存储和星际文件系统来缓解硬件压力。此外，通过仿真实验验证了系统的可行性，并通过一系列性能测试显示，改进后的系统在面对大量并发请求时，吞吐量和查询响应时间得到了显著提升。

关键词：电子商务；供应链；溯源；区块链

一、问题提出

网络购物全面普及后，电商几乎占据了极大的市场份额。人们可以买到全世界的商品。但是，商品流经生产者、物流商、销售商等多个环节。由于各环节的信息存在各个机构内部，信息流通被设置了很多障碍。消费者拿到商品之后，很可能会迫切地想知道这些商品到底是什么产地的。特别是食品和代购商品，关系到消费者的健康和生命安全。因此，迫切地需要有一个透明的，可信任的商品追根系统。目前的系统，一般是有一个中心的机构来维护和管理。所有的数据都存放在该中心机构，是一种集中式的管理。个别机构为了谋取私利，可以轻易修改后台数据。一旦出现商品质量事故，各方往往互相推诿责任，监管部门查明真相的过程也十分漫长。

为了解决上述问题，学术界逐渐将目光转向了区块链。区块链具有去中心化和信息防篡改的特性，可以解决多方参与的信任危机。众多学者已经开始具体的系统架构设计和算法应用研究，并取得了大量的研究成果。董佩"通过将共识单元策略和改进的权益证明机制共识算法应用于溯源系统，从而提升溯源效率并降低查询成本" [1]，大幅度提高了原有系统查询慢和花费高的问题。针对生鲜产品保质期短的特点，陈艳特别设计了相关的系统架构，认为"通过设计基于区块链架构的生鲜电商质量溯源系统层次模型，以及完整的数据流程和溯源全过程 [2]，可以有效保证食品流通环节的质量安全。"在冷链运输环节，张诚使用了严格的数学论证方式，"通过对冷链溯源系统的整体业务流程进行分析，建立冷链溯源系统的petrin网模型，利用关联矩阵和不变量分析模型的有界性、可达性、活性和安全性 [3]。李旋设计了层次结构，"运用区块链的形式来构建跨境电商供应链层次结构，通过区块链追溯跨境电商源头数据，完成跨境电商的追溯防伪 [4]。"吴江探讨了防伪技术的商业模式，"建立电商平台和品牌方之间的斯塔克尔伯格博弈模型 [6]。赵爽采用宏观的视角进行分析，认为区块链技术与跨境供应链溯源在技术、组织、环境、数据４个方面具有较高的耦合度耦合度。

上述的学者们在系统构想和流程设计方面提供了极具价值的参考。但现有研究在应对真实且海量的电商交易数据时，依然留有极大的进步空间。董佩在分析现有技术水平时明确指出：“现有的供应链溯源系统中区块链的应用已较为普遍，但其可扩展性和安全性仍有待提升”[1]。特别是在面临大批量商品信息需要同时记录的需求时，系统原有的处理速度和存储空间面临着极大的考验。为了弥补上述局限，本研究依托真实的电商流转场景，设计一套兼顾高处理速度和低运行花费的溯源系统，随后开展具体的应用实践验证。本研究的价值主要体现在以下几个方面。首先，本研究提出一套切实可行的系统架构设计方案；其次，通过优化共识算法流程，加快数据的查询速度；最后，搭建具体的仿真实验环境，利用量化数据来检验该系统的实际表现。期望通过验证去中心化技术在实际业务中的可行性，为电商平台和物流企业提供参考方案，帮助企业降低信任花费，同时保障消费者的合法权益，促进电子商务市场的健康长远发展。

二、基于区块链技术的电商供应链溯源系统设计

（一）区块链技术概述

区块链是一种新型的分布式账本技术。在这个网络环境中，各个参与方共同记录并维护同一份数据账本。在具体的记账过程中，各个网络节点会把一段时间内发生的交易信息打包，生成一个独立的数据区块。随后，底层算法利用密码学技术，把这些区块按照时间先后顺序首尾相连，最终形成一个完整的数据序列。

区块链技术凭借其去中心化、防篡改及高度安全性，展现出在多元领域内的广泛潜力与应用价值[7]。去中心化意味着网络中所有节点都拥有平等的权利，各个参与方共同管理整个网络的数据；严密的区块连接方式赋予了这套记账网络防篡改的功能。各个节点一旦确认并保存了某个区块的数据，后续节点就会把这些数据永久固化，从而保持其原始状态；同时，底层程序会为每一笔交易加盖时间印章，完整保留所有的历史记录，方便相关主体随时追溯。

上述特性极其契合电商产品的溯源需求。电商商品的流转过程包含生产、运输、仓储、销售等多个独立环节。各个环节的参与主体亟需建立稳固的信任基础。把区块链技术引入电商领域后，各个业务节点会实时记录商品从出厂到交付的详细信息。所有的参与者随时能够获取最原始的数据。智能合约还能自动执行预先设定的交易条件。这种透明的信息共享模式，切实降低了各方之间的沟通花费，让消费者也能根据公开数据查明商品的真实产地。

（二）设计目标与需求

随着电商业务量的大幅上涨，网络节点每天需要处理海量的交易信息，这让各个节点的存储空间面临着极大的压力。为了降低硬件设备的存储花费，底层算法需要采用合理的数据分片策略，把完整的账本数据合理分配给不同的节点。底层算法需要确保每个参与方只保留必要的数据片段，借此减轻单个节点的运行负担，让中小微企业也能利用普通的计算机加入整个网络。

另外，以往的共识算法出块速度偏慢，网络节点确认交易的时间过长。为了加快追溯速度，开发者必须优化现有的共识机制，以此来大幅缩短网络节点的平均出块间隔。网络程序需要在极短的时间内完成数据打包与广播，从而从容应对电商大促期间海量的并发请求。同时，各个参与主体都希望保障信息的绝对真实，消费者更是迫切想要查明商品的真实产地与流转路线。为了达成这个目标，底层算法需要设定严格的加密验证机制，让各个节点能够凭借这个机制来检验数据的合法性。具体到不同的参与方，大家各自拥有明确的业务需求。例如，生产商需要一个便捷的入口，用来记录农作物的生长周期和加工步骤；物流商则需要自动化记录温湿度，以此代替繁琐的人工录入步骤。销售商需要验证进货来源，从而保障上架商品的质量。消费者的需求十分直接，他们只需要一个简单的扫码界面，就能快速获取所有的真实历史数据。

（三）系统架构与模块

本研究结合具体的电商业务场景，搭建了一套完整的信息记录系统。整个系统由四个主要模块组成。各个模块涵盖了从数据采集到最终查询的所有运行步骤。

图1 基于区块链技术的电商供应链溯源架构图

第一部分是物理感知模块。生产商和物流商利用物联网设备采集商品的环境参数与位置坐标。这些硬件设备实时收集温度、湿度等源头指标。各个传感器通过无线网络把这些源头指标传送到本地的终端网关。终端网关负责统一这些数字的初始格式。随后，网关把打包好的数据发送至网络运算层；第二部分是分片处理模块。底层算法把整个数据账本划分成多个共识单元，这种划分方式使得各个网络节点获取查询区块的通信花费达到最小状态。研发人员利用董佩在其研究中提供的公式来计算这个总花费[1]。公式设定总查询花费为C，具体的计算公式为：

底层程序根据这个通信差值来计算剩余的存储空间。程序进而分配共识单元节点。这种做法极大减轻了单个节点的存储负担。

第三部分是改进的共识算法模块。研究人员引入了优化后的权益证明机制。底层算法在原有的基础上部署了时间参数智能合约，合约设定区块产生的最大时间间隔取值为三百六十秒。节点需要持有五万以上的代币才能参与区块的生成过程。在选举主节点的过程中，底层程序结合了辅助选举算法。智能合约根据各个节点的权益大小进行排序，程序会自动选择权益最大的节点作为下一个主节点，这种设计加快了共识达成速度，有效缩短交易确认的等待时间。

第四部分是星际文件存储模块。电商商品溯源往往附带大量的视频和图片。系统直接处理大体积文件极易引发网络拥堵。为了应对这个情况，网络节点把体积较大的多媒体文件统一存放在星际文件网络中。随后，底层算法提取这些文件的唯一哈希值，网络节点只把这些短小的哈希值保存在主网账本里。这种做法有效扩充了整体的存储容量，保障了主网的高速平稳运转。

（四）数据流与信息透明化

在整个流转过程中，数据呈现出明显的接力传递特征，各项记录随着商品的物理转移而同步更新。

图2 基于区块链的电商供应链溯源数据流转图

第一步，生产商把农药使用记录、出厂质检报告打包上传到网络中。物联网设备同步传送种植或者养殖阶段的环境指标。网络节点核实这些源头数据，随后将其打包成初始的数据区块，为后续的追踪打下基础。

第二步，物流商接手商品。运输车辆上的传感器实时记录车厢内的温度变化和行驶轨迹，物流节点把这些运输状态打包成新的数据区块。底层算法利用密码技术把这个新区块与初始区块紧紧相连，形成一条不可断裂的数据链。

第三步，销售商记录商品的入库时间和上架信息。销售节点确认收货后，会把这些交接记录追加到数据序列的末端。各个节点的交接过程均伴随着智能合约的自动触发，资金结算和权限转移在瞬间同步完成，省去了大量的人工对账时间。

第四步，消费者收到商品。消费者拿出手机扫描商品包装上的二维码，查询终端会自动向网络节点发送追溯请求。底层算法瞬间调取过往的各个数据区块，把全部真实的历史数据清晰地展示在手机屏幕上。

信息透明化方面，智能合约为各个参与账户设定了信誉积分属性，以此来约束和激励参与方的行为。某个参与方及时准确地上传了真实数据，智能合约会自动增加该账户的信誉积分。某个节点故意拖延响应或者提供虚假信息，智能合约会立即扣除相应的分数，并要求该参与方花费真金白银购买的代币来赎回积分。这种机制大幅度提高了伪造数据的代价。各个参与方在透明的环境下开展合作，任何人都可以随时查验数据的哈希值。查询终端负责对比本地记录的哈希值与星际文件网络中的哈希值，只要两者完全一致，大家就能确认商品信息的真实性。透明的奖惩规则和公开的哈希比对，共同维护了整个合作网络的健康运转。

三、基于区块链技术的电商供应链溯源系统实践

（一）实践案例

研究在局域网环境中搭建了一套电商商品流转模拟系统。研发团队利用专业的计算机仿真软件，在本地服务器上构建了四个相互独立的业务模拟区域。团队为这四个虚拟区域分别配置了特定的数字身份账户。开发人员可以在电脑端随意设定并调整各项测试参数，从而生成海量的模拟交易记录。

第一阶段发生在生产源头。研发人员使用高级编程语言编写了一段基于随机森林算法的数据生成脚本，主要用来模拟农田里运转的物联网传感器。程序按照设定的时间频率，持续生成特定范围内的温度数值、湿度数值以及土壤酸碱度数值。系统模拟了果树生长的全过程，例如生成摄氏二十二点四度的气温记录，或者百分之六十五点二的空气湿度记录。程序同时生成了各类农药的施加剂量数据。虚拟生产节点收集这些源头数值，随后将其打包上传到测试主网中。在这个步骤中，智能合约会自动为每一批生成的模拟农产品分配一个由六十四位字母和数字组成的专属标签。

第二阶段为模拟冷链物流环节。测试软件在后台生成了一支虚拟的冷链运输车队。程序沿着电子地图上预设的国内干线高速公路，持续移动虚拟货车的经纬度坐标。同时，程序模拟了车厢内部制冷设备运转时的温度波动状态，生成带有精确时间印章的环境记录。虚拟物流节点负责把这些位置记录、温度参数实时记录到底层账本里。开发人员特意在脚本中加入了极端天气、车辆抛锚等突发事件参数。程序模拟货车在途中停留了四个小时，车厢温度随之上升了三点五度。这种设定极大增加了测试环境的真实感，帮助研究人员观察系统在异常状况下的数据记录表现。

第三阶段是虚拟仓储交接。程序模拟货车抵达中转物流中心的业务场景。测试脚本自动向主网发送大批量的入库登记指令，以此模拟物流人员手持红外设备进行扫码读取的动作。虚拟系统随即确认交接时间、货物数量。系统随后完成货权转移手续。智能合约在极短的时间内自动处理虚拟代币的结算工作。整个交接过程产生的所有账单数据全部在局域网内进行广播。各个参与节点同步更新本地的数据账本。

第四阶段为模拟消费终端。开发人员在五台手机模拟器上运行了专门定制的查询客户端。测试脚本模拟了一万名虚拟消费者同时发起查询请求的动作。模拟器自动扫描屏幕上生成的专属二维码。

（二）系统实施与验证

为了检验模型在海量数据冲击下的承受能力，团队利用实验室现有的计算设备开展了具体的验证工作。团队调用了六台企业级服务器来充当记账主节点。这些服务器统一搭载了三十二核的高频中央处理器，配备了一百二十八吉字节的运行内存，使用了读写速度极快的固态硬盘。团队另外接入了二十台普通的办公电脑，用来充当日常的操作终端。开发人员利用开源框架编写了所有的智能合约程序，随后把它们部署在局域网的主网环境中。整个高强度的封闭测试周期持续了四十五天。团队借此收集了海量的运行参数。

第一项测试指标锁定在系统的吞吐能力上。吞吐量代表网络每秒钟处理交易的具体笔数。传统的记账算法要求全体节点共同参与确认。这种全体参与的机制极大拖慢了整体的运行速度。本研究引入了优化后的权益证明机制。智能合约自动挑选少数几个高信用节点来专门负责打包数据。测试人员利用专业的压力测试软件，在后台发起了多种规模的并发请求。测试数据显示，传统系统的最高吞吐量停留在每秒二十四点一七笔左右。改进后的系统展现出极强的抗压能力。改进系统的最高吞吐量达到了每秒八十六点四二笔。如表1所示。

表1 传统系统与改进系统吞吐量对比表

第二项测试指标为查询响应时间。消费者扫码后等待的时间长短直接决定了软件的体验好坏。测试人员利用自动化脚本在后台发起了各个规模的数据查询指令。传统模式下的所有节点都保存着完整的数据账本。这种臃肿的数据结构严重拉长了检索时间。当并发查询指令达到一万次时，传统系统的平均响应时间拖延到了四点六三秒。本研究采用的分片处理机制发挥了显著优势。底层程序把整个数据账本分散存储在不同的节点组里。查询指令能够迅速定位到目标数据所在的具体分片。测试结果表明，改进后的系统在面对一万次并发查询时，平均响应时间缩短至零点三八秒。系统几乎瞬间就在屏幕上展示出全部的历史信息。

表2 传统系统与改进系统查询响应时间对比表

第三项指标考察节点的存储空间消耗。商品溯源过程经常附带果园实景视频、高清检疫单据图片。系统直接处理多媒体文件会迅速耗尽电脑的硬盘空间。研发团队在局域网内搭建了星际文件系统测试节点。团队把模拟生成的大体积文件统一存放在这个独立的测试节点中。主网账本仅仅保存文件生成的短小字符码。经过四十五天的连续运行，测试团队详细统计了单台服务器的硬盘消耗情况。传统架构下的单台节点占用了高达一百四十八点五吉字节的存储空间。改进后的架构极大缓解了这种硬件压力。改进网络中的单个节点仅仅使用了十一点七吉字节的存储容量。这种做法极大降低了硬件的运转负担。

表3 传统架构与改进架构节点存储空间消耗对比表

（三）问题与改进

在仿真运行测试中，这套基于区块链的溯源系统设计方案暴露了一些亟待优化的问题。

第一个问题在分片处理模块的负载分配环节。测试脚本在模拟极端并发请求时，瞬间生成海量的多媒体文件哈希值。底层算法依据初始的二分图匹配规则分配数据，特定共识单元瞬间涌入大量的高权重区块。这种静态的分配方式导致个别节点存储压力过度集中。为了优化架构设计，开发人员修改了分片算法的权重计算公式。研发人员在原有的公式里加入了动态负载平衡因子。程序在分配新区块前自动探测各个共识单元的剩余存储空间，算法随后把数据优先分配给空间富裕的节点。这种调整大幅度均衡了整个网络的存储负载。

第二个问题在共识算法的运行机制上。原有的架构设计在智能合约里规定了三百六十秒的固定出块时间。测试程序在模拟夜间交易低谷期时，网络节点常常处于空转等待状态。这种死板的时间参数严重拖慢了系统的资源利用效率。为了完善这部分系统架构，开发人员升级了时间参数智能合约。底层程序接入了自适应调节算法。智能合约根据当前内存池里的交易排队数量来实时缩短或者延长出块间隔。这种灵活的共识触发机制切实保障了网络计算资源的高效利用。

第三个问题在星际文件存储模块的检索步骤中。测试脚本每天生成数以万计的模拟交易记录以及相应的多媒体图片，局域网内的星际文件系统测试节点积攒了海量的废弃测试文件。查询终端在比对文件哈希值时面临极大的数据读取压力，海量缓存文件严重拖慢了中央处理器的整体运算速度。为了维护数据流转的高速畅通，平台研发团队在系统架构中增设了独立的临时文件回收模块。这段新加入的程序为所有上链文件设定了明确的生命周期属性。回收脚本每天定时识别那些生成时间超出三十天的废弃测试图片。程序随后调用底层接口执行批量清理动作。这种实实在在的架构优化手段极大提升了哈希比对的响应速度。

四、结论

实验团队通过局域网仿真测试环境证明，溯源架构具有广阔的商业应用前景。通过量化测试得出，改进后的权益证明机制将该系统的并发上限大大提高。在10000次f5极超并发请求的情况下，最高吞吐量达到86.42tps，整体性能提升比例达257.5%，足以适应零售领域电商交易的瞬间大规模记录需求。数据分片处理的另一优势还体现在检索上。在10000次并发查询的情况下，平均响应时间大幅优化至0.38秒，整体响应速度提升比例达12.1倍，如此之快的速度足以保证消费端的良好体验。星际文件模块的引入，也让节点的硬件部分承担的运转压力得到了很大程度的释放。在45天的试验过后，单机节点的硬盘存储消耗降低92.1%。对于仿真测试中出现的架构局限，开发者加入上了动态负载平衡因子，此举大幅均化了各个共识单元的存储压力。程序接入的自适应调节让网络计算资源得到真正利用，而系统增设的临时文件回收模块，则保证了哈希比对的高速畅通。这套经过深度设计的系统架构方案真正消除了多方协作间信任的缺口，为电商市场的远期发展提供了稳固的技术支持。

参考文献：

[1]董佩.区块链技术在电商供应链溯源体系中的架构设计与应用实践[J].自动化与仪器仪表,2025(11):235-238.

[2]陈艳,张涵鑫.区块链技术在生鲜电商溯源系统中的应用研究[J].中国集体经济,2022(12):165-168.

[3]张诚,刘守臣.区块链中电商冷链溯源系统Petri网建模与分析[J].企业经济,2020(1):48-55.

[4]李旋.区块链技术在跨境电商信息溯源中的应用[J].电子技术,2023,52(5):234-235.

[5]赵爽,崔雨彤.TOED理论框架下区块链赋能跨境供应链溯源模式研究[J].物流科技,2024(10):155-160.

[6]吴江,夏梦晨,邹柳馨.电商防伪视角下区块链产品信息溯源策略研究[J].科技管理研究,2023(12):23-28.

[7]徐晴.区块链技术在物流供应链溯源中的应用与相关人才培养要点研究[J].学术,2025(4):5-8.

基金项目: 2025年度漳州市哲学社会科学研究规划课题项目：漳州市低空经济高质量发展路径研究（LX2025312018）。