沈淑濤 楊孝天 李江 馬冉

基金項目：西藏自治區(qū)高等學校人文社會科學研究項目，項目名稱：基于區(qū)塊鏈技術(shù)的西藏農(nóng)產(chǎn)品信息追溯方法研究，項目編號：SK2021-29

摘 要：目前的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)易篡改、信息不對稱等問題，針對這些問題，采用區(qū)塊鏈技術(shù)，借助其可追溯性、信息難以篡改、去中心化存儲、信息對稱等特征，可以構(gòu)建更為可靠的農(nóng)產(chǎn)品信息追溯方法。本文對區(qū)塊鏈技術(shù)進行分析，構(gòu)建在區(qū)塊鏈技術(shù)基礎(chǔ)上的農(nóng)產(chǎn)品信息追溯系統(tǒng)，以此解決傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中的各種問題。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;農(nóng)產(chǎn)品信息追溯;系統(tǒng)構(gòu)建;應(yīng)用

近年來，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事故近年來也有所增多，一些摻假、造假問題，對人民群眾的身體健康造成了不同程度的損害。農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量保障體系中的重要工具，可以解決消費者對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題的擔憂。不過傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)存在許多問題，如信息追溯難度大、數(shù)據(jù)難以共享、中心化網(wǎng)絡(luò)權(quán)力過度集中、數(shù)據(jù)容易篡改等，只有妥善解決這些問題，農(nóng)產(chǎn)品追溯才能真正發(fā)揮其作用?，F(xiàn)如今，區(qū)塊鏈技術(shù)日益成熟，為農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用提供了新的思路和可能性。下文即結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，探索農(nóng)產(chǎn)品信息追溯系統(tǒng)的設(shè)計方案。

一、區(qū)塊鏈技術(shù)分析

區(qū)塊鏈類似分布式賬本，是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可對交易情況進行記錄。在系統(tǒng)中，對信息記錄的區(qū)塊，連接成鏈，各區(qū)塊中均包含上一區(qū)塊中的哈希指針和交易信息，通過哈希指針，可將區(qū)塊予以連接，根據(jù)時間戳對過往交易按照順序排列。

區(qū)塊鏈以鏈式進行存儲，其形成的交易信息，均在區(qū)塊中存儲，而各個區(qū)塊又包括塊體、塊頭，且包含前一塊散列值，以便和上一區(qū)塊進行連接。同時，其中還含有區(qū)塊體哈希值、時間戳等。按照各種網(wǎng)絡(luò)參與方的對應(yīng)準入標準，可以將區(qū)塊鏈技術(shù)分成三種類型，分別是聯(lián)盟鏈、私有鏈和公有鏈。

公有鏈即公共區(qū)塊鏈，以比特幣、太坊為代表，具有很強的公開性，用戶無需請求加入網(wǎng)絡(luò)或提供身份證明，即可讀取其中的數(shù)據(jù)，且均可發(fā)送交易，獲取有效確認，而且所有人均被允許參與到共識之中。私有鏈即完全私有區(qū)塊鏈，指的是少數(shù)組織或個人有一定權(quán)限。這一區(qū)塊鏈對讀取權(quán)限設(shè)置明顯，對外開放受到局限，雖然具有公共可審計性，不過因其去中心化，因此并無公共可讀性。聯(lián)盟鏈即聯(lián)盟區(qū)塊鏈，同時兼具公有鏈和私有鏈的特征，指的是預(yù)選節(jié)點可控制共識的過程，只有系統(tǒng)內(nèi)的組織能夠?qū)~本進行讀寫，并完成數(shù)據(jù)記錄。當用戶獲取授權(quán)，即可進入聯(lián)盟鏈的網(wǎng)絡(luò)中。這一類型在開放程度、去中心化上有一定限制，需要預(yù)先篩選參與者，而在讀取交易數(shù)據(jù)權(quán)限方面，具有一定公開性。

上述三種區(qū)塊鏈類型各有特點，應(yīng)用場景有所不同。本研究在農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)構(gòu)建中，處于數(shù)據(jù)安全性、局部中心化、追溯速度、組織結(jié)構(gòu)等方面的考慮，選擇聯(lián)盟鏈技術(shù)。

二、基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品信息追溯方法設(shè)計

1.區(qū)塊鏈技術(shù)基礎(chǔ)上的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)構(gòu)建

（1） 構(gòu)建系統(tǒng)模型

可以根據(jù)區(qū)塊鏈的基本原理與聯(lián)盟鏈技術(shù)，構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)模型，見上圖。在這一模型中，通過CO2濃度感知器、溫度及濕度感知器、視頻監(jiān)控等多種方式，在生產(chǎn)種植過程中，對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的相關(guān)信息進行采集;在采摘加工過程中，可通過產(chǎn)品標識、感知芯片等，對加工過程的信息予以采集、記錄;在物流運輸過程中，可借助定位裝置，對運輸、周轉(zhuǎn)的過程進行記錄，借助環(huán)境監(jiān)控設(shè)備，對運輸過程中環(huán)境數(shù)據(jù)進行記錄;在銷售環(huán)節(jié)，借助二維碼、條碼來對銷售情況進行記錄。不同環(huán)節(jié)的信息采集工作，所用設(shè)備各不相同，不過獲取的信息會傳遞到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，進行儲存應(yīng)用。

在將農(nóng)產(chǎn)品的追溯信息上傳、存儲之后，要避免相關(guān)信息遭到篡改，可以借助加密處理技術(shù)來實現(xiàn)，密碼學加密技術(shù)是應(yīng)用其最多的一種方法。借助區(qū)塊鏈技術(shù)的時間戳，可形成允許監(jiān)督、查詢、追溯的區(qū)塊鏈條，從農(nóng)產(chǎn)品的種植一直到完成出售全過程，均有這一鏈條的應(yīng)用，因此能夠確保農(nóng)產(chǎn)品信息可被追溯。

（2） 追溯流程的設(shè)計

① 種植及采摘

大棚內(nèi)的農(nóng)作物生長過程中，有專業(yè)的傳感設(shè)備，能夠直接對pH、土壤含水量、氧氣含量及光照等數(shù)據(jù)進行采集，轉(zhuǎn)換格式之后，可借助現(xiàn)代無線傳輸技術(shù)，向系統(tǒng)傳遞相關(guān)信息，形成區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)源頭。當農(nóng)作物成熟之后，工作人員需要現(xiàn)場采摘，需要將農(nóng)產(chǎn)品的種植時間、采摘時間、負責人、采摘情況等形成信息，向區(qū)塊鏈傳遞，存儲起來。

② 包裝加工

農(nóng)作物采摘完成后，在需要時可對其包裝，之后才會入庫。部分農(nóng)產(chǎn)品需要再加工，此時需送至下一單位展開加工，將相關(guān)數(shù)據(jù)向區(qū)塊鏈中傳遞，形成追溯碼標識，標記在產(chǎn)品包裝之上。

③ 運輸配送

農(nóng)產(chǎn)品需要運輸至市場，才能進行銷售，運輸過程會涉及不同的運輸方式、不同工作人員，需要將負責人、發(fā)貨地址、運輸方式、運輸時長、收貨地址等信息上傳。

④ 交易查詢

要實現(xiàn)鏈條式追蹤，產(chǎn)品包裝二維碼中，需要包括產(chǎn)品自產(chǎn)出、加工到出售的所有信息，這樣才能維護消費者的知情權(quán)，提升消費者滿意度。

（3） 追溯方案的設(shè)計

① 算法選擇

共識算法是區(qū)塊鏈中的底層核心。通常情況下，需要借助共識機制實現(xiàn)中心化，來解決相關(guān)問題。農(nóng)產(chǎn)品追溯的各個環(huán)節(jié)彼此獨立，因此所有節(jié)點均無法對別的節(jié)點加以識別，無宕機情況。在設(shè)計中，可以選擇的算法共有三種。

a.POW

這一算法為工作量證明算法，用來確認已完成工作量。在過程監(jiān)測中，這一算法的效率較低，而若借助認證工作結(jié)果證明工作量，則工作效率可得到提升。不過這一算法比較耗能，交易性能不理想，需要很長時間才能達成共識，且易發(fā)生算力集中的問題，導(dǎo)致去中心化受到破壞。

b.POS

POS為權(quán)益證明算法，這一算法會導(dǎo)致電力大量浪費，因此為替代性算法。這一算法類似銀行的存儲財產(chǎn)，能夠按照數(shù)字貨幣持有時間、數(shù)量來合理分發(fā)利息。在權(quán)益證明方面，這一算法能夠借助特定方法，定義區(qū)塊鏈中的后續(xù)合法區(qū)塊，結(jié)合賬戶結(jié)余情況來選擇，因此會發(fā)生中心化現(xiàn)象。

c.PBFT

這一算法屬于實用性的拜占庭容錯算法，是可將分布式系統(tǒng)和拜占庭式故障節(jié)點維持一致性的一種算法，能耗較低，工作效率較高。目前PBFT是聯(lián)盟鏈應(yīng)用最廣泛的算法?？傮w來看，PBFT速度更快，效率更高，因此更適用于本研究的設(shè)計需求。

② 智能合約的選擇

在農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中，智能合約方法是借助特定編程語言，對相關(guān)程序加以實現(xiàn)，可以于區(qū)塊鏈系統(tǒng)容器之內(nèi)來運行，在一定條件下可激活。智能合約技術(shù)用于超級賬本中，可構(gòu)建鏈碼。在農(nóng)產(chǎn)品追溯中，應(yīng)用智能合約時，首先需要注冊。農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、包裝加工、運輸及零售等各個環(huán)節(jié)涉及的單位，均可注冊智能合約，而各銜接單位彼此也可確定合約。當智能合約的相關(guān)要求均獲得滿足之后，合約會立刻生效，并可自行執(zhí)行。用戶若想了解合約履行情況，可以隨時查看。

2.農(nóng)產(chǎn)品信息追溯系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

根據(jù)上述分析獲得的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)模型及技術(shù)方案的設(shè)計思路，筆者認為，在區(qū)塊鏈技術(shù)之上構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)，涉及的數(shù)據(jù)層、共識層、合約層及應(yīng)用層，需通過以下方法實現(xiàn)：

（1） 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是借助動態(tài)存儲方式，將管理者信息、農(nóng)產(chǎn)品溯源信息等上傳到區(qū)塊鏈中，為保證上鏈信息準確，需加入?yún)f(xié)同驗證的模塊，借助Merkle樹形結(jié)構(gòu)，來存儲動態(tài)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)真實性，是農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中需要首先考慮的問題，如果存儲的時候即存儲偽造數(shù)據(jù)，則區(qū)塊鏈技術(shù)的防篡改特性、去中心化，就沒有意義。為解決這一問題，在數(shù)據(jù)層可以設(shè)計一個協(xié)同驗證功能模塊，提升農(nóng)產(chǎn)品信息的真實性?？赏ㄟ^二維碼技術(shù)，來標注不同環(huán)節(jié)的產(chǎn)品信息，這樣消費者能夠根據(jù)需要隨時查詢。

協(xié)同驗證功能模塊，需要企業(yè)員工實施操作。各個員工有自己的工作號碼，在檢查產(chǎn)品時，需要輸入自身工作號碼，將之作為標識。工作人員簽名，數(shù)字簽名為鑒定之用，可經(jīng)過簽名，對負責人相關(guān)信息進行查詢。同時簽名還可保護標簽內(nèi)容。要對數(shù)字簽名進行應(yīng)用，需要先驗證，再進行互發(fā)信息。這一流程需應(yīng)用哈希運算賦值方法。

（2） 共識層

共識層是將PBFT共識算法，加入積分懲罰機制，讓農(nóng)產(chǎn)品追溯連接中的分散節(jié)點，在區(qū)塊數(shù)據(jù)有效性上形成共識，確保區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)能夠平穩(wěn)、安全運行。

共識層中涉及超級賬本功能，這一功能涉及到智能合約，SDK接口十分豐富。共識機制是通過PBFT共識算法來實現(xiàn)的。Fabric網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，進行農(nóng)產(chǎn)品追溯數(shù)據(jù)存儲的單位，彼此是對等Peer節(jié)點，所有節(jié)點均有記錄功能，追溯鏈條上，各單位加入到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)前，均可從CA節(jié)點（代表為監(jiān)管單位）獲取準入許可，而有相應(yīng)許可的單位，可經(jīng)客戶端來進行農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的發(fā)布，背書節(jié)點負責背書，之后經(jīng)共識算法，選擇驗證節(jié)點進行驗證，排序節(jié)點對所有交易排序處理，打包形成各個區(qū)塊，再向外發(fā)布，實時播報Peer節(jié)點，確保同一鏈條上各節(jié)點所接收信息的內(nèi)容于時間均相同，且邏輯順序相同。在這一操作下，農(nóng)產(chǎn)品追溯信息區(qū)塊即可形成。

（3） 合約層

Fabric框架之下，借助Golang語言，對鏈碼進行編寫，從而實現(xiàn)各組織節(jié)點的智能合約，再借助Docker容器，對鏈碼連接Fabric與客戶端的過程進行運行，在一定條件下激活，使之自動運行。

智能合約本質(zhì)上屬于一段程序，是借助部分計算編程語言的編寫技術(shù)，來確保這一程序在區(qū)塊鏈系統(tǒng)容器內(nèi)運作，且這些程序在內(nèi)在或外在條件的刺激下，可自動運行。按照農(nóng)產(chǎn)品追溯具體的需求，系統(tǒng)智能合約包括農(nóng)產(chǎn)品信息查詢、農(nóng)產(chǎn)品交易兩種類型，借助兩種智能合約，可以完成加密交易、無縫銜接。

農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括生產(chǎn)單位、加工單位、承運單位和銷售終端?？蛻舳诉M行智能合約接口的調(diào)試，此后可以向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)布各種交易提案的內(nèi)容，在驗證、背書環(huán)節(jié)檢查之后，通過排序節(jié)點，在同一通道中的組織成員，即可查詢、提取交易信息。進行農(nóng)產(chǎn)品信息發(fā)布的接口，不僅需發(fā)布相關(guān)生產(chǎn)信息，還可發(fā)布加工信息、運輸銷售信息。成員獲得授權(quán)之后，需要安裝智能合約，在Peer節(jié)點服務(wù)器上，對其實施實例化，被授權(quán)者可借助Fabric-SDK客戶端和Peer節(jié)點服務(wù)間實現(xiàn)交互，以此部署、運行智能合約。

（4） 應(yīng)用層

借助CSS、HTML5等工具，實現(xiàn)交互界面前端開發(fā)，這樣農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)可在手機端、PC端實現(xiàn)追溯查詢的操作，各組織節(jié)點可發(fā)布農(nóng)產(chǎn)品的追溯信息。為確保農(nóng)產(chǎn)品信息公開透明，實現(xiàn)系統(tǒng)去中心化，還需過根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品源頭與區(qū)塊鏈技術(shù)的特征，設(shè)計農(nóng)產(chǎn)品信息源頭追溯的聯(lián)盟鏈模型，其中生產(chǎn)單位、加工單位、運輸單位、銷售單位包含4類節(jié)點，分別是頭節(jié)點、錨節(jié)點、記賬節(jié)點、背書節(jié)點、公共排序節(jié)點。農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)到銷售，其涉及的節(jié)點，在系統(tǒng)中均有讀取數(shù)據(jù)信息、寫入數(shù)據(jù)信息的權(quán)限，且區(qū)塊鏈節(jié)點之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同。

三、基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品信息追溯的應(yīng)用

農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)，是應(yīng)用HTML5、CSS，在Dreamweaver上進行操作部署，后端用MySQL數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)追溯過程。以某地蘋果生產(chǎn)、銷售的過程為例，其具體應(yīng)用如下。

（1） 生成追溯二維碼：首先，在信息發(fā)布過程時，農(nóng)產(chǎn)品的信息追溯碼和產(chǎn)品編碼可同時產(chǎn)生。二維碼形成后，可打印出來，粘貼在包裝外，而各級節(jié)點均可掃描二維碼、輸入產(chǎn)品編號，來協(xié)同驗證，這樣能夠為消費券提供可信度高的追溯。（2） 信息發(fā)布：農(nóng)產(chǎn)品信息發(fā)布，涵蓋農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、運輸、銷售等多種信息。在錄入這些信息時，可采用人工錄入、傳感器采集等方式，發(fā)起交易的一方，可在發(fā)布界面填寫數(shù)據(jù)，同時提交到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)過背書節(jié)點驗證交易提案，排序打包，獲取區(qū)塊。（3） 信息查詢：消費者購買蘋果之后，可掃描二維碼、輸入追溯編碼等，來查詢蘋果的生產(chǎn)情況、運輸情況及銷售情況，此時農(nóng)產(chǎn)品的各種信息均可得到顯示。

四、結(jié)束語

農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的構(gòu)建，可以確保農(nóng)產(chǎn)品信息真實可靠、清晰透明。區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)勢是數(shù)據(jù)信息不可更改，因此在區(qū)塊鏈技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)，可以有效解決農(nóng)產(chǎn)品溯源問題，為人民群眾的食品安全提供有力保障。不過，目前物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)集成，針對的主要是農(nóng)產(chǎn)品信息的協(xié)同驗證方案，在信息填寫與發(fā)布中，還需依賴于人工配合驗證，這導(dǎo)致執(zhí)行效率較低，也可能出現(xiàn)錄入信息有誤的情況。未來可以將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)實現(xiàn)高度集成，減少人工的參與，借此進一步提升工作效率，提高信息的準確性與可靠性。

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作者簡介：沈淑濤（1979- ），女，漢族，內(nèi)蒙古烏盟涼城縣人，碩士研究生，副教授，主要研究方向：圖像處理、中文信息處理;楊孝天（1996.08- ），男，漢族，河北張家口人，在讀碩士，主要研究方向：區(qū)塊鏈、網(wǎng)絡(luò)安全;李江（1993.11- ），男，漢族，山西省絳縣人，碩士研究生，主要研究方向：區(qū)塊鏈技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘;馬冉（1994.12- ），女，漢族，河北石家莊人，碩士，在讀研究生，主要研究方向：數(shù)據(jù)分析和區(qū)塊鏈