基于區(qū)塊鏈的香菇可信溯源模型優(yōu)化研究

摘要：在香菇產品供應鏈中，由于環(huán)節(jié)眾多而復雜，并要求高水平的食品質量安全監(jiān)管，這導致信息傳輸?shù)娜哂嗪妥匪菹到y(tǒng)內查詢效率的低下。為解決傳統(tǒng)香菇溯源系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，提出一種利用區(qū)塊鏈技術的香菇質量安全可信溯源解決方案。對香菇供應鏈從溯源角度實行各流程分析，對其中的溯源信息和產品信息篩選整理，設計基于區(qū)塊鏈的香菇質量安全溯源方案；基于此，利用區(qū)塊鏈技術構建香菇質量安全溯源模型，應用供應鏈環(huán)節(jié)多主鏈的存儲模式和數(shù)據(jù)快速查詢模型并且設計相符合的智能合約；并對所提出的模型進行驗證分析。結果表明，在使用區(qū)塊鏈測試工具Caliper下，建立對比試驗環(huán)境進行對比測試，根據(jù)使用數(shù)據(jù)量不同的情況，當供應鏈中的數(shù)據(jù)量足夠多時，溯源模型的溯源查詢效率、數(shù)據(jù)吞吐量均相較于傳統(tǒng)溯源模型有較大的提升。以上所提出的區(qū)塊鏈溯源模型應用到食用菌香菇產業(yè)，能夠實現(xiàn)香菇供應鏈信息安全傳遞和快速溯源。

關鍵詞：區(qū)塊鏈；溯源模型；溯源方案；供應鏈溯源；環(huán)節(jié)多主鏈

中圖分類號：S646.1+2; TP311.13 文獻標識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0178?11

Research on optimization of trusted traceability model of shiitake mushroom

based on blockchain

Lin Mingxia1， 2， 3， Liu Pingzeng1， 2， 3， Jiang Hongtao1， 2， 3， Zhang Xingguo1NhUHnU8liken9qA8NvaFjkWqaFNtOAvUhQhHwEQu46g=， 2， 3， Jin Wenxuan1， 2， 3

（1. School of Information Science and Engineering， Shandong Agricultural University， Tai'an， 271018， China;

2. Huanghuaihai Key Laboratory of Smart Agricultural Technology， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Tai'an， 271018， China; 3. Agricultural Big Data Research Center， Shandong Agricultural University， Tai'an， 271018， China）

Abstract： In the supply chain of mushroom products， due to the numerous and complex links， and it requires a high level of food quality and safety supervision， which leads to the redundancy of information transmission and low query efficiency in the traceability system. In order to solve the problems in the traditional mushroom traceability system， a credible traceability solution for mushroom quality and safety by using blockchain technology was proposed. Firstly， the process analysis of the mushroom supply chain from the perspective of traceability is carried out， and the traceability information and product information are screened and sorted out， and the quality and safety traceability scheme of mushroom based on blockchain is designed. Based on this， the blockchain technology is used to construct the quality and safety traceability model of shiitake mushroom， and the storage mode and data fast query model of multi?main chain in supply chain are applied to design the corresponding intelligent contract. Finally， the proposed model is verified and analyzed， and conclusions are drawn. The results show that under the use of the blockchain test tool Caliper， a comparative experimental environment is established for comparative testing. According to the different amount of data used， when the amount of data in the supply chain is sufficient， the traceability query efficiency and data throughput of the traceability model are greatly improved compared with the traditional traceability model. The blockchain traceability model proposed above is applied to the edible mushroom industry， which can realize the information security transmission and rapid traceability of the mushroom supply chain.

Keywords： blockchain; traceability model; traceability solution; mushroom supply chain traceability; loop multi?main chain

0 引言

香菇是一種重要的食藥用真菌，其質量安全問題一直是人們關注的焦點。香菇生產過程中的污染、使用過多的化學肥料和農藥以及不規(guī)范的保存環(huán)境都可能對其質量產生負面影響[1]。按照市場監(jiān)督管理部門的要求，凡是在上市的食品都要出示可追溯證明，否則就不能流通銷售。而現(xiàn)有的追溯模式是將數(shù)據(jù)保存到一個數(shù)據(jù)庫中，當數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)被上傳和修改時，會產生被修改的危險[2]。由于香菇追溯的信息是分散存儲在整個供應鏈中的不同數(shù)據(jù)庫中，為了完成追溯工作，必須逐一調取每個數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，導致追溯工作的效率低下?，F(xiàn)有的溯源模型在香菇供應鏈中很難得到很好的運用[3]，所以迫切需要一種可信、高效的溯源模型。

在對農產品供應鏈的追溯的研究中，有些研究將射頻識別設備、二維碼、同位素技術和手機無線監(jiān)控等技術相融合，為整個供應鏈的追溯過程提供了一個完整的溯源模型[4?7]。建立可溯源供應鏈來滿足農產品可追溯性和食品品質安全的要求，但現(xiàn)有追溯方法仍然面臨挑戰(zhàn)。由于供應鏈中企業(yè)所處的基礎數(shù)據(jù)的差異，造成了“信息孤島”；溯源系統(tǒng)缺乏抗偽造的能力[8?10]。區(qū)塊鏈技術因其具有的非偽造、分散等特性，能夠突破各行業(yè)之間的隔閡，達到數(shù)據(jù)的分享，因而被廣泛用于追溯體系中。近年來，基于區(qū)塊鏈技術的量子密鑰分配方法被國外研究人員用于農產品溯源[11?13]，以增強數(shù)據(jù)安全性，并與風險分析和關鍵的控制點相融合，來保證產品的安全[14， 15]。

在使用溯源系統(tǒng)期間，由于區(qū)塊鏈的存儲機制[16]，數(shù)據(jù)獲取需要不斷遍歷多個區(qū)塊。這種重復遍歷過程將會導致操作效率降低，以此來換取數(shù)據(jù)安全性，導致區(qū)塊鏈技術應用在香菇供應鏈溯源中存在某些限制，無法恰當?shù)乇粦肹17]。為了提高區(qū)塊鏈溯源的效率，需要解決其低效的問題，一些研究采用將區(qū)塊號存儲在本地數(shù)據(jù)庫中，并通過此與溯源模型連接，實現(xiàn)快速溯源[18]。但是，在溯源過程中使用本地數(shù)據(jù)庫會降低區(qū)塊鏈的不可篡改性、分散性和分布性[19， 20]。

本文在總結分析香菇供應鏈溯源問題的基礎上，應用區(qū)塊鏈技術構建香菇質量安全溯源模型體系結構，設計香菇供應鏈信息溯源的快速查詢模式，開發(fā)香菇供應鏈信息對應智能合約。采用區(qū)塊鏈的分布式存儲和智能合約技術，實現(xiàn)供應鏈環(huán)節(jié)多主鏈存儲模型的快速可追溯，從而提高所構建的香菇質量安全溯源模型的查詢效率和防篡改能力。為提高基于區(qū)塊鏈的香菇質量安全追溯模型的查詢效率和防篡改能力，對香菇供應鏈各環(huán)節(jié)信息從溯源角度進行剖析，對其各節(jié)點的溯源信息進行梳理和提取，設計基于區(qū)塊鏈技術的香菇質量安全追溯方案，在制定相應的智能合約的基礎上，建立基于區(qū)塊鏈的香菇質量安全溯源模型。

1 相關技術基礎

區(qū)塊鏈是一個分布式的數(shù)字賬本，允許在塊中存儲多個交易記錄，并由節(jié)點網絡實現(xiàn)安全維護[21]，以此保證存儲信息的安全，區(qū)塊鏈連接示意如圖1所示。

區(qū)塊鏈由多個相互連接的區(qū)塊結構構成[22]，區(qū)塊是能夠記錄交易細節(jié)的最小區(qū)塊鏈單位。一個典型的區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成。其中，區(qū)塊頭包含了相應元數(shù)據(jù)的關鍵信息，例如當前區(qū)塊哈希值、前一區(qū)塊哈希值、區(qū)塊編號以及時間戳等。另一方面，區(qū)塊體部分則記錄了交易明細，如交易數(shù)量、交易ID及相關交易方地址等。這些信息綜合起來形成了區(qū)塊鏈上的每個區(qū)塊，并在實踐中得到了廣泛應用。通過此機制，區(qū)塊鏈確保了交易信息的可靠性、透明度和不可篡改性[23]。在區(qū)塊鏈中，節(jié)點計算能力和共識效率有限，其交易吞吐量會隨著數(shù)據(jù)量的增加而迅速下降[24， 25]。

智能合約是運行在區(qū)塊鏈上的計算機協(xié)議，當滿足提前設定的條件時，程序自動執(zhí)行合約，實現(xiàn)合約所代表的義務。在以太坊公有鏈中，網絡中的所有節(jié)點的智能合約可以同時運行，只要開始運行，就不能停止。智能合約受益于區(qū)塊鏈的去中心化和不可篡改性，因此區(qū)塊鏈技術的發(fā)展為其帶來更多發(fā)展機遇[26， 27]。

2 基于區(qū)塊鏈的香菇質量安全溯源方案設計

2.1 香菇供應鏈信息分析

香菇供應鏈具有環(huán)節(jié)多、主體獨立、監(jiān)管部門對香菇的高可追溯性要求，引起了業(yè)務信息數(shù)據(jù)結構在記錄和傳輸上不一致，因此需要處理大量數(shù)據(jù)[28]。本文根據(jù)香菇供應鏈的信息特征，香菇的供應鏈可以追溯至其生產制造的多個環(huán)節(jié)。該供應鏈流程可劃分為不同的生產流程環(huán)節(jié)，包括菌棒生產、菌棒接種、香菇培育、儲存、加工和運輸以及銷售和消費者對其的使用，如圖2所示。香菇供應鏈的商業(yè)信息可分為溯源信息和本環(huán)節(jié)全部信息。前者可方便消費者查詢產品信息；后者包含香菇產品信息、環(huán)境因素及具體操作等。

針對生命周期復雜多樣的香菇供應鏈中溯源信息繁重冗余以及參與到的人為操作較多且環(huán)境要求較高等問題，先劃分供應鏈中各個環(huán)節(jié)，對關鍵溯源環(huán)節(jié)進行篩選，整理各個關鍵環(huán)節(jié)中的溯源信息，準確定位問題的原因和了解香菇產品的流通過程。不同環(huán)節(jié)節(jié)點需要采集的溯源信息屬性不同，規(guī)范化的定義能夠通過符號來展示[29?31]，不同階段的香菇產品信息可以用不同的符號來代表，對于規(guī)范化存儲溯源信息具有重要意義。

香菇供應鏈的質量安全溯源主要分為三個階段：產前、產中、產后階段。產前階段是在香菇栽培過程之前需要完成的步驟，包括原料處理、菌棒制作、培養(yǎng)菌種和接種以及作為本文溯源系統(tǒng)追溯鏈源頭的事前工作。產中階段是從菌棒裝棚到成菇采摘，這一階段是整個供應鏈的核心。產后階段是涉及香菇產品生產的最后一部分，其中加工和包裝環(huán)節(jié)環(huán)繞工廠進行，運輸環(huán)節(jié)標志著產品真正流通，而銷售環(huán)節(jié)則是香菇供應鏈的最終環(huán)節(jié)，同時也是直接面向消費者的環(huán)節(jié)。供應鏈中各個環(huán)節(jié)間香菇標識屬性不盡相同，這為單獨的環(huán)節(jié)間建立聯(lián)系提供了前提條件，保障了香菇產品的質量安全可信溯源。

2.1.1 產前階段

此階段主要為香菇生長前的準備工作階段，主要包括菌棒制作和菌棒接種環(huán)節(jié)，每個節(jié)點需要將每個環(huán)節(jié)所需的信息上傳到區(qū)塊鏈中，鏈中初始區(qū)塊開始創(chuàng)建。數(shù)據(jù)資料上鏈過程中，應用一種基于智能合約驅動的身份認證和數(shù)據(jù)信息安全存儲方法，該方法結合了數(shù)據(jù)分片技術以實現(xiàn)分布式存儲。

2.1.2 產中階段

此階段包括香菇培育環(huán)節(jié)和存儲環(huán)節(jié)，在香菇的培育環(huán)節(jié)中，會將各項生產資料以及相關信息記錄存儲，并上傳至區(qū)塊鏈。當?shù)诌_存儲節(jié)點時，節(jié)點將會進行交易發(fā)起過程，在此過程中，交易雙方將利用密碼學密鑰進行區(qū)塊驗證，同時在區(qū)塊鏈技術的支撐下運行智能合約實現(xiàn)交易的自動執(zhí)行。在這個過程中，所有成員必須通過事先設定的審核程序進行身份驗證和授權才能完成交易，授權角色將進行替換。在交易操作中，政府監(jiān)察部門作為該鏈上的一節(jié)點存在，有權訪問和審查各種信息，滿足條件后，將簽署私鑰，以驗證此環(huán)節(jié)是否符合標準。在存儲環(huán)節(jié)中，倉庫從前一個環(huán)節(jié)接收到香菇產品后，就能對產品信息進行訪問和維護，并改寫存儲到區(qū)塊中。在香菇產品流通過程中，應用智能合約和共識算法來實現(xiàn)信息的更新和對鏈路塊的訪問。

2.1.3 產后階段

此階段包括加工、銷售和物流環(huán)節(jié)，在收到來自于上一環(huán)節(jié)的香菇產品后，需要寫入加工、物流和銷售各個環(huán)節(jié)的信息。在加工環(huán)節(jié)，需要寫入加工信息、檢驗合格信息和香菇產品包裝信息等。檢驗信息需要由監(jiān)管部門進行檢驗，并通過數(shù)字簽名驗證產品是否合格。它與香菇產品信息一起寫入塊中。不僅包括包裝信息，還應包括產品生成的溯源源代碼或者條形碼，方便消費者追溯性查詢。在運輸環(huán)節(jié)，需要在更新香菇產品信息的同時提供該環(huán)節(jié)的信息。在運輸過程中，流通的香菇產品也應包含產品標識，方便在此供應鏈中各個環(huán)節(jié)以便于當前節(jié)點與下一個節(jié)點之間的連接管理。在產品營銷過程中，香菇作為一種商品需要通過物流手段被運輸?shù)轿挥诓煌貐^(qū)的銷售企業(yè)以滿足當?shù)厥袌鲂枨?。銷售企業(yè)需要通過確認產品來源和銷售信息等方式保證產品數(shù)據(jù)的完整性，并將其補充其當前已有的產品信息，以提供更好的銷售服務及維護消費者信任度。

2.2 香菇供應鏈流程方案設計

香菇供應鏈的質量安全追溯涉及原料處理、菌棒生產、菌種培養(yǎng)、香菇子實體培養(yǎng)、香菇加工、儲存、運輸、銷售等環(huán)節(jié)。各個環(huán)節(jié)的高效配合，是保證香菇產品的有效溯源的前提。本節(jié)針對香菇供應鏈和傳統(tǒng)溯源中存在的問題，提出了基于區(qū)塊鏈的香菇供應鏈流程設計，并選擇區(qū)塊鏈的應用方式匹配到供應鏈的各個環(huán)節(jié)中，通過智能合約與共識算法的協(xié)同，實現(xiàn)供應鏈溯源數(shù)據(jù)的軟硬件銜接，以傳輸信息，繼而得出區(qū)塊鏈在供應鏈中的應用方式。供應鏈流程如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集與存儲設計

2.3.1 數(shù)據(jù)采集

國際標準化組織（ISO）在ISO 22005∶2007中給出的可追溯性的定義是“跟蹤飼料或食品經過生產、加工和分銷的特定階段的能力”。農產品質量安全追溯系統(tǒng)是一種記錄和查詢特定農產品從生產、流通到消費全過程的系統(tǒng)，其主要目的在于促進農產品質量與安全管理。

為了解決菇房信息采集技術因布線困難和高功耗而產生的問題，建議采用異構傳感器網絡系統(tǒng)來獲取不同菇房環(huán)境下的生產信息。然而，由于異構網絡之間通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式不一致，并且大量設備缺乏IP通信能力，這些數(shù)據(jù)的整合和融合變得具有挑戰(zhàn)性。因此，也可輔助加入邊緣網關，這使得延遲和功耗的問題能夠被解決[31?33]。

此外，整個供應鏈上的所有節(jié)點都需要相互協(xié)調地參與到溯源過程中以此來保證最后溯源結果的可靠性。由于參與者之間信息交流缺失，這導致溯源信息收集變得困難，使香菇產品的可追蹤性降低。為此，可以使用標簽作為流轉過程中信息記錄的載體，以提高生產效率，并將關鍵數(shù)據(jù)存入區(qū)塊鏈以提高數(shù)據(jù)可靠性，讓參與者放心參與溯源過程。

2.3.2 供應鏈環(huán)節(jié)多主鏈存儲

香菇供應鏈具有參與主體節(jié)點多、產業(yè)鏈長、涉及范圍廣、數(shù)據(jù)量大且多源異構等特征[13]，香菇產品質量安全數(shù)據(jù)來源于供應鏈生產、加工、倉儲、銷售、品牌、體驗、消費、服務等產業(yè)鏈實際流程。企業(yè)可以將數(shù)據(jù)分為保密性數(shù)據(jù)和非保密性數(shù)據(jù)兩大類，而保密性數(shù)據(jù)可以進一步劃分為核心保密數(shù)據(jù)和非核心保密數(shù)據(jù)。核心保密性數(shù)據(jù)包括但不限于香菇加工工藝、加工配方、具有知識產權的特色農產品種苗栽培技術等涉及企業(yè)關鍵科技信息以及員工隱私信息等不適合完全公開的非核心保密數(shù)據(jù)，這兩種數(shù)據(jù)認定為保密性數(shù)據(jù)；非保密性數(shù)據(jù)也包括兩種，分別為產品質量安全核心非保密信息和產品質量安全非核心非保密信息，例如農事操作信息、農殘檢測信息、香菇品質檢測信息等質量安全核心非保密信息以及資質管理信息、菇房基本信息、倉庫基本信息、香菇產品溯源環(huán)節(jié)中的圖片、視頻、文件等質量安全非核心非保密信息。由此根據(jù)香菇供應鏈質量安全信息保密性、重要度的要求不同以及數(shù)據(jù)類型適合的存儲方式不同，可將數(shù)據(jù)分為四個等級，分別為核心保密數(shù)據(jù)與非核心保密數(shù)據(jù)、核心非保密數(shù)據(jù)和非核心非保密數(shù)據(jù)，對不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采用不同的存儲策略，達到保證區(qū)塊鏈上存儲數(shù)據(jù)安全性、保密性的同時降低鏈上存儲壓力與投入成本，進一步提升溯源系統(tǒng)的溯源性能。

數(shù)據(jù)分環(huán)節(jié)存儲機制意在針對多種不同類型數(shù)據(jù)，根據(jù)其重要度、保密性、數(shù)據(jù)適宜存儲方式等多方面因素，劃分不同等級，采用鏈上鏈下多種數(shù)據(jù)存儲方式并行的存儲策略，解決在香菇溯源過程中，隨著數(shù)據(jù)量不斷地增大與節(jié)點增多而導致的區(qū)塊鏈網絡中各節(jié)點存儲壓力大、網絡阻塞、查詢效率低、數(shù)據(jù)安全隱患大等問題，還降低了數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設備性能要求與投入成本。通過分析香菇供應鏈，設計區(qū)塊鏈中溯源模型的映射關系數(shù)據(jù)結構，溯源查詢效率的提高在于供應鏈中所展現(xiàn)的數(shù)據(jù)映射關系，是溯源碼和區(qū)塊鏈中交易地址的一對多的關系。當溯源系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)查詢時，能夠通過它們之間的映射關系才產生導航索引，以此來提高數(shù)據(jù)查詢效率。鏈中的根節(jié)點記錄了產品溯源碼、各階段批號或單號和交易地址，環(huán)節(jié)鏈中的交易具有唯一性，能夠將香菇供應鏈中各環(huán)節(jié)的信息進行分類存儲。以此能夠達到流通市場的要求，從而在數(shù)據(jù)上鏈的過程中實現(xiàn)了防篡改功能。

2.4 數(shù)據(jù)的關聯(lián)

2.4.1 溯源粒度的確定

香菇供應鏈各環(huán)節(jié)的生產信息，通過可追溯源代碼的鏈接，可以形成完整的可追溯數(shù)據(jù)。但值得考慮的是，哪種粒度的香菇產品應該作為可追溯的源代碼識別對象。

從供應鏈網絡中分離香菇前后端環(huán)節(jié)的對應關系模型進行剖析，選擇末端產品作為跟蹤對象。復雜的供需關系網絡是由香菇供應鏈的各個環(huán)節(jié)構成的，針對同一環(huán)節(jié)，不同的原料可能由前端的多個環(huán)節(jié)輸送，也可能該環(huán)節(jié)的不同產品同時出口到末端的多個環(huán)節(jié)。由于香菇產品的供求關系較為復雜，因此前末端關系可以從以下兩方面進行分析，即環(huán)節(jié)層面和產品層面。

產品層次的分析結果是在環(huán)節(jié)層次分析的基礎上形成，將香菇供應鏈各環(huán)節(jié)剔除多余的前后端關系，各節(jié)點接收環(huán)節(jié)信息以及本環(huán)節(jié)內的信息，這種前后端關系可視為各節(jié)點間繁復關系的基本組成單位；在此基礎上，前后端關系的粒度進一步細化到產品層次，前端輸出的是此環(huán)節(jié)的香菇產品，后端接收的為當前環(huán)節(jié)的香菇產品，各環(huán)節(jié)間前后端關系的實質是產品間前后端關系；基于此，簡化環(huán)節(jié)層次以及其他無關產品，只保留一種后端產品和其對應的前端原料產品。簡化的前后端關系可以看作是香菇供應鏈中復雜關系的基本單元。

2.4.2 香菇供應鏈溯源編碼

溯源碼是香菇追溯信息的載體。可追溯系統(tǒng)的可追溯碼的建立是實現(xiàn)跟蹤或可追溯的關鍵環(huán)節(jié)。可追溯的源代碼是每個香菇產品的唯一標識。經過一系列的香菇供應鏈溯源流程后，基于區(qū)塊鏈溯源編碼規(guī)則對應生成溯源編碼。鑒于香菇供應鏈環(huán)節(jié)復雜，采用批次可追溯編碼的方法來準確、快速地識別，對同一批次的香菇定義同一生產單位、同一品種、同一采菇日、同一采收等級。

溯源碼由24位字節(jié)碼組成，包括6位地區(qū)郵編、4位企業(yè)代碼、6位產品代碼、6位生產日期代碼、1位認證類型代碼和1位校驗碼，郵編源自企業(yè)位置，企業(yè)代碼來源于當?shù)亓髁刻?，產品代碼由產品類型、菇種名稱和類別組成，生產日期編碼采用XX-XX-XX格式，認證類型有1無公害、2綠色產品、3有機認證和0無認證類型，校驗碼由CRC循環(huán)冗余碼生成。其溯源編碼示例如圖4所示。

2.4.3 溯源數(shù)據(jù)的關聯(lián)

溯源碼和流程環(huán)節(jié)的接口是保證模型中關鍵數(shù)據(jù)實現(xiàn)的基礎。區(qū)塊鏈上的信息數(shù)據(jù)上鏈時，各個節(jié)點能夠通過調用相匹配的智能合約來生成一個唯一的、與該節(jié)點相關的溯源編碼[34]，以實現(xiàn)對這些信息的追溯和跟蹤。在產品溯源的過程中，這個溯源碼可以標識到相應的環(huán)節(jié)。在此基礎上，回溯到上一環(huán)節(jié)可以利用可分支溯源碼的編碼規(guī)則，各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)接口能夠對信息進行查詢，通過此方法能夠查詢供應鏈上的所有環(huán)節(jié)的信息，將整條供應鏈上信息數(shù)據(jù)關聯(lián)起來。

3 基于區(qū)塊鏈的香菇質量安全溯源模型構建

在基于區(qū)塊鏈的可追溯方案的基礎上，運用區(qū)塊鏈關鍵技術實現(xiàn)香菇產品的可追蹤性，建立了基于區(qū)塊鏈的香菇產品可追溯模型，以保證香菇供應鏈信息的公開透明和系統(tǒng)的去中心化。

3.1 溯源模型設計

對香菇產品溯源過程進行分析，溯源流程主要涉及菌棒制作到成菇采摘、倉儲、加工、運輸和銷售等環(huán)節(jié)，其中，培育環(huán)節(jié)與倉儲環(huán)節(jié)主要涉及農事操作與庫存量、倉儲日期等非保密性數(shù)據(jù)，而加工環(huán)節(jié)所涉及的復雜的加工流程、成品配方、加工工藝等數(shù)據(jù)則屬于保密性數(shù)據(jù)。從消費者角度來看，產品質量安全相關的信息將存儲在區(qū)塊鏈上，而產品質量安全非相關的信息則存儲于鏈下。對于保密性的數(shù)據(jù)，將采用加密算法進行加密處理后存儲于保密性數(shù)據(jù)賬本中；而非保密性數(shù)據(jù)則以明文的形式存儲于非保密性數(shù)據(jù)賬本中。

傳統(tǒng)的溯源模型的數(shù)據(jù)上鏈是應用的單一的區(qū)塊鏈，香菇供應鏈中各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)是單獨上傳到區(qū)塊鏈上的，并且鏈上的數(shù)據(jù)也不是按順序上傳的，數(shù)據(jù)查詢時需要遍歷全部數(shù)據(jù)才能查找到。本文提出一種基于區(qū)塊鏈和傳統(tǒng)香菇產品溯源特點的質量安全溯源模型，該模型通過采用分布式存儲機制實現(xiàn)可信溯源，將溯源數(shù)據(jù)存儲在賬本中。具體而言，在香菇產品流程中，利用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)可信溯源，并將其保存在對應的賬本中，從而確保溯源數(shù)據(jù)的安全性和可信度。這樣的方式，不僅能夠提高溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)的防篡改性、安全性，也能夠提高溯源數(shù)據(jù)查詢的效率。

綜上所述，采用“環(huán)節(jié)鏈+數(shù)據(jù)分環(huán)節(jié)存儲”的存儲結構，實現(xiàn)覆蓋香菇產品供應鏈溯源全流程，以提高可追溯性數(shù)據(jù)可信度。為了提高保密性數(shù)據(jù)安全性，將加密算法嵌入智能合約中，并設計加密智能合約，將數(shù)據(jù)加密存儲至主鏈，同時將保密性數(shù)據(jù)賬本錨定側鏈，將加密智能合約嵌入側鏈，將加密解密操作轉移至側鏈實現(xiàn)，以減輕主鏈數(shù)據(jù)存取壓力，提升溯源系統(tǒng)性能。模型結構圖如圖5所示。

從菌棒到銷售成品香菇，香菇供應鏈有多個流程節(jié)點，每個參與的節(jié)點是保證香菇產品信息傳遞的關鍵，可以對節(jié)點編設密鑰，儲存每個環(huán)節(jié)香菇產品的詳細信息，以至于在供應鏈中，每個參與者都可以使用加密技術來保護自身信息。在香菇產品貿易過程中，參與者需要采用非對稱密鑰加密技術進行身份認證，并達成共識，以便于實現(xiàn)產品歸屬關系的轉讓。

數(shù)據(jù)的公開性和透明度是由共識算法來保證。例如，在供應鏈中，香菇產品信息將通過節(jié)點向整個網絡發(fā)起廣播，經過確認后將被分發(fā)并儲存在分布式賬本中。經過對智能合約進行編碼設計，香菇供應鏈的實際需求也能夠被滿足，確保每一次香菇產品的信息傳輸和位置變化都被區(qū)塊鏈記錄，這是有效的。例如，當生產商將香菇產品運送到運輸環(huán)節(jié)時有一份合同，當物流將香菇產品運到銷售商店時也有一份合約。在香菇供應鏈的過程中，智能合約代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溯源系統(tǒng)，以代碼的形式實現(xiàn)合同簽署的一系列流程，使得香菇產品的全過程信息具有透明性、不可篡改性。

在供應鏈中即使出現(xiàn)節(jié)點報錯問題，供應鏈系統(tǒng)仍具有容錯性，并且能夠通過數(shù)據(jù)恢復技術恢復受影響節(jié)點的數(shù)據(jù)，以確保整個系統(tǒng)的持續(xù)性能力。涉及到的節(jié)點可以在此分布式網絡中具有讀寫功能，以同步塊鏈數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)對香菇產品信息的可靠跟蹤和追溯，以期實現(xiàn)系統(tǒng)去中心化，并確保數(shù)據(jù)真實性。

3.2 數(shù)據(jù)快速查詢模型

針對香菇供應鏈中復雜的數(shù)據(jù)量，如何在溯源查詢過程中既能夠保證數(shù)據(jù)的安全性又能夠提高其查詢效率，是設計數(shù)據(jù)快速查詢模型的重點。針對于供應鏈主鏈存儲少量的映射關系數(shù)據(jù)，主要的信息存儲在各環(huán)節(jié)主鏈中，建立環(huán)節(jié)鏈于供應主鏈之間的映射關系，能夠減少查詢數(shù)據(jù)時的遍歷查詢。

如圖6所示，數(shù)據(jù)快速查詢模型的具體操作如下：建立區(qū)塊鏈網絡；客戶端節(jié)點注冊；香菇供應鏈溯源數(shù)據(jù)采集；編寫智能合約；香菇供應鏈溯源數(shù)據(jù)上鏈；香菇供應鏈數(shù)據(jù)快速查詢。

3.3 加密算法設計

區(qū)塊鏈技術的安全性通常從數(shù)據(jù)、網絡、共識、合約4個方面分析。本文區(qū)塊鏈基于傳統(tǒng)區(qū)塊鏈技術架構，對區(qū)塊的數(shù)據(jù)結構進行改進，保留了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈的網絡、共識、合約技術的底層框架。因此，主要考慮到區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)的安全，根據(jù)區(qū)塊數(shù)據(jù)結構構建了加密算法，區(qū)塊內所有業(yè)務數(shù)據(jù)根據(jù)圖區(qū)塊加密算法得到最終的哈希值，稱之為哈希根。任意一個業(yè)務數(shù)據(jù)被篡改，哈希根均會發(fā)生改變，通過此方式保障區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的安全。

Step1：首先計算區(qū)塊中某個實體數(shù)據(jù)D1的哈希值，稱為Hash D1。

Step2：找到剛訪問的實體數(shù)據(jù)D1的第一個未被訪問的鄰接實體數(shù)據(jù)，計算出該實體數(shù)據(jù)與兩實體數(shù)據(jù)之間連接的關系數(shù)據(jù)的哈希，然后將計算的哈希值進行串接再進行哈希運算得到新的哈希值接著再遍歷D1未被訪問到的鄰接實體數(shù)據(jù)，重復此步驟，直到D1所有鄰接實體數(shù)據(jù)全部被訪問為止。

Step3：依次訪問Step2未被訪問的鄰接實體數(shù)據(jù)，然后依次訪問各鄰接實體數(shù)據(jù)的未被訪問的鄰接實體數(shù)據(jù)，直到所有實體數(shù)據(jù)都被訪問為止，并計算出最終的哈希根。

3.4 網絡層設計

網絡成員主要包含數(shù)據(jù)采集端，共識節(jié)點和用戶終端。數(shù)據(jù)采集端采集原始數(shù)據(jù)并上傳請求到共識節(jié)點，各企業(yè)和監(jiān)管部門作為共識節(jié)點以P2P組網方式通信并對數(shù)據(jù)信息達成共識，共識完成后，將數(shù)據(jù)信息加入本地區(qū)塊鏈，用戶終端對共識節(jié)點發(fā)起查詢請求，節(jié)點返回響應結果，溯源模型的網絡拓撲如圖7所示。

3.5 智能合約設計

在香菇供應鏈中，重要數(shù)據(jù)上鏈是通過運用上鏈合約實現(xiàn)的。這些合約的處理部分負責執(zhí)行安全性判斷功能，以監(jiān)督香菇產品的食品質量安全，并將其上傳到區(qū)塊鏈賬本。在存儲環(huán)節(jié)中，一個JavaScript對象可以通過使用不同的信息模板，用戶可以調用適當?shù)闹悄芎霞s以將其追溯信息上鏈。上傳的信息將會記錄在區(qū)塊鏈賬本中，并返回一個交易哈希地址作為該信息在區(qū)塊鏈中的唯一標識符。因此，智能合約扮演了促進數(shù)據(jù)上鏈和保障食品質量安全的關鍵角色。具體的操作方法可以通過偽代碼來實現(xiàn)，如圖8所示。

該流程使用映射合約將映射關系寫入主鏈，以使香菇產品在映射合約中具有唯一的溯源碼和與之對應的交易哈希地址。若香菇產品尚無映射關系，則在映射合約中創(chuàng)建新的映射關系；反之，則更新已有的映射關系。各環(huán)節(jié)節(jié)點需調用智能合約完成上鏈操作，其中，智能合約首先將本環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)上傳到相應子鏈，并在溯源碼和子鏈交易哈希地址之間建立映射關系。若映射關系中已存在該溯源碼的數(shù)據(jù)，則會對其相應交易哈希地址進行更新。

為了建立香菇產品的映射關系，可以利用智能合約在主鏈上記錄相應的信息，如圖9所示。

這一算法通過調用智能合約實現(xiàn)，供應鏈節(jié)點需要將它們所收集到的數(shù)據(jù)上傳至相應的子鏈，并且利用智能合約創(chuàng)建溯源碼和子鏈交易哈希地址之間的映射。如果該香菇產品已經存在映射關系，則需要更新其對應的交易哈希地址。該算法有助于促進供應鏈端到端的透明度和可追溯性。

提出一種通過使用特定的溯源碼查詢合約偽代碼來實現(xiàn)香菇產品的溯源查詢并獲取與其相關信息的方法。該方法可在子鏈上執(zhí)行，并有效地減少了查詢的重復性，其具體流程如圖10所示。

4 基于區(qū)塊鏈的香菇質量安全溯源系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)設計思路

提出一種基于區(qū)塊鏈的香菇質量安全溯源系統(tǒng)，通過區(qū)塊鏈技術，記錄香菇供應鏈中每個環(huán)節(jié)的信息，并使用時間戳記錄時間順序，從而保證對香菇整個生命周期的全過程進行良好的追蹤和記錄。由于區(qū)塊鏈具有去中心化和不可篡改等特點，因此可以將香菇生命周期信息進行分布式存儲，并利用私鑰進行信息查詢和反饋。此外，區(qū)塊鏈技術能夠通過提升數(shù)據(jù)的安全性和可靠性來增強數(shù)據(jù)的保護，該技術利用不可篡改性和去中心化屬性來保證數(shù)據(jù)的完整性和真實性。

4.2 系統(tǒng)總體架構

如圖11所示，該香菇質量安全溯源系統(tǒng)的總體設計采用了三層架構設計，分別為數(shù)據(jù)應用層、數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)采集層。其中數(shù)據(jù)應用層負責提供對用戶的業(yè)務功能操作接口，數(shù)據(jù)管理層則負責管理各個業(yè)務功能所需的數(shù)據(jù)存儲、處理和維護等操作，數(shù)據(jù)采集層則負責在香菇生產過程中收集和采集相關數(shù)據(jù)，以利于向上層提供準確的業(yè)務據(jù)支持。三層之間具有一定的耦合性和分工明確的特點，從而提升了系統(tǒng)運行效率和整體性能。

由圖11可知，應用層和數(shù)據(jù)管理層承擔不同的職責。應用層為消費者和供應商提供可追溯性信息查詢服務，而數(shù)據(jù)管理層則負責區(qū)塊鏈存儲系統(tǒng)的運行和數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)收集層利用終端軟件和硬件傳感器或應用程序，上傳有關香菇培育、加工、物流和銷售的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)應用層，消費者可以訪問有關供應鏈上各種生產企業(yè)的信息、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)以及產品信息的變化，例如儲存期間的溫度控制數(shù)據(jù)和加工期間的滅菌等。

在數(shù)據(jù)管理層，該系統(tǒng)采用區(qū)塊鏈技術對數(shù)據(jù)進行區(qū)塊化處理，其中區(qū)塊包含時間戳功能，從而能夠實現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)追溯。基于區(qū)塊鏈共享機制，所有用戶都可以透明地查看溯源信息?？紤]到區(qū)塊鏈技術的不可篡改性，銷售商無法修改或刪除產品的生產日期和保質期等原始記錄信息，因此需要尋找其他方式來解決即將到期的香菇產品的保質期問題。該系統(tǒng)建立了一種數(shù)據(jù)對應的映射機制，以確保電子商務交易數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)之間的高度數(shù)據(jù)一致性，并保證整個追溯系統(tǒng)具有高可靠性。

在數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)在供應鏈上傳輸能夠通過傳感器和分布式網絡獲取。由于區(qū)塊鏈技術的去中心化特點，數(shù)據(jù)被存儲在分布式賬本中，因此供應鏈上的任何節(jié)點無法篡改信息。假設某個中間商想欺騙消費者，將劣質產品偽裝成優(yōu)質產品，它無法直接篡改已經存儲在區(qū)塊鏈上的信息。即使中間商試圖從數(shù)據(jù)源頭開始造假，也無法完成數(shù)據(jù)采集。這表明，在區(qū)塊鏈技術中，數(shù)據(jù)錨定到分布式賬本是無法被篡改或刪除的，可確保供應鏈的透明性、安全性和可靠性。

5 試驗驗證

現(xiàn)階段的香菇供應鏈溯源的數(shù)據(jù)存儲主要是單一數(shù)據(jù)鏈存儲，將和本文所提出的來進行對比分析。為了搭建區(qū)塊鏈試驗環(huán)境，配置32 GB運行內存、1 TB硬盤容量、100 Mb/s網絡帶寬，并采用Hyperledger Fabric 1.4.2作為區(qū)塊鏈架構，基于Ubuntu 16.04操作系統(tǒng)和Docker 19.03容器技術，確保環(huán)境穩(wěn)定高效，并使用區(qū)塊鏈測試工具Caliper對比測試。

將數(shù)據(jù)量作為變量進行測試數(shù)據(jù)查詢時間，測試結果如圖12所示，當進行溯源數(shù)據(jù)查詢時，現(xiàn)存的單一鏈模型查詢時間隨要查詢數(shù)據(jù)量的增加而呈現(xiàn)等比例增加，而供應鏈環(huán)節(jié)多主鏈模型的查詢時間起伏波動不大，均低于單一鏈模型查詢。

對于吞吐量，將節(jié)點數(shù)量作為變量來進行測試，隨著測試節(jié)點數(shù)量的增加，系統(tǒng)吞吐量會逐漸增加。測試結果如圖13所示。經過試驗對比得出，與傳統(tǒng)的單鏈存儲模型相比，在節(jié)點數(shù)量較多時，環(huán)節(jié)多主鏈存儲模型可以大大提升查詢效率，并且對吞吐量影響較小。

6 結論

1） 區(qū)塊鏈的去中心性、不可篡改性和存儲式分布性等特征使其具有良好的可擴展性和可用性，可以廣泛應用于農產品溯源系統(tǒng)。根據(jù)香菇供應鏈溯源的實際需求，對其溯源方案進行設計；在此基礎上，構建基于區(qū)塊鏈的香菇質量安全溯源模型，確保信息的公開透明和無縫連接，并提高系統(tǒng)查詢的效率；設計數(shù)據(jù)上鏈的智能合約，以監(jiān)督香菇產品的食品質量安全，使香菇供應鏈各環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)能溝進行加密交易和無縫銜接?；谝陨涎芯?，設計基于區(qū)塊鏈的香菇質量安全溯源系統(tǒng)方案，為后續(xù)的系統(tǒng)的開發(fā)打下堅實的技術方案和模型基礎。

2） 所提出的溯源模型為香菇產業(yè)提供一種可靠和適用的方案，保證消費者獲得真實的香菇溯源信息。同時，該模型還為監(jiān)管者提供一個方便高效的監(jiān)管模型。然而，隨著區(qū)塊鏈技術的快速發(fā)展，基于區(qū)塊鏈的溯源模型的性能和節(jié)點共識的效率在目前尚未完全成熟。因此，后續(xù)研究需要重點解決模型的改善以及節(jié)點共識效率的提高。

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