基于區塊鏈的農業訂單平臺

李鳳陽，秦 興

（杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州 310018）

受到人們生活水平不斷提高帶來的需求拉動，養殖業在我國得到了快速發展，其產值已占我國農業生產總產值的34%，從事養殖業的勞動力超過1億人［1］。近年來，隨著互聯網、大數據等先進技術的發展，養殖業也逐漸向專業化、信息自動化轉變。為解決肉類食品安全隱患，更是開發了一系列的肉類食品質量安全追溯系統來檢測家畜健康以及防止病死家畜流入市場，為肉類產品的安全提供了有力保障［2］。但與一些發達國家相比，我國的養殖產業還存在很大的不足［3］，如我國目前缺乏完善的養殖交易體系以及養殖投資體系，使整個養殖交易環境存在很大的盲目性和風險不可控性。

現階段我國的農業養殖方式仍以小規模養殖為主，這種養殖方式存在如下弊端：（1）資金短缺：養殖行業前期需要很高的投入資金，但很多農戶并不能拿出這筆資金，同時又無法提供合格的抵押品進行信貸融資［4］；（2）盲目性：大部分養殖者的生產具有很大的盲目性，對市場的預測及抗市場風險能力差；（3）缺乏信任：交易雙方只是簡單的買賣關系，彼此缺乏信任，從而導致整個交易體系不穩定；（4）信息不對稱：不同角色掌握的信息存在嚴重的不對稱性，為了維護自身的利益導致信息壁壘嚴重，進而造成產供銷嚴重脫節［5］。

基于傳統的中心化信息技術開發的訂單交易平臺在一定程度上能夠解決上述資金短缺、盲目性等問題，但互信問題卻很難得到有效解決。區塊鏈技術的去中心化、分布式存儲、信息不可篡改等特點為解決農業訂單互信問題提供了有力的技術支撐。

1 區塊鏈技術

區塊鏈技術源自于比特幣（Bitcoin）的底層技術，2008年，化名為“中本聰”（Satoshi Nakamoto）的學者首次提出了一種不需要中間任何金融機構，直接由一方發起并支付給另外一方的電子貨幣交易系統［6-7］。隨著區塊鏈技術的發展，目前已經出現很多的區塊鏈技術平臺，如2013年Buterin提出的以太坊區塊鏈平臺［8］、2014年Schwartz等提出的瑞波比［9］和Linux基金會的開源項目超級賬本（Hyperledger Fabric）等。區塊鏈技術的核心優勢是去中心化，通過運用數據加密、時間戳、共識算法和分布式存儲等手段，在節點無需互信的條件下完成點對點交易，解決了中心化機構普遍存在的高成本、低效率和數據存儲不安全等問題［10］。根據用戶需求以及應用場景的不同，區塊鏈又分為公有鏈、私有鏈、聯盟鏈。其中，公有鏈的去中心化程度最高，但交易速度慢、節點加入門檻低；私有鏈與公有鏈的特點完全相反，網絡的寫入和讀取都要受到某個組織或機構的許可才可進行操作；聯盟鏈介于公有鏈和私有鏈之間，實現部分去中心化，有多個組織共同維護區塊鏈的運行，構成一個利益共同體。聯盟鏈不僅交易速度快，同時又能保證數據的安全有效。

本研究平臺的搭建主要是基于Fabric底層環境。Hyperledger Fabric不同于比特幣和以太坊，它是專門針對于企業級的區塊鏈應用而設計，并引入了成員服務［11］，是本研究平臺搭建的最好選擇。超級賬本采用模塊化架構設計，復用通用的功能模塊和接口。模塊化的方法帶來了可擴展性、靈活性等優勢，會減少模塊修改、升級帶來的影響，能很好地利用微服務實現區塊鏈應用系統的開發和部署［12-14］。其核心部分包括4個部分：身份管理、賬本管理、交易管理、智能合約。

身份管理：考慮到商業應用對安全、隱私、性能的需求，聯盟鏈提高了準入門檻，成員必須被許可才能加入網絡。成員管理服務通過公鑰基礎設施（PKI）和去中心化共識機制使得非許可的區塊鏈變成許可制的區塊鏈。

賬本管理：Fabric使用建立在HTTP/2上的P2P協議來管理分布式賬本，采用可插拔的方式來根據需求設置共識協議，如PBFT、Raft等（本研究平臺使用的是Fabric默認的kafka共識，它提供了交易排序功能和崩潰故障容錯的性能）。在賬本中主要包括區塊鏈和State兩塊。區塊鏈是一系列連在一起的區塊，用來記錄歷史交易。State對應賬本的當前最新狀態，它是一個key-value數據庫，Fabric默認采用的是Level DB。

交易管理：Fabric上的交易管理分為部署交易和調用交易。部署交易就是安裝鏈碼的過程，當部署交易成功執行時，鏈碼就被部署到各個peer節點上。調用交易是客戶端應用程序通過Fabric提供的應用程序接口調用先前已部署好的某個鏈碼的某個函數執行交易，并相應地讀取和寫入KV數據庫，返回成功或者失敗。

智能合約：Fabric的智能合約被稱為鏈碼，是采用Go、Java、Node.js編寫的一段代碼，用于處理網絡成員同意的業務邏輯。

2 平臺設計

2.1 系統整體功能分析

基于區塊鏈的農業訂單交易平臺實現的功能是訂單交易以及訂單參養2項業務。參與人員主要分為3類：訂單方、基地方、參養方。訂單方為生豬收購方，他們根據自己的需求下發訂單到該平臺；基地方為線下運營方，提供傳統養殖中、小、微企業及個人養殖場地，主要以租賃合作方式為主，劃分虛擬經營權，實現共同經營。基地方可在該平臺看到所有訂單方下發的訂單，然后根據自己基地的大小接收合適的訂單。同時在接收訂單后，再按養殖基地的規模分配訂單給養殖合作方；參養方是指投資者，可根據基地方發布的參養訂單信息選擇自己想要參養的產品，提供養殖成本，分享養殖收益。整個訂單交易流程如圖1所示。

2.2 系統整體架構設計

農業訂單交易平臺的整體架構可分為應用層、網絡層和存儲層。其中，在應用層和網絡層中間還包含1個合約層，由于合約層主要是對業務邏輯的實現，因此將其與網絡層一起介紹。整體架構如圖2所示。

應用層封裝了整個訂單交易的應用場景，是用戶與信息平臺交互的媒介。應用層是通過Spring MVC框架和HTML標志語言來開發前端頁面，通過ajax來完成數據的交互。本研究的平臺主要是在Linux操作系統下搭建開發環境，使用Java語言在Eclipse集成開發工具下進行系統開發，采用Apache公司的tomcat應用服務器。同時，在應用層接入了本地數據庫，該數據庫采用的是MySQL數據庫，采用該數據庫是為了使用戶能快速查詢到自己想要查詢的信息，該數據庫的信息并非人為寫入，而是從區塊鏈中動態獲取的。數據庫在用戶登錄或指定時間內都會對數據進行動態更新，將底層數據庫中的數據導入到本地的MySQL數據庫中。可避免人為寫入出現的造假情況，從而保證了數據的安全性，同時也解決了用戶從區塊鏈中讀取數據時間久的問題，提供了更好的用戶使用環境。

網絡層介于應用層和存儲層之間，是整個平臺的核心部分。主要是接收應用層發來的操作請求，然后通過fabricjava-sdk接口調用由Go語言編寫的鏈碼來完成業務操作。若發來的請求是存儲合約則將合約內容打包成區塊傳入數據層進行存儲，若發來的是查詢操作，則通過fabric-java-sdk的查詢操作從數據庫讀取數據并返回給應用層。

存儲層用來存儲數據，每個節點維護一個賬本，賬本的內容全都是一致的。存儲層主要采用的是levelDB數據庫，每個區塊包含區塊頭和區塊體2個部分。區塊頭封裝了前一區塊的hash、目標hash、時間戳以及Merkle根。目標hash的實現代碼如下：

Hex.encode Hex String（SDKUtils.calculate Block Hash（client，block InfoTest.get Block Number（），block InfoTest.get Previous Hash（），blockInfoTest.get Data Hash（）））

此外，腸道微生物的生長環境與胃腸黏膜聯系密切，與腸上皮細胞緊密相連，并對胃腸黏膜的生理功能有一定的調節作用。回腸末端和結腸的L細胞在特定營養物和消化產物的誘導下分泌PYY和GLP-1[63-64]。L細胞也受腸道微生物發酵產生的短鏈脂肪酸(乙酸、丁酸、丙酸)的影響，提高血漿PYY和GLP-1的水平[65]。L細胞釋放的PYY和GLP-1不僅抑制胃運動，改善葡萄糖穩態，還引起飽腹感和行為改變。

其中，blockInfoTest.get Block Number（）為獲取區塊高度，block InfoTest.get Previous Hash（）為獲取前一區塊的hash值，block InfoTest.get Data Hash（）為獲取的Merkle根（即該區塊中全部合約內容生成的hash值）。目標函數是由當前區塊高度、前一區塊hash以及合約hash再次經過一定的hash計算獲得的。

2.3 系統功能模塊的設計與代碼實現

整個系統實現的功能主要包括用戶的注冊/登錄、合約存儲和信息查詢，具體功能模塊如圖3所示。

2.3.1 用戶注冊和登錄模塊 用戶注冊：根據角色的不同選取不同的注冊頁面，主要包括訂單方注冊、基地方注冊和參養方注冊。訂單方注冊包括賬號、密碼、訂單方名稱、負責人姓名、負責人電話、公司法人姓名、法人身份證號、法人手機號碼、手機驗證碼以及上傳身份證照片和公司營業執照，以上信息均為必填項，并在文本框中提醒為必填項，將相應信息存入到訂單方數據庫表中。基地方注冊包括賬號、密碼、基地名稱、基地地址、公司法人姓名、法人身份證號、法人手機號碼、手機驗證碼、基地服務內容、服務周期以及上傳法人身份證照與營業執照照片、基地logo等，以上信息均為必填項，在文本框中提醒為必填項，并將對應的信息存入到基地方數據庫表中。參養方注冊包括賬號、密碼、手機號碼、手機驗證碼，以上信息均為必填項，在文本框中提示為必填項，并將相應信息存儲到參養方數據庫表中。參養方注冊流程圖如圖4所示。訂單方用戶注冊頁面如圖5所示。

用戶注冊信息存儲執行的mysql語句如下所示：

INSERT INTO cyf（name，password，phone）VALUES（“張三”，“123456”，“13356776533”）。

用戶登錄：用戶在登錄過程中不需要選取角色，只需要輸入用戶名和密碼進行登錄。用戶的登錄過程實質上是數據查詢的過程，用戶輸入用戶名和密碼后，會從3個數據庫表中進行查詢，若查找到相同的用戶名和密碼，根據查找到數據的數據庫表名稱，頁面從登錄界面跳轉到對應的用戶操作界面。

用戶登錄執行的mysql語句：

SELECT COUNT（*）d FROM ddf WHERE name＝“張三”AND password＝“123456”；

基地方數據表查詢：

SELECTCOUNT（*）j FROM jdfWHERE name＝“張三”AND password＝“123456”；

參養方數據表查詢：

SELECT COUNT（*）c FROM ccf WHERE name＝“張三”AND password＝“123456”；

2.3.2 合約存儲模塊 該模塊的設計服務對象包括訂單方、基地方和參養方。當基地方認購了訂單方的訂單并經過訂單方確認訂單合同后，合同信息會進行上鏈存儲。訂單認購成功后，參養方可對訂單進行參養，參養合同也將進行上鏈存儲。在合同正式存儲之前，首先對合約ID進行查詢，確保合約不被重復上鏈。合同內容以json格式存儲。

合約存儲在Fabric-java-sdk中定義的接口，如下所示：

鏈碼中實現合同存儲的部分代碼如下：

2.3.3 信息查詢模塊 信息查詢可通過區塊查詢和合約查詢，區塊的查詢方式又可分為hash查詢以及查詢全部區塊。hash查詢是通過輸入指定的hash獲取指定的區塊信息。全部區塊查詢則是不輸入任何hash值直接進行區塊查詢。合同信息的查詢可通過ID獲取指定訂單的合同信息，也可根據用戶名或用戶身份獲取該用戶下全部的訂單合同。

Fabric-java-sdk中代碼的實現：

3 系統測試與分析

系統測試的目的是檢測系統的實際操作流程是否與系統設計的流程相一致，以及是否完成用戶要求的全部功能。系統測試環境如表1所示。

表1 系統測試環境

3.1 登錄模塊測試

具體如表2所示。

3.2 平臺訂單發布及認購測試

訂單的發布以及認購：訂單方在登錄賬號后，可在發布界面發布訂單（圖6-a），點擊保存后，訂單發布成功。此時基地方登錄賬號后，在訂單界面可看到所有訂單方發布的所有訂單（圖6-b），可點擊認購按鈕進行訂單認購。在訂單方確認后，則合同開始上鏈，此時查詢訂單可看到圖6-c所示情況，提示上鏈中和上鏈成功，經測試可知合同上鏈時間在1 min內，從而大大節約了用戶的等待時間，有更好的用戶體驗。參養過程和訂單認購過程相似，因此不再贅述。同時，視頻監控的引入讓訂單方和參養方能及時了解產品的養殖情況，只需在首頁或我的訂單中點擊查看詳情。

表2 登錄測試

除此之外，還使用白盒測試方法，使用Junit測試工具對各模塊代碼進行測試，確保每個模塊的代碼都能達到預期結果。經過測試可知，合同上鏈速度維持在1 min以內，這有效節約了用戶的等待時間，為使用戶有更好的體驗，平臺引入了本地的MySQL數據庫，該數據庫的數據是在用戶登錄賬號或一定時間段內動態地從區塊鏈中更新進去的，因此用戶查詢時，無需再從區塊鏈中進行查詢，大大節約了用戶時間，同時，由于數據并非人為寫入，充分保證數據的安全可靠。

本平臺的開發是在分析了國內外當前的養殖交易模式的基礎上，依據我國市場需求提出的一種新的養殖交易理念。該平臺的開發，為養殖者提供了一個安全、可靠的銷售渠道，同時也為收購者提供一個長期、穩定的進貨來源，更是為小規模投資提供了可能。區塊鏈技術的應用，有效保證了身份信息、銷售信息的準確性和可靠性，解決了陌生人之間的互信問題，也將養殖者、銷售者和投資者緊密聯系起來，構成一個利益共同體。除此之外，本平臺還引入了視頻監控系統，每個加入進來的養殖基地都會安裝監控設備，并將實時監控視頻上傳到該平臺，每個訂單下發者和參養者都可在登錄賬號后，選擇訂單列表中訂單詳情進行視頻查看，以便更好地掌握生豬的養殖情況以及養殖環境。

4 結束語

區塊鏈技術作為近年來最火的數據存儲底層技術，改變了多年來中心化管理和交易的局面。本研究主要分析了農業訂單的交易過程，結合區塊鏈技術，給出了一套基于區塊鏈技術的農業訂單平臺建設方案。該平臺利用區塊鏈技術的去中心化和不可篡改的特性，解決了訂單協議的消息不對稱、信息安全和互信等問題。同時區塊鏈技術也可用于食品追溯和解決食品安全問題。區塊鏈技術的引用將會為農產品市場打開一個全新的局面。