基于區塊鏈的糧油食品全供應鏈信息安全管理原型系統

許繼平 孫鵬程 張 新 王小藝 孔建磊 趙峙堯

(1.北京工商大學計算機與信息工程學院， 北京 100048；2.北京工商大學北京市食品安全大數據技術重點實驗室， 北京 100048)

0 引言

近年來，食品安全問題受到了國家和政府的高度關注[1-2]，這些問題暴露了當前食品安全管理體系中存在的諸多漏洞。糧油是對谷類、豆類等糧食和油料及其加工成品和半成品的統稱，是人類賴以生存的必需品，其供應鏈的安全直接影響糧油食品品質的安全，因此糧油食品供應鏈信息安全監管尤為重要。目前，在對糧油供應鏈的研究上，各國政府、相關企業構建了供應鏈信息監管體系，通過將溯源體系納入法律體系，構建統一的追蹤溯源標識碼，對供應鏈上信息進行追蹤溯源[3-12]。然而這并不能完全解決供應鏈信息安全管理中存在的問題。

圖1 糧油食品全供應鏈流程

糧油食品供應鏈具有全生命周期長、環節復雜、危害物種類多、信息多源異構等特點，其信息安全管理研究中目前尚未完全解決的問題主要有：一是由于糧油食品供應鏈參與主體多、環節跨地域、循環周期長，有別于其他食品供應鏈參與主體，糧食食品供應鏈各環節參與企業或組織不同，供應鏈信息共享性差，各環節主體相互之間，尤其是非相鄰環節主體之間，存在數據信任問題。二是目前的供應鏈管理系統大多以參與主體為中心的自建、自主管理為主，在現實層面中主要通過一系列的法律法規、各級政策規范、參與人員的職業道德等進行監管，在與現實層面平行的計算機信息層面中，存在信息丟失和易被篡改的問題。三是在糧油食品全供應鏈中，目前大都是以靜態標識追溯基本信息，而全生命周期多維異構信息的動態實時追溯更加重要。

區塊鏈是一種分布式賬簿技術[13-14]，具有全網記錄、低成本、高效率、安全可靠等技術特點，采用區塊鏈技術可實現網絡信息一體化，使供應鏈上各企業地位平等，推動信息在供應鏈中高效、流暢地傳遞，促進信息公開透明，減少中心化帶來的信任問題，同時區塊鏈使供應鏈上信息交互數字化，通過智能合約技術實現數據的核查、校驗，使用數字簽名和加密技術，使數據安全高效地傳輸，提高工作效率，保障信息安全可信。近年來，一些研究將區塊鏈技術與食品和農產品供應鏈結合起來[15-19]。利用區塊鏈技術，能夠建立糧油食品全供應鏈上多角色之間的信任問題，建立可靠的互信機制，解決信息不對稱問題[20]，為信息安全管理提供真實可信的平臺。

本文首先對糧油食品全供應鏈的運作流程進行分析，基于區塊鏈構建糧油食品全供應鏈信息安全管理模型，提出基于糧油食品供應鏈的雙模存儲機制和智能合約設計方案；然后，基于糧油食品全供應鏈信息安全模型設計糧油食品全供應鏈信息安全管理原型系統架構，并提出原型系統設計方案；最后，結合實際案例對所設計的系統進行驗證和分析。

1 糧油食品全供應鏈信息安全管理模型

1.1 糧油食品供應鏈分析

在糧油食品全供應鏈中，參與活動的主體主要是：原材料供應商、生產企業、加工制造企業、分銷商、銷售商、消費者。這些主體之間并不都是相互關聯的，目前大多以糧油加工企業為供應鏈的核心，其通過整合上游種植戶、下游銷售部門，并借助研究機構、物流企業、金融機構等優勢對物流、商流、信息流、資金流實施供應鏈管理。這種模式下供應鏈參與企業眾多，節點企業的信息水平參差不齊，不同的標準和不一致的存儲格式也使信息無法順利傳遞且需求信息具有可變更性和時效性。供應鏈節點是獨立的利益體，只專注于各自領域的數據和業務處理，由于缺乏相應的接口標準和規范，它們之間沒有信息共享和業務集成，形成了“信息孤島”。供應鏈中的信息孤島不僅影響整個供應鏈的企業信息建設和信息共享，而且嚴重影響對供應鏈的信息監管和追溯。

糧油食品全供應鏈流程如圖1所示。糧油食品全供應鏈上包括種植、倉儲、加工、物流和銷售等環節。信息安全管理系統需要將供應鏈所有節點的數據信息都記錄在數據庫中，其數據信息主要包括作物的基本屬性、作物的品質信息、各環節的環境信息、作物加工的流程和操作參數、各環節的管理信息等。為實現糧油食品全供應鏈信息安全管理系統，需要通過物聯網技術采集供應鏈各環節的數據信息。

1.2 糧油食品全供應鏈信息安全管理模型

針對糧油食品全供應鏈的信息安全管理，結合區塊鏈技術，建立與糧油食品全供應鏈環節對應的區塊鏈節點，采用區塊鏈鏈式存儲和關系型數據庫雙模存儲機制，構建糧油食品全供應鏈信息安全管理模型，如圖2所示。

圖2 糧油食品全供應鏈信息安全管理模型

整個糧油食品全供應鏈信息安全管理模型分為3部分，包括：糧油食品全供應鏈信息采集系統、數據管理網絡、應用平臺。糧油食品供應鏈上各節點都包含大量的數據，這些數據通過數據采集終端(包括計算機、手機、各類物聯網設備等)采集并經過一定的處理后，上傳至數據管理網絡中。數據管理網絡采用的是區塊鏈和關系型數據庫構成的雙模存儲機制，將信息采集系統處理過的數據，通過調用部署在區塊鏈網絡上的智能合約校驗，在區塊鏈網絡中對數據進行廣播，使各節點對上傳的數據達成共識，然后將信息經過哈希算法轉換生成的數據摘要打包成區塊保存到區塊鏈網絡上的分布式賬本中，同時供應鏈的完整數據信息和智能合約返回的區塊和數據間的映射關系，如區塊的高度、交易ID等，都將保存到鏈下關系型數據庫中。應用平臺是基于糧油食品全供應鏈信息采集系統和數據管理網絡的綜合應用，其主要服務于糧油食品供應鏈各環節的相關企業、監管部門和消費者。這些用戶通過使用平臺提供的相應功能模塊執行相應的功能，比如監管部門對供應鏈進行實時監控、消費者對產品進行溯源查詢、企業對自己的信息進行管理和分享等。

數據信息通過數據采集終端獲取，經由智能合約驗證后形成數據摘要，同時將完整數據上傳到關系型數據庫中存儲。數據的防篡改機制除了依靠區塊鏈網絡自身具有的不可篡改的特點外，還通過智能合約監控區塊鏈網絡庫和關系型數據庫間的映射關系，防止信息發生篡改。糧油食品全供應鏈信息安全主要面向各相關企業、消費者、監管部門，因此利用區塊鏈賦予各角色不同的權限，通過智能合約依照權限查詢或提交相應的信息，既保證了信息的公開透明，又保證了各企業的商業隱私。

1.2.1“鏈上+鏈下”雙模存儲機制

糧油食品供應鏈具有節點多、供應鏈長和涉及面廣的特點，鏈上各環節都包含大量的數據，如果一次性上傳到區塊鏈網絡中，上傳速度慢，區塊鏈的負荷大，運行成本高，而且對區塊鏈網絡中每個節點的硬件設施要求都會很高，在本文的模型中，提出一種“鏈上(on-chain)+鏈下(off-chain)”雙模存儲機制，通過將糧油食品供應鏈上各環節的詳細數據信息經過智能合約驗證，最終與數據所在的區塊鏈位置信息一同存入關系型數據庫中。區塊鏈網絡中存儲的數據為經過哈希計算的數據以及該數據對應的唯一標識碼。通過這種方式，既提高了區塊鏈的運行效率，同時保障數據的安全可信。針對糧油食品全供應鏈各環節的信息安全管理和追溯，構建了糧油食品全供應鏈數據存儲模型，如圖3所示。

圖3 糧油食品全供應鏈數據存儲模型

1.2.2糧油食品供應鏈智能合約

智能合約是一種去中心化的、可自行校驗、自動執行核心內容的有約束力的數字化協議，通過設置一些可自動觸發的執行條件，為區塊鏈網絡中的用戶提供信息交互、價值轉移等功能[21]。以Hyperledger Fabric區塊鏈平臺為例，其運作流程如圖4所示。當智能合約代碼編寫完成，通過區塊鏈上的節點將智能合約安裝到區塊鏈網絡中，然后進行初始化和實例化。當節點上傳的信息或者調用的功能滿足相應合約的觸發條件后，系統將自動調用合約實現相應的功能。通過編寫智能合約實現對供應鏈各個環節產品的智能監控。如果已有現成的物聯網系統和接口，可以通過接口連接到區塊鏈網絡，一旦數據有異常，就會自動觸發報警合約，報警信息會發送到企業或監管部門。這些產品標準可以參考糧油食品行業標準、專家意見等，將相應的標準作為智能合約的一部分，驗證相應的合約數據和監控鏈上的交易信息。如圖5所示，根據糧食行業國家標準， 在智能合約中預先設置數據準入條件，如小麥雜質質量分數在1.0%以內、含水率在12.5%以內等。若通過此環節的糧油食品供應鏈數據滿足預置的數據準入條件，糧油食品可進入供應鏈的下一個環節，否則系統會提示警告，同時追蹤報警源頭方便企業和監管部門及時排査并處理安全隱患，避免質量安全事件的發生。

圖4 智能合約流程

圖5 糧油食品供應鏈智能合約

2 糧油食品全供應鏈信息安全管理原型系統設計

2.1 系統架構

在本文提出的糧油食品全供應鏈信息安全管理模型基礎上，設計了糧油食品全供應鏈信息安全管理原型系統。系統架構如圖6所示，分為物理層、網絡層、數據庫層和應用層。其中區塊鏈技術主要應用于數據庫層和網絡層。

圖6 糧油食品全供應鏈信息安全管理原型系統架構

物理層主要是數據采集的終端，用于對糧油食品全供應鏈各環節進行數據采集并使用通信協議上傳到系統中。

網絡層主要包括網絡結構和通信協議。網絡主要分為兩大類，一類是物聯網設備在數據傳輸時常用的藍牙、ZigBee、RFID等通信機制；另一類是軟件在運行中傳輸常使用的通信機制，如以太網、WiFi、4G等。本系統通信協議應用的是超級賬本平臺的數據傳輸協議，包括Grpc協議和Gossip協議，以提高共識速度和網絡安全。

數據庫層用來存放系統中所有的數據，由兩個部分組成。一部分是區塊鏈網絡中的分布式賬本，記錄了原始數據的數據摘要、時間戳、原始數據的標識碼、數字簽名等，同時網絡中的數據設有訪問權限，不同權限的節點查看的信息數量不同；另一部分是鏈下數據庫，主要用來存儲通過智能合約驗證后的完整原始數據以及其與區塊鏈網絡間的映射關系信息。通過這種方法，避免了區塊鏈存儲能力不足的問題，同時保證了數據信息的安全可信。

應用層是在已有的區塊鏈網絡的基礎上，通過底層區塊鏈提供的API接口，設計一個完整的信息安全管理平臺，面向的對象主要包括消費者、企業、監管部門和可信的服務提供商，用來實現系統的業務需求。

2.2 系統設計方案

通過對糧油食品全供應鏈特點的分析，結合供應鏈上下游企業的實際生產過程，確定了系統的架構。系統主要面向供應鏈的上下游企業、監管部門和消費者提供服務，包含供應鏈信息管理、用戶管理、質檢信息管理、產品溯源和監控預警5個模塊，如圖7所示。其中，供應鏈信息管理中包括種植管理、倉儲管理、加工管理、物流管理和銷售管理5個子模塊，主要實現的是糧油食品全供應鏈生產管理和溯源追蹤信息的采集。用戶管理為糧油食品全供應鏈上各環節的不同角色分配不同的功能權限，不同類型的用戶相互合作，共同完成糧油食品全供應鏈信息安全管理系統的運行。質檢信息管理提供質檢部門的檢測信息。監控預警和產品溯源分別為監管部門和消費者提供供應鏈上的信息。監管部門通過監控預警模塊對供應鏈上下游企業上傳的數據信息以及相關質檢單位出具的檢驗報告進行檢查分析，實施對糧油食品全供應鏈的信息管理。

圖7 糧油食品全供應鏈信息安全管理系統

2.3 系統實現

2.3.1平臺選擇

區塊鏈通常被分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈。公有鏈是完全開放的，任何人都可以在公有鏈上進行交易操作，以比特幣、Ethereum(以太坊)等為代表。聯盟鏈是一部分企業或組織組成的，其加入和退出都要經過鏈上組織的認可，具有部分去中心化的特點，以Hyperledger為代表。私有鏈一般在公司或組織內部使用，其鏈上的操作權限都是由一個組織掌握，主要被用來進行內部工作的管理。表1展示了如今兩大熱門區塊鏈平臺的對比分析。通過對比分析，以太坊作為公有鏈平臺，其共識基礎為PoW(基于工作量的證明)，并不適合應用在供應鏈這樣交易頻繁、以信息交互為主的非金融領域。同時Hyperledger作為聯盟鏈平臺，在高可用、高性能和隱私保護上優勢更明顯，其特有的角色權限機制可以使監管部門擁有監管權，也能夠對其他角色開放對應的權限，既保護了供應鏈上的隱私信息，又保證了信息的公開透明。因此本文選擇Hyperledger下的Fabric平臺來構建糧油食品全供應鏈信息安全管理系統。

表1 區塊鏈平臺對比

2.3.2系統實現過程

軟件系統運行于供應鏈各個環節，功能是記錄當前時刻生產流通情況，讀寫各環節標識信息，向數據庫和區塊鏈網絡中發送和接收供應鏈相關數據，提供查詢、追溯、監控等功能。整個系統包含的子系統有糧油食品全供應鏈區塊鏈系統、糧油食品全供應鏈信息安全數據庫、糧油食品全供應鏈信息安全管理平臺等。系統采用瀏覽器/服務器(B/S)結構，由數據庫、服務器端和用戶端組成。

軟件平臺基于TCP/IP協議的網絡技術，結合區塊鏈、數據庫、軟件工程和數據編碼等，以Hyperledger Fabric作為區塊鏈平臺，MySQL作為云數據庫，Go、JavaScript、Html、Css等作為開發語言構建，使用Nodejs、Bootstrap等框架開發，以Json格式統一處理和發送數據。系統采用瀏覽器/服務器(B/S)結構，運行在廣域網和局域網中。

(1)數據庫

數據庫部分采用區塊鏈和關系型數據庫結合的設計方法。區塊鏈部分基于Fabric開發，區塊信息以文件的形式存儲在文件系統中，歷史數據和區塊鏈的索引存儲在默認的levelDB數據庫中。Fabric當前支持levelDB和couchDB兩種非關系型數據庫，考慮到糧油食品供應鏈平臺調用智能合約產生的業務數據種類多，對于查詢的需求較高，因此采用支持富查詢的couchDB數據庫作為Fabric的狀態數據庫。關系型數據庫基于MySQL開發，在確定需要追溯的數據信息后，建立糧油食品全供應鏈信息安全數據庫，對糧油食品全供應鏈各環節的信息及區塊鏈網絡中的關鍵信息進行記錄。數據庫內容由標識碼、文字、數字、圖像等構成，并根據供應鏈流程及各環節內部流程作為區分構建獨立又相互聯系的數據表和庫，并通過中心化的信息安全管理平臺去采集和檢索供應鏈各環節的信息。

(2)服務器端

區塊鏈平臺Hyperledger Fabric需要運行在Linux環境下。原型系統運行在VMware虛擬PC軟件下的Ubuntu操作系統中，Fabric網絡的運行、智能合約的安裝、測試和實例化都在Ubuntu系統中的Docker容器中進行。Fabric網絡采用單機多節點的部署方式，將糧油食品全供應鏈上的5個典型環節和監管部門作為聯盟鏈中的組織，對應Fabric中6個組織，其中每個組織下包含2個peer節點，用于實現各組織的背書、記賬等功能。同時整個網絡還包含1個CA節點和1個orderer節點，CA節點用于管理系統證書的分發驗證，orderer節點用于對數據進行排序服務以生成區塊。后端數據服務器主要包含數據處理模塊和區塊鏈網絡兩個部分。數據處理模塊基于nodejs框架開發，負責接收前端門戶網站傳來的表單數據，并統一數據格式，然后通過調用鏈碼將數據上傳到區塊鏈網絡中，通過驗證的數據詳細信息會保存到云數據庫中，部分公開數據和完整數據的哈希值會經過共識生成區塊保存到區塊鏈賬本中。區塊鏈網絡能夠保證供應鏈信息的真實可信、不可篡改。

Fabric區塊鏈平臺提供了一個強大的角色管理和權限把控機制。通過Fabric CA頒發證書，再通過證書生成Token，最終將Token發送給用戶，作為各節點用戶在網絡中的身份憑證。其中證書遵循X.509標準，客戶端使用SHA-256算法對證書進行散列，滿足數字簽名的參數格式，數字簽名采用非對稱加密算法ECDSA生成的私鑰加密，通過核驗數字簽名的一致性來進行身份認證。當用戶需要使用平臺進行功能操作時，系統會驗證證書的有效性，然后再調用合約對區塊鏈網絡進行操作。區塊鏈上各節點對數據信息進行讀寫操作時，需要相對應的權限去觸發不同的合約，當用戶權限不夠時，只能看到部分公開的數據，無法查看完整數據。

Fabric區塊鏈平臺共識算法采用可插拔設計，目前Fabric 1.1版本支持3種共識機制，分別是Solo、Kafka和PBFT(實用拜占庭算法)。交易的共識包括3個處理階段：提議階段、打包階段和驗證階段。其中Solo共識模式是Fabric用來進行開發測試的共識算法，只有orderer服務節點負責接收交易信息并排序，是最簡單的一種排序算法，不適合大規模的實際生產環節；Kafka共識模式是通過Kafka對所有交易信息進行排序，支持對系統中多個channel進行單獨排序，是一種支持多通道分區的分布式的流式信息處理平臺，具有崩潰容錯機制，但并不能提供對網絡中惡意攻擊的保護； PBFT是基于BFT(拜占庭算法)改進的分布式容錯技術，主要用來解決分布式系統中的信任問題，使區塊鏈網絡中的各節點形成對網絡狀態和數據的共識， PBFT降低了拜占庭協議運行的復雜度，提高了系統的運行效率，適合對強一致性有要求的區塊鏈應用場景。為了驗證模型可信性，簡化系統流程，采用Solo共識模式構建原型系統的區塊鏈網絡。

Hyperledger Fabric的智能合約又被稱為鏈碼 (Chaincode)。Chaincode用來表示系統流程的業務邏輯，它描述了用戶的需求，并將其代碼化。鏈碼被部署在Docker中，Docker是Hyperledger Fabric運行的容器，用于運行區塊鏈網絡。一旦鏈碼被部署，它將獲得用戶可以用來交互的唯一地址，然后通過Chaincode客戶端可以調用鏈碼，觸發它的功能。鏈碼作為一種圖靈完備的語言，使用Go語言編寫。圖8所示的例子給出了鏈碼的一些片段，這些代碼實現了系統的主要功能。圖8a展示了種植模塊數據采集及查詢的智能合約代碼。首先進行的是智能合約的初始化過程，然后編寫實現種植模塊功能的接口代碼，包括調用信息上傳功能和查詢功能。圖8b實現了種植模塊的數據上傳功能和種植模塊的數據信息查詢功能。將通過Web前端提交的表單信息利用合約代碼進行驗證，符合要求的會輸出“Success”，否則系統會提示數據上傳失敗。

圖8 智能合約展示

(3)用戶端

Web前端門戶網站是基于當前主流的TCP/IP協議，以JavaScript、Html、Css等作為開發語言，基于Bootstrap、jQuery、Ajax等技術棧開發，并使用art-template模板引擎進行渲染的系統對外可視化操作窗口。通過門戶網站調用后端服務器提供的API接口，實現系統的各項功能，包括用戶注冊、信息采集、信息查詢、實時監控等功能。用戶注冊通過調用用戶注冊文件在區塊鏈網絡中注冊用戶信息，區塊鏈網絡會賦予用戶一個唯一的密鑰。用戶通過提供密鑰驗證權限，將門戶網站中填寫的供應鏈數據通過表單發送到后端服務器，服務器會對數據進行預處理，統一數據格式。然后，調用鏈碼上傳數據到區塊鏈網絡中，編碼模塊會賦予屬于一個唯一的ID，當數據上傳成功后，合約會返回數據在區塊鏈網絡中的狀態信息并存入鏈下數據庫中，完成供應鏈信息的采集。

3 應用案例分析

通過對山東省某糧食企業下的面粉供應鏈進行實地調研，該企業下的面粉生產涉及從小麥到面粉銷售的完整供應鏈環節，包含小麥的收購、倉儲、加工、運輸、銷售等流程，收購和倉儲環節、加工環節、運輸和銷售環節分屬于不同子工廠，各環節都有比較詳細的信息記錄，但是各環節之間的信息并不能很好地互聯互通，不能形成一條完整的信息鏈，從而導致信息處理效率低、查詢繁瑣。經過分析，采用本研究設計的糧油食品供應鏈信息安全管理原型系統對其信息管理進行優化。

圖9 系統工作界面

系統運行界面如圖9所示。圖9a為整個系統的用戶登錄界面，其提供供應鏈各節點的登錄服務和產品溯源服務。系統用戶登錄后會進入系統的監控界面，如圖9c所示，從界面中，用戶能夠監控整個區塊鏈網絡的運行區塊，包括查看區塊信息、鏈碼數量、節點數量等。用戶可以通過信息采集功能上傳供應鏈數據信息，系統會自動調用智能合約對數據進行相應的處理，檢查數據是否符合條件并賦予其唯一的編碼。然后數據信息會保存到區塊鏈網絡中，保證數據不可篡改且可追溯。不同環節的信息都會上傳到系統中，保存到同一條區塊鏈上，當產品出現問題時，監管部門和企業通過區塊鏈網絡和各環節編碼能夠快速追蹤產品信息，及時發現問題源頭，并根據產品信息哈希值判斷產品真偽和數據信息是否被篡改。圖9c下方為最新生成區塊信息，點擊交易細節能夠查看區塊中的詳細信息，如圖9d所示。通過登錄界面上的產品追溯系統，消費者能夠利用產品追溯碼查詢到產品在整個供應鏈中的信息，提高了產品的市場信任度，有利于企業的發展，如圖9b所示。

與傳統糧油供應鏈管理系統相比，區塊鏈驅動的糧油食品供應鏈管理系統具備去中心化的特性，不依賴某個組織和個人，利用共識機制解決了傳統糧油供應鏈管理中的“信任問題”，作為一種不可篡改的分布式記賬系統，鏈上數據具有時間戳且不可篡改。區塊鏈系統中各節點企業信息上傳標準統一，保障了供應鏈上的數據能夠快速交互，打破了傳統糧油供應鏈中的“信息孤島”，建立了全新的供應鏈信息管理生態，一定程度上實現了糧油供應鏈上各利益相關者的協作和校驗，實現了資源的有效整合和效益的最大化。

4 結束語

基于區塊鏈建立了糧油食品全供應鏈信息安全管理原型系統。首先，在分析供應鏈環節的基礎上構建了糧油食品全供應鏈信息安全管理模型，為改善鏈式冗余存儲的效率問題，設計了區塊鏈和關系型數據庫相結合的雙模數據存儲機制，為實現產業鏈業務數據交互和全供應鏈危害物信息監管，設計了定制化部署的糧油食品供應鏈智能合約；然后，以管理模型為基礎，提出了原型系統架構和設計方案，并基于Hyperledger Fabric框架，給出原型系統的數據庫、服務器端和用戶端的具體實現過程；最后，結合具體的應用案例，分析了本原型系統的特點和優勢。設計的原型系統能夠實現糧油食品全供應鏈環節信息的共享和互通，并保證信息存儲和傳輸的安全可靠，防止信息孤島和惡意篡改，為供應鏈參與主體、消費者、第三方監管部門提供了可信的產業鏈信息來源，同時為糧油食品供應鏈危害物風險評估、預測和預警提供了完備的數據基礎。