基于區(qū)塊鏈的草原畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的設(shè)計與部署方案

李琦 閆石

摘 要：食品安全關(guān)系國計民生。畜產(chǎn)品是食品的重要組成部分，畜產(chǎn)品安全是畜牧業(yè)健康發(fā)展的重要基石。通過畜產(chǎn)品溯源保證草原畜產(chǎn)品的安全，使用數(shù)據(jù)的方式呈現(xiàn)牲畜從出生到被送上餐桌的歷程，消費者不僅可以確認畜產(chǎn)品是否安全，還可以了解它的品質(zhì)。畜產(chǎn)品溯源能夠為消費者的健康保駕護航，促進畜牧業(yè)的發(fā)展，更可為畜產(chǎn)品帶來附加價值，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。介紹了基于區(qū)塊鏈的畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的設(shè)計和部署方案，發(fā)現(xiàn)將區(qū)塊鏈技術(shù)融入畜產(chǎn)品溯源技術(shù)中，可以極大提高溯源數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。

關(guān)鍵詞：畜產(chǎn)品;溯源;區(qū)塊鏈;去中心化

文章編號：1004-7026（2020）07-0139-02? ? ? ? ?中國圖書分類號：F322? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

1? 傳統(tǒng)溯源技術(shù)的問題與解決方案

在傳統(tǒng)溯源方式中，使用RFID技術(shù)可以大大提高食品溯源數(shù)據(jù)的可信度，以及偽造信息的成本，但無法完全確保溯源數(shù)據(jù)在整個供應(yīng)鏈的溯源流程中被篡改。

由于食品供應(yīng)鏈中每一個環(huán)節(jié)的溯源信息都要記錄在中心節(jié)點的數(shù)據(jù)庫中，查詢系統(tǒng)是依托中心節(jié)點的數(shù)據(jù)庫建立的，而中心節(jié)點并沒有被其他機構(gòu)監(jiān)管，因此無法確保中心節(jié)點數(shù)據(jù)一定是真實可信的。一旦溯源系統(tǒng)的中心節(jié)點被攻擊，溯源信息被惡意篡改，或者由于溯源系統(tǒng)中心節(jié)點的內(nèi)部人員操作失誤，就會導(dǎo)致整個食品溯源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不再真實。

雖然每一只牲畜實體和它的電子標(biāo)簽在物理關(guān)系上是一一對應(yīng)的，但假如存儲這些信息的食品溯源中心數(shù)據(jù)庫被攻擊，牲畜電子標(biāo)簽及其他溯源信息被篡改，牲畜的身份標(biāo)識和其他溯源數(shù)據(jù)與牲畜實體的對應(yīng)關(guān)系就被打亂。例如一只低品質(zhì)羊的電子標(biāo)簽及其溯源數(shù)據(jù)改為另一只高品質(zhì)羊的電子標(biāo)簽及相關(guān)數(shù)據(jù)，那低品質(zhì)羊肉產(chǎn)品就成為了優(yōu)質(zhì)羊肉產(chǎn)品，而這些過程除了黑客了解內(nèi)幕外，再沒有個人或組織機構(gòu)知曉內(nèi)情。如果內(nèi)部人員操作出現(xiàn)問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)改變，那錯誤數(shù)據(jù)直接就變成了正確數(shù)據(jù)，也不會有人知道正確的數(shù)據(jù)。因此，在傳統(tǒng)溯源方式的架構(gòu)下，食品信息透明度較低，消費者很難辨識溯源信息的真假。

將區(qū)塊鏈技術(shù)融入到傳統(tǒng)溯源技術(shù)中是一條可行之路。將溯源信息記錄到區(qū)塊鏈的分布式數(shù)據(jù)庫中，每一條數(shù)據(jù)上鏈都要經(jīng)過共識達成一致，極大程度避免了因操作失誤而造成的錯誤數(shù)據(jù)上鏈。每個參與溯源流程的節(jié)點各保留一份記錄溯源數(shù)據(jù)的副本，相當(dāng)于每個參與節(jié)點的數(shù)據(jù)都被其他節(jié)點背書，數(shù)據(jù)上鏈后無法被更改和刪除，避免了中心節(jié)點被攻擊而使數(shù)據(jù)失真的風(fēng)險，實現(xiàn)了去中心化的架構(gòu)。結(jié)合傳統(tǒng)溯源方式的優(yōu)點，使全部溯源流程公開透明，確保溯源信息的真實可信[1]。

內(nèi)蒙古自治區(qū)是畜牧大省，畜牧業(yè)在經(jīng)濟結(jié)構(gòu)中有著重要的地位，畜產(chǎn)品是對外輸出的重要商品之一。

近幾年，畜產(chǎn)品的溯源體系逐步健全，極大提高了畜產(chǎn)品的附加價值，但其中仍有不足之處。使用區(qū)塊鏈技術(shù)的溯源技術(shù)可以彌補這些不足，解決畜產(chǎn)品安全問題及畜產(chǎn)品以次充好的問題，為消費者和需要溯源信息的各部門、各組織提供可靠的溯源數(shù)據(jù)，有助于內(nèi)蒙古畜牧業(yè)健康穩(wěn)定的發(fā)展。

2? 基于區(qū)塊鏈的草原畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的設(shè)計

溯源系統(tǒng)總體架構(gòu)主要分為4層，由下而上依次是數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)存儲層、區(qū)塊鏈基礎(chǔ)層和應(yīng)用查詢層[2]。

（1）數(shù)據(jù)接入層。利用智能設(shè)備對草原牲畜在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行采集和上傳，或通過供應(yīng)鏈中的生產(chǎn)系統(tǒng)接口將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)存儲層溯源數(shù)據(jù)庫中。

（2）數(shù)據(jù)存儲層。用于收集存儲溯源數(shù)據(jù)，并向上一層區(qū)塊鏈基礎(chǔ)層提供用于寫入?yún)^(qū)塊鏈賬本的溯源數(shù)據(jù)。

（3）區(qū)塊鏈基礎(chǔ)層。搭建草原畜產(chǎn)品溯源應(yīng)用，提供核心數(shù)據(jù)加密服務(wù)、共識服務(wù)以及智能合約的運行環(huán)境，通過智能合約將數(shù)據(jù)自動上鏈并儲存到分布式nosql數(shù)據(jù)庫中，并提供查詢服務(wù)API。

（4）應(yīng)用查詢層。通過調(diào)用區(qū)塊鏈基礎(chǔ)層的查詢API遍歷區(qū)塊形成查詢系統(tǒng)，供政府監(jiān)管部門監(jiān)管及消費者查詢。

3? 基于區(qū)塊鏈的畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的部署方案

3.1? 不同類型的節(jié)點

系統(tǒng)通過節(jié)點實現(xiàn)信息之間的交互，不同類型的節(jié)點可以在同一物理服務(wù)器上部署運行，系統(tǒng)中定義了3種不同類型的節(jié)點[3]。

（1）客戶端節(jié)點是通過編寫SDK對區(qū)塊鏈系統(tǒng)發(fā)送請求以調(diào)用其上層應(yīng)用的節(jié)點。在客戶端通過網(wǎng)關(guān)向區(qū)塊鏈系統(tǒng)提交交易請求時，會使用與客戶端身份對應(yīng)的私鑰簽署電子簽名。當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點向共識節(jié)點提交交易時，會使用與其綁定的私鑰簽署節(jié)點簽名附在交易之后。

（2）網(wǎng)關(guān)節(jié)點是為客戶端節(jié)點和共識節(jié)點提供網(wǎng)關(guān)服務(wù)的節(jié)點。一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以連接一個或多個客戶端節(jié)點，同時一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點也可以連接一個或多個共識節(jié)點，也可以與其中一個共識節(jié)點部署在同一臺服務(wù)器上，其部署需要與共識節(jié)點的一對秘鑰進行綁定。網(wǎng)關(guān)節(jié)點是區(qū)塊鏈系統(tǒng)中交易上傳的樞紐，具有管理秘鑰、進行協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。

（3）共識節(jié)點（Peer）是共識協(xié)議參與方，會產(chǎn)生一致性賬本。作為區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心部分，共識節(jié)點是共識過程的載體，可以觸發(fā)智能合約的條件按照一定的邏輯將數(shù)據(jù)錄入?yún)^(qū)塊鏈賬本中并進行管理。一個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可以由若干個共識節(jié)點組成，每個共識節(jié)點上可以運行多個賬本，賬本是數(shù)據(jù)維度的獨立管理單元?？梢哉f共識節(jié)點是區(qū)塊鏈賬本在物理意義上的載體，而賬本則是交易數(shù)據(jù)在邏輯關(guān)系上的載體，而每一個共識節(jié)點都建有一個非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫作為賬本在邏輯意義上的載體。在啟動共識節(jié)點后，共識節(jié)點所在的服務(wù)器上就運行著一個進程，可以提供共識服務(wù)并將上鏈數(shù)據(jù)存儲到非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中[4]。

3.2? 部署方案

（1）第一種業(yè)務(wù)部署方案是將政府部門、牧戶、銀行、保險公司、屠宰加工公司、倉儲物流公司、養(yǎng)殖區(qū)、銷售店面、超市等各類部門中的每一種部門作為一個組織。每個組織部署一個區(qū)塊鏈系統(tǒng)，包含這一類共識節(jié)點若干個（最好是3f+1個，以方便共識），具體對應(yīng)每一個組織內(nèi)該類實體若干個。每一個實體的共識節(jié)點和其對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點部署在一個小型服務(wù)器上，通過與網(wǎng)關(guān)節(jié)點相連的客戶端向組織內(nèi)部組成的區(qū)塊鏈系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)，經(jīng)由網(wǎng)關(guān)發(fā)給共識節(jié)點進行共識，達成一致性共識后記錄在共識節(jié)點非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，并向網(wǎng)關(guān)返回結(jié)果[5]。

任意一個組織內(nèi)可以調(diào)用其他組織網(wǎng)關(guān)節(jié)點面向外部的查詢接口獲得其他組織的溯源數(shù)據(jù)，消費者使用的查詢終端可以以牲畜唯一標(biāo)識碼為紐帶，調(diào)用養(yǎng)殖、屠宰加工、倉儲物流等各部門區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，接口使用spring或其它框架建立查詢系統(tǒng)。

例如將所有牧民合作社作為一個組織，其中每個牧民合作社實體配備一臺小型服務(wù)器用以部署共識節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點。牧民合作社可以通過客戶端或智能設(shè)備上傳數(shù)據(jù)，溯源數(shù)據(jù)在組織內(nèi)部進行共識，達成一致后錄入牧民合作社組織的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中。其他組織可以通過牧民合作社網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)接口調(diào)用牧民養(yǎng)殖信息。

這種業(yè)務(wù)部署方式不需要跨部門共識，而是組織內(nèi)部共識，只保存，可以減少電力消耗。而查詢時由于各組織組成的是分布式系統(tǒng)，沒有中心節(jié)點，溯源數(shù)據(jù)從區(qū)塊鏈系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口讀取，可以保證系統(tǒng)的去中心化以及數(shù)據(jù)的不可篡改和真實可靠，但需要部署大量服務(wù)器，耗資較大[6-7]。

（2）第二種業(yè)務(wù)部署方案是以上每個組織作為一個獨立節(jié)點，每個組織在一臺大型服務(wù)器上部署一個共識節(jié)點和一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，組織內(nèi)部每個實體配備一個客戶端連接網(wǎng)關(guān)節(jié)點，共識在各組織之間進行。組織內(nèi)部所有溯源數(shù)據(jù)通過客戶端傳入網(wǎng)關(guān)節(jié)點，提交到代表各不同組織的共識節(jié)點上進行共識，共識達成后將溯源數(shù)據(jù)寫入每個組織共識節(jié)點各自的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。

例如所有牧民合作社組成的牧民合作社組織僅有一臺服務(wù)器作為一個節(jié)點，組織上僅部署一個共識節(jié)點和一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，但組織內(nèi)每個牧民合作社都要配備一臺可以訪問網(wǎng)關(guān)節(jié)點的客戶端，用于上傳和查詢養(yǎng)殖數(shù)據(jù)。每次數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點后需要向本組織獨立節(jié)點和其他各組織獨立節(jié)點發(fā)送共識請求，達成一致后寫入各組織獨立共識節(jié)點數(shù)據(jù)庫中[8]。

這種業(yè)務(wù)部署方式真正實現(xiàn)了節(jié)點對等的非中心化架構(gòu)，符合區(qū)塊鏈系統(tǒng)原本的意愿，設(shè)備耗資較少，但共識過程相對復(fù)雜且每個組織需要保存自身組織和其他組織的大量溯源數(shù)據(jù)，耗費的資源較多[9-11]。

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作者簡介：李? 琦（1973—），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。

閆? 石（1990—），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，研究方向：區(qū)塊鏈溯源。