動物檢疫證區塊鏈應用系統設計與實現

鐘林憶 孟祥寶* 劉紅剛 劉朝陽 汪 洋

（1.廣東省現代農業裝備研究所，廣州 510630；2.廣州市健坤網絡科技發展有限公司，廣州 510630）

1 引言

動物檢疫是食品安全監管的重要環節，動物檢疫電子出證則是一項保障食品安全的重要工作。動物檢疫合格證和動物產品檢疫合格證，是畜牧、家禽及其它肉類產品安全走向市場流轉的憑證，具備查詢檢疫信息快、全程追蹤動物及產品流向、疫病追溯及責任管理優勢，關系食品安全與居民健康[1]。

由于經濟利益的驅使，動物檢疫開證弄虛作假現象時有發生，給傳統的動物檢疫開證系統帶來巨大的挑戰，也給社會食品安全帶來嚴重的影響。如：2012年1 月至2013 年3 月，廣東省高州市的1 名獸醫站站長，先后30 多次違規為來源不明的乳豬開具動物檢疫合格證497 張，獲利9 萬多元；2016 年9 月，一輛從山東省運往廣東省的拉有250 只貂和貉的貨車被查獲，貨主私刻公章偽造動物檢疫合格證；2017年11月至2019 年4 月，廣東省梅州市的1 名檢疫員，多次違規為冷凍豬肉開具“合格證明”，獲利5 萬多元。動物檢疫開證弄虛作假現象主要包括：檢疫出證過程信息造假開證；私刻公章偽造檢疫合格證；換證過程制造信息不對稱作假，等。

區塊鏈本質上是一個分布式數據庫，集合密碼學、分布式存儲、智能合約、共識算法技術[2]，因其去中心化、防篡改、公開獨立、匿名安全、可追溯等特點，被視作為價值互聯網和信任互聯網的重要支撐，天然與“存證”相匹配。巢燕在電子證照管理系統的設計中，引入了區塊鏈技術，將電子證照數據存入數據不可篡改和安全可信的區塊鏈上，實現了對海量電子證照數據的安全存儲、安全查詢、可信數據共享，提高了電子證照數據的安全性、可信性和一致性[3]。孫國梓等人，面對傳統電子數據存證系統存在的第三方信任危機、數據安全隱患等問題，設計與實現了基于區塊鏈技術的電子數據存證系統，通過編寫智能合約，將關鍵數據上鏈，保證電子數據的不可篡改，同時對用戶訪問數據的權限進行約束，有效地解決了電子數據存證的篡改和安全問題[4]。孫志國等人，分析了食品溯源系統面臨的問題，并對將區塊鏈技術應用于食品安全領域進行了展望，提出了區塊鏈技術可以低成本高效率地解決食品安全領域存在的信任難題，變對人的信任轉為對機器的信任，可以產生不受人干擾的食品安全可信追溯體系[5]。

針對“區塊鏈+檢疫證”，探索建立一套連接養殖場、屠宰場、經銷門店和監管方的動物檢疫證區塊鏈應用系統，遵循業務流程的鏈上流轉，檢疫員、養殖場等相關方在區塊鏈賬本上共同記錄票據信息和交易信息，通過去中心化、無法篡改，保證動物檢疫出證換證過程安全透明。

2 區塊鏈的概念及技術選擇

2.1 區塊鏈基本概念

在區塊鏈經典概念中，區塊鏈被定義為去中心化和去信任可靠數據庫的方式，對于任意鏈條節點的全部交易的數據，通過加密算法進入到一個數據塊，共同來認定記錄是否為真實[6‐7]。區塊鏈涉及密碼學、分布式賬本、共識機制、智能合約四項核心技術，用一個家譜維護的通俗例子來說明區塊鏈的特性：一個家族，每個同姓氏的家庭都有本自己版本的家譜記載自己的人丁變化，這就是去中心化；每個家庭的家譜對整個家族都是公開的，這就是開放性；家族整體家譜維護和更新需要在重大節日，經過族里絕大多數人的認可，不是隨便哪個家庭說改就改的，這保證了信息的不可偽造和篡改；大家都是根據中國傳統文化規則分年幼尊長，親疏遠近及生老病死更新的家庭變化，并不需要那一個人說三到四，這就是數據自治性。

站在技術的角度，區塊鏈其實是一個分布式的公共賬本技術，所有用戶可以查看這個賬本的內容，可以參與賬本的更新維護。隨著區塊鏈的不斷發展和創新應用，面向多樣的應用場景，要求區塊鏈技術在去中心化程度、用戶參與程度等方面有所不同，區塊鏈隨后發展成了3 種技術分支，即“公有鏈”、“聯盟鏈”和“私有鏈”。

（1）公有鏈。公有鏈屬于完全去中心化，任何節點都向任何用戶開放，每個用戶都可以下載獲取完整的區塊鏈賬本數據，都可以對賬本進行讀取、寫入[8]。公有鏈的優點在于基于共識機制的完全去中心化，具有高度安全性，不受任何個人或組織控制，所有賬本數據公開、透明；缺點在于每一次有用戶對賬本數據進行維護時，所有的節點需要達成共識，而公有鏈通常節點眾多，這就帶來公有鏈處理數據的效率問題，也對節點所需的存儲、帶寬和計算能力有較高的要求。

（2）聯盟鏈。聯盟鏈屬于部分去中心化，它并不是對任何用戶開放，只有被提前指定的若干組織或機構用戶，在被賦予讀寫權限的前提下，才能相應地對賬本進行讀取、寫入[9]。也就是說，聯盟鏈是被指定的若干組織機構共同參與管理、共同記錄賬本數據。聯盟鏈的優點在于節點數量和用戶讀寫權限已經提前規定好，可控制性強，處理賬本數據的速度快、效率高；缺點在于對用戶節點賦予一定的信任度，不能排除多個用戶節點出現合謀篡改數據的可能性。

（3）私有鏈。相比較而言，私有鏈不具備去中心化，賬本數據的讀取、寫入權限完全被一個組織掌握，由這個組織來決定參與者是否可以參與賬本數據的維護、是否可以查看賬本數據[10]。私有鏈的優點在于可以由自己制定策略，讀取速度極快，隱私保護性高，不容易被惡意攻擊；缺點在于過于中心化，跟區塊鏈倡導的“去中心化”理念有所背離，跟其他中心化數據庫差別不大。

2.2 區塊鏈技術選擇

動物檢疫電子開證或存證業務，是由指定檢疫機構用戶進行寫入操作的，并且檢疫證數據具有敏感性，它只能存儲于檢疫機構、檢疫監督機構、檢疫業務領導部門、第三方信任單位等有限的節點上，并非任何人可以下載獲取完整的檢疫證數據；因此，檢疫證區塊鏈應用系統，不適宜采用公有鏈。而為了防止單個機構用戶對數據進行篡改，需要多個組織機構共同來管理檢疫證數據，以保障檢疫證數據的可靠性；因此，檢疫證區塊鏈應用系統，也不適宜采用私有鏈。而聯盟鏈具備部分去中心化、提取指定寫入和讀取的用戶權限、由多個組織機構共同維護賬本數據；因此，聯盟鏈是檢疫證區塊鏈應用的最佳選擇。

超級賬本Hyperledger 是以聯盟鏈為出發點的開源區塊鏈技術[11‐12]，于2015 年由Linux 基金支持發起，目的是推進區塊鏈軟件和系統的開發，提升數據的防偽防篡改性。Hyperledger Fabric 是超級賬本的三大賬本平臺項目之一（另外兩個項目分別是SAW‐TOOTH 和IROHA），是一個帶有可插入各種功能模塊架構的區塊鏈實施方案，也是目前比較有影響力的聯盟鏈技術解決方案。Hyperledger Fabric 框架提供了成員管理服務、區塊鏈服務、鏈碼服務，支持Node.Js、Python 和Java 等多種語言，支持拜占庭容錯等新的共識機制，支持權限管理。通過Hyperledger Fabric平臺，可以很輕松地搭建起企業應用級的區塊鏈網絡。

3 系統設計

3.1 系統業務梳理

從養殖場、屠宰場再到經銷門店，整個動物檢疫及追溯流程包括：（1）養殖場填寫相關資料，向檢疫部門提交檢疫申請；（2）檢疫部門收到檢疫申請后，安排檢疫人員進行產地檢疫，對于檢疫合格的動物，生成并發放動物檢疫合格證；（3）動物被運送到屠宰場時，屠宰場用戶進行動物進場信息登記；（4）動物被屠宰后，檢疫人員進行屠宰檢疫，對于檢疫合格的動物產品，生成并發放動物產品檢疫合格證；（5）質檢員對動物肉品進行品質檢查后，對于肉品品質檢查合格的動物產品，生成并開具肉品品質檢驗合格證。整個業務流程如圖1所示。

從圖1 中可以看出，一個完整動物檢疫信息鏈條包括：動物檢疫申請信息、動物檢疫合格證、動物屠宰進場信息、動物產品檢疫合格證、肉品品質檢驗合格證。傳統的動物檢疫開證系統中，在任何一個動物檢疫信息鏈條里，都存在著人為造假和篡改的可能性，如從動物檢疫合格證換成動物產品檢疫合格證過程中，就存在人為操作風險（如把動物產品數量虛假填大，與對應的動物數量并不匹配），造成各個鏈條信息不對稱、無法關聯上，使得傳統的動物檢疫系統難以將動物檢疫的各個信息鏈條有效地串聯起來，這也加大了監管部門對動物檢疫弄虛作假現象的監管難度，讓高州的某獸醫站站長、梅州的某檢疫員能夠長期屢次違規而未及時發現。

通過對動物檢疫業務流程的梳理，確定了動物檢疫區塊鏈應用系統涉及到區塊鏈賬本數據包括動物檢疫申請數據、動物檢疫合格證數據、動物屠宰進場數據、動物產品檢疫合格證數據、肉品品質檢驗合格證數據，區塊鏈賬本數據寫入用戶包括養殖場用戶、產地檢疫檢疫員、屠宰場用戶、屠宰檢疫檢疫員、質檢員。

而由于動物檢疫數據的敏感性和有限公開性，它只能存儲于檢疫機構、檢疫監督機構、檢疫業務領導部門、第三方信任單位等，所以確定以檢疫機構、檢疫監督機構、檢疫業務領導部門、第三方信任單位等為聯盟鏈節點，共同維護賬本數據。

3.2 系統架構設計

在確定區塊鏈賬本數據來源、賬本數據寫入用戶、節點管理組織機構后，底層采用開源的Hy‐perledger Fabric 區塊鏈技術框架，對動物檢疫區塊鏈應用系統的總體架構進行設計，總體架構設計圖如圖2所示。

系統總體架構設計為3 層，上層為對象層，中間層為應用層，底層為區塊鏈層。這樣分層的好處是，有效地把用戶交互與數據存儲分離了開來。對于用戶而言，只需要像操作傳統的系統一樣，考慮如何去操作和使用系統應用功能，而不需要去考慮底層的數據是如何存儲和賬本數據是如何入鏈的。通過這樣的分層，系統的結構非常清晰明了。

（1）對象層。對象層是系統服務和證件的對象，包括養殖場用戶、屠宰場用戶、檢疫用戶、監管用戶、經銷門店用戶、消費者用戶和第三方用戶等服務對象，包括動物檢疫合格證、動物產品檢疫合格證、肉品品質檢驗合格證等證件對象。

（2）應用層。應用層主要是為服務對象進行應用操作產生證件對象，應用層主要提供開證申請（檢疫申請）、接受開證、證件信息固定（證件信息確認）、鑒偽查詢等應用服務。

（3）區塊鏈層。區塊鏈層是整個系統的底層框架，包括了用于數據存儲的數據庫，也包括了基于Hyperledger Fabric 區塊鏈技術框架的區塊鏈賬本記賬服務。

在系統總體架構中，對象層和應用層服務也廣泛應用于傳統系統，并沒有本質的區別，重點和難點在于區塊鏈層，這是區塊鏈系統和傳統系統的本質差別所在。區塊鏈層的關鍵核心在于身份管理、賬本節點、交易管理共識機制和智能合約（鏈碼服務）[13‐14]。

（1）身份管理

一般的區塊鏈中，任何組織或個人都可以創建節點，可以對讀取和下載賬本數據。但對于動物檢疫業務來說，其關鍵操作和賬本數據是嚴格保密的，只有有限的組織機構才能讀取或保存賬本數據，這就要求對身份的管理和權限的管理。作為聯盟鏈的代表，Hyperledger Fabric 提供了強大的角色管理和權限把控功能，其身份管理模塊定義了角色管理和權限把控的核心機制，它可以標識、驗證和管理用戶。

MSP（Membership Service Provider）是可拔插的接口，有著自定義身份、身份管理（身份驗證）、身份認證（生成與驗證簽名）規則。Hyperledger Fabric 默認實現的MSP 實例，即Fabric‐CA。Fabric‐CA 實現使用PKI方法和X.509 證書，同時提供了用戶登記和注冊的數字證書管理功能。通過身份管理模塊的設計，當有新的組織機構，如食品安全管理部門申請參與時，系統可以為食品安全管理部門進行身份和權限的配置，讓其參與賬本數據的管理。

（2）賬本節點

本系統的網絡節點包括存證節點（即：客戶端節點）和共識聯盟節點（即：記賬節點）。存證節點代表最終用戶操作的實體，包括養殖場用戶、屠宰場用戶、檢疫用戶等，負責提交交易請求（網上申請檢疫、產地檢疫電子出證、屠宰檢疫電子出證、品質檢驗電子出證等操作，都看作是區塊鏈上的一筆交易）。

共識聯盟節點是在網絡中負責接受交易請求、維護賬本一致性的Peer節點實例。本系統中，共識聯盟節點包括檢疫機構（憑證管理中心）、檢疫監督機構（監督管理中心）、檢疫業務領導部門（鑒偽服務中心）、第三方信任單位（系統服務中心）等組織機構用戶建立的節點，每個節點都由MSP 頒發身份認證證書，共同組成一個P2P網絡。當存證節點提交交易請求時，共識聯盟節點通過交易管理共識機制達成共識后，進行廣播記賬。

（3）交易管理共識機制

本系統中，由于檢疫機構、檢疫監督機構、檢疫業務領導部門、第三方信任單位等，都是基于身份認證的參與者，所有Peer 節點不存在未知的角色，所以整個區塊鏈網絡是在一定程度信任的治理模型下運行的，因此本系統不需要麻煩的共識算法，采用PBFT（拜占庭容錯）或SBFT（簡化版拜占庭容錯）共識機制即可，這些共識機制不需要花費昂貴的挖礦成本。

PBFT 是一種狀態機副本復制算法，即服務作為確定有限狀態機進行建模，狀態機在分布式系統的不同節點進行副本復制，每個狀態機的副本都保存了服務的狀態，同時也實現了服務的操作。動物檢疫證區塊鏈應用系統采用PBFT作為交易管理的共識機制。

（4）智能合約

在Hyperledger Fabric 中，賬本是一個有序的、防篡改的全記錄流程的區塊哈希鏈，它用于記錄所有的寫入狀態，同時提供了對賬功能，能進行SQL 形式的查詢。智能合約（在Hyperledger Fabric 也稱鏈碼，即chaincode）是客戶端程序與賬本之間的橋梁，賬本通過智能合約進行操作或修改的。通過智能合約，客戶端程序可以發起交易和查詢交易。通過智能合約，為存證節點和共識聯盟節點之間進行通信提供了渠道，它為檢疫信息的數據入鏈和防偽查詢提供了支持。

3.3 系統功能設計

在系統業務梳理和系統架構設計的基礎上，對系統功能進行設計。系統的功能設計為三部分，分別為用戶交互部分、區塊鏈服務部分和節點管理部分。系統功能設計圖如圖3所示。

（1）用戶交互

用戶交互主要為客戶端用戶提供用戶注冊與登錄，動物檢疫申請信息填寫、動物檢疫合格證信息生成、動物屠宰進場信息登記、動物產品檢疫合格證信息生成、肉品品質檢驗合格證信息生成等數據上鏈操作，檢疫信息及證件防偽查詢操作。

注冊與登錄。養殖場用戶、檢疫員、屠宰場用戶、質檢員等各類需要將信息寫入賬本的用戶，在注冊時直接將自己的信息捆綁到能夠唯一標識身份的DID(分布式身份標識）上，然后將其作為交易數據的一部分，打包存放至區塊鏈中；當用戶想要操作的時候通過區塊鏈查找到其DID，然后實現自主身份認證，避免忘記密碼的苦惱。

交易操作。檢疫申請、產地檢疫開證、屠宰信息登記、屠宰檢疫開證、品質檢驗開證等，每一次的信息寫入或開證操作，都看作是區塊鏈上的一筆交易，將其數據上鏈。

防偽查詢。通過查詢、區塊鏈哈希數值比對，證明檢疫證信息的真偽。

（2）區塊鏈服務

區塊鏈服務用于實現交易數據的入鏈和出鏈。包括哈希運算、智能合約、共識機制、賬本存儲等功能。

哈希運算。區塊鏈存儲的是哈希值，用戶寫入時，將用戶寫入的信息以及用戶身份標識，打包進行哈希運算，得到哈希值；當用戶查詢時，將根據關鍵字，查詢數據庫并進行相同的哈希運算，并將得到的哈希值與區塊鏈中存儲的哈希值數據進行比對。

智能合約。智能合約是定義交易和進行交易的指令，當哈希運算生成的哈希值需要入鏈時，由程序調用，通過執行自身邏輯來提交交易提案。

共識機制。交易消息被網絡廣播發送到各個共識聯盟節點，通過共識機制確保交易消息在各個共識聯盟節點上的最終一致性。

賬本存儲。實現交易數據的入鏈與區塊存儲。

區塊鏈服務功能網絡拓撲圖如圖4所示。

（3）節點管理

這里的節點指的是共識聯盟節點，節點管理包括節點添加、憑證中心認證、節點刪除等功能。每個新增的節點都要經憑證中心認證，獲得身份認證證書。新增的節點與其他共識聯盟節點第一次連接時，主動發送消息進行身份驗證。當刪除節點時，憑證中心認證重新更新節點身份認證證書。

4 系統實現

4.1 實現流程

通過對系統業務梳理、系統架構設計和系統功能設計，以廣東省為例，對動物檢疫證區塊鏈應用系統進行了實現。系統的實現流程如圖5所示。

（1）客戶端用戶登陸系統，根據客戶端程序設置的用戶操作權限，進行相關的應用操作，如養殖場用戶填寫檢疫申請、檢疫員填寫檢疫信息并生成檢疫證書等，這些信息將寫入數據庫并添加客戶端用戶的身份標識。

（2）客戶端后臺程序將客戶端用戶寫入的信息以及用戶身份標識，進行哈希運算，得到哈希值，發起交易請求，通過實例化的智能合約（Chaincode），經共識聯盟節點通過PBFT 算法達成共識之后，主節點打包交易數據入鏈，其他節點進行同步數據入鏈。調用鏈碼，執行交易事務的部分代碼如下：

（3）經由不同的客戶端用戶寫入操作，將動物檢疫申請數據、動物檢疫合格證數據、動物屠宰進場數據、動物產品檢疫合格證數據、肉品品質檢驗合格證數據等整個動物檢疫過程節點信息入鏈，形成動物檢疫溯源鏈。創建塊文件：

（4）當進行動物檢疫信息查詢時，將數據庫中查詢到的數據進行相同的哈希運算，將哈希運算得到的哈希值與區塊鏈中存儲的哈希值進行對比，驗證哈希值數據是否一致。調用鏈碼，查詢交易記錄的部分代碼如下：

（5）如哈希值一致，說明數據信息未進行篡改，系統將查詢結果進行顯示，并生成防偽溯源鑒定報告或檢疫證鑒證報告。

動物檢疫證防偽數據查詢界面如圖6所示。

4.2 系統運行

系統進行了初步運行，主要在檢疫開證環節進行了區塊鏈驗證，如：從動物檢疫合格證到動物產品檢疫合格證的換證過程，每一批屠宰后的動物產品數量，均有對應屠宰前的動物數量，并由區塊鏈將屠宰前和屠宰后的信息進行了串聯，這杜絕了換證后的“合格證明”中摻入冷凍肉的可能性，保障了食品安全。但動物檢疫證區塊鏈應用系統還處于1.0版本的試運行階段，應用環節主要集中在檢疫開證環節，要將整個鏈條打通，還需要政府從行政角度加大力度推行。當前，廣東省出臺了《廣東數字農業農村發展行動計劃（2020‐2025年）》，提出了“探索‘區塊鏈+存證’應用，推進養殖、屠宰、飼料、獸藥企業等數據直聯直報”。下一版本的動物檢疫證區塊鏈應用系統，將考慮把飼料和獸藥等數據納入區塊鏈，形成鏈條完善的動物檢疫區塊鏈聯盟鏈。

5 結束語

為提高動物檢疫證防篡改和防偽溯源功能、消除換證過程操作風險和食品安全隱患，基于區塊鏈的聯盟鏈思想和開源的Hyperledger Fabric 技術，設計與實現了動物檢疫證區塊鏈應用系統。系統遵循業務流程的鏈上流轉，養殖場用戶、動物檢疫員、屠宰場用戶、質檢員等相關方在區塊鏈賬本上共同記錄票據信息和交易信息，去中心化、無法篡改，保證出證換證過程安全透明，檢疫監督機構可獲得監管節點對檢疫證出證換證全流程進行監管，有效提升檢疫證應用的安全性和可追溯性，減少過程漏洞和提升風險管控能力。這套基于區塊鏈技術的系統，將“技術信任背書”與“存證信任背書”相融合，實現“雙信合一”，成為保障肉類食品安全的重要支撐。

我國已將區塊鏈技術上升為國家戰略技術，并強調把區塊鏈作為核心技術自主創新重要突破口，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展[15]。動物檢疫證區塊鏈應用系統的設計與實現，為區塊鏈技術在農業領域的應用提供了一種新的實現方式。持續將區塊鏈技術與農業產業結合，推動食用農產品合格證、“三品一標”認證、農產品安全溯源等信息上鏈，面向不同的場景，建設相應的農業區塊鏈應用系統，將有效解決農產品質量安全、防偽及信任問題，推動農業數字化創新發展，重塑農業行業。