區塊鏈在食品生產全過程管控系統的應用

夏守先

開發設計

區塊鏈在食品生產全過程管控系統的應用

夏守先

（廣州市龍玥電氣科技有限公司，廣東 廣州 510120）

基于區塊鏈實現食品生產全過程管控是保障食品安全的手段之一。利用區塊鏈的防篡改性、去中心化、開放性和可追溯性等特點，設計食品生產全過程管控系統，將食品原始數據利用Hash函數加密后，存儲在區塊鏈上，并利用數字簽名技術及共識機制等保證數據公開透明和不可篡改，提高系統的安全性、可靠性及運行效率。

區塊鏈；食品安全；生產管控

0 引言

食品安全關系人們的身體健康和生命安全，已成為當下重要的民生問題。食品生產全過程管控是確保食品安全的重要環節。傳統的食品生產全過程管控系統依賴于中心化平臺、服務器系統與統一管控模型，存在如下問題：1）中心化平臺導致上下游協同能力較弱，信息可追溯性差[1]；2）系統數據安全性低、易篡改、無法驗證其完整性；3）食品生產鏈上各參與方相對獨立，信息閉塞，無法建立共信體系和隱私保護體系，資源共享難度較大。

食品生產行業的精細化分工，使食品在生產加工、存儲運輸以及銷售等任何一個環節都可能產生安全隱患。2019年，中共中央、國務院發布《關于深化改革加強食品安全工作的意見》，提出推進“互聯網+食品”監管，建立基于大數據分析的食品安全信息平臺，推進大數據、云計算、物聯網、人工智能、區塊鏈等技術在食品安全監管領域的應用，實施智慧監管[2]。

區塊鏈（Blockchain）是一種分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用模式，也稱為分布式賬本技術[3]。區塊鏈的防篡改性、去中心化、開放性和可追溯性等特點滿足食品生產全過程管控系統多層級、多方參與、數據追溯的需求。為此，本文將區塊鏈應用于食品生產全過程管控系統，解決數據追溯、數據防篡改、數據安全共享、數據協同、數據防泄漏等問題。

1 系統模型

區塊鏈技術平臺主要有比特幣（Bitcoin）、以太坊（Ethereum）和由Linux基金會發起的開源區塊鏈項目超級賬本（Hyperledger）。其中Hyperledger Fabric平臺具有高度模塊化和可配置的體系結構，支持Java，Go和Node.js等通用編程語言，不但具有公鏈防篡改，分布式記賬的特點，還融入身份識別、數據保密、低延遲、高吞吐等技術[4]。

本文以Hyperledger Fabric平臺為底層架構開發食品生產全過程管控系統，提高系統的運行效率和數據存儲能力。基于區塊鏈的食品生產全過程管控系統模型如圖1所示。

圖1 基于區塊鏈的食品生產全過程管控系統模型

在食品生產全過程中，主要參與方包括原材料供應方、生產加工方、存儲運輸方、銷售方、監管部門和消費者等。區塊鏈通過分布式賬本、非對稱加密算法、時間戳、共識機制等技術，實現食品生產加工、存儲運輸以及銷售等全過程關鍵數據上鏈，從根本上解決食品安全問題。基于區塊鏈的食品生產全過程管控系統框圖如圖2所示。

圖2 基于區塊鏈的食品生產全過程管控系統框圖

區塊是存儲交易信息的數據結構。一個區塊由區塊頭和區塊體組成，區塊頭存儲散列（Hash）、前一Hash、時間戳等部分；區塊體存儲數據；區塊頭中保存的Hash和前一個Hash相互鏈接，形成有序的鏈狀結構被稱為區塊鏈[5]。

食品生產全過程中的各參與方按照管控系統的流程，先后把各自關鍵數據寫入區塊鏈，以保證區塊鏈中食品數據的完整性和時間確定性。

1）食品生產加工前，將原材料名稱、生產廠商、購入時間等數據通過私鑰寫入區塊鏈；

2）在生產加工過程中，將配料信息、加工工序、加工設備、加工人員、包裝信息、出產日期與保質期等數據通過私鑰寫入區塊鏈；生產加工發起交易請求，并利用私鑰分別與存儲運輸方和銷售方簽署智能合約，系統記錄交易操作并在交易完成后對存儲運輸方和銷售方進行授權；

3）在存儲運輸過程中，物流公司成為新的被授權角色，其將存儲倉庫的溫濕度，出入庫時間、運輸車、運輸路線、運輸時間等數據通過私鑰寫入區塊鏈；

4）在銷售過程中，上一級銷售方利用私鑰簽署智能合約，下一級銷售方成為新的被授權角色；食品驗收后，將銷售時間、銷售價格等相關數據通過私鑰寫入區塊鏈；

5）消費者通過食品包裝上的條形碼、二維碼或RFID實時查詢、關注食品的安全性和可靠性，發現問題可進行信息反饋；

6）當食品發生問題時，監管部門通過私鑰獲得更高等級的權限，并根據出現問題的環節進行問責。

2 區塊鏈技術應用

食品生產全過程中各參與方多且分散、涉及面廣、生產管控周期長、很難通過集中化的方式進行管控。同時，各參與方關鍵數據繁雜，無法形成統一標準，難以整合，易形成信息孤島。上述因素導致傳統食品生產全過程管控系統資源消耗大、效率較低。且傳統的食品生產全過程管控系統數據庫通常采用中心化的數據庫，較難控制數據庫的信息不被攻擊或篡改，并難以協調信息提供方和調用方之間權利和義務。基于區塊鏈的食品生產全過程管控系統的去中心化、無需信任的數據架構以及底層開放等特性使信息更加公開透明，解決了數據追溯、數據防篡改、數據安全共享、數據協同、數據防泄漏等問題。

2.1 數據追溯

食品生產全過程管控系統的原始數據通過傳感器、射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術、物聯網技術等采集。原始數據上傳到區塊鏈后與數字簽名、時間戳（Timestamp）等共同封裝于區塊鏈，數據的存儲為分布式。

從區塊鏈中每個數據區塊的結構來看，新生成的區塊存儲上一區塊的Hash值，并以此為區塊標識。同時，區塊中還包含時間戳，它是一個字符序列，唯一標識某一刻的時間，是數據在某個特定時間已經存在、完整和可驗證的標記。在基于區塊鏈的食品生產全過程管控系統中，每個環節都會產生一個不可偽造和更改的時間記錄信息。區塊間按時間發生順序連接，從而形成一條從最新區塊追溯到初始區塊的數據鏈條，保證了基于區塊鏈的食品生產全過程管控系統中各參與方的每條數據都可以追溯，便于追責和監管。

2.2 數據防篡改

基于區塊鏈的食品生產全過程管控系統采用數字簽名算法防止數據被篡改，保證各參與方身份真實及數據完整。數字簽名算法利用非對稱加密算法和Hash函數，采用簽名及驗證的方式來驗證數據是否被篡改。數字簽名與驗證過程如圖3所示。

圖3 數字簽名與驗證過程

非對稱加密算法可生成私鑰和公鑰。Hash函數可把任意長度的輸入變換成固定長度的輸出，該輸出的Hash值就是消息摘要。首先，發送方利用Hash函數得到一個發送數據的消息摘要，再用私鑰對消息摘要進行簽名，形成發送方的數字簽名；然后，將數字簽名、原數據和公鑰一起發送給接收方；接著，接收方用發送方的公鑰對數字簽名進行解密，得到發送方的消息摘要，再用相同的Hash函數對原數據進行Hash計算，得到一個新的消息摘要；最后，將新的消息摘要與解密的消息摘要進行對比，若相同，說明收到的數據是完整的，且真實可靠。

同時，區塊鏈按時間順序生成，每個區塊都包含指向上一個區塊的Hash指針，一旦數據被篡改，則與后面區塊的記錄不符，從而導致后面所有區塊都要重新共識，如此龐大的計算量致使數據幾乎無法被篡改。

2.3 數據安全共享

基于區塊鏈的食品生產全過程管控系統的共識機制以去中心化方式維護分布式數據庫數據的一致性。系統沒有中心化的硬件或管理機構，區塊鏈節點間具有均等的權利和義務，任何一個節點出現問題都不會影響系統運行[6]。本系統采用的共識機制是kafka，通過排序節點接收區塊鏈交易，并對其進行排序，執行交易后將交易結果保存在排序節點的本地日志，最后利用P2P傳播方式將結果擴散給區塊鏈的每個節點[7]，有效提升系統的交易處理速度和能力，具有高吞吐，低延遲特征。這使得系統各參與方地位平等，各節點信息公開透明，提高信息交互效率，優化信息共享效果。

2.4 數據協同

食品生產全過程可能被業務分割為多個不同區塊，不同區塊之間的信息共享需要邏輯簡單，具有良好擴展性的數據協同方式實現。Fabric中的1條鏈相當于1個共享賬本，需要共享信息的節點（可以是1個設備或幾個設備聯合通過1個節點訪問和提交信息）都可以加入某條鏈，該共享賬本的信息僅在該鏈內擴散。鏈對信息的擴散起到隔離作用，節點具有較好的隱私性；同時，節點無需保留與本節點無關的信息，提高存儲和網絡通信效率，改善區塊鏈性能。另外，在某些情況下，終端可能需要跨鏈訪問相關數據，如生產B食品的終端可能需要進一步了解原材料（A食品）的具體組成。本系統設計2層跨鏈體系結構，第一層為主鏈，主要用于跨鏈路由、跨鏈節點加入該鏈；第二層為多條業務鏈，具體存儲食品生產關鍵數據。該結構易于擴展新的共享節點，且節點間也能快速互操作。

2.5 數據防泄漏

基于區塊鏈的食品生產全過程管控系統利用Hyperledger Fabric技術解決隱私泄露問題。首先，Fabric多鏈技術可隔離數據，數據僅在鏈內傳播，一定程度上緩解了數據泄露風險；其次，Fabric的Private Data可實現在同一條區塊鏈內，一部分數據鏈內所有節點共享，另一部分數據只有經過特定認證的節點才可訪問。Private Data具有較高的隱私性，它不經過共識節點排序，而僅通過Gossip協議以P2P的方式在終端間傳輸，只有特定認證過的終端才會同步Private Data，同一條鏈內未經過認證的終端僅存儲Private Data的Hash校驗，如圖4所示。

圖4 Private Data隱私保護技術

3 結語

區塊鏈作為一種分布式賬本，具有低成本、效率高、數據透明和安全可靠等特點，解決了食品生產全過程中信息不對稱、信用缺失和數據共享難度大等問題[8]。本文將區塊鏈應用于食品生產全過程管控系統，支持食品生產過程資源有效協調，提升安全保障能力，促進食品行業高質量發展。

[1] 冷杰武,江平宇,劉加軍,等.區塊鏈技術驅動的產消者自組織產品制造社群構建[J].廣東工業大學學報,2017,34(5):1-9.

[2] 張長魯,張健.國內區塊鏈研究主題挖掘、熱點分析及趨勢探究[J].統計與信息論壇,2021,36(2):119-128.

[3] Nakamoto S. Bitcoin: a peer-to- peer electronic cash system Online[EB/OL].(2009-02-03).https://bitcoin.org/bitcoin.pdf.

[4] 汪普慶,瞿翔,熊航,等.區塊鏈技術在食品安全管理中的應用研究[J].農業技術經濟,2019(9):82-90.

[5] Swan M. Blockchain: Blueprint for a new economy [M]. US: O’ReillyMedia, 2015.

[6] 劉琰,楊博,王瑜.基于區塊鏈技術的食品可追溯系統研究[J].中國自動識別技術, 2020(4):62-67.

[7] 姚勇鋒,孫恩昌,張延華,等.基于聯盟鏈的建筑行業標準管理系統[J].計算機測量與控制,2020,28(10):221-225,230.

[8] 徐睿,孫霞,郭業民,等.基于區塊鏈技術的食品安全溯源體系應用與研究進展[J].食品安全質量檢測學報,2020,11(20): 7610-7616.

Application of Blockchain in the Whole Process Control System of Food Production

Xia Shouxian

(Guangzhou Longyue Electric Technology Co., Ltd, Guangzhou 510120, China)

The whole process control of food production based on blockchain is one of the means to ensure food safety. Based on the characteristics of anti tampering, decentralization, openness and traceability of blockchain, the whole process management and control system of food production is designed. The original food data is encrypted by Hash function and stored on the blockchain. The digital signature technology and consensus mechanism are used to ensure that the data is open, transparent and non tamperable, so as to improve the security, reliability and operation efficiency of the system.

blockchain; food safety; production control

夏守先，男，1976年生，本科，工程師，主要研究方向：自動控制及儀器儀表。E-mail: 2782157865@qq.com

TP399

A

1674-2605(2021)03-0006-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.03.006