區塊鏈技術在食品溯源行業的研究

劉佳琦，游新冬，呂學強，姜陽，李果林

1.北京信息科技大學網絡文化與數字傳播北京市重點實驗室（北京 100101）；2.陽光易購（北京）科技有限公司（北京 100036）

民以食為天，作為世界第一人口大國，中國的食品安全質量問題顯得尤為重要，然而，近年來中國食品安全問題頻發，食品安全行業發展受到來自多方的技術制約，仍面臨不少問題。

區塊鏈技術具有去中心化、防篡改等特性，可最大程度解決數據的造假失信問題，一定程度上加強對食品問題的監督，保障食品安全的公信度。可以說區塊鏈+食品溯源的組合方式可以彌補傳統的食品安全溯源的不足，吸引眾多專家學者的研究。張誠等[1]基于Petri網理論，圍繞區塊鏈技術在物流溯源領域應用的實際情況，分析冷鏈溯源系統的整體業務流程；Syed等[2]通過現代分析技術來證明農產品溯源真實性問題；朱桂菊等[3]針對食品供應鏈溯源加入不同消費者在選擇商品時的習慣偏好及消費水平的因素進行分析，設計綜合投入-需求-成本的價格效應框架；文安興等[4]采用區塊鏈技術設計一套包含三大功能模塊的食品溯源系統，有效解決中心化問題對食品溯源的缺陷。如何運用區塊鏈技術建立高效的食品安全溯源系統，有效彌補傳統食品溯源的不足，成為各專家學者的重點研究問題。

1 食品溯源的行業現狀

黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央堅持以人民為中心的發展思想，把食品安全工作放在“五位一體”總體布局和“四個全面”戰略布局中統籌謀劃部署，提高從農田到餐桌全過程監管能力，提升食品全鏈條質量安全保障水平，要逐步實現企業信息化追溯體系與政府部門監管平臺、重要產品追溯管理平臺對接，接受政府監督，互通互享信息[5]。在市場需求與國家政策的雙重加持下，食品溯源行業成為時下新興的熱門行業，擁有廣闊的市場發展前景。傳統食品溯源系統采用的是中心化數據庫存儲數據，與食品有關的所有信息，包括加工廠商一系列供應鏈及交易信息等內容被存儲在一個大的核心數據庫中，這種存儲方式在數據的修改上往往沒有過于嚴格的限制且數據來源完全由食品擁有者所決定，這就意味著采用傳統食品溯源系統會使食品信息的真實性和安全性大打折扣，政府的監管、獲益方都無法保證數據的可靠性，使消費者對食品安全陷入信任危機。針對這一問題，將區塊鏈引入食品溯源系統可以得到有效解決。

2 區塊鏈

近年來，區塊鏈作為一門新興行業開始走進大眾視野，其所涉及的P2P網絡、加密、時間戳等技術[6]為解決食品溯源及食品安全問題提供了全新的思路。

2.1 區塊鏈概述

區塊鏈可以被看作是一個分布式存儲的賬本和一個大的去中心化數據庫，它彌補傳統數據庫中心化的不足，可分為2部分理解，即區塊和鏈。區塊可以理解為一個“賬本”，這個“賬本”中包含著區塊創建過程中進行交易的每一筆信息，交易記賬信息由多個區塊共同完成，每一個區塊所記錄的賬目均完整，同時賬戶身份經過加密。通過在數據塊中記錄哈希值等方法將所有的區塊連成一條鏈。如圖1所示，每個區塊中包含區塊頭和區塊主體2部分，區塊頭主要記錄哈希值及時間戳等一系列詳細信息，根據其中的哈希值可以追溯到上一個區塊，其存入的就是上一個區塊的地址值。時間戳的存在可以保證區塊鏈上的每一個區塊都是按照時間順序排列的，每一個區塊生成的時間都會被其詳細記錄[7]。區塊的主體部分中主要存儲著自區塊創建以來被寫入的所有交易信息。

圖1 區塊鏈鏈式結構圖

區塊鏈技術的主要結構如圖2所示，主要由數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層組成[8]。區塊鏈網絡是一個分布式的點對點網絡，區塊鏈的產生建立一套嶄新的信用體系，它的“去中心化”有效克服互聯網對中心服務器的依賴，所有的信息都被分布式存儲在區塊鏈中，而這些信息的產生需要每一個節點的確認，且記錄一旦生成就無法進行修改。區塊鏈會利用其特有的加密技術和共識機制對交易信息進行維護，保障其數據的安全性和統一性，同時這些被記錄的數據都是公開透明且具有一定關聯性的，這就決定區塊鏈技術具有可溯源的天然優勢。區塊鏈的另一大特點在于其完全按照合約執行，不需要人為介入干預，在執行過程中一旦有違約行為的發生就會觸發懲罰機制，智能合約是其中應用最廣泛最重要的技術。

圖2 區塊鏈主要結構圖

2.2 智能合約

區塊鏈技術“越來越多地應用到具體行業中，得以解決更多實際問題”的行業現狀極大地促進“智能合約”的誕生與發展。

“智能合約”由計算機科學家、密碼學專家Nick Szabo提出[9]，具體闡述智能合約的相關概念，雖然當時的計算機及互聯網技術發展水平遠不如21世紀的今天，但這一理念的提出仍然很大程度上推動眾多領域發展。1997年，Nick Szabo發表將智能合約推向更高的發展舞臺的高水平文章《智能合約的理念》，將自動售貨機作為示例進一步具體闡述智能合約的實際運作過程，從而受到各界更廣泛關注。

智能合約是將交易各方達成一致的交易協議，通過計算機編碼的方式，使其能夠自主執行合同條款。這種交易方式與傳統交易相比更加高效，由于智能合約會自主對條款進行執行，不需要第三方權威平臺作為中介，且一旦開始執行，合約的所有內容都無法進行修改，所以很大程度上避免交易雙方因對合同產生的理解分歧而造成的法律糾紛，同時降低人為干預的風險以及節省傳統方式所產生的人力成本。智能合約存在的優勢使其越來越廣泛地應用于各個領域，受到社會各界密切關注。

2.3 共識機制

區塊鏈的每個數據塊中都包含著非常多的交易數據及記錄，那么這些區塊是通過什么方式產生？又如何保證其中數據得到每個節點的統一認可？共識機制就是保證交易參與方對同一事件達成相同意見的機制，在區塊鏈中，共識機制起到決定誰負責生成新的區塊及維護區塊鏈統一的作用。區塊鏈依靠平臺搭建好后，參與者根據一開始設定好的規則，各自發揮作用實現自我運行，所有人都認可這個規則代表達成共識。共識機制除了要統一參與者的共識，也要在技術上統一共識。由此可見，共識機制在區塊鏈中扮演著不可替代的重要角色，區塊之間的節點依靠共識機制維持著穩定，具有較高的安全性，不需要人為地干預介入，最大限度上保證區塊鏈中記錄內容的真實性和公開性，提升信用價值。

被大家廣為熟知的且最常用的一些共識算法主要涵蓋POW算法[10]、POS算法[11]、DPOS算法[12]和PBFT[13]的算法等。

2.4 數字簽名

在傳統的交易中，交易雙方達成協議后會通過簽字蓋章的方法提升彼此的信任度，在區塊鏈中也是如此。數字簽名在區塊鏈中的作用就在于驗證雙方身份及交易內容、記錄的可靠程度，同時維護增強數據的保密性。數字簽名由數字摘要和非對稱加密2部分構成，數字摘要就是將交易信息利用哈希函數將信息內容轉換成固定長度且具有唯一性的字符串，用非對稱加密技術對具有唯一標識的字符串進行加密，經過加密后的密文就形成數字簽名[14]。不同交易信息對應的哈希密文不同，這決定得到的密文的唯一性，極大保障數據在發送過程中的保密性和完整性。非對稱加密技術比對稱加密算法更具優勢的點在于大幅提升數據安全程度，其中所涉及的2個密鑰——公鑰和私鑰一一對應，即經過公鑰或私鑰加密后的文件，僅擁有相對應的密鑰的一方可以對文件進行解密，查看信息[15]。

利用數字簽名在一方發送交易信息時，要經過幾道周密的加密和解密過程，以保證數據在傳送過程中不被外泄，同時確定發送方和接收方的信息原文一致，防止被攔截者惡意操作，維護傳送數據完整性和隱私性[16]。以Gao Liu要將信息跨國發送給Sean為例，數字簽名的具體工作流程如圖3所示。

圖3 數字簽名工作流程

3 基于區塊鏈技術的食品溯源

3.1 基于區塊鏈技術的食品溯源信息存儲

傳統食品溯源存在的一個最大的問題就在于其將信息存儲在中心化的數據庫中，數據作假成本過低導致食品質量安全的信用出現較大問題。區塊鏈分布式、去中心化、防篡改等天然優勢有效解決傳統食品溯源存在的這一難題。

區塊鏈本質上是一個分布式記賬本，通過查看記錄在區塊鏈上的內容，可以清晰了解到食品從原材料開始涉及的種植、加工等一系列過程及后續的包裝、運輸、批發零售等相關信息，這些信息被詳細地記錄在每個區塊中，這些區塊又根據它們被記錄的時間也就是時間戳及鏈接到上一個區塊的哈希值按順序鏈接而成[17]。食品溯源信息被分布存儲在各個節點，并且被存儲記錄的數據可以進行更為詳細的食品信息追加。這些數據對所有人公開，保障了食品相關信息的公開透明，有利于消費者了解自己購買食品的詳細信息，加強政府相關監管部門對食品安全的各項監管。加上共識機制自動維護區塊，無需人為介入的特點，基于區塊鏈技術的食品溯源信息存儲在節省大量人工成本的同時，使食品溯源的數據更加清晰、完整。

另外，在區塊鏈中數據一旦生成記錄，就不能再進行修改，在整條食品供應鏈中，只允許進行食品溯源信息的補充和添加而不能進行數據的篡改，保證食品在各個環節數據的公開、公正，以及真實性和有效性[18]。區塊鏈技術信息存儲的這一特點有效防止企業獲益者偽造、篡改信息，提升企業的公信力，推動構建高質量食品溯源信用體系的同時也進一步實現對食品安全信息的有效追溯。

3.2 基于區塊鏈技術的食品溯源數據保證

傳統食品溯源除數據中心化外還存在的一個問題是傳統追溯方式過于簡單，它是直接在數據庫中對食品相關信息進行查找對比，數據的真實性、有效性不能得到保證。針對這一問題，區塊鏈中的數字簽名所包含的非對稱加密算法和區塊鏈技術所擁有的共識機制可以有效地進行攻克。

在食品溯源系統中，區塊鏈存儲著食品加工等一系列供應鏈的信息，區塊間的數據內容是彼此關聯的，用來驗證和保證數據存儲的有效性。當食品供應鏈中產生新的交易信息，區塊內的信息狀態發生轉移時，如何防止信息泄露、惡意攔截，保障數據安全性和保密性？區塊鏈中的數字簽名能夠有效解決這一問題，其最重要最核心的關鍵在于公鑰和私鑰的應用。由于私鑰密鑰只有交易雙方知道，極大地保障交易雙方的隱私。在后續監管過程中，政府相關的部門若想要追溯食品問題責任方或者進行抽樣檢查時，只需要擁有與公鑰（或私鑰）加密相對應的私鑰（或公鑰）完成解密，就可以得到進一步查看數據的權限，但是監管者也無權對內容進行修改，這就保證監管者能夠有效追溯到責任人的同時避免出現腐敗徇私，篡改制造虛假數據的現象[15]。

食品供應鏈中的數據塊內容并非隨意生成，產生一個新的區塊時，需要利用共識機制共同進行決斷，只有當大部分節點都認可新加入的數據內容，這一數據的真實性和有效性得到確認，此時才可以將其相關信息寫入食品供應鏈中，信息一旦被寫入不允許再次進行修改，它將會根據時間戳記錄的創建時間按照時間順序永久存儲在區塊鏈中。由于新區塊的產生由各個節點共同決定，起到一定的監督作用，有效保證數據的真實性。將區塊鏈加密算法和共識機制進行有效結合，創建可信任可追溯的食品供應鏈，是保證食品安全的有效方法和手段，從而保證追溯信息的真實性、不可篡改性和數據之間傳遞的安全保密性。

3.3 基于區塊鏈智能合約的食品溯源監管

食品供應鏈涉及多方間的交易，食品從原材料生產方、加工廠商、供應商、監管檢測、批發零售最終到消費者手中需要多個環節，充分利用區塊鏈中的智能合約技術能夠有效規范各個環節的交易過程。食品溯源的基本流程簡單來說就是交易中的賣方將公司相關信息及交易信息上傳并存儲至區塊鏈中，買方可以通過自主查詢獲得食品各個交易過程和交易主體的詳細信息。

以參與食品加工的某廠商為例，食品商公布注冊信息，信息包括廠商名稱、經營責任人、經營許可、公司地址等內容，區塊鏈中的其他節點接收到這些消息后先將其放到緩存區，接下來執行智能合約。此時智能合約中涉及的內容大致為檢測注冊人提供的信息是否來自本人，是否存在盜用冒用身份的行為，以保證后續食品質量出現問題能夠精準追溯到相關責任方，同時使交易中的買方能夠詳細了解食品相關廠商的詳細信息，判斷廠商食品安全質量是否值得信任，決定是否購買。消息滿足智能合約中的條件時，就將廠商的信息打包在區塊中等待共識，否則將刪除所有信息。按照上述基本過程，將食品各個環節鏈成供應鏈，其中智能合約部分根據交易類型和協定的不同，內容也會有所不同[19]。

基于區塊鏈智能合約的食品溯源通過代碼自動執行，無需人工介入進行干預，大幅提升食品信息作假的成本，在交易過程中，一旦有違約違規行為，智能合約會自動進入懲罰機制，同時若后續過程中出現食品質量安全問題，相關政府部門可以直接通過這條供應鏈查詢詳細的交易信息，直接找到企業法人追究責任，智能合約對于食品溯源的監管起著至關重要的作用。

4 基于區塊鏈技術的食品溯源的不足及發展

中國的區塊鏈技術仍處于發展的初級階段，仍存在一些不足。區塊鏈技術雖然一定程度上解決了溯源追責，數據公開透明的問題，但還是無法從根本上解決數據偽造的問題。這一問題產生的原因就在于，若要追溯某一食品的源頭信息，大多是通過人工錄入至區塊鏈進行存儲，既然是人工錄入就難免會出現出于某種利益而進行數據造假的行為。為解決這一問題，相關學者嘗試將區塊鏈技術與物聯網技術相結合，在食品供應鏈的各個環節采用自動采集數據的方法，不僅有效解決人工成本問題，還能有效避免數據造假，為數據的真實性提供保障。

信息溯源技術依賴的查看形式及防偽形式多依賴于條形碼、二維碼等形式，這些圖形的外露一定程度上會造成有不法分子將其他商品的二維碼、條形碼等查詢信息復制轉嫁到另一種商品上。針對這一問題的解決方法是將包含信息溯源的內容放置于商品內部，如一些廠商會將查詢碼上置一層涂層，只有刮開涂層才能進行掃碼查詢。

區塊鏈技術的不可篡改性帶來諸多便利的同時也存在其自身風險。一旦出現上傳虛假數據到區塊鏈中，不僅會對消費者產生誤導，為糾正虛假數據，其存在的區塊鏈需要整體更新，從而影響工作效率。同時，區塊鏈本身所具有的不可篡改性對后續系統的開發和維護等也是艱巨挑戰。

區塊鏈網絡之間的互聯互通問題尚未得到有效解決，由于底層技術的差異，跨鏈協作的難度比較大，由此可見要想擁有更加完善便捷的食品溯源體系，需要各領域學者繼續進行深入研究[20]。

5 結語與展望

區塊鏈技術與食品安全問題均得到國家的高度重視，將區塊鏈技術應用在食品安全信息溯源中，利用區塊鏈中去中心化、不可篡改、公開透明、可完整追溯等特性，從技術上真正實現食品安全信息的全程追溯，保證整個溯源鏈上所有數據真實、安全、透明和完整。區塊鏈與食品溯源的結合成為一個熱點，后續可結合食品供應鏈本身的特點，充分利用物聯網技術，建設智能的食品安全追溯體系[21]。