基于區塊鏈的農資交易溯源系統的設計研究

黃系盟 趙應丁 李求德

摘要 農資作為農業生產中重要的補給品，其交易信任問題一直以來都受到社會的關注。為了確保農資質量合格，需要對農資供應鏈信息進行溯源管理。利用區塊鏈技術，分析了農資供應鏈各環節需求，搭建了一套農資交易可信品控溯源系統。最后，通過試驗表明單位上鏈時間并不隨溯源數據規模變大而變大，說明區塊鏈在溯源系統上的應用具有安全性和穩定性。

關鍵詞 質量溯源;區塊鏈;去中心化;分布式存儲

中圖分類號 TP 399? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）08-0227-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.08.060

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design and Research of Agricultural Materials Transaction Traceability System Based on Blockchain

HUANG Xi-meng 1，2，ZHAO Ying-ding 1，2，LI Qiu-de 1，2 （1.School of Software，Jiangxi Agricultural University，Nanchang，Jiangxi 330044;2.Key Laboratory of Agricultural Information Technology of Colleges and Universities in Jiangxi Province，Nanchang，Jiangxi 330044）

Abstract As an important supplement in agricultural production，the transaction trust of agricultural means has always been concerned by the society.In order to ensure the quality of agricultural means，it is necessary to carry out traceability management of agricultural means supply chain information.We used blockchain technology to analyze the demand of each link in the supply chain of agricultural means，and built a set of trusted quality control traceability system of agricultural means transaction.Finally，the experiment showed that the unit time on the chain did not increase with the size of traceability data，which showed that the blockchain had security and stability.

Key words Quality traceability;Blockchain;Decentralization;Distributed storage

農資是農業生產中重要的投入品和補給品，其質量是發展現代農業的基礎和前提，是農業生產作業的重要組成部分，歷來受到國家的高度重視。近年來，國內農資質量安全問題事件屢屢發生，這引起了社會和人民較大的關注 [1]。農民從事生產作業時，無法保證自己購買的種子和農藥等生產資料是否合格，因此解決農資交易信任問題是一項非常重要的任務。

一般來說，現在可以使用溯源系統平臺將農資產品的數據上傳至云端，通過給消費者提供溯源服務來查詢產品來源，以此來解決交易信任危機 [2] 。區塊鏈具有不可篡改、去中心化、公開透明等特性，是當前最適合存儲這種數據的存儲方法。最近幾年，很多國內外的學者在信息技術、物聯網、區塊鏈等技術上對溯源系統進行相關研究并取得了一些成果。2013年黃慶等 [3]通過對物聯網相關技術及網絡體系架構的分析，展示了其在農資產品溯源服務系統上的應用可實現對農資產品的溯源防偽。2017年鄭開濤等 [4]提出了基于時空追溯碼的農產品質量安全溯源多邊平臺，并對該平臺進行了總體設計以提高農產品追溯效率。2020年吳曉彤 [5]針對傳統溯源系統一般是以中心數據庫為基礎的溯源模式出現的信任問題，提出基于區塊鏈的農產品溯源系統。對于最近幾年剛提出的比較多的基于區塊鏈的農產品溯源系統，同樣可適用于農資供應鏈上。鑒于此，筆者在分析傳統農資溯源系統的基礎上，針對農資溯源系統存在的問題，提出利用區塊鏈的去中心化等特性，將農資溯源信息存儲在各個節點上，來解決溯源信息安全性問題，使用Fabric框架實現了基于區塊鏈農資交易溯源系統，該系統實現了農資溯源信息的安全性。

1 農資溯源研究分析

1.1 農資的概念 農資指的是農業生產過程中所用到的物質資料，比如農藥、種子、農膜、農機等，它所覆蓋的范圍比較廣泛 [6]。

1.2 農資溯源的必要性

農資作為農業生產必不可少的生產資料，與“三農”服務也有千絲萬縷的關系 [7]。溯源往往是為了使得消費者農資溯源為產品質量進行可信背書，消除了消費者對產品安全的顧慮，對生產商建立足夠的信任。最近國內農資產品假冒問題屢屢發生，使得農資產業鏈出現信任危機，如何解決消費者和生產商的信任問題、重新建立行業信任體系，是當前我們需要去解決的事情。

1.3 傳統農資溯源現狀及問題分析

縱觀國內溯源平臺，目前運行的農資溯源系統較多，以2017年上線的“中國農資質量追溯平臺”為例，它結合物聯網、標識技術，率先在我國農資行業中建立全國統一的農資質量追溯平臺 [8]。通過該平臺，消費者可以刪除查詢農資信息;生產者可以對農資產品流通環節和出入庫環節進行管理;農資流通企業可以獲得產業環節的數據;監管部門可以通過該平臺進行監督管理。其他的農資質量溯源系統都大同小異，使得我國農資質量安全追溯體系快速發展。但是這些農資溯源系統仍然有很多不足，比如數據安全問題、運營成本過大。

1.4 區塊鏈技術在農資質量安全追溯體系的應用

由于區塊鏈具有很多傳統技術不具備的特征，比如不可篡改、去中心化等，考慮到傳統農資質量追溯系統的一些不足，區塊鏈可以給它帶來一些針對性的解決方案。首先是去中心化，傳統的農資溯源系統一般是接入云服務器，它具有強大的運行和存儲能力，錄入的數據量不是很巨大時，云服務器能夠處理。但是當數據量越來越大時，中心服務器的處理能力有限，很有可能會死機或者崩潰，計算難以進行存儲和運行。另外，中心化的服務器設備運營成本比較高 [9]。

2 相關技術

2.1 區塊鏈概述

區塊鏈從狹義上來說是一種鏈式存儲結構，由一個一個區塊連接而成，區塊結構如圖1所示，區塊分為區塊頭和區塊體，區塊頭包含版本號、前一區塊的哈希、時間戳、隨機數、目標哈希、merkle根，區塊體保存了交易記錄，是以Merkle樹的方式存儲，Merkle根存儲了所有交易記錄的哈希值，它存在區塊頭上 [10]。

廣義上區塊鏈是一種分布式存儲的方式，它具有去中心化、不可篡改、不可逆、匿名等特性，所以這種概念廣泛應用于金融、計算機等行業，比如比特幣、以太坊等電子貨幣、分布式節點儲存。另外，區塊鏈有私有鏈、聯盟鏈和公有鏈3種，私有鏈相當于由一個公司組成，仍然不存在中心節點，該公司不同節點由會計核心控制。公有鏈向全網公開，節點數量不限，他們按照激勵機制相互競爭，為的是獲取記賬權。聯盟鏈就是幾個公司組成一個聯盟（通道），節點們通過共識算法來達成一致，并廣播同步消息 [11]。

2.2 區塊鏈關鍵技術

2.2.1 智能合約。智能合約，顧名思義就是一種契約，它通過信息化的方式驗證，執行計算機合同。當人們規定好了規則之后，機器就自動執行，這樣就不容易出現異常或者作惡 [12]。區塊鏈中的公開透明性質是智能合約賦予的，不可篡改性質是共識算法賦予的 [13]。

智能合約將區塊鏈應用在項目中，從而將數據庫和現實連接起來。智能合約運行在區塊鏈上面，可以在滿足條件的情況下被觸發。智能合約解決了不同系統之間的標準不一致的問題 [14]。智能合約在很多地方都在應用，比如電子商務、供應鏈優化等場景。在農資溯源系統里，智能合約充當了合同的作用，當觸發合同條件時，它會自動執行程序代碼。

2.2.2 分布式存儲。分布式存儲的定義是將數據分散的存儲在網絡上，各個節點通過網絡相連，然后對這些節點資源進行統一的管理，對外作為一個整體提供存儲服務 [15]。區塊鏈的分布式存儲打破了傳統溯源系統數據存儲中心化的局面，使信息分布式存儲在多節點上，節點上的信息保存都比較完整，既增強了產業鏈各環節的信息互通性，也使得其去中心化、透明性、可溯源性和防篡改性的特點與農資溯源領域極為契合 [16]。

2.2.3 共識機制。區塊鏈中共識機制主要有4種類型：①PoW工作量證明。PoW是第一個共識算法，是由中本聰首次提出來的，能解決“雙花攻擊”問題。它是通過計算獲得隨機數，之后就擁有賬本的記賬權，并向其他節點廣播賬本信息，驗證后在將賬本復制下來。賬本有一個評價指標，每個賬本加入一個隨機元素使得難度變化，確保時間內只有一個節點有權利記賬。比特幣中，節點算力越大，獲得記賬權的可能性越大 [17]。②POS權益證明。主要是為了爭奪記賬權，確保節點賬本一致。POS有個比較明顯的缺點，就是節點在拼算力的過程中十分消耗資源，導致大量的資源浪費。POS就完美彌補了這樣的問題，它是按照持幣的數量來決定記賬的權力 [18]。③DPOS委托權益證明。通過特殊加密算法使得節點之間記賬， DPOS算法被證明能符合區塊鏈的性能要求。DPOS機制將每個幣視為一張選舉票，幣的擁有者根據其持有的數量，投票給自己信任的委托人 [19]。系統根據得票多少選出受托人。受托人的工作就是簽署區塊，且在每個區塊被簽署前，檢驗前一個區塊的真偽。幣的持有者將權益交給受托人，受托人也可以專心從事記賬工作。

2.3 農資溯源服務相關技術

農資產品溯源服務技術包含眾多，最終的目的就是農資產品的溯源信息，比如源頭、運輸、銷售、使用等進行查詢，可以利用先進的技術，使用很多種方式，如二維碼、RFID、激光碼等對農資產品錄入信息，對農資產品進行跟蹤，實現產品全周期管理。農資供應鏈環節有生產、倉儲、分銷、運輸、監督及消費 [20]。

傳統農資溯源使用了一些方法技術來確保信息的安全性：①防偽號碼，產品的真偽可以使用涂層材料來追溯，不過這種方法的追溯能力不夠強，無法查詢產品的運輸和更換信息。②條形碼 [21-24]，這是一種比較常見的可追溯性服務技術。產品表面印有數字和條形碼，形成生產時間、生產批號、生產許可證、國家藥品許可證等，但仍存在易被仿制的缺陷。二維碼，使用農產品，用戶可以通過掃描產品外觀上打印的二維碼來獲取信息。③射頻識別技術，與跟蹤器或記錄儀類似，農資產品進出倉時能自動讀取和采集信息 [25-27]。

以上技術的優勢是：①近距離非接觸識讀，范圍為十幾厘米到幾十米。②可以對抗比較惡劣的環境。③安全性比較強。④可以識別高速運動的物體。但是，缺點是這樣的溯源方法成本比較高。

3 系統設計方案

該系統的目的是解決農資供應鏈數據安全、信任的問題，該研究提出的框架和解決方案將專注于在聯盟鏈平臺上自動執行的智能合約。智能合約將由通道中的幾個節點進行執行，并由所有節點商定執行結果。另外，節點是區塊鏈網絡的組成部分，它可以是收集、驗證和執行事件的計算機器。該框架由所有節點商定執行結果。值得注意的是，挖掘節點是區塊鏈網絡的組成部分。節點可以是任何收集、驗證和執行事務的計算機器。節點還將這些事務的數據和結果存儲在1個賬本中，該賬本由所有節點復制和同步。在某種程度上，節點具有與所有其他節點完全相同的副本。區塊鏈中，智能合約通過函數調用來接收交易，還將觸發事件，可以在違規發生時進行監控、跟蹤并進行警報。在所示這種情況下，解決方案特別關注農資供應鏈。參與實體包括生產商、運輸商、分銷商、零售商和最終客戶。

3.1 系統環節設計 由圖2可知，農資溯源供應鏈與農產品相類似，分為生產、流通、銷售等環節，各環節相互協作可以保證溯源高效完成。該研究針對農資溯源供應鏈的需求，對各環節的應用進行了設計。

3.1.1 生產環節。主要節點是農資生產企業。節點輸入產品信息并將信息上傳到區塊鏈上，由此構成創世區塊。經過監管者審批之后在進行標記，生成獨一無二的碼。各節點通過共識算法進行賬本信息的廣播和同步。

3.1.2 流通環節。主要節點是相關物流公司。接受了產品信息之后通過數字簽名進行驗證，通過驗證后節點錄入物流信息并上鏈，最后打上二維標識碼，實現一物一碼。

3.1.3 銷售環節。主要節點是農資批發商、農資零售店。農資產品運輸到各個地方，需要添加當前地方批發商或者零售店信息并進行上鏈，經過監管部門把關合格之后再打上標記。

3.1.4 監管者。主要節點是民地管理部門和市場監督部門。負責監管上述環節，審查合格后以數字簽名方式檢查各環節是否合格。

3.2 參與實體 每個參與實體都具有與智能合約的角色、關聯和交互。共有3個參與實體，其作用概述如下：

3.2.1 生產商。農資生產公司是一個生產、流通、服務為一體的專業經營化肥、農藥、種子、農機具等的大型企業集團。生產大量的農資產品，其中化肥業務主要為生產、銷售各類氮肥、鉀肥、磷肥、復合肥、有機肥及新型肥料;農藥業務主要產品線為殺蟲劑、殺菌劑、除草劑和微肥等;種子業務為生產流通糧食作物種子、瓜菜類作物種子、經濟作物種子等。

3.2.2 運輸商。農資運輸商一般是由物流公司負責，具有運輸農資產品的功能的從事客貨運輸生產服務的企業集團。物流公司根據不同的客戶需求采取不同的運輸途徑，比如客運、火車和飛機，并將貨物的運輸信息記錄下來，以便上傳到區塊鏈之中，方便消費者之后進行溯源。

3.2.3 銷售商。銷售商是指在能進行銷售和服務的單位，有多層結構，可以分出二級經銷商、一級經銷商等，最終目的是為了獲得經營利潤。

結合傳統農資溯源技術和區塊鏈技術的特點，該研究設計了基于區塊鏈的農資溯源系統模型，各節點單元為農資生產企業、農民生產企業、農資批發公司和監管部門，市場監督部門記錄與產品相關的信息，將驗證過的溯源信息數據最終上傳至區塊鏈上，并廣播和同步至各個節點。

3.3 系統架構與模型

總體架構分為4層：用戶層、系統層、存儲層、智能合約層。由圖3可知，智能合約層定義了一些事件流程，比如數據操作、資金周轉、安全預警，當條件足夠的時候會觸發合約并執行，這些合約都是根據商業合同來進行編寫的。存儲層主要是使用分布式的方式將數據上傳到區塊之中進行存儲，數據記錄在默克爾樹中進行哈希求值之后，另外再蓋上時間戳，區塊便開始產生。在聯盟鏈里，只有部分節點才能進行訪問，而公有鏈里所有節點都有權訪問。存儲層有2個部分，一般數據可以存儲在數據庫之中，重要的溯源信息則使用分布式存儲在區塊鏈里。這種方式既節省了空間，又確保了安全性。系統層使用的是傳統農資溯源系統的框架模式，功能模塊有企業管理、政府監督、和用戶的相關服務等，面向的是用戶和管理層還有監管者。用戶層主要是方便消費者和管理者進行可視化操作，使該系統更加實用。

該模型中，結合了區塊鏈技術和加密技術，使用分布式存儲和共識算法對農資溯源的安全提供保證。

3.4 展示信息

按照市場的需求，盡量使得信息儲存量最小化，難以篡改的信息和大型文件盡量上傳至鏈，另外要界面簡介，便于瀏覽。

①生產環節的溯源信息。公司全稱、商品全稱、商品等級的信息、生產許可信息、質量檢驗信息、終端廠商地點、廠商內部終端生產線的定位、終端生產的時間、廠商指導價、聯系人的姓名、聯系人的電話等信息。②流通環節的溯源信息。各級銷售商的全稱、聯系人的姓名、電話、交貨時間、交貨地址;售后服務商的全稱、聯系人的姓名、電話、地址。③商品的假冒信息。商品的“一物一碼”二維碼、其他防偽信息。④污染性的商品廢棄處置信息。是否為需要回收處置的污染性商品、污染性商品的回收處置方式、污染性商品的回收處置情況。⑤用戶反饋的信息。商品質量評價、使用效果評價、用戶采購價格、投訴記錄、其他必要信息。

4 系統測試

4.1 試驗環境 該試驗是在ubuntu 16.04 64位操作系統上進行的，系統配置為CPU&內存1核2GiB。

4.2 試驗過程 該試驗對農資交易溯源上鏈時間進行檢測，從溯源數據上鏈的響應時間來反映溯源系統的穩定性。該試驗以不同的上鏈信息數據規模響應時間為評估要素，檢測溯源數據上鏈的穩定性。

4.3 試驗分析

由圖4可知，頻率上鏈相同，而溯源信息規模不同的情況下隨著溯源信息規模越大，總響應時間不斷增大，但平均時間并沒有很明顯的變化，在3.0 ms以下。由圖5可知，隨著溯源信息規模不斷增大，TPS保持在30上下波動。

通過試驗可以看出，基于區塊鏈的農資交易系統的響應時間在相同的請求頻率下，在不同的溯源信息規模下面比較穩定，說明該系統具有穩定性，上鏈時間是毫秒級別，具有可拓展性。

5 系統實現

基于上述架構和模型，設計并實現了一個基于區塊鏈的農資交易溯源系統，該系統由前臺和后臺2部分組成，是面向農資消費者、生產者、市場監督者的農資可信品控溯源系統。

5.1 環境部署 該系統是在 Ubuntu 操作系統環境下，使用的是Hyperledger Fabric 2.0項目框架和 Docker、Git 等工具，后臺是用go語言進行編寫，前端使用goweb進行編寫。

5.2 系統演示

系統有2個權限賬戶，一個是消費者，另一個是管理員。當消費者點擊單號溯源時，就會跳轉到查找界面，另外消費者可以點擊“關于我們”和“幫助”來了解供應鏈企業信息和使用指南。管理員則可以點擊“農資供應鏈管理”來進行信息管理。供應鏈環節分為3個流程：生產商、運輸商、銷售商，生產企業可以點擊”生產商“進行添加信息功能，物流公司點擊”運輸商“進行運輸信息上鏈，各級分銷商可以點擊”銷售商“進行產品信息管理。消費者使用手機掃描產品包裝上面的二維碼時，就會跳轉到系統的溯源信息界面，得到該產品在供應鏈各環節的溯源信息和人員信息和區塊鏈信息（圖6）。后臺負責顯示區塊鏈區塊數目和hash等相關信息，網絡層后臺界面如圖7所示。

6 結論

區塊鏈技術的去中心化、不可篡改、分布式存儲的天然特性，在農資溯源系統中具有很廣闊前景。該研究分析了傳統農資溯源系統存在的問題，提出了基于區塊鏈的農資溯源系統的概念，對區塊鏈溯源系統模型和系統架構進行了構建和分析，對智能合約進行設計使其滿足農資產業鏈的實際需求，解決了傳統農資溯源系統的信息易被篡改、信息不透明、存儲安全性低等問題。在此基礎上利用 HyperledgerFabric 平臺實現了該區塊鏈系統，該系統比傳統溯源系統具有更高的安全性和可信性，它融合了區塊鏈的特性，但是當前區塊鏈技術并不成熟，上鏈速度和共識效率也有待提高。因此，如何提高區塊鏈系統的性能和共識效率是后續研究中應著重解決的問題。

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