基于區塊鏈技術的農產品深度溯源系統建設思考和設計方案

卞立平， 孫愛東， 孫曉明， 劉賢金

(江蘇省農業科學院農產品質量安全與營養研究所，江蘇 南京 210014)

當前行業內常用的溯源方法和技術，大部分僅限于讀取單段農產品生產加工流通過程中存儲進數據庫的信息數據，并以此完成一個過程溯源查詢請求。該溯源方法原理，既無法進行對供應鏈上涉及多企業的多級產出、投入品的多級溯源檢索，也不能實現高效讀取追溯信息。其方法存在三方面風險：①為某些蓄意造假的企業留下了替換與篡改質量安全信息數據的隱性漏洞；②難以實現真正的全程追溯示蹤，大部分情況下會遺缺部分溯源信息；③因信息不對稱，監管部門較難評判質量問題發生在哪一個具體環節[1]。

伴隨區塊鏈有關技術的不斷發展，基于聯盟鏈的可信完整供應鏈全環節、全過程、多級關聯溯源，為監管部門和消費者全方位監督農產品的質量安全提供了可能性。本文所述產品深度溯源系統將對現行溯源方法、技術和系統所能達到的追溯能力進行升級，實現對全供應鏈進行真實可信、全面完整、安全高效的多級深度追溯，服務終端市場和監管部門。因此，對本系統的設計研究，主要所需解決的技術問題是提供一種高效智能的基于節點關聯度的哈希匹配檢索的實現方法，解決現有技術的弱點，如低效率運作、無法智能多級深度追溯等。

1 區塊鏈技術

1.1 聯盟鏈技術

聯盟鏈和公鏈是當前區塊鏈技術發展的兩大方向，兩者最大的差異在于是否存在“準入機制”，即針對訪問權限的管理機制。因為聯盟鏈存在“準入機制”，并非任意個人或組織都能加入，同時，數據只在聯盟鏈內部公開和共享。而公鏈，則是完全公開，沒有準入門檻，所有個人或組織都能加入，且數據是對所有人公開的[2]。

聯盟鏈和公鏈在技術方面的異同點見表1。整體來說，除了與公鏈一樣具備區塊鏈標志性的分布式賬本、共識算法、防篡改等技術能力之外，聯盟鏈還重點實現了對實名制準入機制的嚴格管理[3]，將數據的互聯互通限制在指定的可信范圍內。相對于公鏈節點過多而造成的多節點同步效率低下、區塊鏈性能整體偏低的問題，聯盟鏈具有較少節點，可以快速實現信息同步，大大提高業務性能。基于這些聯盟鏈所具備的優勢，越來越多的國內外企業機構在選擇過程中，選擇了聯盟鏈技術而非公鏈技術，比如沃爾瑪、雀巢、都樂和黃金食品使用的IBM食品溯源鏈，以及用于有機食品溯源和防偽的中興云鏈[4-5]。

表1 聯盟鏈和公鏈異同點比較

1.2 數字簽名和數字證書

數字簽名是一串不可偽造的字符串，僅當發送方發出數據時才能生成，既具備不可抵賴性，還能夠驗證數據完整性，是確認發送方身份是否真實的有效憑據。區塊鏈上的數字簽名是基于非對稱加密算法和哈希算法的融合應用[6]，簽名時使用私鑰，驗證簽名時用公鑰。目前，使用最為廣泛的數字簽名為公鑰數字簽名。

數字證書則用來證明某個公鑰屬于誰，內容是否正確。數字證書是由證書認證機構CA來簽發的，作用就像一本真實的證書，可以證明信息真實性和合法性。數字證書內容信息包括證書序列號、版本號、簽名算法類型、簽發方信息、證書有效期、被簽發人、公開密鑰、CA數字簽名等，其中，最重要的是公開密鑰和CA數字簽名2個信息，因其可證明某一公鑰的合法性。

1.3 區塊時間戳

區塊鏈領域的“時間戳”是一個專有名詞，它能記錄區塊鏈任意時間內的交易記錄和交易值。(說明：此處所說的區塊“交易”，指在區塊中寫入信息后將區塊上鏈，包括但并不限于金融交易)。時間戳本質具有時序性，從而使鏈上的區塊也具有了時序性。時間戳是區塊交易中的必要信息之一，它由第一個節點計算出新區塊高度時就立刻標記時間戳，由該節點向全鏈節點廣播這個區塊高度及加蓋的時間戳。可以說，時間戳證明了交易數據在此刻已經存在。因時間具有唯一性，因此每筆加蓋時間戳的區塊交易都具有唯一性，使整個區塊鏈分布式網絡能夠確定地驗證某個區塊交易的真實性。

1.4 鏈上數據檢索

以聯盟鏈架構Hypeiledger Fabric為例，其賬本數據庫以文件系統為基礎，且實際區塊數據存儲在文件塊中，使用LevelDB[7](一種高效的key-value數據庫)用于存儲區塊交易的定位索引，即對應的文件塊與其偏移，此設計加快了定位索引的速度。索引的內容為文件位置指針。單個指針由3部分構成，分別是文件編號、文件內偏移量和區塊所占用字節數。但該技術方案目前僅支持用區塊編號、區塊哈希、交易ID等有限字段進行檢索。

2 系統設計方案

2.1 系統功能模塊設計

基于團隊現有技術研究成果和實踐應用結果[8-9]，本文所述的農產品深度溯源系統包含如下主要功能模塊，即：聯盟鏈成員管理、企業數據記錄及管理、數據上鏈加密、多級關聯檢索與驗證。產品深度溯源系統技術方案流程如圖1所示。

圖1 產品深度溯源系統技術方案流程圖Fig.1 Technical flow chart of product traceability system

“聯盟鏈成員管理”模塊，對聯盟鏈上節點(即現實中的成員機構)進行授權與管理，同時對聯盟鏈上節點的屬性進行定義，為后續提取、計算節點關聯度，實現數據定向共享和關聯檢索提供前提條件。

“企業數據記錄及管理”模塊，提供各類可溯源數據的錄入與管理功能，且該模塊不一定存在于鏈上，可在獨立的應用平臺上通過接口將數據接入到區塊鏈中。

“數據上鏈加密”模塊，將聯盟鏈成員希望在鏈內共享可見的產品信息基于共識算法打包上鏈并創造加密區塊，同時，向指定類型屬性的節點簽發數字證書，通過數字證書的認證可獲取加密上鏈的信息數據。

在“多級關聯檢索與驗證”模塊中著重體現了本系統的核心技術和與其他相似功能系統的區別度。在該模塊中，可實現相關數據的多級高效關聯檢索和哈希值快速匹配驗證功能。原理為：通過對產品溯源記錄的哈希值所匹配到的區塊進行基礎信息解析，得到該區塊所對應的唯一CORE節點和屬性有關的RELATED節點的歷史溯源數據記檔表，并以區塊形成時刻排序，組成待哈希匹配、驗證的區塊池，用于檢索下一級的相關投入品/產出品的溯源信息。

2.2 聯盟鏈成員管理

“聯盟鏈成員管理”模塊的功能通過“聯盟鏈管理平臺”實現。該平臺可對聯盟鏈中的成員機構節點進行管理，包括：①當一個聯盟成員加入聯盟鏈后，在聯盟鏈中創建具有對應機構主體信息節點，并標記其屬性信息，如農產品生產企業、監管單位、原材料投入品供應商等。②經鏈上管理者審核節點信息和屬性信息的正確性，激活節點可用狀態。③由鏈上管理者設置該節點的權重等級。④基于權重等級和節點屬性，聯盟鏈將自動地為該節點授權相應功能權限。

2.3 企業數據記錄及管理

“企業數據記錄及管理”模塊的功能通過“企業應用端”實現。企業在應用端需按照如下順序依次錄入數據：①企業主體與往來企業數據、員工數據、基礎設施(地塊、倉庫、操作間等)數據、物聯網相關數據；②投入品數據、產出品數據、生產加工標準數據、生產加工項目數據、檢測報告數據、倉儲物流數據、銷售數據、供應鏈流通數據、財務數據。最后，系統將根據以上相關信息數據生成可追溯的產品對象與對應的溯源二維碼。

2.4 數據上鏈與加密

2.5 基于節點關聯度的哈希匹配檢索驗證

“多級關聯檢索與驗證”模塊涉及3個操作端，分別為“企業應用端”、“深度溯源消費者查詢端”、“溯源監管平臺”。多級關聯檢索與驗證模塊的技術方案如圖2所示，原理如下：

①基于節點關聯度的哈希匹配檢索驗證，分步驟為：i)檢索第一級溯源信息的哈希值所匹配的目標區塊。一級溯源信息是指首次查詢的起始追溯信息，次級溯源信息是指第2次、第3次……直至第N次查詢的關聯追溯信息。ii)找到步驟i)中成功匹配驗證的目標區塊對應的節點，作為CORE節點。iii)通過CORE節點的節點屬性找到它所有的RELATED節點。假設CORE節點X是A產品的批發商，那么X的RELATED節點包括A產品的生產商Y和零售商Z、A產品的投入品原料的生產商W等。CORE節點的屬性包含節點之間的供應關系、生產關系的相關程度。比如，與零售商這一屬性相關度最高的是批發商，而不是生產商；與原料供應商這一屬性相關度最高的則為生產商，而非零售商。聯盟鏈根據上述節點屬性相關緊密度來計算節點間的關聯度。iv)新區塊誕生必定同時形成一個時間戳，每個節點上生成的所有具有上鏈溯源信息的區塊，其哈希值按自然時序從近到遠排列，即組成歷史溯源數據記檔表。同理可得一個CORE節點的全部RELATED節點的歷史溯源數據記檔表集合。v)基于交易合約的時間先后，排序歷史溯源數據記檔表，以此形成待匹配上鏈溯源信息哈希值的區塊池。vi)用戶發起對下一級的相關投入品/產出品溯源信息查詢時，將在步驟v)中形成的區塊池中，尋找匹配某一哈希值(僅當查詢的哈希值等于原記錄數據的哈希值，視為匹配成功，反之則為匹配失敗)，并得到驗證結果。下一級的相關投入品/產出品的溯源信息是指第2級及以后關聯檢索到的相關產品，比如第1級檢索的產品是甲，第2級檢索甲的投入品乙，第3級檢索乙的投入品丙……以此類推，直至用戶無須查詢再下一級原料或投入品，則檢索過程終止。

圖2 多級關聯檢索技術原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-level association retrieval technology

②每當完整地完成一次有最終匹配驗證結果的溯源查詢，就實現溯源碼讀碼統計累加值刷新，且該溯源碼的被讀碼記錄將實時更新。

③每當完整地完成一次有最終匹配驗證結果的溯源查詢，就創建一條追溯查詢記錄，并向溯源監管平臺推送這條數據。這里所說的溯源查詢記錄，是指用戶完成一次溯源查詢所得數據記錄，該記錄至少包括查詢時間、查詢者IP、所查詢的多級對象及其對應的相關溯源信息等關鍵部分。

基于上述節點關聯度實現的多級關聯檢索技術，相比于常規僅通過區塊鏈哈希匹配進行檢索或基于關系型數據庫進行檢索的方案，具有較明顯的優勢，具體特點分析與優劣度對比如表2所示。

表2 基于節點關聯度的哈希匹配檢索和普通多級驗證檢索對比

3 系統應用實施方案與結果分析

3.1 實施方案舉例說明

假設現有農業投入品公司A、農產品生產經營公司B、監管單位C 3家主體通過本系統進行管理，具體實施方案如下：

首先，3家主體向聯盟鏈平臺提交入鏈申請，提供包括主體基本信息和主體屬性(如原材料投入品供應商、農產品生產企業、監管單位)等在內的信息。系統以自動和人工2種方式對上述信息進行審核，一旦審核通過，聯盟鏈平臺將自動為相關主體創建賬戶并激活，并向其頒發唯一數字證書，同時設定其在鏈內的治理權重等級，授權相應的功能權限。

日常生產經營過程中，公司A和B利用企業應用端，分別錄入各自的企業內部管理數據并申請上鏈。申請上鏈的數據須具備以下記號標簽：數據傳輸頭節點屬性、尾節點屬性、數據類型、數據摘要、數據采集方、數據采集時間。聯盟鏈基于共識算法生成上鏈數據訪問請求，并將其通過哈希加密算法加密為非明文字符串類型數據。

假設公司A的產品被公司B作為生產投入品原料，那么系統將自動對該產品進行鏈上標記，使公司A與公司B都擁有該原料的數據查詢權，但具體查詢范圍和深度由數據所有者公司A進行設置。原料一旦進入公司B進行投入生產，則后續產生的相關數據都將歸公司B所有。

由于公司A和公司B的相關數據均已上鏈，不可篡改，監管單位C在對公司A或公司B進行監管時，可在鏈上提交針對被監管主體相關數據進行查詢的請求申請。系統會對監管單位和被監管主體進行身份核實，校驗通過后將從鏈上摘取可供監管單位C訪問的公司A或公司B具體業務數據，并自動生成相應的報表或溯源信息，通過監管查詢專用的API返回。

公司B的農產品在市場銷售過程中，消費者也可以通過本系統查詢產品的相關信息。該功能由本聯盟鏈的公共查詢API提供，入口是該產品的可追溯二維碼，消費者只需通過微信掃碼即可訪問。消費者在查詢產品信息過程中，若希望進一步查看相關的投入品或原料信息，則需要由公司A和公司B在系統中分別對原料數據進行授權(該授權操作可在產品銷售流通前完成)。其中公司B可對原料的采購、物流等數據進行授權，公司A可對原料的生產、加工、銷售等數據進行授權。通過授權的數據將由系統進行組裝后通過API返回給消費者，實現產品的深度追溯。

每當系統處理完一次有最終匹配驗證結果的溯源查詢請求，都會對該溯源碼進行查詢檔案的記錄并實時統計更新。公司A、B能夠在企業應用端分別獲知各自產品溯源碼查詢的綜合情況分析。監管單位C和消費者可分別在溯源監管平臺和溯源消費者端查看各自用戶授權范圍內的溯源查詢記錄數據。

3.2 實際應用結果分析

基于上述實施方案，本系統已在江陰市省級現代農業產業園、江蘇省蘇農科技術轉移中心有限公司等相關主體中進行了應用。現分別從系統性能指標、系統功能應用情況兩方面進行總結與分析。

3.2.1 系統性能指標 在應用過程中，本系統體現出良好的穩定性、可靠性和用戶體驗，能夠較好地滿足農業生產管理場景的應用(表3)。

表3 區塊鏈系統性能測試結果

3.2.2 系統功能應用情況 以江陰市省級現代農業園區的實際應用為例，其生產經營主體為華西都市農業有限公司，通過應用本系統，該公司進貨貯存管理、田塊管理、農產品質量安全過程管理、物流銷售管理等核心業務全部實現了數字化轉型，有效提高了企業的生產管理效率。公司在不增加管理人員的情況下，生產面積較應用系統前翻了1倍，產量由6 375 kg/hm2提升到7 500 kg/hm2，平均管理成本由1 hm26 000元降低到1 hm24 725元，公司經濟效益得到了顯著提升。尤其針對華西系列品牌大米產品，公司通過本系統實現了稻米全生命周期管理與追溯的從無到有，且相對市場上其他常見的追溯系統，數據可信度更高，品牌科技含量更高，因此華西稻米產品的市場認可度也得到了一定的提升。

4 結 語

綜上所述，本文所述的基于聯盟鏈和相關區塊鏈技術的農產品深度溯源系統，核心是通過基于節點關聯度的哈希匹配檢索技術來實現對追溯信息的檢索，并且能夠在鏈上實現加密共享、高速檢索追溯數據。該系統能普遍適用于現代智慧農業信息化管理體系、農產品全供應鏈大數據共享與監管治理體系[10]。其實際應用成本不高，維護管理方式簡易，且有顯著的功能性優勢與開放性的拓展開發前景。相較于目前常見溯源技術和系統，本系統主要優勢總結如下：①聯盟鏈上讀、寫、存的任何機構的重要業務數據都是可信加密、高度安全的，譬如：產品成交價、合同編號、交易者詳細信息等。這些數據僅限在聯盟鏈內成員之間共享，不易被他人通過溯源監管平臺或消費者查詢端發起的網絡安全攻擊等而盜得重要數據。②監管單位和消費者能夠利用溯源碼查詢，輕松獲取到公開的農產品溯源數據信息，并實現高效的多級關聯追溯查詢。而現有的其他溯源技術，還不能夠達到具有智能化多級深度溯源的能力，僅僅只能實現在溯源信息頁面之間逐層跳轉的手動操作。③因溯源信息上鏈存證而具有權威公信力，一旦發生質量安全事件，可快速追溯定位問題環節，該環節無法篡改歷史數據，只能接受懲處并進行整改。該系統的應用可以有效提升區域范圍內農產品安全合規生產水平，形成誠信經營的社會風氣。

同時我們也意識到，未來可繼續在以下技術方面升級與優化該系統[11]：①進一步優化數據上鏈記號標簽的數據結構和響應檢索算法，持續提高單次溯源信息檢索的速度和準確率，不斷升級多級關聯追溯查詢的綜合效率。②溯源數據獲取終端逐步升級過渡到物聯網設備，以自動獲取數據上鏈逐漸代替手工錄入數據，增加溯源信息的真實性和可信度。③進一步提升聯盟鏈共識機制和節點治理權限，提高節點上傳溯源數據的頻率。