基于智能合約和數字簽名的馬鈴薯種薯防竄溯源研究

孫傳恒 魏玉冉 邢 斌 徐大明 李登奎 張 航

(1.天津農學院計算機與信息工程學院, 天津 300384; 2.國家農業信息化工程技術研究中心, 北京 100097;3.農產品質量安全追溯技術及應用國家工程實驗室, 北京 100097)

0 引言

馬鈴薯在全球重要糧食作物中排名第4位,也是我國主要糧經作物[1]。近年來,我國產業結構調整,使得馬鈴薯產業在國民經濟增長中的占比越來越重,馬鈴薯主糧化戰略已經啟動[2]。但我國馬鈴薯整體生產水平仍然較低,這主要是因為我國種薯質量不高,直接影響了馬鈴薯的最終產量和質量[3]。因此,研究馬鈴薯種薯的生產溯源,通過信息技術提高種薯的產量及質量,對加快我國馬鈴薯產業化、主糧化進程有著重大意義[4]。

我國馬鈴薯種薯生產全環節流程復雜、周期較長、品種繁多,對種薯生產溯源數據進行信息化記錄的技術儲備不健全,導致種薯溯源困難[5]。對此,相關研究人員提出了一些傳統溯源解決方案。文獻[6]采用數據庫、二維碼等技術創建溯源平臺,實現對馬鈴薯種薯全供應鏈的溯源。文獻[7]通過對馬鈴薯進行連續3年的跟蹤監測,建立了基于穩定同位素和礦質元素的馬鈴薯產地溯源模型,并開發了馬鈴薯質量信息識別與產地溯源專家系統。文獻[8]使用射頻識別技術和二維碼技術達到防偽防竄貨目的,對整個供應鏈進行全過程監控。然而,傳統質量溯源通過中心化平臺來進行,生產溯源數據的存儲方式為集中式存儲,溯源數據易被篡改[9]。區塊鏈技術是分布式的網絡架構[10],網絡中的所有節點遵守統一的共識機制,共同維護一個區塊鏈賬本,所有交易操作均會被記錄,篡改某數據非常困難[11]。近年來,隨著區塊鏈技術在農業領域的迅速發展,文獻[12]采用“區塊鏈+數據庫”的雙存儲模式,實現紅茶從茶園到茶桌的全程可信溯源。文獻[13]提出一種高效且低成本運行的方法,利用公有鏈和私有鏈兩套區塊鏈確保溯源數據的真實可靠。文獻[14]設計出基于區塊鏈智能合約的框架,用于記錄農作物生長、流通等數據,旨在消除供應鏈企業間的信息孤島。文獻[15]使用嵌入式控制等物聯網技術與區塊鏈相結合實現防篡改、透明化、可溯源的農產品溯源系統。文獻[16]結合以太坊智能合約和星際文件系統(InterPlanetary file system,IPFS)管理和控制供應鏈生態系統中所有參與者之間的交互和交易,并在大豆供應鏈方面實現了溯源應用。文獻[17]設計出一種基于邊緣計算和區塊鏈的防偽溯源模型,并采用離散波長轉換和遺傳算法來提高系統的安全性,優化系統的性能。文獻[18]提出了“On-Chain+Off-Chain”的農產品質量安全溯源策略,降低鏈上存儲空間壓力的同時實現了農產品供應鏈之間溯源信息的真實可靠。文獻[19]通過智能合約實現果蔬農產品溯源模型,并提出了對稱加密與橢圓曲線混合加密的隱私數據授權訪問方法,實現供應鏈各企業間隱私數據的隔離存儲。根據文獻表明,眾多區塊鏈技術研究人員研究農產品和食品安全溯源相關領域[20-22],實現全食品業和農業生產信息透明化和共享數據精準化[23],從源頭解決食品和農產品質量安全問題是未來的發展趨勢[24]。然而,將區塊鏈技術應用于馬鈴薯種薯的生產溯源方面的研究較少。此外,種薯生產期間的實物形態差異化明顯[25],在生產過程中易出現品種、等級等竄貨問題,將區塊鏈技術應用于馬鈴薯種薯生產溯源時,還應考慮其生產竄貨問題。

針對上述問題,結合分析馬鈴薯種薯生產過程中的關鍵環節及溯源數據,本文提出一種基于智能合約[26-27]和數字簽名[28-29]的馬鈴薯種薯防竄與溯源方法,為種薯整個生產環節設計一條溯源區塊鏈。以智能合約和數字簽名為實現方式,解決種薯的生產竄貨問題,并保障種薯各項生產溯源數據的安全可靠,最終提高種薯生產基地的整體生產效率。采用Raft共識機制[30]實現區塊鏈間的節點共識,每個環節作為種薯區塊鏈中的聯盟組織,每個聯盟組織中都包含多個節點共同維護一個分布式賬本,實現種薯生產溯源數據的真實可信;利用數字簽名機制與種薯生產過程中的接收環節對應培育節點進行公私鑰對綁定,用于防止種薯生產竄貨的第1層保障;通過智能合約實現種薯培育目的地的防竄貨報警設計,使種薯區塊鏈網絡中的所有節點背書完成后共同遵守統一的邏輯規則,用于防止種薯品種、等級等生產竄貨的第2層保障;同時將報警信息進行上鏈存儲,更高效地解決種薯生產竄貨數據的溯源問題;最后對本文所提出的馬鈴薯種薯生產溯源模型通過應用案例進行驗證分析。

1 馬鈴薯種薯生產全環節分析及區塊鏈網絡模型

1.1 種薯生產全環節及溯源數據分析

馬鈴薯種薯生產過程中涉及的關鍵環節包括種苗資源保存、脫毒苗擴繁、原原種培育、原種培育和倉儲環節。種薯生產環節眾多,實物形態在不同的環節有所不同,生產基地同時培育的品種繁多,極其容易發生竄貨問題。因此,本文在深入分析種薯生產全環節及關鍵溯源數據的基礎上,在區塊鏈網絡中設計種薯生產竄貨報警環節,一旦發生竄貨,將進入該環節進行竄貨報警處理,同時將對應竄貨報警數據進行上鏈存儲。各環節的關鍵溯源數據如表1所示。

表1 種薯生產全環節關鍵溯源數據

1.2 種薯區塊鏈網絡模型

馬鈴薯種薯生產全環節的溯源數據參差不齊,目前尚且沒有種薯生產業務集成技術和手段,也沒有統一的生產溯源信息接口和標準規范,造成了種薯生產全環節的信息孤島,不僅影響種薯生產基地的總體生產效率,還使消費者和相關監管部門可信溯源困難。區塊鏈技術具有去中心化、篡改存儲數據困難、多節點共同維護、數據透明等特點,通過分布式網絡中的各節點數據備份實現溯源數據的安全存儲。本文通過開源許可區塊鏈框架Hyperledger Fabric使種薯生產全環節共同維護一個區塊鏈賬本,每個相關環節安裝不同的智能合約,利用智能合約完成溯源數據的更新上鏈,不相關的環節無法相互之間進行種薯轉送交易操作和溯源數據更新上鏈,以此來規范化種薯生產流程,最終提高可信溯源。種薯生產溯源區塊鏈網絡模型如圖1所示。

圖1 種薯生產溯源區塊鏈網絡模型

種薯生產全過程的溯源數據通過一條綜合區塊鏈進行存儲,將種薯生產溯源中的全部環節映射為區塊鏈中的相關組織,即種苗資源保存組織、脫毒苗擴繁組織、原原種培育組織、原種培育組織和倉儲組織,將防竄報警環節映射為竄貨報警處理組織,并將各個環節的關鍵溯源數據均通過智能合約進行上鏈存儲,非關鍵溯源數據使用傳統數據庫存儲,可以從源頭減輕區塊鏈的存儲壓力。同時,將消費者、相關監管部門等溯源用戶映射為外部組織,作為查詢相關溯源數據的組織節點。區塊鏈中的每個組織都有自己的peer節點來分布式存儲對應溯源數據,每批種薯都有一個唯一的批次編號,種薯在全部生產環節流通時都需關聯此唯一批次編號上傳所有關鍵溯源數據。此外,本文還利用區塊鏈種薯全生產鏈全連接溯源編碼設計為每個生產環節對應產生一個與批次編號相關聯的二級編號,如資源編號對應種苗資源保存環節、擴繁編號對應脫毒苗擴繁環節等。

2 種薯防竄報警方法設計

2.1 區塊鏈種薯全生產鏈全連接溯源編碼設計

在種薯區塊鏈溯源模型中,需通過種薯溯源編碼在區塊鏈網絡中獲取該編碼所對應的全部生產溯源數據。為了使區塊鏈種薯溯源編碼具有唯一溯源性,設計區塊鏈種薯全生產鏈全連接編碼,并利用該編碼與對應種薯生產全環節溯源數據相關聯。種薯溯源編碼在馬鈴薯種苗資源保存環節進行批次編碼初始化處理,包含種苗資源保存環節在內的種薯生產全環節開始培育時,順序連接對應環節的溯源編碼,在倉儲環節實現種薯溯源編碼的全環節連接,最終聚焦到以箱為單位的種薯溯源編碼,實現一箱一碼,保證種薯溯源編碼的唯一性,為利用區塊鏈技術實現種薯防竄生產溯源打下源頭基礎。

具體編碼設計如表2所示,例如,在種苗資源保存環節進行批次編碼初始化處理,此時的種薯批次編碼為B001。在種苗資源保存環節開始對該批次編碼所對應的種苗進行培育時,順序連接種苗資源保存環節的溯源編碼R001,此時對應種薯溯源編碼為B001R001,直至對應種薯順利進入倉儲環節,形成最終種薯溯源編碼為B001R001D001YY001Y001WH001。當對應種薯在其生產過程中發生竄貨報警時,將不繼續連接當前發生竄貨環節的對應環節編碼,種薯溯源編碼的連接停留在上一環節,同時生成對應竄貨報警編碼。例如,對應種薯在脫毒苗擴繁環節發生竄貨報警,則此時的種薯溯源編碼為B001R001,對應竄貨報警編碼為W001。此外,所有環節的溯源編碼數字項順序生成。例如,批次編碼為B001的下一批次編碼為B002。

表2 區塊鏈種薯全生產鏈全連接溯源編碼設計

2.2 數字簽名機制

種薯生產各環節的培育節點眾多,生產基地繁育品種數量龐大,由于對應種薯被送往錯誤接收環節培育節點而引發的生產竄貨問題頻繁出現,嚴重降低整體生產效率。橢圓曲線數字簽名算法(Elliptic curve digital signature algorithm,ECDSA)是一種非對稱加密算法,使用私鑰簽名、公鑰驗證確保數據的真實性并防止交易數據被篡改,使用公鑰加密、私鑰解密確保可驗證節點的唯一性。同時,ECDSA具有在已知公鑰的情況下,無法推導出該公鑰對應私鑰的特點,本文利用該特點對種苗/薯轉送交易進行公鑰數字簽名加密,相關接收環節對應培育節點使用本節點私鑰進行解密驗證,確保該種苗/薯轉送接收環節對應培育節點的唯一正確性。該方法是種苗/薯接收環節對應培育節點的歸屬證明,實現防止種薯生產竄貨的第1層保障。橢圓曲線公式為

y2=x3+ax+b(modp) (4a3+27b2≠0(modp))

(1)

式中a、b——橢圓曲線參數

p——質數 mod——取模運算符

以資源保存環節培育完畢,需要將種苗送往脫毒苗擴繁環節對應培育節點進行培育為例,橢圓曲線數字簽名加密、解密過程如下:

(1)脫毒苗擴繁環節對應培育節點選定一條橢圓曲線Fp(a,b),同時選取橢圓曲線上一點作為基點G,其中n為橢圓曲線的階,即nG=∞。

(2)脫毒苗擴繁環節對應培育節點選擇一個隨機數作為私有密鑰k,并根據離散點計算原則生成公有密鑰K=kG。

(3)脫毒苗擴繁環節對應培育節點將橢圓Fp(a,b)和點G、K傳送給種苗資源保存環節對應節點。

(4)種苗資源保存環節對應節點接到信息后,將待傳輸的明文編碼到Fp(a,b)上的一點A,并產生一個隨機整數r(r

(5)種苗資源保存環節對應節點通過橢圓曲線公鑰K加密:C1=A+rK,C2=rG,加密后的數字簽名密文C是一個點對。

(6)脫毒苗擴繁環節對應培育節點接收到數字簽名密文C后,可通過私鑰k解密C1-kC2,計算A+rK-k(rG)=A,對點A解碼就可以得到明文。以種苗資源保存環節和脫毒苗擴繁環節為例,數字簽名機制如圖2所示。

圖2 數字簽名機制

在種薯生產溯源區塊鏈網絡中,每個節點都擁有所有節點的公鑰以及本節點的私鑰,通過公私鑰對嚴格匹配的策略確保種苗/薯轉送接收環節對應培育節點的唯一正確性。例如,種苗在資源保存環節培育完畢,需要將其送往脫毒苗擴繁環節進行下一步培育,資源保存環節對應培育節點會在區塊鏈網絡中產生一個種苗轉送交易,并使用脫毒苗擴繁環節對應接收節點的公鑰對該交易進行數字簽名加密。脫毒苗擴繁環節對應培育節點接收到需要進行下一步培育的種苗后,需使用本節點的私鑰對該種苗轉送交易進行數字簽名解密驗證。解密驗證成功,則說明接收節點正確,可以記錄脫毒苗擴繁環節相關上鏈數據;解密驗證失敗,則說明接收節點錯誤,可能發生竄貨,此時會觸發竄貨報警處理,給予相關竄貨報警提示,并將對應報警信息進行上鏈存儲。

2.3 種薯防竄報警溯源模型

種薯生產基地培育品種繁多,除接收環節對應培育節點易發生竄貨問題外,培育節點因錯誤識別種薯品種、等級等信息,致使種薯的培育方式發生改變、種薯成品混雜的情況也頻繁發生,最終導致種薯整體生產效率和質量水平低下。解決種薯生產竄貨問題是本文的研究重點,通過智能合約與數字簽名相結合的方式實現防止種薯生產竄貨的雙層保障。在種薯生產溯源區塊鏈中,每個相關環節間都需安裝部署對應的區塊鏈智能合約,在數字簽名驗證接收環節對應培育節點正確后,通過智能合約將當前種苗/薯與對應鏈上存儲信息進行對比,符合竄貨條件時觸發竄貨報警處理,實現防止種薯生產竄貨的第2層保障。實物數據采集通過種薯生產全環節安裝部署各種物聯網設備獲取,通過二維碼等標識技術結合區塊鏈種薯全生產鏈全連接溯源編碼將實物數據對應轉化為數字數據并存入區塊鏈中,所有生產環節都進行上述實物與鏈上數據的錨定。

智能合約是運行在區塊鏈網絡中的一種計算機協議,以代碼的形式體現出該協議去中心化、自動執行、高確定性、高自治性等特點,區塊鏈中的相關節點均安裝部署對應智能合約則可以達到網絡環境高度自治的效果。在本文所提出的種薯防竄報警溯源模型中,智能合約可以實現種薯全生產環節溯源數據的安全上鏈、按合約條件觸發防竄報警機制、查詢具體溯源數據等功能,實現對種薯生產全環節溯源數據的全方位正向記錄、逆向溯源,為種薯生產基地提供強大的數據記錄與查詢、防止種薯生產竄貨的技術支撐。利用智能合約完成種薯開始培育前的品種、等級等自動化確認,與前生產環節的上鏈信息進行對比驗證,有效防止種薯生產竄貨的問題,也為生產基地、消費者和相關監管部門等追溯用戶提供安全可信的溯源信息。種薯防竄報警溯源模型如圖3所示。

圖3 種薯防竄報警溯源模型

在該模型中,由于種苗資源保存環節是種薯生產全環節的初始環節,不存在生產竄貨的發生,因此不在該環節中設計竄貨報警智能合約,僅利用智能合約將相關生產溯源數據進行上鏈存儲。脫毒苗擴繁及其后環節將對接收種苗/薯的實際情況與前環節上傳的溯源數據進行對比分析,作為判斷當前環節是否發生竄貨的數據依據,同時將該溯源數據作為全部種薯生產溯源數據的一部分。種薯生產全環節將本環節培育完畢的種苗/薯送往至下一生產環節進行培育時,需要使用接收環節對應培育節點的公鑰對種苗/薯轉送交易進行數字簽名加密,接收環節對應培育節點收到該種苗/薯時,需要使用本節點私鑰對已加密的前環節種苗/薯轉送交易進行數字簽名解密驗證。解密驗證失敗,則說明接收環節對應培育節點錯誤,此時通過智能合約觸發相關竄貨報警處理;解密驗證成功,則說明接收環節對應培育節點正確,此時會自動調用智能合約要求該節點通過各種物聯網設備獲取并錄入對應培育節點當前接收種苗/薯的品種、等級等信息,并與前環節相關節點存入區塊鏈網絡中的信息進行對比,全部符合則說明種苗/薯送至正確培育節點目的地,同時正確識別該種薯的品種、等級等信息,并正確安排其對應培育方式;有一項及以上不符合則說明種薯送至正確培育節點目的地,但錯誤識別該種苗/薯的品種、等級等信息,無法正確安排其對應培育方式,此時進行竄貨報警處理,將種薯溯源編號、報警編號、報警時間、報警環節等相關竄貨報警信息存儲至區塊鏈網絡中,并給予相關竄貨報警提示。此外,利用區塊鏈存儲數據的不可篡改等特性,使得種薯生產溯源數據在區塊鏈溯源網絡中得以可信存儲,并利用不同數據查詢智能合約實現不同追溯用戶的溯源查詢,種薯生產基地、消費者和相關監管部門可通過溯源節點調用對應數據查詢智能合約獲取區塊鏈中對應種薯的相關溯源信息。

2.4 智能合約設計

本文使用Hyperledger Fabric平臺,結合種薯種植領域專家意見、種薯生產基地的實際情況等制定相關的智能合約規則和一系列合約觸發條件。智能合約業務邏輯設計如表3所示。

表3 智能合約設計

將種薯各生產環節的溯源信息寫入區塊鏈均由智能合約實現。在各環節上傳對應生產溯源信息時,如果發生竄貨則會觸發防竄報警智能合約,接續進行防竄報警處理。具體算法如下:

算法1:發送方數據上鏈智能合約

輸入:以種苗資源保存環節為例,批次編號BatchId,資源編號ResourceId,種苗名稱SeedName,品種名稱BreedName等

輸出:上鏈成功返回交易ID,區塊高度numBlock,數據哈希dataHash,前一個區塊哈希previousHash,上鏈失敗返回錯誤原因

區塊鏈中的種苗資源保存環節對應peer節點發起invoke上鏈請求

if len(args)∥判斷請求中的數組長度是否符合規定長度標準

return shim.Error;∥數組長度不符合標準,上鏈失敗,返回具體錯誤原因

else∥符合上鏈要求,請求上鏈

ECDSA_Encode();∥使用接收節點公鑰加密

APIstub.PutState(args[2],resourceGrowInfoAsBytes);

return success;∥返回交易基本信息

算法2:接收方數據上鏈智能合約

輸入:以脫毒苗擴繁環節為例,批次編號BatchId,種苗名稱SeedName,擴繁編號DetoxificateId,品種名稱BreedName等

輸出:上鏈成功返回交易ID,區塊高度numBlock,數據哈希dataHash,前一個區塊哈希previousHash,上鏈失敗返回錯誤原因

區塊鏈中的脫毒苗擴繁環節對應peer節點發起invoke上鏈請求

if len(args)∥判斷請求中的數組長度是否符合長度標準

err := ECDSA_Decode;∥使用本節點私鑰解密

if err != nil∥判斷私鑰是否解密成功

recordWarn();∥解密失敗,觸發防竄報警合約

return shim.Error;∥返回具體錯誤原因

else∥解密成功

if args[1]!= resourceBatchIdGrow∥判斷請求中的批次ID是否與前生產環節對應上鏈數據相符

recordWarn();∥如果批次ID不符則觸發防竄報警合約

return shim.Error;∥上鏈失敗,返回具體錯誤原因

elseif args[2]!= resourceResourceIdGrow∥判斷請求中的資源ID是否與前生產環節對應上鏈數據相符

recordWarn();∥如果資源ID不符則觸發防竄報警合約

return shim.Error;∥上鏈失敗,返回具體錯誤原因

elseif args[3]!= resourceSeedNameGrow∥判斷請求中的種苗名稱是否與前生產環節對應上鏈數據相符

recordWarn();∥如果種苗名稱不符則觸發防竄報警合約

return shim.Error;∥上鏈失敗,返回具體錯誤原因

elseif args[4]!= resourceBreedNameGrow∥判斷請求中的品種名稱是否與前生產環節對應上鏈數據相符

recordWarn();∥如果品種名稱不符則觸發防竄報警合約

return shim.Error;∥上鏈失敗,返回具體錯誤原因

else∥符合上鏈要求,請求上鏈

APIstub.PutState(args[5],detoxificateGrowInfoAsBytes);

return success;∥返回交易基本信息

竄貨報警智能合約將觸發竄貨報警時的相關報警信息進行上鏈存儲。具體算法如下:

算法3:竄貨報警智能合約

輸入:種薯當前編號NowSeedPotatoId,報警時間WarnTime,報警環節WarnLink等

輸出:上鏈成功返回交易ID,區塊高度numBlock,數據哈希dataHash,前一個區塊哈希previousHash,上鏈失敗返回錯誤原因

觸發防竄報警時發起報警數據上鏈請求

if len(args)∥判斷請求中的數組長度是否符合規定長度標準

return shim.Error;∥數組長度不符合標準,上鏈失敗,返回具體錯誤原因

var warnInfo = WarnInfo{BatchId: args[1], NowSeedPotatoId: args[2], WarnId: args[3], WarnTime: args[4], WarnLink: args[5], WarnPoint: args[6], WorkerId: args[7], WorkerName: args[8]};∥將報警信息存入待上鏈數組

APIstub.PutState(args[2], warnInfoAsBytes);∥請求上鏈

return success;∥返回交易基本信息

數據查詢智能合約在區塊鏈中通過用戶輸入的查詢編號進行對應的數據查詢。具體算法如下:

算法4:數據查詢智能合約

輸入:以查詢竄貨報警信息為例,報警編號WarnId

輸出:報警編號對應的具體信息

if len(args)∥判斷請求中的數組長度是否符合規定長度標準

return shim.Error;∥查詢失敗,返回具體錯誤原因

warnInfoAsBytes, _ := APIstub.GetState(args[0]);∥通過當前Key值獲取對應Value值

retrun success;∥查詢成功,返回數據

3 系統設計與實現

3.1 系統架構設計

本研究基于Hyperledger Fabric構建面向種薯生產全環節溯源的模型架構,通過區塊鏈技術對溯源數據進行管理和維護,實現種薯生產全環節溯源數據的高度共享;種薯各生產環節分布式上傳本環節內的溯源數據,并利用數字簽名結合智能合約的方式高效防止生產竄貨的發生,保證各生產環節種薯溯源數據的真實性、實時性以及安全性。種薯生產溯源模型架構如圖4所示,共分為4層,由下至上分別為存儲層、服務層、接口層和應用層。

圖4 種薯生產溯源模型架構

存儲層利用區塊鏈技術不可篡改等特點,實現所有相關節點共同維護同一個數據賬本,且所有交易操作均記錄對應時間戳,確保生產溯源數據的真實可靠。同時,為減少種薯溯源的查詢時間,溯源數據通過面向文檔的數據庫管理系統(Cluster of unreliable commodity hardware database,CouchDB)存儲,并通過Key-Value鍵值索引進行數據查詢;服務層采用Raft共識機制,以智能合約為具體實現方式,結合ECDSA橢圓曲線數字簽名算法,保證種薯生產全環節溯源數據的成功上鏈,實現防止生產竄貨的自動處理;接口層面向種薯生產過程中的5個關鍵溯源環節和1個竄貨報警環節,封裝相關溯源數據公鑰加密接口、私鑰解密接口以及對于種薯生產溯源數據和竄貨報警數據上鏈接口和查詢接口,滿足種薯生產全環節的溯源數據共享、查詢以及防止生產竄貨的發生等需求;應用層通過系統為種薯生產全環節的相關方提供不同的便捷服務。

3.2 系統實現

本文所提出的馬鈴薯種薯防竄溯源模型應用于云南省馬鈴薯種薯質量溯源系統,種薯生產全環節節點通過對應區塊鏈接口在該系統中實現種薯生產溯源數據的上傳及查詢功能,系統網絡中的所有節點共享一個區塊鏈分布式帳本,共同參與全網的共識記賬。如圖5a所示,種薯生產過程中的5個關鍵環節均可以上傳相關溯源信息。上傳成功,則會在系統中生成相應的環節編號,并在狀態欄顯示成功,同時會顯示該上傳操作交易在區塊鏈網絡中生成的區塊高度以及區塊交易ID;上傳失敗,則會在系統中生成相應的竄貨報警編號,在狀態欄中顯示失敗,并給出竄貨報警提示。如圖5b所示,可根據竄貨報警編號查詢對應竄貨報警的詳細信息。在該系統中設有用戶節點權限機制,用戶節點只能進行本環節內的相關種薯生產溯源信息上傳等操作,不能進行其他環節的相關操作。同時,所有生產環節生成的交易操作信息、種薯溯源信息和竄貨報警信息的詳情全部用戶節點均可查看,可用來監督種薯生產全環節間共享原始數據。

圖5 云南省馬鈴薯種薯質量溯源系統界面

同時,為滿足相關用戶溯源需求,種薯質量溯源系統提供掃碼溯源功能,可通過掃描種薯外包裝上的二維碼獲取相關生產溯源數據。如圖6所示,經過查詢后,可獲取產品介紹信息、企業信息、溯源信息和防偽信息。其中溯源信息展示種薯生產全環節的關鍵數據,防偽信息展示區塊鏈地址、追溯Hash值、區塊高度等信息。

圖6 掃碼溯源界面

4 系統測試

4.1 測試環境

本研究的測試環境基于Hyperledger Fabric 1.4.4、Hyperledger Explorer 1.1.8搭建,使用虛擬機系統版本為Ubuntu 16.04 LTS。性能測試將智能合約通過balance-transfer接口進行封裝,使用外部接口測試工具Postman 9.31.0進行30輪次的測試。硬件配置為:4 GB內存、8核處理器、50 GB硬盤。區塊鏈通過16個節點存儲種薯生產溯源數據,其中包含種苗資源保存節點、脫毒苗擴繁節點、原原種培育節點、原種培育節點、竄貨報警節點、外部溯源節點各2個,另外包含倉儲節點4個。種薯區塊鏈中的所有節點均采用狀態數據庫CouchDB存儲上鏈數據,通過Key-Value鍵值對檢索狀態數據庫查詢相應數據。具體測試環境配置如表4所示。

表4 區塊鏈配置信息

4.2 竄貨報警功能分析

測試以脫毒苗擴繁環節接收種苗進行下一階段培育,將該接收種苗的相關信息進行上鏈為例。如圖7a所示,如果脫毒苗擴繁環節對應培育節點私鑰解密失敗,或申請入培養室時上傳的種苗相關信息與區塊鏈賬本中存儲的該種苗對應品種、等級等信息不符時,則將該上鏈申請給予竄貨報警處理,并給出竄貨報警原因提示。如圖7b所示,通過Hyperledger explorer顯示該竄貨報警交易所在區塊信息,其中區塊高度(區塊號)為2701,區塊哈希為6939b143ab66e4db59e89ee9c6c9612461fbf1daba8523 6ac0e1b2908341fa8b,前一區塊哈希為99bc65133e 24ad81bf3cbdcc7a87e97084aee88d0081ad4e67cbdc19 11018371。竄貨報警交易詳情如圖7c所示,其中交易ID為b3a2c205f71c2fd17c58e3c9cae0e4262fd946f 3be6019e86f87b0838948c12d,調用鏈碼為alarmcc,寫入賬本的Key為“W230”(竄貨報編號)、Value為“batch_id:B288,trace_seed_potato_id:B288R016,warn_id:W230,warn_time:2022-11-25 11:50:18,warn_link:脫毒苗擴繁環節,warn_point:私鑰解密失敗,worker_id:DW018,worker_name:袁藝”(種薯溯源編號、竄貨報警時間、環節、觸發點)等信息。

圖7 防竄報警功能測試

4.3 數據上鏈與查詢性能分析

4.3.1種薯生產溯源數據上鏈與查詢

數據上鏈性能測試結果如圖8a所示,種薯生產溯源數據的平均上鏈時間為2 566 ms,能夠滿足種薯生產基地全環節實時更新種薯溯源數據的需求;數據查詢性能測試結果如圖8b所示,種薯生產溯源數據的平均查詢時間為95 ms,能夠滿足相關溯源用戶快速查詢種薯各項生產信息的需求;由測試結果可以得出,該種薯防竄溯源區塊鏈的數據上鏈和數據查詢效率較高,可以滿足各相關用戶的日常需求。

圖8 數據上鏈與查詢性能測試

4.3.2竄貨報警觸發上鏈與查詢

種薯生產溯源防竄設計是基于智能合約和數字簽名實現的,在某種程度上,這兩種方式的結合可以在種薯生產過程中高度防止竄貨的發生。因此,本研究在防竄貨的報警觸發與報警信息上鏈和查詢的平均時間方面進行性能分析。測試結果如圖9所示,報警觸發與報警信息上鏈的平均時間為2 562 ms,查詢具體報警信息的平均時間為77 ms。由測試結果可以得出,該種薯防竄溯源區塊鏈的防竄報警性能較好,可以滿足種薯生產基地的相關需求。

圖9 防竄貨性能測試

5 結論

(1)提出了基于智能合約和數字簽名的馬鈴薯種薯防竄溯源模型,對種薯的整個生產環節建立溯源區塊鏈,使種薯生產全環節共同維護一個區塊鏈分布式帳本,保證種薯生產溯源數據的統一共享;通過數字簽名公私鑰對驗證和智能合約聯合解決種薯生產過程中的竄貨問題,防止生產竄貨,提高生產溯源效率和準確率,滿足種薯生產基地的標準化生產需求。

(2)提出的防竄溯源模型能夠實現種薯溯源數據的安全存儲,并高度防止生產竄貨的發生。相關測試結果表明,種薯生產溯源數據的平均上鏈時間為2 566 ms,平均查詢時間為95 ms,報警觸發與報警信息上鏈的平均時間為2 562 ms,查詢具體報警信息的平均時間為77 ms,模型性能較高,可以滿足種薯生產溯源數據的上鏈與查詢需求,在防止種薯生產竄貨方面具有一定的參考價值。