基于聯盟鏈的農業知識產權確權研究

司海平，宋佳珍，李雨杰，李偉霞，Fernando Bacao，孫昌霞

（1. 河南農業大學信息與管理科學學院，河南鄭州 450046；2. 河南省農作物生產監測大數據分析與應用工程研究中心，河南鄭州 450046;3.NOVA Information Management School (NOVA IMS),Universidade Nova de Lisboa,Campus de Campolide,Lisboa 1070-312)

隨著知識經濟的迅猛發展和經濟全球化的不斷加強，知識產權作為擁有先進技術水平、自主創新能力以及未來發展潛能的標志，對其創造、保護和運用愈發成為在農業國際競爭中取得優勢的關鍵。調查顯示，全球農業領域30%～50%的增產要素來源于新技術或新產品，農業知識產權具有巨大的經濟效益［1］。近年來，中國農業知識產權事業得到了快速發展，以農業領域專利為例，中國專利產出優勢突出，2014—2021 年間農業專利申請量穩居世界前列，已成為全球最大農業專利產出國。與此同時，專利保護問題逐漸凸顯，有研究者對我國32 家科研機構進行了調查，結果發現這些機構全部有被侵權記錄，且由于保護成本高、流程繁瑣等基本都采用協商解決的方式［2］，足見知識產權侵權現象較為嚴重，至今還沒有很好的解決辦法。侵權問題難以解決，使得專利保護和知識產權的有效轉化和利用受到一定的制約，農業領域知識產權能力與發達國家仍存在較大差距。這種情況下，通過增強知識產權保護意識，利用高新技術培育知識產權驅動的農業產業鏈，建立知識產權保護機制，可以逐步解決知識產權保護和轉化利用中存在的問題，為農業領域的發展提供更廣闊的空間。

農業知識產權保護領域目前已有不少成果，比如致力于構建互聯互通的全國農業科技成果轉化系統的全國農業科技成果轉移服務中心、提供專利檢索和專利預警與侵權服務的內蒙古農業大學高校國家知識產權服務中心、中國農業科學院技術轉移中心研發建設的農業國際合作知識產權服務平臺以及江蘇省知識產權保護中心發布的農業技術知識產權公共服務平臺等。然而隨著信息技術和現代生物學的突破性發展，農業知識在網絡上的傳播更加便捷且具有隱蔽性，侵權行為的防范也更加困難，進一步增加了農業知識產權保護難度，且知識產權確權耗時長、成本高、存在單點故障等問題是這些傳統企業無法解決的，幫助產權方進行維權的機構較少，通常需要舉證方自行尋找侵權證據，導致侵權舉證和產權溯源也異常困難。而區塊鏈技術去中心化、可追溯及不可篡改性等技術特征可以解決上述傳統知識產權系統存在的問題［3］。

區塊鏈技術自提出以來發展至今，即將迎來3.0時代，開始拓展到金融領域之外落地應用項目，為各行各業提供去中心化解決方案［4］。知識產權管理方面的應用被認為是區塊鏈技術最有可能落地的應用方向之一，諸多學者也對基于區塊鏈的知識產權保護方案進行了研究。其中，寧夢月等［5］分析了當前知識產權領域存在的問題，構建基于Polkadot 的異構多鏈知識產權保護模型，實現節點地址、權限流轉記錄、維權信息在區塊鏈內的永久記錄，并對模型進行科學性及應用可行性分析；陽真等［6］使用AES 和改進的CP-ABE 算法對測試任務與代碼進行訪問控制實現隱私保護，結合區塊鏈與IPFS 進行測試報告與被測代碼的可信存證與實時確權，實驗與分析證明了眾測知識產權保護方案的實用性和有效性；孫嘉豪等［7］在改進的PBFT 算法基礎上，構造一種區塊鏈知識產權保護模型，設計了包括產權登記和轉讓智能合約的知識產權管控協議，提供了解決數字作品產權登記困難和交易混亂問題的方法；張海強等［8］針對基于區塊鏈的知識產權管理平臺競爭策略，提出了基于 Hotelling 模型的三階段博弈模型，并分析新興的基于區塊鏈的知識產權確權渠道，探索了不同市場環境下平臺確權渠道的最優決策問題，為確定知識產權代理平臺的最佳確權可信能力提供啟示。理論層次也有很多學者，例如，華劼［9］分析了區塊鏈技術和智能合約應用于知識產權確權和交易領域的法律規制問題；黃武雙等［10］分析了區塊鏈技術對知識產權的確權幫助作用以及侵權證明作用；喬瑜［11］指出了區塊鏈技術在文化創意產業知識產權保護中的應用困境和保護路徑。

上述研究多是從區塊鏈和知識產權相關法律法規、區塊鏈應用場景、基于區塊鏈的知識產權保護理論上的可行性、相關算法及系統架構等方面進行探討，但針對區塊鏈背景下完整的知識產權保護系統構建的研究相對較少，且專注于農業領域知識產權系統的開發基本沒有。本文通過研究Hyperledger Fabric 聯盟鏈、IPFS、加密算法、數字水印技術以及CouchDb 數據庫，以聯盟鏈網絡結構設計農業知識產權登記、查詢與轉讓等智能合約實現數據的可信存證與溯源追蹤，解決了農業領域專利申請時間長、成本高，侵權訴訟舉證困難、公證處證據固定耗時久等問題，實現了農業知識產權的有效確權保護。

1 關鍵技術

1.1 聯盟鏈

作為非對稱加密技術、時間戳、共識機制等一系列技術的集成，區塊鏈概念一經提出就掀起了一股金融科技狂潮，2016 年相關企業投資達到數十億美元，2017 年中國政府網發表《我國區塊鏈產業有望走在世界前列》向大眾普及區塊鏈技術并公開支持區塊鏈發展。區塊鏈以其去中心化、公開透明及數據不可篡改等特征，在金融、物聯網、醫療、能源等多個不同領域的應用加速落地［12］。其主要開發平臺包括完全去中心化、人人可參與的公有鏈如以太坊，部分去中心化、寫入權限僅限系統參與者的聯盟鏈如Hyperledger Fabric 等［13］。

聯盟鏈是指多個機構或組織參與管理的區塊鏈，其中每個組織成員都擁有一個或多個Peer 節點，節點間共同記錄交易數據［14］。隨著IBM 推出Hyperledger Fabric，聯盟鏈這一去代幣化的區塊鏈模型成為國內產業區塊鏈的基礎模型，國內大量產生的產業區塊鏈絕大多數是以Hyperledger Fabric 為參考的聯盟鏈應用體系。不同于涉及加密代幣的工作量證明（PoW）共識機制，聯盟鏈系統中的共識算法多采用經典分布式問題中的拜占庭容錯算法PBFT和RAFT 算法，通常需要CA 證書體系進行準入控制以抵御可能出現的“女巫攻擊”［15］。Hyperledger Fabric 克服了公有鏈項目交易公開無隱私保護、共識算法低效及吞吐量低等缺點［16］，不僅擁有存證和溯源的基礎能力，還具有交易速度快、易擴大規模、成本低等優勢，被廣泛應用于知識產權保護領域。故本文使用交易效率較高、適合商用、包含身份認證、訪問控制和智能合約等服務的Hyperledger Fabric 平臺構建系統。

1.2 智能合約

智能合約是運行在區塊鏈數據庫上的一種計算機程序，能夠讓用戶自己定義所需交易邏輯，是應用系統與區塊鏈底層交互的中間件，可以在滿足其源代碼設定條件下自行執行，其主要應用場景包括比特幣、以太坊以及Hyperledger Fabric 聯盟鏈等項目。以智能合約從協商、開發、部署到執行的生命周期為順序，主要過程包括合約各方協商確定合約內容后開發標準合約代碼；然后將合約以P2P 方式發送至每一個節點，待所有節點達成共識后即可以區塊形式將合約集合發送至全網各個節點，最后通過外部事件觸發合約自動執行［17］，進而實現賬本的更新和維護。整個合約處理過程都由區塊鏈底層內置的智能合約系統自動完成，公開透明，不可篡改。

本文智能合約采用Go 語言編寫，部署在Peer 上，單獨運行在Docker 容器中，外部應用程序通過命令行或SDK 對賬本進行操作，采用JavaScript 語言的相關API 來實現對鏈碼的部署及調用執行，以此實現對分布式賬本上鍵值對或其他狀態數據庫的讀寫操作。在知識產權保護區塊鏈網絡中，通過智能合約的調用實現自動化存證、數據交易以及用戶維權，既可以保障知識產權交易安全性與實現確權保證，又為農業知識產權維權提供有力憑據。

1.3 文檔數字水印算法

數字水印（digital watermark），是將標識信息直接嵌入數字載體（包括文本、圖像、音頻和視頻等）中以解決網絡環境中產權保護問題，并實現防偽溯源，包括嵌入信息能被看見的明水印和一般狀況下無法被發現的隱藏式暗水印。隱藏式水印的重要應用之一就是產權保護和用戶維權。基于本文研究對象的PDF 特征，選取隱藏式文檔數字水印算法，在相應PDF 文檔中嵌入產權和交易信息等水印信息，對知識產權數據保護和交易進行可信管理。

設M為待添加水印的文檔，W為原始水印信息，由于目前數字水印技術不如密碼技術那樣成熟。需要配合密碼學技術才更可信賴，K表示加密算法，處理后的水印信息由W表示，由函數F定義如式（1）：

編碼函數設為E，水印文檔嵌入可表示為式（2）：

必要的時候對水印進行提取以確認文件所有權和跟蹤侵權行為，水印提取過程中需要用到解碼函數D，輸出一個判定水印信息是否存在的0-1 決策，為提取出的水印，水印信息檢測函數用C表示，δ為決策閾值，水印信息提取和檢測公式如式（3）—（4）：

根據提取到的水印信息與原始水印進行相關性測試，Corr 取值在［-1,1］之間，相關值超過該閾值，則認為水印存在，計算如公式（5）：

本文選取行末標識符作為水印嵌入點，利用PDF 文檔中空白字符不會在頁面上顯示的特性，對交叉引用表中行末標識符進行同等大小的替換，實現水印信息嵌入。如圖1 所示，水印嵌入階段用戶以formData 格式傳入PDF 文檔和水印信息，對行末標識符進行統一修改，然后加密水印信息并將密文編碼為二進制數據流，再據此對交叉引用表中行末標識符進行修改，重新生成PDF 文檔，完成水印嵌入工作。水印提取則是將上述嵌入過程逆轉，根據已嵌入水印文檔中行末標識符還原水印二進制數據流，經過解碼、解密處理得到水印明文［18］。

圖1 水印嵌入與提取流程

1.4 星際文件系統

星際文件系統（inter planetary file system,IPFS）旨在創建持久且分布式存儲和共享文件的網絡傳輸協議，利用分布式存儲和內容尋址技術，將點對點的單點傳輸變為P2P 傳輸，具有數據安全防篡改、無單點故障、訪問速度快以及有容災備份機制等優勢。IPFS 存儲文件時將文件等大小分塊，再構建各塊Hash 值和文件檢索表，之后將文件分塊存儲在分布式服務器上。查找時只需輸入存儲文件時返回的HashID，系統根據文件檢索表和內部路由表自動查找并合并各文件塊組成原始文件［19］。

據統計，2016—2021 年我國農業專利申請量均突破十萬，為滿足基于聯盟鏈的農業知識產權保護系統后續推廣需求、處理大規模數據，故選擇IPFS作為鏈下存儲系統輔助存儲，以減少鏈上存儲消耗，緩解存儲壓力。在IPFS 上實現水印文檔的加密存儲，鏈上僅保存少量關鍵信息以及鏈下數據的存儲位置索引信息，從而擴展現有區塊鏈應用系統的數據存儲能力。

本文結合區塊鏈技術和數字水印技術，將嵌入水印的文檔通過哈希加密生成IPFS 地址，再將地址信息和數據摘要存儲在區塊鏈上，等同于將原始數據簡化成IPFS 地址后上鏈，極大緩解了區塊鏈節點的存儲壓力，為后續農業知識產權保護系統的推廣使用提供了有利條件。通過在區塊鏈上存儲嵌入水印的文檔的IPFS 地址和數據摘要，提供了溯源和證明知識產權的憑證，后續出現侵權行為時，亦可通過提取文檔中的水印信息即在文檔中嵌入的可識別和追溯的標識，包含產權人信息、時間戳等內容，以證明知識產權的歸屬和侵權事實，作為維權的重要依據之一。

2 農業知識產權保護系統設計

2.1 農業知識產權保護模型

基于區塊鏈技術、數字水印算法和IPFS 星際文件系統，本文以農業種植技術領域相關專利為研究對象，提出了一種農業知識產權保護模型，如圖2所示。模型主要包括數據確權、數據交易以及用戶維權3 個部分，用戶可在客戶端操作，通過調用智能合約實現整個專利保護流程。

圖2 知識產權保護模型

數據確權部分包括：（1）將文檔數字水印算法應用于PDF 文檔中，實現水印信息的嵌入，含水印文檔儲存于IPFS 星際文件系統并生成唯一地址哈希；（2）將獲得的IPFS 哈希地址與數據摘要上鏈存證。

數據交易包括：（1）購買方從客戶端發起查詢，從鏈上找到相應數據后發起交易請求；（2）觸發交易，返回購買方對應文件的IPFS 哈希地址；（3）交易完成后，交易信息儲存在區塊鏈分類賬本中，對應水印信息進行變更，完成專利權轉移。

用戶維權包括：（1）產權方發起維權申請，從聯盟鏈上獲取數據交易憑證；（2）根據IPFS 哈希地址提取文檔水印信息獲取產權信息；（3）用戶采集被侵權證據并實現鏈上存證，完成證據固定工作；（4）根據上述的水印信息、交易憑證、已存證侵權證據及時間戳等進行維權，證據一目了然、在特定條件下是完全可信的。

在數據存儲方面，本文采用鏈上鏈下存儲結合的方式，鏈下存儲加密原件于IPFS 星級文件系統上，鏈上存儲專利數據的摘要信息及IPFS 哈希地址等必要數據信息。鑒于區塊鏈不可篡改和IPFS 系統分布式存儲的特性，保證了某一節點發生故障時數據的安全性并減小了數據的存儲消耗，提高了系統中數據的傳輸速度和檢索效率。

2.2 知識產權保護系統架構設計

基于Hyperledger Fabric 的知識產權保護系統總體架構可分為業務層、合約層、網絡層和存儲層四層。業務層給用戶提供API 方式調用身份、賬本、交易和智能合約等信息。合約層主要包括用戶身份管理合約、確權、交易以及維權智能合約，身份管理部分提供注冊、登記和申請證書等功能，用戶只有通過PKI 證書體系獲得唯一的數字證書才可加入到聯盟鏈中。其它鏈碼服務包括確權存證、數據交易以及維權涉及分布式賬本的存儲、交易排序及背書功能，記賬節點對排序后的交易進行校驗，將合法的交易寫入賬本并存儲于支持富查詢的CouchDB數據庫中。鏈碼文件采用GO 語言編寫，單獨運行在Docker 容器中，其執行與共識機制分離以提高效率，鏈碼安裝及實例化成功后通過gPRC 協議與聯盟鏈中同一通道內的節點連接。網絡層給各個通信節點提供P2P 協議和網絡協議，以保障區塊鏈分布式存儲的一致性［20］。存儲層包括IPFS 和CouchDB數據庫，由于區塊鏈不適合存儲較大的文件，所以本文采用鏈上鏈下協同存儲，將知識產權相關信息和交易信息存儲在區塊鏈上，原文檔嵌入水印后存儲于IPFS 系統。

2.3 IPFS 數據存儲

IPFS 將每個文件分成小塊，IPFS 網絡在全國各地都有服務器，部分服務器失效、被篡改之后，仍然可以通過其他服務器的備份文件塊來還原，因此可以實現永久保存［21］。該優勢可保證后續侵權證據固化過程中數據的真實性。

將IPFS 與區塊鏈聯系起來，聯盟鏈系統負責維護證書吊銷列表CRL，訪問IPFS 需要CA 頒發的證書。確權過程中產權人將已嵌入數字水印的PDF 文檔上傳到IPFS 數據庫，存儲后返回的CID 作為元數據與數據摘要一起存儲在區塊鏈上，完成專利數據的確權存證。交易階段買家發起交易后賣家將生成的HashID 添加到合約中，完成交易，并更新IPFS上文件水印信息。修改IPFS 內容時我們可借助IPNS重新發布，IPNS 允許節點域名空間中引用一個IPFS hash，可通過節點ID 對項目根目錄的IPFS hash 進行綁定，并通過節點ID 訪問網站［22］。用戶維權過程則可根據HashID 實現水印信息的提取和證據固定。

2.4 智能合約功能設計

面向農業知識產權的聯盟鏈智能合約設計主要是編寫實現完整的鏈碼，并通過調用鏈碼中各個函數以實現對數據狀態的操作，功能設計如表1 所示。通過調用智能合約可實現水印的嵌入和提取、含水印文檔的存儲、產權信息存證、買賣雙方自動化交易以及交易信息的存儲與水印信息變更等功能。所有的交易記錄都將保存在區塊鏈中，可追溯且不可篡改，保證知識產權確權方案的有效性和可行性。

表1 智能合約接口

2.4.1 數據確權存證

智能合約安裝在相應的peer 節點，使用Go 語言開發，運行在Docker 容器中，通過gRPC 協議與Peer 節點交互。首先調用shim.Star()方法進行注冊、調用Init()方法實現鏈碼初始化，之后Peer 節點即可通過給鏈碼發送消息實現對智能合約的調用，從而完成用戶確權、交易以及維權等一系列操作。

數據確權步驟是：用戶從web 端登錄，通過對應界面調用Add(info)方法完成專利數據文檔的水印嵌入并存入自己的IPFS 節點，請求調用Save(info)方法實現數據摘要及生成的HashID 信息在web 端錄入后在鏈上同步產生，聯盟鏈中其它節點接收到請求之后驗證上傳者簽名，驗證通過則廣播給其它節點，達成共識后將交易記錄寫入賬本，用戶收到上鏈成功的反饋。具體流程如圖3 所示。

圖3 數據確權存證流程

2.4.2 農業知識產權交易

農業知識產權交易步驟是：買家注冊登錄，調用Query 方法查詢需要的專利信息，之后調用Invoke方法發起交易，產權人接收到交易信息后根據設計的智能合約自動完成交易過程，達到交易條件后系統返回給買方對應的HashID，節點間達成共識后將交易記錄存入賬本，并借助IPNS 更新文檔水印信息后重新發布，實現專利權的變更。具體流程如圖4所示。

圖4 農業知識產權交易流程

2.4.3 產權人維權

產權人維權步驟是：產權人發現自己被侵權后，在web 端相應功能界面實現圖片或者視頻等侵權證據上傳，調用Save2(info)方法同步上鏈存證，根據Get 函數獲取歷史交易記錄得到交易信息并完成水印提取作為維權憑證，根據已存證的侵權證據、歷史交易記錄、水印信息以及時間戳等實現舉證維權。具體流程如圖5 所示。

圖5 產權人維權流程

3 系統實現

3.1 系統開發環境配置

本系統開發和測試所用的環境為Windows10 操作系統，配置為CPU AMD銳龍75700U，鐳龍顯卡1.80 GHz，內存16 GB，VMware 虛擬機安裝Ubuntu20.04系統。使用Hyperledger Fabric 聯盟鏈為開發平臺。環境配置及Hyperledger Fabric 版本如表2 所示。

表2 開發環境配置

Hyperledger Fabric 網絡中節點部署成功后可以看到兩個peer 節點，一個orderer 節點，一個CA 容器及一個CouchDB 容器，代表已成功創建了一個新的網絡，可以隨SDK 一起使用，參與聯盟鏈的節點包括參與交易的普通用戶、進行背書認證的相關機構、負責維權保護的知識產權法庭等。據佰騰網統計，自1998 年3 月4 日至2022 年5 月27 日，小麥、玉米、水稻三大農作物種植技術領域的專利文獻有689件，文件大小在147 k 到619 k 之間。

3.2 確權實現

用戶在客戶端使用Fabric-SDK-Go 提供的接口對象調用相應的API 訪問鏈碼，以實現對分類賬本中的狀態進行操作。通過Save 函數實現鏈碼調用，執行用戶專利信息上鏈存證交易，從而改變狀態數據庫，向分類賬本中添加交易變化記錄。所有數據的最新值都存儲在CouchDB 狀態數據庫中。通過實現信息存證，用戶可以完成專利數據存證，實現專利的確權。

這個過程中，參與交易的各方都會獲得一份交易記錄，并在分類賬本中更新最新的交易狀態，從而確保所有節點都同步更新數據。當發布專利信息成功時，交易編號會被記錄在鏈碼事件中，鏈碼的執行結果也會被記錄在 CouchDB 狀態數據庫中，以便后續查詢。

3.3 維權實現

數據成功上鏈后，即分類賬本狀態已添加，便可根據指定條件查詢出相應的狀態，專利申請號和授權公告號唯一，用戶可通過查詢專利名稱、專利類型等了解所需要的各種專利信息，并選擇合適的交易項目。本文定義查詢函數編寫相應鏈碼可實現根據專利名稱、申請號及授權公告號的查詢功能，產權人在維權環節查找歷史交易記錄時則可根據唯一的申請號和授權公告號實現精準查找。

Hyperledger Fabric 網絡環境下，可調用智能合約實現專利交易的自動化操作，實現專利權人變更和變更后查詢功能。為保證產權信息可追溯，編寫鏈碼函數來添加新狀態，而不是刪除之前的狀態。專利權人變更記錄會永久存儲于區塊鏈上，相關信息也會以水印方式嵌入對應專利的PDF 源文檔中，用戶在進行侵權訴訟時即可通過查詢區塊鏈上的存證信息和提取文檔中水印信息為自身維權提供憑證。

4 系統性能測試與分析

本文對數據上鏈平均時延和交易查詢平均時延進行了測試。測試中選擇普通用戶節peer0.org1.com作為發起數據上鏈交易的節點。在加入聯盟鏈并開始進行查詢訪問之前，普通用戶節點、國家知識產權局以及知識產權法庭等都需要向fabric-ca 服務器申請賬號證書。peer0.org1.com 封裝組織1 在身份管理模塊生成的聯盟鏈授權證書。通過使用這個授權證書，可以確保peer0.org1.com 節點在聯盟鏈中的身份得到有效驗證，并獲得相應的訪問權限。驗證證書的序列號、有效期和指紋等信息，可以確認證書的真實性和完整性。

利用數據上鏈時間和交易查詢時間這兩個指標對系統進行測試時，記錄下每次實驗所需時間，測試5 次后得到平均時延，共測試50 次，數據上鏈和交易查詢平均時延如圖6 所示，隨著交易次數的累積并不是完全呈上升趨勢，呈穩定波動狀態，平均時延分別為31.714 4 s 和34.208 s，能夠滿足農業知識產權系統數據確權與維權需求。

圖6 測試結果

5 總結

農業領域海量知識產權信息的可信確權與維護是我國智慧農業和創新驅動發展戰略實施面臨的一個難題。針對傳統農業知識產權保護方案中存在的確權耗時長、維權成本高、侵權舉證難和產權溯源困難等問題，本文對區塊鏈技術在農業知識產權保護領域展開研究，提出了一種基于聯盟鏈的農業知識產權確權方案，將產權信息和交易信息存儲在區塊鏈，原文檔嵌入水印后加密存儲于IPFS 系統。鏈上存儲的交易信息以及嵌入的水印信息可為專利數據確權提供憑證，用戶亦可通過時間戳、鏈上交易記錄以及IPFS 系統中數據水印信息的提取完成維權申訴。本方案有完善的產權信息上鏈和交易信息查詢模塊滿足用戶需求，能切實保護用戶權益。本方案還有一些不完善的地方，目前系統數據主要是農業種植技術領域的專利文件，下一步工作重點會擴充農業知識產權數據量，同時考慮本系統在農業知識產權領域的應用與推廣。