基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的研究及探索

郭天一 谷利芬

（焦作師范高等專科學(xué)校，河南 焦作 454000）

1 引言

受益于國家政策的扶持和農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，我國的農(nóng)業(yè)已由高速發(fā)展階段邁向高質(zhì)量發(fā)展階段。農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)揮著重要的“壓艙石”作用，給民眾提供了豐富多樣的農(nóng)產(chǎn)品，也進(jìn)一步滿足了廣大人民對(duì)美好生活的追求。但是，日益頻出的農(nóng)產(chǎn)品安全問題也不容忽視，目前已經(jīng)成為社會(huì)的關(guān)注熱點(diǎn)。專家和學(xué)者普遍認(rèn)為農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)是提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的有效途徑之一，而農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的關(guān)鍵在于溯源相關(guān)數(shù)據(jù)必須真實(shí)完整以及不可篡改[1]。傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)存在信息不對(duì)稱、數(shù)據(jù)易被篡改、中心化管理等弊端，以致于無法保障農(nóng)產(chǎn)品信息的真實(shí)性和完整性。本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)不可篡改、信息全程可追溯以及去中心化等特性，構(gòu)建了農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品信息的不可篡改以及全程溯源，提高了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，同時(shí)也降低了傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)的中心化管理成本與風(fēng)險(xiǎn)。

2 農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)

根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中信息的流向，可以將溯源系統(tǒng)大概分為信息采集、信息傳輸、信息存儲(chǔ)、信息處理以及信息應(yīng)用五個(gè)模塊，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的信息流向圖

在傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中，首先通過傳感器等設(shè)備采集農(nóng)產(chǎn)品的相關(guān)信息，然后利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks,WSN)以及5G 等技術(shù)將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至信息存儲(chǔ)模塊的中心化數(shù)據(jù)庫，接下來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，最后向消費(fèi)者以及監(jiān)管部門等提供溯源、查詢以及監(jiān)管等功能。

傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)雖然在一定程度上為消費(fèi)者、企業(yè)以及監(jiān)管機(jī)構(gòu)等提供了查詢農(nóng)產(chǎn)品信息的渠道，但是仍然存在以下幾個(gè)問題：

（1）數(shù)據(jù)可靠性存疑。信息采集階段的各個(gè)環(huán)節(jié)的農(nóng)產(chǎn)品信息分別由各自的生產(chǎn)主體提供，因此，可能存在數(shù)據(jù)造假等現(xiàn)象，數(shù)據(jù)可信度較低。

（2）溯源系統(tǒng)可靠性較低。在傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中，農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)存放在信息存儲(chǔ)模塊的中心化數(shù)據(jù)庫，由統(tǒng)一機(jī)構(gòu)或者部門來管理[2]，管理權(quán)相對(duì)單一，若監(jiān)管不到位，可能存在數(shù)據(jù)被篡改的現(xiàn)象；同時(shí)農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)量較大，若全部存在于中心化數(shù)據(jù)庫中，那么會(huì)增加中心化數(shù)據(jù)庫的負(fù)擔(dān)和壓力；再者，中心化數(shù)據(jù)庫易受到攻擊，數(shù)據(jù)安全性難以保證。

（3）溯源信息有限。傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)一般僅提供農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地、流通等部分信息，而對(duì)于消費(fèi)者比較關(guān)注的生產(chǎn)種植過程中的信息往往無法提供，由此導(dǎo)致信息不對(duì)稱現(xiàn)象，不能完全解決消費(fèi)者的信任缺失問題[2]。

2.2 基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源的可行性分析

區(qū)塊鏈技術(shù)利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法生成和更新數(shù)據(jù)，利用密碼學(xué)方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問安全可靠，利用智能合約編程和操作數(shù)據(jù)，其本質(zhì)上是一個(gè)由多方參與、共同維護(hù)、高冗余度的分布式數(shù)據(jù)庫[3]。區(qū)塊鏈的特點(diǎn)包括：

（1）去中心化結(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈以分布式網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)地位平等，均完整保存整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫，避免了將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在中心服務(wù)器所帶來的問題。

（2）數(shù)據(jù)公開透明。在區(qū)塊鏈中，交易各方的私有信息加密存儲(chǔ)，僅僅允許交易參與方可見。除此之外，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)對(duì)所有人公開透明，具有較高的共享性和透明性[2]。

（3）數(shù)據(jù)不可篡改。區(qū)塊鏈采用的塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)難以被篡改。圖2所示為區(qū)塊鏈的塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)圖。

圖2 區(qū)塊鏈的塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，區(qū)塊鏈的區(qū)塊結(jié)構(gòu)包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分，其中區(qū)塊頭包括當(dāng)前區(qū)塊的版本號(hào)、時(shí)間戳、隨機(jī)數(shù)、默克爾根以及前一區(qū)塊的哈希值和后一區(qū)塊的哈希值；區(qū)塊體中包括相關(guān)交易信息以及經(jīng)哈希函數(shù)計(jì)算生成的哈希值，指向區(qū)塊頭中的默克爾根。時(shí)間戳能夠保證數(shù)據(jù)的完整性，并且在區(qū)塊與區(qū)塊間形成了時(shí)間序列，提高了信息的可靠性。哈希值由哈希函數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容計(jì)算得到，具有唯一性，并且保存在下一個(gè)區(qū)塊的區(qū)塊頭中，以此形成區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)[4]。如果某個(gè)區(qū)塊內(nèi)容被篡改，那么該區(qū)塊的哈希值也會(huì)改變，由此導(dǎo)致后一個(gè)區(qū)塊無法鏈接到該區(qū)塊上，因此，基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可以保證數(shù)據(jù)不被篡改。

（4）新型信任機(jī)制。區(qū)塊鏈通過共識(shí)機(jī)制和智能合約建立了一種不需要中心信用結(jié)構(gòu)或者第三方結(jié)構(gòu)來保證的新型信任機(jī)制。

2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會(huì)辦公室制定的《數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019—2025 年）》中提出“推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測(cè)、質(zhì)量安全溯源、農(nóng)村金融保險(xiǎn)、透明供應(yīng)鏈等方面的創(chuàng)新應(yīng)用”。2020 年中央1 號(hào)文件提出“要加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、5G、智慧氣象等現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用”。2021 年，工業(yè)和信息化部出臺(tái)的《關(guān)于加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確提出“到2025年，區(qū)塊鏈在產(chǎn)品溯源等領(lǐng)域培育一批知名產(chǎn)品，形成場景化示范應(yīng)用”的發(fā)展目標(biāo)，并且部署“在食品醫(yī)藥等領(lǐng)域，用區(qū)塊鏈建立產(chǎn)品溯源體系，實(shí)現(xiàn)全生命周期的追蹤溯源”的重點(diǎn)任務(wù)。由此可見，加強(qiáng)區(qū)塊鏈技術(shù)在溯源領(lǐng)域的應(yīng)用已成為國家政策的導(dǎo)向和熱點(diǎn)。

華為公司研發(fā)的“智慧農(nóng)場—農(nóng)業(yè)沃土云平臺(tái)”，應(yīng)用區(qū)塊鏈等技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品溯源功能，同時(shí)基于區(qū)塊鏈的不對(duì)稱公私鑰加密技術(shù)進(jìn)行防偽認(rèn)證，可以有效保障農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全和品牌效應(yīng)[5]。京東公司的“人工智能養(yǎng)豬”項(xiàng)目，應(yīng)用人工智能和區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能化喂養(yǎng)以及產(chǎn)品全程可追溯等功能[5]。Kamilaris et al.在文獻(xiàn)[6]中對(duì)應(yīng)用了區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品種類和目標(biāo)進(jìn)行歸類，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)對(duì)大豆等多種農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行了可追溯研究與實(shí)踐。

綜上所述，區(qū)塊鏈以區(qū)塊為存儲(chǔ)單元，并按照時(shí)間戳先后順序通過哈希指針形成區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[7]，保證了鏈上的數(shù)據(jù)不被篡改。與傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)庫管理模式相比，區(qū)塊鏈的“去中心化、分布式眾包記賬”等特性將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在多個(gè)區(qū)塊節(jié)點(diǎn)上，既可以避免中心化數(shù)據(jù)庫的“單點(diǎn)失效”風(fēng)險(xiǎn)[7]，也可以降低中心化數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和維護(hù)成本。總之，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品溯源領(lǐng)域具有切實(shí)可行性，可以有效解決傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)存在的一系列弊端。

3 基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

區(qū)塊鏈根據(jù)節(jié)點(diǎn)的開放程度分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈三種[1]。其中，公有鏈向公眾開放，用戶可以在未經(jīng)授權(quán)的情況下訪問區(qū)塊鏈和網(wǎng)絡(luò)，與以提高產(chǎn)品質(zhì)量為目標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)不匹配。相較于公有鏈人人可參與而言，私有鏈僅供私有組織使用，只有經(jīng)授權(quán)的核心節(jié)點(diǎn)才能操作和訪問區(qū)塊鏈，通常應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部或者政府相關(guān)部門，不適合用于參與主體眾多的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)。聯(lián)盟鏈一般是由多個(gè)組織共同構(gòu)建的區(qū)塊鏈，并且可以根據(jù)應(yīng)用場景決定對(duì)公眾的開放程度，其共識(shí)管理算法可以保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行以及安全可靠[2]。

綜合以上分析，本文基于聯(lián)盟鏈構(gòu)建的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)框架圖

基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)包括：采集層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、合約層和應(yīng)用層。

采集層主要利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器、攝像頭、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)以及地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)等獲取農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中產(chǎn)前物資、生長環(huán)境、加工、倉儲(chǔ)、物流以及銷售等全部環(huán)節(jié)的農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)信息，保證溯源信息的完整性。這些信息是溯源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和來源。

采集層獲取的數(shù)據(jù)信息包括環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、農(nóng)作物生長圖片、農(nóng)產(chǎn)品加工視頻、倉儲(chǔ)位置、物流信息、銷售門店信息等一系列數(shù)據(jù)。在這些數(shù)據(jù)信息中，相對(duì)來說，圖片和視頻屬于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)且容量較大，而其他信息容量較小。如果將所有信息全部存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的不斷增多，會(huì)極大地增加節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷，從而提高系統(tǒng)的成本并降低運(yùn)行效率[8]，因此，在數(shù)據(jù)層中，采取“鏈上鏈下”雙存儲(chǔ)機(jī)制。

“鏈上”存儲(chǔ)指的是將環(huán)境信息、倉儲(chǔ)信息、物流信息、銷售信息等容量較小的文本數(shù)據(jù)信息直接存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈的區(qū)塊節(jié)點(diǎn)上。

“鏈下”存儲(chǔ)指的是將圖片或視頻等大容量信息存儲(chǔ)至星際文件系統(tǒng)(InterPlanetary File System,IPFS)中，并通過哈希函數(shù)計(jì)算得到圖片或視頻對(duì)應(yīng)的唯一哈希值，將此哈希值存證到區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，便于利用此哈希值在IPFS系統(tǒng)中查詢相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)分布式內(nèi)容存儲(chǔ)與區(qū)塊鏈的綁定[9]。

在網(wǎng)絡(luò)層中，通過身份驗(yàn)證、節(jié)點(diǎn)權(quán)限等，結(jié)合P2P（Peer-to-Peer，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將區(qū)塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于區(qū)塊鏈的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。數(shù)據(jù)層和網(wǎng)絡(luò)層共同保證了區(qū)塊鏈的產(chǎn)生與傳遞[10]。

在共識(shí)層中，采用權(quán)益證明算法進(jìn)行管理，這種基于權(quán)益的共識(shí)算法可以保證政府監(jiān)管部門具有更多的管理權(quán)限，以便管理整個(gè)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的各方主體[11]。

在合約層中，將相關(guān)的法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等形成智能合約，當(dāng)合約中定義的條件被觸發(fā)時(shí)，那么智能合約將自動(dòng)執(zhí)行合約條款而無需第三方介入[7]，從而提高管理效率并降低人為干預(yù)所帶來的不確定性影響。

應(yīng)用層提供農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)接口，供政府相關(guān)部門、企業(yè)、生產(chǎn)者以及消費(fèi)者使用。

4 基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中區(qū)塊鏈工作模式

基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中區(qū)塊鏈的工作模式如圖4所示。其中，利用各種傳感器及其他監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取農(nóng)產(chǎn)品的一系列數(shù)據(jù)信息，并傳輸至區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)；農(nóng)戶經(jīng)認(rèn)證后以區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的身份加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中并形成對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于此建立聯(lián)盟區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)[12]。在該網(wǎng)絡(luò)中，交易信息由全網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)共同確認(rèn)，確保交易可信且可靠。

圖4 基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中區(qū)塊鏈的工作模式

5 結(jié)語

區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化分布網(wǎng)絡(luò)、鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、智能合約等技術(shù)特性為解決傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)的溯源信息有限、可信程度低、系統(tǒng)穩(wěn)定性不足等問題提供了一種有效的解決方案。針對(duì)目前傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)存在的一系列弊端，本文構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)框架，并詳細(xì)闡述了采集層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、合約層和應(yīng)用層的工作原理。該系統(tǒng)使用物聯(lián)網(wǎng)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品信息的自動(dòng)化采集及匯總，實(shí)施“區(qū)塊鏈+IPFS”的“鏈上鏈下”雙存儲(chǔ)機(jī)制，結(jié)合區(qū)塊鏈的共識(shí)算法和智能合約等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品從“田間地頭”到“餐桌廚房”的全程追溯。