基于區塊鏈技術的冷鏈食品追溯系統研究

楊濤 陸進宇 李沛 周二磊 喻曉

區塊鏈是一種去中心化、可信任、安全和不可篡改的分布式數據庫技術，自出現以來經過不斷發展演化，已逐漸應用到各個領域。在冷鏈食品追溯的應用場景下，區塊鏈具有較傳統追溯手段更多的技術優勢。本研究引入區塊鏈技術構建河南省冷鏈食品追溯系統，并對其在新冠疫情后的拓展應用進行展望。

一、冷鏈食品溯源現狀和問題

目前，溯源系統在國內已有一定的研究基礎和應用案例，一些新興技術也被應用于供應鏈可追溯系統的構建中。但從系統結構層面，主流模式仍然以集中式體系結構為主，使用的技術主要包括一維碼、二維碼以及RFID（射頻識別）等。一維碼一般使用GS1-128條碼為載體，包含商品條碼、生產批號、商品代碼等系列內容，可以實現一品一碼。新冠疫情前，進口冷鏈食品信息由海外進口商、海關、國內進口商等分別錄入數據庫，通過一維碼與數據庫的映射實現消費者、監管部門對商品的實時查詢溯源。二維碼相比傳統的一維碼可以記錄更多的信息，在一定程度上可以脫離數據庫，也能顯示一些基礎的數據。但二維碼一旦生成并印刷，信息不可更改，無法載入更多的追溯信息，同樣對數據庫存在依賴。RFID技術具有承載信息量大、可重復讀寫等優點，并且可以實現多個標簽同時識讀，可以脫離中心數據庫存儲信息，因此也被認為是追溯系統較好的載體之一。但是RFID技術成本較高、讀寫環境受金屬影響、容易被篡改等，也制約了其大面積推廣。焦玉聰等利用RFID技術和二維碼技術構建了肉制品溯源系統，實現了相關政府部門對食品的監管。吳冬燕等基于RFIDEPC（EPC指電子產品代碼）技術實現了對冷鏈食品生產、物流和銷售的全過程信息監控。

集中式溯源系統主要通過權威的第三方進行管理和維護，無法保證數據的安全性和可靠性，還可能導致供應鏈上數據信息不對稱的問題，并且具有較高的數據篡改和信息泄露風險，此外，集中式系統容易因為單點故障導致整個系統崩潰，可能造成嚴重后果。

二、冷鏈食品追溯應用區塊鏈技術的可行性分析

（一）區塊鏈技術概述

區塊鏈是一種分布式記賬機制，通過共識機制、非對稱加密算法等，可實現多個節點共同維護同一個賬本，具有防篡改、防偽造、防丟失、抗破壞、公開透明、可查詢等特性，解決了傳統中心式記賬的信任問題和安全問題。

傳統中心式記賬的優勢是簡單易行，只要足夠可信任的權威維護一個主賬本，再同步若干冗余備用賬本即可運轉。主要缺點是無法確保主賬本不被有意或無意的篡改，且備用賬本數量有限，抵御意外風險的能力較弱。區塊鏈沒有主賬本，而是每個節點各自維護著一本相同且完整的賬本。新的交易產生后，交易記錄被發送至區塊鏈中的所有節點，每個節點對交易記錄獨立進行核驗和計算，最先計算生成符合區塊要求的節點將該區塊信息發送至其他所有節點，每個收到區塊信息的節點立即對該區塊信息進行驗證，驗證無誤的區塊信息將被所有節點加到其自身維護的賬本上，因每個區塊都含有上一區塊的編號信息，因此所有區塊按照生成順序連在一起形成區塊鏈，且所有節點所記錄的區塊鏈都是一致且完整的。

作為去中心化、可信任、安全和不可篡改的分布式數據庫技術，區塊鏈具有如下技術優勢：（1）區塊鏈技術的去中心化特性使得沒有單一的中心機構或個人掌控所有的數據和決策。這種去中心化的特性可以提高數據的安全性，防止數據被篡改或丟失。同時，這種去中心化的結構可以防止單點故障和單點攻擊，提高了系統的可靠性和穩定性。（2）區塊鏈技術的安全性是其優勢之一，區塊鏈技術使用了密碼學技術來保護數據的安全。這意味著只有擁有正確密鑰的人才能夠訪問和修改數據。即使有人能夠破解密碼，他們也需要同時破解多個密碼才能成功攻擊區塊鏈，這大大增加了攻擊的難度和成本。（3）區塊鏈技術的透明性指所有交易記錄和數據都被記錄在區塊鏈上并且可以被任何人查看和驗證，使得區塊鏈具有高度的可信任性和可追溯性。（4）區塊鏈技術的可擴展性是其優勢之一。采用分布式賬本技術，將數據分散存儲在多個節點上，而不是集中存儲在單一的中心化服務器中。這種技術可以減輕單個節點的負擔，提高系統的可靠性和可用性。由于區塊鏈技術采用了分布式節點的模式（見圖1），可以輕松地擴展網絡的規模和容量，這種可擴展性可以讓區塊鏈技術應用于更多的場景和行業。

區塊鏈最早作為比特幣的底層技術而隨比特幣而誕生，是一種去中心化的分布式數據庫，通過密碼學算法將交易數據存儲在多個節點上，并利用共識機制保證數據的一致性和安全性。隨著比特幣受到廣泛關注，區塊鏈技術也逐漸受到關注和追捧，各種基于區塊鏈技術的應用也應運而生。人們逐漸認識到區塊鏈技術較比特幣本身價值更大，其去中心化、透明可信、不可篡改等特質，不僅能有效解決傳統交易中的信任問題，也同樣適用于物流追蹤、電子合約、版權認證、政務審批、物聯網等多種應用場景。區塊鏈技術主要經歷的三個發展階段：區塊鏈技術主要經歷了三個發展階段：區塊鏈1.0階段，這個階段主要是以比特幣為代表的數字貨幣的區塊鏈應用階段，主要解決的是價值傳遞的問題，通過去中心化的金融應用，實現價值的安全、高效和低成本的傳輸。區塊鏈2.0階段，這個階段主要是以智能合約為代表的區塊鏈技術應用階段，通過區塊鏈技術實現去中心化的管理和交易。區塊鏈3.0階段，這個階段是多種行業應用階段的開始，通過區塊鏈技術解決物理世界中信任機制建立的問題，實現更廣泛的應用場景。這三個階段代表了區塊鏈技術從數字貨幣到金融應用，再到實體經濟應用的發展過程。每個階段都有其特點和優勢，同時也面臨著一些挑戰和問題。隨著技術的不斷發展和應用場景的不斷拓展，區塊鏈技術將會在更多的領域得到應用和推廣。

（二）冷鏈食品追溯基于區塊鏈技術的應用場景