基于區塊鏈的芝麻油防偽溯源系統的設計與實現

徐金勝，張 恩,*

（1.河南師范大學計算機與信息工程學院，河南 新鄉 453007；2.智慧商務與物聯網技術河南省工程實驗室，河南 新鄉 453007）

芝麻（Sesamum indicumL.）屬于胡麻科胡麻屬植物，是我國主要的油料作物之一[1]。芝麻可以提煉出芝麻油，俗稱“香油”。芝麻油是一種古老而珍貴的植物油，具有濃郁的香味和獨特的營養成分。它被世界衛生組織列為三大優質食用植物油之一[2]。我國是全球最大的芝麻消費國。由于芝麻油銷量大、價格高、利潤豐厚，許多商家在食用油市場大規模銷售假芝麻油，主要通過摻入大豆油或直接使用大豆油加香精偽裝成芝麻油[3]。GB/T 8233—2018《芝麻油》中規定“芝麻油中不得摻有其他食用油和非食用油；不得添加任何香精和香料”[4]。雖然許多產品宣稱為“100%純芝麻油”，但芝麻油高成本生產導致其長期成為重點摻假對象[5]。假芝麻油在加工中如果超量使用食用香精，可能會對人體消化系統和呼吸系統產生一定影響，嚴重可能引起腹瀉、呼吸急促或困難等癥狀，芝麻油摻假問題已導致嚴重的人身傷亡和經濟損失[6]。為保護合法生產者和消費者利益，迫切需要建立一套科學、快速、準確和有效的芝麻油防偽溯源體系。

目前，食品的真實性和可溯源性已成為食品檢測的一項重要內容。現有的研究主要分析快速鑒別摻假芝麻油[7-10]，但消費者缺少可信任的方式去辨別真偽。基于此，本研究的目的是在保證芝麻油質量安全的前提下增加可追溯性，通過建立一個安全和可信賴的防偽溯源系統讓消費者更放心。傳統的溯源方式面臨幾個問題：由于涉及各企業生產的多種產品，溯源數據量大且數據易丟失；此外，溯源信息主要來源于企業數據庫，導致數據中心化，無法保障溯源數據的安全性、真實性和可靠性[11]。一些國內外學者研究利用區塊鏈技術的優勢，如去中心化、信息透明性和防篡改性等，在食品質量安全防偽溯源領域都進行了探索研究。許繼平等[12]基于超級賬本Fabric開源框架設計并研發了小麥質量安全可信溯源系統，實現了糧油質量安全全鏈條信息互聯互通，并且保證了跨鏈信息交互的安全與全流程可追溯性。劉孝保等[13]基于百度超級鏈平臺開發圖區塊鏈模型實現了基于區塊鏈的果蔬供應鏈追溯系統，并提出信息存儲與快速查詢提供新的方法和思路。何靜等[14]提出基于量子區塊鏈的食品冷鏈追溯系統構建思路并構建了量子區塊鏈冷鏈追溯系統。Guo Chaopeng等[15]提出了一種增加雙層索引結構優化區塊鏈中的可追溯性查詢性能，Wu Hanqing等[16]將溯源記錄復制到多個塊中并采用并行搜索提高查詢效率，Lai Chengzhe等[17]設計了一個Merkle樹獨立索引結構支持高效的溯源查詢。上述研究有效解決了當前食品真實性和可溯源性的質量安全問題，實現了溯源數據的安全真實可靠性，但即使采取了一些解決提升溯源查詢效率方案，仍然無法有效解決目前區塊鏈數據存儲壓力大和查詢效率低的雙向問題。因此本研究設計了基于Fabric超級賬本框架的芝麻油防偽溯源系統，在系統中改進了傳統區塊鏈的溯源信息存儲方法，采用本地及鏈上雙存儲方式并進行數據校驗后返回信息，實現了鏈上鏈下的平行訪問，用區塊鏈上的哈希值與分布式節點中Redis緩存數據進行哈希校驗以確保溯源數據的正確性。同時改進傳統節點查詢采用了鏈碼直連狀態數據庫的查詢過程，旨在緩解區塊鏈系統巨大的數據存儲壓力，提高信息的讀取效率。最后得出基于區塊鏈的芝麻油防偽溯源系統，能夠提高芝麻油追溯信息的透明度和數據安全性，同時能夠保障芝麻油質量安全，便于消費者查詢真偽。

1 系統的設計與實現

1.1 區塊鏈技術概述

區塊鏈技術始創于以化名“中本聰”的學者在2008年發表的論文《比特幣：一種點對點電子現金系統》[18]。區塊鏈通過點對點分布式記賬、共識機制、非對稱加密算法和智能合約等技術，為各參與方建立了信任基礎，并為鏈上的可信數據交互提供技術支持[19]。區塊鏈的上鏈過程持續性地將新數據記錄到歷史賬本中，數據溯源按時間順序從歷史賬本中還原數據，并進行可視化，因此區塊鏈技術非常適用于溯源系統中[20]。區塊鏈技術經歷了以數字資產為代表的1.0時期和以智能合約為代表的2.0時期，現正進入賦能社會治理的3.0時代[21]。要將這項“僅限于網絡”的技術融入實體產業食品安全防偽溯源系統領域，需要進行必要調整和平臺選擇。目前區塊鏈的應用平臺有3 種訪問類型：公有鏈任何人都可以訪問，完全去中心；私有鏈成員預設，不再加入其他成員；聯盟鏈在私有鏈基礎上允許有條件成員訪問[22]。考慮到參與芝麻油追溯體系中種植、采摘、采購、生產、運輸、監管、銷售各個環節不同權限的成員角色，均由得到準入許可的可信參與方成員組成的企業聯盟，因此確定采用聯盟鏈區塊鏈類型。本實驗采用聯盟鏈平臺Fabric作為底層平臺設計和實現溯源系統，Fabric是一個開源的企業級許可分布式賬本技術平臺，專為在企業環境中使用而設計。

1.2 基于Fabric的溯源系統架構設計

本系統通過分析芝麻油溯源系統中各個用戶的需求，將種植戶、采購原料廠商、加工廠商、物流、銷售、監管機構等各參與方納入Fabric聯盟區塊鏈的相應組織，以便對相關信息進行查詢和管理。在Fabric中，多個相關組織可以組建一個通道，每個通道都可視為一個獨立的區塊鏈網絡。通道與通道之間相互隔離，這樣可以保證各組織數據的隱私安全。在本系統中將監管機構和以上各用戶組織分別建立一個通道以便于監管數據，在每個通道內，存在多個peer節點，它們作為服務節點，維護該通道的賬本數據。此外，鏈碼也在通道中運行，它是運行在區塊鏈上的智能合約，也是Fabric中的業務邏輯實現，能夠將接收到的信息寫入到區塊鏈中。因此本追溯系統架構設計包括4 層結構：設備信息采集層、數據交互應用層、Fabric區塊鏈網絡層、溯源查詢小程序層。設備信息采集層負責監管芝麻油產業鏈的全過程，從種植到銷售，并采集相關數據。數據交互應用層是提供給各個組織用戶功能的芝麻油質量追溯平臺，平臺接收傳感器和監控設備傳來的實時信息并提供各個組織角色登錄不同界面添加己方所需要上傳的信息，溯源系統首先將上傳的溯源信息數據存儲到本地MySQL數據庫再同步到各節點分布式緩存Redis數據庫中，然后通過Fabric SDK提供的gRPC接口將溯源數據內容哈希化同步上傳到Fabric區塊鏈網絡層。Fabric網絡層是由多個組織組成，組織中的節點負責智能合約的運行，接收數據交互應用層傳入的數據寫入到區塊鏈賬本中，賬本由一個區塊鏈組成，用于有序的、不可篡改的記錄存儲在區塊中，并用一個狀態數據庫維護當前狀態。每個通道對應一個賬本，每個peer節點為其所屬的每個通道維護一份賬本副本。使用了Raft共識機制在節點內部達成強一致的背書響應，以保證各節點數據庫的一致性[23]。溯源查詢小程序層中，消費者可以通過微信掃碼訪問溯源小程序查詢真偽，進行芝麻油產品供應鏈的溯源查詢并參與互動領取微信紅包，小程序端收集經消費者允許獲取到的位置等信息以用于廠家查驗產品流向。芝麻油溯源系統的整體架構如圖1所示。

圖1 芝麻油溯源系統整體架構圖Fig.1 Overall structure of sesame oil traceability system

1.3 區塊鏈存儲方式和查詢性能的改進

芝麻油溯源平臺根據上述設計需求分析可以劃分為系統管理模塊、芝麻種植模塊、原料采購模塊、芝麻油加工管理模塊、監管模塊、運輸管理模塊、芝麻油溯源模塊。各個模塊參與方分別為管理端、種植戶、采購原料廠商、生產廠商、監督部門、物流公司、銷售商等。本平臺使用了基于Java web開發框架Spring Boot開發的權限管理系統實現上述各個模塊的功能，通過Fabric區塊鏈官方提供的用于Java應用開發的SDK開發連接區塊鏈網絡層的模塊接口，根據功能模塊分析，需要將芝麻油整個產業鏈上的種植信息、原料信息、加工信息、質量檢測信息、運輸信息、產品信息、銷售點信息上傳至區塊鏈網絡上。現有的Fabric溯源系統大部分使用的都是數據直接上鏈的方式，生產應用過程中隨著節點和數據的增加，區塊鏈存儲需要面對數據量和訪問量增大，對數據存儲系統的功能和性能均提出了較高的要求[24]。因此有部分研究在Fabric存儲基礎上提出新的存儲設計方式：例如楊信廷等[25]提出“數據庫+區塊鏈”的鏈上鏈下追溯信息雙存儲設計的農產品追溯系統信息存儲模型，劉雙印等[26]等提出了“On-Chain+Off-Chain”農產品質量安全溯源信息協同管理存儲策略，王莉等[27]提出本地及鏈上雙存儲方式的糧食供應鏈溯源模型，唐豪等[28]提出了一種基于區塊鏈的農產品可信檢測數據鏈上鏈下分類存儲方法，上述研究一定程度上改進了鏈上數據存儲的問題，但仍存在線下數據庫過于集中的問題，尤其是當線下數據庫鏈下數據丟失時鏈上缺少完整溯源信息導致無法溯源問題。孫一萌等[29]提出使用鏈下數據庫Redis結合MPT樹實現鏈下數據的查詢可驗證，縮短了區塊鏈數據驗證查詢時間但未改善區塊鏈數據存儲壓力和上鏈效率，考慮到整個芝麻油產業鏈節點較多和溯源信息數據量較大帶來存儲壓力和鏈上讀寫慢以及溯源數據安全問題，本實驗在本地及鏈上雙存儲設計的基礎上增加了Fabric多節點分布式Redis數據庫緩存線下本地溯源數據有效解決了區塊鏈數據存儲壓力和上鏈效率的問題，利用分布式Redis數據庫存儲線下信息同步MySQL備份也解決了線下數據庫過于集中導致數據丟失的風險，設計的芝麻油溯源系統數據存儲模式流程如圖2所示。

圖2 芝麻油溯源系統數據存儲模式流程圖Fig.2 Flowchart for data storage mode of sesame oil traceability system

芝麻油防偽溯源系統具體的溯源存儲實現過程首先各模塊需要將詳細的溯源數據存儲到鏈下MySQL數據庫作為備份和對應組織各節點上的Redis緩存數據庫中，其中溯源ID字段作為從種植農作物到成品芝麻油銷售整個過程溯源信息的唯一標識，Redis存儲數據value值是MySQL中溯源信息轉成的JSON字符串，鏈上存儲數據是Redis中JSON字符串經過MD5哈希算法處理之后的32 位字符串。溯源查詢時通過溯源ID分別查詢相對應Fabric各組織節點上的Redis中的字符串信息和鏈上的哈希值，再次將哈希字符串信息和哈希值對比以驗證溯源信息是否被修改。溯源系統主要的應用是需要將芝麻油整個產業鏈上的過程信息展現給消費者以驗證真偽，因此需要對芝麻油各個批次的信息進行快速追溯查詢。由于Fabric中查詢鏈上溯源信息是通過鏈碼讀取狀態數據庫，需要調用ChaincodeStub接口由peer節點通過gRPC從狀態數據庫CouchDB讀取狀態數據庫后返回給鏈碼。這個過程消耗了peer節點的網絡I/O，也增加了背書階段的延遲，尤其是在鏈碼作為獨立的外部服務，與背書節點不在同一節點運行的情況下[30]。為了減少節點的網絡I/O消耗和提高查詢的效率，本實驗通過修改鏈碼ChaincodeStub接口，添加原屬于peer節點的交易模擬器對象和訪問狀態數據庫的配置功能，實現鏈碼直接訪問狀態數據庫。鏈碼通過溯源ID直接查詢狀態數據庫中的哈希值執行計算形成模擬虛擬交易結果并返回給peer節點。peer節點只負責調用鏈碼，并對鏈碼返回的模擬交易結果進行簽名背書。具體的go代碼修改過程如圖3所示。

圖3 鏈碼直接訪問狀態數據庫部分代碼Fig.3 Code snippet for direct access of chain code to the state database

2 系統應用與分析

本實驗系統區塊鏈環境使用Fabric 2.4版本，默認區塊配置文件區塊大小為10 M，每個區塊包含500 個交易，出塊時間間隔為2 s。測試運行環境為一臺阿里云服務器，具體配置為4 核CPU、8 G內存、80 G固態硬盤存儲空間、5 M獨享帶寬、Ubuntu 22.04操作系統。使用Fabric官方提供的區塊鏈性能基準框架Caliper對系統區塊鏈性能進行測試，主要涉及背書交易環節讀寫操作的吞吐量方面的測試數據，測試性能指標主要有交易吞吐量、交易延遲、資源利用率。交易吞吐量是指一段時間內系統成功處理交易的數量，單位為TPS，表示1 s內系統成功處理交易的數量，在溯源系統中指的是處理信息上鏈的數量。交易延遲是指一筆交易從客戶端發起至在系統中生效之間所耗費的時間，在溯源系統中指的是一條采集信息到上鏈成功的時間。文獻[25-28]的雙鏈設計方案和本實驗設計方案類似，本實驗在此基礎上增加了分布式節點Redis緩存數據庫方案1和鏈碼直連狀態數據庫查詢方案2，有效解決了線下數據過于集中有丟失風險的問題，同時提升了存儲和查詢效率。為了體現方案1和方案2在測試性能指標的提升效果，與文獻[25-28]進行性能測試比較。本實驗分別對以上3 種方案設計10 輪性能測試，每輪使用Caliper默認基準測試并發交易1 000 次，共計30 000 次。對統計實驗的最終結果計算出平均交易吞吐量、平均交易延遲時間。溯源查詢時間測試實驗是通過Postman接口測試軟件對3 種方案和對應溯源記錄數量分別訪問查詢接口10 次，計算出平均查詢時間。平均交易延遲時間比較如圖4所示，平均交易吞吐量結果比較如圖5所示，平均查詢時間結果比較如圖6所示。由于本實驗方案1和文獻[25-28]的雙鏈設計方案的在區塊鏈上存儲方式一致，針對鏈下增加的分布式緩存數據庫影響不到鏈上效率，所以對比交易吞吐量和交易延遲時間基本一致，查詢時間上由于方案1分布式節點Redis緩存數據庫方案中Redis的指定節點查詢性能高于單獨的鏈下存儲數據庫MySQL，所以對比查詢時間，Redis優于MySQL，尤其隨著交易數量增大，查詢時間的差距越明顯。在本實驗方案1的基礎上加上方案2的鏈碼直連狀態數據庫查詢方式在減少節點的網絡I/O消耗同時又提高了查詢的效率，所以在交易吞吐量、交易延遲時間和查詢時間方面，以上兩種方案都有明顯的優勢，對于在交易延遲時間和查詢時間上的性能有顯著提升。

圖4 平均交易延遲時間Fig.4 Average transaction delay time

圖5 平均交易吞吐量Fig.5 Average transaction throughput

圖6 溯源平均查詢時間Fig.6 Average query time for traceability

本實驗系統已成功應用于河南駐馬店某香油公司的區塊鏈防偽溯源系統設計過程中。通過對該企業芝麻油供應鏈進行實地調研，從種植和原料環節、加工環節、質量監管、運輸和銷售環節分設計了芝麻油追溯系統采集方法，最終消費者可以通過微信掃描芝麻油瓶身防偽碼在小程序中進行防偽溯源查詢，防偽碼由溯源ID生成的產品唯一標識碼組成，小程序后端通過溯源ID查詢到的溯源信息返回給小程序端。圖7為系統溯源信息采集界面圖，其為芝麻油供應鏈各節點提供信息采集服務，主要為芝麻種植、原料、加工、監管、運輸信息采集界面，系統各模塊通過信息采集功能上傳添加至對應的供應鏈數據信息，系統會自動對數據進行相應處理，將溯源信息和其哈希值分別存儲到本地數據庫和區塊鏈系統中。圖8為系統溯源信息上鏈數據明細查詢和區塊鏈瀏覽器網絡信息，圖9為消費者通過微信掃描芝麻油產品上的防偽二維碼查詢產品真偽和各環節溯源信息以及數據的存證信息并參與掃碼領取紅包的營銷活動，消費者掃碼同意獲取定位信息可以領取廠商提供的微信紅包驗證防偽溯源二維碼是否被第一次掃碼驗證，廠商可以根據獲取到的消費者定位信息驗證分銷商貨源銷售情況。與傳統芝麻油供應鏈管理系統相比，基于區塊鏈的芝麻油供應鏈防偽溯源系統具備去中心化防篡改的特性，不依賴某個組織和個人的同時保障數據安全，解決了芝麻油供應鏈管理中的質量安全問題，同時采用本實驗提出的增加Redis緩存的改進鏈上鏈下雙存儲方式方案和Fabric鏈碼直連狀態數據庫查詢方案，在一定程度上緩解了因溯源數據增長過快帶給區塊鏈系統的存儲壓力，使溯源查詢效率明顯提升。

圖7 芝麻油溯源系統信息采集圖Fig.7 Information acquisition of sesame oil traceability system

圖8 芝麻油溯源系統信息上鏈圖Fig.8 Information chain of sesame oil traceability system

圖9 芝麻油溯源系統小程序驗證真偽溯源圖Fig.9 Sesame oil authentication and tracing by mini program of sesame oil traceability system

本實驗系統在企業環境運行過程中，區塊鏈網絡溯源信息正常上鏈未出現崩潰現象，監管機構通過系統后臺根據溯源ID查詢鏈上數據能及時響應并返回完整溯源詳細信息，消費者掃描芝麻油產品上的防偽二維碼在小程序中能快速查詢到產品真偽和產品基本溯源信息，整體運行性能能夠滿足溯源系統應用。本溯源系統能夠幫助企業將芝麻油的全過程質量安全信息（種植、原料、生產、物流、銷售）等環節可視化，使造假者無法模仿出芝麻油生產過程中的全生命周期信息，從而達到防偽的目的。企業也能夠方便快捷地了解銷售點的庫存及出售數據，及時了解產品銷售地域的分布，憑借追溯途徑的統計分析功能，完成防竄貨預警。消費者掃碼查詢產品防偽溯源的同時吸引消費者參與企業的營銷活動，增加消費忠誠度，幫助生產企業了解了消費者的消費模式，為后期企業改善產品提供了強有力的數據支持。

3 結論

本實驗主要探討基于區塊鏈技術的芝麻油防偽溯源系統的設計與實現應用過程，針對現有的基于Fabric框架的區塊鏈溯源系統隨著溯源信息數量持續增加存在的鏈上數據存儲壓力過大、查詢速度慢以及存儲數據安全性差等問題，提出了一種“區塊鏈緩存”的雙存儲設計：將溯源數據哈希值存儲到鏈上區塊鏈和狀態數據庫中，鏈上同時返回區塊鏈對應的哈希值，然后將溯源信息和返回的哈希值存儲在各個節點的Redis緩存數據庫和本地數據庫中。查詢時從Redis數據庫通過溯源信息唯一ID值讀取信息，對獲取的溯源信息再次進行MD5哈希計算，并與通過改進過的Fabric鏈碼直連狀態數據庫方案獲取存儲在區塊鏈上狀態數據庫中的哈希值進行一致性對比，從而驗證溯源信息是否被篡改。通過將以上方案與現有的區塊鏈溯源系統存儲方案和查詢方法進行實驗對比，結果表明：

1）針對區塊鏈中數據不可刪除修改，隨著溯源產業鏈節點拓展和數據劇增，區塊鏈需要存儲的數據量負荷壓力越來越大的情況，本實驗提出了“區塊鏈緩存”的鏈上鏈下溯源信息雙存儲設計，本地數據庫和分布式節點Redis緩存數據庫存儲原始溯源數據，區塊鏈上存儲溯源數據的哈希值，能夠提供鏈上數據高吞吐量和低延時的處理能力，解決數據安全問題的同時能夠保證數據的真偽性。

2）本實驗提出的在本地數據庫存儲信息的同時增加分布式節點Redis緩存數據庫存儲溯源信息的雙存儲方案，一方面解決了線下數據庫過于集中的數據丟失無法追溯的安全問題；另一方面解決了溯源數據查詢分布式負載均衡的問題。同時采用Redis高性能緩存數據庫，在一定程度上，提高了查詢速率。

3）隨著溯源記錄總量的增加，本實驗提出的鏈碼直連狀態數據庫的查詢方法效率明顯提升，當追溯記錄總量300 000 條時為例，本實驗方法的查詢效率較傳統區塊鏈上查詢方法效率提高了47.36%。

本實驗系統不僅實現了芝麻油溯源數據的真實上鏈，消費者還能方便快捷地查驗所購買芝麻油的真偽并能查詢到詳細溯源信息，消除了消費者對芝麻油生產商摻假問題的信任危機，同時也方便監管部門管控取證芝麻油產業鏈數據，實現了“生產企業 監管部門 消費者”之間良好的信任氛圍，可為其他食品溯源防偽提供借鑒和參考。本實驗中提供的一種增加分布式節點Redis緩存的改進鏈上鏈下雙存儲方式方案，在需要存儲查詢海量溯源數據業務場景中有重要的應用，也為其他聯盟鏈平臺的存儲方案提供了應用參考。