基于區塊鏈的香菇可信溯源模型優化研究

摘要：在香菇產品供應鏈中，由于環節眾多而復雜，并要求高水平的食品質量安全監管，這導致信息傳輸的冗余和追溯系統內查詢效率的低下。為解決傳統香菇溯源系統中出現的問題，提出一種利用區塊鏈技術的香菇質量安全可信溯源解決方案。對香菇供應鏈從溯源角度實行各流程分析，對其中的溯源信息和產品信息篩選整理，設計基于區塊鏈的香菇質量安全溯源方案；基于此，利用區塊鏈技術構建香菇質量安全溯源模型，應用供應鏈環節多主鏈的存儲模式和數據快速查詢模型并且設計相符合的智能合約；并對所提出的模型進行驗證分析。結果表明，在使用區塊鏈測試工具Caliper下，建立對比試驗環境進行對比測試，根據使用數據量不同的情況，當供應鏈中的數據量足夠多時，溯源模型的溯源查詢效率、數據吞吐量均相較于傳統溯源模型有較大的提升。以上所提出的區塊鏈溯源模型應用到食用菌香菇產業，能夠實現香菇供應鏈信息安全傳遞和快速溯源。

關鍵詞：區塊鏈；溯源模型；溯源方案；供應鏈溯源；環節多主鏈

中圖分類號：S646.1+2; TP311.13 文獻標識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0178?11

Research on optimization of trusted traceability model of shiitake mushroom

based on blockchain

Lin Mingxia1， 2， 3， Liu Pingzeng1， 2， 3， Jiang Hongtao1， 2， 3， Zhang Xingguo1NhUHnU8liken9qA8NvaFjkWqaFNtOAvUhQhHwEQu46g=， 2， 3， Jin Wenxuan1， 2， 3

（1. School of Information Science and Engineering， Shandong Agricultural University， Tai'an， 271018， China;

2. Huanghuaihai Key Laboratory of Smart Agricultural Technology， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Tai'an， 271018， China; 3. Agricultural Big Data Research Center， Shandong Agricultural University， Tai'an， 271018， China）

Abstract： In the supply chain of mushroom products， due to the numerous and complex links， and it requires a high level of food quality and safety supervision， which leads to the redundancy of information transmission and low query efficiency in the traceability system. In order to solve the problems in the traditional mushroom traceability system， a credible traceability solution for mushroom quality and safety by using blockchain technology was proposed. Firstly， the process analysis of the mushroom supply chain from the perspective of traceability is carried out， and the traceability information and product information are screened and sorted out， and the quality and safety traceability scheme of mushroom based on blockchain is designed. Based on this， the blockchain technology is used to construct the quality and safety traceability model of shiitake mushroom， and the storage mode and data fast query model of multi?main chain in supply chain are applied to design the corresponding intelligent contract. Finally， the proposed model is verified and analyzed， and conclusions are drawn. The results show that under the use of the blockchain test tool Caliper， a comparative experimental environment is established for comparative testing. According to the different amount of data used， when the amount of data in the supply chain is sufficient， the traceability query efficiency and data throughput of the traceability model are greatly improved compared with the traditional traceability model. The blockchain traceability model proposed above is applied to the edible mushroom industry， which can realize the information security transmission and rapid traceability of the mushroom supply chain.

Keywords： blockchain; traceability model; traceability solution; mushroom supply chain traceability; loop multi?main chain

0 引言

香菇是一種重要的食藥用真菌，其質量安全問題一直是人們關注的焦點。香菇生產過程中的污染、使用過多的化學肥料和農藥以及不規范的保存環境都可能對其質量產生負面影響[1]。按照市場監督管理部門的要求，凡是在上市的食品都要出示可追溯證明，否則就不能流通銷售。而現有的追溯模式是將數據保存到一個數據庫中，當數據庫中的數據被上傳和修改時，會產生被修改的危險[2]。由于香菇追溯的信息是分散存儲在整個供應鏈中的不同數據庫中，為了完成追溯工作，必須逐一調取每個數據庫的數據，導致追溯工作的效率低下。現有的溯源模型在香菇供應鏈中很難得到很好的運用[3]，所以迫切需要一種可信、高效的溯源模型。

在對農產品供應鏈的追溯的研究中，有些研究將射頻識別設備、二維碼、同位素技術和手機無線監控等技術相融合，為整個供應鏈的追溯過程提供了一個完整的溯源模型[4?7]。建立可溯源供應鏈來滿足農產品可追溯性和食品品質安全的要求，但現有追溯方法仍然面臨挑戰。由于供應鏈中企業所處的基礎數據的差異，造成了“信息孤島”；溯源系統缺乏抗偽造的能力[8?10]。區塊鏈技術因其具有的非偽造、分散等特性，能夠突破各行業之間的隔閡，達到數據的分享，因而被廣泛用于追溯體系中。近年來，基于區塊鏈技術的量子密鑰分配方法被國外研究人員用于農產品溯源[11?13]，以增強數據安全性，并與風險分析和關鍵的控制點相融合，來保證產品的安全[14， 15]。

在使用溯源系統期間，由于區塊鏈的存儲機制[16]，數據獲取需要不斷遍歷多個區塊。這種重復遍歷過程將會導致操作效率降低，以此來換取數據安全性，導致區塊鏈技術應用在香菇供應鏈溯源中存在某些限制，無法恰當地被應用[17]。為了提高區塊鏈溯源的效率，需要解決其低效的問題，一些研究采用將區塊號存儲在本地數據庫中，并通過此與溯源模型連接，實現快速溯源[18]。但是，在溯源過程中使用本地數據庫會降低區塊鏈的不可篡改性、分散性和分布性[19， 20]。

本文在總結分析香菇供應鏈溯源問題的基礎上，應用區塊鏈技術構建香菇質量安全溯源模型體系結構，設計香菇供應鏈信息溯源的快速查詢模式，開發香菇供應鏈信息對應智能合約。采用區塊鏈的分布式存儲和智能合約技術，實現供應鏈環節多主鏈存儲模型的快速可追溯，從而提高所構建的香菇質量安全溯源模型的查詢效率和防篡改能力。為提高基于區塊鏈的香菇質量安全追溯模型的查詢效率和防篡改能力，對香菇供應鏈各環節信息從溯源角度進行剖析，對其各節點的溯源信息進行梳理和提取，設計基于區塊鏈技術的香菇質量安全追溯方案，在制定相應的智能合約的基礎上，建立基于區塊鏈的香菇質量安全溯源模型。

1 相關技術基礎

區塊鏈是一個分布式的數字賬本，允許在塊中存儲多個交易記錄，并由節點網絡實現安全維護[21]，以此保證存儲信息的安全，區塊鏈連接示意如圖1所示。

區塊鏈由多個相互連接的區塊結構構成[22]，區塊是能夠記錄交易細節的最小區塊鏈單位。一個典型的區塊由區塊頭和區塊體組成。其中，區塊頭包含了相應元數據的關鍵信息，例如當前區塊哈希值、前一區塊哈希值、區塊編號以及時間戳等。另一方面，區塊體部分則記錄了交易明細，如交易數量、交易ID及相關交易方地址等。這些信息綜合起來形成了區塊鏈上的每個區塊，并在實踐中得到了廣泛應用。通過此機制，區塊鏈確保了交易信息的可靠性、透明度和不可篡改性[23]。在區塊鏈中，節點計算能力和共識效率有限，其交易吞吐量會隨著數據量的增加而迅速下降[24， 25]。

智能合約是運行在區塊鏈上的計算機協議，當滿足提前設定的條件時，程序自動執行合約，實現合約所代表的義務。在以太坊公有鏈中，網絡中的所有節點的智能合約可以同時運行，只要開始運行，就不能停止。智能合約受益于區塊鏈的去中心化和不可篡改性，因此區塊鏈技術的發展為其帶來更多發展機遇[26， 27]。

2 基于區塊鏈的香菇質量安全溯源方案設計

2.1 香菇供應鏈信息分析

香菇供應鏈具有環節多、主體獨立、監管部門對香菇的高可追溯性要求，引起了業務信息數據結構在記錄和傳輸上不一致，因此需要處理大量數據[28]。本文根據香菇供應鏈的信息特征，香菇的供應鏈可以追溯至其生產制造的多個環節。該供應鏈流程可劃分為不同的生產流程環節，包括菌棒生產、菌棒接種、香菇培育、儲存、加工和運輸以及銷售和消費者對其的使用，如圖2所示。香菇供應鏈的商業信息可分為溯源信息和本環節全部信息。前者可方便消費者查詢產品信息；后者包含香菇產品信息、環境因素及具體操作等。

針對生命周期復雜多樣的香菇供應鏈中溯源信息繁重冗余以及參與到的人為操作較多且環境要求較高等問題，先劃分供應鏈中各個環節，對關鍵溯源環節進行篩選，整理各個關鍵環節中的溯源信息，準確定位問題的原因和了解香菇產品的流通過程。不同環節節點需要采集的溯源信息屬性不同，規范化的定義能夠通過符號來展示[29?31]，不同階段的香菇產品信息可以用不同的符號來代表，對于規范化存儲溯源信息具有重要意義。

香菇供應鏈的質量安全溯源主要分為三個階段：產前、產中、產后階段。產前階段是在香菇栽培過程之前需要完成的步驟，包括原料處理、菌棒制作、培養菌種和接種以及作為本文溯源系統追溯鏈源頭的事前工作。產中階段是從菌棒裝棚到成菇采摘，這一階段是整個供應鏈的核心。產后階段是涉及香菇產品生產的最后一部分，其中加工和包裝環節環繞工廠進行，運輸環節標志著產品真正流通，而銷售環節則是香菇供應鏈的最終環節，同時也是直接面向消費者的環節。供應鏈中各個環節間香菇標識屬性不盡相同，這為單獨的環節間建立聯系提供了前提條件，保障了香菇產品的質量安全可信溯源。

2.1.1 產前階段

此階段主要為香菇生長前的準備工作階段，主要包括菌棒制作和菌棒接種環節，每個節點需要將每個環節所需的信息上傳到區塊鏈中，鏈中初始區塊開始創建。數據資料上鏈過程中，應用一種基于智能合約驅動的身份認證和數據信息安全存儲方法，該方法結合了數據分片技術以實現分布式存儲。

2.1.2 產中階段

此階段包括香菇培育環節和存儲環節，在香菇的培育環節中，會將各項生產資料以及相關信息記錄存儲，并上傳至區塊鏈。當抵達存儲節點時，節點將會進行交易發起過程，在此過程中，交易雙方將利用密碼學密鑰進行區塊驗證，同時在區塊鏈技術的支撐下運行智能合約實現交易的自動執行。在這個過程中，所有成員必須通過事先設定的審核程序進行身份驗證和授權才能完成交易，授權角色將進行替換。在交易操作中，政府監察部門作為該鏈上的一節點存在，有權訪問和審查各種信息，滿足條件后，將簽署私鑰，以驗證此環節是否符合標準。在存儲環節中，倉庫從前一個環節接收到香菇產品后，就能對產品信息進行訪問和維護，并改寫存儲到區塊中。在香菇產品流通過程中，應用智能合約和共識算法來實現信息的更新和對鏈路塊的訪問。

2.1.3 產后階段

此階段包括加工、銷售和物流環節，在收到來自于上一環節的香菇產品后，需要寫入加工、物流和銷售各個環節的信息。在加工環節，需要寫入加工信息、檢驗合格信息和香菇產品包裝信息等。檢驗信息需要由監管部門進行檢驗，并通過數字簽名驗證產品是否合格。它與香菇產品信息一起寫入塊中。不僅包括包裝信息，還應包括產品生成的溯源源代碼或者條形碼，方便消費者追溯性查詢。在運輸環節，需要在更新香菇產品信息的同時提供該環節的信息。在運輸過程中，流通的香菇產品也應包含產品標識，方便在此供應鏈中各個環節以便于當前節點與下一個節點之間的連接管理。在產品營銷過程中，香菇作為一種商品需要通過物流手段被運輸到位于不同地區的銷售企業以滿足當地市場需求。銷售企業需要通過確認產品來源和銷售信息等方式保證產品數據的完整性，并將其補充其當前已有的產品信息，以提供更好的銷售服務及維護消費者信任度。

2.2 香菇供應鏈流程方案設計

香菇供應鏈的質量安全追溯涉及原料處理、菌棒生產、菌種培養、香菇子實體培養、香菇加工、儲存、運輸、銷售等環節。各個環節的高效配合，是保證香菇產品的有效溯源的前提。本節針對香菇供應鏈和傳統溯源中存在的問題，提出了基于區塊鏈的香菇供應鏈流程設計，并選擇區塊鏈的應用方式匹配到供應鏈的各個環節中，通過智能合約與共識算法的協同，實現供應鏈溯源數據的軟硬件銜接，以傳輸信息，繼而得出區塊鏈在供應鏈中的應用方式。供應鏈流程如圖3所示。

2.3 數據采集與存儲設計

2.3.1 數據采集

國際標準化組織（ISO）在ISO 22005∶2007中給出的可追溯性的定義是“跟蹤飼料或食品經過生產、加工和分銷的特定階段的能力”。農產品質量安全追溯系統是一種記錄和查詢特定農產品從生產、流通到消費全過程的系統，其主要目的在于促進農產品質量與安全管理。

為了解決菇房信息采集技術因布線困難和高功耗而產生的問題，建議采用異構傳感器網絡系統來獲取不同菇房環境下的生產信息。然而，由于異構網絡之間通信協議和數據格式不一致，并且大量設備缺乏IP通信能力，這些數據的整合和融合變得具有挑戰性。因此，也可輔助加入邊緣網關，這使得延遲和功耗的問題能夠被解決[31?33]。

此外，整個供應鏈上的所有節點都需要相互協調地參與到溯源過程中以此來保證最后溯源結果的可靠性。由于參與者之間信息交流缺失，這導致溯源信息收集變得困難，使香菇產品的可追蹤性降低。為此，可以使用標簽作為流轉過程中信息記錄的載體，以提高生產效率，并將關鍵數據存入區塊鏈以提高數據可靠性，讓參與者放心參與溯源過程。

2.3.2 供應鏈環節多主鏈存儲

香菇供應鏈具有參與主體節點多、產業鏈長、涉及范圍廣、數據量大且多源異構等特征[13]，香菇產品質量安全數據來源于供應鏈生產、加工、倉儲、銷售、品牌、體驗、消費、服務等產業鏈實際流程。企業可以將數據分為保密性數據和非保密性數據兩大類，而保密性數據可以進一步劃分為核心保密數據和非核心保密數據。核心保密性數據包括但不限于香菇加工工藝、加工配方、具有知識產權的特色農產品種苗栽培技術等涉及企業關鍵科技信息以及員工隱私信息等不適合完全公開的非核心保密數據，這兩種數據認定為保密性數據；非保密性數據也包括兩種，分別為產品質量安全核心非保密信息和產品質量安全非核心非保密信息，例如農事操作信息、農殘檢測信息、香菇品質檢測信息等質量安全核心非保密信息以及資質管理信息、菇房基本信息、倉庫基本信息、香菇產品溯源環節中的圖片、視頻、文件等質量安全非核心非保密信息。由此根據香菇供應鏈質量安全信息保密性、重要度的要求不同以及數據類型適合的存儲方式不同，可將數據分為四個等級，分別為核心保密數據與非核心保密數據、核心非保密數據和非核心非保密數據，對不同環節的數據采用不同的存儲策略，達到保證區塊鏈上存儲數據安全性、保密性的同時降低鏈上存儲壓力與投入成本，進一步提升溯源系統的溯源性能。

數據分環節存儲機制意在針對多種不同類型數據，根據其重要度、保密性、數據適宜存儲方式等多方面因素，劃分不同等級，采用鏈上鏈下多種數據存儲方式并行的存儲策略，解決在香菇溯源過程中，隨著數據量不斷地增大與節點增多而導致的區塊鏈網絡中各節點存儲壓力大、網絡阻塞、查詢效率低、數據安全隱患大等問題，還降低了數據存儲系統的設備性能要求與投入成本。通過分析香菇供應鏈，設計區塊鏈中溯源模型的映射關系數據結構，溯源查詢效率的提高在于供應鏈中所展現的數據映射關系，是溯源碼和區塊鏈中交易地址的一對多的關系。當溯源系統進行數據查詢時，能夠通過它們之間的映射關系才產生導航索引，以此來提高數據查詢效率。鏈中的根節點記錄了產品溯源碼、各階段批號或單號和交易地址，環節鏈中的交易具有唯一性，能夠將香菇供應鏈中各環節的信息進行分類存儲。以此能夠達到流通市場的要求，從而在數據上鏈的過程中實現了防篡改功能。

2.4 數據的關聯

2.4.1 溯源粒度的確定

香菇供應鏈各環節的生產信息，通過可追溯源代碼的鏈接，可以形成完整的可追溯數據。但值得考慮的是，哪種粒度的香菇產品應該作為可追溯的源代碼識別對象。

從供應鏈網絡中分離香菇前后端環節的對應關系模型進行剖析，選擇末端產品作為跟蹤對象。復雜的供需關系網絡是由香菇供應鏈的各個環節構成的，針對同一環節，不同的原料可能由前端的多個環節輸送，也可能該環節的不同產品同時出口到末端的多個環節。由于香菇產品的供求關系較為復雜，因此前末端關系可以從以下兩方面進行分析，即環節層面和產品層面。

產品層次的分析結果是在環節層次分析的基礎上形成，將香菇供應鏈各環節剔除多余的前后端關系，各節點接收環節信息以及本環節內的信息，這種前后端關系可視為各節點間繁復關系的基本組成單位；在此基礎上，前后端關系的粒度進一步細化到產品層次，前端輸出的是此環節的香菇產品，后端接收的為當前環節的香菇產品，各環節間前后端關系的實質是產品間前后端關系；基于此，簡化環節層次以及其他無關產品，只保留一種后端產品和其對應的前端原料產品。簡化的前后端關系可以看作是香菇供應鏈中復雜關系的基本單元。

2.4.2 香菇供應鏈溯源編碼

溯源碼是香菇追溯信息的載體。可追溯系統的可追溯碼的建立是實現跟蹤或可追溯的關鍵環節。可追溯的源代碼是每個香菇產品的唯一標識。經過一系列的香菇供應鏈溯源流程后，基于區塊鏈溯源編碼規則對應生成溯源編碼。鑒于香菇供應鏈環節復雜，采用批次可追溯編碼的方法來準確、快速地識別，對同一批次的香菇定義同一生產單位、同一品種、同一采菇日、同一采收等級。

溯源碼由24位字節碼組成，包括6位地區郵編、4位企業代碼、6位產品代碼、6位生產日期代碼、1位認證類型代碼和1位校驗碼，郵編源自企業位置，企業代碼來源于當地流量號，產品代碼由產品類型、菇種名稱和類別組成，生產日期編碼采用XX-XX-XX格式，認證類型有1無公害、2綠色產品、3有機認證和0無認證類型，校驗碼由CRC循環冗余碼生成。其溯源編碼示例如圖4所示。

2.4.3 溯源數據的關聯

溯源碼和流程環節的接口是保證模型中關鍵數據實現的基礎。區塊鏈上的信息數據上鏈時，各個節點能夠通過調用相匹配的智能合約來生成一個唯一的、與該節點相關的溯源編碼[34]，以實現對這些信息的追溯和跟蹤。在產品溯源的過程中，這個溯源碼可以標識到相應的環節。在此基礎上，回溯到上一環節可以利用可分支溯源碼的編碼規則，各環節的數據接口能夠對信息進行查詢，通過此方法能夠查詢供應鏈上的所有環節的信息，將整條供應鏈上信息數據關聯起來。

3 基于區塊鏈的香菇質量安全溯源模型構建

在基于區塊鏈的可追溯方案的基礎上，運用區塊鏈關鍵技術實現香菇產品的可追蹤性，建立了基于區塊鏈的香菇產品可追溯模型，以保證香菇供應鏈信息的公開透明和系統的去中心化。

3.1 溯源模型設計

對香菇產品溯源過程進行分析，溯源流程主要涉及菌棒制作到成菇采摘、倉儲、加工、運輸和銷售等環節，其中，培育環節與倉儲環節主要涉及農事操作與庫存量、倉儲日期等非保密性數據，而加工環節所涉及的復雜的加工流程、成品配方、加工工藝等數據則屬于保密性數據。從消費者角度來看，產品質量安全相關的信息將存儲在區塊鏈上，而產品質量安全非相關的信息則存儲于鏈下。對于保密性的數據，將采用加密算法進行加密處理后存儲于保密性數據賬本中；而非保密性數據則以明文的形式存儲于非保密性數據賬本中。

傳統的溯源模型的數據上鏈是應用的單一的區塊鏈，香菇供應鏈中各個環節的數據是單獨上傳到區塊鏈上的，并且鏈上的數據也不是按順序上傳的，數據查詢時需要遍歷全部數據才能查找到。本文提出一種基于區塊鏈和傳統香菇產品溯源特點的質量安全溯源模型，該模型通過采用分布式存儲機制實現可信溯源，將溯源數據存儲在賬本中。具體而言，在香菇產品流程中，利用區塊鏈技術實現可信溯源，并將其保存在對應的賬本中，從而確保溯源數據的安全性和可信度。這樣的方式，不僅能夠提高溯源系統數據的防篡改性、安全性，也能夠提高溯源數據查詢的效率。

綜上所述，采用“環節鏈+數據分環節存儲”的存儲結構，實現覆蓋香菇產品供應鏈溯源全流程，以提高可追溯性數據可信度。為了提高保密性數據安全性，將加密算法嵌入智能合約中，并設計加密智能合約，將數據加密存儲至主鏈，同時將保密性數據賬本錨定側鏈，將加密智能合約嵌入側鏈，將加密解密操作轉移至側鏈實現，以減輕主鏈數據存取壓力，提升溯源系統性能。模型結構圖如圖5所示。

從菌棒到銷售成品香菇，香菇供應鏈有多個流程節點，每個參與的節點是保證香菇產品信息傳遞的關鍵，可以對節點編設密鑰，儲存每個環節香菇產品的詳細信息，以至于在供應鏈中，每個參與者都可以使用加密技術來保護自身信息。在香菇產品貿易過程中，參與者需要采用非對稱密鑰加密技術進行身份認證，并達成共識，以便于實現產品歸屬關系的轉讓。

數據的公開性和透明度是由共識算法來保證。例如，在供應鏈中，香菇產品信息將通過節點向整個網絡發起廣播，經過確認后將被分發并儲存在分布式賬本中。經過對智能合約進行編碼設計，香菇供應鏈的實際需求也能夠被滿足，確保每一次香菇產品的信息傳輸和位置變化都被區塊鏈記錄，這是有效的。例如，當生產商將香菇產品運送到運輸環節時有一份合同，當物流將香菇產品運到銷售商店時也有一份合約。在香菇供應鏈的過程中，智能合約代替傳統的溯源系統，以代碼的形式實現合同簽署的一系列流程，使得香菇產品的全過程信息具有透明性、不可篡改性。

在供應鏈中即使出現節點報錯問題，供應鏈系統仍具有容錯性，并且能夠通過數據恢復技術恢復受影響節點的數據，以確保整個系統的持續性能力。涉及到的節點可以在此分布式網絡中具有讀寫功能，以同步塊鏈數據，進而實現對香菇產品信息的可靠跟蹤和追溯，以期實現系統去中心化，并確保數據真實性。

3.2 數據快速查詢模型

針對香菇供應鏈中復雜的數據量，如何在溯源查詢過程中既能夠保證數據的安全性又能夠提高其查詢效率，是設計數據快速查詢模型的重點。針對于供應鏈主鏈存儲少量的映射關系數據，主要的信息存儲在各環節主鏈中，建立環節鏈于供應主鏈之間的映射關系，能夠減少查詢數據時的遍歷查詢。

如圖6所示，數據快速查詢模型的具體操作如下：建立區塊鏈網絡；客戶端節點注冊；香菇供應鏈溯源數據采集；編寫智能合約；香菇供應鏈溯源數據上鏈；香菇供應鏈數據快速查詢。

3.3 加密算法設計

區塊鏈技術的安全性通常從數據、網絡、共識、合約4個方面分析。本文區塊鏈基于傳統區塊鏈技術架構，對區塊的數據結構進行改進，保留了傳統區塊鏈的網絡、共識、合約技術的底層框架。因此，主要考慮到區塊鏈中數據的安全，根據區塊數據結構構建了加密算法，區塊內所有業務數據根據圖區塊加密算法得到最終的哈希值，稱之為哈希根。任意一個業務數據被篡改，哈希根均會發生改變，通過此方式保障區塊鏈數據的安全。

Step1：首先計算區塊中某個實體數據D1的哈希值，稱為Hash D1。

Step2：找到剛訪問的實體數據D1的第一個未被訪問的鄰接實體數據，計算出該實體數據與兩實體數據之間連接的關系數據的哈希，然后將計算的哈希值進行串接再進行哈希運算得到新的哈希值接著再遍歷D1未被訪問到的鄰接實體數據，重復此步驟，直到D1所有鄰接實體數據全部被訪問為止。

Step3：依次訪問Step2未被訪問的鄰接實體數據，然后依次訪問各鄰接實體數據的未被訪問的鄰接實體數據，直到所有實體數據都被訪問為止，并計算出最終的哈希根。

3.4 網絡層設計

網絡成員主要包含數據采集端，共識節點和用戶終端。數據采集端采集原始數據并上傳請求到共識節點，各企業和監管部門作為共識節點以P2P組網方式通信并對數據信息達成共識，共識完成后，將數據信息加入本地區塊鏈，用戶終端對共識節點發起查詢請求，節點返回響應結果，溯源模型的網絡拓撲如圖7所示。

3.5 智能合約設計

在香菇供應鏈中，重要數據上鏈是通過運用上鏈合約實現的。這些合約的處理部分負責執行安全性判斷功能，以監督香菇產品的食品質量安全，并將其上傳到區塊鏈賬本。在存儲環節中，一個JavaScript對象可以通過使用不同的信息模板，用戶可以調用適當的智能合約以將其追溯信息上鏈。上傳的信息將會記錄在區塊鏈賬本中，并返回一個交易哈希地址作為該信息在區塊鏈中的唯一標識符。因此，智能合約扮演了促進數據上鏈和保障食品質量安全的關鍵角色。具體的操作方法可以通過偽代碼來實現，如圖8所示。

該流程使用映射合約將映射關系寫入主鏈，以使香菇產品在映射合約中具有唯一的溯源碼和與之對應的交易哈希地址。若香菇產品尚無映射關系，則在映射合約中創建新的映射關系；反之，則更新已有的映射關系。各環節節點需調用智能合約完成上鏈操作，其中，智能合約首先將本環節的數據上傳到相應子鏈，并在溯源碼和子鏈交易哈希地址之間建立映射關系。若映射關系中已存在該溯源碼的數據，則會對其相應交易哈希地址進行更新。

為了建立香菇產品的映射關系，可以利用智能合約在主鏈上記錄相應的信息，如圖9所示。

這一算法通過調用智能合約實現，供應鏈節點需要將它們所收集到的數據上傳至相應的子鏈，并且利用智能合約創建溯源碼和子鏈交易哈希地址之間的映射。如果該香菇產品已經存在映射關系，則需要更新其對應的交易哈希地址。該算法有助于促進供應鏈端到端的透明度和可追溯性。

提出一種通過使用特定的溯源碼查詢合約偽代碼來實現香菇產品的溯源查詢并獲取與其相關信息的方法。該方法可在子鏈上執行，并有效地減少了查詢的重復性，其具體流程如圖10所示。

4 基于區塊鏈的香菇質量安全溯源系統設計

4.1 系統設計思路

提出一種基于區塊鏈的香菇質量安全溯源系統，通過區塊鏈技術，記錄香菇供應鏈中每個環節的信息，并使用時間戳記錄時間順序，從而保證對香菇整個生命周期的全過程進行良好的追蹤和記錄。由于區塊鏈具有去中心化和不可篡改等特點，因此可以將香菇生命周期信息進行分布式存儲，并利用私鑰進行信息查詢和反饋。此外，區塊鏈技術能夠通過提升數據的安全性和可靠性來增強數據的保護，該技術利用不可篡改性和去中心化屬性來保證數據的完整性和真實性。

4.2 系統總體架構

如圖11所示，該香菇質量安全溯源系統的總體設計采用了三層架構設計，分別為數據應用層、數據管理層和數據采集層。其中數據應用層負責提供對用戶的業務功能操作接口，數據管理層則負責管理各個業務功能所需的數據存儲、處理和維護等操作，數據采集層則負責在香菇生產過程中收集和采集相關數據，以利于向上層提供準確的業務據支持。三層之間具有一定的耦合性和分工明確的特點，從而提升了系統運行效率和整體性能。

由圖11可知，應用層和數據管理層承擔不同的職責。應用層為消費者和供應商提供可追溯性信息查詢服務，而數據管理層則負責區塊鏈存儲系統的運行和數據存儲。數據收集層利用終端軟件和硬件傳感器或應用程序，上傳有關香菇培育、加工、物流和銷售的數據。在數據應用層，消費者可以訪問有關供應鏈上各種生產企業的信息、生態環境監控數據以及產品信息的變化，例如儲存期間的溫度控制數據和加工期間的滅菌等。

在數據管理層，該系統采用區塊鏈技術對數據進行區塊化處理，其中區塊包含時間戳功能，從而能夠實現全流程數據追溯。基于區塊鏈共享機制，所有用戶都可以透明地查看溯源信息。考慮到區塊鏈技術的不可篡改性，銷售商無法修改或刪除產品的生產日期和保質期等原始記錄信息，因此需要尋找其他方式來解決即將到期的香菇產品的保質期問題。該系統建立了一種數據對應的映射機制，以確保電子商務交易數據與區塊鏈數據之間的高度數據一致性，并保證整個追溯系統具有高可靠性。

在數據采集層，數據在供應鏈上傳輸能夠通過傳感器和分布式網絡獲取。由于區塊鏈技術的去中心化特點，數據被存儲在分布式賬本中，因此供應鏈上的任何節點無法篡改信息。假設某個中間商想欺騙消費者，將劣質產品偽裝成優質產品，它無法直接篡改已經存儲在區塊鏈上的信息。即使中間商試圖從數據源頭開始造假，也無法完成數據采集。這表明，在區塊鏈技術中，數據錨定到分布式賬本是無法被篡改或刪除的，可確保供應鏈的透明性、安全性和可靠性。

5 試驗驗證

現階段的香菇供應鏈溯源的數據存儲主要是單一數據鏈存儲，將和本文所提出的來進行對比分析。為了搭建區塊鏈試驗環境，配置32 GB運行內存、1 TB硬盤容量、100 Mb/s網絡帶寬，并采用Hyperledger Fabric 1.4.2作為區塊鏈架構，基于Ubuntu 16.04操作系統和Docker 19.03容器技術，確保環境穩定高效，并使用區塊鏈測試工具Caliper對比測試。

將數據量作為變量進行測試數據查詢時間，測試結果如圖12所示，當進行溯源數據查詢時，現存的單一鏈模型查詢時間隨要查詢數據量的增加而呈現等比例增加，而供應鏈環節多主鏈模型的查詢時間起伏波動不大，均低于單一鏈模型查詢。

對于吞吐量，將節點數量作為變量來進行測試，隨著測試節點數量的增加，系統吞吐量會逐漸增加。測試結果如圖13所示。經過試驗對比得出，與傳統的單鏈存儲模型相比，在節點數量較多時，環節多主鏈存儲模型可以大大提升查詢效率，并且對吞吐量影響較小。

6 結論

1） 區塊鏈的去中心性、不可篡改性和存儲式分布性等特征使其具有良好的可擴展性和可用性，可以廣泛應用于農產品溯源系統。根據香菇供應鏈溯源的實際需求，對其溯源方案進行設計；在此基礎上，構建基于區塊鏈的香菇質量安全溯源模型，確保信息的公開透明和無縫連接，并提高系統查詢的效率；設計數據上鏈的智能合約，以監督香菇產品的食品質量安全，使香菇供應鏈各環節間的數據能溝進行加密交易和無縫銜接。基于以上研究，設計基于區塊鏈的香菇質量安全溯源系統方案，為后續的系統的開發打下堅實的技術方案和模型基礎。

2） 所提出的溯源模型為香菇產業提供一種可靠和適用的方案，保證消費者獲得真實的香菇溯源信息。同時，該模型還為監管者提供一個方便高效的監管模型。然而，隨著區塊鏈技術的快速發展，基于區塊鏈的溯源模型的性能和節點共識的效率在目前尚未完全成熟。因此，后續研究需要重點解決模型的改善以及節點共識效率的提高。

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