基于雙區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)食品追溯方案

劉秀升 郝秋梅 羅詩棟 和斌濤

摘要：區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心、防篡改、分布存儲等特性，本文利用私有鏈的高效性和聯(lián)盟鏈的可擴展性好這些特點設(shè)計了基于雙區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)食品追溯方案，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)食品種植、加工、質(zhì)檢、倉儲、運輸、銷售等過程的追溯，將各個生產(chǎn)過程的詳細(xì)信息存儲在IPFS系統(tǒng)中，將各個生產(chǎn)過程追溯信息的Hash值存儲在私有區(qū)塊鏈上，前一階段在私有鏈中的交易ID將記錄在下一階段的追溯信息中，消費者通過銷售階段的追溯信息結(jié)合IPFS可以獲得農(nóng)業(yè)食品完整的溯源信息，通過將最后銷售階段追溯信息的Hash值作為交易鏈接到聯(lián)盟鏈上，加強方案的安全性和可信度。私有鏈的功能是溯源信息的收集、追蹤，聯(lián)盟鏈的功能是溯源信息的防篡改和驗證。本追溯方案可以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)食品的信息查詢、源頭追溯、商標(biāo)防偽、責(zé)任追究，從而保證農(nóng)業(yè)食品安全。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;Hash函數(shù);追溯;IPFS

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）36-0227-02

1 引言

農(nóng)業(yè)食品安全關(guān)系到每個人的健康，食品安全事故時有發(fā)生，消費者買了一桶菜籽油，諸如油菜產(chǎn)地、油菜等級、加工工藝、加工時間、質(zhì)檢部門的質(zhì)檢結(jié)論、包裝倉儲信息、運輸記錄以及銷售者的資質(zhì)等信息都是消費者關(guān)心的問題，但是由于農(nóng)業(yè)食品從種植、加工、質(zhì)檢、倉儲、運輸、銷售環(huán)節(jié)眾多，涉及人員復(fù)雜，責(zé)任不明確。難以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)食品信息的完全追溯。區(qū)塊鏈技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布存儲，利用區(qū)塊鏈可以保證數(shù)據(jù)不可篡改、信息公開透明、可追溯。已經(jīng)有一些學(xué)者基于區(qū)塊鏈技術(shù)來完成對農(nóng)業(yè)食品各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的追溯[1-4]。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈中的每個區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體構(gòu)成，區(qū)塊頭包含前一個區(qū)塊的哈希值、版本號、難度、隨機數(shù)、區(qū)塊大小、時間戳以及Merkle根，Merkle根由該區(qū)塊中所有交易的Hash值生成，一個交易信息發(fā)生改變則該區(qū)塊的Merkle根就發(fā)生變化，從而可以防止交易篡改，新區(qū)塊中存儲上一區(qū)塊的哈希值，通過這種方式形成一條從當(dāng)前區(qū)塊追蹤到初始區(qū)塊的數(shù)據(jù)鏈，從而實現(xiàn)區(qū)塊鏈中每條數(shù)據(jù)可以追溯，進(jìn)一步實現(xiàn)監(jiān)管和追責(zé)。

區(qū)塊鏈可以分為公有鏈、私有鏈、聯(lián)盟鏈[5]

公有鏈：公有鏈中每個節(jié)點都允許加入?yún)^(qū)塊鏈進(jìn)行交易和驗證，可以真正實現(xiàn)完全去中心化，公有鏈安全性高、效率低，比特幣和以太坊都屬于公有鏈。

私有鏈：只有企業(yè)內(nèi)部經(jīng)過許可的節(jié)點可以加入私有鏈，私有鏈具有高效、大容量等優(yōu)點。

聯(lián)盟鏈：經(jīng)過認(rèn)證后的組織成員可以加入聯(lián)盟鏈，聯(lián)盟鏈介于公有鏈和私有鏈之間，可以實現(xiàn)部分去中心化，超級賬本是聯(lián)盟鏈中的代表。

3 基于雙區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)食品追溯方案

3.1 實體介紹

如圖2所示：本追溯體系包括私有鏈、IPFS（星際文件系統(tǒng)），公有鏈、消費者四個實體。

（1）IPFS：? IPFS是區(qū)別于傳統(tǒng)的基于路徑查找的新的基于內(nèi)容的尋址方法，IPFS系統(tǒng)中每個文件都有一個唯一的哈希標(biāo)識（256Bit），擁有 256比特的哈希值就可以從IPFS系統(tǒng)得到對應(yīng)的文件。

（2）私有鏈：私有鏈由企業(yè)內(nèi)部各個部門構(gòu)成獨立節(jié)點，完成企業(yè)對某產(chǎn)品的信息采集，包括種植部門、加工部門、政府質(zhì)檢部門、倉儲部門、運輸部門、銷售部門以及企業(yè)的監(jiān)管中心對企業(yè)各部門的行為進(jìn)行監(jiān)管。

（3）聯(lián)盟鏈： 聯(lián)盟鏈中的節(jié)點為各個企業(yè)，企業(yè)間相互監(jiān)督、防止對數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改。

（4）消費者：? 消費者有權(quán)限了解所購買的農(nóng)業(yè)食品的詳細(xì)追溯信息以及該產(chǎn)品商標(biāo)是否為復(fù)制品。

3.2基于雙區(qū)塊鏈的追溯方案設(shè)計

1）種植階段交易：種植階段的追溯信息包括農(nóng)作物詳細(xì)種植信息[M0]，種植責(zé)任人簽名[s0]，將本階段哈希值[H0]作為交易上傳到私有鏈中，其中[H0=h（h（M0），h（s0））]同時返回該交易在私有鏈中的交易地址[TX0_ID]，用[H0]為索引上傳到IPFS系統(tǒng)。企業(yè)內(nèi)部擁有[H0]就有權(quán)限從IPFS系統(tǒng)提取完整的種植信息。

2）加工階段交易：加工階段的朔源信息包括詳細(xì)的加工信息諸如加工輔料、加工設(shè)備、加工時間，這些信息記為[M1]，加工責(zé)任人簽名[s1]，上一階段在私有鏈中的交易地址[TX0_ID]，計算[H1=h（h（M1），h（s1），H0，TX0-ID）]，將[H1]作為交易上傳到私有區(qū)塊鏈中，同時返回該交易在私有鏈中的交易地址[TX1_ID]，用[H1]為索引上傳到IPFS系統(tǒng)。企業(yè)內(nèi)部擁有[H1]就有權(quán)限從IPFS系統(tǒng)提取完整的加工信息。

3）按照此種鏈接方法生成銷售階段的交易，銷售階段的朔源信息包括詳細(xì)的銷售數(shù)量、銷售地點、銷售時間打包記為[M5]，銷售責(zé)任人簽名[s5]，上一階段（運輸階段）在私有鏈中的交易地址[TX4_ID]，計算[H5=h（h（M5），h（s5），H4，TX4-ID）]，將[H5]作為交易上傳到私有區(qū)塊鏈中，同時返回該交易在私有鏈中的交易地址[TX5_ID]，用[H5]為索引上傳到IPFS系統(tǒng)。企業(yè)內(nèi)部擁有[H5]就有權(quán)限從IPFS系統(tǒng)提取完整的加工信息。企業(yè)內(nèi)部各節(jié)點對前面節(jié)點的交易有驗證和監(jiān)管的權(quán)限。

4）私有鏈和公有鏈的鏈接，銷售階段完成后以[H5]為交易來生生成聯(lián)盟鏈中的區(qū)塊，同時返回該交易在聯(lián)盟中的地址[TX_id]，這樣對每個商品建立標(biāo)簽，標(biāo)簽包括在私有鏈中的銷售階段的交易地址[TX5_ID]和聯(lián)盟鏈中的地址[TX_id]。

5）消費者溯源：通過掃碼就可以獲得銷售階段的追溯信息在私有鏈中的交易地址，結(jié)合IPFS系統(tǒng)就可以獲得詳細(xì)的銷售信息以及前一階段（運輸階段）溯源信息交易地址[TX4_ID]進(jìn)而獲取運輸信息、依次向前追溯可以獲得倉儲信息、質(zhì)檢信息、加工信息、種植信息。從而得到農(nóng)業(yè)食品的完整溯源信息。如圖3所示。

6）驗證：如果消費者對溯源信息存在質(zhì)疑，可以在權(quán)威監(jiān)管部門（屬于聯(lián)盟鏈中的節(jié)點）的配合下獲取企業(yè)上傳到聯(lián)盟鏈中的[H5]進(jìn)行對比驗證，因為聯(lián)盟鏈的節(jié)點為各個企業(yè)和權(quán)威監(jiān)管部門組成，企業(yè)之間相互競爭相互監(jiān)督，加上權(quán)威部門要篡改聯(lián)盟鏈中的交易信息難度較大，這樣可以驗證企業(yè)是否有篡改交易記錄的行為。

7）追責(zé)：交易生成的每個階段都有責(zé)任人簽名，這樣可以防止抵賴行為，一旦發(fā)現(xiàn)有食品質(zhì)量問題和信息造假行為將追究責(zé)任人的責(zé)任。

8）防復(fù)制：為了防止一些名優(yōu)產(chǎn)品的商標(biāo)被復(fù)制和偽造本文利用劉家稷等在文獻(xiàn)[6]中的balance方案，企業(yè)為每個產(chǎn)品在私有鏈中間建立balance賬號，當(dāng)該產(chǎn)品已經(jīng)銷售時，balance標(biāo)記為1，產(chǎn)品銷售時balance標(biāo)記為0，消費者可以通過balance來判別是否存在商標(biāo)復(fù)制和偽造。這樣也保護(hù)了合法企業(yè)的權(quán)益。

4 結(jié)論

本文利用私有鏈和聯(lián)盟鏈構(gòu)建農(nóng)業(yè)食品追溯方案，在保證系統(tǒng)高效性的同還使得方案有較高的可信度，可以追溯到農(nóng)業(yè)食品生產(chǎn)的各階段完整信息，一定程度上保證了食品安全。但是方案中只是將銷售階段的追溯信息哈希值[H5]作為交易上傳到聯(lián)盟鏈，聯(lián)盟鏈中的其他企業(yè)在商品完成銷售后才發(fā)揮監(jiān)管功能，對種植、加工、質(zhì)檢、倉儲、運輸信息只是企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)管驗證，可信度不強，后續(xù)的研究需要考慮讓聯(lián)盟鏈發(fā)揮更強的監(jiān)管功能。

本方案中將區(qū)塊鏈技術(shù)和IPFS系統(tǒng)相結(jié)合，在私有鏈階段，各生產(chǎn)階段的詳細(xì)溯源信息、相關(guān)責(zé)任人的簽名、前一階段的溯源信息在私有鏈中的地址都將存貯在IPFS系統(tǒng)中，而只將對應(yīng)的哈希值存儲在私有鏈中，從而保證私有鏈能夠高效、大容量的存儲各種溯源信息，本方案沒有對溯源信息進(jìn)行分類加密，合理的做法應(yīng)該是講溯源信息區(qū)分為敏感隱私信息（可能涉及企業(yè)商業(yè)隱私）和非敏感信息，針對消費者和權(quán)威部門設(shè)定不同的追溯權(quán)限，在實現(xiàn)農(nóng)業(yè)食品安全追溯的同時合理保護(hù)企業(yè)的隱私。

本追溯方案私有鏈中的企業(yè)內(nèi)部節(jié)點有權(quán)對各種生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)管，后續(xù)節(jié)點可以通過提取IPFS系統(tǒng)中前面節(jié)點的溯源信息，通過比對溯源信息及簽名哈希值來判定是否存在信息篡改行為，在一定程度上可以實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的監(jiān)管功能。本方案沒有考慮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，各生產(chǎn)階段的數(shù)據(jù)都是人工采集，在下一步研究中，可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合來完善本農(nóng)業(yè)食品追溯方案，將考慮利用各種智能傳感器來定位各環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確地理位置，智能采集作物的生長信息，物聯(lián)網(wǎng)觀測節(jié)點來記錄農(nóng)作物的種植過程、農(nóng)藥使用過程、施肥過程等信息，同時采集農(nóng)業(yè)食品的生產(chǎn)、倉儲、運輸過程的實時視頻，把采集到的視頻信息推送到企業(yè)的云服務(wù)器上，供消費者和監(jiān)管部門查詢?yōu)g覽，消費者通過掃碼就能和田間地頭零距離接觸，讓消費者可以隨時監(jiān)督農(nóng)戶的種植過程，真正從源頭上保證農(nóng)業(yè)食品的安全。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】