區(qū)塊鏈技術在煙草溯源和防偽中的應用

王黎亞 謝祖光 李海峰 楊國輝 李江城

【摘 要】長期以來，煙草溯源和防偽一直是煙草行業(yè)面臨的難題，然而區(qū)塊鏈技術的獨特優(yōu)勢為解決煙草溯源和防偽提供了可能。文章利用區(qū)塊鏈數據結構理念，從理論層面和實際應用層面深入剖析煙草產業(yè)鏈中的溯源防偽問題，并進行實際場景應用設計，實現煙草從支、包、條到箱和批次通過層疊式merkle樹實現管理，保證區(qū)塊鏈中煙草的真?zhèn)闻c溯源，解決了煙草在運輸環(huán)節(jié)和煙草售賣環(huán)節(jié)的痛點問題。

【關鍵詞】區(qū)塊鏈;煙草溯源;防偽;煙草產業(yè)鏈

【中圖分類號】F49;TP3 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）01-0041-03

0 前言

隨著大數據、云計算、移動互聯網等信息技術的普及，人類社會已進入從傳統(tǒng)信息社會向智能信息社會的過渡階段。區(qū)塊鏈是近年來迅速發(fā)展起來的最重要和最具創(chuàng)新性的技術，呈現出爆炸性的增長態(tài)勢，具有巨大的應用潛力（Peters和Panayi，2016[1];Pilkington，2016[2]）。目前，區(qū)塊鏈技術在供應鏈中的應用研究主要集中在可追溯性和信用問題上。將區(qū)塊鏈的獨特優(yōu)勢應用于煙草產業(yè)鏈，能夠解決煙草溯源和防偽問題。

本文深入剖析煙草產業(yè)鏈中的溯源防偽問題，并進行實際場景應用設計。充分利用區(qū)塊鏈數據結構理念，對每支煙草、每包煙草、每條煙草、每箱煙草和每批次煙草嵌入hash值，實現煙草從支、包、條到箱和批次通過層疊式merkle樹實現管理，保證區(qū)塊鏈中煙草的真?zhèn)闻c溯源，解決了煙草在運輸環(huán)節(jié)和煙草售賣環(huán)節(jié)的痛點問題。本文的研究內容除了能夠豐富該領域的學術成果之外，還為煙草溯源防偽在實際中的應用提供了清晰的思路，具有較強的應用價值。

1 理論基礎分析

1.1 區(qū)塊鏈內涵

區(qū)塊鏈不僅是一種技術，更代表一種理念，區(qū)塊鏈思維是以“共享價值鏈”為主要特征的“眾治共贏模式”，是數字化世界的一張通行證，是提前觸摸未來的一份行動指南（黃莉，2020）[3]，具有鮮明的去中心化、強認證和抗篡改特性（Nakamoto，2008）[4]。雖然近年來區(qū)塊鏈的潛力被逐漸挖掘并應用到貨幣系統(tǒng)之外的諸多領域，但由于該技術目前還不夠完善，變體也有很多，所以截至目前對該技術依然沒有一個確切的定義。在何蒲（2017）[5]、邵奇峰等學者（2018）[6]，以及陳偉利和鄭子杉（2018）[7]等學者的研究中，都只是抽象、概括性地介紹了區(qū)塊鏈技術中的幾項核心技術，大多著重于介紹，而沒有從理論、形式化的證明中展現出各項技術的發(fā)展情況。

區(qū)塊鏈本身具備的特殊性，使得其在相關行業(yè)的應用中能夠實現分布式核算流程，不需要任何中介機構或中介機構的介入，并通過智能合約自動完成交易，特別是在供應鏈體系的應用場景中，這種優(yōu)勢尤為明顯，能夠保證交易的安全性，在有效解決信息不對稱問題的同時，還能降低交易風險。區(qū)塊鏈技術的信息共享特性使得供應鏈上、下游成員的交易更加透明，可以充分利用上、下游供應鏈的資源，降低交易成本。

1.2 區(qū)塊鏈數據結構特征

在區(qū)塊鏈的數據結構中，數據的存放形式是以區(qū)塊（block）的方式體現，每一個區(qū)塊都能清晰、準確地記錄所有交易活動，最終所有區(qū)塊結合形成完整的交易記錄。大量的區(qū)塊相互鏈接，組合形成區(qū)塊鏈數據庫，是一種新的數據庫組織形式（Rui Wang等，2019）[8]。區(qū)塊鏈數據存儲過程涉及區(qū)塊、鏈結構、哈希算法、Merkle樹和時間戳等技術要素。區(qū)塊鏈中的數據結構根據不同的應用會有所不同，但基本都是由區(qū)塊頭（塊頭）和區(qū)塊體（塊身）組成。區(qū)塊體保存的是若干條記錄及由每條記錄的Hash值構成的二叉Merkle樹。區(qū)塊頭一般包括前一區(qū)塊的Hash值（Hash指針）、隨機數、目標Hash（本區(qū)塊的Hash值）、Merkle根，有時還會有用于PoW的計算困難門限值Difficulty等。根據不同的應用，塊頭和塊身的數據項也會有所不同。根據需求，可以建立單鏈結果，還可以建立雙鏈結構。

區(qū)塊鏈數據結構特征為煙草溯源和防偽提供了很好的理論支撐和實際應用指導，如果將上述區(qū)塊鏈的特點應用在煙草領域，通過區(qū)塊鏈進行煙草防偽與溯源可以大大降低交易成本，縮短交易處理時間，提高交易安全性。更具體地說，卷煙供應鏈體系具有顯著的中心化特征，煙草產業(yè)鏈中每一個環(huán)節(jié)對應不同的主體和相應的唯一存在性證明。將區(qū)塊鏈這種數據加密技術應用于煙支信息的存儲和加密處理，能夠實現從卷煙種植、生產、銷售等全產業(yè)鏈流程管理。

2 煙草防偽與溯源：應用場景

2.1 區(qū)塊鏈賦能煙草溯源與防偽的必要性

根據卷煙商品的生命周期，卷煙商品從選種開始，歷經選種、基地育苗、區(qū)域種植、基地化生產、煙葉收購、煙葉調撥、煙支生產、卷煙批發(fā)、卷煙零售為一體的從原材料到產品交易的整個鏈條，涉及產品生產和流通過程中原輔材料供應商、卷煙生產企業(yè)、煙草商業(yè)公司、零售商及最終消費者等，上、下游環(huán)節(jié)相互鏈接共同組成具有網絡結構的卷煙產業(yè)鏈，包含物流、信息流、資金流及事務流的流通，卷煙數據信息收集難度大，這對煙草產業(yè)鏈溯源提出了挑戰(zhàn)，“數據孤島”問題突出。

煙草產業(yè)鏈具有顯著的中心化特征，涉及的鏈條非常多，卷煙數據信息收集處理機制不暢，是煙草溯源和防控煙草假冒過程中亟待突破的瓶頸。卷煙數據信息的掌握對煙草企業(yè)非常關鍵，制定科學合理的卷煙數據信息收集處理機制對煙草行業(yè)的健康發(fā)展尤為重要。將區(qū)塊鏈技術應用到煙草產業(yè)鏈，構建可信任的完全去中心化的分布式共享賬本，利用分布式節(jié)點的共識機制使涉煙群體能同時參與記賬，實時添加、更新、查詢數據，使卷煙運輸過程中各環(huán)節(jié)的耗時趨向透明，提高數據傳遞的運行效率，降低運營成本，避免數據集中存儲易毀損易篡改的屬性，打破了傳統(tǒng)卷煙供應鏈由中心機構控制，使數據的傳遞需要較長的時間、人工和溝通成本的境況，能夠有效解決煙草溯源方位問題。

2.2 具體應用場景

根據區(qū)塊鏈數據結構特征，卷煙防偽溯源具體設計思路體現如下。

（1）通過為每支煙生成hash值，每支煙的hash值分別生成對應的第一標識碼印制在對應的每支煙上，根據一包煙中每支煙的hash值計算第一樹根hash值，生成第二標識碼印制對應的一包煙的包裝盒上。

（2）根據一條煙內每包煙的hash值計算第二樹根hash值，生成第三標識碼印制在對應的一條煙的包裝盒上。

（3）根據一箱煙內每條煙的hash值計算第三樹根hash值，生成第四標識碼印制在對應的一箱煙的包裝盒上。

（4）根據一批次的每箱煙的hash值計算第四樹根hash值;以及將煙草從每支到包、條、箱及批次的hash值均寫入區(qū)塊鏈merkle樹。

通過上述設計，能夠讓每一批次所有的煙草，到每箱煙草包含的每條包裝的煙草，再到每條煙草包含的每包煙草，最后到每包煙草包含的每支煙草均有唯一對應的hash值，并且每包煙草的hash值由其中包含的每支煙草的hash值計算得到，每條煙草的hash值由其中包含的每包煙草的hash值計算得到，每箱煙草的hash值由其中包含的每條煙草的hash值計算得到，一批煙草的hash值由其中包含的每箱煙草的hash值計算得到。如此，使煙草從支、包、條到箱和批次通過層疊式merkle樹實現管理，merkle樹存入區(qū)塊鏈，使每支煙與每包煙綁定，每包煙與每條包裝煙綁定，每條包裝煙與每箱包裝煙綁定，如果其中的一支煙或一包煙或一條煙等發(fā)生變化，會導致整個區(qū)塊鏈merkle樹存入的所有樹節(jié)點的hash值發(fā)生變化，從而保證區(qū)塊鏈中煙草的真?zhèn)闻c溯源。

從運輸過程來看，上述設計能夠有效解決煙草在運輸過程中被故意人為調換的可能性。運輸商在運輸商品的過程中，通過識別每箱煙草上的標識碼，記錄運輸節(jié)點信息及時間信息，并將所有運輸節(jié)點信息和時間信息寫入區(qū)塊鏈中，根據識別標識碼鑒別煙草的真?zhèn)?零售商及消費者獲取煙草后，根據標識碼鑒別煙草的真?zhèn)?。這樣，運輸商或者其他部門抽驗煙草時，通過識別箱包裝上的標識碼獲取對應的hash值，再通過該hash值與該批次煙草的hash值進行計算，若兩者匹配，則確定該箱煙草屬于該批次，從而確保該箱煙草的真實性。

從煙草零售環(huán)節(jié)來看，當零售商獲取煙草后，可以識別條包裝煙上的標識碼或者對應的hash值，通過計算該hash值與該箱煙草的hash值，若兩者匹配，則確定該條包裝煙草屬于該箱煙草，零售商就能夠確定煙草的真實性。當消費者獲取一包煙草后，識別煙支上的標識碼獲取hash值，通過計算該hash值與該包煙草的hash值，若兩者匹配，則確定該支煙草屬于該包煙草，使每一個環(huán)節(jié)都能夠驗證煙草的真?zhèn)吻也樵兊疆a地、生產時間等煙草信息，供應鏈的每一個節(jié)點也都可以驗證產品的真實可靠性，這種煙草防偽和溯源方法能夠有效提高驗證的可識度，方便辨認且高效。此外，生成的標識碼只需印制在產品包裝上，與現有的三維全息模、熒光暗碼防偽、變頻油墨防偽、光變油墨防偽等技術相比，成本低且印制過程方便，不需要其他成本或防偽材料。

參 考 文 獻

[1]Peters，Panayi.Understanding modern banking led-gers through blockchain technologies：future of transaction processing and smart contracts on the internet of money[J].Banking Beyond Banks and Money，2016（13）：239–278.

[2]Pilkington，Chapter.Blockchain technology：principles and applications[M].Harvard University Press：ResearchHandbook on Digital Transformations，2016：225.

[3]黃莉.區(qū)塊鏈思維賦能基層治理[J].紅旗文稿，2020（24）：29-31.

[4]Nakamot S.Bitcoin：a peer-to-peer electronic cash system[J].Journal Money Credit Bank.2008，41（5）：935-960.

[5]何蒲，于戈，張巖峰，等.區(qū)塊鏈技術與應用前瞻綜述[J].計算機科學，2017，44（4）：1-7，15.

[6]邵奇峰，金澈清，張召，等.區(qū)塊鏈技術：架構及進展[J].計算機學報，2018，41（5）：969-988.

[7]陳偉利，鄭子彬.區(qū)塊鏈數據分析：現狀、趨勢與挑戰(zhàn)[J].計算機研究與發(fā)展，2018，55（9）：1853-1870.

[8]Wang R，Lin Z，Luo H.Blockchain，bank credit andSME financing[J].Quality & Quantity：International Journal of Methodology，2019（10）：53-67.