區(qū)塊鏈技術(shù)在食品溯源行業(yè)的研究

劉佳琦，游新冬，呂學(xué)強(qiáng)，姜陽，李果林

1.北京信息科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)文化與數(shù)字傳播北京市重點實驗室（北京 100101）；2.陽光易購（北京）科技有限公司（北京 100036）

民以食為天，作為世界第一人口大國，中國的食品安全質(zhì)量問題顯得尤為重要，然而，近年來中國食品安全問題頻發(fā)，食品安全行業(yè)發(fā)展受到來自多方的技術(shù)制約，仍面臨不少問題。

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、防篡改等特性，可最大程度解決數(shù)據(jù)的造假失信問題，一定程度上加強(qiáng)對食品問題的監(jiān)督，保障食品安全的公信度?？梢哉f區(qū)塊鏈+食品溯源的組合方式可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的食品安全溯源的不足，吸引眾多專家學(xué)者的研究。張誠等[1]基于Petri網(wǎng)理論，圍繞區(qū)塊鏈技術(shù)在物流溯源領(lǐng)域應(yīng)用的實際情況，分析冷鏈溯源系統(tǒng)的整體業(yè)務(wù)流程；Syed等[2]通過現(xiàn)代分析技術(shù)來證明農(nóng)產(chǎn)品溯源真實性問題；朱桂菊等[3]針對食品供應(yīng)鏈溯源加入不同消費(fèi)者在選擇商品時的習(xí)慣偏好及消費(fèi)水平的因素進(jìn)行分析，設(shè)計綜合投入-需求-成本的價格效應(yīng)框架；文安興等[4]采用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計一套包含三大功能模塊的食品溯源系統(tǒng)，有效解決中心化問題對食品溯源的缺陷。如何運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)建立高效的食品安全溯源系統(tǒng)，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)食品溯源的不足，成為各專家學(xué)者的重點研究問題。

1 食品溯源的行業(yè)現(xiàn)狀

黨的十八大以來，以習(xí)近平同志為核心的黨中央堅持以人民為中心的發(fā)展思想，把食品安全工作放在“五位一體”總體布局和“四個全面”戰(zhàn)略布局中統(tǒng)籌謀劃部署，提高從農(nóng)田到餐桌全過程監(jiān)管能力，提升食品全鏈條質(zhì)量安全保障水平，要逐步實現(xiàn)企業(yè)信息化追溯體系與政府部門監(jiān)管平臺、重要產(chǎn)品追溯管理平臺對接，接受政府監(jiān)督，互通互享信息[5]。在市場需求與國家政策的雙重加持下，食品溯源行業(yè)成為時下新興的熱門行業(yè)，擁有廣闊的市場發(fā)展前景。傳統(tǒng)食品溯源系統(tǒng)采用的是中心化數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，與食品有關(guān)的所有信息，包括加工廠商一系列供應(yīng)鏈及交易信息等內(nèi)容被存儲在一個大的核心數(shù)據(jù)庫中，這種存儲方式在數(shù)據(jù)的修改上往往沒有過于嚴(yán)格的限制且數(shù)據(jù)來源完全由食品擁有者所決定，這就意味著采用傳統(tǒng)食品溯源系統(tǒng)會使食品信息的真實性和安全性大打折扣，政府的監(jiān)管、獲益方都無法保證數(shù)據(jù)的可靠性，使消費(fèi)者對食品安全陷入信任危機(jī)。針對這一問題，將區(qū)塊鏈引入食品溯源系統(tǒng)可以得到有效解決。

2 區(qū)塊鏈

近年來，區(qū)塊鏈作為一門新興行業(yè)開始走進(jìn)大眾視野，其所涉及的P2P網(wǎng)絡(luò)、加密、時間戳等技術(shù)[6]為解決食品溯源及食品安全問題提供了全新的思路。

2.1 區(qū)塊鏈概述

區(qū)塊鏈可以被看作是一個分布式存儲的賬本和一個大的去中心化數(shù)據(jù)庫，它彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中心化的不足，可分為2部分理解，即區(qū)塊和鏈。區(qū)塊可以理解為一個“賬本”，這個“賬本”中包含著區(qū)塊創(chuàng)建過程中進(jìn)行交易的每一筆信息，交易記賬信息由多個區(qū)塊共同完成，每一個區(qū)塊所記錄的賬目均完整，同時賬戶身份經(jīng)過加密。通過在數(shù)據(jù)塊中記錄哈希值等方法將所有的區(qū)塊連成一條鏈。如圖1所示，每個區(qū)塊中包含區(qū)塊頭和區(qū)塊主體2部分，區(qū)塊頭主要記錄哈希值及時間戳等一系列詳細(xì)信息，根據(jù)其中的哈希值可以追溯到上一個區(qū)塊，其存入的就是上一個區(qū)塊的地址值。時間戳的存在可以保證區(qū)塊鏈上的每一個區(qū)塊都是按照時間順序排列的，每一個區(qū)塊生成的時間都會被其詳細(xì)記錄[7]。區(qū)塊的主體部分中主要存儲著自區(qū)塊創(chuàng)建以來被寫入的所有交易信息。

圖1 區(qū)塊鏈鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)圖

區(qū)塊鏈技術(shù)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、合約層和應(yīng)用層組成[8]。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是一個分布式的點對點網(wǎng)絡(luò)，區(qū)塊鏈的產(chǎn)生建立一套嶄新的信用體系，它的“去中心化”有效克服互聯(lián)網(wǎng)對中心服務(wù)器的依賴，所有的信息都被分布式存儲在區(qū)塊鏈中，而這些信息的產(chǎn)生需要每一個節(jié)點的確認(rèn)，且記錄一旦生成就無法進(jìn)行修改。區(qū)塊鏈會利用其特有的加密技術(shù)和共識機(jī)制對交易信息進(jìn)行維護(hù)，保障其數(shù)據(jù)的安全性和統(tǒng)一性，同時這些被記錄的數(shù)據(jù)都是公開透明且具有一定關(guān)聯(lián)性的，這就決定區(qū)塊鏈技術(shù)具有可溯源的天然優(yōu)勢。區(qū)塊鏈的另一大特點在于其完全按照合約執(zhí)行，不需要人為介入干預(yù)，在執(zhí)行過程中一旦有違約行為的發(fā)生就會觸發(fā)懲罰機(jī)制，智能合約是其中應(yīng)用最廣泛最重要的技術(shù)。

圖2 區(qū)塊鏈主要結(jié)構(gòu)圖

2.2 智能合約

區(qū)塊鏈技術(shù)“越來越多地應(yīng)用到具體行業(yè)中，得以解決更多實際問題”的行業(yè)現(xiàn)狀極大地促進(jìn)“智能合約”的誕生與發(fā)展。

“智能合約”由計算機(jī)科學(xué)家、密碼學(xué)專家Nick Szabo提出[9]，具體闡述智能合約的相關(guān)概念，雖然當(dāng)時的計算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展水平遠(yuǎn)不如21世紀(jì)的今天，但這一理念的提出仍然很大程度上推動眾多領(lǐng)域發(fā)展。1997年，Nick Szabo發(fā)表將智能合約推向更高的發(fā)展舞臺的高水平文章《智能合約的理念》，將自動售貨機(jī)作為示例進(jìn)一步具體闡述智能合約的實際運(yùn)作過程，從而受到各界更廣泛關(guān)注。

智能合約是將交易各方達(dá)成一致的交易協(xié)議，通過計算機(jī)編碼的方式，使其能夠自主執(zhí)行合同條款。這種交易方式與傳統(tǒng)交易相比更加高效，由于智能合約會自主對條款進(jìn)行執(zhí)行，不需要第三方權(quán)威平臺作為中介，且一旦開始執(zhí)行，合約的所有內(nèi)容都無法進(jìn)行修改，所以很大程度上避免交易雙方因?qū)贤a(chǎn)生的理解分歧而造成的法律糾紛，同時降低人為干預(yù)的風(fēng)險以及節(jié)省傳統(tǒng)方式所產(chǎn)生的人力成本。智能合約存在的優(yōu)勢使其越來越廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，受到社會各界密切關(guān)注。

2.3 共識機(jī)制

區(qū)塊鏈的每個數(shù)據(jù)塊中都包含著非常多的交易數(shù)據(jù)及記錄，那么這些區(qū)塊是通過什么方式產(chǎn)生？又如何保證其中數(shù)據(jù)得到每個節(jié)點的統(tǒng)一認(rèn)可？共識機(jī)制就是保證交易參與方對同一事件達(dá)成相同意見的機(jī)制，在區(qū)塊鏈中，共識機(jī)制起到?jīng)Q定誰負(fù)責(zé)生成新的區(qū)塊及維護(hù)區(qū)塊鏈統(tǒng)一的作用。區(qū)塊鏈依靠平臺搭建好后，參與者根據(jù)一開始設(shè)定好的規(guī)則，各自發(fā)揮作用實現(xiàn)自我運(yùn)行，所有人都認(rèn)可這個規(guī)則代表達(dá)成共識。共識機(jī)制除了要統(tǒng)一參與者的共識，也要在技術(shù)上統(tǒng)一共識。由此可見，共識機(jī)制在區(qū)塊鏈中扮演著不可替代的重要角色，區(qū)塊之間的節(jié)點依靠共識機(jī)制維持著穩(wěn)定，具有較高的安全性，不需要人為地干預(yù)介入，最大限度上保證區(qū)塊鏈中記錄內(nèi)容的真實性和公開性，提升信用價值。

被大家廣為熟知的且最常用的一些共識算法主要涵蓋POW算法[10]、POS算法[11]、DPOS算法[12]和PBFT[13]的算法等。

2.4 數(shù)字簽名

在傳統(tǒng)的交易中，交易雙方達(dá)成協(xié)議后會通過簽字蓋章的方法提升彼此的信任度，在區(qū)塊鏈中也是如此。數(shù)字簽名在區(qū)塊鏈中的作用就在于驗證雙方身份及交易內(nèi)容、記錄的可靠程度，同時維護(hù)增強(qiáng)數(shù)據(jù)的保密性。數(shù)字簽名由數(shù)字摘要和非對稱加密2部分構(gòu)成，數(shù)字摘要就是將交易信息利用哈希函數(shù)將信息內(nèi)容轉(zhuǎn)換成固定長度且具有唯一性的字符串，用非對稱加密技術(shù)對具有唯一標(biāo)識的字符串進(jìn)行加密，經(jīng)過加密后的密文就形成數(shù)字簽名[14]。不同交易信息對應(yīng)的哈希密文不同，這決定得到的密文的唯一性，極大保障數(shù)據(jù)在發(fā)送過程中的保密性和完整性。非對稱加密技術(shù)比對稱加密算法更具優(yōu)勢的點在于大幅提升數(shù)據(jù)安全程度，其中所涉及的2個密鑰——公鑰和私鑰一一對應(yīng)，即經(jīng)過公鑰或私鑰加密后的文件，僅擁有相對應(yīng)的密鑰的一方可以對文件進(jìn)行解密，查看信息[15]。

利用數(shù)字簽名在一方發(fā)送交易信息時，要經(jīng)過幾道周密的加密和解密過程，以保證數(shù)據(jù)在傳送過程中不被外泄，同時確定發(fā)送方和接收方的信息原文一致，防止被攔截者惡意操作，維護(hù)傳送數(shù)據(jù)完整性和隱私性[16]。以Gao Liu要將信息跨國發(fā)送給Sean為例，數(shù)字簽名的具體工作流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字簽名工作流程

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源

3.1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源信息存儲

傳統(tǒng)食品溯源存在的一個最大的問題就在于其將信息存儲在中心化的數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)作假成本過低導(dǎo)致食品質(zhì)量安全的信用出現(xiàn)較大問題。區(qū)塊鏈分布式、去中心化、防篡改等天然優(yōu)勢有效解決傳統(tǒng)食品溯源存在的這一難題。

區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個分布式記賬本，通過查看記錄在區(qū)塊鏈上的內(nèi)容，可以清晰了解到食品從原材料開始涉及的種植、加工等一系列過程及后續(xù)的包裝、運(yùn)輸、批發(fā)零售等相關(guān)信息，這些信息被詳細(xì)地記錄在每個區(qū)塊中，這些區(qū)塊又根據(jù)它們被記錄的時間也就是時間戳及鏈接到上一個區(qū)塊的哈希值按順序鏈接而成[17]。食品溯源信息被分布存儲在各個節(jié)點，并且被存儲記錄的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行更為詳細(xì)的食品信息追加。這些數(shù)據(jù)對所有人公開，保障了食品相關(guān)信息的公開透明，有利于消費(fèi)者了解自己購買食品的詳細(xì)信息，加強(qiáng)政府相關(guān)監(jiān)管部門對食品安全的各項監(jiān)管。加上共識機(jī)制自動維護(hù)區(qū)塊，無需人為介入的特點，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源信息存儲在節(jié)省大量人工成本的同時，使食品溯源的數(shù)據(jù)更加清晰、完整。

另外，在區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)一旦生成記錄，就不能再進(jìn)行修改，在整條食品供應(yīng)鏈中，只允許進(jìn)行食品溯源信息的補(bǔ)充和添加而不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的篡改，保證食品在各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的公開、公正，以及真實性和有效性[18]。區(qū)塊鏈技術(shù)信息存儲的這一特點有效防止企業(yè)獲益者偽造、篡改信息，提升企業(yè)的公信力，推動構(gòu)建高質(zhì)量食品溯源信用體系的同時也進(jìn)一步實現(xiàn)對食品安全信息的有效追溯。

3.2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源數(shù)據(jù)保證

傳統(tǒng)食品溯源除數(shù)據(jù)中心化外還存在的一個問題是傳統(tǒng)追溯方式過于簡單，它是直接在數(shù)據(jù)庫中對食品相關(guān)信息進(jìn)行查找對比，數(shù)據(jù)的真實性、有效性不能得到保證。針對這一問題，區(qū)塊鏈中的數(shù)字簽名所包含的非對稱加密算法和區(qū)塊鏈技術(shù)所擁有的共識機(jī)制可以有效地進(jìn)行攻克。

在食品溯源系統(tǒng)中，區(qū)塊鏈存儲著食品加工等一系列供應(yīng)鏈的信息，區(qū)塊間的數(shù)據(jù)內(nèi)容是彼此關(guān)聯(lián)的，用來驗證和保證數(shù)據(jù)存儲的有效性。當(dāng)食品供應(yīng)鏈中產(chǎn)生新的交易信息，區(qū)塊內(nèi)的信息狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移時，如何防止信息泄露、惡意攔截，保障數(shù)據(jù)安全性和保密性？區(qū)塊鏈中的數(shù)字簽名能夠有效解決這一問題，其最重要最核心的關(guān)鍵在于公鑰和私鑰的應(yīng)用。由于私鑰密鑰只有交易雙方知道，極大地保障交易雙方的隱私。在后續(xù)監(jiān)管過程中，政府相關(guān)的部門若想要追溯食品問題責(zé)任方或者進(jìn)行抽樣檢查時，只需要擁有與公鑰（或私鑰）加密相對應(yīng)的私鑰（或公鑰）完成解密，就可以得到進(jìn)一步查看數(shù)據(jù)的權(quán)限，但是監(jiān)管者也無權(quán)對內(nèi)容進(jìn)行修改，這就保證監(jiān)管者能夠有效追溯到責(zé)任人的同時避免出現(xiàn)腐敗徇私，篡改制造虛假數(shù)據(jù)的現(xiàn)象[15]。

食品供應(yīng)鏈中的數(shù)據(jù)塊內(nèi)容并非隨意生成，產(chǎn)生一個新的區(qū)塊時，需要利用共識機(jī)制共同進(jìn)行決斷，只有當(dāng)大部分節(jié)點都認(rèn)可新加入的數(shù)據(jù)內(nèi)容，這一數(shù)據(jù)的真實性和有效性得到確認(rèn)，此時才可以將其相關(guān)信息寫入食品供應(yīng)鏈中，信息一旦被寫入不允許再次進(jìn)行修改，它將會根據(jù)時間戳記錄的創(chuàng)建時間按照時間順序永久存儲在區(qū)塊鏈中。由于新區(qū)塊的產(chǎn)生由各個節(jié)點共同決定，起到一定的監(jiān)督作用，有效保證數(shù)據(jù)的真實性。將區(qū)塊鏈加密算法和共識機(jī)制進(jìn)行有效結(jié)合，創(chuàng)建可信任可追溯的食品供應(yīng)鏈，是保證食品安全的有效方法和手段，從而保證追溯信息的真實性、不可篡改性和數(shù)據(jù)之間傳遞的安全保密性。

3.3 基于區(qū)塊鏈智能合約的食品溯源監(jiān)管

食品供應(yīng)鏈涉及多方間的交易，食品從原材料生產(chǎn)方、加工廠商、供應(yīng)商、監(jiān)管檢測、批發(fā)零售最終到消費(fèi)者手中需要多個環(huán)節(jié)，充分利用區(qū)塊鏈中的智能合約技術(shù)能夠有效規(guī)范各個環(huán)節(jié)的交易過程。食品溯源的基本流程簡單來說就是交易中的賣方將公司相關(guān)信息及交易信息上傳并存儲至區(qū)塊鏈中，買方可以通過自主查詢獲得食品各個交易過程和交易主體的詳細(xì)信息。

以參與食品加工的某廠商為例，食品商公布注冊信息，信息包括廠商名稱、經(jīng)營責(zé)任人、經(jīng)營許可、公司地址等內(nèi)容，區(qū)塊鏈中的其他節(jié)點接收到這些消息后先將其放到緩存區(qū)，接下來執(zhí)行智能合約。此時智能合約中涉及的內(nèi)容大致為檢測注冊人提供的信息是否來自本人，是否存在盜用冒用身份的行為，以保證后續(xù)食品質(zhì)量出現(xiàn)問題能夠精準(zhǔn)追溯到相關(guān)責(zé)任方，同時使交易中的買方能夠詳細(xì)了解食品相關(guān)廠商的詳細(xì)信息，判斷廠商食品安全質(zhì)量是否值得信任，決定是否購買。消息滿足智能合約中的條件時，就將廠商的信息打包在區(qū)塊中等待共識，否則將刪除所有信息。按照上述基本過程，將食品各個環(huán)節(jié)鏈成供應(yīng)鏈，其中智能合約部分根據(jù)交易類型和協(xié)定的不同，內(nèi)容也會有所不同[19]。

基于區(qū)塊鏈智能合約的食品溯源通過代碼自動執(zhí)行，無需人工介入進(jìn)行干預(yù)，大幅提升食品信息作假的成本，在交易過程中，一旦有違約違規(guī)行為，智能合約會自動進(jìn)入懲罰機(jī)制，同時若后續(xù)過程中出現(xiàn)食品質(zhì)量安全問題，相關(guān)政府部門可以直接通過這條供應(yīng)鏈查詢詳細(xì)的交易信息，直接找到企業(yè)法人追究責(zé)任，智能合約對于食品溯源的監(jiān)管起著至關(guān)重要的作用。

4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源的不足及發(fā)展

中國的區(qū)塊鏈技術(shù)仍處于發(fā)展的初級階段，仍存在一些不足。區(qū)塊鏈技術(shù)雖然一定程度上解決了溯源追責(zé)，數(shù)據(jù)公開透明的問題，但還是無法從根本上解決數(shù)據(jù)偽造的問題。這一問題產(chǎn)生的原因就在于，若要追溯某一食品的源頭信息，大多是通過人工錄入至區(qū)塊鏈進(jìn)行存儲，既然是人工錄入就難免會出現(xiàn)出于某種利益而進(jìn)行數(shù)據(jù)造假的行為。為解決這一問題，相關(guān)學(xué)者嘗試將區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，在食品供應(yīng)鏈的各個環(huán)節(jié)采用自動采集數(shù)據(jù)的方法，不僅有效解決人工成本問題，還能有效避免數(shù)據(jù)造假，為數(shù)據(jù)的真實性提供保障。

信息溯源技術(shù)依賴的查看形式及防偽形式多依賴于條形碼、二維碼等形式，這些圖形的外露一定程度上會造成有不法分子將其他商品的二維碼、條形碼等查詢信息復(fù)制轉(zhuǎn)嫁到另一種商品上。針對這一問題的解決方法是將包含信息溯源的內(nèi)容放置于商品內(nèi)部，如一些廠商會將查詢碼上置一層涂層，只有刮開涂層才能進(jìn)行掃碼查詢。

區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改性帶來諸多便利的同時也存在其自身風(fēng)險。一旦出現(xiàn)上傳虛假數(shù)據(jù)到區(qū)塊鏈中，不僅會對消費(fèi)者產(chǎn)生誤導(dǎo)，為糾正虛假數(shù)據(jù)，其存在的區(qū)塊鏈需要整體更新，從而影響工作效率。同時，區(qū)塊鏈本身所具有的不可篡改性對后續(xù)系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)等也是艱巨挑戰(zhàn)。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通問題尚未得到有效解決，由于底層技術(shù)的差異，跨鏈協(xié)作的難度比較大，由此可見要想擁有更加完善便捷的食品溯源體系，需要各領(lǐng)域?qū)W者繼續(xù)進(jìn)行深入研究[20]。

5 結(jié)語與展望

區(qū)塊鏈技術(shù)與食品安全問題均得到國家的高度重視，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在食品安全信息溯源中，利用區(qū)塊鏈中去中心化、不可篡改、公開透明、可完整追溯等特性，從技術(shù)上真正實現(xiàn)食品安全信息的全程追溯，保證整個溯源鏈上所有數(shù)據(jù)真實、安全、透明和完整。區(qū)塊鏈與食品溯源的結(jié)合成為一個熱點，后續(xù)可結(jié)合食品供應(yīng)鏈本身的特點，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)智能的食品安全追溯體系[21]。