摘 要：“有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品”這個(gè)詞大家一定不陌生，但由于市場缺乏普遍的信用憑證，人們對于所購買的有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品并不能做到百分百地放心。因此，對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行溯源和追蹤變得尤為重要。近年區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展迅速，該技術(shù)引起了廣大專家學(xué)者的關(guān)注，成為熱門話題。區(qū)塊鏈具有去中心化、信息安全可信等特點(diǎn)。如果將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中，可以很好地檢驗(yàn)有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的真實(shí)性。本文介紹了區(qū)塊鏈的形成過程，分析了區(qū)塊鏈的特征和技術(shù)，重點(diǎn)研究了區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用，并構(gòu)建了一個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的溯源系統(tǒng)模型。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈技術(shù)；有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品；溯源系統(tǒng)

中圖分類號：TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）06-0192-03

Abstract：You must be familiar with the word“organic agricultural products”，but because of the lack of universal credit vouchers in the market，people can’t be reassured by the purchase of organic agricultural products. Therefore，it is particularly important to trace the agricultural products. The Blockchain technology has developed rapidly in recent years. This technology has aroused the attention of experts and scholars，and has become a hot topic. The Blockchain has the characteristics of decentralization，information security and trustworthiness. If the Blockchain is applied to the traceability system of agricultural products，the authenticity of organic agricultural products can be well tested. This paper introduces the formation process of Blockchain，describes the characteristics of Blockchain，and analyzes the model and the key technologies of Blockchain system. This paper mainly studies the application of Blockchain technology in traceability system of agricultural products. At last，the paper constructs a traceability system model based on the Blockchain technologies.

Keywords：Blockchain technologies；organic agricultural products；traceability system

0 引 言

隨著物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)要求越來越高，人們對綠色、安全的農(nóng)產(chǎn)品的關(guān)注程度也與日俱增。然而，市場中魚目混珠的有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品隨處可見，由于缺乏有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的統(tǒng)一判定標(biāo)準(zhǔn)，人們對市場上的有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的真實(shí)性無法進(jìn)行判定。針對此現(xiàn)象，以自信任、公開透明、集體維護(hù)、不可篡改等為特征的區(qū)塊鏈技術(shù)可以給有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品蓋上“信用認(rèn)證”的印章。通過在農(nóng)場安裝物理指標(biāo)傳感器，可以實(shí)時(shí)收集土壤檢測、施肥灑水、蟲情監(jiān)測等信息，這些信息生成數(shù)據(jù)后將自動(dòng)進(jìn)入溯源系統(tǒng)，具有去中間環(huán)節(jié)、去人為化的特點(diǎn)，一切信息都是真實(shí)可靠的。

1 什么是區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈，英文名稱是Blockchain，簡單來說，就是由“數(shù)據(jù)塊”和“鏈條”組成的一種分布式記賬底層技術(shù)，是分布式數(shù)據(jù)存儲、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、共識機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式。這兩年被熱炒的比特幣就是其應(yīng)用之一。

從本質(zhì)上看，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式的公共賬本，將各個(gè)區(qū)塊連成一個(gè)鏈條，它讓一組互聯(lián)的電腦安全地共同維護(hù)一份賬本，每臺計(jì)算機(jī)是一個(gè)數(shù)據(jù)庫（服務(wù)器），中間無需第三方服務(wù)器。所以區(qū)塊鏈不是一種特定的軟件，而是一種特定技術(shù)的設(shè)計(jì)思想。

區(qū)塊鏈的基本工作原理可以這樣描述：我們將每一次操作稱為一次交易，一次操作會將賬本的狀態(tài)改變一次，例如添加一條記錄。區(qū)塊用來記錄一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的每一次交易，是對當(dāng)前賬本狀態(tài)的共識。每一個(gè)區(qū)塊按照發(fā)生的順序串聯(lián)成鏈，該鏈中的區(qū)塊不可隨意增加、刪除、修改，進(jìn)而保證了記錄內(nèi)容的真實(shí)性和可靠性。

2 區(qū)塊鏈的形成過程

區(qū)塊鏈由一個(gè)個(gè)區(qū)塊（block）組成。我們可以將每一個(gè)區(qū)塊看作是數(shù)據(jù)庫中的每一條記錄，每寫入一次數(shù)據(jù)，就會創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊。每個(gè)區(qū)塊包含兩個(gè)部分，區(qū)塊頭和區(qū)塊體。區(qū)塊頭包含當(dāng)前區(qū)塊的多項(xiàng)特征值，包括生成時(shí)間、實(shí)際數(shù)據(jù)（即區(qū)塊體）的哈希、上一個(gè)區(qū)塊的哈希等。當(dāng)前區(qū)塊的哈希值會隨著當(dāng)前區(qū)塊體的內(nèi)容改變而發(fā)生改變，若上一個(gè)區(qū)塊的哈希值改變了，也一定會引起當(dāng)前區(qū)塊的哈希值發(fā)生改變。這一點(diǎn)對區(qū)塊鏈有著非常重要的意義。我們可以設(shè)想，如果有人修改了一條交易記錄，即修改了一個(gè)區(qū)塊體的內(nèi)容，那么該區(qū)塊的哈希值就發(fā)生了改變。為了讓后面的區(qū)塊還能連到它（因?yàn)橄乱粋€(gè)區(qū)塊包含上一個(gè)區(qū)塊的哈希），那么該人必須依次修改后面所有的區(qū)塊，否則被改掉的區(qū)塊就脫離區(qū)塊鏈了。由于哈希的計(jì)算很耗時(shí)，短時(shí)間內(nèi)修改多個(gè)區(qū)塊幾乎不可能發(fā)生，除非有人掌握了全網(wǎng)51%以上的計(jì)算能力。

正是這種聯(lián)動(dòng)機(jī)制使得每個(gè)區(qū)塊都連著上一個(gè)區(qū)塊，區(qū)塊之間相互牽制，形成鏈條，因此區(qū)塊鏈保證了自身的可靠性，數(shù)據(jù)一旦寫入，就無法被篡改，“區(qū)塊鏈”也正是由此而得名。

3 區(qū)塊鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

區(qū)塊鏈主要解決交易的信任和安全問題，因此它針對這個(gè)問題提出了四項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。

3.1 分布式賬本

區(qū)塊鏈屬于一種去中心化的記錄技術(shù)，交易記賬由分布在不同地方的多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同完成，參與系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)可能不屬于同一組織，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都記錄完整的賬目，因此區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)由所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)，每個(gè)維護(hù)節(jié)點(diǎn)都能復(fù)制獲得一份完整或部分記錄的拷貝。與傳統(tǒng)的中心化記賬方案相比，分布式賬本沒有任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以單獨(dú)記錄賬目，從而避免了記假賬的可能性。另外，由于記賬節(jié)點(diǎn)足夠多，從理論上看，除非所有的節(jié)點(diǎn)被破壞，否則賬目就不會丟失，從而保證了賬目數(shù)據(jù)的安全性。

3.2 非對稱加密算法

區(qū)塊鏈系統(tǒng)內(nèi)所有權(quán)驗(yàn)證機(jī)制的基礎(chǔ)是非對稱加密算法。常見的非對稱加密算法包括RSA、Elgamal、D-H、ECC（橢圓曲線加密算法）等。存儲在區(qū)塊鏈上的交易信息是公開的，但是賬戶身份信息是高度加密的，每一個(gè)比特幣區(qū)塊鏈中的節(jié)點(diǎn)使用者，都會同時(shí)擁有公鑰和私鑰，公鑰可讓其他人知道，而私鑰只有本人知道，只有在數(shù)據(jù)擁有者授權(quán)的情況下才能訪問，從而保證了數(shù)據(jù)的安全和個(gè)人的隱私。

3.3 共識機(jī)制

共識機(jī)制的核心問題是解決所做出的變更，在分布式網(wǎng)絡(luò)中得到一致的執(zhí)行結(jié)果，并被參與多方承認(rèn)，認(rèn)定信息是確定的，不可推翻的。區(qū)塊鏈提出了多種不同的共識機(jī)制，適用于不同的應(yīng)用場景，在效率和安全性之間取得平衡。比特幣區(qū)塊鏈采用的是工作量證明，以損失破壞者的經(jīng)濟(jì)利益為代價(jià)來保障大部分人的合作安全，類似的算法還有以權(quán)益為抵押的PoS、DPoS和Casper等。

3.4 時(shí)間戳伺服器

時(shí)間戳伺服器機(jī)制在每個(gè)區(qū)塊的哈希后加上一個(gè)時(shí)間戳，并發(fā)布出去，這個(gè)時(shí)間戳用來證明資料在特定時(shí)間的有效性，每一個(gè)時(shí)間戳章都會與前一個(gè)戳章一起進(jìn)行哈希計(jì)算，從而形成一個(gè)用來確保區(qū)塊序列的鏈條。

4 區(qū)塊鏈的特征

4.1 去中心化

由于使用分布式核算和存儲，不存在中心化的硬件或管理機(jī)構(gòu)，任何接入者都有權(quán)獲取所有的賬目信息，任意節(jié)點(diǎn)的權(quán)利和義務(wù)都是均等的，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在參與記錄的同時(shí)也來驗(yàn)證其他節(jié)點(diǎn)記錄結(jié)果的正確性，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)塊由整個(gè)系統(tǒng)中具有維護(hù)功能的節(jié)點(diǎn)來共同維護(hù)。

4.2 信息不可篡改

一旦信息經(jīng)過驗(yàn)證存儲在各個(gè)區(qū)塊中，區(qū)塊就會被添加到區(qū)塊鏈中，被永久存儲起來。由于區(qū)塊鏈的鏈條特性，區(qū)塊中的信息想要被修改是很困難的，因此區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和可靠性極高。

4.3 開放性

系統(tǒng)是開放的，除了交易各方的私有信息被加密外，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)對所有人公開，任何人都可以通過公開的接口查詢區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)和開發(fā)相關(guān)應(yīng)用，因此整個(gè)系統(tǒng)信息高度透明。

4.4 自治性

區(qū)塊鏈基于共識機(jī)制協(xié)商出一套公開透明的算法，使整個(gè)系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)能夠按照統(tǒng)一的規(guī)范和協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換，使得對“人”的信任改成了對機(jī)器的信任，任何人為的干預(yù)都不起作用。

5 區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用

自2003年開始，我國不斷推動(dòng)食品可追溯體系的建設(shè)，追溯技術(shù)也取得了一些進(jìn)展。與傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)相比，采用區(qū)塊鏈技術(shù)的追溯系統(tǒng)在前端沒有區(qū)別，都是依靠網(wǎng)絡(luò)，借助射頻裝置、物品指紋及識別裝置、各類應(yīng)用傳感器和各類信息采集終端等完成各類數(shù)據(jù)采集。二者的區(qū)別在于后端，區(qū)塊鏈具有去中心化的特點(diǎn)，因此從技術(shù)層面上看，區(qū)塊鏈能夠?qū)崿F(xiàn)去數(shù)據(jù)庫化，如圖1所示。

以農(nóng)產(chǎn)品為例，在后端采用Oracle的區(qū)塊鏈云服務(wù)BCS，前端采用Oracle的開源框架JET，構(gòu)建一個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的溯源系統(tǒng)模型，如圖2所示。

區(qū)塊鏈為溯源業(yè)務(wù)提供了新工具，相比于以往的中心式賬本模式，分布式賬本保證了賬本的公開、透明，避免了利益相關(guān)方篡改賬本的可能，被認(rèn)為有可能解決傳統(tǒng)溯源方式的信任缺失問題。與傳統(tǒng)追溯系統(tǒng)相比，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于追溯系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢，如表1所示。

6 結(jié) 論

將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中，在技術(shù)上不止是將過去傳統(tǒng)的產(chǎn)品溯源系統(tǒng)改為基于區(qū)塊鏈底層協(xié)議支持的中心服務(wù)器平臺，而且要提供一個(gè)各方弱中心化的數(shù)據(jù)和信息互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。在這一網(wǎng)絡(luò)中，零售商、批發(fā)商、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測機(jī)構(gòu)、種子商、農(nóng)戶、以及提供融資信貸的金融組織都可以通過鏈上實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)，通過鏈上賬本、身份驗(yàn)證的嚴(yán)格加密特性以及鏈上的各種接口享受區(qū)塊鏈帶來的便捷、高效和信任增強(qiáng)，同時(shí)這些節(jié)點(diǎn)為了提高對這些權(quán)利的享有程度，也都肩負(fù)著共同維護(hù)數(shù)據(jù)可靠性的義務(wù)。

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作者簡介：李靜，女，講師，計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，碩士。研究方向：軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫管理與應(yīng)用；毛莉君，女，講師，碩士。研究方向：人工智能、云計(jì)算機(jī)、圖像處理。