范立南，張志雷，趙宏偉 （沈陽大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽110044）

FAN Linan, ZHANG Zhilei, ZHAO Hongwei (School of Information Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

1 研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 研究背景

現(xiàn)階段，伴隨著經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，水果、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事故頻頻發(fā)生，摻假制假事件嚴(yán)重威脅人們的身體健康。農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量逐漸取代數(shù)量，成為了人們關(guān)心的焦點(diǎn)。質(zhì)量可靠可信是廣大消費(fèi)者對(duì)生產(chǎn)銷售企業(yè)提出的最基本要求。然而就目前的農(nóng)產(chǎn)品流通市場(chǎng)現(xiàn)狀來看，供應(yīng)鏈上各主體間合作依賴彼此間信息溝通，而主體間信息溝通不順將制約供應(yīng)鏈發(fā)展從生產(chǎn)到銷售的各個(gè)中間環(huán)節(jié)[1]。采集接收的信息雜亂無章，真實(shí)性和可靠性也無法得到保證，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的控制效果更是微乎其微。一個(gè)完善的農(nóng)產(chǎn)品信息追溯系統(tǒng)能有效地解決這些問題。我國在《“十三五”國家信息化規(guī)劃》中將區(qū)塊鏈作為一項(xiàng)前沿重點(diǎn)技術(shù)，明確提出加強(qiáng)新技術(shù)的創(chuàng)新、試驗(yàn)和應(yīng)用，力爭(zhēng)搶占先機(jī)，掌握新一代信息技術(shù)的主導(dǎo)權(quán)。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

相比于發(fā)達(dá)國家，雖然我國對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全潛在需求很大，但實(shí)際的建樹卻很少，由于建設(shè)成本等因素，目前只通過條碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)品、牛肉以及果蔬的相關(guān)追溯。就國內(nèi)追溯系統(tǒng)建設(shè)的大環(huán)境來看，首先缺乏一套完整的追溯體系，只是開展了一些試點(diǎn)示范的相關(guān)研究工作。比如，農(nóng)業(yè)部門啟動(dòng)的“進(jìn)京蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量追溯制度”，著力解決蔬菜的追溯管理；上海市搭建的“上海食用農(nóng)副產(chǎn)品質(zhì)量安全信息平臺(tái)”，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)過程的監(jiān)控、對(duì)商品條碼的識(shí)別跟蹤和查詢，利用農(nóng)產(chǎn)品安全信息條碼標(biāo)準(zhǔn)，通過供應(yīng)鏈上各企業(yè)之間的相互配合，為每類具體產(chǎn)品建立相應(yīng)的電子檔案；海南省有關(guān)部門通過采用EAN/UCC 系統(tǒng)，可以對(duì)水產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、包裝、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、銷售的全過程進(jìn)行標(biāo)識(shí)和跟蹤。

在傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中，產(chǎn)品的信息全部集中存儲(chǔ)在中心數(shù)據(jù)庫中，后臺(tái)的管理者可以輕而易舉的篡改農(nóng)產(chǎn)品的相關(guān)溯源信息，容易受到外界黑客的攻擊而使信息泄露，從而造成了溯源信息的可信度降低[2]。而且基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)基本都是采用C/S 模式，信息共享效率偏低。隨著產(chǎn)品信息量日益增加，使得追溯成本增加且效率下降。區(qū)塊鏈本質(zhì)是分布式數(shù)據(jù)庫，其集合了多種計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有去中心化、安全透明、不可篡改、智能合約、可驗(yàn)證性等基礎(chǔ)特征[3]。將無中心化網(wǎng)絡(luò)（區(qū)塊鏈） 應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品信息追溯系統(tǒng)中可以有效解決以上存在的問題，從而提供安全可信的農(nóng)產(chǎn)品追溯。

2 信息追溯模型

2.1 數(shù)據(jù)區(qū)塊

區(qū)塊鏈系統(tǒng)包含多種技術(shù)，在分散的服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)通信等硬件設(shè)備的支持下，通過數(shù)字簽名、時(shí)間戳、共識(shí)算法、工作量證明等多項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，使得區(qū)塊鏈在無中心網(wǎng)絡(luò)中平穩(wěn)安全運(yùn)行。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的權(quán)利和功能都是對(duì)等的，對(duì)產(chǎn)生的區(qū)塊信息會(huì)迅速備份到所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，并連接在之前鏈上最新的區(qū)塊之后，最終完成整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的一致化。數(shù)據(jù)區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)區(qū)塊結(jié)構(gòu)

2.2 聯(lián)盟鏈與共識(shí)機(jī)制

區(qū)塊鏈可以分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈[4]，對(duì)比特點(diǎn)如表1 所示。結(jié)合我國農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀，選擇采用聯(lián)盟鏈。所謂聯(lián)盟鏈，就是這個(gè)區(qū)塊鏈具有準(zhǔn)入許可，對(duì)特定組織團(tuán)體開放，若干機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起，不像公有鏈，任何人都可以隨時(shí)進(jìn)入。與公有鏈和私有鏈相比，它屬于“半開放”區(qū)塊鏈，訪問許可意味著候選節(jié)點(diǎn)需要從網(wǎng)絡(luò)中已有的節(jié)點(diǎn)獲得許可才能進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈。聯(lián)盟鏈僅針對(duì)某個(gè)特定組的成員和有限的第三方，其內(nèi)部指定多個(gè)預(yù)選節(jié)點(diǎn)為記賬人，每個(gè)塊的生成是由全部的預(yù)選節(jié)點(diǎn)共同決定[7]。聯(lián)盟鏈不僅易于監(jiān)管，還有三大核心優(yōu)勢(shì)：效率，如果是高頻交易，則要求較高的交易效率，所以交易的吞吐量是應(yīng)用區(qū)塊鏈企業(yè)的交易績(jī)效指標(biāo)；安全性，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)記在其自身的節(jié)點(diǎn)上，多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)共識(shí)由多方構(gòu)成，沒有一方擁有最終決定權(quán)，這樣就可以做到可追溯和防篡改。這些特性能提升機(jī)構(gòu)之間的信任，降低了信任成本，提高了效率，可以促進(jìn)多方合作；交易成本較低，交易僅需幾個(gè)受信的算力高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，無需全網(wǎng)確認(rèn)。

表1 公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈對(duì)比

共識(shí)機(jī)制的存在，也使得即使區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)受到惡意攻擊時(shí)也能保持?jǐn)?shù)據(jù)的不可篡改。這種不可篡改和追溯的無中心數(shù)據(jù)庫可以在農(nóng)產(chǎn)品信息收集和交易流轉(zhuǎn)的過程中解決信息不對(duì)稱和資料造假等問題。PBFT 共識(shí)算法（拜占庭容錯(cuò)算法） 是確保分布式系統(tǒng)與拜占庭故障節(jié)點(diǎn)一致性的通用解決方案。對(duì)比POW/POS/DPOS 等共識(shí)算法具有效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。PBFT 共識(shí)算法針對(duì)n個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)要求對(duì)非拜占庭節(jié)點(diǎn)輸入的數(shù)據(jù)信息相同時(shí)，所產(chǎn)生的結(jié)果也應(yīng)相同；對(duì)于交易請(qǐng)求所有非拜占庭節(jié)點(diǎn)都能接收到，保證安全性的前提下允許存在不超過n-1/3 的失效節(jié)點(diǎn)，即n≥3f+1 就可以認(rèn)為達(dá)成了一致[5]。其中n為總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，f為失效節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。PBFT 共識(shí)算法適用于聯(lián)盟鏈場(chǎng)景。

2.3 PBFT 解決共識(shí)問題

利用PBFT 算法保證聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)間的一致性，PBFT 算法傳遞示意如圖2 所示。

圖2 中的C為請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)，0、1、2 均為正常運(yùn)行的服務(wù)器，3 為失效服務(wù)器，算法執(zhí)行情況如下：

（1） Request：由節(jié)點(diǎn)C向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，記為0。

（2） Pre-prepare：C請(qǐng)求主節(jié)點(diǎn)服務(wù)端0 后，服務(wù)端0 傳遞至副節(jié)點(diǎn)1、2、3。

（3） Prepare：副節(jié)點(diǎn)1、2、3 接到傳遞記錄后，1 繼續(xù)傳遞至023，2 傳遞至013, 3 因?yàn)槭o法繼續(xù)傳遞。

（4） Commit：節(jié)點(diǎn)0、1、2、3 在準(zhǔn)備階段如果收到超過一定數(shù)量相同的請(qǐng)求，就會(huì)進(jìn)入提交階段，并且傳遞提交申請(qǐng)。

（5） Reply：在提交階段若0、1、2、3 節(jié)點(diǎn)收到超量的相同請(qǐng)求，則會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)C反饋信息。

2.4 信息追溯框架

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)農(nóng)產(chǎn)品信息追溯模型框架，如圖3 所示，在物聯(lián)網(wǎng)感知層中，利用各種傳感設(shè)備實(shí)時(shí)采集各種農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息，并上傳至區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層[6]。在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層中，利用密碼學(xué)加密技術(shù)對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理防止農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)方或者物流周轉(zhuǎn)方對(duì)農(nóng)產(chǎn)品信息和物流運(yùn)輸信息進(jìn)行篡改。應(yīng)用層中的農(nóng)產(chǎn)品交易信息也會(huì)上傳至區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層，依靠區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的時(shí)間戳技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)可追溯查詢和監(jiān)督的區(qū)塊鏈條，同時(shí)也便于政府監(jiān)管部門的監(jiān)督和管理[7]。

2.5 基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品追溯關(guān)鍵環(huán)節(jié)

2.5.1 區(qū)塊數(shù)據(jù)采集與傳輸

如圖4 所示，依靠各種物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備采集大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、PH 數(shù)值等數(shù)據(jù)，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后，再利用WLAN、4G、5G 等現(xiàn)代無線傳輸渠道進(jìn)行信息傳輸，形成區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的源頭。

2.5.2 數(shù)據(jù)上鏈存儲(chǔ)

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品追溯信息全覆蓋，保證農(nóng)產(chǎn)品交易信息的完整性，需要將農(nóng)產(chǎn)品種植時(shí)間、采摘時(shí)間、農(nóng)藥殘留量、交易流轉(zhuǎn)等信息一并上鏈存儲(chǔ)，如圖5 所示。使用區(qū)塊鏈技術(shù)中的加密算法對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行摘要計(jì)算，發(fā)送到區(qū)塊鏈上，通過共識(shí)算法確認(rèn)信息的真實(shí)性后廣播出去，其他節(jié)點(diǎn)接收到之后進(jìn)行匹配，若符合要求則存儲(chǔ)在自己的賬本中，交易內(nèi)容再也無法篡改。

2.5.3 鏈上追溯信息查詢

農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)過交易流轉(zhuǎn)到達(dá)消費(fèi)者手中后，可以通過掃描包裝上的二維碼、RFID 感應(yīng)設(shè)備來查詢?cè)撧r(nóng)產(chǎn)品完整的生產(chǎn)交易信息，包括種植時(shí)間、種植地點(diǎn)、采摘時(shí)間、生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)、加工單位信息、物流運(yùn)輸信息、區(qū)塊鏈上一交易地址哈希值等。消費(fèi)者可以在區(qū)塊鏈交易平臺(tái)輸入上一交易地址哈希值來查詢農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)交易的數(shù)據(jù)，通過對(duì)比匹配數(shù)字簽名來確定生產(chǎn)交易信息是否被篡改。

圖2 PBFT 算法傳遞示意圖

圖3 基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品信息追溯模型框架

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖4 農(nóng)產(chǎn)品信息追溯圖

圖5 數(shù)據(jù)上鏈流程

實(shí)驗(yàn)建立了一個(gè)由12 臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的，運(yùn)行Linux 操作系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，用來驗(yàn)證PBFT 的性能。每臺(tái)計(jì)算機(jī)參數(shù)如下：8GB 內(nèi)存，i5 CPU，Linux 操作版本是Ubuntu 16.4。每臺(tái)計(jì)算機(jī)都在同一局域網(wǎng)中，搭建了符合Hyperledger fabric 配置要求的系統(tǒng)環(huán)境，建立了區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。本實(shí)驗(yàn)的農(nóng)業(yè)溯源數(shù)據(jù)來源于康平某大棚。

3.2 系統(tǒng)容錯(cuò)性分析

基于比特幣區(qū)塊鏈的權(quán)益證明（POS） 和工作量證明（POW） 共識(shí)算法無法提供絕對(duì)信任的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也無法滿足高效率的需求。本文選擇了實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法（PBFT） 來實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈共識(shí)，解決一致性問題。通過PBFT 算法得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如表2 所示，其中S代表節(jié)點(diǎn)總數(shù)，S*代表失效節(jié)點(diǎn)數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，PBFT 算法可以容忍1/3 左右的失效節(jié)點(diǎn)，容錯(cuò)能力較強(qiáng)。

表2 PBFT 算法容錯(cuò)法分析

解決一致性問題是保證區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中對(duì)于節(jié)點(diǎn)之間達(dá)成一致性共識(shí)和實(shí)現(xiàn)互信的基礎(chǔ)。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文以康平某大棚種植銷售的葡萄為例，其基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)的葡萄產(chǎn)品信息追溯過程可分為如下幾個(gè)步驟：第一步：當(dāng)?shù)胤N植企業(yè)對(duì)其大棚種植的葡萄，利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備從播種葡萄秧苗開始不間斷采集大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、PH 數(shù)值等數(shù)據(jù)，并記錄種植時(shí)間、地點(diǎn)、施肥量、農(nóng)藥噴灑量、負(fù)責(zé)人信息等。保證葡萄的種植系信息被實(shí)時(shí)記錄，保證信息的可追溯性；第二步：在葡萄生長(zhǎng)過程中全程采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)和智能化的物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)，對(duì)葡萄的生長(zhǎng)環(huán)境全程監(jiān)控，并將處理后的信息上傳至區(qū)塊鏈系統(tǒng)，在葡萄生長(zhǎng)成熟后，生成對(duì)應(yīng)的二維碼標(biāo)識(shí)，待采摘包裝后置于產(chǎn)品標(biāo)簽上；第三步：質(zhì)量檢驗(yàn)過程中對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)檢過程和質(zhì)檢結(jié)果全程記錄，并將質(zhì)檢單位、質(zhì)檢時(shí)間、質(zhì)檢結(jié)果等信息上傳至區(qū)塊鏈系統(tǒng)；第四步：在葡萄運(yùn)輸過程中，物流單位必須通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)葡萄的儲(chǔ)存條件、運(yùn)輸方式和運(yùn)輸狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)將信息傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈系統(tǒng)中；第五步：葡萄經(jīng)物流單位運(yùn)輸?shù)戒N售單位時(shí)，銷售單位須對(duì)該批葡萄的產(chǎn)品標(biāo)簽進(jìn)行信息核對(duì)，將核實(shí)情況上傳到區(qū)塊鏈系統(tǒng)；第六步：消費(fèi)者通過電商平臺(tái)購買葡萄，交易記錄被保存在自身的賬戶中并存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈系統(tǒng)；第七步：供應(yīng)鏈上的相關(guān)節(jié)點(diǎn)一起對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)信息進(jìn)行認(rèn)證；第八步：消費(fèi)者通過電商平臺(tái)提供的查詢功能，進(jìn)行對(duì)葡萄生產(chǎn)信息、物流信息、交易信息、配送信息等進(jìn)行查詢和追溯。

4 結(jié) 論

針對(duì)我國農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)銷售過程中的造假、摻假、信息不對(duì)稱的問題，本文通過利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了農(nóng)產(chǎn)品信息追溯模型，模型通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集農(nóng)產(chǎn)品的初始種植信息以及質(zhì)檢信息、物流運(yùn)輸信息，保證了信息的真實(shí)性、實(shí)時(shí)性。區(qū)塊鏈系統(tǒng)保證了農(nóng)產(chǎn)品信息的可追溯性和不可篡改。最后，在康平某大棚構(gòu)建了從葡萄種植開始到消費(fèi)者共同參與聯(lián)盟區(qū)塊鏈系統(tǒng)模型，完成了農(nóng)產(chǎn)品的追溯查詢的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。