李 琳，陳甲偉

（1.北京聯(lián)合大學(xué)，北京100101；2.北方工業(yè)大學(xué)，北京100144）

1 引言

蔬菜是重要的日常食物之一，隨著人們生活質(zhì)量的提升，已經(jīng)從過去的溫飽問題轉(zhuǎn)為質(zhì)量問題，人們追求高質(zhì)量、安全的生活方式，因此蔬菜食品的安全問題愈來愈重要，建立蔬菜的溯源系統(tǒng)是一種保證蔬菜食品安全的模式。目前國(guó)內(nèi)對(duì)蔬菜食品信息溯源系統(tǒng)的研究也越來越成熟。王林生提出基于Android和QR碼的有機(jī)蔬菜溯源系統(tǒng)來避免蔬菜食品安全信息不對(duì)稱的問題；閻世江實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜供應(yīng)鏈信息的溯源并提出基于二維碼以及web界面實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的展示；趙璐瑩提出基于RFⅠD實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜食品信息的追溯。綜上所述，蔬菜食品溯源系統(tǒng)都是中心化的，中心化系統(tǒng)易導(dǎo)致信息被篡改、偽造、刪除，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化數(shù)據(jù)庫(kù)，可以避免數(shù)據(jù)被非法刪除、偽造、篡改，因此本文提出基于區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜食品信息的溯源。

2 溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溯源系統(tǒng)的意義

本文設(shè)計(jì)的蔬菜食品追溯系統(tǒng)的作用是對(duì)蔬菜的選種環(huán)節(jié)、種植環(huán)節(jié)、用藥環(huán)節(jié)、收獲環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)等環(huán)節(jié)信息實(shí)現(xiàn)采集，并對(duì)蔬菜食品的生長(zhǎng)環(huán)境信息進(jìn)行采集，保證信息的完整性，實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜食品信息的溯源。為了保證信息的安全性，本文利用區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)，并且利用區(qū)塊鏈的分布式存儲(chǔ)模式實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸、同步存儲(chǔ)，有效防止某個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)被偽造，避免出現(xiàn)蔬菜食品安全問題時(shí)責(zé)任難以劃分、不能快速定位的情況，提高了追溯蔬菜食品信息的效率。根據(jù)中國(guó)國(guó)情，建立適合中國(guó)蔬菜食品的溯源系統(tǒng)：便于監(jiān)管部門追責(zé)；參與企業(yè)信息透明化；消費(fèi)者有查詢產(chǎn)品溯源信息的權(quán)利，實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜食品從種植環(huán)節(jié)到出售環(huán)節(jié)的所有信息的溯源，強(qiáng)化了監(jiān)管部門的能力與手段，提高了蔬菜食品的安全指數(shù)，保障了消費(fèi)者的權(quán)益與健康。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)研究的追溯系統(tǒng)的參與企業(yè)在地理上呈分布式存在，并且數(shù)量較多，很難對(duì)參與企業(yè)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的集合存儲(chǔ)，因此難以實(shí)現(xiàn)參與企業(yè)之間溯源信息的共享。區(qū)塊鏈技術(shù)是一種新興技術(shù)，相較于目前傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方式，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化且分布式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)，利用其分布式存儲(chǔ)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)多源數(shù)據(jù)的融合。

由于公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈的特點(diǎn)各不相同，因此適用于不同的行業(yè)溯源系統(tǒng)。私有鏈、聯(lián)盟鏈、公有鏈特點(diǎn)如表1所示。由表1可知，聯(lián)盟鏈相較于其他兩種，聯(lián)盟鏈的中心化程度低、追溯效率高，并且符合中國(guó)的國(guó)情，因此本文采用聯(lián)盟鏈中的Hyperledger Fabric技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜食品信息的溯源，如圖1所示。蔬菜食品溯源系統(tǒng)主體框架包括了應(yīng)用層、合約層、共識(shí)層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層以及采集層。

表1 私有鏈、聯(lián)盟鏈、公有鏈特點(diǎn)表

圖1 溯源系統(tǒng)主體框架圖

采集層：蔬菜食品包括種植環(huán)節(jié)、物流環(huán)節(jié)、加工環(huán)節(jié)。種植環(huán)節(jié)包括種子名稱、肥料名稱、藥物名稱等信息；物流環(huán)節(jié)包括裝車地點(diǎn)、物流時(shí)間、物流人員、卸貨地點(diǎn)等信息；加工環(huán)節(jié)包括加工人員、加工時(shí)間、加工地點(diǎn)等信息。此外對(duì)于數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，本文利用區(qū)塊鏈技術(shù)保證上鏈數(shù)據(jù)的安全性、可靠性、完整性、真實(shí)性，避免了中心化系統(tǒng)數(shù)據(jù)被篡改、偽造、刪除，解決了多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和信息整合困難的問題，但是為了保證數(shù)據(jù)來源的真實(shí)性，本文采用二維碼技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，確保數(shù)據(jù)來源的真實(shí)性。

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層包括區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，區(qū)塊由區(qū)塊體和區(qū)塊頭組成，區(qū)塊頭包含版本號(hào)、父區(qū)塊哈希值、默克爾根、時(shí)間戳、難度值、隨機(jī)數(shù)，區(qū)塊體包括交易數(shù)量和交易數(shù)據(jù)。然后將區(qū)塊進(jìn)行鏈接組成區(qū)塊鏈，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層包括身份的認(rèn)證、節(jié)點(diǎn)接入的規(guī)則以及區(qū)塊鏈存儲(chǔ)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊?guī)則。

共識(shí)層：鏈上各節(jié)點(diǎn)對(duì)上鏈信息進(jìn)行算法驗(yàn)證，保證信息同步存儲(chǔ)在鏈上的其他節(jié)點(diǎn)。目前主要包括如下共識(shí)算法，如實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法（practicalbyzantine fault tolerance，PBFT）、工作證明（Proof of Work，POW）、股權(quán)證明（Proof of Stake，Pos）等。

合約層：主要包括各類算法、腳本或智能合約，當(dāng)區(qū)塊鏈上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的操作滿足預(yù)先設(shè)定好的規(guī)則或條件時(shí)，智能合約自動(dòng)執(zhí)行，因此合約層是區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化以及信任機(jī)制的基礎(chǔ)。

應(yīng)用層：基于區(qū)塊鏈技術(shù)的蔬菜食品溯源系統(tǒng)的Android終端應(yīng)用軟件，利用Android Studio進(jìn)行開發(fā)，主要包括數(shù)據(jù)采集、查詢、展示等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜視頻信息的追溯。

2.3 環(huán)節(jié)模塊構(gòu)建設(shè)計(jì)

本文提出的蔬菜信息溯源系統(tǒng)主要包括如下環(huán)節(jié)：種植環(huán)節(jié)、配送環(huán)節(jié)、加工環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)采集的溯源信息不同。蔬菜食品不同于單體牛、羊等畜類產(chǎn)品，不能進(jìn)行單體識(shí)別，所以本文對(duì)同一種植期和同一種植地的蔬菜食品進(jìn)行編碼標(biāo)識(shí)，編碼格式為種植時(shí)間加場(chǎng)地序號(hào)。

由于蔬菜食品的參與組織多，因此需要在區(qū)塊鏈上對(duì)這些組織進(jìn)行身份驗(yàn)證，再授權(quán)加入?yún)^(qū)塊鏈。種植機(jī)構(gòu)將蔬菜食品的種植信息進(jìn)行上鏈，如種子名稱、肥料名稱、藥物名稱等信息。其他節(jié)點(diǎn)利用算法對(duì)上鏈的溯源信息進(jìn)行算法驗(yàn)證。當(dāng)算法驗(yàn)證成功，各節(jié)點(diǎn)對(duì)上鏈的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在鏈上的多節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)，便于追溯查詢，避免數(shù)據(jù)被篡改。

以A種植基地為例，種植機(jī)構(gòu)將A基地的蔬菜從種子培育成蔬菜，記錄種植環(huán)節(jié)的選種信息、施肥信息、用藥信息，當(dāng)蔬菜成熟收獲時(shí)，為該批次蔬菜設(shè)定唯一編碼，再將種植環(huán)節(jié)的信息進(jìn)行上鏈存儲(chǔ)，其他節(jié)點(diǎn)收到上鏈信息后，通過共識(shí)算法驗(yàn)證，完成分布式賬本信息同步存儲(chǔ)。隨后對(duì)A基地該批次蔬菜食品的運(yùn)輸環(huán)節(jié)的信息進(jìn)行上鏈存儲(chǔ)，其他節(jié)點(diǎn)收到上鏈信息后，通過共識(shí)算法驗(yàn)證，完成運(yùn)輸信息分布式賬本同步存儲(chǔ)，再對(duì)A基地該批次蔬菜食品的加工環(huán)節(jié)的信息進(jìn)行上鏈存儲(chǔ)，其他節(jié)點(diǎn)收到上鏈信息后，通過共識(shí)算法驗(yàn)證，完成加工信息分布式賬本同步存儲(chǔ)，通過對(duì)如上3個(gè)環(huán)節(jié)信息的采集，將A基地該編碼標(biāo)識(shí)的批次蔬菜產(chǎn)品完整溯源信息存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈，如圖2所示。消費(fèi)者可以通過編碼獲取該批次食品的所有信息，保證信息透明化，也保障了消費(fèi)者的權(quán)益。此外，當(dāng)蔬菜食品出現(xiàn)安全問題時(shí)，監(jiān)管部門通過查詢溯源信息，可以快速找到責(zé)任主體并追責(zé)、定責(zé)。

圖2 蔬菜食品追溯系統(tǒng)

3 唯一編碼設(shè)計(jì)

將基地編號(hào)、時(shí)間、批次號(hào)進(jìn)行組合生成蔬菜食品的編碼，如01號(hào)基地，在2020-10-30種植了一批蔬菜，當(dāng)該蔬菜成熟時(shí)進(jìn)行運(yùn)輸、銷售，因此該蔬菜食品對(duì)應(yīng)編碼為0120201030。并采用二維碼作為載體對(duì)編碼進(jìn)行存儲(chǔ)呈現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 溯源編碼二維碼圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

基于區(qū)塊鏈的蔬菜食品追溯系統(tǒng)的應(yīng)用終端是基于Android studio開發(fā)的，終端軟件的載體設(shè)備要求：Android系統(tǒng)4.0以上、運(yùn)行內(nèi)存4 G以上、16 G存儲(chǔ)等主要要求。

區(qū)塊鏈部署在4臺(tái)linux系統(tǒng)的虛擬機(jī)上，在局域網(wǎng)下互相連接。其中1個(gè)為order節(jié)點(diǎn)，3個(gè)為peer節(jié)點(diǎn)。虛擬機(jī)的環(huán)境設(shè)置為：1個(gè)CPU，2 GB運(yùn)行內(nèi)存和25 GB存儲(chǔ)內(nèi)存，保證hyperledger fabric能夠正常運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)溯源數(shù)據(jù)的上鏈，避免數(shù)據(jù)被非法篡改、刪除、偽造，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的溯源。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文完成溯源系統(tǒng)環(huán)境的搭建以及軟件的開發(fā)，如圖4所示，利用開發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜食品溯源信息的采集、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合，并利用本文設(shè)計(jì)的溯源二維碼完成蔬菜食品溯源信息的查詢、展示。圖4（a）為信息查詢界面，消費(fèi)者可選擇輸入追溯碼或掃描追溯二維碼實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜食品信息的查詢；圖4（b）為各參與機(jī)構(gòu)獲得監(jiān)管部門授權(quán)后，可通過該溯源系統(tǒng)對(duì)對(duì)應(yīng)階段信息進(jìn)行上鏈存儲(chǔ)；圖4（c）為蔬菜信息展示界面，包括蔬菜的種子、施肥、用藥等信息，還包含物流環(huán)節(jié)、加工環(huán)節(jié)等信息。

圖4 溯源軟件

5結(jié)論

基于區(qū)塊鏈技術(shù)建立的蔬菜食品追溯系統(tǒng)，相比目前傳統(tǒng)的中心化系統(tǒng)能夠防止數(shù)據(jù)被非法篡改、偽造、刪除，并且加入?yún)^(qū)塊鏈上的組織能夠有效解決多源數(shù)據(jù)問題，打破傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)據(jù)不連通常規(guī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通共用，提高信息追溯的效率。