廖定安

（常州紡織服裝職業(yè)技術學院機電學院，江蘇 常州 213164）

農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)記錄了農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)到餐桌整個過程中的關鍵、詳細信息，能夠追溯農(nóng)產(chǎn)品的來源。當農(nóng)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量安全問題時，相關部門可以通過追溯系統(tǒng)提供的信息，精準、快速地定位到農(nóng)產(chǎn)品出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，第一時間將不合格農(nóng)產(chǎn)品批量召回，確認問題責任節(jié)點和人員，將損失盡可能降低到最小。這個過程是處理當前農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題的一種效果較好的方式。農(nóng)產(chǎn)品追溯涉及從生產(chǎn)到消費者整個供應鏈上各個環(huán)節(jié)的對象［1］，包括農(nóng)產(chǎn)品種植方以及生產(chǎn)、加工、物流服務企業(yè)、銷售企業(yè)和消費者等。農(nóng)產(chǎn)品追溯過程的復雜性導致質(zhì)量監(jiān)管執(zhí)行難度大，涉及步驟多、過程長、范圍廣且交錯性強，追溯數(shù)據(jù)集中復雜，供應鏈之間的質(zhì)檢節(jié)點不能完全保證其可靠性，且還存在管理者篡改農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的風險［2］。

區(qū)塊鏈是一種公開透明、分布式存儲、無篡改、安全可靠的共享賬本技術，它被認為是一個天然的信任機器?；诜稚⑿庞茫诓恍枰?jié)點互信的分布式系統(tǒng)中借助時間戳、一致性算法以及數(shù)據(jù)加密技術，解決了數(shù)據(jù)存儲的不安全性和低效率問題［3］。農(nóng)產(chǎn)品追溯體系若合理植入?yún)^(qū)塊鏈共識算法等技術，從而建立由算法組成的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系可信平臺，將提高系統(tǒng)的可靠性及安全性，使消費者重塑農(nóng)產(chǎn)品安全追溯的信心，這將是未來追溯體系的發(fā)展趨勢。

本研究將區(qū)塊鏈的基本技術植入農(nóng)產(chǎn)品信息追溯中，研究并實現(xiàn)了一個農(nóng)產(chǎn)品安全信息追溯與區(qū)塊鏈技術相結合的平臺。該平臺將區(qū)塊鏈可追溯設計方案、區(qū)塊鏈可追溯模型和低延遲PBFT 算法有機結合，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的可信溯源，確保用戶可以看到真實的農(nóng)產(chǎn)品溯源信息，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的安全性和可靠性［4］。

1 方法

1.1 區(qū)塊鏈原理

區(qū)塊鏈（Blockchain）是一種鏈結構，使用加密算法按時間順序組合數(shù)據(jù)塊。它可以構建不易篡改、可追溯、去中心化、多方聯(lián)合維護的數(shù)據(jù)庫。規(guī)則被事先商討確定后，任何一方有交易請求都必須依據(jù)規(guī)則實現(xiàn)。數(shù)據(jù)達成共識后，確認更新。更新后很難刪除和更改，只能執(zhí)行授權的查詢操作，這一行為使得信息的多方監(jiān)督與共享得到實現(xiàn)。區(qū)塊鏈集成了共識機制、P2P 網(wǎng)絡、智能合約、密碼學、區(qū)塊鏈結構、時間戳等多種技術，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自驗證和管理，無需依賴其他設備［5］。

通常每個區(qū)塊由區(qū)塊體和區(qū)塊頭組成，以單位區(qū)塊的有序鏈狀數(shù)據(jù)塊結構被稱為區(qū)塊鏈。上一個區(qū)塊頭的哈希（Hash）值會到下一個區(qū)塊頭，鏈式數(shù)據(jù)的存儲結構由此形成。區(qū)塊中的數(shù)據(jù)存儲在Merkle 樹結構中。數(shù)據(jù)塊自上而下重復散列，最后根節(jié)點的散列值存儲在區(qū)塊頭中，事務數(shù)據(jù)存儲在區(qū)塊體中，如圖1 所示。當數(shù)據(jù)更改時，Merkle 樹的根節(jié)點必須更改。區(qū)塊與區(qū)塊之間的鏈接借助了Merkle 樹結構的特點與時間戳，區(qū)塊之間的時間連接性是數(shù)據(jù)不易被篡改的主要原因。一旦數(shù)據(jù)塊被篡改，篡改就會傳導到Hash 計算，最后傳導到根哈希，即區(qū)塊頭中的Merkle 根，這就使得該系統(tǒng)具有可信度。這對于數(shù)據(jù)的追溯系統(tǒng)是可靠的［6］。

圖1 區(qū)塊數(shù)據(jù)結構

1.2 優(yōu)化的PBFT（Practical byzantine fault tolerant）算法

一般的PBFT 共識算法流程如下。如果令c、o、t分別表示客戶端發(fā)送的請求、請求的操作以及請求的時間，將客戶端的請求定義為＜REQUEST，c，o，t＞；如果，令c、v、t、r、i、f分別為客戶端、客戶端當前視圖、發(fā)送請求的時間、客戶端請求被執(zhí)行的結果、接受請求的節(jié)點編號、塊鏈網(wǎng)絡中錯誤節(jié)點的總數(shù)，客戶端的請求被處理的結果可以表示為＜REPLY，c，v，t，r，i＞。網(wǎng)絡中隨機選擇的節(jié)點稱為主節(jié)點，即主節(jié)點，剩余節(jié)點稱為備份節(jié)點，即備份節(jié)點。視圖由主節(jié)點和備份節(jié)點組成［7］。以下是對PBFT機制的定義。

定義1：Quorum 中兩兩交集是非空的，且通過系統(tǒng)節(jié)點集合構成。如果令U表示系統(tǒng)的節(jié)點集合，U={Q1,Q2,…,Qn} ，則將Q稱為一個 Quorum，具體表述見式（1）。

且滿足下面的性質(zhì)：①Q(mào)uorum 中任意2 個至少會存在1 個共用的且正確的節(jié)點；②不出現(xiàn)錯誤的Quorum 必然是存在的。

定義2：令v表示視圖的編號，視圖可以定義為達成一致的群。在IPBFT 機制中，對群中節(jié)點變化的觀察以正確節(jié)點一致性的要求進行。如果視圖節(jié)點的編號依次為（0，1，2，…，N-1），以此共有N個節(jié)點，將p設為主節(jié)點的標號（其余節(jié)點replica 是備份節(jié)點），當群中主節(jié)點出現(xiàn)故障時，則主節(jié)點會順次下移為下一個編號的節(jié)點，因此，視圖編號增加1，視圖也隨主節(jié)點的變換而發(fā)生切換，滿足式（2）。

IPBFT 可以迅速、有效地解決拜占庭問題，這對于農(nóng)產(chǎn)品溯源平臺是較優(yōu)且合理的選擇。因此，作為區(qū)塊鏈追蹤系統(tǒng)的底層算法，本研究采用IPBFT共識算法進行處理［8］。

1.3 區(qū)塊鏈技術的農(nóng)產(chǎn)品溯源可信平臺架構

基于傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品溯源和區(qū)塊鏈技術的特點，設計了植入?yún)^(qū)塊鏈技術的農(nóng)產(chǎn)品溯源模型。區(qū)塊鏈關鍵技術可以使產(chǎn)品的流通流程實現(xiàn)分布式存儲各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的可追溯數(shù)據(jù)，并將可追溯數(shù)據(jù)安全存儲在相應的臺賬中。數(shù)據(jù)詳實，保真度高，使得農(nóng)產(chǎn)品的可信溯源功能得以實現(xiàn)。平臺架構如圖2 所示。

圖2 溯源可信平臺架構

農(nóng)產(chǎn)品的流通過程要經(jīng)過許多環(huán)節(jié)，參與節(jié)點是農(nóng)產(chǎn)品信息傳遞的重要環(huán)節(jié)。因此，為每個參與節(jié)點都設置1 個密鑰，其中包含農(nóng)產(chǎn)品的過程鏈信息，這樣產(chǎn)業(yè)鏈中的每個參與節(jié)點在1 個環(huán)節(jié)內(nèi)對信息加密時都可以使用專屬的密鑰來進行。在產(chǎn)品交易環(huán)節(jié)中，發(fā)起者首先通過自己的密鑰對節(jié)點進行身份驗證，然后開始整個交易過程。此時，交易2個節(jié)點需要使用非對稱加密技術來達成協(xié)議，從而實現(xiàn)產(chǎn)品所有權的轉移［9］。

通過智能合約的編制，農(nóng)產(chǎn)品的任意信息傳遞和坐標變化都可以記錄在區(qū)塊鏈上，真實有效，可以滿足農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈的實際需求。智能合約的這一系列功能合約可以用代碼的形式在區(qū)塊鏈上被滿足。產(chǎn)品可追溯性的全過程是透明的、防篡改的，解決了傳統(tǒng)可追溯性的完整性問題［10］。

共識算法確保了數(shù)據(jù)的公開性和透明性。例如，在節(jié)點存儲信息之后，廣播被發(fā)送到整個網(wǎng)絡。信息不被篡改是由一致性算法和密碼學兩者保證的，產(chǎn)品信息在鏈中所有節(jié)點確認廣播后將被分發(fā)并存儲在每個節(jié)點的分布式賬本中。

如果鏈路的參與節(jié)點發(fā)生故障，系統(tǒng)仍可正常運行，故障節(jié)點可以在系統(tǒng)中讀寫數(shù)據(jù)，它們被賦予了這樣的權力，并且數(shù)據(jù)可以被恢復，每個節(jié)點因為鏈中的塊可以同步數(shù)據(jù)而具有可以共享產(chǎn)品信息的功能。系統(tǒng)去中心化效果的實現(xiàn)在保證數(shù)據(jù)真實性的前提下，可以實現(xiàn)對信息的有效跟蹤和追溯。

2 結果與分析

2.1 農(nóng)產(chǎn)品溯源可信平臺的實現(xiàn)

本研究的區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用Linux 環(huán)境，構建了1個基于多Docker 容器的Fabric 分布式網(wǎng)絡，并基于Hyperledger Fabric 系統(tǒng)實現(xiàn)。使用CouchDB 數(shù)據(jù)庫，主要使用shell 腳本來構建網(wǎng)絡。智能合約是用Go 語言實現(xiàn)的，相關的依賴關系是NodeSDK。開發(fā)并實現(xiàn)資源調(diào)用的Restful接口。應用系統(tǒng)用C 語言開發(fā)，采用MVC（Model-View-Controller）架構，前端運用Boostrap 框架，結合區(qū)塊鏈系統(tǒng)使用MySQL 數(shù)據(jù)庫進行存儲。以下介紹區(qū)塊鏈系統(tǒng)的部署情況。

1）構建區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡環(huán)境。共識算法采用IPBFT 算法，并依據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈中各環(huán)節(jié)的現(xiàn)實需要編寫智能合約，以確?？梢哉＿\行區(qū)塊鏈系統(tǒng)。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)運行的基礎和前提是Fabric 環(huán)境。運行平穩(wěn)且性能良好的Fabric 環(huán)境會使智能合約的運行與節(jié)點的共識正常工作，是關鍵的因素。該平臺使用Fabric 1.1.0。安裝docker 并下載Fabric 源代碼，將Docker 容器和Fabric 源代碼全部成功安裝后，啟動Fabric 網(wǎng)絡。執(zhí)行代碼為：./network_setup.sh up。

2）智能合約的部署。將編寫好的智能合約放到指定文件夾中，然后啟動cli 容器及peer，加入到通道后執(zhí)行代碼為：peer chaincode install-n myccp/opt/gopath/src/github. com/hyperledger/fabric/suyun/chaincode/01-chaincode-v1.0，將鏈碼（智能合約）進行安裝，其中docker 容器中鏈碼所在的位置是-p 后的內(nèi)容，然后將鏈碼實例化，實例化完成后，部署完畢。

3）IPBFT 共識的部署過程。在超級賬本中，consensus 文件夾中存儲的是共識算法的實現(xiàn)代碼。consensus 模塊主要包括該算法的hyperledger 內(nèi)部接口以及算法插件的內(nèi)部到外部接口。它包括6 個文件模塊：controller、executor、helper、noops、pbt、util。根據(jù)可插入的共識算法模塊特點，可以在controller中選擇特定的識別算法。

4）系統(tǒng)界面展示。根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品溯源的實際應用需求，結合系統(tǒng)的詳細設計，實現(xiàn)了系統(tǒng)的主要功能模塊。系統(tǒng)用戶為不同的角色提供不同的訪問點。農(nóng)產(chǎn)品追溯供應鏈不同環(huán)節(jié)的企業(yè)用戶使用本系統(tǒng)租用應用服務時，需要在注冊成功后登錄系統(tǒng)購買應用服務。提交訂單后，等待管理員審批，即可進入相應的管理頁面進行相應的數(shù)據(jù)管理操作。進入登錄頁面后，點擊按鈕進入注冊頁面并填寫相關信息。用戶注冊成功后，根據(jù)不同的角色登錄。登錄界面如圖3 所示。

圖3 農(nóng)產(chǎn)品溯源可信平臺登錄界面

管理員可以通過查詢農(nóng)產(chǎn)品的區(qū)塊信息和詳細信息，點擊追溯查詢?yōu)g覽每條記錄，確認追溯過程鏈上狀態(tài)和運行正常。消費者如果想要查看農(nóng)產(chǎn)品的信息，如種植、銷售、人員、區(qū)塊鏈信息，可以通過產(chǎn)品包裝上的二維碼掃描和輸入追溯代碼，跳轉到農(nóng)產(chǎn)品的信息追溯界面而獲得。

2.2 農(nóng)產(chǎn)品溯源可信平臺測試

大規(guī)模用戶對區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品溯源可信平臺有需求，平臺要求具有完備的功能和穩(wěn)定性。需要對平臺進行功能測試，包括表單測試、前端頁面事件跳轉測試、業(yè)務功能測試，測試系統(tǒng)的業(yè)務功能是否滿足設計要求，是否達到預期結果。

表單測試主要對表單的輸入和數(shù)據(jù)的顯示進行測試，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量可追溯系統(tǒng)的正確性。事件跳轉測試是對界面上單擊事件的跳轉進行測試，檢查頁面跳轉是否異常。結果如圖4 至圖6 所示。

圖4 事件跳轉測試結果

圖5 表單測試結果

圖6 系統(tǒng)業(yè)務功能測試

3 小結與討論

隨著人們生活水平的提高，食品安全問題越來越受重視。傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源平臺采用單一的中心化存儲解決方案，供應鏈中節(jié)點多，關系復雜，安全問題責任方確認成本高、效率低。本研究提出的基于區(qū)塊鏈的可信農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)去中心化、分布式存儲、防篡改，能很好地解決食品安全溯源問題。

1）構建農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了去中心化，結合區(qū)塊鏈存儲結構和共識算法，每個節(jié)點都有自己的分類賬本，使得農(nóng)產(chǎn)品信息易被篡改問題得到解決。

2）結合區(qū)塊鏈溯源方案，模型和低延遲一致性算法的設計，采用Hyperledger 構建區(qū)塊鏈可追溯系統(tǒng)的模塊和架構，與傳統(tǒng)的可追溯系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有分散和分布式數(shù)據(jù)存儲的特點，并建立了新的信任機制，以確保信息的安全性和可信度，為農(nóng)產(chǎn)品的可追溯性提供了可靠的平臺。

3）本研究設計實現(xiàn)的存儲方式也存在一定的局限性，在數(shù)據(jù)不丟失的情況下對存儲和查詢性能方面進行了優(yōu)化，當出現(xiàn)線下數(shù)據(jù)庫宕機和數(shù)據(jù)丟失時，數(shù)據(jù)的真實性無法得到驗證，未來應該結合本研究提出的存儲和查詢方法考慮數(shù)據(jù)安全問題，對系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化。