区块链在溯源领域的应用

2019-03-17刘宗媛刘曦子

网络空间安全 2019年11期

刘宗媛，刘曦子

〔1.赛迪（青岛）区块链研究院，山东青岛 266000；2.赛迪智库网络安全研究所，北京100846〕

1 引言

溯源是一个能够连接产品生产、检验、监管和消费各个环节的生产控制系统，能够对产品进行正向、逆向、不定向的追踪管理，实现产品来源可查询、去向可追踪，保障了产品的质量安全。中国的消费市场正在进入一个全新的可追溯时代，产品溯源成为社会上的热点问题。国家治理层面正在强调“可追溯”在产品方面，尤其是食品与药品安全等领域，以及市场监管中的作用。截止到2019年10月，我国已颁布的溯源相关政策法律法规有15项。其中，《重要产品追溯追溯术语》《重要产品追溯追溯体系通用要求》《重要产品追溯追溯管理平台建设规范》《重要产品追溯交易记录格式总体要求》《重要产品追溯核心元数据》《重要产品追溯产品追溯系统基本要求》等六项重要产品追溯国家标准在同一天发布实施。

在行业规模上，根据商务部统计，全国58座大中型城市已建成肉菜流通追溯体系，覆盖8万余家企业、50万余家商户，品种涉及猪牛羊鸡肉、数百种蔬菜水果及水产，中央管理平台累计接收追溯信息66.6亿条，日均接收追溯信息450多万条。截至2019年10月，通过在全球企业库中统计查询溯源的相关企业，目前存续状态的企业多达1000家。

在技术创新上，现有的溯源技术分为两大类，一类是标签类，另一类是系统集成类。标签类的溯源技术主要有三种：一是条码加上产品批次信息（如生产日期、生产时间、批号等）；二是二维码，消费者只需要通过带摄像头的手机拍摄二维码，就能查询到产品的相关信息；三是RFID无线射频技术，在产品包装上加贴一个带芯片的标识，产品的流向都可以记录在芯片上。系统集成类的溯源解决方案主要包括企业自建平台、第三方云平台及政府建立的溯源平台三类。

表1 我国溯源相关政策法律法规梳理

尽管重要产品追溯的国家标准已经制定完成，但是市场上假冒伪劣、以次充好的现象屡见不鲜，例如疫苗事件、红心鸭蛋事件、三鹿奶粉事件等，迫切要求广大企业利用信息技术为产品提供质量保证。这是因为目前现代食品种养殖、生产等环节繁复，食品生产加工程序多、配料多，食品流通进销渠道复杂，出现食品安全问题的概率大大增加，相应的追溯和问责的难度也在不断上升。

2 溯源行业存在问题

2.1 溯源信息易被篡改

目前，普遍采用的溯源技术解决方案，不论是标签类还是系统集成方案类均采用中心化架构。中心化的溯源系统无法自证清白，这是目前溯源行业的根本问题。传统溯源行业的系统数据库主要是企业自建的数据库中心或者系统技术服务方提供的云数据库，数据控制管理权集中在企业方。因为其自身是流转链条上的利益相关方，所以存在着企业篡改账本，使溯源流程失效的可能性。当问题产品出现或者对账本信息不利时，可以对溯源数据进行修改或删除，存在故意规避自身责任的漏洞风险。同时，面临着外部风险，存在黑客攻击系统数据库的安全隐患，将数据进行盗取来进行真数据假产品的市场仿冒恶劣手段。

2.2 供应链上数据信息共享不充分

目前，产品溯源的覆盖范围有限，绝大多数产品溯源只延伸到产品深加工阶段，没有涉及原材料溯源及物流运输溯源领域。究其根源在于供应链上的各个供应商、物流商、生产商、零售商信息封闭，各自管理系统独立运行，难以建立多方共同信任体系和隐私保护体系，信息孤岛现象严重，导致中心化的溯源手段无法沿供应链条延伸，降低了传统溯源方法的真实性和公信力。

2.3 溯源信息责任主体难确定

溯源体系建设要达到责任可究的目标，但是传统溯源行业无法自动确认责任主体和问题的根源，仍然需要依靠监管部门的执法和企业内部的质量安全控制，系统真正要确定责任的时候还是要靠人来管理。因此，存在数据不对称、监管不及时的现象，当产品出现质量事故、食品安全问题时，生产企业作为责任主体方，要承担相应的社会责任与法律责任，但是生产企业拥有溯源数据的唯一控制权，无法避免企业为了逃避责任选择修改或删除溯源数据的情况发生，因此无法确认具体的责任主体，最终将无法对问题产品进行针对性的处理。

2.4 用户信任难以建立

我国食品工业起步晚，现行的食品安全国家标准1600余项，其中推荐性标准1200余项，强制性标准400余项，我国食品安全主要指标数量与西方发达国家基本相当，但是强制执行标准数量比例较低。标准约束力低下导致了市场经营的诚信度不足，以及行政监管不力、监管体制存在漏洞等问题存在。难辨别、难溯源的假冒伪劣产品，不仅侵犯了消费者的权益，在食品、药品领域甚至威胁到了人们的生命安全。食品安全事故频发，已经严重打击了中国消费者对食品安全的信心，用户信任难以建立。

3 区块链如何赋能溯源行业

区块链通过加密算法、点对点网络、共识算法等技术体系，为交易双方提供了一种安全、高效、可靠、透明的商业交易模式。区块链技术以特定的方式形成了一种新的去中心化数据记录与存储体系，并给存储数据的区块链打上时间戳使其形成一个连续的、前后关联的信任的数据系统，这种系统的架构与溯源的行业特征天然契合，使得区块链技术更易应用于溯源行业。

3.1 区块链能够保证溯源数据的完整性、真实性、连续性

区块链是区块按时间顺序生成、以链的方式组合在一起的分布式账本系统，一旦新区块完成共识并加入到区块链上，则记录的数据就再也不能被改变或删除，保证了数据库的完整性和真实性。区块链利用时间戳、共识机制等技术手段，保证了溯源环节上各企业节点上链数据的真实不可篡改。应用了区块链技术的“去中心化分布式记账法”将所有信息公开记录在“公共账本”上，并只能录入无法修改，同时通过复杂的加密算法，使得数据难以被攻击和篡改。

3.2 区块链有助于打破多部门、多业务主体之间的信息孤岛

区块链有助于打破供应链上的各个供应商、物流商、生产商、零售商之间的信息壁垒，建立溯源多主体之间的协同业务处理系统。区块链通过自身分布式架构体系以及相应的共识协议、激励机制，把溯源数据存储在每一个参与数据共享的企业节点上，且参与的企业节点都会记录结果并进行验证，这样就构建了一个全网共识、全网监督的共享账本，所有参与方都能够实时访问网络上的数据。利用区块链的共有数据、防篡改、分布式和数字化合约的特点，能够将复杂的业务层面协调问题，转化为技术层面的数据流通问题，溯源产品全生命周期上链可以提供信息的全程可查询，有效地解决多部门信息协同的难题，使得商品、物流等溯源数据公开透明，降低沟通协作成本。

3.3 区块链公开透明的数据账本有利于政府和消费者进行溯源监管

应用区块链技术构建商品供应链全行业共享账本后，消费者以及第三方机构能够随时监测各个节点数据的传输与流通，保证了存储数据受多方监督，降低了审计和合规性的成本，有利于政府和消费者进行溯源监管，达到责任可究的目标。

3.4 区块链能够为传统溯源行业建立多方共识下的用户信任机制

为了实现商品来源可查、去向可追、责任到人的用户需求，越来越多的企业和地方政府都在积极建设和参与商品安全追溯体系。只要将商品追溯信息实时上传到区块链上，每个节点都将不可更改和删除，最大程度确保溯源信息的真实性和可信度。链上的任何业务流程都需要经过全网参与主体的认证、共识，这样就形成了一个全网监督互信、共同维护治理的溯源系统。数据记录者在每一个区块中都盖上一个时间戳来记账，标志信息的录入时间，而且所有的网络节点都能够获得上链数据，任何人想要篡改都需要再次获得全网共识，这样就形成了一个基于技术的信任体系。区块链溯源可以解决商品在生产、加工、物流、销售等流通过程当中的信息传递和信任问题，有助于建立用户信任机制。

4 区块链溯源技术解决方案

4.1 业务流程

溯源应用的业务从开始到结束的整个过程中，包含生产、行业、城市、区域、用户等多个节点和原料、工厂、物流、仓储、零售、购买与展示等诸多环节。要想对业务应用进行溯源追踪，需要对溯源应用的生命周期进行管理。

图1 区块链溯源业务流程示意图

具体而言，区块链溯源的应用模块包括针对区块链的数据存储基础设施的溯源平台、针对数据生产方的多渠道数据交互的业务系统、针对用户的溯源应用的溯源查询以及针对监管方的审计通道的第三方系统。

基于区块链的高可靠性、分布式数据库的溯源平台模块：主要负责提供数据的存储、查询及日志保存等基础业务；针对数据生产方多种数据交互渠道的业务系统模块：主要负责各个数据生产方能够完成数据同步、数据上链、数据查看等重要工作；针对用户的溯源终端程序溯源查询模块：主要负责提供可访问数据接口，如桌面网站、移动APP、微信小程序等多类型应用；针对监管机构、数据分析机构等溯源数据需求群体的第三方程序模块：主要负责提供多种数据版本。

4.2 技术架构

区块链溯源应用总体技术架构分为四个层级结构，这些层级描述了区块链溯源应用当中典型的功能模块。同时，为了保证区块链溯源的完备性，还需要对参与的主体进行可信身份认证，保证溯源数据有对应的产生主体；监管服务开放了对外接入政府、企业等溯源系统的接口，保证了区块链溯源的可扩展、可跨链等。区块链技术溯源应用的总体架构图如图4所示。

图2 区块链溯源的应用模块

基础服务层提供了基本的互联网基础设施及信息服务，采用云计算基础设施为上层架构组件提供了运行环境，物联网能够可信采集源头溯源数据，区块链保证溯源数据的真实性，最后结合其他技术，对溯源数据进行安全存储、分析、计算，提供高效、精准的数据服务。

核心技术层是区块链溯源系统的核心组成部分，是集中应用区块链核心技术组件的地方。共识机制与分布式账本保证了网络的分布式一致性和公开透明性，智能合约实现了业务的紧耦合，减少人为操作，辅以其他技术保证区块链技术的安全、可控、可视等。

服务层为区块链溯源应用提供了区块链相关服务，保证了服务的高可用性、高便捷性。通证作为区块链服务特色体系，能够为企业提供更加丰富的服务场景，提高用户的参与度与粘性度，也是众多企业在设计区块链溯源时的重要一环。

应用层是溯源数据的输入输出端口，企业与个人可以上传溯源数据，消费者可以扫码接收溯源数据，同时也可以接入物联网设备、企业其他管理系统，是区块链溯源系统与外界的接口。区块链技术在“基础服务层”和“核心技术层”有重要作用。在其他层级主要依托于成熟的IT技术。

5 区块链溯源应用案例

5.1 京东：扶贫跑步鸡

图3 区块链通用技术架构

（1）基本介绍：京东利用对产品防伪和全程追溯体系丰富的业务经验，针对每个商品，记录从原材料采购到售后的全生命周期闭环中每个环节的重要数据。通过物联网和区块链技术，结合大数据处理能力，与监管部门、第三方机构和品牌商等联合打造防伪和全链条闭环大数据分析相结合的防伪追溯开放平台。平台基于区块链技术，与联盟链成员共同维护安全透明的追溯信息，建立科技互信机制，保证数据的不可篡改性和隐私保护性，做到真正的防伪和全流程追溯。

（2）技术方案：京东区块链防伪溯源的技术框架共六层，包括存储层、基础组建层、功能层、管理层、访问层和用户层，如图4所示。

使用区块链联盟链方式存储参与主体相关数据，通过组件化形式灵活配置相应功能，包括数据采集、数据传输、交易查询、溯源码管理、商品管理等功能，为用户端和租户端提供相应的模块化管理，同时可以为用户提供应用场景的服务。目前，京东已形成了一整套专业防伪追溯与互动营销整体解决方案，打造了适用于种植与养殖企业、品牌商、第三方机构、政府监管等多主体不同应用场景，支持跨主体信息采集，将商品生产、加工、包装、出厂等信息，结合京东仓储出入库、订单、物流等信息，实现商品全程品质信息可追溯。京东借助区块链服务平台—智臻链，组建防伪追溯联盟链，共建共享可信安全数据环境。

（3）应用成果：一是已形成全流程追溯体系解决方案，从原料、工厂、物流、仓储、零售、购买和展示全流程信息覆盖。防伪溯源已覆盖多个品类。目前，已经与超过500家国内外顶级品牌商开展合作，在生鲜、农业、母婴、高端酒类、美妆、3C二手、全球购、奢侈品、线下商超等应用场景已形成落地解决方案。二是与政府及第三方机构开展合作，形成合力。2017年6月，联合商务部、农业部、工信部、国家质检总局成立京东品质溯源防伪联盟；2017年7月，联合跨国品牌、海关商检成立跨境溯源联盟，通过协同合作，致力于搭建一个跨境商品精准追溯的生态体系；为促进消费品产品质量提升、品牌建设，京东与工信部消费品工业司于2017年10月开展合作，共同推进乳制品追溯体系建设；2017年10月，京东与商务部签署战略合作协议，双方将在数据共享、精准扶贫、防伪追溯、供应链创新应用等方面形成政企合力，服务经济发展大局，支持宏观决策和改善民生，通过多领域、多层次合作，深化数字商务实践，推动电子商务提质升级，助力供给侧结构性改革；2018年1月，京东与北京商务委开展战略合作共建重要产品追溯体系；2018年4月，京东与检科院签署战略合作协议，双方将着眼于行业发展，通过质量战略合作，把线上消费渠道的产品质量管理水平推向一个新高度，促进行业规范化发展。产品销量呈爆发式增长。区块链防伪溯源这一技术的创新为商品提供品质保障，618期间售出的防伪溯源商品同比增长超过200倍，为消费者的品质购物保驾护航。

图4 京东区块链防伪溯源的技术框架

5.2 太一云：中国食品链平台

（1）基本介绍：中国食品链平台从食品领域出发，以食品安全溯源为出发点，通过区块链技术手段和区块链治理思想结合的方式，建立一个面向全球的安全可信、可追溯的食品生产和流通体系，推动中国食品行业转型升级。

（2）技术方案：中国食品链平台采用太一云自主开发高效的底层区块链平台，平台架构设计以数据存证和通证模型为两个主要的核心，安全可靠地集成了通过权威第三方测试的太一云超导网络，拥有多项专利产权，平台在保证上层应用的性能需求同时，对接口进行抽象和封装，支持用户更灵活的构建应用。同时，采用食品护照对产业链企业和消费者进行可信身份认证与登记，采用卫星授时与定位技术，以静态数据与动态数据相结合的方式，对食品的生产加工与流通进行追踪，并按照时间戳顺序记录食品交易转移行为，实现食品信用信息不断的传递，保障食品的安全与可信。

（3）应用成果：平台已经完成对赣南脐橙、新疆大枣、五常大米、青海野生黑枸杞、安华黑茶等产品的信息上链溯源，正在筹备更多产品的上链溯源，以这些产品以及企业为基础，逐步构建起食品行业信用体系，解决食品安全问题。

5.3 智链：区块链大农场平台

（1）基本介绍：由智链（ChainNova）设计的“区块链大农场”平台是要通过溯源信息解决食品安全问题，实现快捷便利流通以及提高农民真实收入。利用的物联网设备包括智能化的育苗大棚、水田环节采集设备、虫情测报仪、作物长势监控设备、视频监控设备等，覆盖了粮食生产的各个环节，可采集到空气环境、作物生态参数、水环境参数、气象环境参数、视频等多种信息，实时获取的信息直接上链，能够提供真实的第一手数据。种植阶段的这些数据经过离线分析还会反馈给生产现场为作物生长提供合适水、肥等环境。

图5 中国食品链平台架构图

（2）技术方案：智链设计了“区块链大农场”平台基础架构，区块链技术在整个“区块链大农场”平台架构中处于底层，而整个“区块链大农场”的业务还嵌入了实时计算、大数据处理、人工智能等模块。此外，由于大农场将会产生巨大的数据量以及并发数据，必须有高效的实时计算和大数据平台来承载对接IoT（Internet of Things），而为了让用户更好的认知整个溯源历史，同时在大数据的基础上做了数据可视化等。智链“区块链大农场”溯源平台的整体架构图如图6所示。

（3）应用成果：目前区块链大农场平台主要用于北大荒高度组织化的“基地+农户”的经营模式上，北大荒1,296万亩黑土地、覆盖3万多农户、40万多种植工人、9种IoT采集标准、112个电子表单、63个种植标准、23个风险点阈值、1639个细节字段、55个关键节点的农业大数据与区块链结合，激活北大荒农业大数据的沉睡价值。

5.4 海尔：食联网平台

（1）基本介绍：海尔食联网平台是基于海尔食联网生态，使用“区块链+物联网”技术为用户打造的健康生活物联网平台。针对目前食品溯源行业链条不统一、成本压力大、假溯源鱼目混珠的现状，平台汇集各行各业的优秀企业，成立溯源联盟。共同梳理行业内及行业间协同问题，解决问题，实现联盟成员间的良性互动，开展协同创新、标准创制、运营工作，保证溯源业务的持续性和规范化。

该追溯平台通过区块链搭建公平、透明的安心食材增值风险生态。有效地保护用户及生态资源各方的数据安全，有效加强联盟间信任度、减少信任摩擦。生态各方根据权重建立联盟节点，通过事前预设的智能合约自动分享生态增值，实现生态多方得利的商业模式。平台销售的生态产品全流程可溯源，建立优胜劣汰的生态规则和全网用户验证的交互体系，持续迭代和优化生态，实现“良币驱逐劣币”的良好竞争氛围，让用户放心购、安心食。

（2）技术方案：底层基础，通过基础架构优化、智能合约扩展、服务端接口包装以及智慧化容器管理等策略引入，完成平台的安全性，扩展性和易用性等多方面升级。

基于易用性的原则，平台支持区块链节点的一键生成、一件启停。同时，为了满足扩展性需求，平台在提供标准化智能合约模板的同时，为用户提供了自定义合约开发在线IDE（Integrated Development Environment，集成开发环境）。在运维监控方面，打造以联盟链为单位的区块链浏览器，提供节点信息、区块信息及交易信息的查询。