面向农产品交易流程的多链式区块链应用技术研究

梁昊 刘思辰 张一诺 吕科

摘要： 区块链技术由于其分布式存储、交易信息透明、可追溯性强等特点，同中国农产品交易体系具有很好的互补性和适用性，应用前景广阔。然而中国的农产品交易体系又具有产品多样性，交易流程复杂性，用户群体的广泛性、分散性，隐私保护性等特点，为区块链技术在中国的农产品交易信息体系中的应用造成了很多现实困难。针对以上问题，本研究采用联盟链的设计思想，提出了包括农产品交易信息链、用户信息链、农产品信息链的多链式农产品交易信息区块链应用技术。农产品信息链提供农产品的详细信息，并保证信息的可追溯性和不可篡改性。在用户信息链中引入区块链节点准入机制，为农产品交易平台提供实名制凭证登记与管理功能。交易信息链记录所有交易智能合约的处理结果，通过加入通道技术，实现不同交易信息的相互隔离，可满足交易信息和用户数据的隐私保护和交易数据的快速处理。通过智能合约对交易利润进行自动分成，提高执行效率，降低交易成本。最终建立透明、高效、适用性强的农产品交易区块链架构。

关键词： 农产品交易;区块链;智能合约;共识;联盟链

中图分类号： S238 文献标志码： A 文章编号： 201907-SA001

引文格式：梁  昊， 刘思辰， 张一诺， 吕  科. 面向农产品交易流程的多链式区块链应用技术研究[J]. 智慧农业， 2019，1（4）： 72-82.

1 引言

近年来，随着电子货币的普及和应用，区块链技术得到了快速的发展。2008年，由化名“中本聪”的学者在《Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System（比特币：一种点对点的电子货币系统）》中首次提出了基于区块链技术的比特币[1]。随后针对比特币交易出现逻辑简单、交易耗时长、数据占用大等情况，程序员Vitalik Buterin在2014年提出了以太虚拟机平台[2]。以太坊采用了轻量级客户端、智能合约等技术[3]，迅速引起了金融行业的广泛重视，同时也将区块链技术推进到区块链2.0时代[4]。由国际顶级金融机构组成的R3CEV区块链联盟，在银行之间建立联盟链，并推出了区块链商业应用项目Corda[5]。由IBM、Intel等公司牵头，与多家银行合作设计的超级账本Hyperledger Fabric项目，该项目采用联盟链的设计思想，是区块链在金融方面领域具有前瞻性和代表性的解决方案，其共识信息的吞吐量可达到1000次/s，且集成了复杂、成熟的商业逻辑[6]。

在学术界，区块链技术应用正在成为新的研究的热点。Weber等[7]学者提出了在不受信任的跨组织集成交易流程中，使用区块链、智能合约等技术构建交易监控与业务调度的高可信商业解决方案。Luu等[8]针对现有智能合约中可能存在的安全漏洞，设计了可查找智能合约安全漏洞的符号执行工具。在供应链信息溯源方面，Wu[9]基于区块链技术提出了一种分布式在线货件跟踪框架，该框架由一组专用分布式分类账和一个区块链公共分类账组成。Westerkamp等[10]使用时以太坊虚拟机，构建了基于区块链的供应链信息追溯体系，该体系使用智能合约和以太坊进行利润结算。学者Van等[11]使用区块链技术减少了供应链中的“牛鞭效应”，并指出了区块链技术在信息透明和隐私保护方面存在的问题。

Lan 等[12]提出了针对南非大型葡萄园的农产品信息区块链溯源技术。文献[13]探讨块链技术在农产品安全性与透明度方面的应用。Leng等[14]人设计的基于双链结构的农产品供应区块链应用系统，采用了交易链和用户链设计思想，在交易的同时可以初步实现对个人隐私的保护。Herry等[15]人使用电子货币、区块链和智能合约技术初步构建了面向食品、农民和融资的可持续解决方案，并在肯尼亚进行了初步的应用。Tharun[16]使用Hyperledger创建了农产品区块链溯源模型，并介绍了其比传统ERP信息技术系统和全球食品跟踪方法的优势。

2016年10月，中国工业和信息化部印发了《中国区块链技术和应用发展白皮书》（以下简称《白皮书》）[17]，成为了中国区块链发展与应用的依据和基石，为区块链在农业领域中的应用指明了路线和方向。近年来，由人民银行牵头的权威部门也在探索区块链技术在中国经济领域的应用[18]，甚至是发行法定数字货币[19]。

近年来区块链技术在农业方面的应用研究已经成为了农业信息化的热点，但由于中国是典型的小生产大市场的农业体系，存在农业技术落后，资金分散，生产成本高等不利因素[20]，对物联网、大数据、人工智能以及区块链等高新技术在农业方面的应用造成了严重阻碍。文献[21]提出了国内首个农产品信息根源连应用平台，并申请构建联盟链。2019年初，课题组在《农产品信息区块链技术架构设计及应用展望》（以下简称《农产品区块链》）一文中，初步设计了面向农产品信息的区块链应用技术架构[22]，希望以区块链技术为支点，推动高新技术在农业方面的普及。但《农产品区块链》主要介绍了如何通过区块链、智能合约等技术推动高新技术产业在农业方面的应用，而对农产品的交易过程并没有进行详细的探讨。因此，本研究将重点讨论区块链技术在农产品交易流程中的应用。

2 基于多链式的农产品交易信息区块链设计

《农产品区块链》提出了一种将农产品信息通过区块链进行存储，并设计了农业信息区块链技术框架，采用联盟链结构，可以提供更加灵活的数据存储方式，更快捷的交易确认时间[22]。

在农产品交易信息中涉及用户个人信息、中间商信息、加工企业信息、经销售商、物流企业、金融企业等参与者信息，还有农产品信息、交易信息、物流信息等相关的产品与流程信息，信息类型复杂。而在传统的电子货币区块链体系中，区块链仅用于存储电子货币的历史账单信息，存储类型单一，因此存储结构相对简单，检索效率低，例如在比特币体系中，某用户进行了100次交易，则需要在历史账单中进行100次检索才可以得到当前的账户信息;商业模式仅限于P2P（Peer-to-Peer）的简单交易;交易用户没有实名制。这些问题都對区块链技术在农产品方面的应用造成了严重的阻碍。

针对以上情况，本研究设计了多链式的区块链信息存储技术方案，具体包括：消费者信息链、企业信息链以及生产者信息链。采用多链式的存储方案的优势主要体现在：1、对于不同类型的信息进行分类存储，数据冗余更少，通过建立索引更便于数据的快速检索;2、可以提供更加灵活的信息呈现与隐私保护体系，更符合广大消费者的隐私保护和国家网络实名制的需求，更商业化的农产品交易流程;3、该技术不仅可以用于零售市场，还可以满足农产品批量交易的复杂商业流程。下文将对面向农产品信息的多链式的区块链架构进行详细的说明。

2.1 多链式区块链架构总体设计

农产品信息数据库采用了多链式的区块链设计方案，这样更便于存储复杂的数据，如图1所示。

证书授权（Certificate Authority，以下简称CA）是整个区块链联盟中的数字证书发行机构，CA负责对申请加入的用户节点信息进行检查并提供准入控制服务，向准入的用户节点（包括服务提供者与使用者）提供数字证书，包括公钥与私钥。CA是农产品区块链联盟中的共识信息的主要提供者和维护者，也是区块链网络中的超级节点，即数据服务的提供者。在数据类型方面，用户数据、交易数据与农产品信息数据是完全不同的数据类型，如果使用单一区块链的设计方案，将会造成大量的数据冗余，也无法满足快速检索，以及视图映射等方面的操作。例如，查询某用户的历史交易信息。首先在单链结构中，需要根据该用户的公钥地址遍历全部的区块去寻找交易记录，这些区块中包括用户、交易与产品的全部信息。然后在多链结构中，在用户信息区块链和交易信息区块链中建立视图，只需要对用户信息区块链进行一次检索就可以找到该用户的全部历史交易记录。不仅检索的信息记录少，而且检测的次数仅为1次。另外，多链式的区块链设计方案，在农产品交易的隐私保护、信息共识方面也具有更好的适用性。因此本研究设计了以交易信息链为主链、用户信息链和农产品信息链为支链的多链式区块链架构，在主链和支链之间通过等关键字建立映射，下文将详细介绍。

2.2 用户信息区块链

2.2.1 用戶信息区块设计架构

用户信息区块链主要存储消费者、生产者、加工企业、经销商等全部农产品信息区块链用户的相关信息，如：实名身份ID（企业使命信息），基本账户信息，信誉信息等，其设计结构如图2所示。用户相关信息按照对称二叉树排列后构成的Merkle树，并生成Merkle树的Hash值，从而使信息无法被篡改，保证了农产品信息可追溯环节的完备性，每一位用户的信息组成一个block。版本信息是为了保持区块链的可升级和兼容性。共识信息由CA对用户信息的正确性进行验证，验证通过后在区块链的共识信息中写入CA的身份识别信息，之后留下经过私钥加密的CA身份识别信息的数字签名，最后生成共识信息的Hash值。由于CA中有政府相关部门、大型电商平台，因此用户信息的共识范围将不仅限于农产品信息区块链联盟之内，还有可能同个人信用档案相关联，建立覆盖面更广、更完备的个人信息共识基础。

2.2.2 数字证书

出于对用户隐私保护的需要，本研究采用了数字证书（Digital Certificate，DC）的方式对用户的信息进行加密与识别，如图3所示。

用户的基本信息被对称加密后存储在区块链中，用户隐私信息仅对联盟链中的CA以及用户本身可见，交易的过程中，仅在X.509规范的数字证书的Subject属性里包含少量必要的实名制信息[23]。通过在用户信息区块链中引入数字证书技术可以带来3方面的优势。

（1）满足了网络实名制要求。农产品信息区块链技术主要的目的是提高农业信息化水平，推动农业现代化，因此必须要符合国家网络实名制的要求。用户信息的合法化认证也是联盟链共识机制的基础和保障。在区块链1.0中，区块链主要作为账本记录电子货币的交易信息，所有的交易均采用公钥构成的钱包地址，全部匿名，交易双方的信息无法同用户的社会属性相关联，导致电子货币成为了洗钱、贩毒等犯罪活动的避难所。

（2）满足了用户信息保密的要求。将数字证书技术引入农产品信息区块链当中，可以在联盟链的技术框架下实现对用户保密信息的进一步分离，在实现实名制的情况下，用户的保密信息仅对用户自身和联盟链内部的超级节点可见。在交易过程中仅通过数字证书提供交易双方必要的信息，大部分隐私信息被加密隔离。

（3）实现了对交易过程中用户信誉信息的记录。通过在数字签名的Subject属性中引入信用记录评定，可使智能合约中的交易各方对交易对象的信誉做预先评估。农产品交易不同于单一的电子货币以及法币的交易，涉及的商品种类繁多、地域广、时间长、流程复杂，即便引入区块链与智能合约也无法避免交易纠纷的产生。通过在数字证书中引入信誉评定体系，在交易中提供交易各方的信用等级，必要的时候可吊销不守信用的用户的数字证书，将其列入吊销证书节点CRL（Certificate Revocation List），避免和降低交易中恶意行为的出现。

2.3 农产品信息区块链

农产品信息区块链主要存储农产品的相关信息，如：种植作物、养殖作物的生长环境信息;再加工农产品的加工制造信息;产品物流信息等，其设计结构如图4所示。同样，在农产品信息链中也是用了Merkle来保障数据的不可篡改性，其中农产品基础数据通过物联网的传感器节点进行自动采集，成为区块链中农产品信息的基本数据。在农产品区块链联盟中由质检部门、物联网企业、电商平台、成产加工企业、物流企业等相关组织和个人对农产品信息的正确性进行验证，验证通过后在区块链的共识信息中写入身份识别信息和数字签名，后生成农产品共识信息的Hash值。

不同于用户信息区块链，在农产品信息区块链中，所有农产品的生产和加工信息都采用明文在区块链中进行存储，联盟链的任意节点都可以访问农产品的相关信息。无论中间商还是终端消费者都可以以P2P的方式访问农产品生产者、加工者手中的商品，农产品信息透明可靠。

2.4 交易信息区块链

交易信息区块链可以视为多链式存储结构中的主链，该区块链存储了农产品信息中最主要的智能合约交易信息，如图5所示。交易信息区块链保证了交易过程的真实性、完整性和公开性，以及交易结果的真实性、可追溯性、可访问性和可扩展性。

3 多链式农产品交易流程

本研究将结合P2P农产品交易方法的相关内容[15]，采用多链式区块链技术，对面向农产品交易流程的区块链应用技术的功能性和实用性进行初步的扩展和完善。农产品多链式区块链交易平台主要具有三个功能应用：凭证登记与管理、金融交易和供应链管理。凭证登记与管理的主要应用包括提供用户DC、权益凭据、资格（权力）证明等信息。金融交易的主要应用包括交易资金的使用与交易、支付、金融资产的清算与交割等。供应链管理的主要应用包括物流管理、产品溯源与防伪、采购及库存管理等。在区块链网络中，对不同的交易系统会自动分配不同的通道，通道内的交易信息、用户信息仅对参与交易的节点可见，每个通道运行一个独立的智能合约脚本，由参与交易的所有用户节点建立交易的共识信息，共识效率更高，同时可提供交易相关信息的隐私保护，具体交易流程如图6所示。

3.1 注册用户信息

用户向CA提交区块链信息注册申请，CA对用户信息的合法性进行审核后，在农产品区块链联盟内部达成对用户信息的共识，颁发数字证书，生成该用户的私钥和公钥，以及由公钥生成的用户唯一标识——交易地址，用户信息被写入用户信息区块链，具体流程如下：

3.4 生成交易的智能合约

电商为每一个节点所发布的供求信息提供统一的接口和展示平台。此时，供求信息在农产品区块链联盟中实现了完全透明化，供求方根据各自的要求完成交易匹配，由联盟链中的超级节点根据交易方的具体要求生产智能合约，智能合约是符合中国相关法律的可编程合约条款，是运行在区块链上的模块化、可重用的自动执行脚本[24]。通过智能合约技术，可以将传统的电子货币体系中简单逻辑的P2P交易扩展为多方参与的复杂逻辑交易。智能合约技术如图7所示，可在法规的约束之下提供更多的预置触发条件和響应规则，满足更加复杂和贴近实际的可编程数字合约。智能合约可表述为：

（5）          式中，为参与智能合约的全部用户，为合约预置条件集合，为合约响应规则集合，为合约形成的时间，为合约的版本号。智能合约在生成、执行、监督由CA、市场监管、质量监督、银行、电商、物联网等部门和机构组成的超级节点负责，具体包括：

（1）提供交易参与者的身份合法性保障，并提供有效的用户信誉信息;

（2）交易参与者需要同超级节点共同制定合同内容并完成合同的脚本化，形成智能合约;

（3）智能合约在超级节点和交易参与节点的监督下执行。超级节点的参与是区块链联盟共识的基础，也是合约在法律框架下顺利执行的约束和保证，同时超级节点将通过智能合约交易的执行，从交易金额中抽取利润。

3.5 执行智能合约

在智能合约执行的过程中，各农产品生产、加工节点按照合同对需求节点进行农产品物流配送，完成交易。同时，区块链中的节点与实际农业业务资源物流网络不断互动，共同记录、确认、审查、监控交易，确保交易顺畅、完整。在此过程中，也对交易信息的合法性达成共识，得到共识后的交易流程和交易结果信息将被记录在新的区块中，并更新区块链。

若在交易的过程中，用户出现了违约行为，智能合约将根据预设触发条件自动对用户进行惩罚。惩罚的方式包括经济上的惩罚和信誉方面的惩罚，具体的惩罚流程如下。

其中，，为与之条件被触发后的响应规则，为经济方面的惩罚，为信誉方面的惩罚，为该用户当前的账户余额，为该用户当前的信用评分。在用户的账户余额无法支付赔偿，账户信誉透支的情况下，该节点的数字证书将被取消，同时该节点将被推送到取消证书列表中，即列入黑名单，无法继续在区块链联盟中进行交易。反之，如果交易可以顺利进行，将会触发预制的支付条件，用户的账户信息和信誉都会根据智能合约得到相应的提高。在智能合约完成执行之后，全部的执行状态信息在得到CA和全部交易节点认可之后，形成共识信息，并将该交易的区块加入区块链。

4 小结与展望

随着计算机与通信技术的快速发展，电商与物联网技术正在逐步进入农业领域，区块链作为底层的数据存储技术，为市场带来了更高的可信度、更好的透明度、更高的交易执行效率。本研究在农产品信息区块链技术架构相关研究的基础上，针对中国网络实名化要求和用户隐私保护的需求，结合中国现有农产品交易体系的具体特点，对区块链的数据存储结构进行了修改，提出了符合农产品交易商业逻辑和具有隐私保护功能的多链式区块链技术方案。多链式区块链技术相对于传统的单链式技术，具有更好的数据灵活性;更高效的数据检索速度;更优秀的功能扩展能力，在产品交易信息体系中具有良好的应用前景。

但区块链技术依然处于起步阶段，方案依然停留在研究阶段，即便Hyperledger Fabric项目也缺少大规模的成功的应用案例。因此，本课题也希望能在具体的项目中，逐步在农产品交易信息体系中应用区块链技术。通过实践，不断提高执行效率，完善设计方案，推动区块链技术的实际应用，助力中国农业现代化。

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