区块链技术在烟草溯源和防伪中的应用

王黎亚 谢祖光 李海峰 杨国辉 李江城

【摘 要】长期以来，烟草溯源和防伪一直是烟草行业面临的难题，然而区块链技术的独特优势为解决烟草溯源和防伪提供了可能。文章利用区块链数据结构理念，从理论层面和实际应用层面深入剖析烟草产业链中的溯源防伪问题，并进行实际场景应用设计，实现烟草从支、包、条到箱和批次通过层叠式merkle树实现管理，保证区块链中烟草的真伪与溯源，解决了烟草在运输环节和烟草售卖环节的痛点问题。

【关键词】区块链;烟草溯源;防伪;烟草产业链

【中图分类号】F49;TP3 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）01-0041-03

0 前言

随着大数据、云计算、移动互联网等信息技术的普及，人类社会已进入从传统信息社会向智能信息社会的过渡阶段。区块链是近年来迅速发展起来的最重要和最具创新性的技术，呈现出爆炸性的增长态势，具有巨大的应用潜力（Peters和Panayi，2016[1];Pilkington，2016[2]）。目前，区块链技术在供应链中的应用研究主要集中在可追溯性和信用问题上。将区块链的独特优势应用于烟草产业链，能够解决烟草溯源和防伪问题。

本文深入剖析烟草产业链中的溯源防伪问题，并进行实际场景应用设计。充分利用区块链数据结构理念，对每支烟草、每包烟草、每条烟草、每箱烟草和每批次烟草嵌入hash值，实现烟草从支、包、条到箱和批次通过层叠式merkle树实现管理，保证区块链中烟草的真伪与溯源，解决了烟草在运输环节和烟草售卖环节的痛点问题。本文的研究内容除了能够丰富该领域的学术成果之外，还为烟草溯源防伪在实际中的应用提供了清晰的思路，具有较强的应用价值。

1 理论基础分析

1.1 区块链内涵

区块链不仅是一种技术，更代表一种理念，区块链思维是以“共享价值链”为主要特征的“众治共赢模式”，是数字化世界的一张通行证，是提前触摸未来的一份行动指南（黄莉，2020）[3]，具有鲜明的去中心化、强认证和抗篡改特性（Nakamoto，2008）[4]。虽然近年来区块链的潜力被逐渐挖掘并应用到货币系统之外的诸多领域，但由于该技术目前还不够完善，变体也有很多，所以截至目前对该技术依然没有一个确切的定义。在何蒲（2017）[5]、邵奇峰等学者（2018）[6]，以及陈伟利和郑子杉（2018）[7]等学者的研究中，都只是抽象、概括性地介绍了区块链技术中的几项核心技术，大多着重于介绍，而没有从理论、形式化的证明中展现出各项技术的发展情况。

区块链本身具备的特殊性，使得其在相关行业的应用中能够实现分布式核算流程，不需要任何中介机构或中介机构的介入，并通过智能合约自动完成交易，特别是在供应链体系的应用场景中，这种优势尤为明显，能够保证交易的安全性，在有效解决信息不对称问题的同时，还能降低交易风险。区块链技术的信息共享特性使得供应链上、下游成员的交易更加透明，可以充分利用上、下游供应链的资源，降低交易成本。

1.2 区块链数据结构特征

在区块链的数据结构中，数据的存放形式是以区块（block）的方式体现，每一个区块都能清晰、准确地记录所有交易活动，最终所有区块结合形成完整的交易记录。大量的区块相互链接，组合形成区块链数据库，是一种新的数据库组织形式（Rui Wang等，2019）[8]。区块链数据存储过程涉及区块、链结构、哈希算法、Merkle树和时间戳等技术要素。区块链中的数据结构根据不同的应用会有所不同，但基本都是由区块头（块头）和区块体（块身）组成。区块体保存的是若干条记录及由每条记录的Hash值构成的二叉Merkle树。区块头一般包括前一区块的Hash值（Hash指针）、随机数、目标Hash（本区块的Hash值）、Merkle根，有时还会有用于PoW的计算困难门限值Difficulty等。根据不同的应用，块头和块身的数据项也会有所不同。根据需求，可以建立单链结果，还可以建立双链结构。

区块链数据结构特征为烟草溯源和防伪提供了很好的理论支撑和实际应用指导，如果将上述区块链的特点应用在烟草领域，通过区块链进行烟草防伪与溯源可以大大降低交易成本，缩短交易处理时间，提高交易安全性。更具体地说，卷烟供应链体系具有显著的中心化特征，烟草产业链中每一个环节对应不同的主体和相应的唯一存在性证明。将区块链这种数据加密技术应用于烟支信息的存储和加密处理，能够实现从卷烟种植、生产、销售等全产业链流程管理。

2 烟草防伪与溯源：应用场景

2.1 区块链赋能烟草溯源与防伪的必要性

根据卷烟商品的生命周期，卷烟商品从选种开始，历经选种、基地育苗、区域种植、基地化生产、烟叶收购、烟叶调拨、烟支生产、卷烟批发、卷烟零售为一体的从原材料到产品交易的整个链条，涉及产品生产和流通过程中原辅材料供应商、卷烟生产企业、烟草商业公司、零售商及最终消费者等，上、下游环节相互链接共同组成具有网络结构的卷烟产业链，包含物流、信息流、资金流及事务流的流通，卷烟数据信息收集难度大，这对烟草产业链溯源提出了挑战，“数据孤岛”问题突出。

烟草产业链具有显著的中心化特征，涉及的链条非常多，卷烟数据信息收集處理机制不畅，是烟草溯源和防控烟草假冒过程中亟待突破的瓶颈。卷烟数据信息的掌握对烟草企业非常关键，制定科学合理的卷烟数据信息收集处理机制对烟草行业的健康发展尤为重要。将区块链技术应用到烟草产业链，构建可信任的完全去中心化的分布式共享账本，利用分布式节点的共识机制使涉烟群体能同时参与记账，实时添加、更新、查询数据，使卷烟运输过程中各环节的耗时趋向透明，提高数据传递的运行效率，降低运营成本，避免数据集中存储易毁损易篡改的属性，打破了传统卷烟供应链由中心机构控制，使数据的传递需要较长的时间、人工和沟通成本的境况，能够有效解决烟草溯源方位问题。

2.2 具体应用场景

根据区块链数据结构特征，卷烟防伪溯源具体设计思路体现如下。

（1）通过为每支烟生成hash值，每支烟的hash值分别生成对应的第一标识码印制在对应的每支烟上，根据一包烟中每支烟的hash值计算第一树根hash值，生成第二标识码印制对应的一包烟的包装盒上。

（2）根据一条烟内每包烟的hash值计算第二树根hash值，生成第三标识码印制在对应的一条烟的包装盒上。

（3）根据一箱烟内每条烟的hash值计算第三树根hash值，生成第四标识码印制在对应的一箱烟的包装盒上。

（4）根据一批次的每箱烟的hash值计算第四树根hash值;以及将烟草从每支到包、条、箱及批次的hash值均写入区块链merkle树。

通过上述设计，能够让每一批次所有的烟草，到每箱烟草包含的每条包装的烟草，再到每条烟草包含的每包烟草，最后到每包烟草包含的每支烟草均有唯一对应的hash值，并且每包烟草的hash值由其中包含的每支烟草的hash值计算得到，每条烟草的hash值由其中包含的每包烟草的hash值计算得到，每箱烟草的hash值由其中包含的每条烟草的hash值计算得到，一批烟草的hash值由其中包含的每箱烟草的hash值计算得到。如此，使烟草从支、包、条到箱和批次通过层叠式merkle树实现管理，merkle树存入区块链，使每支烟与每包烟绑定，每包烟与每条包装烟绑定，每条包装烟与每箱包装烟绑定，如果其中的一支烟或一包烟或一条烟等发生变化，会导致整个区块链merkle树存入的所有树节点的hash值发生变化，从而保证区块链中烟草的真伪与溯源。

从运输过程来看，上述设计能够有效解决烟草在运输过程中被故意人为调换的可能性。运输商在运输商品的过程中，通过识别每箱烟草上的标识码，记录运输节点信息及时间信息，并将所有运输节点信息和时间信息写入区块链中，根据识别标识码鉴别烟草的真伪;零售商及消费者获取烟草后，根据标识码鉴别烟草的真伪。这样，运输商或者其他部门抽验烟草时，通过识别箱包装上的标识码获取对应的hash值，再通过该hash值与该批次烟草的hash值进行计算，若两者匹配，则确定该箱烟草属于该批次，从而确保该箱烟草的真实性。

从烟草零售环节来看，当零售商获取烟草后，可以识别条包装烟上的标识码或者对应的hash值，通过计算该hash值与该箱烟草的hash值，若两者匹配，则确定该条包装烟草属于该箱烟草，零售商就能够确定烟草的真实性。当消费者获取一包烟草后，识别烟支上的标识码获取hash值，通过计算该hash值与该包烟草的hash值，若两者匹配，则确定该支烟草属于该包烟草，使每一个环节都能够验证烟草的真伪且查询到产地、生产时间等烟草信息，供应链的每一个节点也都可以验证产品的真实可靠性，这种烟草防伪和溯源方法能够有效提高验证的可识度，方便辨认且高效。此外，生成的标识码只需印制在产品包装上，与现有的三维全息模、荧光暗码防伪、变频油墨防伪、光变油墨防伪等技术相比，成本低且印制过程方便，不需要其他成本或防伪材料。

参 考 文 献

[1]Peters，Panayi.Understanding modern banking led-gers through blockchain technologies：future of transaction processing and smart contracts on the internet of money[J].Banking Beyond Banks and Money，2016（13）：239–278.

[2]Pilkington，Chapter.Blockchain technology：principles and applications[M].Harvard University Press：ResearchHandbook on Digital Transformations，2016：225.

[3]黄莉.区块链思维赋能基层治理[J].红旗文稿，2020（24）：29-31.

[4]Nakamot S.Bitcoin：a peer-to-peer electronic cash system[J].Journal Money Credit Bank.2008，41（5）：935-960.

[5]何蒲，于戈，张岩峰，等.区块链技术与应用前瞻综述[J].计算机科学，2017，44（4）：1-7，15.

[6]邵奇峰，金澈清，张召，等.区块链技术：架构及进展[J].計算机学报，2018，41（5）：969-988.

[7]陈伟利，郑子彬.区块链数据分析：现状、趋势与挑战[J].计算机研究与发展，2018，55（9）：1853-1870.

[8]Wang R，Lin Z，Luo H.Blockchain，bank credit andSME financing[J].Quality & Quantity：International Journal of Methodology，2019（10）：53-67.