区块链在食品生产全过程管控系统的应用

夏守先

开发设计

区块链在食品生产全过程管控系统的应用

夏守先

（广州市龙玥电气科技有限公司，广东 广州 510120）

基于区块链实现食品生产全过程管控是保障食品安全的手段之一。利用区块链的防篡改性、去中心化、开放性和可追溯性等特点，设计食品生产全过程管控系统，将食品原始数据利用Hash函数加密后，存储在区块链上，并利用数字签名技术及共识机制等保证数据公开透明和不可篡改，提高系统的安全性、可靠性及运行效率。

区块链；食品安全；生产管控

0 引言

食品安全关系人们的身体健康和生命安全，已成为当下重要的民生问题。食品生产全过程管控是确保食品安全的重要环节。传统的食品生产全过程管控系统依赖于中心化平台、服务器系统与统一管控模型，存在如下问题：1）中心化平台导致上下游协同能力较弱，信息可追溯性差[1]；2）系统数据安全性低、易篡改、无法验证其完整性；3）食品生产链上各参与方相对独立，信息闭塞，无法建立共信体系和隐私保护体系，资源共享难度较大。

食品生产行业的精细化分工，使食品在生产加工、存储运输以及销售等任何一个环节都可能产生安全隐患。2019年，中共中央、国务院发布《关于深化改革加强食品安全工作的意见》，提出推进“互联网+食品”监管，建立基于大数据分析的食品安全信息平台，推进大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链等技术在食品安全监管领域的应用，实施智慧监管[2]。

区块链（Blockchain）是一种分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式，也称为分布式账本技术[3]。区块链的防篡改性、去中心化、开放性和可追溯性等特点满足食品生产全过程管控系统多层级、多方参与、数据追溯的需求。为此，本文将区块链应用于食品生产全过程管控系统，解决数据追溯、数据防篡改、数据安全共享、数据协同、数据防泄漏等问题。

1 系统模型

区块链技术平台主要有比特币（Bitcoin）、以太坊（Ethereum）和由Linux基金会发起的开源区块链项目超级账本（Hyperledger）。其中Hyperledger Fabric平台具有高度模块化和可配置的体系结构，支持Java，Go和Node.js等通用编程语言，不但具有公链防篡改，分布式记账的特点，还融入身份识别、数据保密、低延迟、高吞吐等技术[4]。

本文以Hyperledger Fabric平台为底层架构开发食品生产全过程管控系统，提高系统的运行效率和数据存储能力。基于区块链的食品生产全过程管控系统模型如图1所示。

图1 基于区块链的食品生产全过程管控系统模型

在食品生产全过程中，主要参与方包括原材料供应方、生产加工方、存储运输方、销售方、监管部门和消费者等。区块链通过分布式账本、非对称加密算法、时间戳、共识机制等技术，实现食品生产加工、存储运输以及销售等全过程关键数据上链，从根本上解决食品安全问题。基于区块链的食品生产全过程管控系统框图如图2所示。

图2 基于区块链的食品生产全过程管控系统框图

区块是存储交易信息的数据结构。一个区块由区块头和区块体组成，区块头存储散列（Hash）、前一Hash、时间戳等部分；区块体存储数据；区块头中保存的Hash和前一个Hash相互链接，形成有序的链状结构被称为区块链[5]。

食品生产全过程中的各参与方按照管控系统的流程，先后把各自关键数据写入区块链，以保证区块链中食品数据的完整性和时间确定性。

1）食品生产加工前，将原材料名称、生产厂商、购入时间等数据通过私钥写入区块链；

2）在生产加工过程中，将配料信息、加工工序、加工设备、加工人员、包装信息、出产日期与保质期等数据通过私钥写入区块链；生产加工发起交易请求，并利用私钥分别与存储运输方和销售方签署智能合约，系统记录交易操作并在交易完成后对存储运输方和销售方进行授权；

3）在存储运输过程中，物流公司成为新的被授权角色，其将存储仓库的温湿度，出入库时间、运输车、运输路线、运输时间等数据通过私钥写入区块链；

4）在销售过程中，上一级销售方利用私钥签署智能合约，下一级销售方成为新的被授权角色；食品验收后，将销售时间、销售价格等相关数据通过私钥写入区块链；

5）消费者通过食品包装上的条形码、二维码或RFID实时查询、关注食品的安全性和可靠性，发现问题可进行信息反馈；

6）当食品发生问题时，监管部门通过私钥获得更高等级的权限，并根据出现问题的环节进行问责。

2 区块链技术应用

食品生产全过程中各参与方多且分散、涉及面广、生产管控周期长、很难通过集中化的方式进行管控。同时，各参与方关键数据繁杂，无法形成统一标准，难以整合，易形成信息孤岛。上述因素导致传统食品生产全过程管控系统资源消耗大、效率较低。且传统的食品生产全过程管控系统数据库通常采用中心化的数据库，较难控制数据库的信息不被攻击或篡改，并难以协调信息提供方和调用方之间权利和义务。基于区块链的食品生产全过程管控系统的去中心化、无需信任的数据架构以及底层开放等特性使信息更加公开透明，解决了数据追溯、数据防篡改、数据安全共享、数据协同、数据防泄漏等问题。

2.1 数据追溯

食品生产全过程管控系统的原始数据通过传感器、射频识别（radio frequency identification，RFID）技术、物联网技术等采集。原始数据上传到区块链后与数字签名、时间戳（Timestamp）等共同封装于区块链，数据的存储为分布式。

从区块链中每个数据区块的结构来看，新生成的区块存储上一区块的Hash值，并以此为区块标识。同时，区块中还包含时间戳，它是一个字符序列，唯一标识某一刻的时间，是数据在某个特定时间已经存在、完整和可验证的标记。在基于区块链的食品生产全过程管控系统中，每个环节都会产生一个不可伪造和更改的时间记录信息。区块间按时间发生顺序连接，从而形成一条从最新区块追溯到初始区块的数据链条，保证了基于区块链的食品生产全过程管控系统中各参与方的每条数据都可以追溯，便于追责和监管。

2.2 数据防篡改

基于区块链的食品生产全过程管控系统采用数字签名算法防止数据被篡改，保证各参与方身份真实及数据完整。数字签名算法利用非对称加密算法和Hash函数，采用签名及验证的方式来验证数据是否被篡改。数字签名与验证过程如图3所示。

图3 数字签名与验证过程

非对称加密算法可生成私钥和公钥。Hash函数可把任意长度的输入变换成固定长度的输出，该输出的Hash值就是消息摘要。首先，发送方利用Hash函数得到一个发送数据的消息摘要，再用私钥对消息摘要进行签名，形成发送方的数字签名；然后，将数字签名、原数据和公钥一起发送给接收方；接着，接收方用发送方的公钥对数字签名进行解密，得到发送方的消息摘要，再用相同的Hash函数对原数据进行Hash计算，得到一个新的消息摘要；最后，将新的消息摘要与解密的消息摘要进行对比，若相同，说明收到的数据是完整的，且真实可靠。

同时，区块链按时间顺序生成，每个区块都包含指向上一个区块的Hash指针，一旦数据被篡改，则与后面区块的记录不符，从而导致后面所有区块都要重新共识，如此庞大的计算量致使数据几乎无法被篡改。

2.3 数据安全共享

基于区块链的食品生产全过程管控系统的共识机制以去中心化方式维护分布式数据库数据的一致性。系统没有中心化的硬件或管理机构，区块链节点间具有均等的权利和义务，任何一个节点出现问题都不会影响系统运行[6]。本系统采用的共识机制是kafka，通过排序节点接收区块链交易，并对其进行排序，执行交易后将交易结果保存在排序节点的本地日志，最后利用P2P传播方式将结果扩散给区块链的每个节点[7]，有效提升系统的交易处理速度和能力，具有高吞吐，低延迟特征。这使得系统各参与方地位平等，各节点信息公开透明，提高信息交互效率，优化信息共享效果。

2.4 数据协同

食品生产全过程可能被业务分割为多个不同区块，不同区块之间的信息共享需要逻辑简单，具有良好扩展性的数据协同方式实现。Fabric中的1条链相当于1个共享账本，需要共享信息的节点（可以是1个设备或几个设备联合通过1个节点访问和提交信息）都可以加入某条链，该共享账本的信息仅在该链内扩散。链对信息的扩散起到隔离作用，节点具有较好的隐私性；同时，节点无需保留与本节点无关的信息，提高存储和网络通信效率，改善区块链性能。另外，在某些情况下，终端可能需要跨链访问相关数据，如生产B食品的终端可能需要进一步了解原材料（A食品）的具体组成。本系统设计2层跨链体系结构，第一层为主链，主要用于跨链路由、跨链节点加入该链；第二层为多条业务链，具体存储食品生产关键数据。该结构易于扩展新的共享节点，且节点间也能快速互操作。

2.5 数据防泄漏

基于区块链的食品生产全过程管控系统利用Hyperledger Fabric技术解决隐私泄露问题。首先，Fabric多链技术可隔离数据，数据仅在链内传播，一定程度上缓解了数据泄露风险；其次，Fabric的Private Data可实现在同一条区块链内，一部分数据链内所有节点共享，另一部分数据只有经过特定认证的节点才可访问。Private Data具有较高的隐私性，它不经过共识节点排序，而仅通过Gossip协议以P2P的方式在终端间传输，只有特定认证过的终端才会同步Private Data，同一条链内未经过认证的终端仅存储Private Data的Hash校验，如图4所示。

图4 Private Data隐私保护技术

3 结语

区块链作为一种分布式账本，具有低成本、效率高、数据透明和安全可靠等特点，解决了食品生产全过程中信息不对称、信用缺失和数据共享难度大等问题[8]。本文将区块链应用于食品生产全过程管控系统，支持食品生产过程资源有效协调，提升安全保障能力，促进食品行业高质量发展。

[1] 冷杰武,江平宇,刘加军,等.区块链技术驱动的产消者自组织产品制造社群构建[J].广东工业大学学报,2017,34(5):1-9.

[2] 张长鲁,张健.国内区块链研究主题挖掘、热点分析及趋势探究[J].统计与信息论坛,2021,36(2):119-128.

[3] Nakamoto S. Bitcoin: a peer-to- peer electronic cash system Online[EB/OL].(2009-02-03).https://bitcoin.org/bitcoin.pdf.

[4] 汪普庆,瞿翔,熊航,等.区块链技术在食品安全管理中的应用研究[J].农业技术经济,2019(9):82-90.

[5] Swan M. Blockchain: Blueprint for a new economy [M]. US: O’ReillyMedia, 2015.

[6] 刘琰,杨博,王瑜.基于区块链技术的食品可追溯系统研究[J].中国自动识别技术, 2020(4):62-67.

[7] 姚勇锋,孙恩昌,张延华,等.基于联盟链的建筑行业标准管理系统[J].计算机测量与控制,2020,28(10):221-225,230.

[8] 徐睿,孙霞,郭业民,等.基于区块链技术的食品安全溯源体系应用与研究进展[J].食品安全质量检测学报,2020,11(20): 7610-7616.

Application of Blockchain in the Whole Process Control System of Food Production

Xia Shouxian

(Guangzhou Longyue Electric Technology Co., Ltd, Guangzhou 510120, China)

The whole process control of food production based on blockchain is one of the means to ensure food safety. Based on the characteristics of anti tampering, decentralization, openness and traceability of blockchain, the whole process management and control system of food production is designed. The original food data is encrypted by Hash function and stored on the blockchain. The digital signature technology and consensus mechanism are used to ensure that the data is open, transparent and non tamperable, so as to improve the security, reliability and operation efficiency of the system.

blockchain; food safety; production control

夏守先，男，1976年生，本科，工程师，主要研究方向：自动控制及仪器仪表。E-mail: 2782157865@qq.com

TP399

A

1674-2605(2021)03-0006-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.03.006