区块链技术及其在农产品质量安全追溯应用的研究进展

钟德福，艾 红，张良国，陈胜军,2

（1中国水产科学研究院南海水产研究所，广州 510300；2国家水产品加工技术研发中心/农业农村部水产品加工重点实验室，广州 510300）

0 引言

随着区块链技术的不断发展，基于区块链技术的应用逐渐被不同行业认可和利用[1]，并为农产品质量安全追溯应用和研究提供了充分的技术平台。中国是农产品贸易和消费大国，农产品流通规模逐渐扩大，确保农产品的质量安全对促进食品高效、健康和绿色生态发展起着重要作用[2]。农产品质量安全涉及生产、加工、运输和销售等不同环节，其中每个环节都可能存在安全隐患，对农产品在各个环节中真实的信息进行准确追溯，是农产品质量安全保障的重要途径，也符合消费者对农产品质量安全的期望[3]。传统追溯应用在数据的安全性和真实性方面已不能满足当前复杂的追溯要求，区块链具有的去信任化和不可篡改等优点逐渐被应用于农产品质量安全追溯研究中。

追溯应用在技术层面上主要以传感、射频和数据库等技术为主。在国外，利用RFID和物联网传感器[4-6]和系统开发生命周期(SDLC)[7]等技术相继对易腐食品、稻米、水产品等建立了追溯应用。国内对追溯应用研究的起步较晚，但发展较快，应用场景广，涉及的技术基本与国外主流技术体系一致[8]。主要有基于B/S框架的WEB可溯源系统[9-10]、基于RFID射频技术的追溯系统[11-12]和基于GIS技术的溯源体系等[13-14]，这些均成为当时国内农产品跟踪和质量追溯的有效手段。另外，在实施方面主要有给政府提供农产品溯源系统的解决方案，提高对农产品质量安全信息管理和辅助决策功能[15-16]；还有结合移动互联网、无线射频技术、公开的安全信息数据接口等技术构建的溯源系统应用，旨在更好地满足涉农企业和公众对农产品质量溯源需求[17]。这些追溯应用依赖中心化数据库，每个追溯环节节点上都需要各自主导机构来管理中心数据库，数据易被篡改，真实性不能得到保障；另一方面，中心化数据库储存路径单一，维护成本高，数据安全性低。此外，追溯应用主要以数据管理和溯源数据查询为主，数据的真实性和安全性是追溯应用最重要的一环。因此，提高追溯应用技术和追溯环节中数据的真实性，增强溯源的可信度，提升农产品质量安全的控制力是加强农产品质量安全建设的迫切要求。

区块链技术提供的共识机制能建立去中心化系统节点间的信任，实现分布式的信任机制[18]，为当前的数据组织、存储和管理架构提供全新的解决方案。区块链具有不可篡改、高加密和可追溯等特点，已逐渐应用于农产品质量追溯研究[19-20]。为了深入分析和应用区块链技术，笔者对技术概述、关键技术与特点以及近年区块链技术在农产品质量安全追溯研究和应用进行了综述，分析了存在的不足并进行展望，以期为今后区块链技术的完善及在农产品质量安全追溯领域的应用提供参考。

1 区块链技术概述

1.1 基础架构

区块链技术最初作为虚拟数字货币的核心技术[21]，集成了计算机科学、数学、密码学等多领域的研究成果，是分布式存储、点对点(peer-to-peer，P2P)网络和共识算法等技术的新型应用模式技术[22]。区块链是一种按照区块发生的时间顺序，通过区块的哈希值单向链接的数据结构，并采用加密算法确保不被篡改和伪造的分布式账本系统[23]。区块链系统的基础架构由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成[24]，如图1所示。在该架构中，基于时间戳的链式结构的数据层、为分布式节点提供P2P网络传输的网络层和确保各节点间高效达成共识的共识层是构建区块链应用的必要因素。另外，合约层封装的各类脚本算法、智能合约为区块链应用可灵活编程提供技术基础，也是区块链2.0的重要特性[25]。

图1 区块链基础架构图

1.2 区块链关键技术

1.2.1 区块链式结构 区块链是一个链式存储结构，区块是链式存储结构中的数据元素，区块链由区块相互连接形成单向链式结构（图2）。其中每个区块分为区块头和区块体2个部分，区块头包括引索数据、时间戳、Merkle树根数据等元数据，区块体主要用于存储交易信息。每个区块生成时都会加盖时间戳，通过父区块信息生成引索哈希值，从而形成一条具有时间维度的有序链条，确保了数据的可追溯性，并且为共识机制提供数据支撑。

图2 区块链链式结构图

1.2.2 共识机制与智能合约 共识机制是一种多方协作机制，用于协调多参与方达成共同接受的唯一结果，并且保证此过程难以被欺骗，且持续稳定运行[26]。运用于区块链的共识机制主要分为2类，一类是强一致性共识，包括拜占庭容错(byzantine fault tolerance，BFT)、实用拜占庭容错算法(practical byzantine fault tolerance，PBFT)、Paxos算法和Raft算法；另一类是最终一致性机制共识，包括工作量证明(proof of work，POW)、股权证明(proof of stake，POS)和授权股权证明机制(delegated proof of stake，DPOS)。

智能合约是一种以数字化形式存储在区块链中，并利用加密算法强制执行的计算机协议。开发人员通过编码构建智能合约并上传到区块链网络上，网络中所有节点都会接收到这份合约。智能合约定期对符合条件的合约进行验证，通过验证后经过共识就会自动执行合约。整个智能合约的执行过程无需中心化服务器参与，大大降低交易成本和解决信任问题[27]。高度自治化和去中心化的特点大大扩展了区块链的应用领域。

1.2.3 超级账本 区块链主要分为公有链、私有链和联盟链3种应用模式，其对比情况详见表1。公有链主要是实现一个完全去中心化的项目应用，但与现实许多应用持场景存在冲突，多中心的联盟链致力于发展跨行业的商用区块链技术，被认为更能快速构建企业级区块链应用，超级账本(hyperledger)作为Linux基金会的区块链项目，就是构建联盟链的其中一个基础平台技术[28]。

表1 3种类型区块链对比

Hyperledger Fabric是一个带有可插入各种功能模块架构的联盟区块链实施方案，模块化设计和高复用性接口设计能更好实现分布式账本技术，运用Hyperledger Fabric设计的系统逻辑架构（图3）[29]提供针对身份识别、可审计和隐私安全的模型，包括区块链服务、链码和成员权限管理三大组件。区块链服务通过建立在HTTP/2上的P2P协议，负责管理分布式账本，同时账本上的数据结构也被优化；链码主要给在验证节点上的执行提供安全沙箱，并对外提供可操作键值数据库的接口。成员权限管理基于公钥体系基础框架(public-key infrastructure，PKI)，提供包括身份管理、网络隐私等限制接入的节点和客户端的能力[30-31]。

图3 Hyperledger Fabric设计的系统逻辑架构

1.3 区块链技术在农产品质量安全追溯应用中的特点

1.3.1 分布式结构，节约成本 区块链中的关键信息发布在基于P2P网络的分布式网络基础上，不需要中心化数据库，也不依赖第三方权威机构来管理，而是由所有参与节点共同维护。另外，整个分布式网络不受个别节点影响，比传统的中心化网络架构具有更好的健壮性，比传统的台账方式管理信息更节约成本。

1.3.2 去信任性和不可篡改性 区块链系统的运作规则是基于共识算法的，无需第三方介入，所有数据内容也是开放、透明，所有节点都必须遵循同一个规则来运作。同时给所有参与者提供基于信息加密技术实现的具有唯一性的信息集，由于所有参与者的信息在链上共享，对比将关键信息只存放在单个或几个核心企业或单位的传统方式，区块链技术保障了农产品追溯过程中关键信息的不可篡改性。

1.3.3 全程实时可追溯性 由于区块链采用带时间戳的链式区块结构存储数据，区块之间通过加密确定顺序并相联，具有较强的可溯性和验证性。另外，依靠区块链技术的“背书”机制，链上的任意节点都可以查看到全链的关键信息，对于涉及整个区块链农产品追溯过程的企业或商户来说，都能实现农产品信息的共享和全程实时可追溯。

1.3.4 业务灵活性 由于农产品追溯中涉及的信息类型复杂，信息上链需求各不相同等特点，区块链提供支持链上脚本对应用层实现开发的功能，也是区块链技术应用范围扩展到其他领域的基础。研究人员通过构建灵活的智能合约程序，通过优化交易组织形式实现更高效的应用，不仅能满足个性化的业务需求，也有助于促进组织自治性，提高农产品追溯过程中的管理效率和业务的完整性。

2 区块链技术与农产品质量安全追溯的内在关系

2.1 区块链技术与农产品质量安全追溯的有机结合

由于疯牛病、禽流感等疫情的不断发生，农产品质量安全问题逐渐成为全球关注的焦点[32]。中国对农产品质量安全的监管起步较晚，基础和技术力量不强，总体水平尚不能满足当前农业发展的需求。为了提高生产效益，滥用大量的农药、肥料等化学物，且农产品供应链长，销售分布广；此外，农产品从农场到餐桌，涉及到众多环节，给传统农产品质量安全监管带来了新一轮的挑战。随着信息技术的发展，追溯技术作为农产品质量安全监管的新手段，可及时、准确和有效地获取农产品质量安全监管的相关信息，快速定位农产品质量安全问题位置，确保农产品质量安全监管顺利实施。

区块链作为提高追溯技术水平的新手段，为实现农产品安全质量追溯提供了基础支持。农产品质量安全追溯过程中涉及农产品生产、物流商、销售商和消费者等多个环节，为加强农产品质量安全关键信息的监管，需要一个关系密切、反应灵敏和资源整合度较高的应用平台[33]。农产品本身不涉及太多高科技生产技术，增强农产品核心价值的关键在于提升农产品的质量安全水平，提高消费者对农产品品质的信任度是实现农产品竞争力的重要因素。同时，区块链技术具有分布式账本存储、共识机制和去信任化等特点能够将涉及农产品质量安全的材料、人员、加工等关键信息记录在链上，并通过智能合约技术实现对链上数据及时反馈。区块链技术积极推进了农产品质量安全追溯过程中参与主体达成共识，进行质量安全信息共享、共同承担风险、利益合理分配，高效地提升了农产品质量安全追溯效率[34]。

2.2 区块链技术在农产品质量安全追溯中构建的目标

随着农产品质量安全追溯研究的不断发展，很多不同的技术都运用在追溯研究上，从最初以IC卡作为溯源的数据载体建立管理体系，到利用数据库、信息流等技术整合数据，构建WEB和移动设备的追溯应用，再到结合射频、二维码等物联网技术，加强数据采集能力，构建全供应链的追溯应用。在整个追溯发展过程中，都是围绕农产品质量安全相关的数据而开展，及时和真实的数据是农产品质量安全追溯的核心。农产品质量安全问题往往来源于消费者和供应商之间的信息不对称，建立可信任的农产品可追溯性应用是解决这类问题的最佳途径之一[35]。

区块链作为新一代信息技术的代表，在农产品质量安全追溯中构建的目标主要是通过可追溯、分布式和去信任等特点，为解决农产品质量安全追溯面临的数据问题提供技术支撑和解决方案，做到农产品双向可溯，及时发现问题，自动执行追溯功能，确保农产品质量安全，提升消费者对农产品的信心。基于区块链技术的农产品质量安全追溯应用能降低追溯过程中参与者的信息监管成本，提高农产品质量安全信息的跟踪水平，大幅提升农产品在流通过程中的质量安全监管效率。另外，区块链技术贯穿于农产品质量安全追溯各个环节，有助于优化农产品质量安全监管和完成追溯过程的完整闭环。

3 区块链在农产品质量安全追溯的应用

目前采用区块链技术在农产品质量安全追溯方面的应用主要分为公有链、联盟链和其他区块链3种类型，其对今后研究农产品质量安全标准、农产品销售模式等均有重要作用。

3.1 基于公有链的应用

公有链是允许任何人读取、发送交易信息和参与共识过程的区块链。部署在公有链上的应用，用户不受应用开发者的影响，访问门槛低，所有数据默认公开，被认为是“完全中心化的”。其中以太坊作为一个可编程的全新开放平台，允许开发人员按照自己的需求创建复杂的操作，可以作为去中心化区块链应用的平台，大大促进了采用区块链技术的农产品质量追溯应用发展。结合农产品质量安全追溯体系的发展现状和面临问题，吕芙蓉等[36]提出从分布式台账、信任共识和去中心化层面运用区块链技术重构的农产品质量追溯体系；针对追溯系统中面临数据存储不安全、中心系统易受攻击和信息交换过程隐私不能保障等问题，李明佳等[37]提出将区块链技术应用于系统的数据库与通信层重新建立溯源体系；陶启等[38]针对优质原信息少、信息不对称等问题，通过区块链技术设计了多角色、多环节和多要素的大米全产业智能管理系统；Howson[39]、赵维等[40]进一步讨论了区块链技术在农产品质量安全追溯方面的重要意义和价值。

以上基于公有区块链的研究和应用主要集中在太坊平台上，开发人员根据需求构建智能合约程序，用户通过外部域名或者IP地址访问区块链应用来实现对农产品信息的存储和读取。应用开发组织需要初始化创世区块，定义区块的时间戳和hash值等数据结构，追溯环节上各个节点组织在访问应用时都要加载验证本地区块或者同步区块链，输入的数据需要经过数据验证并序列化后才能储存在账本中。由于基于公有区块链的应用需要大量的节点去保证整个链条的信息安全，并且缺少用户节点的权限控制，共识机制扩展性差和内部资源消耗高等缺点都制约了构建更复杂的企业级应用。

3.2 基于联盟链的应用

联盟链是介于公有链和私有链之间，主要由几个机构或者组织共同参与和管理的区块链。它们各自运行着一个或多个节点，节点之间有权利进行验证和发布交易，普通用户需要在获得联盟许可的前提下才能发布和验证交易，整个联盟链更类似于一种分布式的数据库技术。农产品供应链作为质量安全追溯的重要一环，于丽娜等[41]提出基于区块链技术的农产品供应链逻辑架构，实现农产品供应链价值的增值；对比网络结构、数据存储和数据管理方面的优势，董云峰等[42]设计了基于联盟区块链的农产品追溯系统的架构模型和全供应链的可信追溯模型，解决了数据安全性低和信息孤岛问题，提高了系统的鲁棒性和数据可靠性；针对追溯结果可信度低和灵活性差等问题，王志铧等[43]在联盟链的基础上，提出了“一环节一账本”的设计思想和动态溯源机制，保证了追溯结果的可信性和实现农产品柔性可信溯源；另外，曾小青等[44]、洪坤明等[45]设计了区块链技术加物联网的追溯系统架构，结合追溯标签、条形码标签等技术，提高了追溯系统的完整性；为进一步提高追溯系统的运行效率，王可可等[46]提出通过星际文件系统对农产品数据进行hash转变来减少单条事务数据量，构建更高效的联盟链追溯系统；赵磊[47]则从信息生态视觉和用户需求方面，通过区块链技术结合实际追溯主体重构了新的框架模型。

目前基于联盟链的农产品质量安全追溯应用主要采用面向企业应用的Hyperledger Fabic区块链框架搭建，Hyperledger Fabric提供的分布式账本解决方案实现了一个通用的权限区块链的底层基础架构。该框架适用于多种应用场景，采用模块化架构提供可切换和可扩展的组件，包括共识算法、加密机制、智能合约和身份验证等服务，能根据需求灵活开发实际应用。同时，联盟链能适用经济生态系统中较复杂的场景，且相对于公有链具有交易处理快、隐私保护强等特点。由于联盟链与公有链相比去中心化程度较弱，需要加强对准入节点的控制与审核，在确保符合国家安全标准或监管规定的基础上才能考虑提高效率或向其他方面扩展。

3.3 其他区块链应用

在目前通过区块链技术构建农产品质量安全追溯应用的基础上，有不少研究人员作了改进和优化。针对农产品溯源信息的完整性、安全性及可信性问题，任守纲等[48]从农产品产业链的角度提出一种基于信誉监督机制共识算法的区块链应用，旨在提高基于联盟链模型下共识机制的安全性和效率，在农产品信息上链时具有更小的时延和安全性。为解决区块链追溯系统中数据存储负载过大和查询效率较低等问题，杨信廷等[49]提出基于联盟区块链的“数据库+区块链”链上链下的追溯信息双存储的设计，结合传统数据库索引查询，保证了数据保密安全，提高了追溯信息的可靠性和实效性。供应链是农产品质量安全追溯过程中的重要部分，张朝栋等[50]提出一种基侧链扩容技术的以太坊区块链应用，实现供应链上信息的全生命周期追溯，以提高应用的吞吐量和降低交易开销。刘家稷等[51]采用公有链和私有链共同构建高效、运行低成本的防伪溯源系统，确保溯源信息的可靠性和不可篡改，也为构建基于区块链技术的农产品质量安全追溯应用提供一定的参考。

4 存在问题

区块链技术作为一种新兴的技术，在农产品质量安全追溯方面已取得不错的研究成果，但是仍存在一些不足。

4.1 系统安全问题

从安全技术分析的角度，区块链在算法、协议、私钥和应用方面都面临不同程度潜在的安全威胁，这些是区块链技术在农产品质量安全追溯应用时亟需重视和解决的问题。算法方面，随着量子技术等高新技术的发展，未来的非对称加密算法有被破解的可能；协议方面，基于POW共识机制的区块链不排除会受到某种不惜成本的攻击，且理论上可实现；私钥方面，由于私钥完全由用户个人生成和保管，不涉及第三方，可能因为用户操作不当而面临遗失或被盗的风险；应用方面，由于区块链使用大量的密码学技术，在实现上可能出现某些漏洞和冲突，历史上发生过类似的情况。系统安全性就是黑客利用上述的安全隐患，成功攻击目标的威胁，网络攻击已对区块链应用的安全性造成很大影响。

4.2 隐私性问题

区块链通过多种算法和技术实现系统的公开透明和匿名性，然而对于区块链应用来说可能存在一定的隐私性问题。公有链应用中每个参与者都能获取完整的账本，意味着每个交易方的信息都能查询到，虽然区块链使用零知识证明、环签名等技术去保障区块链应用的隐私安全，但随着数据挖掘技术的发展，仍存在被突破的可能性。联盟链建立的多中心应用需要组织单位验证成员，可能泄露成员信息，这对整个区块链应用存在一定的安全性风险。

4.3 行业标准与系统复杂性问题

农产品进入流通后，从生产到食用需经过一个较长的供应链条，在链条中涉及众多的环节。目前国内虽然在供应侧、运输、销售和食物监管各方面都有自身的标椎，但是对于整个农产品质量安全追溯体系来说仍比较零散，缺少对农产品质量安全追溯体系相关标椎和基础性研究。另外，农产品质量安全追溯体系是一个复杂的系统，包括农产品以及农产品相关的加工手段和流通过程等，农产品在流通过程中涉及的供应链节点、监管部门和监督部门，以及已存在的农产品相关信息和信息管理平台等，这些都需要在构建农产品质量安全追溯应用体系中协调处理。

4.4 农产品质量安全追溯研究和应用存在的问题

目前主流的农产品质量安全追溯研究与应用主要在基于公有链和联盟链平台上，其中基于公有链平台的研究大多数阐述区块链对农产品质量追溯的重要性，并建立去中心化的追溯理论体系和模型，由于公有链在构建企业级应用运行效率不高，灵活性和扩展性不好，导致实际落地的项目并不多；另外，基于联盟链的平台构建农产品追溯系统应用较多，性能也相对较好，但由于联盟链本质不是一个完全去中心化的区块链技术，在整个追溯体系中涉及组织方的身份审核，并且在联盟链发展过程中存在技术异构、标准和规范不统一等问题，缺乏统筹规划和顶层设计的相关文件，会影响跨平台之间的数据扩展性。

5 总结和展望

追溯应用中数据的真实性和安全性已经成为近年农产品质量安全追溯研究与应用需要解决的重要课题。研究表明，早期建立的追溯应用框架和研究多数集中于公有链，以以太坊为主要数据载体，指出区块链技术应用在农产品质量追溯方面的可能性和发展潜力。联盟链技术更适合构建企业级追溯应用，多中心化的运行机制和身份验证管理有利于增强区块链技术在农产品质量安全追溯过程的影响和作用。另外，在提高区块链追溯应用的性能和实用性方面，提出了多种改良型的方案，进一步推动了区块链技术在农产品质量追溯方面的研究。

根据农产品质量安全追溯的特点，结合区块链技术和其他新一代信息技术的发展趋势，在农产品质量安全的检测和应用落实方面仍有较大的发展空间，未来的研究可关注：

（1）区块链技术在农产品质量追溯发展主要分为纵向和横向技术2个方面。纵向技术发展主要指应用于追溯应用并以区块链为核心的单项技术的提升，比如，运用适合构建分布式高度自组织应用和实现应用的区块链架构平台去实现追溯应用，对账户身份验证、数据存储、去中心化程度和交易效率等方面提供参考。另外，侧链和跨链技术能有效应对农产品质量安全追溯过程中交易速度和吞吐量、不同应用和模型之间的数据转移、交换等问题。横向技术发展是指提高人工智能、物联网和大数据等信息技术与区块链技术的融合度。物联网技术通过感知设备快速采集农产品质量安全追溯各环节中所需的数据，并且实时自动传输出去，增强上链数据的可靠性；大数据和人工智能技术针对追溯过程中可能面临的残留物预测、运输优化调控、市场供求分析等问题构建预测模型，做出有效预警，及时作出调控。注重横向技术的融合有利于进一步解决农产品质量安全追溯问题。

（2）目前区块链技术在农产品质量安全追溯的应用与研究大多数集中于农产品供应链一侧，主要基于农产品的生产数据、物流数据、仓储数据和销售数据建立溯源模型。农产品质量安全检测技术已经应用于农产品质量追溯中，成为控制和保障农产品质量安全的有效途径之一。在农产品质量安全检测过程中会涉及品质检测、农药残留检测和农业环境检测，检测结果数据对农产品质量安全具有重要作用，通过区块链技术对检测结果数据进行信息收集和服务共享，加强检测部门在追溯环节的数据信息上链，能进一步构建完整的农产品质量安全追溯应用，提高追溯粒度。

（3）农产品质量安全追溯应用的落实仍存在不足。虽然区块链技术为溯源应用提供技术支撑，但要实现闭环的品质控制，应增加农产品追溯的激励惩罚机制。建立可信的农产品质量安全追溯应用核心在于数据，但当前国内仍是以粗放式农业生产为主，只有局部或少数农场使用自动化或智能化设备，导致难以全部自动化采集数据上链的困境，加密上链前的数据对于整个追溯应用是不可忽视的。增加激励惩罚机制，激励产业链上的节点敢于将数据上链，对仿造篡改数据的行为做出惩罚，只有符合共识标准协议的数据才能上链，确保链上节点数据的真实和有效。因此，在解决农产品质量安全追溯应用面临的业务问题，应注重激励惩罚机制的运用。