区块链技术在食品溯源行业的研究

刘佳琦，游新冬，吕学强，姜阳，李果林

1.北京信息科技大学网络文化与数字传播北京市重点实验室（北京 100101）；2.阳光易购（北京）科技有限公司（北京 100036）

民以食为天，作为世界第一人口大国，中国的食品安全质量问题显得尤为重要，然而，近年来中国食品安全问题频发，食品安全行业发展受到来自多方的技术制约，仍面临不少问题。

区块链技术具有去中心化、防篡改等特性，可最大程度解决数据的造假失信问题，一定程度上加强对食品问题的监督，保障食品安全的公信度。可以说区块链+食品溯源的组合方式可以弥补传统的食品安全溯源的不足，吸引众多专家学者的研究。张诚等[1]基于Petri网理论，围绕区块链技术在物流溯源领域应用的实际情况，分析冷链溯源系统的整体业务流程；Syed等[2]通过现代分析技术来证明农产品溯源真实性问题；朱桂菊等[3]针对食品供应链溯源加入不同消费者在选择商品时的习惯偏好及消费水平的因素进行分析，设计综合投入-需求-成本的价格效应框架；文安兴等[4]采用区块链技术设计一套包含三大功能模块的食品溯源系统，有效解决中心化问题对食品溯源的缺陷。如何运用区块链技术建立高效的食品安全溯源系统，有效弥补传统食品溯源的不足，成为各专家学者的重点研究问题。

1 食品溯源的行业现状

党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央坚持以人民为中心的发展思想，把食品安全工作放在“五位一体”总体布局和“四个全面”战略布局中统筹谋划部署，提高从农田到餐桌全过程监管能力，提升食品全链条质量安全保障水平，要逐步实现企业信息化追溯体系与政府部门监管平台、重要产品追溯管理平台对接，接受政府监督，互通互享信息[5]。在市场需求与国家政策的双重加持下，食品溯源行业成为时下新兴的热门行业，拥有广阔的市场发展前景。传统食品溯源系统采用的是中心化数据库存储数据，与食品有关的所有信息，包括加工厂商一系列供应链及交易信息等内容被存储在一个大的核心数据库中，这种存储方式在数据的修改上往往没有过于严格的限制且数据来源完全由食品拥有者所决定，这就意味着采用传统食品溯源系统会使食品信息的真实性和安全性大打折扣，政府的监管、获益方都无法保证数据的可靠性，使消费者对食品安全陷入信任危机。针对这一问题，将区块链引入食品溯源系统可以得到有效解决。

2 区块链

近年来，区块链作为一门新兴行业开始走进大众视野，其所涉及的P2P网络、加密、时间戳等技术[6]为解决食品溯源及食品安全问题提供了全新的思路。

2.1 区块链概述

区块链可以被看作是一个分布式存储的账本和一个大的去中心化数据库，它弥补传统数据库中心化的不足，可分为2部分理解，即区块和链。区块可以理解为一个“账本”，这个“账本”中包含着区块创建过程中进行交易的每一笔信息，交易记账信息由多个区块共同完成，每一个区块所记录的账目均完整，同时账户身份经过加密。通过在数据块中记录哈希值等方法将所有的区块连成一条链。如图1所示，每个区块中包含区块头和区块主体2部分，区块头主要记录哈希值及时间戳等一系列详细信息，根据其中的哈希值可以追溯到上一个区块，其存入的就是上一个区块的地址值。时间戳的存在可以保证区块链上的每一个区块都是按照时间顺序排列的，每一个区块生成的时间都会被其详细记录[7]。区块的主体部分中主要存储着自区块创建以来被写入的所有交易信息。

图1 区块链链式结构图

区块链技术的主要结构如图2所示，主要由数据层、网络层、共识层、合约层和应用层组成[8]。区块链网络是一个分布式的点对点网络，区块链的产生建立一套崭新的信用体系，它的“去中心化”有效克服互联网对中心服务器的依赖，所有的信息都被分布式存储在区块链中，而这些信息的产生需要每一个节点的确认，且记录一旦生成就无法进行修改。区块链会利用其特有的加密技术和共识机制对交易信息进行维护，保障其数据的安全性和统一性，同时这些被记录的数据都是公开透明且具有一定关联性的，这就决定区块链技术具有可溯源的天然优势。区块链的另一大特点在于其完全按照合约执行，不需要人为介入干预，在执行过程中一旦有违约行为的发生就会触发惩罚机制，智能合约是其中应用最广泛最重要的技术。

图2 区块链主要结构图

2.2 智能合约

区块链技术“越来越多地应用到具体行业中，得以解决更多实际问题”的行业现状极大地促进“智能合约”的诞生与发展。

“智能合约”由计算机科学家、密码学专家Nick Szabo提出[9]，具体阐述智能合约的相关概念，虽然当时的计算机及互联网技术发展水平远不如21世纪的今天，但这一理念的提出仍然很大程度上推动众多领域发展。1997年，Nick Szabo发表将智能合约推向更高的发展舞台的高水平文章《智能合约的理念》，将自动售货机作为示例进一步具体阐述智能合约的实际运作过程，从而受到各界更广泛关注。

智能合约是将交易各方达成一致的交易协议，通过计算机编码的方式，使其能够自主执行合同条款。这种交易方式与传统交易相比更加高效，由于智能合约会自主对条款进行执行，不需要第三方权威平台作为中介，且一旦开始执行，合约的所有内容都无法进行修改，所以很大程度上避免交易双方因对合同产生的理解分歧而造成的法律纠纷，同时降低人为干预的风险以及节省传统方式所产生的人力成本。智能合约存在的优势使其越来越广泛地应用于各个领域，受到社会各界密切关注。

2.3 共识机制

区块链的每个数据块中都包含着非常多的交易数据及记录，那么这些区块是通过什么方式产生？又如何保证其中数据得到每个节点的统一认可？共识机制就是保证交易参与方对同一事件达成相同意见的机制，在区块链中，共识机制起到决定谁负责生成新的区块及维护区块链统一的作用。区块链依靠平台搭建好后，参与者根据一开始设定好的规则，各自发挥作用实现自我运行，所有人都认可这个规则代表达成共识。共识机制除了要统一参与者的共识，也要在技术上统一共识。由此可见，共识机制在区块链中扮演着不可替代的重要角色，区块之间的节点依靠共识机制维持着稳定，具有较高的安全性，不需要人为地干预介入，最大限度上保证区块链中记录内容的真实性和公开性，提升信用价值。

被大家广为熟知的且最常用的一些共识算法主要涵盖POW算法[10]、POS算法[11]、DPOS算法[12]和PBFT[13]的算法等。

2.4 数字签名

在传统的交易中，交易双方达成协议后会通过签字盖章的方法提升彼此的信任度，在区块链中也是如此。数字签名在区块链中的作用就在于验证双方身份及交易内容、记录的可靠程度，同时维护增强数据的保密性。数字签名由数字摘要和非对称加密2部分构成，数字摘要就是将交易信息利用哈希函数将信息内容转换成固定长度且具有唯一性的字符串，用非对称加密技术对具有唯一标识的字符串进行加密，经过加密后的密文就形成数字签名[14]。不同交易信息对应的哈希密文不同，这决定得到的密文的唯一性，极大保障数据在发送过程中的保密性和完整性。非对称加密技术比对称加密算法更具优势的点在于大幅提升数据安全程度，其中所涉及的2个密钥——公钥和私钥一一对应，即经过公钥或私钥加密后的文件，仅拥有相对应的密钥的一方可以对文件进行解密，查看信息[15]。

利用数字签名在一方发送交易信息时，要经过几道周密的加密和解密过程，以保证数据在传送过程中不被外泄，同时确定发送方和接收方的信息原文一致，防止被拦截者恶意操作，维护传送数据完整性和隐私性[16]。以Gao Liu要将信息跨国发送给Sean为例，数字签名的具体工作流程如图3所示。

图3 数字签名工作流程

3 基于区块链技术的食品溯源

3.1 基于区块链技术的食品溯源信息存储

传统食品溯源存在的一个最大的问题就在于其将信息存储在中心化的数据库中，数据作假成本过低导致食品质量安全的信用出现较大问题。区块链分布式、去中心化、防篡改等天然优势有效解决传统食品溯源存在的这一难题。

区块链本质上是一个分布式记账本，通过查看记录在区块链上的内容，可以清晰了解到食品从原材料开始涉及的种植、加工等一系列过程及后续的包装、运输、批发零售等相关信息，这些信息被详细地记录在每个区块中，这些区块又根据它们被记录的时间也就是时间戳及链接到上一个区块的哈希值按顺序链接而成[17]。食品溯源信息被分布存储在各个节点，并且被存储记录的数据可以进行更为详细的食品信息追加。这些数据对所有人公开，保障了食品相关信息的公开透明，有利于消费者了解自己购买食品的详细信息，加强政府相关监管部门对食品安全的各项监管。加上共识机制自动维护区块，无需人为介入的特点，基于区块链技术的食品溯源信息存储在节省大量人工成本的同时，使食品溯源的数据更加清晰、完整。

另外，在区块链中数据一旦生成记录，就不能再进行修改，在整条食品供应链中，只允许进行食品溯源信息的补充和添加而不能进行数据的篡改，保证食品在各个环节数据的公开、公正，以及真实性和有效性[18]。区块链技术信息存储的这一特点有效防止企业获益者伪造、篡改信息，提升企业的公信力，推动构建高质量食品溯源信用体系的同时也进一步实现对食品安全信息的有效追溯。

3.2 基于区块链技术的食品溯源数据保证

传统食品溯源除数据中心化外还存在的一个问题是传统追溯方式过于简单，它是直接在数据库中对食品相关信息进行查找对比，数据的真实性、有效性不能得到保证。针对这一问题，区块链中的数字签名所包含的非对称加密算法和区块链技术所拥有的共识机制可以有效地进行攻克。

在食品溯源系统中，区块链存储着食品加工等一系列供应链的信息，区块间的数据内容是彼此关联的，用来验证和保证数据存储的有效性。当食品供应链中产生新的交易信息，区块内的信息状态发生转移时，如何防止信息泄露、恶意拦截，保障数据安全性和保密性？区块链中的数字签名能够有效解决这一问题，其最重要最核心的关键在于公钥和私钥的应用。由于私钥密钥只有交易双方知道，极大地保障交易双方的隐私。在后续监管过程中，政府相关的部门若想要追溯食品问题责任方或者进行抽样检查时，只需要拥有与公钥（或私钥）加密相对应的私钥（或公钥）完成解密，就可以得到进一步查看数据的权限，但是监管者也无权对内容进行修改，这就保证监管者能够有效追溯到责任人的同时避免出现腐败徇私，篡改制造虚假数据的现象[15]。

食品供应链中的数据块内容并非随意生成，产生一个新的区块时，需要利用共识机制共同进行决断，只有当大部分节点都认可新加入的数据内容，这一数据的真实性和有效性得到确认，此时才可以将其相关信息写入食品供应链中，信息一旦被写入不允许再次进行修改，它将会根据时间戳记录的创建时间按照时间顺序永久存储在区块链中。由于新区块的产生由各个节点共同决定，起到一定的监督作用，有效保证数据的真实性。将区块链加密算法和共识机制进行有效结合，创建可信任可追溯的食品供应链，是保证食品安全的有效方法和手段，从而保证追溯信息的真实性、不可篡改性和数据之间传递的安全保密性。

3.3 基于区块链智能合约的食品溯源监管

食品供应链涉及多方间的交易，食品从原材料生产方、加工厂商、供应商、监管检测、批发零售最终到消费者手中需要多个环节，充分利用区块链中的智能合约技术能够有效规范各个环节的交易过程。食品溯源的基本流程简单来说就是交易中的卖方将公司相关信息及交易信息上传并存储至区块链中，买方可以通过自主查询获得食品各个交易过程和交易主体的详细信息。

以参与食品加工的某厂商为例，食品商公布注册信息，信息包括厂商名称、经营责任人、经营许可、公司地址等内容，区块链中的其他节点接收到这些消息后先将其放到缓存区，接下来执行智能合约。此时智能合约中涉及的内容大致为检测注册人提供的信息是否来自本人，是否存在盗用冒用身份的行为，以保证后续食品质量出现问题能够精准追溯到相关责任方，同时使交易中的买方能够详细了解食品相关厂商的详细信息，判断厂商食品安全质量是否值得信任，决定是否购买。消息满足智能合约中的条件时，就将厂商的信息打包在区块中等待共识，否则将删除所有信息。按照上述基本过程，将食品各个环节链成供应链，其中智能合约部分根据交易类型和协定的不同，内容也会有所不同[19]。

基于区块链智能合约的食品溯源通过代码自动执行，无需人工介入进行干预，大幅提升食品信息作假的成本，在交易过程中，一旦有违约违规行为，智能合约会自动进入惩罚机制，同时若后续过程中出现食品质量安全问题，相关政府部门可以直接通过这条供应链查询详细的交易信息，直接找到企业法人追究责任，智能合约对于食品溯源的监管起着至关重要的作用。

4 基于区块链技术的食品溯源的不足及发展

中国的区块链技术仍处于发展的初级阶段，仍存在一些不足。区块链技术虽然一定程度上解决了溯源追责，数据公开透明的问题，但还是无法从根本上解决数据伪造的问题。这一问题产生的原因就在于，若要追溯某一食品的源头信息，大多是通过人工录入至区块链进行存储，既然是人工录入就难免会出现出于某种利益而进行数据造假的行为。为解决这一问题，相关学者尝试将区块链技术与物联网技术相结合，在食品供应链的各个环节采用自动采集数据的方法，不仅有效解决人工成本问题，还能有效避免数据造假，为数据的真实性提供保障。

信息溯源技术依赖的查看形式及防伪形式多依赖于条形码、二维码等形式，这些图形的外露一定程度上会造成有不法分子将其他商品的二维码、条形码等查询信息复制转嫁到另一种商品上。针对这一问题的解决方法是将包含信息溯源的内容放置于商品内部，如一些厂商会将查询码上置一层涂层，只有刮开涂层才能进行扫码查询。

区块链技术的不可篡改性带来诸多便利的同时也存在其自身风险。一旦出现上传虚假数据到区块链中，不仅会对消费者产生误导，为纠正虚假数据，其存在的区块链需要整体更新，从而影响工作效率。同时，区块链本身所具有的不可篡改性对后续系统的开发和维护等也是艰巨挑战。

区块链网络之间的互联互通问题尚未得到有效解决，由于底层技术的差异，跨链协作的难度比较大，由此可见要想拥有更加完善便捷的食品溯源体系，需要各领域学者继续进行深入研究[20]。

5 结语与展望

区块链技术与食品安全问题均得到国家的高度重视，将区块链技术应用在食品安全信息溯源中，利用区块链中去中心化、不可篡改、公开透明、可完整追溯等特性，从技术上真正实现食品安全信息的全程追溯，保证整个溯源链上所有数据真实、安全、透明和完整。区块链与食品溯源的结合成为一个热点，后续可结合食品供应链本身的特点，充分利用物联网技术，建设智能的食品安全追溯体系[21]。