基于区块链技术的农产品深度溯源系统建设思考和设计方案

卞立平， 孙爱东， 孙晓明， 刘贤金

(江苏省农业科学院农产品质量安全与营养研究所，江苏 南京 210014)

当前行业内常用的溯源方法和技术，大部分仅限于读取单段农产品生产加工流通过程中存储进数据库的信息数据，并以此完成一个过程溯源查询请求。该溯源方法原理，既无法进行对供应链上涉及多企业的多级产出、投入品的多级溯源检索，也不能实现高效读取追溯信息。其方法存在三方面风险：①为某些蓄意造假的企业留下了替换与篡改质量安全信息数据的隐性漏洞；②难以实现真正的全程追溯示踪，大部分情况下会遗缺部分溯源信息；③因信息不对称，监管部门较难评判质量问题发生在哪一个具体环节[1]。

伴随区块链有关技术的不断发展，基于联盟链的可信完整供应链全环节、全过程、多级关联溯源，为监管部门和消费者全方位监督农产品的质量安全提供了可能性。本文所述产品深度溯源系统将对现行溯源方法、技术和系统所能达到的追溯能力进行升级，实现对全供应链进行真实可信、全面完整、安全高效的多级深度追溯，服务终端市场和监管部门。因此，对本系统的设计研究，主要所需解决的技术问题是提供一种高效智能的基于节点关联度的哈希匹配检索的实现方法，解决现有技术的弱点，如低效率运作、无法智能多级深度追溯等。

1 区块链技术

1.1 联盟链技术

联盟链和公链是当前区块链技术发展的两大方向，两者最大的差异在于是否存在“准入机制”，即针对访问权限的管理机制。因为联盟链存在“准入机制”，并非任意个人或组织都能加入，同时，数据只在联盟链内部公开和共享。而公链，则是完全公开，没有准入门槛，所有个人或组织都能加入，且数据是对所有人公开的[2]。

联盟链和公链在技术方面的异同点见表1。整体来说，除了与公链一样具备区块链标志性的分布式账本、共识算法、防篡改等技术能力之外，联盟链还重点实现了对实名制准入机制的严格管理[3]，将数据的互联互通限制在指定的可信范围内。相对于公链节点过多而造成的多节点同步效率低下、区块链性能整体偏低的问题，联盟链具有较少节点，可以快速实现信息同步，大大提高业务性能。基于这些联盟链所具备的优势，越来越多的国内外企业机构在选择过程中，选择了联盟链技术而非公链技术，比如沃尔玛、雀巢、都乐和黄金食品使用的IBM食品溯源链，以及用于有机食品溯源和防伪的中兴云链[4-5]。

表1 联盟链和公链异同点比较

1.2 数字签名和数字证书

数字签名是一串不可伪造的字符串，仅当发送方发出数据时才能生成，既具备不可抵赖性，还能够验证数据完整性，是确认发送方身份是否真实的有效凭据。区块链上的数字签名是基于非对称加密算法和哈希算法的融合应用[6]，签名时使用私钥，验证签名时用公钥。目前，使用最为广泛的数字签名为公钥数字签名。

数字证书则用来证明某个公钥属于谁，内容是否正确。数字证书是由证书认证机构CA来签发的，作用就像一本真实的证书，可以证明信息真实性和合法性。数字证书内容信息包括证书序列号、版本号、签名算法类型、签发方信息、证书有效期、被签发人、公开密钥、CA数字签名等，其中，最重要的是公开密钥和CA数字签名2个信息，因其可证明某一公钥的合法性。

1.3 区块时间戳

区块链领域的“时间戳”是一个专有名词，它能记录区块链任意时间内的交易记录和交易值。(说明：此处所说的区块“交易”，指在区块中写入信息后将区块上链，包括但并不限于金融交易)。时间戳本质具有时序性，从而使链上的区块也具有了时序性。时间戳是区块交易中的必要信息之一，它由第一个节点计算出新区块高度时就立刻标记时间戳，由该节点向全链节点广播这个区块高度及加盖的时间戳。可以说，时间戳证明了交易数据在此刻已经存在。因时间具有唯一性，因此每笔加盖时间戳的区块交易都具有唯一性，使整个区块链分布式网络能够确定地验证某个区块交易的真实性。

1.4 链上数据检索

以联盟链架构Hypeiledger Fabric为例，其账本数据库以文件系统为基础，且实际区块数据存储在文件块中，使用LevelDB[7](一种高效的key-value数据库)用于存储区块交易的定位索引，即对应的文件块与其偏移，此设计加快了定位索引的速度。索引的内容为文件位置指针。单个指针由3部分构成，分别是文件编号、文件内偏移量和区块所占用字节数。但该技术方案目前仅支持用区块编号、区块哈希、交易ID等有限字段进行检索。

2 系统设计方案

2.1 系统功能模块设计

基于团队现有技术研究成果和实践应用结果[8-9]，本文所述的农产品深度溯源系统包含如下主要功能模块，即：联盟链成员管理、企业数据记录及管理、数据上链加密、多级关联检索与验证。产品深度溯源系统技术方案流程如图1所示。

图1 产品深度溯源系统技术方案流程图Fig.1 Technical flow chart of product traceability system

“联盟链成员管理”模块，对联盟链上节点(即现实中的成员机构)进行授权与管理，同时对联盟链上节点的属性进行定义，为后续提取、计算节点关联度，实现数据定向共享和关联检索提供前提条件。

“企业数据记录及管理”模块，提供各类可溯源数据的录入与管理功能，且该模块不一定存在于链上，可在独立的应用平台上通过接口将数据接入到区块链中。

“数据上链加密”模块，将联盟链成员希望在链内共享可见的产品信息基于共识算法打包上链并创造加密区块，同时，向指定类型属性的节点签发数字证书，通过数字证书的认证可获取加密上链的信息数据。

在“多级关联检索与验证”模块中着重体现了本系统的核心技术和与其他相似功能系统的区别度。在该模块中，可实现相关数据的多级高效关联检索和哈希值快速匹配验证功能。原理为：通过对产品溯源记录的哈希值所匹配到的区块进行基础信息解析，得到该区块所对应的唯一CORE节点和属性有关的RELATED节点的历史溯源数据记档表，并以区块形成时刻排序，组成待哈希匹配、验证的区块池，用于检索下一级的相关投入品/产出品的溯源信息。

2.2 联盟链成员管理

“联盟链成员管理”模块的功能通过“联盟链管理平台”实现。该平台可对联盟链中的成员机构节点进行管理，包括：①当一个联盟成员加入联盟链后，在联盟链中创建具有对应机构主体信息节点，并标记其属性信息，如农产品生产企业、监管单位、原材料投入品供应商等。②经链上管理者审核节点信息和属性信息的正确性，激活节点可用状态。③由链上管理者设置该节点的权重等级。④基于权重等级和节点属性，联盟链将自动地为该节点授权相应功能权限。

2.3 企业数据记录及管理

“企业数据记录及管理”模块的功能通过“企业应用端”实现。企业在应用端需按照如下顺序依次录入数据：①企业主体与往来企业数据、员工数据、基础设施(地块、仓库、操作间等)数据、物联网相关数据；②投入品数据、产出品数据、生产加工标准数据、生产加工项目数据、检测报告数据、仓储物流数据、销售数据、供应链流通数据、财务数据。最后，系统将根据以上相关信息数据生成可追溯的产品对象与对应的溯源二维码。

2.4 数据上链与加密

2.5 基于节点关联度的哈希匹配检索验证

“多级关联检索与验证”模块涉及3个操作端，分别为“企业应用端”、“深度溯源消费者查询端”、“溯源监管平台”。多级关联检索与验证模块的技术方案如图2所示，原理如下：

①基于节点关联度的哈希匹配检索验证，分步骤为：i)检索第一级溯源信息的哈希值所匹配的目标区块。一级溯源信息是指首次查询的起始追溯信息，次级溯源信息是指第2次、第3次……直至第N次查询的关联追溯信息。ii)找到步骤i)中成功匹配验证的目标区块对应的节点，作为CORE节点。iii)通过CORE节点的节点属性找到它所有的RELATED节点。假设CORE节点X是A产品的批发商，那么X的RELATED节点包括A产品的生产商Y和零售商Z、A产品的投入品原料的生产商W等。CORE节点的属性包含节点之间的供应关系、生产关系的相关程度。比如，与零售商这一属性相关度最高的是批发商，而不是生产商；与原料供应商这一属性相关度最高的则为生产商，而非零售商。联盟链根据上述节点属性相关紧密度来计算节点间的关联度。iv)新区块诞生必定同时形成一个时间戳，每个节点上生成的所有具有上链溯源信息的区块，其哈希值按自然时序从近到远排列，即组成历史溯源数据记档表。同理可得一个CORE节点的全部RELATED节点的历史溯源数据记档表集合。v)基于交易合约的时间先后，排序历史溯源数据记档表，以此形成待匹配上链溯源信息哈希值的区块池。vi)用户发起对下一级的相关投入品/产出品溯源信息查询时，将在步骤v)中形成的区块池中，寻找匹配某一哈希值(仅当查询的哈希值等于原记录数据的哈希值，视为匹配成功，反之则为匹配失败)，并得到验证结果。下一级的相关投入品/产出品的溯源信息是指第2级及以后关联检索到的相关产品，比如第1级检索的产品是甲，第2级检索甲的投入品乙，第3级检索乙的投入品丙……以此类推，直至用户无须查询再下一级原料或投入品，则检索过程终止。

图2 多级关联检索技术原理示意图Fig.2 Schematic diagram of multi-level association retrieval technology

②每当完整地完成一次有最终匹配验证结果的溯源查询，就实现溯源码读码统计累加值刷新，且该溯源码的被读码记录将实时更新。

③每当完整地完成一次有最终匹配验证结果的溯源查询，就创建一条追溯查询记录，并向溯源监管平台推送这条数据。这里所说的溯源查询记录，是指用户完成一次溯源查询所得数据记录，该记录至少包括查询时间、查询者IP、所查询的多级对象及其对应的相关溯源信息等关键部分。

基于上述节点关联度实现的多级关联检索技术，相比于常规仅通过区块链哈希匹配进行检索或基于关系型数据库进行检索的方案，具有较明显的优势，具体特点分析与优劣度对比如表2所示。

表2 基于节点关联度的哈希匹配检索和普通多级验证检索对比

3 系统应用实施方案与结果分析

3.1 实施方案举例说明

假设现有农业投入品公司A、农产品生产经营公司B、监管单位C 3家主体通过本系统进行管理，具体实施方案如下：

首先，3家主体向联盟链平台提交入链申请，提供包括主体基本信息和主体属性(如原材料投入品供应商、农产品生产企业、监管单位)等在内的信息。系统以自动和人工2种方式对上述信息进行审核，一旦审核通过，联盟链平台将自动为相关主体创建账户并激活，并向其颁发唯一数字证书，同时设定其在链内的治理权重等级，授权相应的功能权限。

日常生产经营过程中，公司A和B利用企业应用端，分别录入各自的企业内部管理数据并申请上链。申请上链的数据须具备以下记号标签：数据传输头节点属性、尾节点属性、数据类型、数据摘要、数据采集方、数据采集时间。联盟链基于共识算法生成上链数据访问请求，并将其通过哈希加密算法加密为非明文字符串类型数据。

假设公司A的产品被公司B作为生产投入品原料，那么系统将自动对该产品进行链上标记，使公司A与公司B都拥有该原料的数据查询权，但具体查询范围和深度由数据所有者公司A进行设置。原料一旦进入公司B进行投入生产，则后续产生的相关数据都将归公司B所有。

由于公司A和公司B的相关数据均已上链，不可篡改，监管单位C在对公司A或公司B进行监管时，可在链上提交针对被监管主体相关数据进行查询的请求申请。系统会对监管单位和被监管主体进行身份核实，校验通过后将从链上摘取可供监管单位C访问的公司A或公司B具体业务数据，并自动生成相应的报表或溯源信息，通过监管查询专用的API返回。

公司B的农产品在市场销售过程中，消费者也可以通过本系统查询产品的相关信息。该功能由本联盟链的公共查询API提供，入口是该产品的可追溯二维码，消费者只需通过微信扫码即可访问。消费者在查询产品信息过程中，若希望进一步查看相关的投入品或原料信息，则需要由公司A和公司B在系统中分别对原料数据进行授权(该授权操作可在产品销售流通前完成)。其中公司B可对原料的采购、物流等数据进行授权，公司A可对原料的生产、加工、销售等数据进行授权。通过授权的数据将由系统进行组装后通过API返回给消费者，实现产品的深度追溯。

每当系统处理完一次有最终匹配验证结果的溯源查询请求，都会对该溯源码进行查询档案的记录并实时统计更新。公司A、B能够在企业应用端分别获知各自产品溯源码查询的综合情况分析。监管单位C和消费者可分别在溯源监管平台和溯源消费者端查看各自用户授权范围内的溯源查询记录数据。

3.2 实际应用结果分析

基于上述实施方案，本系统已在江阴市省级现代农业产业园、江苏省苏农科技术转移中心有限公司等相关主体中进行了应用。现分别从系统性能指标、系统功能应用情况两方面进行总结与分析。

3.2.1 系统性能指标 在应用过程中，本系统体现出良好的稳定性、可靠性和用户体验，能够较好地满足农业生产管理场景的应用(表3)。

表3 区块链系统性能测试结果

3.2.2 系统功能应用情况 以江阴市省级现代农业园区的实际应用为例，其生产经营主体为华西都市农业有限公司，通过应用本系统，该公司进货贮存管理、田块管理、农产品质量安全过程管理、物流销售管理等核心业务全部实现了数字化转型，有效提高了企业的生产管理效率。公司在不增加管理人员的情况下，生产面积较应用系统前翻了1倍，产量由6 375 kg/hm2提升到7 500 kg/hm2，平均管理成本由1 hm26 000元降低到1 hm24 725元，公司经济效益得到了显著提升。尤其针对华西系列品牌大米产品，公司通过本系统实现了稻米全生命周期管理与追溯的从无到有，且相对市场上其他常见的追溯系统，数据可信度更高，品牌科技含量更高，因此华西稻米产品的市场认可度也得到了一定的提升。

4 结 语

综上所述，本文所述的基于联盟链和相关区块链技术的农产品深度溯源系统，核心是通过基于节点关联度的哈希匹配检索技术来实现对追溯信息的检索，并且能够在链上实现加密共享、高速检索追溯数据。该系统能普遍适用于现代智慧农业信息化管理体系、农产品全供应链大数据共享与监管治理体系[10]。其实际应用成本不高，维护管理方式简易，且有显著的功能性优势与开放性的拓展开发前景。相较于目前常见溯源技术和系统，本系统主要优势总结如下：①联盟链上读、写、存的任何机构的重要业务数据都是可信加密、高度安全的，譬如：产品成交价、合同编号、交易者详细信息等。这些数据仅限在联盟链内成员之间共享，不易被他人通过溯源监管平台或消费者查询端发起的网络安全攻击等而盗得重要数据。②监管单位和消费者能够利用溯源码查询，轻松获取到公开的农产品溯源数据信息，并实现高效的多级关联追溯查询。而现有的其他溯源技术，还不能够达到具有智能化多级深度溯源的能力，仅仅只能实现在溯源信息页面之间逐层跳转的手动操作。③因溯源信息上链存证而具有权威公信力，一旦发生质量安全事件，可快速追溯定位问题环节，该环节无法篡改历史数据，只能接受惩处并进行整改。该系统的应用可以有效提升区域范围内农产品安全合规生产水平，形成诚信经营的社会风气。

同时我们也意识到，未来可继续在以下技术方面升级与优化该系统[11]：①进一步优化数据上链记号标签的数据结构和响应检索算法，持续提高单次溯源信息检索的速度和准确率，不断升级多级关联追溯查询的综合效率。②溯源数据获取终端逐步升级过渡到物联网设备，以自动获取数据上链逐渐代替手工录入数据，增加溯源信息的真实性和可信度。③进一步提升联盟链共识机制和节点治理权限，提高节点上传溯源数据的频率。