区块链架构下蜂蜜供应链可信监管溯源模型

杨万龙 陈琳

摘 要：针对传统蜂蜜溯源效率低下、可信度较低等问题进行了研究，在分析了蜂蜜溯源标准后，结合区块链技术和IPFS技术构建了高可信蜂蜜溯源方案。首先提出了分层存储策略，解决了信息上链及溯源效率较低的问题；然后以多链构架隔离数据，提出基于外部随机预言的代理重加密方案，由智能合约完成密文重加密，同时附上消息认证码，解决了信息可信度低、假冒伪造和隐私数据泄露风险；最后，为防止突发性负载导致的数据不一致，提出了预上链机制，即“高流量打包预先上链，低流量补充上链”方案。为验证可行性，对上述方案使用Apache Bench工具进行仿真测试，结果表明，该方案实现了基本数据的有效上链、可控监管和可信溯源，能够满足企业、监管部门和用户的多级需求。

关键词：区块链；多链；代理重加密；突发性负载；星际文件系统

中图分类号：TP311.3   文献标志码：A

文章编号：1001-3695（2024）03-004-0671-05

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2023.07.0292

Trustworthy regulatory traceability model for honey supply chain under blockchain architecture

Yang Wanlong，Chen Lin

（School of Computer Science，Yangtze University，Jingzhou Hubei 434023，China）

Abstract：Considering that the problems of low efficiency and credibility in traditional honey traceability，this paper constructed a solution which combined blockchain technology and interplanetary file system technology to establish a highly reliable honey traceability system after analyzing the honey traceability standards.Firstly，this paper introduced a hierarchical storage strategy to enhance the efficiency of on-chain information and traceability.Subsequently，it employed a multi-chain architecture to isolate data，and utilized a proxy re-encryption scheme based on external random oracles，whereby executed ciphertext re-encryption through smart contracts.Simultaneously，it integrated message authentication codes to effectively address challenges such as low information credibility，forgery，and potential privacy data leaks.Lastly，this paper proposed a pre-commit mechanism to prevent inconsistencies in data caused by sudden loads，that was，the scheme of “high-traffic package pre-commit，low-traffic supplementary on-chain”.To assess the feasibility of the proposed solution，simulations and tests were conducted using Apache Bench tools.The results demonstrate that the scheme effectively achieves the chaining of basic data，controllable supervision，and credible traceability.Furthermore，it fulfills the multi-level requirements of enterprises，regulatory authorities，and users.

Key words：blockchain；multi-chain；proxy re-encryption；burst load；interplanetary file system

0 引言

近年來，激素添加、掺假造假、农药残留等蜂蜜食品安全问题频发，不仅对消费者的健康安全构成潜在威胁，还对整个蜂蜜行业带来了较大的负面影响。2018年，国内某公司违反《食品安全法》有关规定，将过期蜂蜜回收继续加工，次年市场监管部门对其作出行政处罚决定；同年，欧洲食品安全局（European Food Safety Authority，EFSA）发布了一份关于蜂蜜产品中农药残留的报告，该报告指出，采自欧洲各国的蜂蜜样品中，约有20％超过了农药残留的安全标准。由此可见，构建完备的蜂蜜溯源监管平台迫在眉睫，理应将其作为提升蜂蜜食品安全质量以及促进蜂蜜产业合作共赢的重要手段。

中心化的供应链严重依赖中央节点来控制信息流，从而导致信息不平等和信任问题［1］。区块链具有可追溯、无须信任、去中心化、不可窜改、匿名性等特性［2］。利用区块链助力农产品溯源不仅提高了溯源信息的透明度和安全性，打破了传统溯源系统数据存储中心化的局面［3］，而且增强了供应链各追溯主体之间的信息互通性［4］。学者们对此展开了大量研究，主要致力于如下几个方向：

a）隐私保护和权限管理。集中于设计可控的访问权限控制和身份验证机制，以及解决数据共享问题。文献［5］针对多监管部门审查隐私数据问题，基于CP-ABE提出了密文访问验证树方案，确保了监管过程中隐私数据的安全性。文献［6］分析了大米供应链信息，在PBFT共识算法中引入信用评分机制，结合AES和SM3算法提出分级数据加密方式来保护隐私数据。

b）可扩展性和性能优化。针对农业溯源领域的应用，优化原生的共识算法、分布式存储方案和网络传输协议，以提高系统整体的吞吐量，从而满足大规模农产品溯源要求。文献［7］建立了“溯源链+共享链+隐私链+监管链”模型，利用溯源链追溯数据，共享链和隐私链实现数据流转和保护，最后通过监管链监管各个环节的风险数据，解决了异构数据的存储保护和验证问题。文献［8］通过分析粮食供应链各环节的流程和数据特征，提出了主从多链溯源模型，并在此基础上为主链设计了Raft和改进PoW算法的PLEW共识算法，为从链设计了基于可信信息度的CI-PBFT共识算法，提升了区块链网络的交易吞吐量和粮食溯源效率。

c）结合物联网技术。利用物联网和传感器技术自动实时感知数据，提升信息采集的可信度。文献［9］提出了果蔬供应链数据流通模型，将数据存储至IPFS网络，通过Blake2改进型Ed25519算法实现了物联网设备的身份验证机制，提高了数据的安全性。文献［10］结合区块链和物联网技术，Stm32开发板自动采集数据后凭借MOTT协议传输到阿里云物联网平台，用户通过AMQP协议溯源数据，提升了系统的安全性、降低了交易延迟和通信成本。

上述研究针对农产品溯源中可信度不足、效率低下及隐私保护和共享问题提出了诸多解决方案，但是没有针对且符合蜂蜜溯源标准的研究。另一方面，在农产品信息上链以及溯源过程中，将溯源信息单独处理，彼此分离，忽略了各条溯源数据的关联性。对上述问题作出分析之后，本文提出了相应解决方案。

本文依据文献［11］蜂蜜溯源标准，分析各环节溯源数据项的特性，提出了分层存储策略；将区块链作为重加密的中间委托方，结合消息认证码，通过基于外部随机预言的代理重加密方案实现了隐私数据的有效监管和共享；为解决实际数据上链过程中出现的突发性负载问题，提出了数据预上链机制。

1 关键技术

1.1 区块链技术

文献［12］集成密码学、智能合约、共识算法等多种技术提出区块链概念。区块以默克尔树为数据结构存储交易，并使用哈希指针按照时间戳顺序将区块链接在一起，保证网络内交易的完整性和可追溯性［13］，可以将其划分为公有链、联盟链与私有链［14］。其中联盟链多个授权的可信成员共同管理，提供了更为安全的授权准入机制，实现了完善的身份验证和访问控制。另一方面，相较于公链而言，联盟链能够更好地应用隐私保护技术，为企业隐私数据的共享和监管提供更为安全的保障。

1.2 代理重加密

代理重加密（proxy re-encryption，PRE）［15］技术是一种允许第三方在不知道明文的情形下，经代理密钥对原始密文重加密，使其能够被接收方密钥解密的密码学技术。加密流程如下：

a）密钥生成keyGen（par）→（sk，pk）：通过参数par生成用戶的公私钥对。

b）代理密钥生成RkKeyGen（par，skA，pkB）→rkA→B：通过参数par，数据所有者私钥skA以及被授权用户公钥pkB，生成从授权用户A到被授权用户B的单向重加密密钥。其中（skA，pkA）为数据所有者公私钥对，（skB，pkB）为被授权用户公私钥对。

c）加密算法Enc（par，m，pkA）→C0：通过参数par和发送方公钥pkA加密明文m，得到原始密文C0，其中0表示密文未被重加密。

d）重加密算法ReEnc（par，rkA→B，C0）→C1：通过参数par，用户A到用户B的重加密密钥rkA→B，将原始密文C0重加密得到密文C1，其中C1表示仅经过1次重加密。

e）解密算法Dec（par，skB，C1）→m：通过参数par，被授权者私钥skB和解密密文C1得到数据明文m。

f）对于任意一组参数par，上述算法还需满足如下一致性：

Dec（par，skA，Enc（par，m，pkA））=m（1）

Dec（par，skB，ReEnc（par，ReKeyGen（par，skA，pkB），C1））=m（2）

2 面向蜂蜜溯源的存储模型设计

信息溯源包含生产、加工、运输和销售多个环节，基本溯源信息如表1所示。各环节的基本信息项又由多个子数据项组合而成，由此可见溯源信息具有高度复杂性。若将各环节每条溯源信息项都视作彼此完全独立的数据处理，无疑增加了信息溯源所需工作量。分析最终溯源信息不难发现，多数溯源数据项之间存在大量的交集，每次信息溯源访问区块链账本、第三方可信数据库以及哈希锚定次数正比于全流程基本信息项总和，从而导致信息溯源效率低下。

2.1 总体架构设计

生产环节中，蜜蜂养殖呈现多养殖户小规模性，难以部署物联网集群，该环节数据手动采集。而加工、运输和销售环节模式相对固定，具有大规模性，支持物联网集群的大规模部署和基本信息的自动感知采集。本文数据严格依照GB/Z 40948—2021标准要求设计，对各环节的基本信息构建分层存储策略，采用链上链下存储模式。标准文件要求信息记录和相关凭证的保存期限应比最终产品的保质期长2年［11］，因此将数据原文迁移至SQL数据库和IPFS网络中，用于持久化存储溯源信息项，减轻区块链网络的存储压力。

农产品全产业链具有参与主体节点多、产业链长、涉及范围广、数据量大且多源异构等特征［16］。单一区块链存在隔离性、隐私、容量和可扩展性问题［17］。而多链结构支持网络通道和节点数量的水平拓展，能够满足大规模数据存储和交易需求，同时以通道隔离数据，进一步保证了数据的安全性。

如图1所示，本文针对生产、加工、运输、销售四个环节设立四条独立链。各子链中，将直接面向消费者的溯源数据明文存储在MySQL和IFPS中，区块链账本则负责存储数据原文哈希值，用于校验数据的真实性。隐私数据经数据所有者私钥加密之后，交由智能合约经代理重加密算法将原始密文重加密，并对密文哈希上链。访问隐私数据时，被授权企业或监管部门使用自己的私钥解密即可得到隐私数据明文。最后，为应对实际生产过程中出现的突发性负载问题，单独设计预链，实施高流量数据打包上链。

2.2 分层存储策略

将整个环节的溯源数据直接存储至区块链网络，会显著增加账本的存储压力及网络带宽的压力，致使系统性能下降［3］。因此，本文提出改进的链上链下存储方案。依据各阶段溯源数据项的变动频次，将单个阶段内的数据项分别划分为静态数据、半静态数据和动态数据，并据此构建分层存储策略。定义数据结构：

PrevInfo=［OwnHash，PrevHash，IpfsCID］（3）

其中：OwnHash为当前数据项经SHA-256算法散列后所得哈希值，用于对原文数据的校验；PrevHash为所引用的上层数据段哈希值，用于关联上层数据；IpfsCID值为当前层数据拼接所引用的上层数据并上传至IPFS网络后所得的CID值。存储策略结构如图2所示。

企业上传产品基本信息时，对于不同数据处理方式不同。

a）静态数据：该层数据变动频次最低，短期内基本可视作固定数据项，即图中根数据。原始数据存储至SQL数据库中，区块链记录原始数据及哈希值。

b）半静态数据：该层数据更新频次高于静态数据，但远远低于动态数据，需向前索引，用于关联上层数据，同时同自身信息形成中间数据向后被引用。终端接收到数据D及索引值ID，智能合约由ID获取上层CID，并依据该CID在IPFS网络中读取上层数据，同本层数据拼接：

D′=D+IPFS（CID）（4）

得到数据D′后，上传至IPFS网络获取数据唯一的CID，同数据摘要一起构成基本数据上链。

c）动态数据：该层信息属于重复率最低、变动率最高的数据，只需关联上层数据即可。

2.3 隐私数据保护

隐私和安全是获得信任的关键。因为如果不保护隐私和安全，就会发生恶意攻击［18］。本文采用改进的基于随机预言的代理重加密算法加密隐私数据。传统基于身份密码算法存在密钥托管的问题，私钥生成中心易被攻击［19］，且多通过第三方可信云服务器完成密文重加密工作，存在密文被窜改的风险。本文提出基于外部随机预言的代理重加密方案，在合约外部生成随机数种子R，代理密钥的生成以及密文重加密交由智能合约自动完成，为防止数据伪造和仿冒，在明文加密时附加消息认证码。该方案相较于传统的加密方案而言，通过联盟链的弱中心化和智能合约的自动化执行等特点，有效避免了中心化的第三方云服务器对密文信息的窜改和滥用，不仅增加了恶意攻击者攻击的难度，也提高了重加密密文的可信度。具体加密流程如图3所示。

a）密钥生成：（sk，pk）←GenerateKey（R）。

智能合约外部通过CSPRNG生成64 Byte随机切片seed，合约内部使用SHA-512算法散列seed得到哈希值R，同 P-256曲线生成ECDSA密钥对。后续算法中，均采用该方式生成随机数，同时规定隐私数据所有者的密钥对（skA，pkA），被授权监管部门或共享企业密钥对（skB，pkB）。

sk←REuclid Math TwoZApp，pk=gsk（5）

b）代理密钥生成：（rk，pubX）←ReKeyGen（R，skA，pkB）。

获取随机数R，从p阶循环群Euclid Math TwoZApp上选取一个随机数xA，通过生成元g计算XA=gxA得到XA，将其作为pubX返回。计算d=H3（XA‖pkB‖pkxAB），将XA、pkB和pkxAB连接散列并映射到椭圆曲线有限字段中的大整数d，最后使用私钥skA乘以整数d在椭圆曲线下的乘法逆元得到代理密钥rk，即rk=skA×d-1。

c）加密算法：（cipher，capsule）←Encrypt（RE，RV，m，skSA）。

加密算法分为明文加密和消息认证码两部分。明文消息经SHA-256算法哈希摘要后使用私钥skA经椭圆曲线签名算法签名得到（rs，ss），该方式使得多次数据分享只需一次签名即可。通过合约外部生成的随机数Re和Rv从整数环Euclid Math TwoZApp上选择两个元素e和v，并应用到生成元g上分别得到E和V，计算s=v+e·H2（E‖V）得到中间值s，计算（pkA）e+v结果使用SHA-3哈希算法用于生成中间密钥K，将K的前12 Byte作为初始化向量，经AES-GCM算法加密明文消息，最后定义加密容器为capsule=（E，V，s），其中V为验证因子。

d）代理重加密：newCapsule←ReEncrypt（rk，capsule）。

计算gs和V×EH2（E‖V）验证加密容器的完整性，验证通过后，则通过代理密钥rk对加密容器中的E和V进一步操作E′=Erk，V′=Vrk得到新的加密容器（E′，V′，s）。

e）解密：m←Decrypt（skB，newCapsule，pubX，cipher）。

解密算法包含密文解密和消息认证两部分。同原始密文加密类似，计算d=H3（XA‖pkB‖SskB）得到d，结合重加密所得到的加密容器計算（E′×V′）d并散列，生成解密密钥K，通过密钥K和AES-GCM解密算法解密密文得到明文m。消息认证：通过授权者公钥验证分解明文得到消息认证码（rs，ss），即可验证消息的真实性。

2.4 预上链方案

在蜂蜜产品实际生产过程中，可能出现峰值负载的情况。受限于联盟链网络的交易速度限制，当面临大量上链请求时，短期内过多的交易数量会导致区块链网络阻塞［20］，致使数据无法上链，破坏了数据的一致性。为应对上述情况，本文提出预上链机制，即在上链请求高峰期，数据批量打包预先上链，待流量低峰期时，利用网络空闲，拆分数据包后逐一补充上链。

当数据上链请求RPS大于阈值ω时，打包数据B=［D1，D2，…，Dp］，其中Di表示一条商品基本数据，P表示数据打包的粒度，每次打包以P条基本数据为单位批量打包。将打包后的完整数据上传至IPFS网络中，保证数据的完整性，同时序列化数据包并取其哈希值，将哈希值同CID均存储至预链（prechain）中，从而实现数据打包预先上链。由于该阶段内数据项采用分层存储策略，所以需要对数据分级预先上链。静态数据和半静态数据优先直接上链，而动态数据则选择性打包上链，这是因为在分层存储方案之中，底层数据需要向前递归引用上一层的数据，所以下层数据对于上层数据具有依赖性，只有保证上层数据稳定，方能保证下层数据可靠。当上链请求低于阈值ω′并趋于稳定之后，由智能合约事件自动触发低流量补充上链机制，依据账本中所存储的CID获取IPFS网络中的数据包，验证数据包哈希值并解析，最后逐一补充上链，从而保证整个溯源网络中数据的完整性。

2.5 信息验证

溯源信息验证流程如图4所示。溯源请求方通过唯一溯源码获取商品基本信息，智能合约依据该溯源码获取账本中相关数据hash值及所依赖上层信息的CID，在可信SQL数据库中获取原始明文数据，同前面所得hash值哈希锚定，验证数据真实性。对于上层数据而言，IPFS是基于文件内容的hash，不同文件对应的hash值不相同［21］，只需确保所关联的上层数据CID真实存在即可，无须多重验证。最后将所引用的上层数据同当前层数据拼接返回给消费者。隐私数据需要同时验证信息正确性及所有者。首先通过密文哈希值验证密文未被窜改，之后由企业或者监管部门私钥解密，获取明文数据；解密明文数据并用所有者公钥验证消息认证码，确保数据所有者归属正确。

3 实验结果

3.1 测试环境

蜂蜜溯源涉及多环节多主体，数据量庞大且样式复杂多样，本文在此背景下构建蜂蜜溯源模型。系统部署在Ubuntu-Server 22.04上，以Hyperledger Fabric v2.4.9联盟链框架和gin框架为主体搭建，将CouchDB作为区块链账本数据库存储数据哈希值，星际文件系统IPFS和MySQL作为链下数据库存储数据原文。硬件方面，为虚拟机分配1个处理器，每个处理器分配8个内核，内存8 GB，具体网络架构环境如表2所示。以下性能测试均使用Apache Bench工具进行多线程测试。

本实验将本文方案同如下两个方案进行对比：方案1为将溯源信息项直接存储至区块链账本之中；方案2为文献［3］方案，即“on-chain+off-chain”。

3.2 信息上链

整个溯源流程所包含的信息可分为面向溯源需求方的公开明文数据，以及供监管部门和共享企业查看的隐私数据两类。分层存储策略将溯源明文数据划分为静态数据、半静态数据及动态数据，其中静态数据较为特殊，因为其需要向前索引拼接数据，同时向后被引用，而静态数据和动态数据都只有单次哈希上链，所以性能相似。虽然各环节记录的产品信息项不同，但是都采取了相同的信息上链策略，且以生产环节信息最为复杂，所以下面以生产环节为例，测试系统信息上链性能，分别测试静态明文数据、半静态明文数据、动态明文数据及隐私数据加/解密的TPS，每组测试数据量为3 000条，测试20组共6万条数据，3类公开明文数据测试结果如图5所示。可以发现，半静态数据上链效率低于动态数据，但是半静态数据的实际上链和变动需求少于动态数据，因此仍能满足实际生产记录需求。隐私数据加/解密性能如图6所示，依托于智能合约完成原始密文的重加密，防止了原始密文被窜改。其平均TPS为106.8 TPS，能够满足隐私数据加密需求。

此外，本文还提出了预上链机制，批量打包数据记录，预先上链。测试中分别对粒度为2～10的上链速度及补充上链速度进行测试，结果如图7所示。随着预上链粒度的增大，整体数据预上链性能也随之提升，但是相对应的补充上链效率却处于较大波动状态，当粒度为5时，补充上链TPS只有67.3 TPS，而当打包粒度为10时，其补充上链速度为98 TPS，两者相差30.7 TPS。所以上链粒度需要依据实际需求，选择合适的粒度值。

3.3 信息溯源

方案1将溯源信息全部存储至区块链账本之中，导致链上数据极速膨胀，给区块链网络的存储带来了巨大负担；方案2链上存储数据哈希，链下存储数据原文，减轻了区块链账本的存储压力，但是溯源时，对于每一数据项需要逐一查询并验证，增加了溯源耗时。本文在存储上构建分层存储策略，依此减轻了区块链账本上溯源信息的存储压力，依赖分层存储策略的设计以及IFPS网络CID生成的特性，本文完整信息溯源的哈希锚定次数远远少于传统方案。

方案1耗时：

T1=q×n×tb（6）

方案2溯源耗时：

T1=q×n（tb+tv）（7）

本文方案溯源耗时：

T′=q×（tb+tv+tI）（8）

其中：tb为区块链账本查询数据耗时；tI为依据CID在IFPS网络上读取数据耗时；tv为查询MySQL数据库并哈希验证耗时。

使用AB工具分别测试三个方案整体信息的QPS，测试效率如图8所示，其平均吞吐量可以達到536.66 TPS。通过前面对信息上链和信息溯源的测试，发现整体性能可以满足实际需求，并且能够通过升级网络环境的物理配置来进一步提升性能，从而满足更加复杂的市场需求。

4 结束语

在2022年发生的影响力较大的十起食品安全事件中，保健蜂蜜成为了公众所关心的食品安全舆论热点之一。蜂蜜食品安全问题日益凸显。为此，本文将区块链技术应用到蜂蜜产品溯源，用于解决溯源效率及可信度较低的问题。依据蜂蜜溯源标准文件分析了各基本数据项特征，分别设计了生产链、加工链、运输链和销售链四条独立企业链，以及分层存储策略，将数据存储至可信SQL数据库和IPFS网络。一方面通过并行操作提升整体网络运行效率，以通道隔离各阶段数据，进一步保护了数据安全；另一方面，达到了产品信息的持久化存储和溯源备份要求。代理重加密方案的设计中以联盟链为信任依托，同时结合消息认证码，实现了用户单次私钥加密签名，智能合约单向代理重加密，多用户消息认证，为企业隐私数据的共享和监管提供了更为安全的保障。最后建立预链用于防止实际生产过程中的突发性负载问题。本文针对以上各个设计方案分别进行了压力测试，结果反馈出本文方案在一定程度上足以满足实际各阶段蜂蜜食品加工生产的日常需求，能够实现蜂蜜产品信息的有效上链、可控监管、可信溯源，为蜂蜜产业链的健康可持续发展提供一定的保障。

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