基于雙區塊鏈結構的農業食品追溯方案

劉秀升 郝秋梅 羅詩棟 和斌濤

摘要：區塊鏈技術具有去中心、防篡改、分布存儲等特性，本文利用私有鏈的高效性和聯盟鏈的可擴展性好這些特點設計了基于雙區塊鏈結構的農業食品追溯方案，實現對農業食品種植、加工、質檢、倉儲、運輸、銷售等過程的追溯，將各個生產過程的詳細信息存儲在IPFS系統中，將各個生產過程追溯信息的Hash值存儲在私有區塊鏈上，前一階段在私有鏈中的交易ID將記錄在下一階段的追溯信息中，消費者通過銷售階段的追溯信息結合IPFS可以獲得農業食品完整的溯源信息，通過將最后銷售階段追溯信息的Hash值作為交易鏈接到聯盟鏈上，加強方案的安全性和可信度。私有鏈的功能是溯源信息的收集、追蹤，聯盟鏈的功能是溯源信息的防篡改和驗證。本追溯方案可以實現對農業食品的信息查詢、源頭追溯、商標防偽、責任追究，從而保證農業食品安全。

關鍵詞：區塊鏈;Hash函數;追溯;IPFS

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）36-0227-02

1 引言

農業食品安全關系到每個人的健康，食品安全事故時有發生，消費者買了一桶菜籽油，諸如油菜產地、油菜等級、加工工藝、加工時間、質檢部門的質檢結論、包裝倉儲信息、運輸記錄以及銷售者的資質等信息都是消費者關心的問題，但是由于農業食品從種植、加工、質檢、倉儲、運輸、銷售環節眾多，涉及人員復雜，責任不明確。難以實現對農業食品信息的完全追溯。區塊鏈技術可以實現數據的分布存儲，利用區塊鏈可以保證數據不可篡改、信息公開透明、可追溯。已經有一些學者基于區塊鏈技術來完成對農業食品各個生產環節的追溯[1-4]。

2 區塊鏈技術

區塊鏈中的每個區塊由區塊頭和區塊體構成，區塊頭包含前一個區塊的哈希值、版本號、難度、隨機數、區塊大小、時間戳以及Merkle根，Merkle根由該區塊中所有交易的Hash值生成，一個交易信息發生改變則該區塊的Merkle根就發生變化，從而可以防止交易篡改，新區塊中存儲上一區塊的哈希值，通過這種方式形成一條從當前區塊追蹤到初始區塊的數據鏈，從而實現區塊鏈中每條數據可以追溯，進一步實現監管和追責。

區塊鏈可以分為公有鏈、私有鏈、聯盟鏈[5]

公有鏈：公有鏈中每個節點都允許加入區塊鏈進行交易和驗證，可以真正實現完全去中心化，公有鏈安全性高、效率低，比特幣和以太坊都屬于公有鏈。

私有鏈：只有企業內部經過許可的節點可以加入私有鏈，私有鏈具有高效、大容量等優點。

聯盟鏈：經過認證后的組織成員可以加入聯盟鏈，聯盟鏈介于公有鏈和私有鏈之間，可以實現部分去中心化，超級賬本是聯盟鏈中的代表。

3 基于雙區塊鏈結構的農業食品追溯方案

3.1 實體介紹

如圖2所示：本追溯體系包括私有鏈、IPFS（星際文件系統），公有鏈、消費者四個實體。

（1）IPFS：? IPFS是區別于傳統的基于路徑查找的新的基于內容的尋址方法，IPFS系統中每個文件都有一個唯一的哈希標識（256Bit），擁有 256比特的哈希值就可以從IPFS系統得到對應的文件。

（2）私有鏈：私有鏈由企業內部各個部門構成獨立節點，完成企業對某產品的信息采集，包括種植部門、加工部門、政府質檢部門、倉儲部門、運輸部門、銷售部門以及企業的監管中心對企業各部門的行為進行監管。

（3）聯盟鏈： 聯盟鏈中的節點為各個企業，企業間相互監督、防止對數據進行篡改。

（4）消費者：? 消費者有權限了解所購買的農業食品的詳細追溯信息以及該產品商標是否為復制品。

3.2基于雙區塊鏈的追溯方案設計

1）種植階段交易：種植階段的追溯信息包括農作物詳細種植信息[M0]，種植責任人簽名[s0]，將本階段哈希值[H0]作為交易上傳到私有鏈中，其中[H0=h（h（M0），h（s0））]同時返回該交易在私有鏈中的交易地址[TX0_ID]，用[H0]為索引上傳到IPFS系統。企業內部擁有[H0]就有權限從IPFS系統提取完整的種植信息。

2）加工階段交易：加工階段的朔源信息包括詳細的加工信息諸如加工輔料、加工設備、加工時間，這些信息記為[M1]，加工責任人簽名[s1]，上一階段在私有鏈中的交易地址[TX0_ID]，計算[H1=h（h（M1），h（s1），H0，TX0-ID）]，將[H1]作為交易上傳到私有區塊鏈中，同時返回該交易在私有鏈中的交易地址[TX1_ID]，用[H1]為索引上傳到IPFS系統。企業內部擁有[H1]就有權限從IPFS系統提取完整的加工信息。

3）按照此種鏈接方法生成銷售階段的交易，銷售階段的朔源信息包括詳細的銷售數量、銷售地點、銷售時間打包記為[M5]，銷售責任人簽名[s5]，上一階段（運輸階段）在私有鏈中的交易地址[TX4_ID]，計算[H5=h（h（M5），h（s5），H4，TX4-ID）]，將[H5]作為交易上傳到私有區塊鏈中，同時返回該交易在私有鏈中的交易地址[TX5_ID]，用[H5]為索引上傳到IPFS系統。企業內部擁有[H5]就有權限從IPFS系統提取完整的加工信息。企業內部各節點對前面節點的交易有驗證和監管的權限。

4）私有鏈和公有鏈的鏈接，銷售階段完成后以[H5]為交易來生生成聯盟鏈中的區塊，同時返回該交易在聯盟中的地址[TX_id]，這樣對每個商品建立標簽，標簽包括在私有鏈中的銷售階段的交易地址[TX5_ID]和聯盟鏈中的地址[TX_id]。

5）消費者溯源：通過掃碼就可以獲得銷售階段的追溯信息在私有鏈中的交易地址，結合IPFS系統就可以獲得詳細的銷售信息以及前一階段（運輸階段）溯源信息交易地址[TX4_ID]進而獲取運輸信息、依次向前追溯可以獲得倉儲信息、質檢信息、加工信息、種植信息。從而得到農業食品的完整溯源信息。如圖3所示。

6）驗證：如果消費者對溯源信息存在質疑，可以在權威監管部門（屬于聯盟鏈中的節點）的配合下獲取企業上傳到聯盟鏈中的[H5]進行對比驗證，因為聯盟鏈的節點為各個企業和權威監管部門組成，企業之間相互競爭相互監督，加上權威部門要篡改聯盟鏈中的交易信息難度較大，這樣可以驗證企業是否有篡改交易記錄的行為。

7）追責：交易生成的每個階段都有責任人簽名，這樣可以防止抵賴行為，一旦發現有食品質量問題和信息造假行為將追究責任人的責任。

8）防復制：為了防止一些名優產品的商標被復制和偽造本文利用劉家稷等在文獻[6]中的balance方案，企業為每個產品在私有鏈中間建立balance賬號，當該產品已經銷售時，balance標記為1，產品銷售時balance標記為0，消費者可以通過balance來判別是否存在商標復制和偽造。這樣也保護了合法企業的權益。

4 結論

本文利用私有鏈和聯盟鏈構建農業食品追溯方案，在保證系統高效性的同還使得方案有較高的可信度，可以追溯到農業食品生產的各階段完整信息，一定程度上保證了食品安全。但是方案中只是將銷售階段的追溯信息哈希值[H5]作為交易上傳到聯盟鏈，聯盟鏈中的其他企業在商品完成銷售后才發揮監管功能，對種植、加工、質檢、倉儲、運輸信息只是企業內部進行監管驗證，可信度不強，后續的研究需要考慮讓聯盟鏈發揮更強的監管功能。

本方案中將區塊鏈技術和IPFS系統相結合，在私有鏈階段，各生產階段的詳細溯源信息、相關責任人的簽名、前一階段的溯源信息在私有鏈中的地址都將存貯在IPFS系統中，而只將對應的哈希值存儲在私有鏈中，從而保證私有鏈能夠高效、大容量的存儲各種溯源信息，本方案沒有對溯源信息進行分類加密，合理的做法應該是講溯源信息區分為敏感隱私信息（可能涉及企業商業隱私）和非敏感信息，針對消費者和權威部門設定不同的追溯權限，在實現農業食品安全追溯的同時合理保護企業的隱私。

本追溯方案私有鏈中的企業內部節點有權對各種生產過程進行監管，后續節點可以通過提取IPFS系統中前面節點的溯源信息，通過比對溯源信息及簽名哈希值來判定是否存在信息篡改行為，在一定程度上可以實現企業內部的監管功能。本方案沒有考慮物聯網技術，各生產階段的數據都是人工采集，在下一步研究中，可以將物聯網技術和區塊鏈技術相結合來完善本農業食品追溯方案，將考慮利用各種智能傳感器來定位各環節的準確地理位置，智能采集作物的生長信息，物聯網觀測節點來記錄農作物的種植過程、農藥使用過程、施肥過程等信息，同時采集農業食品的生產、倉儲、運輸過程的實時視頻，把采集到的視頻信息推送到企業的云服務器上，供消費者和監管部門查詢瀏覽，消費者通過掃碼就能和田間地頭零距離接觸，讓消費者可以隨時監督農戶的種植過程，真正從源頭上保證農業食品的安全。

參考文獻：

[1] 李宣，柳毅.基于雙區塊鏈及物聯網技術的防偽溯源系統[J/OL].計算機應用研究.[2020-06-16].https：//doi.org/10.19734/j.issn.1001-3695.2019.08.0291.

[2] 董云峰，張新，許繼平，等.基于區塊鏈的糧油食品全供應鏈可信追溯模型[J].食品科學，2020，41（9）：30-36.

[3] 曾小青，彭越，王琪.物聯網加區塊鏈的食品安全追溯系統研究[J].食品與機械，2018，34（9）：100-105.

[4] 付永貴，朱建明.基于區塊鏈的數據庫訪問控制機制設計[J].通信學報，2020，41（5）：130-140.

[5] 張利，童舟.基于區塊鏈技術的農產品溯源體系研究[J].江蘇農業科學，2019，47（13）：245-249.

[6] 劉家稷，楊挺，汪文勇.使用雙區塊鏈的防偽溯源系統[J].信息安全學報，2018，3（3）：17-29.

【通聯編輯：唐一東】