基于區塊鏈的生鮮奶供應鏈可信追溯系統方案

劉應，范洪博，馬首群，高志偉，劉錦江

（昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

1 引言

在各種奶類產品中，生鮮奶因其營養價值高、口感好、附加值大等特性，是我國奶類產業發展的重點，智研咨詢發布的《2020—2026年中國鮮奶行業市場研究分析及投資策略探討報告》的數據顯示：2019年，中國鮮奶銷售額/（鮮奶+常溫白奶銷售額）比值僅為26.71%，英國、澳大利亞、日本、美國對應比值分別為94.15%、88.67%、98.30%、98.22%，這些數據體現了全球生鮮奶行業增長的潛力與空間。

中國是奶制品安全問題凸顯的國家，其中大頭娃娃奶粉[1]、黃曲霉毒素、三聚氰胺等事件[2]，對中國的奶制品行業造成了難以挽回的損失，也嚴重影響了消費者的消費欲望。特別在生鮮奶領域，由于生鮮奶要求就近生產、就近消費，消費者周圍主要的奶源為中小型奶場等，消費者對這些中小型奶場的奶制品的食品安全能力難以把控。傳統溯源體系建設中，要求所有的生產者、供應鏈、消費者均要完全相信溯源系統建設方，造成了昂貴的信用成本，同時，中心化的溯源信息管理可能被篡改、被偽造，不僅損害了生產者的利益，還威脅人們的身體健康[3]，且存在數據平臺運營費用高昂、信息錄入不及時、追蹤信息不全面等諸多弊端。

2008年，伴隨著比特幣出現了區塊鏈技術[4]，記錄在區塊鏈上的信息具有幾乎不可篡改、數據永久公開透明可追溯、去中心化等優勢，已被證明是最優的溯源體系底層技術。2019年5月，國務院發布的《關于深化改革加強食品安全工作的意見》中明確指出，推進區塊鏈等技術在食品安全監管領域的應用，實施智慧監管，2020年中央一號文件中指出，加快區塊鏈等現代信息技術在農業領域的應用。

本文分析了生鮮奶行業的特性，針對生鮮奶行業特點，分析該領域和傳統農產品溯源領域的重要區別，并進行了針對性的設計，利用超級賬本技術Fabric區塊鏈，設計了一種專門針對生鮮奶行業的溯源系統RMChain，該系統在保持區塊鏈技術幾乎不可篡改、低成本信用等優勢上[5]，有效針對生鮮奶的強時效性和問題事后暴露等特點，使用密碼學區塊鏈中的信息確保信息安全[6]，進行專門的溯源跟蹤。

2 生鮮奶溯源中的問題

（1）生鮮奶具有強時效性

經過的加工程序不同，保存的環境不同，鮮奶的保質期時間的長短也會有所不同，具體要分情況而論。

未經過加工處理的生鮮牛奶，即剛擠出來的牛奶，一般可以保存24～36 h。經過巴氏殺菌處理的鮮奶，一般可以保存1～2周的時間。經過超高溫殺菌技術處理的牛奶，儲存方便且保質期會比較長，本文所描述的生鮮奶主要指這種牛奶。

（2）遇問題常呈現事后暴露的情況

在生鮮奶中，常出現霉菌、金黃色葡萄球菌等感染情況[7-8]，這些微生物感染將對飲用者造成嚴重的健康威脅，現有的沙門氏菌快速檢測技術也經常要超過24 h才能有檢測結果[9]。而由于生鮮奶只有24～36 h的保質期，當檢測發現奶中存在問題時，消費者已經把問題奶飲用掉了。

（3）問題生鮮奶難以追蹤

奶類產品是液體，無法在奶中加入傳感器、快速檢測技術等溯源信息收集裝置，典型的瓶裝生鮮奶，因奶瓶無法供電，無法安裝GPS定位等手段，也難以對奶的銷售流向進行數據追溯[10]。

（4）監管難以事后介入

生鮮奶的強時效性導致了監管部門事后介入時，主要的有效質量數據已經難以追蹤。應在生鮮奶銷售就近建立大量微型質量檢測網絡，確保每個廠商每個批次的奶都有對應的質量檢測報告。

以上4點問題是生鮮奶溯源行業與傳統農產品溯源行業的主要區別，現有基于商品的溯源體系（哪怕是區塊鏈溯源體系）難以滿足生鮮奶行業的溯源需求，必須進行針對性的設計。

3 區塊鏈溯源

區塊鏈技術的出現為供應鏈管理引入了一種新的思維方式[11-14]，是一種去中心化的方案[15]，在生鮮奶供應鏈中，信息的可溯性是涉及生產和分配商品的所有過程的連接，從原材料到制成品再到最終的消費者，其牛奶的可追溯性系統可以定義為一種能夠保證生鮮奶在整個供應鏈中的運行可以被追蹤的系統[16]。

基于區塊鏈的可追溯性系統的想法最早于2015年11月出現，Alexis Bateman認為[17]，由于缺乏標準化，區塊鏈將是解決跨供應鏈信息挖掘和管理挑戰的現實技術選擇，區塊鏈技術可以確保對鮮奶鏈中的每個批次進行可靠的跟蹤。在發現食源性疾病的情況下，區塊鏈可以很容易地找到有缺陷的產品并丟棄所有受影響的產品批次。目前，市場上已有美國最大牛奶公司Dairy Farmers of America與食品科技公司ripe.io展開合作，擬利用后者開發的區塊鏈來追蹤奶源、提升數據透明度，以此提高消費者對于鮮奶安全的信心。

食品可追溯性已被視為確保食品安全和高質量的重要方面[18]，根據Deloitte的調查，2019年消費品和制造業的公司中有42%計劃在區塊鏈技術上花費至少500萬美元。而在參考文獻[19]中，在供應鏈管理中的區塊鏈預計將以87%的年增長率增長，到2023年預計將從2018年的4 500萬美元增加到3.346億美元。區塊鏈提供了不可更改的交易記錄，所有生產產品和運輸詳細信息均通過不同的技術收集并經過驗證，在區塊鏈賬本上永久記錄[20]，區塊鏈可追溯系統具有去中心化的特點，并采用可靠的技術方法來記錄生鮮奶中的可追溯數據并存儲在共同的賬本上，通過智能合約保障交易的安全性[21-23]，而且監管機制也能參與整個過程，能在生鮮奶供應鏈中對數據溯源起到至關重要的作用。

4 RMChain系統模式

4.1 多方存儲加速機制

本系統大量涉及檢測報告等較大的數據，傳統區塊鏈溯源系統中，所有數據都放在區塊鏈中，由于區塊鏈賬本相對昂貴且性能較低，各種數據放在一起的方式嚴重影響了系統的并發能力和吞吐率。參考文獻[24]提出etherQL系統，該系統在區塊鏈之外設計了一個單獨的查詢層，將區塊鏈的原始數據復制到外部數據庫，提高查詢效率。本系統中在此思想上，運用多方存儲分離存儲的加速機制，同時保障了數據的快速訪問和不可篡改性。

系統所有加入的數據可以根據其重要性進行分級。對于產品保質期、各方基本數據等在用戶查看數據時必須第一時間就要確保正確的數據，數據直接存儲在Fabric網絡中。而對用戶非重要的數據（如奶牛的檢測報告、企業的資質文件等），無須存儲在較為昂貴的區塊鏈中，區塊鏈中只存儲非重要數據Hash值，并將非重要數據同時存儲在訪問速度較快的云數據庫和相對訪問較慢但難以篡改的IPFS區塊鏈中。其中，IPFS也是一種面向文件存儲的區塊鏈技術，雖然沒有智能合約等相關技術支持，但IPFS能快速存儲一些較大數據，其存儲數據幾乎不可篡改。

目前用戶和企業都傾向于將數據存儲在云端服務器，但并沒有經過加密處理，雖然提供了諸多便利，但仍存在各種安全問題[25]，本文的多方存儲查詢方式如圖1所示，基于數據的重要性，用戶查看非重要數據時，通過異步查詢方式，數據由云數據庫提供，在向用戶展示前，先計算其Hash值，并與Fabric中記錄數據進行比對。若比對通過，則證明云數據庫中數據沒有被改動，可以向用戶展示；若比對失敗，則將云數據庫中的數據作廢，從IPFS區塊鏈中下載真實數據并展示。通過這種交叉訪問的方式，在保障區塊鏈幾乎不可篡改的特性的同時，又有云數據庫的高速訪問能力，可明顯提高區塊鏈性能。

4.2 系統架構

RMChain主要由UI層、管理層、數據層（鏈外）和區塊層（鏈上）組成，區塊鏈用作包含數據和業務邏輯的軟件連接器，涉及6個不同類型的用戶。

· 生產方：奶牛牧場提供生鮮奶，并進行灌裝包裝等必要加工。

· 運輸方：負責生鮮奶的運輸、倉儲的運輸方，考慮到物流端方便管理，系統引入了RFID輔助二維碼進行運輸端數據的管理。

· 銷售方：負責進行生鮮奶銷售。

· 質量監控網絡：第三方質檢企業，對生鮮奶質量進行質檢，出具質檢報告。

· 消費者：購買生鮮奶，需要了解生鮮奶的全流程，并在出現問題時獲得賠償。

· 監管方：對整個系統數據進行管理。

圖1 多方存儲查詢方式

系統采用Hyperledger Fabric搭建聯盟鏈作為區塊鏈網絡，其位于公共區塊鏈和私有區塊鏈之間，且都是通過獨特的結構確保數據的難以篡改性[26]，用于同時存在多個用戶角色，在本節的RMChain模型，用于整個生鮮奶供應鏈平臺的追溯以及認證，其目標是監視生鮮奶供應鏈信息的整個過程，其體系結構如圖2所示。

系統中，通過準入機制，所有用戶提前在本系統CA中進行注冊認證，獲得訪問區塊鏈系統的唯一私鑰，并由客戶端基于私鑰，經不可逆計算，生成用戶公鑰和對外二維碼，對外二維碼中包含了公鑰信息，該二維碼用于系統間的身份認證和數據交互。

用戶在注冊時，需實名注冊，提交身份證、個人聯系方式、地址等必要信息，若是企業還需提供企業資質憑證，憑證不能通過審核者，CA拒絕向其發放私鑰。

在整個生鮮奶的生產、消費、監管過程中，系統的交互模式如圖3所示。

步驟1生產端生產生鮮奶，并完成奶質自查，形成檢測報告，系統根據當前批次，生成唯一的批次ID以及和瓶身綁定的溯源碼ID，生產端在系統中輸入批次ID和批次信息，包含（生產時間地點、奶牛信息、批次產量、生產端自檢檢測報告等）上鏈，并利用生產端私鑰對所錄入的信息進行數字簽名。根據批次產量，生成唯一的瓶身溯源二維碼和RFID信息。瓶身溯源二維碼有可刮開的密碼區，生產端在瓶身張貼溯源二維碼，在包裝箱中加入已寫數據的RFID，每瓶溯源二維碼對應數據和批次數據進行綁定，RFID數據和包裝箱內各瓶生鮮奶溯源二維碼對應數據進行綁定。

步驟2運輸端對已經張貼溯源二維碼和RFID的生鮮奶進行倉儲和運輸，通過讀寫RFID的數據，輸入運輸時間、經手人、運輸源、目的地、出入庫信息、倉儲信息等信息，數據上鏈并利用運輸端私鑰對輸入數據進行數字簽名。

圖2 RMChian系統架構

圖3 數據交互圖

步驟3銷售端利用RFID數據，完成產品的上架銷售工作，上架過程輸入上架時間、銷售資質、銷售方式等信息，數據上鏈并數字簽名。根據數據錄入的時間戳，系統實時提醒本批次生鮮奶還能銷售的時間段，銷售端對超保質期的生鮮奶可以直接拒收。當超出保質期時限后，要求廠商根據區塊鏈記錄銷售情況，將剩余未銷售的生鮮奶進行回收銷毀，銷毀數據登記到區塊鏈。

步驟4消費者在購買生鮮奶時，掃描瓶身溯源二維碼，在通過輸入溯源碼即可查看步驟1～步驟3所錄入的所有信息，并由系統自動驗證所有信息的數字簽名，確保信息的實名錄入。若消費者認可這些產品的溯源信息，需要進行購買時，要求刮開密碼區，并在系統中輸入密碼，輸入密碼后，即完成了消費者和對應生鮮奶的綁定，綁定關系上鏈，并由消費者自身私鑰進行數字簽名。該綁定關系也是當生鮮奶出現質量問題后，作為賠償的憑證。

步驟5每批次的生鮮奶要求送樣品給指定第三方檢測機構進行質量檢測，質量檢測報告綁定每批次的生鮮奶，在檢測報告完成時，上鏈并由第三方檢測機構數字簽名，檢測報告推送購買本批次生鮮奶的用戶，讓消費者能及時了解生鮮奶的質量問題。若檢測到沙門氏菌等問題，告知用戶就醫方案和賠償方案，讓用戶有所準備。檢測報告由監督部門進行復查，杜絕檢測機構亂出檢測報告的可能。

步驟6監督部門監控鏈上數據，對各方進行現場抽查、數據復查和審計，并在出現問題時進行有效協調，對出現問題或違規的各方，進行警告處理，剔除節點，嚴重者將通過記錄數據的信息追究法律責任。

4.3 算法步驟

根據參與者角色功能的制定，每個參與方只有執行背書策略后的每筆交易才有效，其相關算法如下。

算法1生成生鮮奶溯源信息

在算法1中定義監管部門為MP，各參與方信息為GE，生產方信息為I，運輸方信息為LO，銷售方為SE，檢測方信息為TE，其生產方生產完后提供每批生產的批次號ID以及溯源號MilkID，下面為智能合約如何將生鮮奶的基本信息打包成區塊以及數據存儲過程。

輸入MilkID,GE

輸出MP_Massage,TE

步驟1判斷輸入參數正確性，如果輸入數據不滿足設定數據參數值，則返回錯誤，若參數輸入正確，則判斷其溯源ID（溯源MilkID∈批次ID）是否存在，若存在則獲取正確的溯源信息，反之則返回錯誤，對拿到的數據進行處理如下：

（1）Json.Unmarshal for I/LO/SE/TE //對數據信息反序列化*/

（2）GE.Generate(W) W∈I/LO/SE/TE //生成相關區塊數據*/

（3）select W1→networks(W1∈W為重要數據)/*將重要數據存儲區塊鏈*/

（4）select W2→central database (W1∈W為非重要數據)/*將非重要數據存儲數據庫*/

（5）W →IPFS //將數據備份到IPFS

步驟2各方參與信息對生成的數據進行簽名（signature）并生成CA發送給MP進行審核，MP驗證簽名和CA無誤后則審核通過，生成監管信息MP_Massage；TE進行鏈上標記是否通過，未通過將通知相關參與方整改，嚴重者啟動法律程序。

算法2通過MilkID追溯數據信息

輸入MilkID

輸出I,LO,SE,TE,MP_Massage

步驟1通過關鍵的MilkID查詢生鮮奶的基本信息并追溯數據的歷史記錄。

步驟2通過MilkID 查詢并返回I/LO/SE/TE各方的數據結果并使用 GetState方法寫入查詢區塊信息記錄。

步驟3通過數據庫中數據計算SHA256值，其結果Hash A和Fabric網絡中存儲的Hash B的結果做對比，其操作如下：

（1）get Hash Result A from Fabric //獲取哈希A的信息

（2）Json.Unmarshal for I/LO/SE/TE //進行反序列化

（3）query data B from CentralDB and applying SHA256 /*獲取數據庫數據計算哈希*/

（4）Comparison HASH Results A and B /*A與B哈希結果對比判斷是否篡改*/

（5）If data B≠A,return err →MP/*數據被篡改，返回錯誤提交給監管方*/

（6）applying IPFS data //請求匹配存在IPFS中的數據備份*/

（7）else continue //若沒被篡改繼續執行下一步

步驟4通過GetHistory 追溯歷史數據放入迭代器中。

步驟5對查詢到的歷史數據，查看I、LO、SE、TE、MP_Massage數據來實現數據追溯。

算法3監管部門監管賬本信息（超級管理員）

輸入admin,MilkID

輸出MP_Massage

步驟1參與者通過準入機制向MP申請注冊CA分發公鑰和私鑰成為賬本參與節點。

步驟2MP有對賬本進行重要操作的權限，除了算法2中的相關權限以外，其他權限操作如下：

（1）get data from Fabric and CentralDB from/I/LO/SE/TE

（2）update / removedata →block /I/LO/SE/TE/*若果發現信息有誤可以從區塊鏈上及時更新和刪除節點信息，區塊會記錄所有操作記錄*/

（3）MP audit I/LO/SE/TE //對所有數據進行審查和復查

步驟3如果發現違規，將執行算法1的步驟2。

5 實驗與分析

5.1 實驗結果

本次溯源鏈均通過平臺注冊參與方用戶獲得相應的CA和私鑰，成員身份基于標準的X.509證書，密鑰使用的是ECDSA算法，利用PKI體系給每個參與方頒發數字證書，均授權訪問RMChain。根據實驗生產商初始化信息假設將批次為P/N202008并綁定批次號溯源編號XN20200702和XN20200920的生鮮奶提供給運輸方甲方，可掃碼后通過輸入溯源號碼查詢溯源信息，通過數據庫查詢并進行Hash比對，若正確，則追溯成功。

測試采用系統為64 bit的Ubuntu18.04、處理器為Intel Core i5（2.7 GHz）、內存為8 GB的設備進行運行測試，并在Docker虛擬容器環境運行，采用Fabric-sdk-go進行客戶端開發，設定了兩個Org組織，Org1為監管方、質量監控方以及消費者組成的監督節點，Org2為運輸方、生產方、銷售方、消費者的源數據組織，通過超級管理員進行權限控制，共有3個peer節點，兩個CA節點認證進行測試。

圖4為生鮮奶追溯客戶端實現，其生產端管理員數據接入部分上鏈流程。其用戶查詢包含各節點管理員更新的數據信息記錄以及關鍵數據信息，包括部分生產、運輸、質檢、銷售信息。

5.2 交易性能處理分析

Hyperledger caliper是用于區塊鏈網絡的基準測試工具，它支持各種超級賬本框架，通過對于此次試驗交易處理時間內交易的RMChain系統成員（生產方、運輸方、銷售方、檢測方、消費者、監管方）的每輪寫入超級賬本的網絡交易次數進行了相關的性能測試，其交易時間決定了區塊鏈的性能。

圖4 生鮮奶追溯實現

圖5 RMChain性能測試

按每次執行1 000筆交易，交易速率為80、160、240、320、400筆交易每秒（tps），如圖5所示，顯示了不同的網絡中配置交易所需花費的必要時間，其中包含在網絡的異常配置中成功完成事務所花費的時間。在1org1peer、2org1peer、2org2peer中，表示不同的性能，經過5輪測試，每輪1 000筆交易，在10 s后，在Fabric網絡自帶couchDB中1org1peer完成1 800筆交易，2org1peer達到1 610筆交易，而2org2peer達到1 200筆交易。同樣，在數據不被篡改的情況下couchDB+MySQL中1org1peer完成3 200筆交易，2org1peer達到2 511筆交易，而2org2peer達到2 000筆交易，數據明顯提升，所以隨著組織的增加，執行交易的時間也同樣增加了。而在數據被篡改的情況下，在啟用couchDB+IPFS備份可以看到性能有所下降，最高在1 000筆交易量時作用，這是由于隨著交易量增加，達到一定數量時IPFS就會出現延遲。

同樣在圖5中吞吐量與交易速率之間也有所體現，其用MySQL的1org1peer可到300 tps，而2org1peer和2org2peer將吞吐量分別降低到200 tps和150 tps。這顯示了更高的時延，并帶來了通信間隙，以實現更好的性能，而在數據篡改的情況下交易量也同樣降低，這是由于IPFS文件較多時緩沖較慢但可保障數據的真實性，在其保證消費者能夠查看正確信息的同時，監管方會介入查詢被篡改對象進行相應追責。

通過本次實驗可以得出：區塊鏈技術能有效地解決傳統供應鏈溯源項目中的偽造、摻假等問題，包括如下幾點。

（1）對于具有強時效性的問題，圖4以及實驗分析可以看出用戶對生鮮奶進行校驗時，會進行時間戳的記錄，通過記錄的時間戳系統可以進行時效性的追蹤，就可以判斷哪些鮮奶到用戶手中過了時效期。

（2）對于遇到問題后無法追蹤以及事后暴露等問題，通過區塊鏈對數據的實時記錄更新，其中那個負責的數據參與方就會追蹤到參與者。可以通過出問題的產品溯源ID，找到參與者的生產方、檢測方等責任人。

（3）目前的溯源體系都是事后的監管介入，本次設計的聯盟區塊鏈、監管方節點和質量監管節點均已加入聯盟組織，可以對上鏈的數據進行實時的監管，如果發現問題就會進行節點的剔除和追責，監管方作為超級管理員的角色具有授權、剔除、審核等權限，可以由專門的政府監管部門或者企業監管部門參與。

通過實驗分析，RMChain系統可以實現整個供應鏈生鮮奶信息的可追溯性以及安全性，由于區塊鏈系統每次交易都有簽名和證書且分布在各個節點上同時進行賬本的更新和記錄，因此RMChain具有很好的防篡改能力以及每個參與方在系統級的隱私保護和信息分散化方面具有一定的優勢。

6 結束語

區塊鏈溯源是農產品溯源的必然發展方向，其廣泛應用對整個農業發展具有重要的意義。本文所提出的RMChain生鮮奶供應鏈溯源體系，針對生鮮奶行業的特點進行有針對性的改進和優化，展示了較強的可行性和可落地性，聯盟鏈作為底層架構許可節點的加入，可以保障數據質量的安全性，為區塊鏈在其他領域中的廣泛應用提供了一定的借鑒意義。

本文對于上鏈前的數據采用RFID作為保障進行系統方案設計，區塊鏈則保證上鏈后的數據無法篡改，目前區塊鏈技術必須結合物聯網以及其他技術保障上鏈前數據的不可篡改性。區塊鏈技術目前作為國家“新基建”在高速發展中，每秒百萬級別交易的區塊鏈系統、更靈活高效的智能合約系統、區塊鏈預言機（Oracle自動驗證上鏈數據的正確性）等研究正在不斷地突破。隨著這些技術的落地和完善，未來區塊鏈的應用范圍將更加廣泛，區塊鏈技術將更深層次地改變現實生活的底層邏輯。