湘冷鏈
——基于區(qū)塊鏈的冷鏈溯源系統(tǒng)

潘慧萍 李寶安 呂學強 姜 陽 李果林 張 樂

(1. 北京信息科技大學網(wǎng)絡(luò)文化與數(shù)字傳播北京市重點實驗室，北京 100101；2. 陽光易購〔北京〕科技有限公司，北京 100036)

隨著新型冠狀病毒肺炎疫情肆虐席卷全球，中國多地出現(xiàn)進口冷鏈食品新冠檢測結(jié)果呈陽性，冷鏈溯源系統(tǒng)的建設(shè)在疫情追蹤防護中顯得至關(guān)重要。冷鏈溯源主要是指在冷鏈供應鏈體系下實現(xiàn)對產(chǎn)品流向信息的可控可管。2020年國務院應對新型冠狀病毒肺炎疫情聯(lián)防聯(lián)控機制綜合組發(fā)布的《關(guān)于進一步做好冷鏈食品追溯管理工作的通知》中明確表示了建立和完善由國家級平臺、省級平臺和企業(yè)級平臺組成的冷鏈食品追溯管理系統(tǒng)的重要性和迫切性，力求以畜禽肉、水產(chǎn)品等為重點，實現(xiàn)重點冷鏈食品從海關(guān)進口查驗到貯存分銷、生產(chǎn)加工、批發(fā)零售、餐飲服務全鏈條信息化追溯[1]。

湘冷鏈溯源系統(tǒng)由湖南省市場監(jiān)管局信息中心和陽光易購(北京)科技有限公司(簡稱“陽光易購”)共同建設(shè)，由北京信息科技大學網(wǎng)絡(luò)文化與數(shù)字傳播北京市重點實驗室與陽光易購共同研究并實現(xiàn)落地，陽光易購對從事進口冷鏈食品的企業(yè)進行培訓，并與相關(guān)企業(yè)進行系統(tǒng)對接，完成對湘冷鏈溯源系統(tǒng)的運行維護。湘冷鏈溯源系統(tǒng)利用數(shù)字化手段全面掌握冷鏈產(chǎn)品在區(qū)域內(nèi)的供應鏈流向，并且一碼連通實現(xiàn)從供應鏈首站到消費環(huán)節(jié)的產(chǎn)品閉環(huán)追溯管理，實現(xiàn)了供應鏈數(shù)據(jù)的可信任性和透明性，監(jiān)管后臺既可以完成對冷鏈產(chǎn)品的日常數(shù)據(jù)分析，也可以通過追溯碼對冷鏈食品的流向進行精準查詢。為解決讀取數(shù)據(jù)效率低以及某些節(jié)點數(shù)據(jù)爆炸的問題，文章擬提出一種讀寫分離的區(qū)塊鏈狀態(tài)數(shù)據(jù)緩存和查詢方法，以期為疫情環(huán)境下解決冷鏈溯源的迫切需求提供依據(jù)。

1 溯源系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，溯源系統(tǒng)在國內(nèi)外的研究上已取得了一定的進展，許多新興技術(shù)被應用于供應鏈可追溯系統(tǒng)的構(gòu)建中。按照結(jié)構(gòu)，溯源系統(tǒng)主要分為兩大類：集中式體系結(jié)構(gòu)和分布式體系結(jié)構(gòu)[2]。

集中式體系結(jié)構(gòu)中使用的技術(shù)主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID以及二維碼技術(shù)等，焦玉聰?shù)萚3]利用RFID技術(shù)和二維碼技術(shù)構(gòu)建了肉制品溯源系統(tǒng)，實現(xiàn)了相關(guān)政府部門對食品的監(jiān)管。吳冬燕等[4]基于RFID-EPC技術(shù)實現(xiàn)了對冷鏈食品生產(chǎn)、物流和銷售的全過程信息監(jiān)控。集中式溯源系統(tǒng)主要通過權(quán)威的第三方進行管理和維護，無法保證數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，還可能導致供應鏈上數(shù)據(jù)信息不對稱的問題，并且具有較高的數(shù)據(jù)篡改和信息泄露風險，此外，集中式系統(tǒng)容易因為單點故障導致整個系統(tǒng)崩潰。

分布式體系結(jié)構(gòu)主要是基于區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)的冷鏈溯源系統(tǒng)，Tian[5]基于HACCP提出了一種基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的實時溯源系統(tǒng)。Lin等[6]通過將區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)了一種可信任共享型食品追溯系統(tǒng)。Miguel等[7]實現(xiàn)了“從農(nóng)場到餐桌”的農(nóng)業(yè)食品溯源系統(tǒng)AgriBlockIoT，通過以太坊和Hyperledger Sawtooth兩種區(qū)塊鏈和IoT傳感器設(shè)備，保證了系統(tǒng)的透明性和審核產(chǎn)品的可追溯性。曾小青等[8]基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)了食品溯源系統(tǒng)，提高了食品供應鏈的效率和透明度。劉宗妹[9]基于區(qū)塊鏈上鏈信息不易被篡改的特點，利用RFID讀取食品電子信息實現(xiàn)了食品溯源系統(tǒng)。陳飛等[10]基于以太坊平臺實現(xiàn)了對豬肉的溯源，通過引入食品藥品監(jiān)督局節(jié)點實現(xiàn)對食品的召回和錯誤數(shù)據(jù)的更改，消費者可以對被更改過的溯源數(shù)據(jù)的食品進行投訴。王少然等[11]利用GS1編碼體系冷鏈物流中的產(chǎn)品信息進行標識，采用區(qū)塊鏈技術(shù)保證了產(chǎn)品流通信息的透明性，實現(xiàn)對生鮮產(chǎn)品的防偽溯源。由于區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化使得供應鏈數(shù)據(jù)具有可信任性和透明性，解決了數(shù)據(jù)篡改的問題，但是依舊面臨信任轉(zhuǎn)移和數(shù)據(jù)爆炸的問題。

湘冷鏈在基于區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上不僅實現(xiàn)了對整個供應鏈的實時監(jiān)控，而且通過供應鏈可視化可以實現(xiàn)對追溯全景圖的展示，針對發(fā)生疑似問題的冷鏈食品進行精準定位和快速上報，同時在冷鏈食品進入湖南省的第一站對冷鏈食品進行二維碼賦值，通過此二維碼記錄冷鏈食品流通過程中所有流通信息，消費者通過掃描二維碼購買及查看冷鏈食品各個站點的流通信息，實現(xiàn)供應鏈首站賦碼一碼到底。此外，湖南省市場監(jiān)督管理局也可以對冷鏈食品的流向進行精準查詢，結(jié)合湘冷鏈溯源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對區(qū)塊鏈系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲目前存在的缺點，設(shè)計一種讀寫分離的區(qū)塊鏈狀態(tài)數(shù)據(jù)緩存和查詢方法，充分利用緩存系統(tǒng)，減輕區(qū)塊鏈系統(tǒng)的負擔，提高對區(qū)塊鏈狀態(tài)數(shù)據(jù)的讀寫效率，解決區(qū)塊鏈系統(tǒng)因數(shù)據(jù)冗余而造成的效率低下的實際問題。

2 湘冷鏈溯源系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 湘冷鏈溯源方案設(shè)計

區(qū)塊鏈系統(tǒng)利用密碼學算法和時間戳技術(shù)實現(xiàn)區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)的隱秘性和不可篡改性，并通過共識機制來保證數(shù)據(jù)塊中的信息得到鏈上節(jié)點的認可，同時保證鏈上節(jié)點的數(shù)據(jù)一致性，智能合約保證交易依據(jù)合約執(zhí)行，避免因合約雙方的主觀判斷產(chǎn)生的爭議。

基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)自身的優(yōu)點，經(jīng)過對進口冷鏈食品供應鏈的流程分析，設(shè)計湘冷鏈溯源方案如圖1所示。整個供應鏈系統(tǒng)由進口冷鏈生產(chǎn)加工廠、進口貿(mào)易、運輸倉儲企業(yè)、物流企業(yè)以及銷售單位共同維護，并由湖南省市場監(jiān)督管理局對供應鏈上任意節(jié)點進行實時監(jiān)管。湘冷鏈溯源系統(tǒng)實現(xiàn)了首站賦碼一碼到底的溯源模式，即通過在冷鏈食品進入湖南省的第一站完成對冷鏈食品的二維碼賦值，并使供應鏈上其他節(jié)點均通過此二維碼寫入當前節(jié)點的流通信息，實現(xiàn)所有流通數(shù)據(jù)上鏈，最后消費者通過掃描二維碼可以查看冷鏈食品各個站點的流通信息。

圖1 湘冷鏈溯源方案結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of Hunan cold chain traceability scheme

進口冷鏈生產(chǎn)加工廠主要是指境外食品生產(chǎn)商，其進口冷鏈食品數(shù)據(jù)信息主要通過湖南省境內(nèi)進口貿(mào)易商完成錄入上鏈。進口貿(mào)易、運輸倉儲企業(yè)、物流企業(yè)和銷售單位的信息錄入過程相同，以銷售單位為例，將收集到的數(shù)據(jù)存儲至銷售數(shù)據(jù)庫中，銷售節(jié)點通過對錄入數(shù)據(jù)進行非對稱加密算法加密生成數(shù)據(jù)摘要并發(fā)送至區(qū)塊鏈上，在鏈上節(jié)點達成共識后將數(shù)據(jù)摘要寫入?yún)^(qū)塊，同時區(qū)塊返回一個哈希值至銷售數(shù)據(jù)庫中，從而完成鏈上的數(shù)據(jù)存儲與共享，在數(shù)據(jù)的存儲讀取過程中，為了解決區(qū)塊鏈系統(tǒng)讀取效率低的問題，提出一種讀寫分離的狀態(tài)數(shù)據(jù)緩存和查詢的方案。

2.2 湘冷鏈溯源系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)湘冷鏈溯源方案的設(shè)計，基于Hyperledge Fabric平臺實現(xiàn)湘冷鏈溯源系統(tǒng)，且按照層次結(jié)構(gòu)劃分為5層：數(shù)據(jù)存儲層、共識及網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)分析層、食品溯源層以及應用層(見圖2)。

圖2 湘冷鏈溯源體系層次結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Hierarchical structure diagram of Hunan cold chain traceability system

2.2.1 數(shù)據(jù)存儲層 通過從進口冷鏈生產(chǎn)加工廠、進口貿(mào)易、運輸倉儲企業(yè)、物流企業(yè)和銷售單位中進行數(shù)據(jù)采集，并依據(jù)數(shù)據(jù)倉庫和信息庫兩種數(shù)據(jù)類別分類存儲，同時區(qū)塊鏈節(jié)點通過非對稱加密算法得到相應的數(shù)據(jù)摘要并根據(jù)數(shù)據(jù)摘要返回相應的哈希值得到數(shù)據(jù)索引，完成數(shù)據(jù)的雙向存儲。為了解決區(qū)塊鏈系統(tǒng)讀取效率低的問題，提出一種讀寫分離的區(qū)塊鏈狀態(tài)數(shù)據(jù)緩存和查詢方法，利用緩存系統(tǒng)減輕區(qū)塊鏈系統(tǒng)的負擔，從根源上提高區(qū)塊鏈系統(tǒng)的讀取效率。

2.2.2 共識及網(wǎng)絡(luò)層 主要包括P2P網(wǎng)絡(luò)、驗證機制、傳播機制、PoW共識機制以及PoS共識機制，由這些關(guān)鍵性技術(shù)共同完成區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)的存儲和共享。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析層 主要是對收集到的圖片文字、位置信息、商戶關(guān)聯(lián)、商品關(guān)聯(lián)、市場關(guān)聯(lián)以及時間關(guān)聯(lián)信息進行分析。

2.2.4 食品溯源層 主要完成對地圖、時間、商戶和產(chǎn)商的信息溯源，以及對商品、市場、產(chǎn)商和流向信息的統(tǒng)計。

2.2.5 應用層 主要是指湘冷鏈溯源系統(tǒng)的APP和WEB端應用，實現(xiàn)包括監(jiān)管系統(tǒng)、溯源系統(tǒng)、交易系統(tǒng)和數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)。

3 湘冷鏈溯源系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 湘冷鏈溯源系統(tǒng)總體實現(xiàn)

根據(jù)湘冷鏈溯源方案設(shè)計和系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)設(shè)計，為了實現(xiàn)對疫情防控重點冷鏈食品在供應鏈上的全閉環(huán)追溯管理，將系統(tǒng)功能分為3塊(圖3)：① 面向政府執(zhí)法人員的監(jiān)管端；② 面向進口冷鏈食品生產(chǎn)經(jīng)營者的企業(yè)端；③ 面向公眾冷鏈食品查詢的公眾端。其中監(jiān)管端主要提供分級分層的食品追溯和溯源倒查的功能，針對領(lǐng)導和監(jiān)管工作人員打造不同的功能和界面；企業(yè)端主要提供食品流通的申報備案、出入庫登記、檢驗檢疫信息識別上傳、追溯碼賦碼、拆包等功能；公眾端提供面向公眾的冷鏈食品掃碼查詢溯源信息的功能。

圖3 整體系統(tǒng)架構(gòu)圖Figure 3 Overall system architecture diagram

3.2 監(jiān)管端

監(jiān)管端的業(yè)務功能模塊如圖4所示，主要分為冷鏈企業(yè)管理模塊和冷鏈商品批次管理模塊。

圖4 監(jiān)管端功能模塊圖Figure 4 Function module diagram of supervision end

冷鏈企業(yè)管理模塊主要實現(xiàn)了湖南省市場監(jiān)督管理局執(zhí)法人員對供應鏈上的企業(yè)進行實時監(jiān)管管理，如圖5所示。實現(xiàn)按照相應條件搜索相關(guān)企業(yè)并對其登記信息進行查看的功能，通過隨時查看冷鏈食品流轉(zhuǎn)過程中的企業(yè)資質(zhì)信息，流轉(zhuǎn)各環(huán)節(jié)的產(chǎn)品信息及食品檢測信息，確保供應鏈上的企業(yè)都具有合法資質(zhì)。

圖5 冷鏈企業(yè)管理圖Figure 5 Cold chain enterprise management chart

冷鏈商品批次管理模塊主要對鏈上流入和流出湖南省冷鏈商品進行溯源，實現(xiàn)按照條件搜索冷鏈產(chǎn)品，并對冷鏈產(chǎn)品信息進行查看，如圖6所示，其中冷鏈產(chǎn)品信息包括批次基本信息、消費者信息、涉及企業(yè)信息以及涉及人員信息等，還可以查看四證照片包括檢疫免疫照片、核酸檢測照片、報關(guān)照片和消毒記錄照片。

圖6 流入流出湖南省冷鏈商品詳情查看圖Figure 6 Details of cold chain goods flowing into andout of Hunan province

監(jiān)管端基于湖南省市場監(jiān)督管理局數(shù)據(jù)中心獲取的全鏈條追溯信息、主體信息、冷庫信息以及產(chǎn)品信息，實現(xiàn)冷鏈主體管理、冷鏈食品追溯、綜合分析展示、下級監(jiān)管考核以及應急指揮調(diào)度功能。通過將供應鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計為類樹形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)溯源鏈條信息可視化及全局掌控，如圖7所示，基于樹形結(jié)構(gòu)自身的優(yōu)點，當發(fā)現(xiàn)有疑似問題的冷鏈食品時，湖南省市場監(jiān)督管理局執(zhí)法人員可以在包含大量上游企業(yè)的供應鏈上快速縮小檢查范圍，并通過查詢鏈條中各個企業(yè)的歸屬監(jiān)管主體機構(gòu)，迅速將追查任務分發(fā)至多個對應的市場監(jiān)管局及監(jiān)管人員，從而封鎖有疑似問題的冷鏈食品，阻止疫情蔓延。

圖7 冷鏈食品供應鏈流通信息圖Figure 7 Cold chain food supply chain circulation infographic

3.3 企業(yè)端

湘冷鏈溯源平臺相關(guān)的企業(yè)需要經(jīng)過統(tǒng)一社會信用代碼激活認證，且按照經(jīng)營類型劃分為8類(見表1)。

表1 企業(yè)類型表

企業(yè)端主要劃分為小程序端和PC端，業(yè)務功能模塊如圖8所示。其中小程序端的業(yè)務功能模塊主要分為五大模塊：注冊登錄模塊、企業(yè)管理模塊、冷鏈溯源模塊、臺賬模塊以及用戶操作模塊。

圖8 企業(yè)端功能模塊圖Figure 8 Enterprise function module diagram

注冊登錄模塊主要完成企業(yè)基本信息的注冊，包括冷鏈企業(yè)名稱、詳細地址、聯(lián)系人姓名、聯(lián)系電話、所在省市、統(tǒng)一社會信用代碼以及企業(yè)類型等相關(guān)信息。企業(yè)管理模塊主要完成企業(yè)的信息修改工作，包括企業(yè)基本信息的完善與修改、企業(yè)人員信息的增加與刪除、供應商信息的增加與刪除以及客戶信息的修改。冷鏈溯源模塊主要完成對倉庫信息的管理，如圖9(a)所示，冷鏈商品的入庫、查看批次碼、批次詳情和庫存記錄和盤庫，發(fā)往省內(nèi)的出庫信息記錄以及發(fā)往省外的出庫信息記錄。其中冷鏈商品的入庫盤庫所需填寫的信息包括入庫數(shù)量、規(guī)格型號、生產(chǎn)批次號、生產(chǎn)日期、流入單號、流入地分類和名稱、檢驗檢疫單號、報檢數(shù)量、報檢單位、檢驗檢疫照片、核酸檢測照片、報關(guān)照片等。

臺賬模塊主要是在省內(nèi)或省外發(fā)貨創(chuàng)建發(fā)貨單后自動生成臺賬，如圖9(b)所示，既可以通過臺賬查看該筆訂單的狀態(tài)及信息，還可以完成臺賬撤銷，撤銷臺賬之后商品會自動退回至供貨商該批次商品所在倉庫中。客戶操作模塊主要完成客戶確認到庫入庫操作和消費者掃碼登記購買操作。對商品進行首站賦碼后，可以讓消費者進行掃碼登記購買，并且在系統(tǒng)中記錄購買信息，從而實現(xiàn)對該批次商品的溯源。

圖9 企業(yè)端小程序圖Figure 9 Enterprise side applet diagram

PC端的業(yè)務功能模塊主要分為三大模塊：注冊登錄、企業(yè)管理以及冷鏈庫存模塊。與小程序端的功能相似，主要實現(xiàn)了企業(yè)的信息注冊登記，對企業(yè)、企業(yè)人員、客戶以及供應商的信息查看修改登記，同樣可以查看冷鏈產(chǎn)品的庫存信息、完成批量導入庫存信息、查看批次商品詳情、上傳四證照片以及溯源二維碼打印等操作。

企業(yè)端基于區(qū)塊鏈中的智能合約完成對企業(yè)錄入數(shù)據(jù)的合規(guī)性檢查，當且僅當檢驗合格后對協(xié)議(交易)過程進行驗證并記錄，并再次利用智能合約自動授權(quán)下游流通企業(yè)對食品信息進行補充維護，保障了鏈上數(shù)據(jù)的可信任性。若檢驗發(fā)現(xiàn)被供應進口冷鏈食品與其對應的文檔記載信息不符，則將結(jié)果寫入系統(tǒng)，同時系統(tǒng)將自動反饋問題至監(jiān)管部門節(jié)點，實現(xiàn)針對疑似問題食品的舉報功能，保障鏈上數(shù)據(jù)的真實性。若檢驗工作出現(xiàn)疏漏未檢測出疑似問題食品，導致食品流入到下游流通企業(yè)時，首先判定下游流通企業(yè)在食品驗收環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏為主要擔責方，其次根據(jù)食品信息文檔可追溯至對應的上游流通企業(yè)追責其瞞報行為，全數(shù)召回由其提供的冷鏈食品，避免發(fā)生更大范圍的食品安全事故，保障了鏈上數(shù)據(jù)的可溯源性。

3.4 公眾端

公眾端主要通過消費者掃描二維碼實現(xiàn)對冷鏈食品的溯源查詢和購買，如圖10所示，同時一旦查出含有疑似風險問題的食品，可以迅速鎖定相關(guān)企業(yè)和食品并進行下架處理，最大程度地降低風險影響范圍。

唐后期統(tǒng)治者已經(jīng)意識到三衛(wèi)的假蔭現(xiàn)象，采取多種措施，但還是難以抑制。究其原因主要是：在開元時規(guī)定“凡諸衛(wèi)及率府三衛(wèi)，貫京兆、河南、蒲、同、華、岐、陜、懷、汝、鄭等州，皆令番上，余州皆納資。 ”〔8〕(p1833)就是除了京兆、河南等地，需要在三衛(wèi)番上服役外，其余地方則可以通過納資代替。這就導致諸衛(wèi)公開納資，不嚴格審查選人資格，選拔不分士庶出身，假蔭盛行。

圖10 二維碼掃描溯源查詢和購買登記圖Figure 10 QR code scanning traceability query andpurchase registration map

4 讀寫分離的區(qū)塊鏈狀態(tài)數(shù)據(jù)緩存和查詢方法

湘冷鏈溯源系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)上鏈方式依據(jù)各參與企業(yè)的類型分為兩種：① 針對擁有自有系統(tǒng)的企業(yè)，首先將流通數(shù)據(jù)寫入至企業(yè)自有系統(tǒng)，然后通過接口方式將數(shù)據(jù)傳送至湘冷鏈溯源系統(tǒng)進而完成數(shù)據(jù)上鏈；② 針對沒有自有系統(tǒng)的企業(yè)，直接基于湘冷鏈溯源系統(tǒng)的小程序端和PC端寫入流通數(shù)據(jù)實現(xiàn)上鏈。所有上鏈的數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過智能合約進行校驗，只有校驗通過的數(shù)據(jù)才會存儲在區(qū)塊鏈的各個節(jié)點上，因此在湘冷鏈溯源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲層中，存儲了大量供應鏈上的數(shù)據(jù)信息，主要分為狀態(tài)數(shù)據(jù)和冗余歷史數(shù)據(jù)，其中狀態(tài)數(shù)據(jù)包括如商戶信息和智能合約等數(shù)據(jù)；冗余歷史數(shù)據(jù)是指某個區(qū)塊高度下的賬戶狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生改變之前的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

當前主要是利用couchdb或levelDB實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲，這種方法的缺點是隨著賬戶的交易地址或者公鑰的增多，底層Merkle Tree的高度也會增加，因此查詢區(qū)塊鏈的狀態(tài)數(shù)據(jù)一方面會涉及到多次從peer節(jié)點中讀取造成效率降低，尤其執(zhí)行到較高區(qū)塊高度時效率問題尤為嚴重；另一方面是在聯(lián)盟鏈中查詢數(shù)據(jù)時無法做到均衡請求，從而會造成某些peer節(jié)點響應頻繁達到較高負載，某些peer節(jié)點空閑，甚至零負載的問題。

根據(jù)湘冷鏈溯源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為了解決上述問題，提升湘冷鏈的溯源查詢效率，提出了一種針對區(qū)塊鏈系統(tǒng)的讀寫分離方案：當需要存儲交易數(shù)據(jù)時，同時在區(qū)塊鏈系統(tǒng)和緩存系統(tǒng)中寫入；當需要查詢交易數(shù)據(jù)時，只需要向緩存系統(tǒng)請求查詢。

4.1 存儲交易數(shù)據(jù)

基于Hyperledger Fabric系統(tǒng)與分布式緩存系統(tǒng)的一次完整的交易存儲處理流程如圖11所示。其中client節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)上傳任務，由湘冷鏈溯源系統(tǒng)中的各個進口冷鏈食品流通企業(yè)和零售企業(yè)負責。Endorser節(jié)點主要完成冷鏈食品上鏈過程中的背書驗證任務，由擁有企業(yè)系統(tǒng)和服務器的進口冷鏈食品流通企業(yè)和零售企業(yè)中較大的企業(yè)負責。Orderer節(jié)點主要完成對鏈上各條數(shù)據(jù)進行排序以及歸檔存儲位置任務，由市場監(jiān)管局負責。peer節(jié)點主要完成鏈上數(shù)據(jù)的存儲歸檔任務，由市場監(jiān)管局和大型企業(yè)共同負責。Endorser節(jié)點對Client節(jié)點發(fā)送的交易請求進行背書驗證，完成驗證后將此交易信息傳送至Orderer節(jié)點完成對交易數(shù)據(jù)的區(qū)塊打包，隨后Committer節(jié)點將此區(qū)塊上鏈。peer節(jié)點通過Endorser節(jié)點和Committer節(jié)點完成對整個區(qū)塊鏈賬本信息的更新和維護。具體流程為：

圖11 基于Hyperledger Fabric系統(tǒng)與分布式緩存系統(tǒng)的一次完整的交易存儲處理流程Figure 11 A complete transaction storage processing flow based on Hyperledger Fabric systemand distributed cache system

(1) Client節(jié)點構(gòu)造簽名提案消息并發(fā)送該消息到Endorser背書節(jié)點請求處理，Endorser背書節(jié)點檢查簽名的合法性后模擬執(zhí)行交易提案并簽名背書，然后向Client節(jié)點返回提案響應消息，并分發(fā)隱私數(shù)據(jù)明文。

(2) Client節(jié)點檢查提案響應消息狀態(tài)的合法性后，發(fā)送交易數(shù)據(jù)給Orderer服務節(jié)點請求排序，Orderer節(jié)點對符合通道處理要求的合法交易消息進行排序并通過共識達成一致觀點，對一段時間內(nèi)接收的一批交易消息按照打包交易的出塊規(guī)則構(gòu)造新區(qū)塊，此時緩存系統(tǒng)根據(jù)緩存策略存儲熱點交易數(shù)據(jù)和非熱點交易數(shù)據(jù)。

(3) Leader主節(jié)點通過服務接口從Orderer節(jié)點請求通道賬本上所有的區(qū)塊數(shù)據(jù)，并通過Gossip消息協(xié)議分發(fā)至組織內(nèi)的其他peer節(jié)點，Committer記賬節(jié)點驗證交易并提交賬本。

4.2 查詢交易數(shù)據(jù)

圖12 緩存系統(tǒng)架構(gòu)圖Figure 12 Cache system architecture diagram

緩存系統(tǒng)面臨的兩個問題和解決方案：

(1) 如何保證數(shù)據(jù)的一致性：緩存系統(tǒng)在保障數(shù)據(jù)的一致性上主要利用gossip協(xié)議[12]，其基本思想是當一個節(jié)點進行信息分享時，通過隨機選擇的一些節(jié)點并將信息進行傳遞，以此類推，完成整個網(wǎng)絡(luò)上的信息傳遞。

(2) 如何及時應對部分緩存實例宕機：① 當緩存系統(tǒng)中的一個實例出現(xiàn)故障時，剔除此實例只會影響一致性哈希環(huán)上的部分緩存不命中，而不會導致大量緩存瞬間回溯到fabric系統(tǒng)。② 當整個緩存集群出現(xiàn)問題時：其一是主從機制，做好冗余，即其中一部分不可用時將對等的部分替補上去；其二是若整個緩存集群故障并且沒有備份時，可以根據(jù)系統(tǒng)的承受能力，通過降級方案使一部分用戶先用起來，并將這些用戶相關(guān)的緩存進行重建，另外通過后臺Worker進行緩存數(shù)據(jù)的預熱。

5 總結(jié)

基于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)不可篡改、可信任以及可溯源的特點構(gòu)建的湘冷鏈溯源系統(tǒng)， 為湖南省市場監(jiān)督管理局提供了一種新的監(jiān)管模式。通過提供小程序端口提高了企業(yè)的工作效率，并且在冷鏈食品進入湖南省的第一站時為每一個冷鏈食品進行二維碼賦值，實現(xiàn)首站賦碼、一碼到底的管理模式，進口冷鏈生產(chǎn)經(jīng)營者之間通過共享冷鏈食品清單，防止有疑似問題的食品流入供應鏈進行銷售，并在鎖定疑似食品后通過系統(tǒng)迅速上報，完成整個鏈上的信息共享，消費者通過掃描二維碼完成對食品的溯源及購買。針對區(qū)塊鏈系統(tǒng)讀寫數(shù)據(jù)效率低的問題，提出了利用緩存系統(tǒng)實現(xiàn)對狀態(tài)數(shù)據(jù)讀寫分離的方法，將數(shù)據(jù)同時存儲在區(qū)塊鏈系統(tǒng)和緩存系統(tǒng)中，但是在讀取時只在緩存系統(tǒng)中提出請求，這種方式減輕了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的負擔，提高了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的讀寫效率，解決了區(qū)塊鏈系統(tǒng)在實際應用中因數(shù)據(jù)冗余造成的效率低下的問題。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)對接國家冷鏈平臺，下一步旨在逐步完善系統(tǒng)功能，建設(shè)全鏈條追溯監(jiān)管功能。在數(shù)據(jù)層面力求打通湖南省衛(wèi)健、海關(guān)、農(nóng)業(yè)、商務等部門，同時通過對接企業(yè)自建系統(tǒng)上報數(shù)據(jù)，實現(xiàn)湖南省食品追溯環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)共享。在應用層面進一步完善追溯環(huán)節(jié)、追溯碼、產(chǎn)品管理以及信息上鏈防篡改功能，力求實現(xiàn)可信閉環(huán)冷鏈食品“物防”追溯體系，并且根據(jù)實際需要，逐步擴展湘冷鏈追溯品種的覆蓋范圍，實現(xiàn)食品來源可追溯，去向可追蹤。