區塊鏈技術的農產品溯源可信平臺研究與實現

廖定安

（常州紡織服裝職業技術學院機電學院，江蘇 常州 213164）

農產品溯源系統記錄了農產品從生產到餐桌整個過程中的關鍵、詳細信息，能夠追溯農產品的來源。當農產品出現質量安全問題時，相關部門可以通過追溯系統提供的信息，精準、快速地定位到農產品出現問題的環節，第一時間將不合格農產品批量召回，確認問題責任節點和人員，將損失盡可能降低到最小。這個過程是處理當前農產品質量安全問題的一種效果較好的方式。農產品追溯涉及從生產到消費者整個供應鏈上各個環節的對象［1］，包括農產品種植方以及生產、加工、物流服務企業、銷售企業和消費者等。農產品追溯過程的復雜性導致質量監管執行難度大，涉及步驟多、過程長、范圍廣且交錯性強，追溯數據集中復雜，供應鏈之間的質檢節點不能完全保證其可靠性，且還存在管理者篡改農產品數據的風險［2］。

區塊鏈是一種公開透明、分布式存儲、無篡改、安全可靠的共享賬本技術，它被認為是一個天然的信任機器。基于分散信用，在不需要節點互信的分布式系統中借助時間戳、一致性算法以及數據加密技術，解決了數據存儲的不安全性和低效率問題［3］。農產品追溯體系若合理植入區塊鏈共識算法等技術，從而建立由算法組成的農產品溯源體系可信平臺，將提高系統的可靠性及安全性，使消費者重塑農產品安全追溯的信心，這將是未來追溯體系的發展趨勢。

本研究將區塊鏈的基本技術植入農產品信息追溯中，研究并實現了一個農產品安全信息追溯與區塊鏈技術相結合的平臺。該平臺將區塊鏈可追溯設計方案、區塊鏈可追溯模型和低延遲PBFT 算法有機結合，實現農產品的可信溯源，確保用戶可以看到真實的農產品溯源信息，實現農產品溯源系統的安全性和可靠性［4］。

1 方法

1.1 區塊鏈原理

區塊鏈（Blockchain）是一種鏈結構，使用加密算法按時間順序組合數據塊。它可以構建不易篡改、可追溯、去中心化、多方聯合維護的數據庫。規則被事先商討確定后，任何一方有交易請求都必須依據規則實現。數據達成共識后，確認更新。更新后很難刪除和更改，只能執行授權的查詢操作，這一行為使得信息的多方監督與共享得到實現。區塊鏈集成了共識機制、P2P 網絡、智能合約、密碼學、區塊鏈結構、時間戳等多種技術，可以實現數據的自驗證和管理，無需依賴其他設備［5］。

通常每個區塊由區塊體和區塊頭組成，以單位區塊的有序鏈狀數據塊結構被稱為區塊鏈。上一個區塊頭的哈希（Hash）值會到下一個區塊頭，鏈式數據的存儲結構由此形成。區塊中的數據存儲在Merkle 樹結構中。數據塊自上而下重復散列，最后根節點的散列值存儲在區塊頭中，事務數據存儲在區塊體中，如圖1 所示。當數據更改時，Merkle 樹的根節點必須更改。區塊與區塊之間的鏈接借助了Merkle 樹結構的特點與時間戳，區塊之間的時間連接性是數據不易被篡改的主要原因。一旦數據塊被篡改，篡改就會傳導到Hash 計算，最后傳導到根哈希，即區塊頭中的Merkle 根，這就使得該系統具有可信度。這對于數據的追溯系統是可靠的［6］。

圖1 區塊數據結構

1.2 優化的PBFT（Practical byzantine fault tolerant）算法

一般的PBFT 共識算法流程如下。如果令c、o、t分別表示客戶端發送的請求、請求的操作以及請求的時間，將客戶端的請求定義為＜REQUEST，c，o，t＞；如果，令c、v、t、r、i、f分別為客戶端、客戶端當前視圖、發送請求的時間、客戶端請求被執行的結果、接受請求的節點編號、塊鏈網絡中錯誤節點的總數，客戶端的請求被處理的結果可以表示為＜REPLY，c，v，t，r，i＞。網絡中隨機選擇的節點稱為主節點，即主節點，剩余節點稱為備份節點，即備份節點。視圖由主節點和備份節點組成［7］。以下是對PBFT機制的定義。

定義1：Quorum 中兩兩交集是非空的，且通過系統節點集合構成。如果令U表示系統的節點集合，U={Q1,Q2,…,Qn} ，則將Q稱為一個 Quorum，具體表述見式（1）。

且滿足下面的性質：①Quorum 中任意2 個至少會存在1 個共用的且正確的節點；②不出現錯誤的Quorum 必然是存在的。

定義2：令v表示視圖的編號，視圖可以定義為達成一致的群。在IPBFT 機制中，對群中節點變化的觀察以正確節點一致性的要求進行。如果視圖節點的編號依次為（0，1，2，…，N-1），以此共有N個節點，將p設為主節點的標號（其余節點replica 是備份節點），當群中主節點出現故障時，則主節點會順次下移為下一個編號的節點，因此，視圖編號增加1，視圖也隨主節點的變換而發生切換，滿足式（2）。

IPBFT 可以迅速、有效地解決拜占庭問題，這對于農產品溯源平臺是較優且合理的選擇。因此，作為區塊鏈追蹤系統的底層算法，本研究采用IPBFT共識算法進行處理［8］。

1.3 區塊鏈技術的農產品溯源可信平臺架構

基于傳統農產品溯源和區塊鏈技術的特點，設計了植入區塊鏈技術的農產品溯源模型。區塊鏈關鍵技術可以使產品的流通流程實現分布式存儲各生產環節的可追溯數據，并將可追溯數據安全存儲在相應的臺賬中。數據詳實，保真度高，使得農產品的可信溯源功能得以實現。平臺架構如圖2 所示。

圖2 溯源可信平臺架構

農產品的流通過程要經過許多環節，參與節點是農產品信息傳遞的重要環節。因此，為每個參與節點都設置1 個密鑰，其中包含農產品的過程鏈信息，這樣產業鏈中的每個參與節點在1 個環節內對信息加密時都可以使用專屬的密鑰來進行。在產品交易環節中，發起者首先通過自己的密鑰對節點進行身份驗證，然后開始整個交易過程。此時，交易2個節點需要使用非對稱加密技術來達成協議，從而實現產品所有權的轉移［9］。

通過智能合約的編制，農產品的任意信息傳遞和坐標變化都可以記錄在區塊鏈上，真實有效，可以滿足農產品產業鏈的實際需求。智能合約的這一系列功能合約可以用代碼的形式在區塊鏈上被滿足。產品可追溯性的全過程是透明的、防篡改的，解決了傳統可追溯性的完整性問題［10］。

共識算法確保了數據的公開性和透明性。例如，在節點存儲信息之后，廣播被發送到整個網絡。信息不被篡改是由一致性算法和密碼學兩者保證的，產品信息在鏈中所有節點確認廣播后將被分發并存儲在每個節點的分布式賬本中。

如果鏈路的參與節點發生故障，系統仍可正常運行，故障節點可以在系統中讀寫數據，它們被賦予了這樣的權力，并且數據可以被恢復，每個節點因為鏈中的塊可以同步數據而具有可以共享產品信息的功能。系統去中心化效果的實現在保證數據真實性的前提下，可以實現對信息的有效跟蹤和追溯。

2 結果與分析

2.1 農產品溯源可信平臺的實現

本研究的區塊鏈系統采用Linux 環境，構建了1個基于多Docker 容器的Fabric 分布式網絡，并基于Hyperledger Fabric 系統實現。使用CouchDB 數據庫，主要使用shell 腳本來構建網絡。智能合約是用Go 語言實現的，相關的依賴關系是NodeSDK。開發并實現資源調用的Restful接口。應用系統用C 語言開發，采用MVC（Model-View-Controller）架構，前端運用Boostrap 框架，結合區塊鏈系統使用MySQL 數據庫進行存儲。以下介紹區塊鏈系統的部署情況。

1）構建區塊鏈的網絡環境。共識算法采用IPBFT 算法，并依據產業鏈中各環節的現實需要編寫智能合約，以確保可以正常運行區塊鏈系統。

區塊鏈系統運行的基礎和前提是Fabric 環境。運行平穩且性能良好的Fabric 環境會使智能合約的運行與節點的共識正常工作，是關鍵的因素。該平臺使用Fabric 1.1.0。安裝docker 并下載Fabric 源代碼，將Docker 容器和Fabric 源代碼全部成功安裝后，啟動Fabric 網絡。執行代碼為：./network_setup.sh up。

2）智能合約的部署。將編寫好的智能合約放到指定文件夾中，然后啟動cli 容器及peer，加入到通道后執行代碼為：peer chaincode install-n myccp/opt/gopath/src/github. com/hyperledger/fabric/suyun/chaincode/01-chaincode-v1.0，將鏈碼（智能合約）進行安裝，其中docker 容器中鏈碼所在的位置是-p 后的內容，然后將鏈碼實例化，實例化完成后，部署完畢。

3）IPBFT 共識的部署過程。在超級賬本中，consensus 文件夾中存儲的是共識算法的實現代碼。consensus 模塊主要包括該算法的hyperledger 內部接口以及算法插件的內部到外部接口。它包括6 個文件模塊：controller、executor、helper、noops、pbt、util。根據可插入的共識算法模塊特點，可以在controller中選擇特定的識別算法。

4）系統界面展示。根據農產品溯源的實際應用需求，結合系統的詳細設計，實現了系統的主要功能模塊。系統用戶為不同的角色提供不同的訪問點。農產品追溯供應鏈不同環節的企業用戶使用本系統租用應用服務時，需要在注冊成功后登錄系統購買應用服務。提交訂單后，等待管理員審批，即可進入相應的管理頁面進行相應的數據管理操作。進入登錄頁面后，點擊按鈕進入注冊頁面并填寫相關信息。用戶注冊成功后，根據不同的角色登錄。登錄界面如圖3 所示。

圖3 農產品溯源可信平臺登錄界面

管理員可以通過查詢農產品的區塊信息和詳細信息，點擊追溯查詢瀏覽每條記錄，確認追溯過程鏈上狀態和運行正常。消費者如果想要查看農產品的信息，如種植、銷售、人員、區塊鏈信息，可以通過產品包裝上的二維碼掃描和輸入追溯代碼，跳轉到農產品的信息追溯界面而獲得。

2.2 農產品溯源可信平臺測試

大規模用戶對區塊鏈農產品溯源可信平臺有需求，平臺要求具有完備的功能和穩定性。需要對平臺進行功能測試，包括表單測試、前端頁面事件跳轉測試、業務功能測試，測試系統的業務功能是否滿足設計要求，是否達到預期結果。

表單測試主要對表單的輸入和數據的顯示進行測試，確保農產品質量可追溯系統的正確性。事件跳轉測試是對界面上單擊事件的跳轉進行測試，檢查頁面跳轉是否異常。結果如圖4 至圖6 所示。

圖4 事件跳轉測試結果

圖5 表單測試結果

圖6 系統業務功能測試

3 小結與討論

隨著人們生活水平的提高，食品安全問題越來越受重視。傳統的農產品溯源平臺采用單一的中心化存儲解決方案，供應鏈中節點多，關系復雜，安全問題責任方確認成本高、效率低。本研究提出的基于區塊鏈的可信農產品溯源系統去中心化、分布式存儲、防篡改，能很好地解決食品安全溯源問題。

1）構建農產品溯源系統平臺，實現了去中心化，結合區塊鏈存儲結構和共識算法，每個節點都有自己的分類賬本，使得農產品信息易被篡改問題得到解決。

2）結合區塊鏈溯源方案，模型和低延遲一致性算法的設計，采用Hyperledger 構建區塊鏈可追溯系統的模塊和架構，與傳統的可追溯系統相比，該系統具有分散和分布式數據存儲的特點，并建立了新的信任機制，以確保信息的安全性和可信度，為農產品的可追溯性提供了可靠的平臺。

3）本研究設計實現的存儲方式也存在一定的局限性，在數據不丟失的情況下對存儲和查詢性能方面進行了優化，當出現線下數據庫宕機和數據丟失時，數據的真實性無法得到驗證，未來應該結合本研究提出的存儲和查詢方法考慮數據安全問題，對系統進行進一步的優化。