區塊鏈技術在農業物聯網防偽溯源的應用研究

史恒， 雷瑩慧， 何正方， 資嬌艷， 陳雪連， 鄭喬坤

摘? 要： 區塊鏈有著廣泛的應用，農業物聯網使用的范疇主要在生產過程中的防偽領域。本文利用區塊鏈的非篡改性和可追溯性的特點，構建農產品防偽可追溯體系。傳輸過程中采用SHA-256算法對信息加密形成信息摘要，使得系統內部的數據具有了抗攻擊性和保密性的特點，并結合二維碼技術實現可視化，完善生產廠商與消費者之間的信任機制。

關鍵詞： 區塊鏈; 物聯網; 防偽溯源; SHA-256加密算法

中圖分類號：TP309.2? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）06-32-05

Application of blockchain technology in anti-counterfeiting traceability

of agricultural Internet of Things

Shi Heng， Lei Yinghui， He Zhengfang， Zi Jiaoyan， Chen Xuelian， Zheng Qiaokun

（School of Intelligent Science and Engineering， Yunnan Institute of Business and Technology， Kumming， Yunnan 651701， China）

Abstract： Blockchain has a wide range of applications， and the agricultural Internet of Things is mainly used in the field of anti-counterfeiting in the production process. Taking advantage of the non-tampering and traceability features of blockchain， an agricultural product anti-counterfeiting traceability system is constructed. In the transmission process， SHA-256 algorithm is used to encrypt the information to form an information summary， which makes the system data have the characteristics of anti-attack and confidentiality. Combined with the two-dimensional code technology， visualization is realized to improve the trust mechanism between manufacturers and consumers.

Key words： blockchain; Internet of Things; anti-counterfeiting traceability; SHA-256 encryption algorithm

0 引言

2018年年底，國家修訂了《食品安全法》，對食品安全監督、食品安全全程追溯、食品網絡交易規范及食品標簽標注等作出具體規定。傳統農業也需要依托大數據技術，逐漸向現代化農業轉型[1，2]。

Souza-Monteiro等將食品安全與可追溯性聯系起來，實現從農場大門到消費者餐桌，再反向溯源的過程[3]。為了實現農產品質量可監控、全鏈條可追溯、提高供應鏈的管理效率的研究與應用正走向成熟。例如通過結合區塊鏈技術，建立一個去中心化的農產品溯源體系，提高農產品的可追溯性、加強農業供應鏈的安全性和透明程度[4]。通過利用區塊鏈的不可篡改性和可追溯性，構建農產品防偽溯源系統，實現了農產品的生產過程數據可視化、防偽溯源，完善生產廠商與消費者之間的信任機制，拾起消費者對食品安全機制的信任。

農產品收獲后，農戶需要對其進行出售，如果加工廠收購了農產品，對其加工，加工后的農產品被分配到各個零售店售賣，這時消費者利用手機掃描二維碼就可以獲得該商品的相關生產信息及產品哈希值，通過核對產品哈希值可以檢驗該商品是正品還是假冒偽劣產品。基于區塊鏈的可追溯性、不可偽造性，將農產品生產的相關信息錄入、存儲到一個文檔中，通過對文檔進行哈希運算，生成哈希值，將文檔與哈希值共同發給加工廠，加工廠拿到農產品信息，通過系統判斷，將哈希值進行對比、校驗，確認農產品是否與原農產品一致。

1 相關技術

1.1 農業物聯網

農業物聯網從本質上講，是一套數控系統[5]。能夠實時采集信息數據、遠程控制、科學栽培、精準布控、查詢、警告、問題反饋等，實現農業數字化、自動化、智能化。由此促進農業生產方式轉變，保障食品安全。不僅可以促成增產、改善品質、加強農戶與消費者之間的連接，還可以提高經濟效益。

1.2 區塊鏈技術

區塊鏈是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用[6]。它可用于農產品防偽溯源領域，以便供應鏈中的每一方都能提供有關其特定角色的可追溯性信息[7]。通過哈希值以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構，并以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本[8]。其主要優勢有：去中心化、可追溯性、匿名性、不可偽造、不可虛構以及不可篡改。

2 區塊鏈在農業物聯網中的防偽溯源

基于區塊鏈的農業物聯網防偽溯源為推進農業數字化轉型，助力農業及農產品供應鏈發展提供基礎支持。農產品溯源系統成為介于生產者和消費者之間的及時可靠的信息傳遞渠道，在農產品流通環節，通過對倉儲和物流過程中的環境信息進行實時監測，可以快速定位發生質量問題的關鍵節點，避免質量糾紛[9]。本系統分別從農產品生產企業、產品加工企業、運出站點、零售店對農產品的真偽進行把控，優化供應鏈結構，提升消費者的防偽查詢體驗，完善生產廠商與消費者之間的信任機制。

以往的溯源系統中無法保證信息的真假和疏遠消費者是主要的兩個缺點[10]。通過利用區塊鏈的性質創建區塊，將農產品的產品名字、生產地信息、管理者信息、是否達到國家規定的安全指標等信息輸入到創世區塊中，生成創世區塊，通過信息處理、SHA-256算法運算出哈希值。將創世區塊的哈希值和內容發給第二個信息寫入點（工廠），工廠在寫入之前對前一個區塊的內容進行驗證，對內容進行同樣的哈希運算對比哈希值，檢查是否有被篡改。工廠將前一個區塊的哈希值放入塊頭，將加工廠的信息寫入第二區塊的塊體中，并將第二個區塊的全部內容再進行一次哈希運算生成一個新的哈希值，將哈希值和內容一起發給下一個信息寫入點（運輸站點），進行上述操作，最后將發送到銷售地，銷售地錄入銷售信息，檢驗通過后使用二維碼技術生成二維碼，達到商品溯源的可視化。由于區塊鏈是以哈希值鏈接的，所以當有人試圖修改當前區塊的數據將會導致區塊的哈希值發生變化，而影響到后一個區塊。由此可以實現防偽溯源的目的。具體原理圖如圖1所示。

2.1 SHA-256數據加密及校驗

SHA安全加密標準，是至今國際上使用最為廣泛的較為安全的壓縮算法之一，由美國 NIST和NSA兩個組織共同開發的，此算法于1993年5月11日被美國NIST和NSA設定為加密標準[11]。

SHA-256的哈希值的大小為256位，也稱之為信息摘要。其主要分為三部分：消息填充、消息字生成、輪函數迭代[12]。它可以將任意長度的信息生成固定長度的信息摘要，不同的數據生成相同的信息摘要的可能性極低，并且散列函數具有單向性，僅根據函數的輸出結果極難倒推出輸入的數據。通過對Chabaud-Joux攻擊SHA-256的分析，找到了SHA-256的一個部分碰撞，其復雜度為266，但無法找到SHA-256的一個整體碰撞，因此，SHA-256也能抵御現有的差分攻擊[13]。所以可以根據信息摘要來驗證數據在傳輸過程當中是否發生改變，即驗證其完整性。

商品在不同階段產生的信息錄入，都將會產生相應的信息摘要，并將商戶階段、加工階段、運輸階段和零售階段錄入的信息輸出生成商品信息表，利用SHA-256對商品信息表進行加密，由此實現防偽的過程。具體原理如圖2所示。

散列函數的輸入空間大于輸出空間，通過運算之后形成信息的摘要，例如：input（ABC）通過哈希運算之后得到256位的信息摘要，若改變了輸入的任何一個數，甚至是一個標點符號，哈希值就會發生改變，據此我們就能追溯到是哪個位置發生了變化，從而實現哈希的可追溯和不可篡改性。

在哈希的運算過程中將信息按照相應的要求進行轉換，填充分組，之后就開始進行內部迭代壓縮運算。具體原理如圖3所示。

[CVi=f（CVi-1，Yi-1）（1≤i≤L）]? ⑴

在式⑴中，CV=鏈接值、Yi=第i個輸入數據塊、f=壓縮算法、n=散列碼的長度、b=輸入塊的長度。

SHA-256算法通過一些簡單的變形，形成具體內部運算。具體原理如圖4所示。

2.1.1 輸入填充并附加長度值

輸入消息或數據，將消息或數據文件轉換為二進制，令為M，將M填充到512bit的整倍數，對M進行填充得到M1，使得|M1|=448 mod 512，|M1|>|M|。如果|M|=448 mod 512，則|M1|=|M|+512bit，填充內容為M+1+0（n）意為在M后加1再加n個0使其等于512bit。如果|M|≠448 mod 512bit，當取模后|M|<448，則|M1|=|M|+n（n為448與M之間的差），填充內容為1+（n-1）個0。當取模后|M|>448，則|M1|=448+n+512-n（n為大于448的位數）。

在填充完畢的消息M1后，追加64位的原始信息長度得到M2，并將追加后的消息M2按512bit分割成n份，并迭代處理n次，最終獲得一個256bit的信息摘要M3[14]。具體原理如圖5所示。

（注：k位是數據轉換成二進制后的大小，存于A中。B中存放填充的字節;C中存放的是原始信息的長度，占據64位，A+B=448位，A+B+C=512位的整倍數）

2.1.2 初始化緩沖區

緩沖區由八個32位的緩存器（A、B、C、D、E、F、G、H）組成，用于保存256位的中間結果和最終結果。在寄存器初始化后形成整數后，會把寄存器里面的整數按高有效位存放于低地址中。例如，將寄存器初始化成以下的32位的整數，如表1所示。

對自然數中前8個質數的平方根的小數部分取前32bit得到以上的常數，填入8個緩沖區中。

在SHA-256算法中，K用到的64個常量是對自然數中前64個質數（2，3，5，7，11，13，17，19，23，29，31，37，41，43，47，53，59，61，67，71，73，79，83，89，97……）的立方根的小數部分取前32bit而來[15]，如表2所示。

2.1.3 主處理

主處理是HASH算法的核心，每次處理512位的分組，進行64次迭代運算，具體方式如圖6所示。

初始化完成之后就按照式⑵⑶⑷⑸⑹⑺開始進行內部運算。

[CHE，F，G=E∧F?E∧G]? ⑵

[Σ1=E?>6E?>11E?>25]? ⑶

[MaA，B，C=A∧BA∧CB∧C]? ⑷

[Σ0=A?>2A?>13A?>22]? ⑸

[σ0X=S7XS18XSHR3X]? ⑹

[σ1X=S17XS19XSHR10X]? ⑺

具體如表3所示：

將填充好的信息分成n個512bit的小塊后，取出一塊將其分成16個32bit的字，記為w[0]、w[1]w[2]……w[15]，其中前16個字直接由消息的第i塊分解得到，其余的字節由迭代公式⑻得到：

[Wt=σ1W（t-2）+Wt-7+σ0W（t-15）+W（t-16）] ⑻

進行64次加密循環即可完成一次迭代。

通過公式計算得到新的（ABCDEFGH）

新A=Wt+Kt+CH+Σ1+H+Ma+Σ0;

新B=原A;新C=原B;新D=原C;

新E= Wt+Kt+CH+Σ1+H+D;

新F=原E;新G=原F;新H=原G

2.2 二維碼技術

長期以來，假冒偽劣的產品都是市場經濟的一大毒瘤，并嚴重阻礙了我國的經濟發展。我國每年都需要花費大量的人力、物力，用于打擊假冒偽劣產品。通過二維碼技術將農產品加工和運輸過程等信息的錄入，然后再進行顯示核實[16]。在本文研究中二維碼主要是作為信息顯示的載體，其中包含產品名稱、產品生產企業信息、管理者名字、安全指標情況所生成的商品信息表，信息經過區塊鏈以及SHA-256算法對信息加密形成信息摘要，使得系統內部的數據具有抗攻擊性和保密性的特點。具體示意圖如表4和表5所示。

3 總結

本文運用了區塊鏈的不可篡改和可追溯性等的特點，來構建農業物聯網的防偽溯源系統，通過SHA—256算法生成信息摘要連接區塊，使得區塊鏈具備不可篡改和可追溯性的特點，當區塊里面的數據發生改變，會引起后續區塊的改變，據此可以監控整個鏈條。SHA—256算法生成的信息摘要，提升了數據的可靠性和安全性，用戶通過掃描二維碼來獲取商品的信息，使用戶對商品真偽性的驗證方式變得簡便，生產商的產品得到了品牌保障，消費者的權益也得到了保障，完善了生產商與消費者之間的信任機制。

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