基于區(qū)塊鏈的病毒污染生鮮食品信息追溯模型

賀 強(qiáng)，賀靜霞，楊 華，楊懷卿*

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 晉中 030800；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉中 030801；3. 太原技術(shù)轉(zhuǎn)移促進(jìn)中心，山西 太原030012；4. 太原師范學(xué)院，山西 晉中030619)

1 引言

近些年因各類病毒污染導(dǎo)致的各個(gè)國(guó)家不同地區(qū)生鮮食品安全事故時(shí)有發(fā)生，引發(fā)各國(guó)大眾對(duì)生鮮食品安全問題的高度關(guān)注[1]。我國(guó)因病毒污染引發(fā)的生鮮食品安全問題也偶有發(fā)生，發(fā)生病毒污染的生鮮食品大多是因?yàn)樵诜N養(yǎng)殖、加工生產(chǎn)、儲(chǔ)存運(yùn)輸及銷售等某個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)接觸到病毒，且未及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理或管理不到位等造成的，出現(xiàn)病毒污染生鮮食品后，有關(guān)監(jiān)管部門將第一時(shí)間停止該批次病毒污染生鮮食品的銷售，并對(duì)其實(shí)施信息追溯，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取到該批次病毒污染生鮮食品的詳細(xì)信息并將污染源頭找尋出，最大可能地降低食品安全問題所帶來的危害，保障大眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[2-3]。

病毒污染生鮮食品信息追溯的過程較為繁瑣，貫穿于生鮮食品的種養(yǎng)殖、加工生產(chǎn)、儲(chǔ)存運(yùn)輸及銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)均需實(shí)施較為嚴(yán)格的市場(chǎng)監(jiān)督與控制[4]。當(dāng)前針對(duì)生鮮食品的信息追溯技術(shù)，眾多學(xué)者進(jìn)行大量研究，文獻(xiàn)[5]提出后疫情時(shí)代生鮮產(chǎn)品冷鏈物流的區(qū)間結(jié)構(gòu)和信息體系追溯，從生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流的信息結(jié)構(gòu)、管理結(jié)構(gòu)以及功能結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行探討，構(gòu)建了一種全新的面向全程的冷鏈物流管理體系，全程信息流、信息標(biāo)準(zhǔn)化和信息追溯構(gòu)成后疫情時(shí)代生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流的三大決定因素。文獻(xiàn)[6]提出區(qū)塊鏈中電商冷鏈溯源系統(tǒng)Petri網(wǎng)建模追溯，通過對(duì)冷鏈溯源系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)流程的分析，建立了冷鏈溯源系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型，利用不變量分析模型和關(guān)聯(lián)矩陣的有效安全特點(diǎn)，并通過HIPS工具進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

雖然上述研究取得一定進(jìn)展，但是缺陷是生鮮食品各個(gè)環(huán)節(jié)各自為政不能達(dá)到有關(guān)信息共享的目的，同時(shí)信息易遭受篡改無法保障信息的安全可靠性，另外需要較大的存儲(chǔ)空間。為了解決上述問題，提出一種基于區(qū)塊鏈的病毒污染生鮮食品信息追溯模型，將區(qū)塊鏈技術(shù)融入信息追溯模型內(nèi)，區(qū)塊鏈屬于一類經(jīng)密碼學(xué)算法依據(jù)時(shí)間順序組合數(shù)據(jù)區(qū)塊為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，具備可追溯、去中心化、可多方共同維護(hù)及不可篡改等優(yōu)點(diǎn)的分布式數(shù)據(jù)庫。無論任何一方均需以預(yù)先約定的規(guī)則為依據(jù)對(duì)更新數(shù)據(jù)達(dá)成共識(shí)，達(dá)到多方間信息監(jiān)督及共享的目的。區(qū)塊鏈將時(shí)間戳、密碼學(xué)、P2P網(wǎng)絡(luò)、塊鏈結(jié)構(gòu)、共識(shí)機(jī)制以及智能合約等數(shù)類技術(shù)集為一體，在完成數(shù)據(jù)的自我管理及驗(yàn)證時(shí)不需要依賴于第三方，這也是所研究的創(chuàng)新之處。病毒污染生鮮食品信息追溯模型提升追溯信息的可靠性與安全性，提高追溯信息的效率，為有關(guān)監(jiān)管部門及時(shí)精準(zhǔn)地把控與監(jiān)管病毒污染生鮮食品提供有效依據(jù)。

2 病毒污染生鮮食品信息追溯模型研究

2.1 模型整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

病毒污染生鮮食品信息追溯的重點(diǎn)是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)等采集方式針對(duì)生鮮食品的種養(yǎng)殖、加工、物流及銷售全過程各環(huán)節(jié)信息實(shí)時(shí)采集，并以固定格式及方式儲(chǔ)存與管理此類信息，經(jīng)由信息追溯平臺(tái)等將用戶追溯的病毒污染生鮮食品詳細(xì)信息呈現(xiàn)[7]，當(dāng)出現(xiàn)病毒污染生鮮食品時(shí)，有關(guān)部門能夠依據(jù)所追溯到的詳細(xì)信息追溯到問題環(huán)節(jié)，確準(zhǔn)責(zé)任主體，為確保生鮮食品的安全性提供幫助[8]。基于區(qū)塊鏈的病毒污染生鮮食品信息追溯模型是在以上基礎(chǔ)上加入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，有效運(yùn)用區(qū)塊鏈的可追溯、不可篡改及去中心化等優(yōu)點(diǎn)，提升了病毒污染生鮮食品信息追溯的可靠性與真實(shí)性[9]。

設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈的病毒污染生鮮食品信息追溯模型整體結(jié)構(gòu)，其主要由區(qū)塊鏈存儲(chǔ)層、網(wǎng)絡(luò)層、合約層、及應(yīng)用層構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

其中區(qū)塊鏈存儲(chǔ)層屬于模型整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，重點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括生鮮食品標(biāo)簽數(shù)據(jù)、履歷數(shù)據(jù)及交易數(shù)據(jù)等；網(wǎng)絡(luò)層為模型整體結(jié)構(gòu)的核心層，其主要職責(zé)為節(jié)點(diǎn)授權(quán)、賬本維護(hù)、節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、流量控制、數(shù)據(jù)傳輸、參與共識(shí)以及數(shù)據(jù)讀寫等；合約層屬于模型的業(yè)務(wù)處理層，其關(guān)鍵任務(wù)是追溯信息調(diào)用及部署智能合約等，對(duì)可通過算法描述的追溯任務(wù)予以執(zhí)行；應(yīng)用層作為模型的業(yè)務(wù)擴(kuò)展層，可經(jīng)由操作界面將個(gè)性化信息交互服務(wù)提供給用戶，此層同合約層數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)可通過用戶授權(quán)接口與追溯信息共享接口實(shí)現(xiàn)。

圖1 基于區(qū)塊鏈的病毒污染生鮮食品信息追溯模型整體結(jié)構(gòu)

2.2 區(qū)塊鏈存儲(chǔ)層設(shè)計(jì)

以往的區(qū)塊鏈信息追溯模型大多采用向區(qū)塊鏈寫入食品不同節(jié)點(diǎn)的追溯信息的儲(chǔ)存方式，但此種儲(chǔ)存方式在交易數(shù)據(jù)的數(shù)量隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增長(zhǎng)而不斷增加時(shí)，區(qū)塊鏈所面臨的儲(chǔ)存負(fù)載壓力也逐步增大；同時(shí)因區(qū)塊鏈特殊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致其追溯速度緩慢，且處于相同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的全部成員均能夠?qū)~本上的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)訪問，不利于隱私數(shù)據(jù)的安全保護(hù)[10]。為此本文選取區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的鏈上鏈下追溯信息雙儲(chǔ)存方式作為信息追溯模型區(qū)塊鏈存儲(chǔ)層的儲(chǔ)存方式，降低區(qū)塊鏈儲(chǔ)存負(fù)載壓力、提升追溯效率并提升儲(chǔ)存的安全性[11]。以生鮮食品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)特征為依據(jù)，創(chuàng)建區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的雙儲(chǔ)存方式區(qū)塊鏈存儲(chǔ)層架構(gòu)，將種養(yǎng)殖、加工、物流及銷售各環(huán)節(jié)信息追溯記錄架構(gòu)準(zhǔn)確。區(qū)塊鏈存儲(chǔ)層架構(gòu)如圖2所示。

向各節(jié)點(diǎn)本地?cái)?shù)據(jù)庫內(nèi)分別存儲(chǔ)生鮮食品供應(yīng)鏈內(nèi)的種養(yǎng)殖、加工、物流及銷售各環(huán)節(jié)溯源明文信息并各自實(shí)施管理；以本地?cái)?shù)據(jù)庫內(nèi)所存儲(chǔ)的溯源信息各個(gè)字段作為字符串，并拼接各個(gè)字符串，為降低區(qū)塊鏈的儲(chǔ)存負(fù)載壓力，追溯信息加密過程中運(yùn)用MD5算法將各種長(zhǎng)度字符串生成一個(gè)32位16進(jìn)制值，同時(shí)向區(qū)塊鏈內(nèi)寫入運(yùn)算后的哈希值。在實(shí)時(shí)追溯時(shí)對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)庫內(nèi)的溯源信息以相同的方式再次實(shí)施哈希值運(yùn)算，并將所運(yùn)算的哈希值同由區(qū)塊鏈上追溯到的哈希值實(shí)施比對(duì)，檢驗(yàn)所得溯源信息是否遭受篡改，提升所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性與可靠性。

圖2 區(qū)塊鏈存儲(chǔ)層架構(gòu)圖

通過對(duì)生鮮食品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的食品簡(jiǎn)要信息和數(shù)據(jù)庫內(nèi)基本數(shù)據(jù)的哈希值實(shí)施運(yùn)算獲取到根哈希值，通過各自單獨(dú)維護(hù)的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)向區(qū)塊鏈上發(fā)送摘要，并向全網(wǎng)廣播，待全網(wǎng)全部節(jié)點(diǎn)經(jīng)共識(shí)檢驗(yàn)通過后將其儲(chǔ)存到新的數(shù)據(jù)區(qū)塊內(nèi)，同時(shí)與上一級(jí)數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈接，實(shí)現(xiàn)向區(qū)塊鏈儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的全過程。區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中父級(jí)區(qū)塊哈希值、時(shí)間戳、目標(biāo)哈希值及當(dāng)下區(qū)塊版本號(hào)等封裝于區(qū)塊頭，而經(jīng)過驗(yàn)證的某個(gè)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)要信息數(shù)據(jù)如生鮮食品批次和日期等以及數(shù)據(jù)庫哈希值儲(chǔ)存于區(qū)塊體內(nèi)。病毒污染生鮮食品信息追溯過程可簡(jiǎn)單描述為：用戶或有關(guān)監(jiān)管部門經(jīng)信息追溯模型將需追溯的病毒污染生鮮食品批次代碼輸入實(shí)施信息追溯，由所輸入的病毒污染生鮮食品代碼直接定位到包括此批次病毒污染生鮮食品信息的特定區(qū)塊頭，將該批次病毒污染生鮮食品的全部流通環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)調(diào)出實(shí)施病毒污染生鮮食品信息追溯。

圖3 區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

2.3 MD5算法的哈希值運(yùn)算

MD5算法屬于一種哈希算法，可運(yùn)用哈希函數(shù)映射隨意長(zhǎng)度數(shù)據(jù)為較短的特定長(zhǎng)度2進(jìn)制值，屬于一種由明文到密文的不可逆映射，輸入相同時(shí)所獲得的輸出也相同。通過運(yùn)用哈希函數(shù)的特征，不但能夠?qū)λ米匪菪畔⑹欠裨馐艽鄹膶?shí)施校驗(yàn)，而且也可對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性予以有效保障[12]。該算法接收所輸入信息后，預(yù)處理此類輸入信息為以512位為一個(gè)分組的信息，同時(shí)劃分各組512位信息文本為16個(gè)32位的信息塊，并將其標(biāo)示成M0，M1，…，M15。通過壓縮函數(shù)獲取該算法的輸出為128位信息摘要，該信息摘要是通過4個(gè)32位級(jí)聯(lián)所構(gòu)成的。MD5算法的運(yùn)算過程如下：

1)補(bǔ)位：對(duì)所輸入的數(shù)據(jù)實(shí)施補(bǔ)位，令數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度對(duì)512求余所得結(jié)果為448，也就是將數(shù)據(jù)擴(kuò)展為：

K×512+448位=K×64+56Byte

(1)

式(1)中，K為整數(shù)。補(bǔ)位操作時(shí)先將一個(gè)1補(bǔ)到數(shù)據(jù)后面，再補(bǔ)上數(shù)個(gè)0，直到符合式(1)要求為止，即449補(bǔ)511位，447補(bǔ)1位。

2)補(bǔ)長(zhǎng)度：通過一個(gè)64位的2進(jìn)制數(shù)據(jù)于完成補(bǔ)位操作的消息后面對(duì)初始消息的長(zhǎng)度予以表示。此時(shí)可得到的信息長(zhǎng)度為：

N×512+448+64=(N+1)×512位

(2)

也就是所得信息為512的倍數(shù)。

3)MD5的原始鏈接變量：MD5算法所需的整數(shù)參數(shù)為四個(gè)32位的鏈接變量，依次可表示為

(3)

式(3)中，A～D的存儲(chǔ)方式均為低字節(jié)在前高字節(jié)在后的小端儲(chǔ)存。

4)主循環(huán)操作：以四輪每輪16步實(shí)施運(yùn)算。將四個(gè)鏈接變量向另外四個(gè)變量?jī)?nèi)復(fù)制，其中A復(fù)制到a，B復(fù)制到b，以此類推；主循環(huán)分為四輪，每輪各實(shí)施16次操作，每輪的各步操作均較為類似；在每次操作時(shí)對(duì)a～d內(nèi)的三個(gè)變量實(shí)施一次非線性函數(shù)運(yùn)算，也就是邏輯運(yùn)算；將運(yùn)算后所獲得的結(jié)果與第四個(gè)變量、消息文本的一個(gè)常數(shù)ti與一個(gè)子分組Mj相加，相加后所獲取到的結(jié)果向左側(cè)移動(dòng)一個(gè)不固定的數(shù)，同時(shí)與a～d內(nèi)的某個(gè)相加；運(yùn)用最終所得結(jié)果替換掉a～d內(nèi)的一個(gè)。

5)結(jié)果輸出：結(jié)束以上步驟后，用A～D依次與a～d相加當(dāng)作下一分組數(shù)據(jù)的原始值，直至全部分組完成后為止，最終所得輸出結(jié)果為A、B、C與D的級(jí)聯(lián)，即：A=A+a，B=B+b，C=C+c，D=D+d。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將本文模型應(yīng)用于某生鮮食品公司的管理系統(tǒng)中實(shí)施生鮮食品信息追溯，與應(yīng)用本文模型前該公司管理系統(tǒng)的生鮮食品信息追溯結(jié)果相比對(duì)，檢驗(yàn)本文模型的實(shí)際應(yīng)用效果。該生鮮食品公司成立于2013年5月12日，其生鮮食品種類主要包含蔬果類、水產(chǎn)類、肉類等，具體包括魚、蝦、蟹、貝類、雞肉、豬肉、羊肉、牛肉、各類水果及各類蔬菜等。實(shí)驗(yàn)中以該公司的蘋果、香蕉、秋葵、菠蘿四種蔬果類生鮮食品為例實(shí)施信息追溯檢驗(yàn)。

3.1 追溯效率檢驗(yàn)

檢驗(yàn)應(yīng)用本文模型后與應(yīng)用本文模型前實(shí)驗(yàn)公司管理系統(tǒng)的信息追溯效率，檢驗(yàn)時(shí)二者均在相同情況下執(zhí)行相同的信息追溯任務(wù)，為提升檢驗(yàn)結(jié)果的客觀性，二者對(duì)每種情況的信息追溯均執(zhí)行5次，以5次的平均值作為最后的檢驗(yàn)結(jié)果實(shí)施對(duì)比。檢驗(yàn)中所設(shè)定的追溯記錄總量依次為2×104、4×104、6×104及8×104條，檢驗(yàn)在不同追溯記錄總量的情況下二者的信息追溯時(shí)間隨批次追溯記錄條數(shù)的變化情況，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

通過表1能夠得出，應(yīng)用本文模型前實(shí)驗(yàn)公司管理系統(tǒng)的信息追溯時(shí)間受追溯記錄總量與批次追溯記錄數(shù)量的雙重影響，二者數(shù)量的增長(zhǎng)均導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)公司管理系統(tǒng)信息追溯時(shí)間的增長(zhǎng)，尤其針對(duì)批次追溯記錄數(shù)量較高時(shí)，該系統(tǒng)信息追溯時(shí)間的上升幅度更高；而應(yīng)用本文模型之后實(shí)驗(yàn)公司管理系統(tǒng)的信息追溯時(shí)間與應(yīng)用本文模型之前相比下降幅度明顯，且信息追溯時(shí)間受追溯記錄總量與批次追溯記錄數(shù)量的影響較小，隨著二者數(shù)量的上升追溯時(shí)間略微上升。綜上可見，應(yīng)用本文模型后可顯著改善實(shí)驗(yàn)公司生鮮食品信息追溯的效率，實(shí)現(xiàn)及時(shí)高效穩(wěn)定的生鮮食品信息追溯。

表1 應(yīng)用本文模型前后信息追溯時(shí)間對(duì)比(s)

3.2 防篡改性能檢驗(yàn)

為保障所存儲(chǔ)信息的安全性與所獲取追溯信息的可靠性，需對(duì)追溯信息是否遭受篡改實(shí)施校驗(yàn)，依據(jù)校驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)本文模型的防篡改性能。分別由應(yīng)用本文模型后實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)與應(yīng)用本文模型前實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)所獲取的蔬果類生鮮食品追溯信息內(nèi)隨機(jī)各抽取出10000條追溯信息，所抽取追溯信息包含蘋果追溯信息2500條、香蕉追溯信息3100條、秋葵追溯信息1500條、菠蘿追溯信息2900條，對(duì)所抽取的追溯信息實(shí)施校驗(yàn)，依據(jù)校驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)二者的追溯信息篡改率，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)用本文模型前后信息篡改情況對(duì)比

由表2可得知，應(yīng)用本文模型后實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)所獲取的10000條追溯信息內(nèi)僅有1條篡改信息，整體信息篡改率僅為0.01%，近似于0；而應(yīng)用本文模型前實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)所獲取的10000條追溯信息內(nèi)共有47條篡改信息，整體信息篡改率達(dá)到了0.47%，說明，本文模型具有較高的防篡改性能，可提升實(shí)驗(yàn)公司管理系統(tǒng)生鮮食品信息存儲(chǔ)的安全性與追溯信息的可靠性。

3.3 追溯精度檢驗(yàn)

以查全率與準(zhǔn)確率作為檢驗(yàn)指標(biāo)，檢驗(yàn)應(yīng)用本文模型前后實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)追溯信息的精度，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可得出，隨著追溯記錄總量的增長(zhǎng)，應(yīng)用本文模型后的實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)的信息追溯查全率與準(zhǔn)確率均未出現(xiàn)較大波動(dòng)，而應(yīng)用本文模型前實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)的信息追溯查全率與準(zhǔn)確率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，且整體查全率與準(zhǔn)確率均低于應(yīng)用本文模型后的實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，由此可見，本文模型的應(yīng)用可顯著提升實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)信息追溯的整體精度，且不受追溯記錄總量的影響，追溯性能穩(wěn)定可靠。

圖4 應(yīng)用本文模型前后信息追溯精度對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)基于區(qū)塊鏈的病毒污染生鮮食品信息追溯模型展開研究，通過區(qū)塊鏈技術(shù)與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合設(shè)計(jì)雙存儲(chǔ)方式用于儲(chǔ)存生鮮食品各環(huán)節(jié)信息，形成區(qū)塊鏈存儲(chǔ)層作為信息追溯模型的基礎(chǔ)層，與網(wǎng)絡(luò)層、合約層及應(yīng)用層共同構(gòu)成病毒污染生鮮食品信息追溯模型，將本文模型應(yīng)用于某生鮮食品公司管理系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：

1)基于區(qū)塊鏈的病毒污染生鮮食品信息追溯模型可顯著提升信息追溯效率，有效防止所存儲(chǔ)生鮮食品信息遭受篡改；

2)利用所設(shè)計(jì)病毒污染生鮮食品信息追溯模型，可以令所得追溯信息更加真實(shí)可靠，追溯結(jié)果完整準(zhǔn)確；