加密二維碼在海產品質量溯源系統中的應用

邵佳莉，張建科，吳遠紅

（1.舟山市市場監督管理局普陀分局，浙江 舟山 316100；2.浙江海洋大學 信息工程學院，浙江 舟山 316100）

隨著社會經濟發展以及生活水平的提高，人們對食品質量的重視程度也越來越高。海產品是重要的食品來源，我國是世界上海鮮消費量最大的國家之一。海產品味道自然鮮美、無添加劑的特點使其深受人們歡迎。目前市面上的海產品來源主要分為近海捕撈、遠洋作業和海水養殖3 種。受各種因素影響，海水養殖的產量占比越來越大。影響海產品質量的因素有很多，包括產地、存儲方式、運輸時長等，養殖水產還需考慮用水、苗種質量、飼料獸藥、藥物殘留量等因素。不同質量的海產品鮮度、營養成分和價格差異都很大。例如，野生大黃魚的價格是養殖大黃魚的一百多倍。近年來，市場上部分商家為追求高額利潤，或把遠洋水產品的產地標注為近海，或把養殖水產標注為野生水產，還有些把冷凍水產解凍后充當鮮活水產銷售，有些商家利用信息不對稱性，把低檔魚類充當高檔魚類出售。為維護消費者利益，同時保護合法商家的聲譽，海產品質量溯源已經成為大勢所趨的行業需求。

海產品質量溯源的方法較多，菜市場的管理部門會通過化學分析、超微分析等手段實現質量監管。存儲運輸環節商家會使用無線射頻技術，在海產品包裝上加貼帶芯片的標識[1]，自動采集和讀取相關信息，海產品流向也記錄存儲在芯片上，為海產品追溯提供防偽、防竄貨及信息追溯功能。海水養殖領域則較多應用信息采集法，利用無線傳感網直接采集環境信息、智能化視頻監控記錄狀況、電子門禁系統記錄養殖人員、產品檢測報告自動數字化等手段，把海產品追溯的重要關聯信息上傳至質量監管部門[2]。消費者一般使用網站查詢、電話問詢、條形碼識別、微信公眾號查詢進行信息溯源。隨著機器視覺技術的發展，二維碼技術的應用在社會各個方面得到推廣。手機的普及使消費者只需掃描二維碼即可得到商品的相關信息。當前，利用二維碼技術結合數據庫技術、網絡或云服務技術，實現商品在生產、存儲、銷售等全領域的數字化信息記載，不僅讓消費者了解商品的質量信息，還能讓監管部門實時監控商品的生產過程，提高消費者的知情權和商家的公信力。

縱觀國內外，二維碼技術已經被廣泛應用到各類商品質量溯源中，但是溯源對象大部分為非鮮活產品，魚、蝦蟹等海產品溯源系統的研究很少。本研究在充分了解海產品產業鏈中貨物標識方式的情況下，結合企業與消費者的需求，采用時間戳編碼技術唯一標記海產品群體，使用RSA 加密二維碼技術，構建了一個面向漁業公司、養殖企業及公眾用戶的海產品質量溯源平臺，保障消費者快捷精準地查詢到海產品在生產各環節的質量信息，確保海產品全過程安全控制，為消費者提供新鮮、安全、優質的放心產品。

1 二維碼技術與RSA 加密

1.1 二維碼技術

傳統的一維條形碼技術存在信息量少、無錯誤糾正能力、保密防偽性能差、可靠性低、可述信息種類少等缺點。基于以上缺點，國際物品編碼組織在2020 年底提出了“全球二維碼遷移計劃”（Global Migration to 2D，GM2D）全球倡議，預計于2027 年實現所有商品從一維條形碼到二維碼的轉換。

二維碼是建立在計算機圖像處理技術、組合編碼原理等基礎上的一種新型圖形符號自動識讀處理碼制。二維碼以特定的幾何圖形按一定規律在平面上分布黑白相間的圖形來記錄數據信息。在代碼編制上巧妙地利用計算機二進制構成比特流的概念，使用若干與二進制相對應的幾何形體來表示數值、文字信息，通過圖像掃描設備自動識讀出并自動處理。二維碼具有儲存信息量大、內容豐富多樣、保密性強、追蹤性強、糾錯能力強、識別率高和成本便宜等特性[3]。特別是即使有一部分圖形缺損或形態扭曲還是可供識別辨認的特點，使二維碼逐漸取代一維條形碼。二維碼溯源有兩種方案，第1 種方案是在二維碼的編碼中直接描述海產品的相關信息；第2 種方案是先對海產品進行商品編碼，且具有唯一性，在二維碼中記錄此編碼，存儲于數據庫服務器上的相關信息與此編碼一一對應。方案二相比方案一具有以下優勢。①可追溯的信息量大。不僅包括數字、文字信息，還包括記錄生產過程的相關視頻信息。②追溯的信息動態化。海產品存儲、運輸的方式和時長是影響質量的重要因素，服務器中的數據庫可實時更新海產品的此類信息，使消費者掌握最新的信息。本研究采用方案二，利用網絡、數據庫服務器和Web 服務實現基于二維碼的海產品質量溯源系統。

1.2 RSA 加密算法

RSA 算法是被廣泛研究的公鑰算法，從出現至今，經歷了各種攻擊的考驗，逐漸為人們所接受，被普遍認為是目前最優秀的加密方案之一。RSA 算法屬于非對稱加密技術，它使用一對密鑰，即公鑰（Public Key）和私鑰（Private Key）。私鑰只能由一方安全保管，不能對外泄露，而公鑰則可以直接對外公開。如果用公開密鑰對數據進行加密，只有用對應的私有密鑰才能解密。相反，如果用私有密鑰對數據進行加密，則只有用對應的公開密鑰才能進行解密[4]。RSA 算法的安全性依賴于大數分解的困難性，密鑰的長度通常達到千位，產生密鑰的過程比較復雜，運算速度相較于對稱密碼算法較慢[5]。但本研究中加解密過程都是在服務端實現，借助現代計算機強大的運算能力，RSA算法的這一缺點并不影響系統的整體性能。

2 溯源系統設計

海產品質量溯源系統的總體設計分為信息采集和入庫、RSA 加密和二維碼生成、數據庫查詢和RSA解密。系統采用MVC 三層架構[6]，如圖1 所示。

圖1 溯源系統框架圖

數據層（模型）的開發，使用MySQL 數據庫設計，數據庫中主要為海產品信息表和用戶信息表。此外為提高系統的可操作性和健壯性，減少信息冗余度，增加了魚類名稱表、海域名稱表、企業名稱表、飼料信息表等輔助表。控制層與數據層之間的接口采用Web Service 模式，控制層只能通過向Web 服務器提交數據寫入或查詢請求才能獲得數據庫中的記錄，不直接訪問數據庫，從而有效提高數據的安全性。后臺管理由桌面系統和移動終端App 兩個子系統構成。桌面系統負責用戶管理、信息采集UI、數據庫維護等功能；移動終端實現單件海產品的信息錄入、更新和查詢等功能。整個質量溯源流程如圖2 所示。

圖2 海產品質量溯源流程圖

2.1 溯源信息采集

該模塊又分為捕撈海產品信息采集和養殖海產品信息采集2 個子模塊。捕撈模塊信息由入庫人員人工輸入，主要采集海產品的基本信息、產地及存儲運輸狀況，包括魚類名稱、大小條、重量、漁獲時間、漁撈海域、生產單位、儲藏信息和物流信息等。養殖模塊采集的信息除基本信息外，增加了養殖戶信息、養殖環境信息、投入飼料和用藥信息、檢測結果信息以及養殖加工過程監控的視頻信息。系統對海產品從離岸到面向消費者階段共記錄和管理了養殖、捕撈、加工、存儲、運輸等所有環節的數據，每個階段都會有專人負責自己階段的記錄，在系統的相應位置存入信息保存到數據庫中。為每個海產品賦予唯一的產品ID，當一個產品的全部數據錄入完成，此產品ID 經RSA 加密后與此海產品的信息一起存儲于數據庫中。

養殖和加工過程的監控視頻保存于養殖戶和加工廠本地的服務器上，數據庫中存儲視頻的地址源信息和訪問權限，監管者掃描二維碼后獲得數據庫中的監控視頻地址和權限，通過移動終端即可查看視頻。

2.2 編碼和加密

按照一物一碼的原則，編碼時無須對海產品分類。利用系統運行的即時性，設計編碼格式為14 位時間序列+10 位隨機數。考慮到系統運行時的并發性，可能會導致同號ID，因此在編碼模塊上加入了synchronized屬性，使一個用戶正在生成ID 時，其他用戶的線程處于等待狀態，從而保證了ID 的唯一性。生成二維碼之前，先對ID 進行RSA 加密，保證其安全性。RSA 加密算法及具體實現如下。

（1）密鑰生成。RSA 加密首先要自動生成公鑰和私鑰，算法流程如圖3 所示。密匙生成后d、p、q作為私鑰存儲于本地，用于加密；n和e作為公鑰發布，用于解密。

圖3 密匙生成算法圖

（2）加密。選擇私鑰對海產品ID 加密，公式為

式中：m是明文，即待加密的編號；C是加密以后的密文。

（3）解密。使用公鑰對密文解密，公式為

從公式上看，解密和加密算法的實現完全一樣，只是參數不同。公式中冪的計算是關鍵，以加密為例，m是24 位的數字串，經過d次冪運算后，長度達到系統無法處理的大，并且其運算時間長，影響整個系統的響應速度。為降低運算復雜度，冪運算采用了快速取模指數算法，其原理為積的取余等于取余的積的取余，在此基礎上，對指數型的數據進行拆解合并，實現過程如下。

步驟1：設m1=mmodn；初始化c=1。

步驟2：如果d為奇數，則c=(c×m1) modn。

步驟3：遞推m1=(m1×m1) modn。

步驟4：d=d/2。

步驟5：如果d不等于0 轉步驟2 循環，否則結束循環。

因為明文過長，所以加密前先將明文數字串分組，使得每個分組對應的十進制數小于n，即分組長度小于log2n，然后對每個明文進行分組，做上述公式（1）的加密運算。

2.3 二維碼生成和識別

系統采用B/S 模式，選擇JAVA 做開發工具，為了提高糾錯的等級，系統中調用了第三方庫：com.google.zxing。先設置二維碼的屬性，再調用Zxing 中的QRCodeUtil.createImage 方法直接生成二維碼。二維碼的編碼由海產品ID 經加密形成，寬度和高度由打印紙的大小自適應設定，糾錯等級設定為ErrorCorrectionLevel.H。輸出方式有兩種，一種是以ResponseEntity 的形式直接在頁面上顯示二維碼，可以直接打印輸出到包裝紙的指定位置；另一種是形成圖形文件存儲于服務器的特定位置，可延后打印或查詢。

消費者和質量監管人員通過移動終端上的App 掃描外包裝上的二維碼，獲得密文、服務器地址，以此密文為參數向Web 服務器提交請求。服務器先讀取加密系統中的私鑰，運用公式（2）對二維碼中的密文進行解密運算，得到明文，即海產品的唯一ID。用此ID 對數據庫做多表鏈接查詢，獲得對應記錄的海產品所有數據，并回傳至移動終端，消費者可由App 閱讀相關信息，監管員還可以查看相關視頻。

2.4 系統測試

系統在Eclipse 平臺上開發，移動終端在Android系統上實現，所做測試主要是功能測試。筆者選擇東海某水產品交易市場上的一單現貨交易做測試，采集信息如表1 所示。

表1 溯源信息表

輸入表1 信息后數據庫海產品信息表中形成一條記錄。該海產品ID 碼的前14 位由錄入時間生成，得“20230825092813”，后10 位隨機產生，組合后得ID為“202308250928131978106880”，添加此ID 到記錄中。

經測試，RSA 加密中若p、q取6 位數以上，普通計算機上運行的時間需幾十分鐘，嚴重影響系統效率；取5 位數，系統運行順暢，本次測試計算p得32 353，q得22 807。計算私鑰和公鑰，測試結果n=737 874 871，e=26 064。對上述ID 按4 位一組分組加密，加密后生成的密文為“662771623339365048430871894599543275 554055474556525738”，用此密文生成的二維碼如圖4所示。測試結果表明，RSA 算法雖然運算時間較長，但較難破解，可有效保護信息的安全性，確保只有授權用戶才能夠訪問相關數據。

圖4 對應的二維碼圖

3 結論

本文針對我國海產品質量溯源措施尚存不足這一現象，提出并建立了基于二維碼技術的海產品質量溯源系統。針對信息安全問題，重點分析、驗證了加密技術中RSA 算法的原理及實現，解決了消費者和監管者對掌握海產品質量信息的需求。通過實地運行測試，系統總體上取得如期的效果。下一步可通過兩方面提升系統性能。①改進加密算法，將RSA 與DES 算法結合起來加密，用DES 對明文加密，RSA 對DES 的密鑰加密，可以解決RSA 加密速度慢問題。②將系統與微信、小程序、淘寶等當前主流互聯網應用結合，讓終端用戶使用更方便。