談和義,顧永跟,吳小紅,陶 杰

(湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院,浙江 湖州 313000)

0 引 言

近年來,農(nóng)產(chǎn)品食品安全問題在我國時有發(fā)生,并對消費者的身心健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響[1].由于農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的各方信息流通不暢,存在“信息孤島”,因此消費者難以獲取農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)的準(zhǔn)確信息.當(dāng)發(fā)生食品安全事故時,既難以判定事故責(zé)任方,又難以及時召回問題食品.這進一步增加了消費者對食品安全信息獲取的需求.

農(nóng)產(chǎn)品溯源體系是一種農(nóng)產(chǎn)品信息保障體系,在農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中,用于記錄和存儲農(nóng)產(chǎn)品供、產(chǎn)、銷等各種信息.溯源體系不僅能為消費者提供農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的信息,還能夠精確記錄問題發(fā)生的環(huán)節(jié)和及時確定事故責(zé)任方,從而減小損失.區(qū)塊鏈作為一種去中心化的分布式賬本,擁有分布式的存儲結(jié)構(gòu)、一致性的共識算法、公開透明的信息記錄和不可篡改的技術(shù)特點.將區(qū)塊鏈技術(shù)與農(nóng)產(chǎn)品溯源體系結(jié)合,通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集生產(chǎn)周期的數(shù)據(jù)并實時上鏈,數(shù)據(jù)不經(jīng)過第三方,不僅能保證農(nóng)產(chǎn)品溯源信息的真實可信[2-4],還能為農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者、消費者和政府監(jiān)管部門提供真實可靠的溯源數(shù)據(jù),實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品溯源的有效管控.

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛畔到y(tǒng)提出的新技術(shù),是一種基于分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、密碼學(xué)技術(shù)、時間戳技術(shù)等電子現(xiàn)金系統(tǒng)的構(gòu)架理念[5].區(qū)塊鏈的每一個區(qū)塊按照時間順序鏈接,組合成鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是一種用密碼學(xué)技術(shù)保證不可篡改和不可偽造的可靠數(shù)據(jù)庫,也是一種分布式賬本,具有去中心化、開放性、獨立性、安全性、匿名性等特點[6].

從廣義說,區(qū)塊鏈系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層組成.其中,數(shù)據(jù)層封裝了哈希函數(shù)和Merkle樹等數(shù)據(jù)區(qū)塊和密碼學(xué)加密技術(shù);網(wǎng)絡(luò)層由分布式網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳播機制和數(shù)據(jù)驗證機制組成;共識層主要封裝工作量證明和權(quán)益證明等各類共識算法;激勵層將現(xiàn)實生活中的經(jīng)濟因素與激勵機制組合到區(qū)塊鏈中,激勵機制包括發(fā)行機制和分配機制等;合約層包含各類腳本代碼、算法機制和智能合約,是區(qū)塊鏈可編程特性的基礎(chǔ);應(yīng)用層表現(xiàn)區(qū)塊鏈在現(xiàn)實生活中的可編程應(yīng)用和可編程金融等應(yīng)用場景[7-8].區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)模型見圖1.

比特幣自發(fā)行以來,被稱為區(qū)塊鏈1.0,比特幣的工作量證明共識算法,使得交易順序達成共識,也讓區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有去中心化的特點.被稱為區(qū)塊鏈2.0的以太坊,新增了權(quán)益證明共識算法,這使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)的發(fā)展更加迅速.到目前為止,區(qū)塊鏈技術(shù)已被運用到社會生活的各種場景,區(qū)塊鏈也進入到3.0時代[9].

圖1 區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)模型

1.2 SSM框架技術(shù)

SSM是Java開發(fā)過程中的一種快速應(yīng)用框架,其分別是Spring、SpringMVC、MyBatis[10].Spring框架是一個輕量級容器,提供功能強大的IOC、AOP和Web MVC等功能,以解決開發(fā)者在開發(fā)過程中遇到的常見問題.Spring不僅能應(yīng)用于Java應(yīng)用程序,還能應(yīng)用于桌面應(yīng)用程序和小程序,其特點是方便解耦、簡化開發(fā)、支持聲明式事務(wù)、方便程序測試等.SpringMVC是一種Web層的MVC框架,它是Spring的一個模塊,擁有Spring特性.Spring MVC擁有清晰的角色劃分、強大的直接配置方式、業(yè)務(wù)代碼可重用等優(yōu)點,能夠通過功能強大的前端控制器DispatcherServlet,對請求和響應(yīng)進行統(tǒng)一處理,并提供一整套解決方案,性能卓越,尤其適合現(xiàn)代的大型或超大型項目.MyBatis 是一個開源、輕量級的數(shù)據(jù)持久化框架,是 JDBC 和 Hibernate 的替代方案.MyBatis內(nèi)部封裝了JDBC,xml文件和注解減少了大量的JDBC代碼,實現(xiàn)對象到數(shù)據(jù)庫的映射,降低SQL與程序代碼的耦合度,開發(fā)者只需關(guān)注 SQL 語句本身,就能方便后期系統(tǒng)的修改和維護.

2 融合區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系

2.1 溯源體系架構(gòu)

基于融合區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系架構(gòu),主要由物理層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、接口層、系統(tǒng)層、用戶層構(gòu)成[11].系統(tǒng)架構(gòu)見圖2.

圖2 融合區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系整體架構(gòu)圖

物理層主要由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器等模塊組成.這類設(shè)備安裝在生產(chǎn)環(huán)境中,自動采集信息,詳盡地將感知信息、產(chǎn)品生產(chǎn)信息等收集待發(fā).

數(shù)據(jù)傳輸層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸,其通過WLAN、藍牙、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等方式,并通過安全協(xié)議將物理層的信息傳輸?shù)较到y(tǒng).數(shù)據(jù)傳輸層保證了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的信息通信.P2P網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點間通過維護一個共同的區(qū)塊來保持通信.

數(shù)據(jù)存儲層主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲操作,其通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和分布式存儲的雙重保障來保證信息的安全性.

接口層主要是一些API接口的設(shè)置,系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)的讀取和調(diào)用系統(tǒng)的不同模塊,都是通過接口層的交互來實現(xiàn)的.

系統(tǒng)層包括各種功能模塊的設(shè)計實現(xiàn).在各環(huán)節(jié),企業(yè)可以通過企業(yè)管理模塊實現(xiàn)自身的需求,政府可以通過系統(tǒng)監(jiān)管全流程的安全信息,用戶也有相應(yīng)的溯源查詢、評價建議等功能.

用戶層主要面向用戶,不同的用戶可以通過不同的客戶端,使用融合區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng).

2.2 溯源流程

農(nóng)產(chǎn)品溯源需要整個生產(chǎn)周期的所有參與方共同完成,生產(chǎn)過程中前一個環(huán)節(jié)的信息自動上傳到系統(tǒng)后,跟隨農(nóng)產(chǎn)品一起發(fā)送到下一環(huán)節(jié),環(huán)環(huán)相扣,以保證信息鏈完整真實.以湖羊農(nóng)產(chǎn)品溯源為例,其溯源流程見圖3.

2.2.1 生產(chǎn)階段

生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要節(jié)點為農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)方.生產(chǎn)方需要接入融合區(qū)塊鏈的溯源系統(tǒng),并在系統(tǒng)中錄入產(chǎn)品的基礎(chǔ)信息,包括湖羊的父母耳標(biāo)號、出生時間、性別、出生欄舍、所屬企業(yè)等,并實時上鏈.在進入下一環(huán)節(jié)后,下一環(huán)節(jié)的參與方可以通過數(shù)字簽名和時間戳來驗證消息的來源和真實性.此外,生產(chǎn)企業(yè)還可以在不同時間對湖羊的體檢數(shù)據(jù)進行即時上鏈,并將湖羊的防疫、診療記錄、欄舍環(huán)境信息即時上鏈存儲.生產(chǎn)階段上鏈數(shù)據(jù)見表1.

表1 生產(chǎn)階段上鏈數(shù)據(jù)

2.2.2 加工階段

加工環(huán)節(jié)的主要節(jié)點為農(nóng)產(chǎn)品加工方.當(dāng)加工方接收到來自生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品和信息后,需要對產(chǎn)品和信息進行驗證,同時將加工企業(yè)名稱、資質(zhì)、加工時間、加工方式等信息加入到農(nóng)產(chǎn)品信息中,并實時上鏈,以備后續(xù)查詢.加工階段上鏈數(shù)據(jù)見表2.

表2 加工階段上鏈數(shù)據(jù)

2.2.3 倉儲階段

倉儲環(huán)節(jié)關(guān)鍵為倉庫廠房.生產(chǎn)方和加工方的產(chǎn)品在交接時會存儲在固定地點,倉儲方需要對農(nóng)產(chǎn)品信息和來源信息進行驗證,然后對農(nóng)產(chǎn)品的倉儲信息,如倉儲地點、倉儲環(huán)境等進行收集上鏈.倉儲階段上鏈數(shù)據(jù)見表3.

表3 倉儲階段上鏈數(shù)據(jù)

2.2.4 運輸階段

運輸環(huán)節(jié)的主要信息是物流信息.當(dāng)農(nóng)產(chǎn)品狀態(tài)更新時,需要增加物流單號和物流企業(yè)等信息.運輸信息需要同農(nóng)產(chǎn)品的批次信息和物流信息一一對應(yīng),以便下個環(huán)節(jié)對接管理不同批次的農(nóng)產(chǎn)品.運輸階段上鏈數(shù)據(jù)見表4.

2.2.5 銷售階段

銷售環(huán)節(jié)的主要節(jié)點為各銷售方.經(jīng)過運輸環(huán)節(jié),農(nóng)產(chǎn)品被發(fā)往不同的銷售點,銷售企業(yè)驗證農(nóng)產(chǎn)品信息后,需要將經(jīng)銷商名稱、地址、商品來源、接收時間、銷售時間等信息加入到農(nóng)產(chǎn)品溯源信息中,以確保整個流程的產(chǎn)品信息完整性.銷售階段上鏈數(shù)據(jù)見表5.

表5 銷售階段上鏈數(shù)據(jù)

2.2.6 溯源階段

消費者輸入農(nóng)產(chǎn)品的溯源碼,系統(tǒng)對溯源碼和農(nóng)產(chǎn)品批次號等關(guān)鍵信息進行驗證,并將通過驗證的對應(yīng)批次號的所有溯源信息,包括商品來源、生產(chǎn)加工信息、倉儲物流信息等展示給消費者,從而完成農(nóng)產(chǎn)品的溯源過程.溯源數(shù)據(jù)見表6.

表6 溯源數(shù)據(jù)

3 溯源系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)需求

溯源系統(tǒng)使用最多的模塊主要是溯源信息的收集和展示.本系統(tǒng)的主要使用者包括系統(tǒng)管理員、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)方、農(nóng)產(chǎn)品加工方、農(nóng)產(chǎn)品倉儲方、農(nóng)產(chǎn)品運輸方、農(nóng)產(chǎn)品銷售方.消費者作為溯源體系的最終使用者,只需獲取農(nóng)產(chǎn)品的溯源信息即可,對溯源系統(tǒng)的邏輯并沒有更高的需求.系統(tǒng)模塊見圖4.

圖4 系統(tǒng)功能模塊圖

系統(tǒng)管理員模塊主要用于查看使用溯源系統(tǒng)的企業(yè)數(shù)量和企業(yè)信息,并結(jié)合Lay-UI前端組件展示使用溯源系統(tǒng)企業(yè)的信息.當(dāng)管理員登錄溯源系統(tǒng)后,可以通過企業(yè)管理模塊查看各企業(yè)的登錄賬號、密碼等,也可以注銷企業(yè).當(dāng)前登錄的管理員可以新增一個管理員賬號,并設(shè)置新賬號的密碼和用戶名等信息.

農(nóng)產(chǎn)品新增模塊可通過輸入農(nóng)產(chǎn)品名稱、產(chǎn)地、等級和生產(chǎn)方式來建立農(nóng)產(chǎn)品溯源信息檔案,在建立檔案后會自動生成唯一的農(nóng)產(chǎn)品溯源碼,溯源碼以IP地址的形式存儲在數(shù)據(jù)庫.在查詢數(shù)據(jù)庫溯源信息時,溯源信息以IP地址的形式發(fā)送給前端,在前端解析后再以二維碼的形式展示給消費者,而二維碼的內(nèi)容即為農(nóng)產(chǎn)品生命周期的溯源信息.

農(nóng)產(chǎn)品溯源主頁面展示溯源系統(tǒng)的主要功能.在頁面中間區(qū)域輸入農(nóng)產(chǎn)品溯源碼后,主頁面即可展示該農(nóng)產(chǎn)品的溯源信息.頁面上半部分展示農(nóng)產(chǎn)品溯源的整個流程,頁面下半部分展示農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)在不同農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用.

3.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于以上概述的溯源體系架構(gòu)和模型,設(shè)計一個融合區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng).該系統(tǒng)面向消費者、生產(chǎn)供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)主體和監(jiān)管部門,以保證農(nóng)產(chǎn)品信息能真實可信地被記錄下來,從而保障消費者溯源查詢結(jié)果的真實性,減少農(nóng)產(chǎn)品食品安全事故的發(fā)生概率.系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖5.

3.3 功能驗證

融合區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)使用聯(lián)盟區(qū)塊鏈將各方企業(yè)納入溯源體系,采用Hyper ledger fabric底層區(qū)塊鏈架構(gòu),基于Windows10操作系統(tǒng),在jdk1.8的Java環(huán)境下,通過IDEA編譯器進行開發(fā),使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲基礎(chǔ)信息.

3.3.1 溯源系統(tǒng)主界面

溯源查詢功能是消費者使用頻率最高的功能.在溯源系統(tǒng)主頁,消費者可通過溯源碼可查詢到產(chǎn)品的溯源檔案.在輸入溯源碼后,系統(tǒng)主頁展示的溯源信息包含農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)全生命周期的id、生產(chǎn)產(chǎn)地、生產(chǎn)日期、上鏈時間、生產(chǎn)企業(yè)等關(guān)鍵溯源信息.溯源信息展示界面見圖6.

圖5 區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖6 溯源信息展示界面

3.3.2 鏈上新增用戶接口測試

新增用戶的接口參數(shù)為certificate,該字段表示新增用戶的數(shù)字證書.接口返回值的參數(shù)包括:success,表示請求是否正確處理,返回true表示數(shù)據(jù)上鏈請求已經(jīng)收到,并未實現(xiàn)數(shù)據(jù)上鏈;errorCode,表示請求失敗時對應(yīng)的錯誤碼;msg,表示應(yīng)答消息描述;data,表示該接口,data為null.調(diào)用示例見圖7.

圖7 新增用戶接口測試

3.3.3 溯源信息上鏈接口測試

數(shù)據(jù)的明文上鏈接口參數(shù)包括:dataId,表示數(shù)據(jù)標(biāo)識;dataVersion,表示數(shù)據(jù)版本標(biāo)識;dataId和dataVersion,表示唯一一條上鏈數(shù)據(jù);bizCode,表示上鏈數(shù)據(jù)的類型,根據(jù)業(yè)務(wù)場景定義;indexes,表示可用來查詢的字段集合;dataContent,表示待上鏈的數(shù)據(jù)部分,該部分將直接存儲到區(qū)塊鏈上.接口返回值參數(shù)包括:success,表示請求是否正確處理,返回true表示數(shù)據(jù)上鏈請求已經(jīng)收到,但并未實現(xiàn)數(shù)據(jù)上鏈;errorCode,表示請求失敗時對應(yīng)的錯誤碼;msg,表示應(yīng)答消息的描述;data,表示該接口,data為null.調(diào)用示例見圖8.

3.3.4 溯源信息查詢接口測試

查詢鏈上數(shù)據(jù)接口參數(shù)包括:dataId,表示數(shù)據(jù)身份標(biāo)識;dataVersion,表示數(shù)據(jù)版本標(biāo)識,dataId 和 dataVersion,表示唯一一條上鏈數(shù)據(jù).接口返回值的參數(shù)包括:success,表示請求是否正確處理,返回true表示數(shù)據(jù)上鏈成功;errorCode,表示請求失敗時對應(yīng)的錯誤碼;msg,表示應(yīng)答消息描述;鏈上的數(shù)據(jù),data 為null,表示數(shù)據(jù)未上鏈.調(diào)用示例見圖9.

3.3.5 關(guān)鍵信息篡改測試

在農(nóng)產(chǎn)品信息的溯源流程中,農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)信息、加工信息和運輸信息對溯源結(jié)果的真實性具有重要作用.在生產(chǎn)周期中,這些關(guān)鍵信息被上傳至區(qū)塊鏈系統(tǒng),系統(tǒng)可通過區(qū)塊鏈的密碼學(xué)技術(shù)和分布式存儲技術(shù)等架構(gòu),保證上鏈信息不被篡改.

圖9 溯源查詢接口測試

在溯源鏈上產(chǎn)生交易新增區(qū)塊時,將生產(chǎn)、加工和運輸?shù)汝P(guān)鍵信息寫入?yún)^(qū)塊鏈的區(qū)塊體.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)則會在記錄數(shù)據(jù)時,通過數(shù)字簽名驗證交易的有效性,并將驗證通過的交易打包到區(qū)塊中,且在區(qū)塊鏈各節(jié)點形成共識.區(qū)塊鏈交易數(shù)據(jù)的全網(wǎng)共識,依靠的是共識機制制定的規(guī)則,只有通過共識的信息才會被保存在鏈上.

農(nóng)產(chǎn)品溯源鏈在生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生交易新增區(qū)塊時,生產(chǎn)方上傳的信息為:{“dataId” :”20221211”,”dataVersion” :“0060”,”dataConttent” :“生產(chǎn)日期為2022年10月25日”},并在各節(jié)點共識.在后續(xù)環(huán)節(jié)中,生產(chǎn)方更改生產(chǎn)日期為2022年11月25日,并將此條信息重新上鏈.當(dāng)修改的信息通過聯(lián)盟鏈的共識算法進行共識時,全網(wǎng)節(jié)點需要相互通信,以比對收到的信息與各自已共識的信息是否一致.在超過 2/3 節(jié)點收到一致的回復(fù)后,才能達成全網(wǎng)共識.而上傳虛假信息的節(jié)點因區(qū)塊鏈的共識算法規(guī)則,并不能讓所有節(jié)點都對此信息回復(fù)一致,所以修改的信息在全網(wǎng)節(jié)點中共識失敗,即此條信息不能被上傳并保存到鏈上.

信息篡改測試見圖10,其為真實信息的查詢結(jié)果.圖11為篡改信息的查詢結(jié)果,但鏈上并無篡改后的信息記錄,表明篡改的信息并未上鏈.這是因為農(nóng)產(chǎn)品溯源鏈至少有5個共識節(jié)點,只有一個節(jié)點篡改了信息,而超過2/3的節(jié)點無法對此達成全網(wǎng)共識,所以無法上鏈.

圖10 真實信息查詢結(jié)果

圖11 篡改信息查詢結(jié)果

4 結(jié) 語

本文基于傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源流程,設(shè)計一種融合區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng).通過對傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)存在問題的分析,對農(nóng)產(chǎn)品溯源流程進行分階段、分環(huán)節(jié)優(yōu)化設(shè)計,在每個階段實時收集信息并上傳至區(qū)塊鏈系統(tǒng),以保證農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的關(guān)鍵信息真實和不可篡改,從而解決傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的中心化存儲、信息不透明和存儲安全性低等問題.

由于區(qū)塊鏈技術(shù)在軟件系統(tǒng)方面尚未大范圍應(yīng)用,融合區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)還存在需要改進的地方.分布式存儲的共識機制和共識算法仍是區(qū)塊鏈技術(shù)的一大難點,不僅需要安全可信的機制算法,還需要考慮共識時間問題.此外,溯源流程的全國統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還未完全建立,因此系統(tǒng)的運行機制還需要進一步根據(jù)市場規(guī)律來進行研究和改進.