基于區(qū)塊鏈的草原畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與部署方案

李琦 閆石

摘 要：食品安全關(guān)系國(guó)計(jì)民生。畜產(chǎn)品是食品的重要組成部分，畜產(chǎn)品安全是畜牧業(yè)健康發(fā)展的重要基石。通過(guò)畜產(chǎn)品溯源保證草原畜產(chǎn)品的安全，使用數(shù)據(jù)的方式呈現(xiàn)牲畜從出生到被送上餐桌的歷程，消費(fèi)者不僅可以確認(rèn)畜產(chǎn)品是否安全，還可以了解它的品質(zhì)。畜產(chǎn)品溯源能夠?yàn)橄M(fèi)者的健康保駕護(hù)航，促進(jìn)畜牧業(yè)的發(fā)展，更可為畜產(chǎn)品帶來(lái)附加價(jià)值，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。介紹了基于區(qū)塊鏈的畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和部署方案，發(fā)現(xiàn)將區(qū)塊鏈技術(shù)融入畜產(chǎn)品溯源技術(shù)中，可以極大提高溯源數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

關(guān)鍵詞：畜產(chǎn)品;溯源;區(qū)塊鏈;去中心化

文章編號(hào)：1004-7026（2020）07-0139-02? ? ? ? ?中國(guó)圖書分類號(hào)：F322? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1? 傳統(tǒng)溯源技術(shù)的問(wèn)題與解決方案

在傳統(tǒng)溯源方式中，使用RFID技術(shù)可以大大提高食品溯源數(shù)據(jù)的可信度，以及偽造信息的成本，但無(wú)法完全確保溯源數(shù)據(jù)在整個(gè)供應(yīng)鏈的溯源流程中被篡改。

由于食品供應(yīng)鏈中每一個(gè)環(huán)節(jié)的溯源信息都要記錄在中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，查詢系統(tǒng)是依托中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)建立的，而中心節(jié)點(diǎn)并沒(méi)有被其他機(jī)構(gòu)監(jiān)管，因此無(wú)法確保中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)一定是真實(shí)可信的。一旦溯源系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)被攻擊，溯源信息被惡意篡改，或者由于溯源系統(tǒng)中心節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部人員操作失誤，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)食品溯源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不再真實(shí)。

雖然每一只牲畜實(shí)體和它的電子標(biāo)簽在物理關(guān)系上是一一對(duì)應(yīng)的，但假如存儲(chǔ)這些信息的食品溯源中心數(shù)據(jù)庫(kù)被攻擊，牲畜電子標(biāo)簽及其他溯源信息被篡改，牲畜的身份標(biāo)識(shí)和其他溯源數(shù)據(jù)與牲畜實(shí)體的對(duì)應(yīng)關(guān)系就被打亂。例如一只低品質(zhì)羊的電子標(biāo)簽及其溯源數(shù)據(jù)改為另一只高品質(zhì)羊的電子標(biāo)簽及相關(guān)數(shù)據(jù)，那低品質(zhì)羊肉產(chǎn)品就成為了優(yōu)質(zhì)羊肉產(chǎn)品，而這些過(guò)程除了黑客了解內(nèi)幕外，再?zèng)]有個(gè)人或組織機(jī)構(gòu)知曉內(nèi)情。如果內(nèi)部人員操作出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致數(shù)據(jù)改變，那錯(cuò)誤數(shù)據(jù)直接就變成了正確數(shù)據(jù)，也不會(huì)有人知道正確的數(shù)據(jù)。因此，在傳統(tǒng)溯源方式的架構(gòu)下，食品信息透明度較低，消費(fèi)者很難辨識(shí)溯源信息的真假。

將區(qū)塊鏈技術(shù)融入到傳統(tǒng)溯源技術(shù)中是一條可行之路。將溯源信息記錄到區(qū)塊鏈的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中，每一條數(shù)據(jù)上鏈都要經(jīng)過(guò)共識(shí)達(dá)成一致，極大程度避免了因操作失誤而造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)上鏈。每個(gè)參與溯源流程的節(jié)點(diǎn)各保留一份記錄溯源數(shù)據(jù)的副本，相當(dāng)于每個(gè)參與節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都被其他節(jié)點(diǎn)背書，數(shù)據(jù)上鏈后無(wú)法被更改和刪除，避免了中心節(jié)點(diǎn)被攻擊而使數(shù)據(jù)失真的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了去中心化的架構(gòu)。結(jié)合傳統(tǒng)溯源方式的優(yōu)點(diǎn)，使全部溯源流程公開(kāi)透明，確保溯源信息的真實(shí)可信[1]。

內(nèi)蒙古自治區(qū)是畜牧大省，畜牧業(yè)在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中有著重要的地位，畜產(chǎn)品是對(duì)外輸出的重要商品之一。

近幾年，畜產(chǎn)品的溯源體系逐步健全，極大提高了畜產(chǎn)品的附加價(jià)值，但其中仍有不足之處。使用區(qū)塊鏈技術(shù)的溯源技術(shù)可以彌補(bǔ)這些不足，解決畜產(chǎn)品安全問(wèn)題及畜產(chǎn)品以次充好的問(wèn)題，為消費(fèi)者和需要溯源信息的各部門、各組織提供可靠的溯源數(shù)據(jù)，有助于內(nèi)蒙古畜牧業(yè)健康穩(wěn)定的發(fā)展。

2? 基于區(qū)塊鏈的草原畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

溯源系統(tǒng)總體架構(gòu)主要分為4層，由下而上依次是數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、區(qū)塊鏈基礎(chǔ)層和應(yīng)用查詢層[2]。

（1）數(shù)據(jù)接入層。利用智能設(shè)備對(duì)草原牲畜在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和上傳，或通過(guò)供應(yīng)鏈中的生產(chǎn)系統(tǒng)接口將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層溯源數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。用于收集存儲(chǔ)溯源數(shù)據(jù)，并向上一層區(qū)塊鏈基礎(chǔ)層提供用于寫入?yún)^(qū)塊鏈賬本的溯源數(shù)據(jù)。

（3）區(qū)塊鏈基礎(chǔ)層。搭建草原畜產(chǎn)品溯源應(yīng)用，提供核心數(shù)據(jù)加密服務(wù)、共識(shí)服務(wù)以及智能合約的運(yùn)行環(huán)境，通過(guò)智能合約將數(shù)據(jù)自動(dòng)上鏈并儲(chǔ)存到分布式nosql數(shù)據(jù)庫(kù)中，并提供查詢服務(wù)API。

（4）應(yīng)用查詢層。通過(guò)調(diào)用區(qū)塊鏈基礎(chǔ)層的查詢API遍歷區(qū)塊形成查詢系統(tǒng)，供政府監(jiān)管部門監(jiān)管及消費(fèi)者查詢。

3? 基于區(qū)塊鏈的畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的部署方案

3.1? 不同類型的節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息之間的交互，不同類型的節(jié)點(diǎn)可以在同一物理服務(wù)器上部署運(yùn)行，系統(tǒng)中定義了3種不同類型的節(jié)點(diǎn)[3]。

（1）客戶端節(jié)點(diǎn)是通過(guò)編寫SDK對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求以調(diào)用其上層應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)。在客戶端通過(guò)網(wǎng)關(guān)向區(qū)塊鏈系統(tǒng)提交交易請(qǐng)求時(shí)，會(huì)使用與客戶端身份對(duì)應(yīng)的私鑰簽署電子簽名。當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向共識(shí)節(jié)點(diǎn)提交交易時(shí)，會(huì)使用與其綁定的私鑰簽署節(jié)點(diǎn)簽名附在交易之后。

（2）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是為客戶端節(jié)點(diǎn)和共識(shí)節(jié)點(diǎn)提供網(wǎng)關(guān)服務(wù)的節(jié)點(diǎn)。一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以連接一個(gè)或多個(gè)客戶端節(jié)點(diǎn)，同時(shí)一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也可以連接一個(gè)或多個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)，也可以與其中一個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)部署在同一臺(tái)服務(wù)器上，其部署需要與共識(shí)節(jié)點(diǎn)的一對(duì)秘鑰進(jìn)行綁定。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是區(qū)塊鏈系統(tǒng)中交易上傳的樞紐，具有管理秘鑰、進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。

（3）共識(shí)節(jié)點(diǎn)（Peer）是共識(shí)協(xié)議參與方，會(huì)產(chǎn)生一致性賬本。作為區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心部分，共識(shí)節(jié)點(diǎn)是共識(shí)過(guò)程的載體，可以觸發(fā)智能合約的條件按照一定的邏輯將數(shù)據(jù)錄入?yún)^(qū)塊鏈賬本中并進(jìn)行管理。一個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可以由若干個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)上可以運(yùn)行多個(gè)賬本，賬本是數(shù)據(jù)維度的獨(dú)立管理單元?？梢哉f(shuō)共識(shí)節(jié)點(diǎn)是區(qū)塊鏈賬本在物理意義上的載體，而賬本則是交易數(shù)據(jù)在邏輯關(guān)系上的載體，而每一個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)都建有一個(gè)非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)作為賬本在邏輯意義上的載體。在啟動(dòng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)后，共識(shí)節(jié)點(diǎn)所在的服務(wù)器上就運(yùn)行著一個(gè)進(jìn)程，可以提供共識(shí)服務(wù)并將上鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中[4]。

3.2? 部署方案

（1）第一種業(yè)務(wù)部署方案是將政府部門、牧戶、銀行、保險(xiǎn)公司、屠宰加工公司、倉(cāng)儲(chǔ)物流公司、養(yǎng)殖區(qū)、銷售店面、超市等各類部門中的每一種部門作為一個(gè)組織。每個(gè)組織部署一個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)，包含這一類共識(shí)節(jié)點(diǎn)若干個(gè)（最好是3f+1個(gè)，以方便共識(shí)），具體對(duì)應(yīng)每一個(gè)組織內(nèi)該類實(shí)體若干個(gè)。每一個(gè)實(shí)體的共識(shí)節(jié)點(diǎn)和其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)部署在一個(gè)小型服務(wù)器上，通過(guò)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連的客戶端向組織內(nèi)部組成的區(qū)塊鏈系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)，經(jīng)由網(wǎng)關(guān)發(fā)給共識(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行共識(shí)，達(dá)成一致性共識(shí)后記錄在共識(shí)節(jié)點(diǎn)非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，并向網(wǎng)關(guān)返回結(jié)果[5]。

任意一個(gè)組織內(nèi)可以調(diào)用其他組織網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)面向外部的查詢接口獲得其他組織的溯源數(shù)據(jù)，消費(fèi)者使用的查詢終端可以以牲畜唯一標(biāo)識(shí)碼為紐帶，調(diào)用養(yǎng)殖、屠宰加工、倉(cāng)儲(chǔ)物流等各部門區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，接口使用spring或其它框架建立查詢系統(tǒng)。

例如將所有牧民合作社作為一個(gè)組織，其中每個(gè)牧民合作社實(shí)體配備一臺(tái)小型服務(wù)器用以部署共識(shí)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。牧民合作社可以通過(guò)客戶端或智能設(shè)備上傳數(shù)據(jù)，溯源數(shù)據(jù)在組織內(nèi)部進(jìn)行共識(shí)，達(dá)成一致后錄入牧民合作社組織的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中。其他組織可以通過(guò)牧民合作社網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接口調(diào)用牧民養(yǎng)殖信息。

這種業(yè)務(wù)部署方式不需要跨部門共識(shí)，而是組織內(nèi)部共識(shí)，只保存，可以減少電力消耗。而查詢時(shí)由于各組織組成的是分布式系統(tǒng)，沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)，溯源數(shù)據(jù)從區(qū)塊鏈系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口讀取，可以保證系統(tǒng)的去中心化以及數(shù)據(jù)的不可篡改和真實(shí)可靠，但需要部署大量服務(wù)器，耗資較大[6-7]。

（2）第二種業(yè)務(wù)部署方案是以上每個(gè)組織作為一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，每個(gè)組織在一臺(tái)大型服務(wù)器上部署一個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，組織內(nèi)部每個(gè)實(shí)體配備一個(gè)客戶端連接網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，共識(shí)在各組織之間進(jìn)行。組織內(nèi)部所有溯源數(shù)據(jù)通過(guò)客戶端傳入網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，提交到代表各不同組織的共識(shí)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行共識(shí)，共識(shí)達(dá)成后將溯源數(shù)據(jù)寫入每個(gè)組織共識(shí)節(jié)點(diǎn)各自的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中。

例如所有牧民合作社組成的牧民合作社組織僅有一臺(tái)服務(wù)器作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，組織上僅部署一個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，但組織內(nèi)每個(gè)牧民合作社都要配備一臺(tái)可以訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的客戶端，用于上傳和查詢養(yǎng)殖數(shù)據(jù)。每次數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)后需要向本組織獨(dú)立節(jié)點(diǎn)和其他各組織獨(dú)立節(jié)點(diǎn)發(fā)送共識(shí)請(qǐng)求，達(dá)成一致后寫入各組織獨(dú)立共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中[8]。

這種業(yè)務(wù)部署方式真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)對(duì)等的非中心化架構(gòu)，符合區(qū)塊鏈系統(tǒng)原本的意愿，設(shè)備耗資較少，但共識(shí)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜且每個(gè)組織需要保存自身組織和其他組織的大量溯源數(shù)據(jù)，耗費(fèi)的資源較多[9-11]。

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作者簡(jiǎn)介：李? 琦（1973—），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。

閆? 石（1990—），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，研究方向：區(qū)塊鏈溯源。