數(shù)字簽名技術(shù)在食品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用研究

劉 純 劉柱鴻

(湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410151)

食品從生產(chǎn)到運(yùn)輸，最后經(jīng)過加工直到端上餐桌，中間的每一個環(huán)節(jié)都有可能出現(xiàn)各種問題[1-2]，其中所出現(xiàn)的每一個問題都將嚴(yán)重影響食品的質(zhì)量，從而對消費(fèi)者造成傷害[3]。隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，基于大數(shù)據(jù)數(shù)字簽名技術(shù)在食品產(chǎn)地溯源領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，食品產(chǎn)地溯源技術(shù)逐漸成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的一個重點(diǎn)的研究課題，并且發(fā)展形成了一套完整的技術(shù)體系[4]。多種多樣的食品產(chǎn)地溯源技術(shù)為中國的食品安全及公共衛(wèi)生事業(yè)作出了重要貢獻(xiàn),有效保護(hù)了消費(fèi)者的根本利益和生命財產(chǎn)安全[5]。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、新一代無線通信等技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，其為人們提供了記錄和分析食品在生產(chǎn)[6]、流通和制作過程中狀態(tài)實時變化的能力。食品的各種狀態(tài)可以通過結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)來描述，如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和分析，發(fā)掘其中的重要信息以支撐食品產(chǎn)地溯源技術(shù)的發(fā)展尤為重要。以區(qū)塊鏈技術(shù)為代表的數(shù)字簽名技術(shù)，具有去中心化[7]、不可修改[8]、保護(hù)隱私、安全、高效、成本低等特點(diǎn)[9]，因此非常適合應(yīng)用于食品的產(chǎn)地溯源等領(lǐng)域中。利用數(shù)字簽名技術(shù)建立起一套完整的視頻產(chǎn)地溯源體系，不但可以降低各個監(jiān)管部門的運(yùn)行成本，更能夠提升食品在生產(chǎn)、運(yùn)輸和制作過程中其狀態(tài)的透明度和可信度。

文章擬針對數(shù)字簽名技術(shù)在食品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用展開分析和討論，對數(shù)字簽名技術(shù)中的“智能合約[9]”“區(qū)塊鏈技術(shù)[10]”在食品產(chǎn)地溯源領(lǐng)域中應(yīng)用的細(xì)節(jié)進(jìn)行介紹；綜合比較基于數(shù)字簽名技術(shù)的食品產(chǎn)地溯源技術(shù)和基于傳統(tǒng)方法的食品產(chǎn)地溯源技術(shù)的差異[11]，并總結(jié)國內(nèi)外對數(shù)字簽名在食品產(chǎn)地溯源領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，從不同角度對具體的實際應(yīng)用場景進(jìn)行探討和總結(jié)，以期為食品產(chǎn)地溯源技術(shù)的發(fā)展提供依據(jù)。

1 食品產(chǎn)地溯源的基本概念

食品產(chǎn)地溯源一般包括農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源和非農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源。目前，這兩種類型食品所使用的產(chǎn)地溯源技術(shù)差異巨大[12]。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源最常用的是通過分析食品生產(chǎn)地的特殊性指標(biāo)間接地完成食品的產(chǎn)地溯源[13]。目前，該類型食品應(yīng)用較成熟的技術(shù)手段包括光譜檢測技術(shù)、分子生物學(xué)檢測技術(shù)和質(zhì)譜分析技術(shù)等，這些技術(shù)通過產(chǎn)品的具體成分，如揮發(fā)性成分、特定同位素含量等指標(biāo)，并結(jié)合相關(guān)的物理化學(xué)方法對農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)場地進(jìn)行特征分析，從而完成產(chǎn)地溯源[13]。

非農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的應(yīng)用范圍比較廣泛，包括奶粉、包裝類食品、速凍食品等[14]。這種類型的食品在傳統(tǒng)的產(chǎn)地溯源模式中，只能靠產(chǎn)品的標(biāo)簽信息進(jìn)行信息追溯[15]。在這種信息嚴(yán)重不對稱的情況下，極其容易出現(xiàn)仿冒產(chǎn)品，例如號稱是純進(jìn)口的奶粉，其實是國內(nèi)的代工產(chǎn)品；但是在這種情況下，消費(fèi)者難以界定，有可能被宣傳誤導(dǎo)，從而造成一定的經(jīng)濟(jì)損失[16]。即使有些產(chǎn)品具有真實的產(chǎn)地等信息，消費(fèi)者也難以通過標(biāo)簽直接判斷食品的質(zhì)量。

就目前而言，農(nóng)產(chǎn)品在產(chǎn)地溯源問題上雖然難度較小[17]，但是普通的消費(fèi)者很難使用各種化學(xué)檢驗的方式進(jìn)行分析；此外，農(nóng)產(chǎn)品在運(yùn)輸和制作過程中的狀態(tài)難以記錄和分析。非農(nóng)產(chǎn)品存在嚴(yán)重的信息不對稱性，消費(fèi)者只能通過標(biāo)簽對食品的產(chǎn)地進(jìn)行溯源。針對食品產(chǎn)地溯源領(lǐng)域中存在的“信息孤島[18]”以及“信息壁壘[19]”等問題，科研人員引入了數(shù)字簽名技術(shù)[20]?；趨^(qū)塊鏈的數(shù)字簽名技術(shù)可以建立起一套完整的食品產(chǎn)地溯源體系，食品從生產(chǎn)、運(yùn)輸以及最終的交易信息都可以被完整地保存下來，這些記錄一旦生成將無法被更改，極大地提升了食品的信息透明度[20]。

2 數(shù)字簽名的基本概念

人類在很長一段時間內(nèi)都是以手寫簽名、印章或指模等來確認(rèn)作品、文件等的真實性，包括認(rèn)定作品的創(chuàng)作者、文件簽署者的身份[21]，推定作品的真?zhèn)位蛘呶募?nèi)容的真實性。數(shù)字簽名技術(shù)用于在數(shù)字社會中實現(xiàn)類似于手寫簽名或者印章的功能，從而實現(xiàn)數(shù)字簽名的整個過程。數(shù)字簽名技術(shù)實際上能夠提供比手寫簽名或印章更多的安全保障。一個有效的數(shù)字簽名能夠確保簽名的確是由認(rèn)定的簽名人完成，即簽名人身份的真實性；被簽名的數(shù)字內(nèi)容在簽名后沒有發(fā)生任何改變，即被簽名數(shù)據(jù)的完整性；接收人一旦獲得簽名人的有效簽名后，簽名人無法否認(rèn)其簽名行為，即不可修改性。

3 數(shù)字簽名技術(shù)在食品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

3.1 智能合約在食品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用研究

智能合約是數(shù)字簽名技術(shù)的一種，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字貨幣等領(lǐng)域[22]。智能合約是區(qū)塊鏈中的一種通用協(xié)議，這種協(xié)議中包含了一些可執(zhí)行的代碼；不同的智能合約通過自身的可執(zhí)行程序，可以與其他的智能合約進(jìn)行互動，完成信息的存儲[23]。智能合約主力提供驗證及執(zhí)行合約內(nèi)所訂立的條件。目前，智能合約技術(shù)支持去中心化的交易方式，這種交易可以在沒有第三方參與的情況下進(jìn)行，并且交易具有公開性和不可修改性[24]。

在食品產(chǎn)地溯源領(lǐng)域，可以將智能合約技術(shù)應(yīng)用于食品生產(chǎn)、流通和交易的各個環(huán)節(jié)，從而有效地解決“信息孤島”和“信息壁壘”等問題。文獻(xiàn)[23]以進(jìn)口食品為例，提出了一種基于智能合約的商品產(chǎn)地追溯方案，在完整的交易流程中，主要是由貨物的賣家和貨物的買家達(dá)成交易協(xié)議而帶動的一系列的交互過程，從而完成主智能合約。與此同時，其他商家交易方可以使用多個子智能合約，一旦達(dá)到交易條件，則可以開始執(zhí)行該項交易流程，執(zhí)行過程中，所有的操作都將被記錄而無法修改，因此消費(fèi)者可以通過同一個平臺對其中所有的交易和流通環(huán)節(jié)進(jìn)行查看。文獻(xiàn)[25]進(jìn)一步提出了一種改進(jìn)的食品產(chǎn)地溯源方案，該方案包含多個智能協(xié)議，其中包括一個主合約和多個子合約。交易過程中，需要使用主智能合約完成整個交易流程的聯(lián)動工作，因此所有的子智能合約的交易執(zhí)行不能違背主智能合約的條款。主智能合約與子智能合約之間存在一種鏈?zhǔn)疥P(guān)系，所有的交易和執(zhí)行信息會通過鏈?zhǔn)降膫鬟f方式分級發(fā)送；因此，交易雙方一旦開始執(zhí)行，另外的一個賬戶也會受到交易執(zhí)行的指令。為了完成智能合約的執(zhí)行，雙方需要同時授權(quán)開放，這種多級分布式的合約系統(tǒng)保證了信息記錄的可靠性和穩(wěn)定性，使不法分子難以對食品產(chǎn)地、交易地點(diǎn)等信息進(jìn)行篡改，保護(hù)了消費(fèi)者的權(quán)益。文獻(xiàn)[26]指出建立在block-chain技術(shù)的基礎(chǔ)上，雖然交易雙方互不認(rèn)識，但是因為block-chain的設(shè)計機(jī)制，交易雙方不必懷疑對方的信息。智能合約與智能合約之間的執(zhí)行和交易一般是由事件驅(qū)動的，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。只有當(dāng)所有子智能合約驗證交易確認(rèn)完成，主智能合約雙方才可以看到一份“合法有效”的交易，且交易被記錄于特定區(qū)塊中，商家可從中獲取賬戶收益數(shù)據(jù)[27]。

3.2 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)在食品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用研究

區(qū)塊鏈中的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)是數(shù)字簽名中的一項非常重要的技術(shù)。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)主要分為公有鏈和私有鏈，其中私有鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)可以有效保護(hù)交易雙方的隱私，并且交易延遲低、速度快，適用于隱私性較強(qiáng)的食品的產(chǎn)地溯源。文獻(xiàn)[28]設(shè)計了一種基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的食品產(chǎn)地溯源系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用相對于食品交易的銀行轉(zhuǎn)賬信息更具有難以偽造性，且每一產(chǎn)品都有唯一與其對應(yīng)的二維碼，因此對存在公有鏈中的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，使用KNN[29]模型來完成食品的產(chǎn)地溯源任務(wù)。文獻(xiàn)[30]則以進(jìn)口乳制品為例，設(shè)計了一種基于公有鏈和私有鏈的混合食品產(chǎn)地溯源技術(shù)，首先，各個產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)將交易信息以時間戳方式進(jìn)行記錄，例如乳制品生產(chǎn)時間、生產(chǎn)數(shù)量、原材料產(chǎn)地、交易的具體信息等錄入企業(yè)的私有鏈中；其次，商家還需要將私有鏈中所記錄的有關(guān)商品交易的具體信息再次上鏈至公有鏈中，保持對外公開透明，其流程如圖2所示。產(chǎn)品的買賣雙方均需要對產(chǎn)品的具體交易信息進(jìn)行記錄和上傳，并在區(qū)塊中進(jìn)行記錄；對于其他的隱私數(shù)據(jù)可以記錄至私有鏈中，既實現(xiàn)了信息公開，也保證了交易雙方的隱私。實踐顯示，基于混合鏈的食品溯源系統(tǒng)可以更好地保存所有交易的細(xì)節(jié)信息，更加有助于食品產(chǎn)地的追溯[31]。

圖1 智能合約的交易架構(gòu)

圖2 基于混合鏈的食品溯源系統(tǒng)

3.3 數(shù)字簽名結(jié)合生物技術(shù)在食品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用研究

非農(nóng)業(yè)食品的產(chǎn)地溯源領(lǐng)域中，最大的問題是“信息壁壘”和“信息孤島”，但是這一問題在農(nóng)產(chǎn)品中并不存在。農(nóng)產(chǎn)品在食品產(chǎn)地溯源領(lǐng)域中最大的問題是存儲和流通之間產(chǎn)生的問題[32]。一旦農(nóng)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題，具體的責(zé)任方無法落實，最后只能由消費(fèi)者買單。為了解決這一問題，文獻(xiàn)[33]提出了一種基于數(shù)字簽名技術(shù)和生物技術(shù)的食品產(chǎn)地溯源技術(shù)，該技術(shù)將分子生物學(xué)技術(shù)與數(shù)字簽名技術(shù)結(jié)合，共同完成了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源。分子生物學(xué)溯源技術(shù)主要是運(yùn)用脫氧核糖核酸(DNA)技術(shù)進(jìn)行溯源, DNA的本質(zhì)是脫氧核糖核酸, 由于其分子結(jié)構(gòu)排列組成的多樣性, 使不同生物具有不同的DNA結(jié)構(gòu)。DNA是生物的特有屬性,不會因環(huán)境的變化而改變, 因其獨(dú)特性與穩(wěn)定性,可作為溯源的依據(jù)。根據(jù)獲取研究對象的特征DNA,經(jīng)數(shù)據(jù)處理建立數(shù)學(xué)模型,是一種準(zhǔn)確、靈敏的溯源技術(shù)。將生物學(xué)技術(shù)檢驗出的結(jié)果上傳至區(qū)塊鏈中，形成完整的數(shù)字簽名，消費(fèi)者和各級監(jiān)管部門可以通過數(shù)字簽名技術(shù)和生物檢測技術(shù)的結(jié)合更加全面地對食品產(chǎn)地進(jìn)行溯源。文獻(xiàn)[20]提出了使用核磁共振技術(shù)和數(shù)字簽名技術(shù)完成對白酒、水果、食用油等的產(chǎn)地追溯。

3.4 多種混合技術(shù)在食品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用研究

隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展以及農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部成分的復(fù)雜化[34]，依靠單一的技術(shù)已無法實現(xiàn)有效的產(chǎn)地溯源, 越來越多的研究者開始關(guān)注多種溯源技術(shù)的聯(lián)用[35]，以提高食品產(chǎn)地溯源的準(zhǔn)確率[36]。不同溯源技術(shù)之間可以通過多參數(shù)多指標(biāo)多技術(shù)融合的方式進(jìn)行結(jié)合,對數(shù)字簽名食品溯源技術(shù)[37]、同位素指紋溯源技術(shù)[38]、礦物質(zhì)元素指紋溯源技術(shù)[39]、拉曼光譜指紋溯源技術(shù)、核磁共振指紋溯源技術(shù)、高光譜指紋溯源技術(shù)等進(jìn)行結(jié)合使用,充分利用每一種溯源技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),在提高食品產(chǎn)地溯源的準(zhǔn)確性上具有廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[39]通過提出聯(lián)合數(shù)字簽名技術(shù)和化學(xué)分析的方法對櫻桃產(chǎn)地進(jìn)行追溯，結(jié)果顯示，基于混合技術(shù)的食品產(chǎn)地溯源方法在判別準(zhǔn)確率上遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

4 結(jié)論

數(shù)字簽名技術(shù)是一種全新的技術(shù)體系，該技術(shù)具有去中心化、不可修改、保護(hù)隱私、安全、高效、成本低等特點(diǎn)，因此非常適合應(yīng)用于食品的產(chǎn)地溯源等領(lǐng)域中?；跀?shù)字簽名技術(shù)的食品產(chǎn)地溯源技術(shù)，可以對食品的整個交易流程進(jìn)行全方位的記錄。由于數(shù)字簽名本身具有去中心化等特點(diǎn)，因此可以防止所記錄的數(shù)據(jù)被修改，保證記錄的安全可靠。文章從數(shù)字簽名技術(shù)在食品產(chǎn)地溯源領(lǐng)域的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，介紹了多種基于數(shù)字簽名技術(shù)的食品產(chǎn)地溯源方法，分析了各個方法的優(yōu)缺點(diǎn)和使用場景。