農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈區(qū)塊鏈追溯技術(shù)研究進(jìn)展與展望

孫傳恒 于華竟 徐大明 邢 斌 楊信廷

(1.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100097)

0 引言

近年來(lái)，農(nóng)獸藥殘留超標(biāo)等農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事件頻發(fā)，不僅危及人們的身體健康，同時(shí)也對(duì)農(nóng)產(chǎn)品出口貿(mào)易造成不利的影響，因此成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)[1-2]，農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)成為保障農(nóng)產(chǎn)品安全的重要手段。農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)能夠記錄、存儲(chǔ)供應(yīng)鏈從生產(chǎn)到銷售的數(shù)據(jù)信息，一旦發(fā)生農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題，系統(tǒng)能夠快速追溯產(chǎn)品來(lái)源，并且定位責(zé)任主體，及時(shí)召回有問(wèn)題批次的產(chǎn)品[3]。

目前，追溯系統(tǒng)的研究主要集中在射頻識(shí)別[4]、二維碼[5]、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)[6]等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)追溯信息的采集方面，但國(guó)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈具有鏈條長(zhǎng)、生產(chǎn)分散、信息多源異構(gòu)等特點(diǎn)[7]，供應(yīng)鏈上下游主體由于復(fù)雜的利益博弈關(guān)系，造成各節(jié)點(diǎn)間信息不對(duì)稱、信任成本較高等問(wèn)題，影響了整體追溯效率。同時(shí)，傳統(tǒng)追溯系統(tǒng)存在無(wú)法將供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的追溯信息進(jìn)行準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)、由企業(yè)中心數(shù)據(jù)庫(kù)自主管理供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)等問(wèn)題，導(dǎo)致追溯信息不精確、不完整[8]，產(chǎn)生糾紛時(shí)舉證困難、責(zé)任難以明確[9]。因此，傳統(tǒng)追溯技術(shù)無(wú)法完全解決我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯中存在的問(wèn)題，探索有效的技術(shù)方案成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

區(qū)塊鏈技術(shù)基于分布式存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等關(guān)鍵技術(shù)，具有去中心化、數(shù)據(jù)不可篡改、可追溯、高可用等特點(diǎn)[10]，能夠有效解決供應(yīng)鏈上下游數(shù)據(jù)在傳遞過(guò)程中的信任問(wèn)題，從而構(gòu)建與追溯需求吻合的可信交易環(huán)境。區(qū)塊鏈技術(shù)與農(nóng)產(chǎn)品追溯相結(jié)合，能做到分散資源集中管理、集中資源分散服務(wù)，為解決目前傳統(tǒng)追溯體系存在的問(wèn)題提供了技術(shù)支撐[11]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度研究了區(qū)塊鏈技術(shù)在供應(yīng)鏈追溯中的應(yīng)用，如KORPELA等[12]、KSHETRI[13]和MEZQUITA等[14]從交易管理方面探討了區(qū)塊鏈技術(shù)在供應(yīng)鏈上的應(yīng)用，KAMILARIS等[15]和FRANCISCO等[16]從供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)透明管理方面探討了區(qū)塊鏈追溯的應(yīng)用，AZZI等[17]和LU等[18]從區(qū)塊鏈架構(gòu)方面討論了區(qū)塊鏈技術(shù)在供應(yīng)鏈上的應(yīng)用，BUMBLAUSKAS等[19]和ZHAO等[20]從系統(tǒng)集成方面研究了區(qū)塊鏈在果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈上的應(yīng)用，KAMATH[21]結(jié)合具體案例認(rèn)為，區(qū)塊鏈在沃爾瑪食品供應(yīng)鏈中具有快速可信追溯的優(yōu)勢(shì)。在整個(gè)供應(yīng)鏈或部分生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)自動(dòng)獲取產(chǎn)品歷史、應(yīng)用情況或所處位置等信息之間相互關(guān)聯(lián)或相互作用的區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和方向[22]。

本文綜合分析國(guó)內(nèi)外區(qū)塊鏈追溯技術(shù)研究進(jìn)展，在對(duì)比傳統(tǒng)追溯技術(shù)和區(qū)塊鏈追溯技術(shù)基礎(chǔ)上，分析區(qū)塊鏈追溯的概念；并從區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同、區(qū)塊鏈追溯共識(shí)機(jī)制和區(qū)塊鏈追溯數(shù)據(jù)隱私保護(hù)等方面闡述區(qū)塊鏈在農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈上的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，最后從多鏈和跨鏈技術(shù)以及與新一代信息技術(shù)融合方面展望區(qū)塊鏈追溯的發(fā)展趨勢(shì)。

1 傳統(tǒng)追溯技術(shù)

追溯是指通過(guò)記錄或標(biāo)識(shí)，追蹤和追溯客體的歷史、應(yīng)用情況或所處位置的活動(dòng)，追溯系統(tǒng)指基于追溯碼、文件記錄、相關(guān)軟硬件設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息化管理并可獲取產(chǎn)品追溯過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)的集成[23]。農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯重點(diǎn)跟蹤記錄農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、銷售等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“從農(nóng)田到餐桌”的全環(huán)節(jié)監(jiān)管[24]。表1列出了國(guó)內(nèi)外在水產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品、果蔬等大型生鮮農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域建立的典型追溯系統(tǒng)[25-26]。

從表1可看出，傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)存在人工干預(yù)數(shù)據(jù)錄入、依賴第三方機(jī)構(gòu)監(jiān)管數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在企業(yè)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)等問(wèn)題，極易引起數(shù)據(jù)傳遞和共享過(guò)程中的篡改和泄露危機(jī)[31]。

2 區(qū)塊鏈追溯

2.1 區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介

區(qū)塊鏈?zhǔn)嵌喾絽⑴c共同維護(hù)的持續(xù)增長(zhǎng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)[32-33],基于分布式網(wǎng)絡(luò)、密碼學(xué)和共識(shí)機(jī)制建立信任關(guān)系，通過(guò)智能合約構(gòu)建價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)。區(qū)塊鏈的本質(zhì)是共享賬本[34],通過(guò)開發(fā)分布式平臺(tái)解決主體協(xié)作、信息誤傳、缺乏監(jiān)管的問(wèn)題；基于全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)共享模型，提供大數(shù)據(jù)共享和證據(jù)保存；通過(guò)零知識(shí)證明[35]和安全多方計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證而不披露。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下所有節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通、對(duì)等通信，共同查詢、記錄、維護(hù)賬本數(shù)據(jù)，打破信息孤島，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行的邊界，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化[36]。

區(qū)塊結(jié)構(gòu)由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成(見圖1)。區(qū)塊頭存儲(chǔ)上一區(qū)塊的哈希值，實(shí)現(xiàn)鏈上數(shù)據(jù)的可信追溯，在長(zhǎng)鏈中修改任一區(qū)塊的數(shù)據(jù)將導(dǎo)致本區(qū)塊哈希無(wú)效，從而引起斷鏈，需要消耗巨大算力重新計(jì)算本區(qū)塊和所有后續(xù)區(qū)塊哈希值；根據(jù)區(qū)塊頭存儲(chǔ)的Merkle根能夠快速驗(yàn)證交易數(shù)據(jù)的篡改，以上兩種機(jī)制保證了區(qū)塊數(shù)據(jù)一經(jīng)驗(yàn)證寫入便不可篡改[37]。區(qū)塊體則包含了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的、塊創(chuàng)建過(guò)程中發(fā)生價(jià)值交換的所有追溯記錄，具體追溯記錄字段因節(jié)點(diǎn)不同而存在差異。

2.2 區(qū)塊鏈分類

根據(jù)節(jié)點(diǎn)參與方式，區(qū)塊鏈可劃分為公有鏈(Public Blockchain)[38]、私有鏈(Private Blockchain)[39]和聯(lián)盟鏈(Consortium Blockchain)[40]。根據(jù)節(jié)點(diǎn)參與權(quán)限，區(qū)塊鏈可劃分為許可鏈(Permissioned Blockchain)[41]和非許可鏈(Permissionless Blockchain)[42]。表2分析了不同類型的區(qū)塊鏈在節(jié)點(diǎn)參與、記賬權(quán)、讀寫權(quán)限、激勵(lì)方式以及網(wǎng)絡(luò)特征等方面的特點(diǎn)。

表2 區(qū)塊鏈類型Tab.2 Type of blockchain

2.3 區(qū)塊鏈追溯技術(shù)

區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)是在追溯系統(tǒng)中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)信息、加工信息、運(yùn)輸信息以及銷售信息的數(shù)據(jù)一旦驗(yàn)證通過(guò)寫入?yún)^(qū)塊賬本就無(wú)法修改，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)、透明、可靠[43]。表3列出國(guó)內(nèi)外主流組織和權(quán)威學(xué)者對(duì)區(qū)塊鏈追溯的定義。從中可以看出，農(nóng)產(chǎn)品區(qū)塊鏈追溯目的是實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品全生命周期跟蹤追溯，構(gòu)架農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈間的溝通橋梁，提升信息的透明度和真實(shí)性，在追溯平臺(tái)信任得到了良好的維護(hù)。

2.4 聯(lián)盟鏈追溯技術(shù)

我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯參與主體多、鏈條復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)鏈呈現(xiàn)“兩頭小中間大”特征，通過(guò)聯(lián)盟鏈多中心化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平衡多參與主體問(wèn)題，有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中各參與主體的協(xié)作效率，構(gòu)建透明、真實(shí)、可信的農(nóng)產(chǎn)品追溯體系。表4列出部分農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯體系，從表4中能夠看出基于聯(lián)盟鏈開展區(qū)塊鏈追溯研究已成為國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)和共識(shí)。

3 區(qū)塊鏈追溯關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

基于聯(lián)盟鏈的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯系統(tǒng)利用各種物聯(lián)網(wǎng)采集和保存方式，獲得農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸以及銷售過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)利用智能合約自動(dòng)執(zhí)行交易條款，基于非對(duì)稱加密和數(shù)字簽名保證交易數(shù)據(jù)的唯一性和安全性，通過(guò)多通道的事務(wù)隔離性提供隱私保護(hù)，確保了信息流、資金流、物流和商流的可靠流轉(zhuǎn)，在離散程度高、鏈條長(zhǎng)、參與主體多的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中實(shí)現(xiàn)多組織高效協(xié)作、資源共識(shí)共享共治的智能化配置，大幅降低農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈成本。區(qū)塊鏈技術(shù)涉及到組網(wǎng)建鏈、數(shù)據(jù)協(xié)同、共識(shí)算法、智能合約、隱私保護(hù)和模式標(biāo)準(zhǔn)等系列技術(shù)，限于篇幅，本文重點(diǎn)從區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同、區(qū)塊鏈追溯共識(shí)機(jī)制和區(qū)塊鏈追溯隱私保護(hù)方面分析區(qū)塊鏈追溯關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展。

表3 區(qū)塊鏈追溯定義Tab.3 Concepts of blockchain traceability

表4 區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)Tab.4 Blockchain traceability system

3.1 區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同技術(shù)

國(guó)內(nèi)聯(lián)盟區(qū)塊鏈追溯的發(fā)展重點(diǎn)方向是鏈上鏈下的數(shù)據(jù)協(xié)同[57]，在區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)中鏈上需要鏈下的信息系統(tǒng)擴(kuò)展計(jì)算和存儲(chǔ)能力，鏈下的信息系統(tǒng)需要和鏈上對(duì)接實(shí)現(xiàn)異構(gòu)信息共享解決信息孤島問(wèn)題[58]。區(qū)塊鏈追溯鏈上通過(guò)哈希函數(shù)的單向加密和不可碰撞性保證鏈上信息完整性，但卻無(wú)法解決鏈下虛假數(shù)據(jù)或真實(shí)數(shù)據(jù)上鏈過(guò)程的真實(shí)性問(wèn)題[59]，為實(shí)現(xiàn)大批統(tǒng)一的區(qū)塊鏈應(yīng)用落地，區(qū)塊鏈鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同能力成為目前研究熱點(diǎn)。

區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)通過(guò)第三方機(jī)制下的預(yù)言機(jī)、狀態(tài)通道等實(shí)現(xiàn)鏈上對(duì)鏈下數(shù)據(jù)的可信訪問(wèn)。預(yù)言機(jī)是一種通過(guò)簽名引入外部世界狀態(tài)信息的可信任的實(shí)體，響應(yīng)鏈上智能合約提出的數(shù)據(jù)交互需求，通過(guò)單向的數(shù)字代理以加密的方式將不經(jīng)過(guò)計(jì)算就能夠證明的外界數(shù)據(jù)提交給智能合約進(jìn)行加工處理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同[60]。如WANG等[61]、ADLER等[62]和LO等[63]分析預(yù)言機(jī)將外部數(shù)據(jù)帶入?yún)^(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)協(xié)同問(wèn)題。狀態(tài)通道[64-65]對(duì)區(qū)塊鏈進(jìn)行初始化、終止化或凈額結(jié)算，把鏈上的數(shù)據(jù)操作轉(zhuǎn)移到鏈下的狀態(tài)通道中加工處理后上鏈計(jì)算結(jié)果。狀態(tài)通道能夠顯著提高鏈上交易效率、降低數(shù)據(jù)協(xié)同成本，并且在數(shù)據(jù)協(xié)同方面具有天然的安全性優(yōu)勢(shì)[66]。表5列出將數(shù)據(jù)在鏈上鏈下分類存放以實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下的數(shù)據(jù)協(xié)同。

表5 區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同技術(shù)Tab.5 Traceability data cooperation based on blockchain technology

3.2 區(qū)塊鏈追溯共識(shí)機(jī)制

區(qū)塊鏈分布式網(wǎng)絡(luò)處理容錯(cuò)的核心是共識(shí)機(jī)制，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在預(yù)設(shè)規(guī)則下與其它節(jié)點(diǎn)交互達(dá)成對(duì)數(shù)據(jù)、行為或流程的一致，實(shí)現(xiàn)交易的不可變、全局一致的注冊(cè)[69]。公有鏈常用工作量證明機(jī)制PoW(Proof of work)、權(quán)益證明機(jī)制PoS(Proof of stake)和委托權(quán)益證明機(jī)制DPoS(Delegated proof of stake)等共識(shí)機(jī)制；聯(lián)盟鏈常用實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法PBFT(Practical byzantine fault tolerance)、Kafka等共識(shí)機(jī)制；私有鏈中常用Raft共識(shí)機(jī)制。表6對(duì)不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的共識(shí)算法進(jìn)行了分析對(duì)比。

工作量證明機(jī)制(PoW)通過(guò)結(jié)果認(rèn)證證明完成了相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算，具有完全去中心化的優(yōu)點(diǎn)，在以工作量證明機(jī)制為共識(shí)的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以自由進(jìn)出。權(quán)益證明機(jī)制(PoS)根據(jù)節(jié)點(diǎn)持有代幣的比例和時(shí)間，依據(jù)算法按幣齡權(quán)重等比降低尋找隨機(jī)數(shù)的難度值。委托權(quán)益證明機(jī)制(DPoS)一方面集成了權(quán)益證明機(jī)制的幣齡優(yōu)勢(shì)，另一方面由持幣人選舉公證人節(jié)點(diǎn)參與驗(yàn)證、記賬，對(duì)去中心化做出了一定妥協(xié)。張利等[75]提出的基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)通過(guò)工作量證明共識(shí)機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)記賬權(quán)。LENG等[76]考慮農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)中的激勵(lì)權(quán)重問(wèn)題，在權(quán)益證明機(jī)制共識(shí)機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出一種考慮農(nóng)企權(quán)重的一致性共識(shí)算法。梁昊等[77]設(shè)計(jì)的農(nóng)產(chǎn)品信息區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)使用委托權(quán)益證明機(jī)制共識(shí)機(jī)制通過(guò)節(jié)點(diǎn)表決認(rèn)可農(nóng)產(chǎn)品信息的準(zhǔn)確性。

表6 區(qū)塊鏈追溯共識(shí)算法Tab.6 Consensus algorithm of blockchain traceability

實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法(PBFT)不僅考慮節(jié)點(diǎn)宕機(jī)且支持節(jié)點(diǎn)主動(dòng)作惡情況，算法分為預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備、確認(rèn)3階段，保證全網(wǎng)三分之一節(jié)點(diǎn)的容錯(cuò)性，在劃分主節(jié)點(diǎn)和副本節(jié)點(diǎn)上,袁勇等[78]提出一種基于監(jiān)督模型的共識(shí)算法MBFT(Multisignature byzantine fault tolerance)解決主節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)問(wèn)題，任守綱等[79]在農(nóng)作物全產(chǎn)業(yè)鏈追溯信息平臺(tái)中提出一種信譽(yù)監(jiān)督機(jī)制拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法CSBFT(Credit-supervisor byzantine fault tolerance)解決副本節(jié)點(diǎn)身份確認(rèn)問(wèn)題。王志鏵等[80]使用Hyperledger fabric平臺(tái)設(shè)計(jì)的生姜區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)采用Kafka共識(shí)機(jī)制同步數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全、追溯數(shù)據(jù)清晰。未來(lái)針對(duì)不同品類的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈應(yīng)用場(chǎng)景，開發(fā)適配不同應(yīng)用模式的共識(shí)算法將是重要的研究方向之一。

3.3 區(qū)塊鏈追溯數(shù)據(jù)隱私保護(hù)技術(shù)

區(qū)塊鏈基于對(duì)稱加密算法、非對(duì)稱加密算法、哈希算法保證數(shù)據(jù)完整性、隱私性和有效交易憑證[81]，并使用數(shù)字簽名保障交易安全，尤其以橢圓曲線加密算法生成公私鑰對(duì)和橢圓曲線數(shù)字簽名算法保障交易不可抵賴為代表，并通過(guò)零知識(shí)證明和多方安全計(jì)算實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全驗(yàn)證[82]。表7對(duì)比分析了隱私保護(hù)加強(qiáng)技術(shù)。

表7 隱私保護(hù)加密技術(shù)Tab.7 Cryptography technology of blockchain traceability

根據(jù)表7的對(duì)比分析可知，對(duì)稱加密簡(jiǎn)單快捷、密鑰較短但破譯困難，在對(duì)稱加密方面,于合龍等[11]設(shè)計(jì)的基于區(qū)塊鏈的水稻供應(yīng)鏈追溯系統(tǒng)采用對(duì)稱加密AES中的密碼分組鏈接CBC (Cipher block chaining)模式加密隱私數(shù)據(jù)，并使用橢圓曲線算法ECC(Elliptic curve cryptography)加密密鑰實(shí)現(xiàn)密鑰授權(quán)。李文勇等[83]改進(jìn)對(duì)稱加密算法AES，實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式平臺(tái)的可直接加密十進(jìn)制數(shù)據(jù)的農(nóng)產(chǎn)品追溯碼加密算法，設(shè)計(jì)基于地理坐標(biāo)編碼方式的農(nóng)產(chǎn)品追溯碼。

非對(duì)稱加密采用公私密鑰對(duì)保證數(shù)據(jù)隱私。在非對(duì)稱加密方面,馬騰等[84]結(jié)合RSA加密算法和ASCⅡ碼設(shè)計(jì)農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地可信追溯系統(tǒng)。張旭鳳等[85]采用RSA加密算法設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品物流信息系統(tǒng)。王乃洲等[86]通過(guò)RSA加密算法和共識(shí)算法保證基于區(qū)塊鏈的用戶身份認(rèn)證信息的安全性?；诜菍?duì)稱加密的數(shù)字簽名能夠保證交易憑證和識(shí)別交易發(fā)起者身份，徐蜜雪等[87]針對(duì)區(qū)塊鏈安全問(wèn)題設(shè)計(jì)的擬態(tài)區(qū)塊鏈?zhǔn)褂靡环N異構(gòu)簽名算法，采用3種簽名算法代替單一的簽名算法簽名消息應(yīng)對(duì)安全威脅。

Hash函數(shù)可識(shí)別源數(shù)據(jù)的任何更改且具有單向不可還原特點(diǎn)，在哈希算法方面,李宣等[88]基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的雙區(qū)塊鏈防偽追溯系統(tǒng)，基于私有鏈存儲(chǔ)交易數(shù)據(jù)，交易明文經(jīng)過(guò)Hash函數(shù)加密后的密文上傳到聯(lián)盟鏈。楊信廷等[48]設(shè)計(jì)的農(nóng)產(chǎn)品區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)信息存儲(chǔ)模型將追溯明文信息存儲(chǔ)在各節(jié)點(diǎn)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，上傳MD5哈希算法加密數(shù)據(jù)的密文到區(qū)塊鏈。

零知識(shí)證明和安全多方計(jì)算強(qiáng)調(diào)輸入數(shù)據(jù)的保密性，彌補(bǔ)區(qū)塊鏈重視計(jì)算的可驗(yàn)證性而忽略數(shù)據(jù)驗(yàn)證性的問(wèn)題。李佳潞[89]在基于區(qū)塊鏈的糧食供應(yīng)鏈追溯方案研究中，設(shè)計(jì)基于零知識(shí)證明算法的共識(shí)機(jī)制用以驗(yàn)證鏈上隱私數(shù)據(jù)的一致性和完整性。黃建華等[90]在利用區(qū)塊鏈構(gòu)建公平的安全多方計(jì)算中，基于區(qū)塊鏈智能合約構(gòu)造懲罰機(jī)制提出公平的安全多方協(xié)議。

從上面分析可以看出，未來(lái)基于上述數(shù)據(jù)隱私保護(hù)技術(shù)開發(fā)可插拔的加密算法，將是農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯的重要方向，同時(shí)在應(yīng)用方面結(jié)合權(quán)限控制體系和證書認(rèn)證體系管理多組織間信息傳遞或共享，將權(quán)限管理緊密結(jié)合供應(yīng)鏈追溯業(yè)務(wù)場(chǎng)景，將加速促進(jìn)區(qū)塊鏈追溯的應(yīng)用落地。

4 區(qū)塊鏈追溯應(yīng)用

在區(qū)塊鏈追溯應(yīng)用實(shí)踐方面，國(guó)內(nèi)外商業(yè)公司進(jìn)行了積極的探索。比較典型的是螞蟻集團(tuán)研發(fā)的螞蟻鏈、京東集團(tuán)研發(fā)的智臻鏈以及江蘇中南建設(shè)集團(tuán)股份有限公司聯(lián)合黑龍江北大荒農(nóng)業(yè)股份有限公司設(shè)計(jì)構(gòu)建的區(qū)塊鏈大農(nóng)場(chǎng)。其中，螞蟻鏈通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)入權(quán)限與支付寶綁定，實(shí)現(xiàn)一鍵式快速部署，已應(yīng)用于奶粉、大米、紅酒、蜂蜜等全球30億件商品的原產(chǎn)地或境外溯源保真，溯源產(chǎn)地覆蓋120個(gè)國(guó)家，支持14萬(wàn)類商品，解決溯源信息的真實(shí)性問(wèn)題[91]，智臻鏈已有超13億條上鏈數(shù)據(jù)，700余家合作品牌商，5萬(wàn)以上SKU(Stock keeping unit)入駐，逾280萬(wàn)次售后用戶訪問(wèn)查詢，解決價(jià)值網(wǎng)絡(luò)中信息流轉(zhuǎn)不暢、信息缺乏透明度、信息不對(duì)稱等問(wèn)題[92]，區(qū)塊鏈大農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用于北大荒高度組織化的農(nóng)場(chǎng)種植模式，有9種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，112個(gè)電子表單，63個(gè)農(nóng)作物種植規(guī)范，覆蓋北大荒近百萬(wàn)公頃土地，解決北大荒自然資源向數(shù)字資產(chǎn)可信轉(zhuǎn)移的問(wèn)題[93]。

目前區(qū)塊鏈大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍處于前期階段，阻礙其大規(guī)模應(yīng)用的原因復(fù)雜，其中區(qū)塊鏈通用底層平臺(tái)欠缺[94]、基礎(chǔ)設(shè)施不健全且性能不完善[95]、兼容性不足，導(dǎo)致絕大部分與區(qū)塊鏈結(jié)合的追溯的商業(yè)場(chǎng)景仍然處于探索期[96]。另一方面，技術(shù)發(fā)展初期的缺陷暫時(shí)無(wú)法解決，如區(qū)塊鏈單鏈存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)[97]難以負(fù)載海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力，多鏈間數(shù)據(jù)隔離[98]難以做到數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展,都限制區(qū)塊鏈追溯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，難以構(gòu)建聯(lián)盟鏈統(tǒng)一生態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[99]。

在解決區(qū)塊鏈追溯大規(guī)模應(yīng)用方面，可以從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面協(xié)同推進(jìn)。技術(shù)方面需要開發(fā)區(qū)塊鏈追溯行業(yè)通用支撐服務(wù)平臺(tái)[100]，降低企業(yè)使用門檻，支撐區(qū)塊鏈追溯應(yīng)用快速落地，另一方面針對(duì)供應(yīng)鏈區(qū)塊鏈追溯鏈條長(zhǎng)、多主體離散程度高等問(wèn)題研究區(qū)塊鏈追溯共識(shí)算法，提升共識(shí)算法效率和區(qū)塊鏈性能，同時(shí)解決突破多鏈、跨鏈、鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同機(jī)制，進(jìn)一步擴(kuò)大追溯生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[101]。經(jīng)濟(jì)方面充分利用區(qū)塊鏈的智能合約和共識(shí)算法，解決供應(yīng)鏈追溯跨主體多方協(xié)助合理的分配機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制[102]，實(shí)現(xiàn)追溯數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中，讓追溯數(shù)字經(jīng)濟(jì)在價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)中可靠傳遞，解決價(jià)值傳遞過(guò)程中存在的基礎(chǔ)資產(chǎn)真實(shí)性低、資產(chǎn)流通成本高、流動(dòng)性差等問(wèn)題。

5 區(qū)塊鏈追溯技術(shù)展望

5.1 區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展方向

5.1.1多鏈技術(shù)

農(nóng)產(chǎn)品區(qū)塊鏈追溯規(guī)模化應(yīng)用后，受到共識(shí)速度的限制，節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行性能難以線性擴(kuò)展，鏈上交易在區(qū)塊鏈單鏈賬本中串行處理，難以獲得接近中心化系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。未來(lái)區(qū)塊鏈的發(fā)展趨勢(shì)將改變單鏈主導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)多條同構(gòu)鏈或異構(gòu)鏈并存的區(qū)塊鏈新生態(tài)系統(tǒng)，解決供應(yīng)鏈中存在的上下游博弈問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多組織的信息對(duì)稱并降低上下游組織信任成本。劉家稷等[103]設(shè)計(jì)使用公有鏈和私有鏈構(gòu)建追溯系統(tǒng)，使用私有鏈存儲(chǔ)企業(yè)產(chǎn)品信息，使用公有鏈保證鏈上數(shù)據(jù)的可驗(yàn)證和不可篡改，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)和企業(yè)自管理隱私數(shù)據(jù)。LENG等[76]提出的基于雙區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)選用公有鏈存儲(chǔ)公共服務(wù)平臺(tái)上企業(yè)用戶信息，在私有鏈上存儲(chǔ)企業(yè)隱私數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)。DING等[104]提出了雙鏈的追溯許可鏈共識(shí)機(jī)制，主層部署聯(lián)盟鏈用來(lái)追溯信息查詢共享，輔助層部署私有鏈存儲(chǔ)追溯信息，在保證追溯鏈私密性的同時(shí)，系統(tǒng)也隨著參與節(jié)點(diǎn)的增加保持高效的運(yùn)行效率。

5.1.2跨鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈在農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯具體的應(yīng)用場(chǎng)景中需要適應(yīng)多樣化的業(yè)務(wù)需求，方便跨企業(yè)、跨生態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的共享。在大批統(tǒng)一的區(qū)塊鏈應(yīng)用場(chǎng)景下，采用不同的通信協(xié)議、編程語(yǔ)言、共識(shí)機(jī)制和隱私措施搭建的相對(duì)獨(dú)立的、缺乏統(tǒng)一的互聯(lián)互通機(jī)制的異構(gòu)鏈難以做到價(jià)值互通、適應(yīng)不同的場(chǎng)景需求，因此，異構(gòu)鏈間實(shí)現(xiàn)跨鏈的價(jià)值傳遞將是區(qū)塊鏈追溯生態(tài)健康發(fā)展的必然要求?？珂淸105-108]通過(guò)中間件實(shí)現(xiàn)異構(gòu)鏈的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)賬本的跨鏈互操作，為追溯行業(yè)跨生態(tài)、跨行業(yè)的多維協(xié)作解決信息孤島問(wèn)題，從追溯異構(gòu)鏈“孤島”發(fā)展成為異構(gòu)鏈“網(wǎng)絡(luò)”。

5.2 與新一代信息技術(shù)融合助力追溯產(chǎn)業(yè)

以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算和5G為代表的新一代信息技術(shù)和區(qū)塊鏈的深度融合為農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯行業(yè)提供了巨大的潛在空間[109]。新一輪科技革命中各有側(cè)重并相互關(guān)聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，全網(wǎng)海量數(shù)據(jù)匯集存儲(chǔ)在鏈下云端形成追溯大數(shù)據(jù)，云計(jì)算完成數(shù)據(jù)的高效查詢操作，大數(shù)據(jù)為人工智能提供訓(xùn)練數(shù)據(jù)集不斷優(yōu)化模型參數(shù)，構(gòu)建輔助決策生產(chǎn)模型改進(jìn)供應(yīng)鏈上下游智能決策；區(qū)塊鏈作為信任橋梁穩(wěn)定涉及數(shù)據(jù)操作的信任機(jī)制，保證數(shù)據(jù)傳遞、共享的穩(wěn)定可靠[110]。

5.2.1區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)

區(qū)塊鏈?zhǔn)菢?gòu)建物聯(lián)網(wǎng)真正分散、無(wú)信任和安全環(huán)境的缺失環(huán)節(jié)，通過(guò)區(qū)塊鏈的分布式網(wǎng)絡(luò)、不可篡改和可追溯的優(yōu)勢(shì)為物聯(lián)網(wǎng)的安全應(yīng)用提供媒介[111]。區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物物之間信用的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、無(wú)杠桿的高效率傳遞，鏈上實(shí)現(xiàn)資金流、物流、信息流三流合一[112]，在物聯(lián)網(wǎng)萬(wàn)物互聯(lián)的基礎(chǔ)上保證萬(wàn)物可信，實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的映射，保證上鏈信息的真實(shí)性和完整性，進(jìn)一步助力智慧供應(yīng)鏈追溯發(fā)展。表8列出了部分區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)模式在追溯方面的應(yīng)用。

表8 基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的追溯技術(shù)Tab.8 Traceability based on blockchain and IoT

在區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中使用RFID標(biāo)簽、無(wú)線傳感器WSN(Wireless sensor network)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS (BeiDou navigation satellite system)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)信息、加工信息、運(yùn)輸信息以及銷售信息按照一定的格式發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行“一物一碼”標(biāo)識(shí)，將搜集的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳區(qū)塊鏈存證，利用區(qū)塊鏈技術(shù)保證數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)和不可篡改[119]。消費(fèi)者或監(jiān)管部門可通過(guò)追溯碼查詢商品流通環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)“一物一碼”正品追溯。從中可以看出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)相輔相成，二者結(jié)合將會(huì)實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的映射，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的數(shù)字孿生。

5.2.2區(qū)塊鏈+大數(shù)據(jù)

區(qū)塊鏈技術(shù)具有加密共享、去中心化、信息防篡改等特性，對(duì)解決數(shù)據(jù)流通、價(jià)值共享、數(shù)據(jù)孤島等方面提供了解決方案，而大數(shù)據(jù)技術(shù)具備海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和靈活高效的深度分析挖掘等功能，二者有機(jī)融合不僅保證了大數(shù)據(jù)分析結(jié)果的正確性和數(shù)據(jù)挖掘效果，還極大提升區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的價(jià)值和使用空間。大數(shù)據(jù)管理聚合海量數(shù)據(jù)，將離散的數(shù)據(jù)需求聚合成數(shù)據(jù)長(zhǎng)尾從而滿足數(shù)據(jù)治理需求。運(yùn)用大數(shù)據(jù)管理的虛擬性有利于追溯信息跨行業(yè)、跨生態(tài)的應(yīng)用和管理，避免供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)存在的斷鏈情況，準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)各環(huán)節(jié)的追溯信息，提供精準(zhǔn)、完整的追溯數(shù)據(jù)。趙嘉承等[120]從大數(shù)據(jù)挖掘角度剖析區(qū)塊鏈追溯過(guò)程中的信息真實(shí)性問(wèn)題。CHEN等[121]設(shè)計(jì)的農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)管系統(tǒng)使用云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行追溯環(huán)節(jié)中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)處理，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立模型預(yù)測(cè)對(duì)作物品種選擇、生產(chǎn)和栽培管理以及上市時(shí)間等給出最佳的選擇方案。

5.2.3區(qū)塊鏈+人工智能

區(qū)塊鏈技術(shù)能夠鏈接供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)信息，促進(jìn)跨行業(yè)、跨生態(tài)的數(shù)據(jù)流動(dòng)、共享，讓人工智能可以根據(jù)不同用途、需求獲取更加全面的數(shù)據(jù)，真正變得“智能”。利用區(qū)塊鏈+人工智能技術(shù)研發(fā)農(nóng)產(chǎn)品可信追溯系統(tǒng)，把追溯技術(shù)從過(guò)去的純數(shù)字空間防偽保護(hù)，升級(jí)為“物理空間+數(shù)字空間”的聯(lián)合保護(hù)，同時(shí)使用人工智能技術(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)邊緣計(jì)算、自動(dòng)化控制研發(fā)高速追溯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)方法等自動(dòng)識(shí)別農(nóng)產(chǎn)品復(fù)雜供應(yīng)鏈條中生產(chǎn)、加工、物流、銷售等全環(huán)節(jié)人工干預(yù)的操作，實(shí)現(xiàn)行為數(shù)據(jù)上鏈存證保證數(shù)據(jù)的不可篡改將是二者結(jié)合的重要方向。