基于區(qū)塊鏈的農(nóng)資交易溯源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

黃系盟 趙應(yīng)丁 李求德

摘要 農(nóng)資作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的補(bǔ)給品，其交易信任問(wèn)題一直以來(lái)都受到社會(huì)的關(guān)注。為了確保農(nóng)資質(zhì)量合格，需要對(duì)農(nóng)資供應(yīng)鏈信息進(jìn)行溯源管理。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，分析了農(nóng)資供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)需求，搭建了一套農(nóng)資交易可信品控溯源系統(tǒng)。最后，通過(guò)試驗(yàn)表明單位上鏈時(shí)間并不隨溯源數(shù)據(jù)規(guī)模變大而變大，說(shuō)明區(qū)塊鏈在溯源系統(tǒng)上的應(yīng)用具有安全性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 質(zhì)量溯源;區(qū)塊鏈;去中心化;分布式存儲(chǔ)

中圖分類號(hào) TP 399? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2022）08-0227-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.08.060

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design and Research of Agricultural Materials Transaction Traceability System Based on Blockchain

HUANG Xi-meng 1，2，ZHAO Ying-ding 1，2，LI Qiu-de 1，2 （1.School of Software，Jiangxi Agricultural University，Nanchang，Jiangxi 330044;2.Key Laboratory of Agricultural Information Technology of Colleges and Universities in Jiangxi Province，Nanchang，Jiangxi 330044）

Abstract As an important supplement in agricultural production，the transaction trust of agricultural means has always been concerned by the society.In order to ensure the quality of agricultural means，it is necessary to carry out traceability management of agricultural means supply chain information.We used blockchain technology to analyze the demand of each link in the supply chain of agricultural means，and built a set of trusted quality control traceability system of agricultural means transaction.Finally，the experiment showed that the unit time on the chain did not increase with the size of traceability data，which showed that the blockchain had security and stability.

Key words Quality traceability;Blockchain;Decentralization;Distributed storage

農(nóng)資是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的投入品和補(bǔ)給品，其質(zhì)量是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)和前提，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的重要組成部分，歷來(lái)受到國(guó)家的高度重視。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)農(nóng)資質(zhì)量安全問(wèn)題事件屢屢發(fā)生，這引起了社會(huì)和人民較大的關(guān)注 [1]。農(nóng)民從事生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，無(wú)法保證自己購(gòu)買的種子和農(nóng)藥等生產(chǎn)資料是否合格，因此解決農(nóng)資交易信任問(wèn)題是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。

一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在可以使用溯源系統(tǒng)平臺(tái)將農(nóng)資產(chǎn)品的數(shù)據(jù)上傳至云端，通過(guò)給消費(fèi)者提供溯源服務(wù)來(lái)查詢產(chǎn)品來(lái)源，以此來(lái)解決交易信任危機(jī) [2] 。區(qū)塊鏈具有不可篡改、去中心化、公開透明等特性，是當(dāng)前最適合存儲(chǔ)這種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方法。最近幾年，很多國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)上對(duì)溯源系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究并取得了一些成果。2013年黃慶等 [3]通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的分析，展示了其在農(nóng)資產(chǎn)品溯源服務(wù)系統(tǒng)上的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)資產(chǎn)品的溯源防偽。2017年鄭開濤等 [4]提出了基于時(shí)空追溯碼的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源多邊平臺(tái)，并對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)以提高農(nóng)產(chǎn)品追溯效率。2020年吳曉彤 [5]針對(duì)傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)一般是以中心數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的溯源模式出現(xiàn)的信任問(wèn)題，提出基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)。對(duì)于最近幾年剛提出的比較多的基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，同樣可適用于農(nóng)資供應(yīng)鏈上。鑒于此，筆者在分析傳統(tǒng)農(nóng)資溯源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)農(nóng)資溯源系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出利用區(qū)塊鏈的去中心化等特性，將農(nóng)資溯源信息存儲(chǔ)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，來(lái)解決溯源信息安全性問(wèn)題，使用Fabric框架實(shí)現(xiàn)了基于區(qū)塊鏈農(nóng)資交易溯源系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)資溯源信息的安全性。

1 農(nóng)資溯源研究分析

1.1 農(nóng)資的概念 農(nóng)資指的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所用到的物質(zhì)資料，比如農(nóng)藥、種子、農(nóng)膜、農(nóng)機(jī)等，它所覆蓋的范圍比較廣泛 [6]。

1.2 農(nóng)資溯源的必要性

農(nóng)資作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必不可少的生產(chǎn)資料，與“三農(nóng)”服務(wù)也有千絲萬(wàn)縷的關(guān)系 [7]。溯源往往是為了使得消費(fèi)者農(nóng)資溯源為產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行可信背書，消除了消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品安全的顧慮，對(duì)生產(chǎn)商建立足夠的信任。最近國(guó)內(nèi)農(nóng)資產(chǎn)品假冒問(wèn)題屢屢發(fā)生，使得農(nóng)資產(chǎn)業(yè)鏈出現(xiàn)信任危機(jī)，如何解決消費(fèi)者和生產(chǎn)商的信任問(wèn)題、重新建立行業(yè)信任體系，是當(dāng)前我們需要去解決的事情。

1.3 傳統(tǒng)農(nóng)資溯源現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

縱觀國(guó)內(nèi)溯源平臺(tái)，目前運(yùn)行的農(nóng)資溯源系統(tǒng)較多，以2017年上線的“中國(guó)農(nóng)資質(zhì)量追溯平臺(tái)”為例，它結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、標(biāo)識(shí)技術(shù)，率先在我國(guó)農(nóng)資行業(yè)中建立全國(guó)統(tǒng)一的農(nóng)資質(zhì)量追溯平臺(tái) [8]。通過(guò)該平臺(tái)，消費(fèi)者可以刪除查詢農(nóng)資信息;生產(chǎn)者可以對(duì)農(nóng)資產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)和出入庫(kù)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理;農(nóng)資流通企業(yè)可以獲得產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù);監(jiān)管部門可以通過(guò)該平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)督管理。其他的農(nóng)資質(zhì)量溯源系統(tǒng)都大同小異，使得我國(guó)農(nóng)資質(zhì)量安全追溯體系快速發(fā)展。但是這些農(nóng)資溯源系統(tǒng)仍然有很多不足，比如數(shù)據(jù)安全問(wèn)題、運(yùn)營(yíng)成本過(guò)大。

1.4 區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)資質(zhì)量安全追溯體系的應(yīng)用

由于區(qū)塊鏈具有很多傳統(tǒng)技術(shù)不具備的特征，比如不可篡改、去中心化等，考慮到傳統(tǒng)農(nóng)資質(zhì)量追溯系統(tǒng)的一些不足，區(qū)塊鏈可以給它帶來(lái)一些針對(duì)性的解決方案。首先是去中心化，傳統(tǒng)的農(nóng)資溯源系統(tǒng)一般是接入云服務(wù)器，它具有強(qiáng)大的運(yùn)行和存儲(chǔ)能力，錄入的數(shù)據(jù)量不是很巨大時(shí)，云服務(wù)器能夠處理。但是當(dāng)數(shù)據(jù)量越來(lái)越大時(shí)，中心服務(wù)器的處理能力有限，很有可能會(huì)死機(jī)或者崩潰，計(jì)算難以進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)行。另外，中心化的服務(wù)器設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本比較高 [9]。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 區(qū)塊鏈概述

區(qū)塊鏈從狹義上來(lái)說(shuō)是一種鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)一個(gè)區(qū)塊連接而成，區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，區(qū)塊分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體，區(qū)塊頭包含版本號(hào)、前一區(qū)塊的哈希、時(shí)間戳、隨機(jī)數(shù)、目標(biāo)哈希、merkle根，區(qū)塊體保存了交易記錄，是以Merkle樹的方式存儲(chǔ)，Merkle根存儲(chǔ)了所有交易記錄的哈希值，它存在區(qū)塊頭上 [10]。

廣義上區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式存儲(chǔ)的方式，它具有去中心化、不可篡改、不可逆、匿名等特性，所以這種概念廣泛應(yīng)用于金融、計(jì)算機(jī)等行業(yè)，比如比特幣、以太坊等電子貨幣、分布式節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存。另外，區(qū)塊鏈有私有鏈、聯(lián)盟鏈和公有鏈3種，私有鏈相當(dāng)于由一個(gè)公司組成，仍然不存在中心節(jié)點(diǎn)，該公司不同節(jié)點(diǎn)由會(huì)計(jì)核心控制。公有鏈向全網(wǎng)公開，節(jié)點(diǎn)數(shù)量不限，他們按照激勵(lì)機(jī)制相互競(jìng)爭(zhēng)，為的是獲取記賬權(quán)。聯(lián)盟鏈就是幾個(gè)公司組成一個(gè)聯(lián)盟（通道），節(jié)點(diǎn)們通過(guò)共識(shí)算法來(lái)達(dá)成一致，并廣播同步消息 [11]。

2.2 區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 智能合約。智能合約，顧名思義就是一種契約，它通過(guò)信息化的方式驗(yàn)證，執(zhí)行計(jì)算機(jī)合同。當(dāng)人們規(guī)定好了規(guī)則之后，機(jī)器就自動(dòng)執(zhí)行，這樣就不容易出現(xiàn)異?；蛘咦鲪?[12]。區(qū)塊鏈中的公開透明性質(zhì)是智能合約賦予的，不可篡改性質(zhì)是共識(shí)算法賦予的 [13]。

智能合約將區(qū)塊鏈應(yīng)用在項(xiàng)目中，從而將數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)實(shí)連接起來(lái)。智能合約運(yùn)行在區(qū)塊鏈上面，可以在滿足條件的情況下被觸發(fā)。智能合約解決了不同系統(tǒng)之間的標(biāo)準(zhǔn)不一致的問(wèn)題 [14]。智能合約在很多地方都在應(yīng)用，比如電子商務(wù)、供應(yīng)鏈優(yōu)化等場(chǎng)景。在農(nóng)資溯源系統(tǒng)里，智能合約充當(dāng)了合同的作用，當(dāng)觸發(fā)合同條件時(shí)，它會(huì)自動(dòng)執(zhí)行程序代碼。

2.2.2 分布式存儲(chǔ)。分布式存儲(chǔ)的定義是將數(shù)據(jù)分散的存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)上，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連，然后對(duì)這些節(jié)點(diǎn)資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理，對(duì)外作為一個(gè)整體提供存儲(chǔ)服務(wù) [15]。區(qū)塊鏈的分布式存儲(chǔ)打破了傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心化的局面，使信息分布式存儲(chǔ)在多節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)上的信息保存都比較完整，既增強(qiáng)了產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的信息互通性，也使得其去中心化、透明性、可溯源性和防篡改性的特點(diǎn)與農(nóng)資溯源領(lǐng)域極為契合 [16]。

2.2.3 共識(shí)機(jī)制。區(qū)塊鏈中共識(shí)機(jī)制主要有4種類型：①PoW工作量證明。PoW是第一個(gè)共識(shí)算法，是由中本聰首次提出來(lái)的，能解決“雙花攻擊”問(wèn)題。它是通過(guò)計(jì)算獲得隨機(jī)數(shù)，之后就擁有賬本的記賬權(quán)，并向其他節(jié)點(diǎn)廣播賬本信息，驗(yàn)證后在將賬本復(fù)制下來(lái)。賬本有一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)賬本加入一個(gè)隨機(jī)元素使得難度變化，確保時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)有權(quán)利記賬。比特幣中，節(jié)點(diǎn)算力越大，獲得記賬權(quán)的可能性越大 [17]。②POS權(quán)益證明。主要是為了爭(zhēng)奪記賬權(quán)，確保節(jié)點(diǎn)賬本一致。POS有個(gè)比較明顯的缺點(diǎn)，就是節(jié)點(diǎn)在拼算力的過(guò)程中十分消耗資源，導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)。POS就完美彌補(bǔ)了這樣的問(wèn)題，它是按照持幣的數(shù)量來(lái)決定記賬的權(quán)力 [18]。③DPOS委托權(quán)益證明。通過(guò)特殊加密算法使得節(jié)點(diǎn)之間記賬， DPOS算法被證明能符合區(qū)塊鏈的性能要求。DPOS機(jī)制將每個(gè)幣視為一張選舉票，幣的擁有者根據(jù)其持有的數(shù)量，投票給自己信任的委托人 [19]。系統(tǒng)根據(jù)得票多少選出受托人。受托人的工作就是簽署區(qū)塊，且在每個(gè)區(qū)塊被簽署前，檢驗(yàn)前一個(gè)區(qū)塊的真?zhèn)巍诺某钟姓邔?quán)益交給受托人，受托人也可以專心從事記賬工作。

2.3 農(nóng)資溯源服務(wù)相關(guān)技術(shù)

農(nóng)資產(chǎn)品溯源服務(wù)技術(shù)包含眾多，最終的目的就是農(nóng)資產(chǎn)品的溯源信息，比如源頭、運(yùn)輸、銷售、使用等進(jìn)行查詢，可以利用先進(jìn)的技術(shù)，使用很多種方式，如二維碼、RFID、激光碼等對(duì)農(nóng)資產(chǎn)品錄入信息，對(duì)農(nóng)資產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全周期管理。農(nóng)資供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)有生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)、分銷、運(yùn)輸、監(jiān)督及消費(fèi) [20]。

傳統(tǒng)農(nóng)資溯源使用了一些方法技術(shù)來(lái)確保信息的安全性：①防偽號(hào)碼，產(chǎn)品的真?zhèn)慰梢允褂猛繉硬牧蟻?lái)追溯，不過(guò)這種方法的追溯能力不夠強(qiáng)，無(wú)法查詢產(chǎn)品的運(yùn)輸和更換信息。②條形碼 [21-24]，這是一種比較常見的可追溯性服務(wù)技術(shù)。產(chǎn)品表面印有數(shù)字和條形碼，形成生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)批號(hào)、生產(chǎn)許可證、國(guó)家藥品許可證等，但仍存在易被仿制的缺陷。二維碼，使用農(nóng)產(chǎn)品，用戶可以通過(guò)掃描產(chǎn)品外觀上打印的二維碼來(lái)獲取信息。③射頻識(shí)別技術(shù)，與跟蹤器或記錄儀類似，農(nóng)資產(chǎn)品進(jìn)出倉(cāng)時(shí)能自動(dòng)讀取和采集信息 [25-27]。

以上技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是：①近距離非接觸識(shí)讀，范圍為十幾厘米到幾十米。②可以對(duì)抗比較惡劣的環(huán)境。③安全性比較強(qiáng)。④可以識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的物體。但是，缺點(diǎn)是這樣的溯源方法成本比較高。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)的目的是解決農(nóng)資供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)安全、信任的問(wèn)題，該研究提出的框架和解決方案將專注于在聯(lián)盟鏈平臺(tái)上自動(dòng)執(zhí)行的智能合約。智能合約將由通道中的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行執(zhí)行，并由所有節(jié)點(diǎn)商定執(zhí)行結(jié)果。另外，節(jié)點(diǎn)是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的組成部分，它可以是收集、驗(yàn)證和執(zhí)行事件的計(jì)算機(jī)器。該框架由所有節(jié)點(diǎn)商定執(zhí)行結(jié)果。值得注意的是，挖掘節(jié)點(diǎn)是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的組成部分。節(jié)點(diǎn)可以是任何收集、驗(yàn)證和執(zhí)行事務(wù)的計(jì)算機(jī)器。節(jié)點(diǎn)還將這些事務(wù)的數(shù)據(jù)和結(jié)果存儲(chǔ)在1個(gè)賬本中，該賬本由所有節(jié)點(diǎn)復(fù)制和同步。在某種程度上，節(jié)點(diǎn)具有與所有其他節(jié)點(diǎn)完全相同的副本。區(qū)塊鏈中，智能合約通過(guò)函數(shù)調(diào)用來(lái)接收交易，還將觸發(fā)事件，可以在違規(guī)發(fā)生時(shí)進(jìn)行監(jiān)控、跟蹤并進(jìn)行警報(bào)。在所示這種情況下，解決方案特別關(guān)注農(nóng)資供應(yīng)鏈。參與實(shí)體包括生產(chǎn)商、運(yùn)輸商、分銷商、零售商和最終客戶。

3.1 系統(tǒng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 由圖2可知，農(nóng)資溯源供應(yīng)鏈與農(nóng)產(chǎn)品相類似，分為生產(chǎn)、流通、銷售等環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)相互協(xié)作可以保證溯源高效完成。該研究針對(duì)農(nóng)資溯源供應(yīng)鏈的需求，對(duì)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

3.1.1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)。主要節(jié)點(diǎn)是農(nóng)資生產(chǎn)企業(yè)。節(jié)點(diǎn)輸入產(chǎn)品信息并將信息上傳到區(qū)塊鏈上，由此構(gòu)成創(chuàng)世區(qū)塊。經(jīng)過(guò)監(jiān)管者審批之后在進(jìn)行標(biāo)記，生成獨(dú)一無(wú)二的碼。各節(jié)點(diǎn)通過(guò)共識(shí)算法進(jìn)行賬本信息的廣播和同步。

3.1.2 流通環(huán)節(jié)。主要節(jié)點(diǎn)是相關(guān)物流公司。接受了產(chǎn)品信息之后通過(guò)數(shù)字簽名進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證后節(jié)點(diǎn)錄入物流信息并上鏈，最后打上二維標(biāo)識(shí)碼，實(shí)現(xiàn)一物一碼。

3.1.3 銷售環(huán)節(jié)。主要節(jié)點(diǎn)是農(nóng)資批發(fā)商、農(nóng)資零售店。農(nóng)資產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)地方，需要添加當(dāng)前地方批發(fā)商或者零售店信息并進(jìn)行上鏈，經(jīng)過(guò)監(jiān)管部門把關(guān)合格之后再打上標(biāo)記。

3.1.4 監(jiān)管者。主要節(jié)點(diǎn)是民地管理部門和市場(chǎng)監(jiān)督部門。負(fù)責(zé)監(jiān)管上述環(huán)節(jié)，審查合格后以數(shù)字簽名方式檢查各環(huán)節(jié)是否合格。

3.2 參與實(shí)體 每個(gè)參與實(shí)體都具有與智能合約的角色、關(guān)聯(lián)和交互。共有3個(gè)參與實(shí)體，其作用概述如下：

3.2.1 生產(chǎn)商。農(nóng)資生產(chǎn)公司是一個(gè)生產(chǎn)、流通、服務(wù)為一體的專業(yè)經(jīng)營(yíng)化肥、農(nóng)藥、種子、農(nóng)機(jī)具等的大型企業(yè)集團(tuán)。生產(chǎn)大量的農(nóng)資產(chǎn)品，其中化肥業(yè)務(wù)主要為生產(chǎn)、銷售各類氮肥、鉀肥、磷肥、復(fù)合肥、有機(jī)肥及新型肥料;農(nóng)藥業(yè)務(wù)主要產(chǎn)品線為殺蟲劑、殺菌劑、除草劑和微肥等;種子業(yè)務(wù)為生產(chǎn)流通糧食作物種子、瓜菜類作物種子、經(jīng)濟(jì)作物種子等。

3.2.2 運(yùn)輸商。農(nóng)資運(yùn)輸商一般是由物流公司負(fù)責(zé)，具有運(yùn)輸農(nóng)資產(chǎn)品的功能的從事客貨運(yùn)輸生產(chǎn)服務(wù)的企業(yè)集團(tuán)。物流公司根據(jù)不同的客戶需求采取不同的運(yùn)輸途徑，比如客運(yùn)、火車和飛機(jī)，并將貨物的運(yùn)輸信息記錄下來(lái)，以便上傳到區(qū)塊鏈之中，方便消費(fèi)者之后進(jìn)行溯源。

3.2.3 銷售商。銷售商是指在能進(jìn)行銷售和服務(wù)的單位，有多層結(jié)構(gòu)，可以分出二級(jí)經(jīng)銷商、一級(jí)經(jīng)銷商等，最終目的是為了獲得經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)。

結(jié)合傳統(tǒng)農(nóng)資溯源技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)，該研究設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的農(nóng)資溯源系統(tǒng)模型，各節(jié)點(diǎn)單元為農(nóng)資生產(chǎn)企業(yè)、農(nóng)民生產(chǎn)企業(yè)、農(nóng)資批發(fā)公司和監(jiān)管部門，市場(chǎng)監(jiān)督部門記錄與產(chǎn)品相關(guān)的信息，將驗(yàn)證過(guò)的溯源信息數(shù)據(jù)最終上傳至區(qū)塊鏈上，并廣播和同步至各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)與模型

總體架構(gòu)分為4層：用戶層、系統(tǒng)層、存儲(chǔ)層、智能合約層。由圖3可知，智能合約層定義了一些事件流程，比如數(shù)據(jù)操作、資金周轉(zhuǎn)、安全預(yù)警，當(dāng)條件足夠的時(shí)候會(huì)觸發(fā)合約并執(zhí)行，這些合約都是根據(jù)商業(yè)合同來(lái)進(jìn)行編寫的。存儲(chǔ)層主要是使用分布式的方式將數(shù)據(jù)上傳到區(qū)塊之中進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)記錄在默克爾樹中進(jìn)行哈希求值之后，另外再蓋上時(shí)間戳，區(qū)塊便開始產(chǎn)生。在聯(lián)盟鏈里，只有部分節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行訪問(wèn)，而公有鏈里所有節(jié)點(diǎn)都有權(quán)訪問(wèn)。存儲(chǔ)層有2個(gè)部分，一般數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)之中，重要的溯源信息則使用分布式存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈里。這種方式既節(jié)省了空間，又確保了安全性。系統(tǒng)層使用的是傳統(tǒng)農(nóng)資溯源系統(tǒng)的框架模式，功能模塊有企業(yè)管理、政府監(jiān)督、和用戶的相關(guān)服務(wù)等，面向的是用戶和管理層還有監(jiān)管者。用戶層主要是方便消費(fèi)者和管理者進(jìn)行可視化操作，使該系統(tǒng)更加實(shí)用。

該模型中，結(jié)合了區(qū)塊鏈技術(shù)和加密技術(shù)，使用分布式存儲(chǔ)和共識(shí)算法對(duì)農(nóng)資溯源的安全提供保證。

3.4 展示信息

按照市場(chǎng)的需求，盡量使得信息儲(chǔ)存量最小化，難以篡改的信息和大型文件盡量上傳至鏈，另外要界面簡(jiǎn)介，便于瀏覽。

①生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溯源信息。公司全稱、商品全稱、商品等級(jí)的信息、生產(chǎn)許可信息、質(zhì)量檢驗(yàn)信息、終端廠商地點(diǎn)、廠商內(nèi)部終端生產(chǎn)線的定位、終端生產(chǎn)的時(shí)間、廠商指導(dǎo)價(jià)、聯(lián)系人的姓名、聯(lián)系人的電話等信息。②流通環(huán)節(jié)的溯源信息。各級(jí)銷售商的全稱、聯(lián)系人的姓名、電話、交貨時(shí)間、交貨地址;售后服務(wù)商的全稱、聯(lián)系人的姓名、電話、地址。③商品的假冒信息。商品的“一物一碼”二維碼、其他防偽信息。④污染性的商品廢棄處置信息。是否為需要回收處置的污染性商品、污染性商品的回收處置方式、污染性商品的回收處置情況。⑤用戶反饋的信息。商品質(zhì)量評(píng)價(jià)、使用效果評(píng)價(jià)、用戶采購(gòu)價(jià)格、投訴記錄、其他必要信息。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 試驗(yàn)環(huán)境 該試驗(yàn)是在ubuntu 16.04 64位操作系統(tǒng)上進(jìn)行的，系統(tǒng)配置為CPU&內(nèi)存1核2GiB。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程 該試驗(yàn)對(duì)農(nóng)資交易溯源上鏈時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，從溯源數(shù)據(jù)上鏈的響應(yīng)時(shí)間來(lái)反映溯源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該試驗(yàn)以不同的上鏈信息數(shù)據(jù)規(guī)模響應(yīng)時(shí)間為評(píng)估要素，檢測(cè)溯源數(shù)據(jù)上鏈的穩(wěn)定性。

4.3 試驗(yàn)分析

由圖4可知，頻率上鏈相同，而溯源信息規(guī)模不同的情況下隨著溯源信息規(guī)模越大，總響應(yīng)時(shí)間不斷增大，但平均時(shí)間并沒有很明顯的變化，在3.0 ms以下。由圖5可知，隨著溯源信息規(guī)模不斷增大，TPS保持在30上下波動(dòng)。

通過(guò)試驗(yàn)可以看出，基于區(qū)塊鏈的農(nóng)資交易系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間在相同的請(qǐng)求頻率下，在不同的溯源信息規(guī)模下面比較穩(wěn)定，說(shuō)明該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性，上鏈時(shí)間是毫秒級(jí)別，具有可拓展性。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于上述架構(gòu)和模型，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于區(qū)塊鏈的農(nóng)資交易溯源系統(tǒng)，該系統(tǒng)由前臺(tái)和后臺(tái)2部分組成，是面向農(nóng)資消費(fèi)者、生產(chǎn)者、市場(chǎng)監(jiān)督者的農(nóng)資可信品控溯源系統(tǒng)。

5.1 環(huán)境部署 該系統(tǒng)是在 Ubuntu 操作系統(tǒng)環(huán)境下，使用的是Hyperledger Fabric 2.0項(xiàng)目框架和 Docker、Git 等工具，后臺(tái)是用go語(yǔ)言進(jìn)行編寫，前端使用goweb進(jìn)行編寫。

5.2 系統(tǒng)演示

系統(tǒng)有2個(gè)權(quán)限賬戶，一個(gè)是消費(fèi)者，另一個(gè)是管理員。當(dāng)消費(fèi)者點(diǎn)擊單號(hào)溯源時(shí)，就會(huì)跳轉(zhuǎn)到查找界面，另外消費(fèi)者可以點(diǎn)擊“關(guān)于我們”和“幫助”來(lái)了解供應(yīng)鏈企業(yè)信息和使用指南。管理員則可以點(diǎn)擊“農(nóng)資供應(yīng)鏈管理”來(lái)進(jìn)行信息管理。供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)分為3個(gè)流程：生產(chǎn)商、運(yùn)輸商、銷售商，生產(chǎn)企業(yè)可以點(diǎn)擊”生產(chǎn)商“進(jìn)行添加信息功能，物流公司點(diǎn)擊”運(yùn)輸商“進(jìn)行運(yùn)輸信息上鏈，各級(jí)分銷商可以點(diǎn)擊”銷售商“進(jìn)行產(chǎn)品信息管理。消費(fèi)者使用手機(jī)掃描產(chǎn)品包裝上面的二維碼時(shí)，就會(huì)跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)的溯源信息界面，得到該產(chǎn)品在供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的溯源信息和人員信息和區(qū)塊鏈信息（圖6）。后臺(tái)負(fù)責(zé)顯示區(qū)塊鏈區(qū)塊數(shù)目和hash等相關(guān)信息，網(wǎng)絡(luò)層后臺(tái)界面如圖7所示。

6 結(jié)論

區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、不可篡改、分布式存儲(chǔ)的天然特性，在農(nóng)資溯源系統(tǒng)中具有很廣闊前景。該研究分析了傳統(tǒng)農(nóng)資溯源系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了基于區(qū)塊鏈的農(nóng)資溯源系統(tǒng)的概念，對(duì)區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)模型和系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了構(gòu)建和分析，對(duì)智能合約進(jìn)行設(shè)計(jì)使其滿足農(nóng)資產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)際需求，解決了傳統(tǒng)農(nóng)資溯源系統(tǒng)的信息易被篡改、信息不透明、存儲(chǔ)安全性低等問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上利用 HyperledgerFabric 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了該區(qū)塊鏈系統(tǒng)，該系統(tǒng)比傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)具有更高的安全性和可信性，它融合了區(qū)塊鏈的特性，但是當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)并不成熟，上鏈速度和共識(shí)效率也有待提高。因此，如何提高區(qū)塊鏈系統(tǒng)的性能和共識(shí)效率是后續(xù)研究中應(yīng)著重解決的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳義媛.中國(guó)農(nóng)資市場(chǎng)變遷與農(nóng)業(yè)資本化的隱性路徑[J].開放時(shí)代，2018（3）：95-111.

[2] 白紅武，孫愛東，陳軍，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，29（2）：415-420.

[3] 黃慶，崔超遠(yuǎn)，烏云.應(yīng)用于農(nóng)資產(chǎn)品溯源服務(wù)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22（1）：44-47.

[4] 鄭開濤，劉世洪.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源多邊平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2017，19（12）：52-58.

[5] 吳曉彤.基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品可信溯源系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

[6] EKWUE E I，STONE R J.Organic matter effects on the strength properties of compacted agricultural soils[J].Transactions of the ASAE，1995，38（2）：357-365.

[7] 林有新，羅倫華.深化改革 強(qiáng)化聯(lián)合 服務(wù)“三農(nóng)”：簡(jiǎn)述農(nóng)資流通主渠道的困境與對(duì)策[J].農(nóng)資科技，1997（4）：37-39.

[8] 農(nóng)資質(zhì)量安全追溯平臺(tái)上線[J].蔬菜，2017（10）：63.

[9] 沈鑫，裴慶祺，劉雪峰.區(qū)塊鏈技術(shù)綜述[J].網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報(bào)，2016，2（11）：11-20.

[10] 陳固.區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用前景廣闊[J].數(shù)字通信世界，2018（S1）：64.

[11] ZHENG Z B，XIE S A，DAI H N，et al.An overview of blockchain technology：Architecture，consensus，and future trends[C]//2017 IEEE international congress on big data （BigData congress）.Honolulu，HI，USA：IEEE，2017：557-564.

[12] YI W L，HUANG X M，YIN H，et al.Blockchain-based approach to achieve credible traceability of agricultural product transactions[J].Journal of physics：Conference series，2021，1864（1）：1-4.

[13] PRASHAR D，JHA N，JHA S，et al.Blockchain-based traceability and visibility for agricultural products：A decentralized way of ensuring food safety in india[J].Sustainability，2020，12（8）：1-20.

[14] KARAMITSOS I，PAPADAKI M，AL BARGHUTHI N B.Design of the blockchain smart contract：A use case for real estate[J].Journal of information security，2018，9（3）：177-190.

[15] 屈志毅，蘇文洲，趙玲.一種基于信息分散算法的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006，26（5）：1102-1105.

[16] 楊茂，文斌，盧德全.基于區(qū)塊鏈的食品溯源研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用，2019（3）：580-587.

[17] 曹儐，林亮，李云，等.區(qū)塊鏈研究綜述[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2020，32（1）：1-14.

[18] 譚春橋，楊慧娟，易文桃.基于納什談判的共享經(jīng)濟(jì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò) PoS 共識(shí)傳播博弈分析[J].控制與決策，2022，37（1）：219-229.

[19] 黃嘉成，許新華，王世純.委托權(quán)益證明共識(shí)機(jī)制的改進(jìn)方案[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2019，39（7）：2162-2167.

[20] 曾景峰，萬(wàn)梅芬.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品追溯中的應(yīng)用[J].物流技術(shù)，2014，33（19）：449-450，456.

[21] SALAH K，NIZAMUDDIN N，JAYARAMAN R，et al.Blockchain-based soybean traceability in agricultural supply chain[J].IEEE access，2019，7：73295-73305.

[22] OPARA L U.Engineering and technological outlook on traceability of agricultural production and products[J].Agricultural engineering international，2002（4）：1-13.

[23] ZHAO Y B，CAO N.Research on traceability of agricultural products based on internet of things[C]//2017 IEEE International Conference on Computational Science and Engineering （CSE） and IEEE International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing （EUC）.Guangzhou，China：IEEE，2017：414-417.

[24] 莫璋紅，吳麗麗，阮建明，等.我國(guó)食品安全可追溯系統(tǒng)及在乳制品中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（12）：203-206.

[25] WANT R.An introduction to RFID technology[J].IEEE pervasive computing，2006，5（1）：25-33.

[26] ANGELES R.RFID technologies：Supply-chain applications and implementation issues[J].Information systems management，2005，22（1）：51-65.

[27] TIWARI S.An introduction to QR code technology[C]//2016 international conference on information technology （ICIT）.Bhubaneswar，India：IEEE，2016：39-44.