基于區(qū)塊鏈和國(guó)密算法的NFC防偽溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘? 要：隨著相關(guān)信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及近年來(lái)人們的安全和隱私意識(shí)逐步提高，企業(yè)開始希望設(shè)計(jì)出有效便捷的防偽技術(shù)維護(hù)自身的利益，但目前市場(chǎng)上的防偽技術(shù)仍存在許多問(wèn)題。該系統(tǒng)充分利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了商品的溯源，同時(shí)結(jié)合NFC技術(shù)和國(guó)密算法，為企業(yè)提供了一種統(tǒng)一便捷的防偽管理系統(tǒng)。且消費(fèi)者可以通過(guò)手機(jī)APP完成商品真?zhèn)蔚蔫b別，也能通過(guò)區(qū)塊鏈系統(tǒng)看到商品從生產(chǎn)到銷售整條數(shù)據(jù)鏈。整個(gè)系統(tǒng)的部署和使用非常方便，能直接應(yīng)用于防偽行業(yè)，解決防偽問(wèn)題，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;國(guó)密算法;NFC防偽;SN碼;手機(jī)APP

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）04-0041-04

Design of NFC Anti-Counterfeiting Traceability System Based on Blockchain and Chinese Cryptographic Algorithm

HUANG Xi

（School of Information， North China University of Technology， Beijing? 100144， China）

Abstract： With the development of related information science and technology and the gradual improvement of peoples awareness of security and privacy in recent years， enterprises begin to hope to design effective and convenient anti-counterfeiting technology to safeguard their own interests， but there are still many problems in the anti-counterfeiting technology on the market at present. This system makes full use of the blockchain technology to realize the traceability of commodities， at the same time， it combines NFC technology and Chinese cryptographic algorithm to provide a unified and convenient anti-counterfeiting management system for enterprises. And consumers can identify the authenticity of commodities through mobile APP， and can also see the whole data chain of commodities from production to sale through blockchain system. The whole system is very convenient to deploy and use. It can be directly applied to the anti-counterfeiting industry to solve the anti-counterfeiting problems， and it has a very strong practicability.

Keywords： blockchain; Chinese cryptographic algorithm; NFC anti-counterfeiting; SN code; mobile APP

0? 引? 言

近年來(lái)，由于國(guó)家對(duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)規(guī)范和宏觀調(diào)控，人民生活水平不斷提高，消費(fèi)能力不斷提升，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展出現(xiàn)了前所未有的好勢(shì)頭。但是，由于市場(chǎng)初放型經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及私營(yíng)經(jīng)濟(jì)的加盟，市場(chǎng)上出現(xiàn)了不盡人意的假冒偽劣現(xiàn)象。不法分子罔顧國(guó)家法律法規(guī)，貪圖利益，肆意參與制假售假違法行為，對(duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重影響。為打擊假冒偽劣等行為，不論國(guó)家還是企業(yè)都采取了各種防偽措施來(lái)實(shí)現(xiàn)防偽，保障自身利益。但目前防偽技術(shù)仍存在著許多問(wèn)題，整個(gè)防偽行業(yè)存在諸多痛點(diǎn)。針對(duì)商品溯源問(wèn)題，本系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈技術(shù)提供技術(shù)支持，保證了商品從生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)戒N售的各環(huán)節(jié)信息的可追溯和不可篡改，確保了商品的安全性。對(duì)于商品的防偽，利用了NFC防偽技術(shù)，同時(shí)創(chuàng)新性的進(jìn)行改進(jìn)開發(fā)，提出了NFC標(biāo)簽“一件一碼”安全理論。整個(gè)理論來(lái)源于對(duì)香農(nóng)一次一密碼理論的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。我們利用國(guó)密算法與NFC技術(shù)結(jié)合具體實(shí)現(xiàn)了NFC一件一碼防偽技術(shù)，提高了商品的安全性和可靠性。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，完全采用國(guó)密算法進(jìn)行加密，保護(hù)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)的平穩(wěn)安全運(yùn)行。本系統(tǒng)將區(qū)塊鏈核心密碼算法替換國(guó)密算法，從底層到上層，確保了整個(gè)系統(tǒng)的自主可控和安全可靠。

1? 溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

“基于區(qū)塊鏈和國(guó)密算法的NFC防偽溯源系統(tǒng)”是一套利用區(qū)塊鏈作為存儲(chǔ)媒介，將商品信息上鏈形成生產(chǎn)鏈和供應(yīng)鏈，并將區(qū)塊鏈技術(shù)核心密碼算法替換為國(guó)產(chǎn)商密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密的新型防偽溯源系統(tǒng)。同時(shí)本系統(tǒng)結(jié)合商品監(jiān)管中心，在聯(lián)盟鏈中添加關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，保證商品源頭的可靠與安全。此外商品攜帶NFC標(biāo)簽，用戶可以非常方便地查詢商品真?zhèn)我约吧唐窂纳a(chǎn)到銷售的整條環(huán)節(jié)，真正做到防偽溯源，切實(shí)維護(hù)消費(fèi)者權(quán)益。同時(shí)企業(yè)也能保護(hù)自身權(quán)益不受損壞，以及通過(guò)消費(fèi)者的反饋更好地部署市場(chǎng)。本系統(tǒng)通過(guò)區(qū)塊鏈與國(guó)產(chǎn)商密算法以及NFC技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的雙重安全與自主可控，是一次在信息安全時(shí)代下密碼行業(yè)與區(qū)塊鏈技術(shù)的創(chuàng)新?；趪?guó)產(chǎn)密碼算法的NFC防偽系統(tǒng)為企業(yè)提供了一種統(tǒng)一便捷的防偽管理系統(tǒng)，同時(shí)為消費(fèi)者提供了一個(gè)方便快捷的防偽查詢方式。本系統(tǒng)由商品監(jiān)管中心、商品出廠管理系統(tǒng)、商品上鏈系統(tǒng)和商品防偽查詢APP四部分構(gòu)成。商品監(jiān)管中心提供了商家的注冊(cè)、修改、刪除、查詢等管理功能，除此之外還有與防偽查詢APP的數(shù)據(jù)交互功能。商品出廠管理系統(tǒng)為每一個(gè)出廠的商品貼封上進(jìn)行了數(shù)字簽名的NFC標(biāo)簽。商品上鏈系統(tǒng)對(duì)商品信息進(jìn)行上鏈。商品防偽查詢軟件則能夠讀取商品上的NFC標(biāo)簽內(nèi)容并向監(jiān)管中心查詢商品真?zhèn)我约八菰葱畔⒎答伣o查詢者。1C2C2BDB-DA59-48E2-9529-1FEC2B73126B

1.2? 基于區(qū)塊鏈的溯源分析

傳統(tǒng)溯源行業(yè)主要存在兩大痛點(diǎn)。痛點(diǎn)一：數(shù)據(jù)中心化存儲(chǔ)，存在為自身利益考慮而篡改數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。痛點(diǎn)二：供應(yīng)鏈上各個(gè)企業(yè)各自記賬，形成了信息孤島，數(shù)據(jù)無(wú)法追溯。這樣看來(lái)，整個(gè)溯源行業(yè)存在很大的問(wèn)題，根本無(wú)法確保商品真?zhèn)涡畔⒌目煽?，無(wú)法打擊假冒偽劣商品，難以維護(hù)消費(fèi)者和企業(yè)的合法權(quán)益。

針對(duì)傳統(tǒng)溯源行業(yè)所存在的問(wèn)題，提出利用區(qū)塊鏈技術(shù)來(lái)解決。首先，基于區(qū)塊鏈的哈希算法、共識(shí)算法以及分布式技術(shù)，共同保證了數(shù)據(jù)的公開透明以及難以篡改，去除了數(shù)據(jù)中心化存儲(chǔ)的弊端。同時(shí)，在商品流通過(guò)程中的所有數(shù)據(jù)都以鏈?zhǔn)竭M(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)時(shí)間戳技術(shù)可以追溯到每筆數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)可靠方便的商品溯源。

1.2.1? 區(qū)塊鏈與國(guó)密算法的結(jié)合

本系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)商品的防偽溯源，同時(shí)創(chuàng)新性地將區(qū)塊鏈與國(guó)產(chǎn)商密算法相結(jié)合，將區(qū)塊鏈技術(shù)核心密碼算法替換為國(guó)產(chǎn)商密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的雙重安全并自主可控，是一次在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代下密碼行業(yè)和區(qū)塊鏈技術(shù)的創(chuàng)新。

1.2.2? 基于“一次一密”密碼理論體系的“一件一碼”防偽

本系統(tǒng)中的商品出廠管理系統(tǒng)模塊采用了NFC技術(shù)進(jìn)行防偽。運(yùn)用NFC標(biāo)簽作為防偽的載體，每個(gè)NFC標(biāo)簽對(duì)應(yīng)只綁定一件商品，并且每個(gè)NFC標(biāo)簽在出廠時(shí)都擁有唯一在制作芯片時(shí)就燒死在ROM中的SN碼，具有無(wú)法修改、難以仿造、無(wú)機(jī)械磨損、防污損等特點(diǎn)。將每個(gè)NFC標(biāo)簽唯一的SN碼用于商品的防偽信息，保證了每件出廠商品的唯一性，即所謂的“一件一碼”。“一件一碼”由密碼學(xué)體系中的“一次一密”演化而來(lái)，“一次一密”的密碼體系理論上是安全性最高的。

1.2.3? 基于國(guó)密算法和SN碼的防偽驗(yàn)證

本系統(tǒng)創(chuàng)新性的將SN碼與國(guó)密算法中的SM2、SM3算法結(jié)合，應(yīng)用到商品的防偽中。NFC標(biāo)簽出廠時(shí)自帶全球唯一SN碼，SN碼寫在ROM區(qū)，不可修改、難以仿造、防機(jī)械磨損、防污損，保證了標(biāo)簽的防復(fù)制性，做到了“一件一碼”;經(jīng)過(guò)數(shù)字簽名的NFC標(biāo)簽?zāi)軌虮ＷC認(rèn)證信息的完整性、易于驗(yàn)證發(fā)送者的身份、并且防止交易過(guò)程中抵賴現(xiàn)象的發(fā)生。私鑰簽名，公鑰驗(yàn)簽，大大增強(qiáng)了可信性和不可否認(rèn)性。應(yīng)用于商品的防偽數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簽名后才可寫入，即使獲取標(biāo)簽內(nèi)的信息，也無(wú)法讀懂信息，這樣有效地解決了信息造假和篡改等一系列偽造問(wèn)題，有效地防止了第三方的惡意攻擊，保障了商品的正規(guī)性和安全性。并且防偽能力也得到了極大地提高。

1.2.4? 基于帶外方式發(fā)送密鑰

在分發(fā)商家私鑰時(shí)，本系統(tǒng)使用帶外方式發(fā)送密鑰，即將私鑰使用對(duì)稱加密算法加密后連同該保護(hù)密鑰一同寫入到加密卡中通過(guò)當(dāng)面授予的形式，將加密卡交付至廠商。廠商讀取加密卡中的信息，獲取保護(hù)密鑰以及加密后的廠商私鑰。應(yīng)用拓?fù)淙鐖D1所示。

1.3? 溯源系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)由商品監(jiān)管中心、商品出廠管理系統(tǒng)、商品上鏈管理系統(tǒng)、商品防偽查詢APP四部分組成，其功能用于商品的防偽查詢?；趪?guó)密算法，以廉價(jià)的NFC標(biāo)簽作為認(rèn)證信息的載體，利用國(guó)密算法的簽名和認(rèn)證技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一種符合國(guó)家信息安全自主可控戰(zhàn)略的防偽手段。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

1.4? 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.4.1? 商品監(jiān)督管理中心

商品監(jiān)督管理中心是向企業(yè)用戶與消費(fèi)者提供一個(gè)防偽平臺(tái)。監(jiān)管中心具有三種管理員用戶：賬戶管理員、審計(jì)管理員和安全管理員。

安全管理員負(fù)責(zé)管理企業(yè)商家相關(guān)信息，包括對(duì)企業(yè)法人、證書的審核授權(quán)，相關(guān)信息錄入和修改刪除操作;審計(jì)管理員能夠?qū)ο到y(tǒng)日志進(jìn)行查看、備份、導(dǎo)出和清除操作;賬戶管理員擁有最高的系統(tǒng)后臺(tái)管理權(quán)限，可以對(duì)系統(tǒng)中的其他用戶進(jìn)行管理，如CRUD操作，并且可以使用前面兩種用戶的全部功能。

由于商品監(jiān)督管理中心屬于認(rèn)證機(jī)構(gòu)，需要使用國(guó)密算法中的數(shù)字簽名技術(shù)，因此監(jiān)管中心還需對(duì)密鑰進(jìn)行妥善保管、對(duì)私鑰進(jìn)行安全分發(fā)的工作。并且，當(dāng)消費(fèi)者使用防偽查詢APP進(jìn)行商品真?zhèn)螜z驗(yàn)時(shí)，監(jiān)管中心需要接收消費(fèi)者發(fā)送的認(rèn)證信息（數(shù)字簽名），并對(duì)認(rèn)證信息進(jìn)行驗(yàn)證（驗(yàn)簽），最后將結(jié)果返回給消費(fèi)者。

系統(tǒng)日志對(duì)于軟件的運(yùn)維有極大幫助，因此，監(jiān)管中心對(duì)管理員的登錄、商家信息的更改、消費(fèi)者對(duì)商品的認(rèn)證請(qǐng)求都會(huì)生成日志信息，進(jìn)行保存。生產(chǎn)商注冊(cè)流程如圖3所示，防偽驗(yàn)證流程如圖4所示。

1.4.2? 商品出廠管理系統(tǒng)

首先商家需要購(gòu)買NFC標(biāo)簽，之后該商家需要用SM3算法將本廠的商家信息及NFC標(biāo)簽序列號(hào)進(jìn)行摘要的計(jì)算，并使用SM2算法進(jìn)行簽名。將得到的數(shù)字簽名寫入NFC標(biāo)簽鎖死，使得該標(biāo)簽可以作為一枚防偽標(biāo)簽，被貼上防偽標(biāo)簽正規(guī)商品即可出廠，該標(biāo)簽在日后查詢時(shí)也就起到對(duì)對(duì)應(yīng)商品進(jìn)行防偽溯源的作用。出廠管理系統(tǒng)流程如圖5所示。

1.4.3? 區(qū)塊鏈商品上鏈系統(tǒng)

商品出廠時(shí)利用上鏈系統(tǒng)將商品的生產(chǎn)商以及商品自身相關(guān)信息寫入。之后進(jìn)入運(yùn)輸鏈，運(yùn)輸過(guò)程中在相應(yīng)中轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)輸信息和商品信息的上鏈操作，最后商品進(jìn)入銷售點(diǎn)，完成最后一次銷售信息上鏈。通過(guò)區(qū)塊鏈商品上鏈系統(tǒng)即可完成一次完整的從生成到銷售的商品溯源鏈，消費(fèi)者即可輕松溯源。

企業(yè)可利用云技術(shù)部署應(yīng)用國(guó)密算法的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建完整區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)密碼算法在區(qū)塊鏈應(yīng)用中的準(zhǔn)確性，保證加密正確無(wú)誤。將區(qū)塊鏈商品上鏈系統(tǒng)的客戶端部署在商品的生成、運(yùn)輸、銷售等各環(huán)節(jié)，確保將商品的相關(guān)信息正確寫入?yún)^(qū)塊，完成上鏈。為提高上鏈的正確性和可靠性，推薦采用計(jì)算機(jī)主動(dòng)讀取商品NFC標(biāo)簽中信息，并自動(dòng)添加信息，完成上鏈，避免人工失誤與作假造成上鏈信息有誤。

1.4.4? 商品防偽查詢APP1C2C2BDB-DA59-48E2-9529-1FEC2B73126B

消費(fèi)者用有NFC功能的移動(dòng)設(shè)備下載防偽查詢APP，在下載APP成功后使用移動(dòng)設(shè)備輕貼NFC防偽標(biāo)簽進(jìn)行掃描，以此來(lái)達(dá)到對(duì)商品進(jìn)行真?zhèn)舞b別的目的。

防偽查詢軟件會(huì)將防偽標(biāo)簽的SN碼以及商家信息發(fā)送到后臺(tái)應(yīng)用程序（即商品監(jiān)督管理中心）進(jìn)行查詢，后臺(tái)使用保存在服務(wù)器中的商家公鑰和SM2算法進(jìn)行驗(yàn)簽，比對(duì)摘要值是否一致來(lái)判斷產(chǎn)品真?zhèn)?。若一致，則顯示正品信息頁(yè)面并顯示商品信息。反之，APP則顯示為假信息頁(yè)面。

防偽查詢軟件與防偽標(biāo)簽進(jìn)行相互認(rèn)證，只有本系統(tǒng)的防偽標(biāo)簽和本防偽系統(tǒng)才能通過(guò)認(rèn)證。若沒(méi)能通過(guò)認(rèn)證，軟件客戶端顯示假冒偽劣商品提示頁(yè)面;若通過(guò)，顯示商品為真，可放心購(gòu)買。

2? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1? 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

基于區(qū)塊鏈和國(guó)密算法的NFC防偽溯源系統(tǒng)的商品監(jiān)督管理系統(tǒng)是基于JAVA開發(fā)的，操作系統(tǒng)要求windows 7及以上，商品查詢APP則是基于Android Studio開發(fā)的，設(shè)備要求為Android系統(tǒng)4.0及以上。區(qū)塊鏈部署在3臺(tái)Linux系統(tǒng)的虛擬機(jī)上，在局域網(wǎng)下互相連接。虛擬機(jī)的環(huán)境應(yīng)能保證Hyperledger Fabric能夠正常運(yùn)行、上鏈，避免數(shù)據(jù)被非法篡改、刪除、偽造，實(shí)現(xiàn)對(duì)商品信息的溯源。

2.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文完成溯源系統(tǒng)環(huán)境的搭建以及軟件的開發(fā)，由商品監(jiān)管中心、商品出廠管理系統(tǒng)、商品上鏈系統(tǒng)和商品防偽查詢軟件四部分構(gòu)成。商品監(jiān)管中心能夠?qū)崿F(xiàn)商家的注冊(cè)、修改、刪除、查詢等管理功能。商品出廠管理系統(tǒng)通過(guò)連接相應(yīng)設(shè)備，使用對(duì)應(yīng)的序列號(hào)為每一個(gè)出廠的商品貼封上進(jìn)行了數(shù)字簽名的NFC標(biāo)簽，以實(shí)現(xiàn)商品的出庫(kù)如圖6所示。同時(shí)商品上鏈系統(tǒng)對(duì)該商品進(jìn)行上鏈，如圖7所示。消費(fèi)者可以通過(guò)商品防偽查詢APP讀取商品上的NFC標(biāo)簽內(nèi)容并向監(jiān)管中心查詢商品真?zhèn)我约八菰葱畔?，如圖8、圖9所示。

3? 結(jié)? 論

當(dāng)今，商品市場(chǎng)存在防偽標(biāo)識(shí)技術(shù)含量較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易被破譯，查詢真?zhèn)畏绞綇?fù)雜等諸多問(wèn)題。商品的安全問(wèn)題受到了廣泛的關(guān)注，因而我們亟須提出一個(gè)可行的解決辦法。

本系統(tǒng)主要通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)、數(shù)字簽名和NFC標(biāo)簽來(lái)解決上述商品防偽問(wèn)題。系統(tǒng)涵蓋了商品監(jiān)管中心、商品出廠管理系統(tǒng)、商品上鏈系統(tǒng)和移動(dòng)終端的商品防偽查詢APP四大模塊。與傳統(tǒng)密碼保護(hù)機(jī)制相比，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)商品安全的防護(hù)，以哈希函數(shù)和公鑰密碼算法為基礎(chǔ)，對(duì)NFC標(biāo)簽的數(shù)字簽名全面、有效地保證了數(shù)據(jù)的完整性、真實(shí)性和不可否認(rèn)性。消費(fèi)者通過(guò)移動(dòng)終端的商品防偽查詢軟件掃描所買商品上的NFC標(biāo)簽來(lái)查詢商品的真?zhèn)我约吧唐废嚓P(guān)溯源信息，同時(shí)也可以進(jìn)行假冒偽劣商品的舉報(bào)或追溯維護(hù)自身利益，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性高。

本系統(tǒng)創(chuàng)新性的結(jié)合了各互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并以信息安全技術(shù)保證系統(tǒng)的安全可靠，解決了防偽溯源行業(yè)所存在的痛點(diǎn)，為防偽行業(yè)提供了全新可靠的解決技術(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：黃曦（2001.06—），女，漢族，江西贛州人，本科在讀，研究方向：信息安全、區(qū)塊鏈。1C2C2BDB-DA59-48E2-9529-1FEC2B73126B