區(qū)塊鏈技術(shù)在食品安全監(jiān)督管理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

劉媛媛

關(guān)鍵詞： 區(qū)塊鏈；食品安全；監(jiān)督管理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）03-0074-04

1 引言

俗話說(shuō)，“國(guó)以民為本，民以食為天，食以安為先”，食品安全歷來(lái)都是民眾密切關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題。而“食品安全記錄本”作為市場(chǎng)監(jiān)管部門(mén)對(duì)餐飲單位進(jìn)行食品安全監(jiān)管的一種重要手段，通過(guò)對(duì)餐飲單位生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中各環(huán)節(jié)操作記錄信息的采集，全面把控食品安全質(zhì)量，保障消費(fèi)者的權(quán)益和身體健康[1]。傳統(tǒng)的監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用中心化數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)易被篡改，缺乏一定的公信力。并且數(shù)據(jù)收集涉及多個(gè)職能部門(mén)，數(shù)據(jù)來(lái)源多樣，形式不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)不能有效地進(jìn)行整合分析，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)價(jià)值較低。同時(shí)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)數(shù)字化程度低，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，影響其追溯性[2]。在食品安全監(jiān)督信息系統(tǒng)的建設(shè)中，探索“區(qū)塊鏈+食品安全監(jiān)管”新思路，借助區(qū)塊鏈技術(shù)有效地對(duì)食品操作全流程信息上鏈，從而實(shí)現(xiàn)了信息不可篡改、信息公開(kāi)透明、食品安全監(jiān)管全鏈條溯源等增益效果。在傳統(tǒng)信息系統(tǒng)建設(shè)的同時(shí)依據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新和嘗試，在區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用上將起到示范性作用[3]。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用

2.1 分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

傳統(tǒng)系統(tǒng)采用中心化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，當(dāng)某臺(tái)服務(wù)器權(quán)限較高時(shí)，可以有效控制整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流。但區(qū)塊鏈技術(shù)采用去中心化思維，采用密碼學(xué)原理和共識(shí)算法，保證區(qū)塊鏈在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)責(zé)任和義務(wù)相同，所有節(jié)點(diǎn)均能維護(hù)區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)，使用分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)不存在中心化的管理機(jī)構(gòu)。

2.2 高度自治性

區(qū)塊鏈采用基于協(xié)商一致的規(guī)范和協(xié)議，使得整個(gè)系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)都能夠在去信任的環(huán)境自由安全地交換數(shù)據(jù)。此規(guī)范協(xié)議既包括系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)學(xué)算法，也包括完成交易的智能合約。由傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)“人”的信任改成了對(duì)“機(jī)器”的信任，最終達(dá)成無(wú)法進(jìn)行人為干預(yù)的目的[4]。

2.3 信息高度透明

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)完全公開(kāi)透明，對(duì)外向所有用戶開(kāi)放，任何用戶都可以對(duì)區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)查詢(xún)，并可以依托區(qū)塊鏈系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上層應(yīng)用程序，系統(tǒng)信息透明度高。

2.4 數(shù)據(jù)不可篡改

區(qū)塊鏈系統(tǒng)中每個(gè)區(qū)塊中的數(shù)據(jù)通過(guò)哈希算法生成哈希值后被安全存儲(chǔ)，并且每個(gè)區(qū)塊中數(shù)據(jù)頭部均由上個(gè)區(qū)塊中的哈希值進(jìn)行標(biāo)記，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間相互不信任，除非同時(shí)控制全網(wǎng)超過(guò)51%的系統(tǒng)算力，否則無(wú)法對(duì)區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改，從而保證了區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)的可靠性[5]。

通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)信息上鏈、數(shù)據(jù)不可篡改、數(shù)據(jù)公開(kāi)透明”，利用聯(lián)盟鏈多節(jié)點(diǎn)的接入，還可以實(shí)現(xiàn)“相互制約、去三方信任”，這些特性可以應(yīng)用在數(shù)據(jù)溯源、監(jiān)管信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)存證公證等環(huán)節(jié)，借助區(qū)塊鏈高級(jí)特性“智能合約”，還可以在金融領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)特定業(yè)務(wù)場(chǎng)景，如“供應(yīng)鏈金額”“質(zhì)押借貸”“股權(quán)分配”等。

3 區(qū)塊鏈在監(jiān)管系統(tǒng)中的研究

3.1 利用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)一種監(jiān)管數(shù)據(jù)不可篡改的技術(shù)方案

安全監(jiān)管的日常工作中，各項(xiàng)監(jiān)管數(shù)據(jù)的記錄和存檔備查，是監(jiān)管工作的一種重要手段。對(duì)比傳統(tǒng)的信息記錄系統(tǒng)，增加了信息篡改的隱患。故需要通過(guò)技術(shù)手段杜絕此種現(xiàn)象，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)管信息不可篡改的技術(shù)方案。如果強(qiáng)行修改，系統(tǒng)將自動(dòng)識(shí)別探測(cè)，并進(jìn)行紅色標(biāo)記展示。

如圖1所示，將信息進(jìn)行SHA數(shù)字簽名后，信息生成唯一存證，信息是否被修改，只需簽名和之前存證做對(duì)比即可，由此可以鎖定信息。SHA是一種密碼單向散列函數(shù)，單向散列函數(shù)生成的信息摘要是不可預(yù)見(jiàn)的，消息摘要和原始數(shù)據(jù)沒(méi)有任何關(guān)系。h=H（M），M是待處理的明文，可以為任意長(zhǎng)度；H是單向散列函數(shù)，h是生成的報(bào)文摘要，具有固定長(zhǎng)度，并且和M長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。其中H具有以下單向性質(zhì)：給M和H，易計(jì)算h；給定h和H，難計(jì)算M，甚至得不到M的任何消息；給定H，要找兩個(gè)不同的M1和M2，在計(jì)算上是不可行的[6]。

利用區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，所有的監(jiān)管信息數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在各個(gè)區(qū)塊中，如圖2所示。區(qū)塊與區(qū)塊之間，利用數(shù)字加密SHA算法，相互印證，確保區(qū)塊數(shù)據(jù)的不可篡改。此外，需要在多臺(tái)服務(wù)器上共同運(yùn)行監(jiān)管信息管理系統(tǒng)，使之節(jié)點(diǎn)超過(guò)3個(gè)，則可以保持3個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器項(xiàng)目制約，不可單獨(dú)修改數(shù)據(jù)。

本監(jiān)管聯(lián)盟鏈將采取PBFT 共識(shí)協(xié)議：PracticalByzantine Fault Tolerance，該共識(shí)協(xié)議實(shí)現(xiàn)了在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況下的拜占庭問(wèn)題，有3f+1的容錯(cuò)性，并同時(shí)保證一定的性能。該算法可以容忍小于1/3個(gè)無(wú)效節(jié)點(diǎn)或作惡節(jié)點(diǎn)，從而保障數(shù)據(jù)的一致性和不可篡改。

圖3為PBFT協(xié)議通信模式，每個(gè)客戶端請(qǐng)求需經(jīng)過(guò)5個(gè)階段，通過(guò)采用兩次兩兩交互的方式在服務(wù)器達(dá)成一致后再執(zhí)行客戶端的請(qǐng)求。由于客戶端不能從服務(wù)器端獲得任何服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)的信息，PBFT 中主節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生錯(cuò)誤只能由服務(wù)器監(jiān)測(cè)[7]。如果服務(wù)器在一段時(shí)間內(nèi)都不能完成客戶端的請(qǐng)求，則會(huì)出發(fā)視圖更換協(xié)議。其中C為客戶端，N0-N3表示服務(wù)節(jié)點(diǎn)，N0為主節(jié)點(diǎn)，N3為故障節(jié)點(diǎn)。

3.2 利用摘要簽名存證上鏈實(shí)現(xiàn)大文件存儲(chǔ)和文件防篡改監(jiān)控

通過(guò)信息簽名檢索模塊，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同信息的簽名處理，緊密結(jié)合監(jiān)管聯(lián)盟鏈，將處理后的存證上鏈。上鏈后監(jiān)管聯(lián)盟將反饋區(qū)塊高度，存證哈希等鏈上信息，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)做對(duì)應(yīng)保存。同時(shí)信息簽名檢索模塊將定期做存證巡檢，到監(jiān)管聯(lián)盟鏈上查詢(xún)區(qū)塊信息，跟數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的存證做對(duì)比，如果信息被篡改，將做標(biāo)記展示。

針對(duì)不同信息文件處理方式不同，如圖4所示，對(duì)于文字在容量允許的情況下，將全部上鏈存儲(chǔ)；對(duì)于圖片，需要利用壓縮技術(shù)，上鏈存儲(chǔ)縮略信息和摘要信息；對(duì)于文件和視頻，將做摘要上鏈存儲(chǔ)。

3.3 通過(guò)中心化檢索技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)管聯(lián)盟數(shù)據(jù)的有效公式

區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)通常比較抽象，一般保存的是進(jìn)制數(shù)據(jù)和哈希數(shù)據(jù)，若直接瀏覽訪問(wèn)，難以理解分析。配套監(jiān)管聯(lián)盟鏈，研發(fā)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)展示模塊，可以更加直觀清晰地進(jìn)行數(shù)據(jù)展示和分析。如圖5所示。在這個(gè)過(guò)程中，需要依據(jù)監(jiān)管數(shù)據(jù)類(lèi)別、層級(jí)等制定有效的規(guī)范，將原有的多樣信息，整理為有規(guī)可循的固定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)展示模塊要遵循約定規(guī)則，就可以將難以理解的區(qū)塊數(shù)據(jù)“翻譯”為可以識(shí)別的有效數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

1） 安全責(zé)任信息線上管理

各餐飲單位負(fù)責(zé)人，通過(guò)手機(jī)在線完成安全記錄的確認(rèn)和提交，監(jiān)管管理人員可以通過(guò)系統(tǒng)檢索查詢(xún)安全記錄，餐飲單位負(fù)責(zé)人同時(shí)可以在線查看自己相關(guān)信息。

2） 信息上鏈和存證公示

所有的記錄信息都可以上鏈到自有的聯(lián)盟鏈中并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的存證，鏈上信息可以通過(guò)公開(kāi)的界面進(jìn)行查詢(xún)同時(shí)公示存證信息，存證信息包括區(qū)塊高度、哈希信息等。

3） 監(jiān)管聯(lián)盟鏈

依據(jù)安全信息記錄上鏈的訴求，定制化一款聯(lián)盟鏈，通過(guò)3個(gè)以上節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，并支持一定的擴(kuò)展性，以備后續(xù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)擴(kuò)展的需求。

4） 記錄信息管理

監(jiān)管人員可以管理系統(tǒng)中的各餐飲單位，依據(jù)餐飲單位查看食品安全記錄信息，同時(shí)查看對(duì)應(yīng)的存證信息。

5） 考試管理

監(jiān)管人員可以錄入考題，同時(shí)設(shè)置好答案，多道題目任意組合成一張?jiān)嚲?，由餐飲單位?fù)責(zé)人考核答題，系統(tǒng)可自動(dòng)評(píng)分，考試結(jié)果上鏈存證。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖6所示，運(yùn)行3個(gè)以上節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，項(xiàng)目制約管控，保障鏈上信息的不可篡改和公開(kāi)透明。運(yùn)行中各節(jié)點(diǎn)將按照既定的規(guī)則出塊運(yùn)轉(zhuǎn)，可是隨時(shí)增加節(jié)點(diǎn)。聯(lián)盟鏈中將記錄食品安全信息的摘要信息和完整的存證信息，同時(shí)提供區(qū)塊查詢(xún)、存證查詢(xún)和校驗(yàn)的功能。中心化系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)業(yè)務(wù)功能，包括給餐飲單位使用的移動(dòng)App，監(jiān)管人員使用的后臺(tái)管理系統(tǒng)。中心化系統(tǒng)會(huì)同聯(lián)盟鏈做數(shù)據(jù)通訊，完成重要信息上鏈和存證的拉取和存儲(chǔ)，同時(shí)中心化系統(tǒng)可以到鏈上驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫(kù)中的重要數(shù)據(jù)是否被篡改。存證公示門(mén)戶輪播展示聯(lián)盟鏈最新的區(qū)塊高度和最新的上鏈信息，用作信息公示[8]?？梢愿鶕?jù)存證哈希值，檢索鏈上記錄的具體信息，面向餐飲單位商戶以及各監(jiān)管部門(mén)公開(kāi)透明開(kāi)放。監(jiān)管管理門(mén)戶是監(jiān)管人員內(nèi)部使用的管理后臺(tái)，可以對(duì)餐飲單位商戶進(jìn)行管理，查看記錄信息，校驗(yàn)信息存證，查看聯(lián)盟鏈的運(yùn)行狀態(tài)等。餐飲單位商戶使用移動(dòng)App，通過(guò)賬號(hào)密碼登錄，相關(guān)管理人員可以提交本單位的安全檢查信息，確認(rèn)無(wú)誤后信息上鏈，上鏈后數(shù)據(jù)不可修改。同時(shí)可以查看本單位的歷史安全記錄以及對(duì)應(yīng)鏈上存證信息。

餐飲單位負(fù)責(zé)人通過(guò)手機(jī)App將記錄信息提交給業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如圖7所示。業(yè)務(wù)系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后打包提交給聯(lián)盟鏈，聯(lián)盟鏈接收數(shù)據(jù)后將摘要信息上鏈，同時(shí)反饋上鏈的區(qū)塊高度、哈希標(biāo)識(shí)等信息，業(yè)務(wù)系統(tǒng)接收后入庫(kù)備查。

4.3 系統(tǒng)主要界面設(shè)計(jì)

1） 餐飲單位移動(dòng)App端設(shè)計(jì)

餐飲單位負(fù)責(zé)人可通過(guò)手機(jī)App登錄，如上圖所示，系統(tǒng)主頁(yè)面將列出每日需完成的監(jiān)管任務(wù)，餐飲負(fù)責(zé)人線下完成任務(wù)后可線上提交，同時(shí)可附件圖片和視頻，點(diǎn)擊提交檢查，提交記錄數(shù)據(jù)將進(jìn)行上鏈，上鏈成功過(guò)后返回存證內(nèi)容、所在區(qū)塊、存證標(biāo)識(shí)以及存證時(shí)間。

2） 食品監(jiān)管人員監(jiān)管管理端設(shè)計(jì)

如圖9所示，食品監(jiān)管人員通過(guò)監(jiān)管管理平臺(tái)，可以對(duì)餐飲單位信息進(jìn)行創(chuàng)建、修改、查看、統(tǒng)計(jì)等操作，賦值權(quán)限，并可以按照監(jiān)管街道進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

監(jiān)管人員可以通過(guò)監(jiān)管平臺(tái)查看餐飲單位提交的監(jiān)管信息記錄，每條數(shù)據(jù)均已上鏈，同時(shí)系統(tǒng)中記錄存證內(nèi)容、所在區(qū)塊、存證標(biāo)識(shí)、存證時(shí)間等區(qū)塊數(shù)據(jù)，如圖10所示，保證了數(shù)據(jù)的高度透明和不可篡改特性。

公眾通過(guò)存證公示門(mén)戶，可以查看所有餐飲單位的安全記錄信息，同時(shí)可以查看監(jiān)管鏈上的區(qū)塊信息。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品安全監(jiān)督信息管理系統(tǒng)構(gòu)建成功并初步部署實(shí)施后，改變了傳統(tǒng)模式下中心化數(shù)據(jù)管理模式，取得了較好的應(yīng)用效果。同時(shí)推動(dòng)了監(jiān)管科技創(chuàng)新，提升監(jiān)管效能。