基于區(qū)塊鏈的食品溯源機理與路徑探索

張欣成 李姚礦 梁睿昕

摘? 要：農(nóng)業(yè)一直處于我國經(jīng)濟發(fā)展中的關(guān)鍵地位，食品安全是農(nóng)業(yè)發(fā)展中的一項重要課題。隨著后疫情時代我國居民對互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求的不斷提升，食品溯源可信度面臨空前挑戰(zhàn)。實踐中，消費者對現(xiàn)有食品溯源體系的信任程度不高。傳統(tǒng)食品溯源體系受制于數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)的限制，存在信息難以全面公開、數(shù)據(jù)容易非法篡改、傳輸容易遭受攻擊等問題。在近年來新興技術(shù)快速發(fā)展的背景下，這些問題可以嘗試運用區(qū)塊鏈技術(shù)加以完善和解決。為此，需要剖析傳統(tǒng)食品溯源機制存在的問題及其產(chǎn)生的根本原因，探尋區(qū)塊鏈技術(shù)切入食品溯源機制的機理和路徑，設(shè)計基于區(qū)塊鏈及分布式思維的食品溯源數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)及訪問規(guī)則，運用區(qū)塊鏈技術(shù)防篡改、加密及匿名特性解決溯源問題，對食品溯源路徑及體系進行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè);食品溯源;區(qū)塊鏈;食品安全

中圖分類號：C931.6? ????????文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-9107（2024）01-0090-09

收稿日期：2023-04-13? DOI：10.13968/j.cnki.1009-9107.2024.01.10

基金項目：江蘇共識高新技術(shù)有限公司委托項目“區(qū)塊鏈項目投資價值及風(fēng)險評估研究”

作者簡介：張欣成，男，合肥工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院博士研究生，主要研究方向為區(qū)塊鏈與金融科技。

*通信作者

一、研究背景

習(xí)近平總書記在黨的二十大報告中明確提出了“全面推進鄉(xiāng)村振興”和“加快建設(shè)農(nóng)業(yè)強國”的宏偉目標(biāo)，展示了打造與我國大國地位相稱的農(nóng)業(yè)強國的信心與決心，為中國式農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化指明了方向。習(xí)近平總書記指出：強國必先強農(nóng)，農(nóng)強方能國強［1］。作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)發(fā)展在我國經(jīng)濟建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用，鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出進一步強調(diào)了農(nóng)業(yè)發(fā)展在全黨工作中的重要地位。以食品貿(mào)易為主的農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到農(nóng)民的收入、農(nóng)村的建設(shè)及農(nóng)業(yè)的發(fā)展。近年來，隨著我國人民生活水平的日益增長和消費者自我保護意識的不斷增強，人們對食品質(zhì)量安全的要求逐漸提高，我國食品安全問題日益凸顯，不斷曝出的各類食品安全事件嚴(yán)重挫傷了消費者對食品質(zhì)量的信任程度，對食品行業(yè)的發(fā)展帶來負(fù)面影響。

為了提振消費市場對食品質(zhì)量的信心，我國對食品安全體系的建設(shè)進行了多方面的探索與嘗試。其中，建立通過記錄食品生產(chǎn)過程及關(guān)鍵信息并提供查詢追溯功能的食品安全追溯體系成為保障消費者合法權(quán)益的重要手段?！妒称钒踩ā访鞔_提出生產(chǎn)經(jīng)營者應(yīng)建立食品溯源系統(tǒng)，保證食品可追溯。隨著城鄉(xiāng)居民食品采購方式加速向互聯(lián)網(wǎng)模式傾斜，人們對食品安全和食品質(zhì)量的要求進一步提升［2］，消費市場對獲取全面、真實、客觀的食品溯源信息的需求更加強烈。

目前，歐美等發(fā)達國家已積極探索運用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建食品溯源體系，并在實踐中得到了一定的運用。早在2015年，Baker等就提出運用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)溯源［3］;Caro等于2018年提出一種基于完全分布式架構(gòu)的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)［4］;Rahmadika等則提出構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的供應(yīng)鏈溯源平臺［5］;Aberyatne等對在供應(yīng)鏈系統(tǒng)中切入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)進行了討論。相關(guān)研究促進了國外食品溯源的發(fā)展［6］。

我國作為發(fā)展中國家，食品安全體系建立時間較晚，當(dāng)前還處于初級階段，相關(guān)體系尚不完善［7］。在對區(qū)塊鏈技術(shù)的認(rèn)識和研究尚不夠深入的情況下，有學(xué)者正積極嘗試運用區(qū)塊鏈技術(shù)強化溯源體系以提高食品溯源數(shù)據(jù)可信度，在一定程度上促進了我國在該領(lǐng)域的相關(guān)研究。例如張國英等設(shè)計了一種基于去中心化的防篡改溯源系統(tǒng)［8］;孫俊等探討了基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的可行性［9］;Lin等于2019年設(shè)計了一種用于預(yù)防食品安全問題和責(zé)任追究的食品安全溯源系統(tǒng)［10］;白小寧等設(shè)想了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈溯源體系［11］;丁錦城等對區(qū)塊鏈技術(shù)在食品供應(yīng)體系中的優(yōu)勢及未來面臨的挑戰(zhàn)進行了研究［12］。相關(guān)研究為促進我國區(qū)塊鏈賦能農(nóng)業(yè)發(fā)展作出了貢獻，但這些研究主要集中于應(yīng)用及設(shè)計領(lǐng)域，屬于方向性的研究較多，缺乏對原理及路徑的探索;同時對實踐的考量不夠深入，具體設(shè)計及實現(xiàn)較為模糊，對食品溯源綜合可信度提升的實踐效果不盡如人意。

食品安全問題是關(guān)系國計民生的大事。在農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的背景下，食品安全成為經(jīng)濟社會發(fā)展的重要內(nèi)容和基礎(chǔ)保障［13］。依托新技術(shù)、新思想建立科學(xué)、有效、可信的食品安全追溯體系，切實發(fā)揮食品溯源對提升食品質(zhì)量、發(fā)展農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易、促進我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的作用，是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)中亟待研究的一項重要課題。

二、傳統(tǒng)食品溯源及其存在的問題

（一） 食品溯源及其實現(xiàn)方式

食品溯源是1997年歐盟為應(yīng)對“瘋牛病”而建立的一套食品安全管理制度，主要針對食品在生產(chǎn)、加工、運輸、銷售等整個供應(yīng)鏈中的各個環(huán)節(jié)進行信息記錄及共享，可供監(jiān)管部門及消費者查詢。食品溯源體系是保證食品質(zhì)量及規(guī)范市場秩序的有效手段［14］，它可以實現(xiàn)食品供應(yīng)鏈全流程信息共享、可信流轉(zhuǎn)與防偽溯源［15］，對保證食品安全及優(yōu)化供應(yīng)鏈管理具有重要意義。

食品溯源的實現(xiàn)方式主要是生產(chǎn)端在食品（或生產(chǎn)食品使用的原材料等）生產(chǎn)之初為其賦予溯源碼，即一個獨一無二的身份識別碼UID （unique identifier）。在隨后的生產(chǎn)和流通過程中，關(guān)鍵信息會被記錄在與該UID關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)字段并保存于溯源數(shù)據(jù)庫中。任何時間通過該UID均可以檢索數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)于食品的指定數(shù)據(jù)，獲取食品自生產(chǎn)至銷售全流程在內(nèi)的所有關(guān)鍵信息。

（二）傳統(tǒng)食品溯源機制存在的問題及原因

溯源數(shù)據(jù)是食品溯源系統(tǒng)的關(guān)鍵。從食品溯源的實現(xiàn)方式來看，建立食品安全追溯體系的核心是記錄全程質(zhì)量安全信息;食品安全信息記錄與保存是食品安全追溯體系有效運行的基礎(chǔ)［16］。

傳統(tǒng)食品溯源機制存在遭受黑客攻擊或惡意的修改導(dǎo)致數(shù)據(jù)被篡改的可能，進而威脅到整個溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)的真實性［17］。2018中國創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新博覽會溯源中國與鄉(xiāng)村振興高峰論壇上，中國電信北京研究院副總工程師楊明川表示食品溯源存在數(shù)據(jù)篡改問題和數(shù)據(jù)誠信問題，生產(chǎn)商可根據(jù)需要精確地對溯源數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行修改。傳統(tǒng)食品溯源機制存在的問題嚴(yán)重地影響了溯源質(zhì)量，弱化了其對食品質(zhì)量的監(jiān)管作用及對消費市場的信任度提升作用，未能有效解決生產(chǎn)端與消費市場的信任鴻溝。

產(chǎn)生這一問題的原因主要是傳統(tǒng)溯源機制普遍采用中心化架構(gòu)存儲溯源數(shù)據(jù)，而中心化存儲模式面臨著數(shù)據(jù)易失、數(shù)據(jù)安全性不足、數(shù)據(jù)流通困難導(dǎo)致的數(shù)據(jù)孤島等問題［18］。生產(chǎn)商作為通常情況下的基于中心化架構(gòu)的溯源數(shù)據(jù)庫的所有者，對溯源數(shù)據(jù)庫具有唯一且完全的操作權(quán)限。通過修改數(shù)據(jù)庫中指定UID相關(guān)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)溯源信息的篡改較為容易。2021年6月10日最新通過的《中華人民共和國數(shù)據(jù)安全法》［19］仍未能建立完善的針對溯源數(shù)據(jù)操作的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，生產(chǎn)商對溯源數(shù)據(jù)的操作存在諸多不規(guī)范，外界無法進行實時監(jiān)督或開展后期調(diào)閱，以致溯源數(shù)據(jù)篡改難以得到監(jiān)管，溯源信息真實性難以得到保證。

近年來，公開食品生產(chǎn)關(guān)鍵信息的呼聲不斷，但由于數(shù)據(jù)的非匿名性，數(shù)據(jù)與實物、品牌等存在清晰且易知的對應(yīng)關(guān)系，通過公開數(shù)據(jù)不僅可以獲取對應(yīng)實物的相關(guān)信息，也容易延展獲取非食品溯源機制所應(yīng)記錄的信息。在食品溯源數(shù)據(jù)庫完全開放的模式下，消費端獲知的數(shù)據(jù)也容易同時被競爭生產(chǎn)商或不法分子獲悉，不利于企業(yè)的生產(chǎn)及發(fā)展，因此，生產(chǎn)商難以對溯源數(shù)據(jù)庫進行實時公開而必須選擇數(shù)據(jù)庫閉源，從而形成信息孤島，使得信息難以全面流通［20］。

綜上，傳統(tǒng)食品溯源機制所采用的中心化數(shù)據(jù)架構(gòu)決定了其局限性，其帶來的數(shù)據(jù)讀寫規(guī)則權(quán)力的集中與閉源，未能有效滿足消費市場對溯源數(shù)據(jù)可信度的要求是導(dǎo)致傳統(tǒng)食品溯源機制存在失真失信問題的原因所在。

三、基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源的原理及實現(xiàn)

（一）區(qū)塊鏈技術(shù)簡述

2008年，Nakamoto首次提出“區(qū)塊鏈”概念［21］并引發(fā)學(xué)界對區(qū)塊鏈技術(shù)進行廣泛而深入的研究。區(qū)塊鏈應(yīng)用場景從最初的數(shù)字貨幣逐漸擴展到醫(yī)療、金融、教育、物流供應(yīng)鏈等更多的領(lǐng)域［22］，區(qū)塊鏈技術(shù)力圖實現(xiàn)一種“無需信任之信任”（trustless trust）［23］，是一項具有變革性的基礎(chǔ)技術(shù)［24］。

從數(shù)據(jù)管理的角度看，區(qū)塊鏈可以視作是在一個分布式環(huán)境下眾多節(jié)點共同維護且不可篡改的賬本［25］，參與節(jié)點均保存有賬本副本并完成數(shù)據(jù)的驗證及更新。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)通過鏈?zhǔn)酱鎯?、驗證規(guī)則及密碼學(xué)保證任何單一節(jié)點的未經(jīng)驗證的操作均置于無效狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息可靠存儲［26］，使區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)應(yīng)用前景更為廣泛的追溯功能。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種分布式架構(gòu)、加密技術(shù)及匿名技術(shù)的集成，物流追蹤和產(chǎn)品溯源逐漸成為區(qū)塊鏈在供應(yīng)鏈應(yīng)用場景的重要部分［27］。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提質(zhì)增效發(fā)展目標(biāo)的要求下，需要分析傳統(tǒng)食品溯源機制問題的根源，結(jié)合區(qū)塊鏈特性研究其在食品溯源領(lǐng)域的適用場景及契合的切入點。

（二）食品溯源問題路徑及區(qū)塊鏈技術(shù)切入點

食品溯源機制的運行依賴記錄食品生產(chǎn)過程中關(guān)鍵信息的溯源數(shù)據(jù)庫及其讀寫規(guī)則。通常，溯源數(shù)據(jù)中心化地存儲于生產(chǎn)商，生產(chǎn)商對溯源數(shù)據(jù)庫擁有最高權(quán)限，監(jiān)管機構(gòu)及消費者擁有訪問權(quán)限。從本質(zhì)上看，食品溯源的原理是生產(chǎn)商依據(jù)生產(chǎn)實際向溯源數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)寫操作;消費者及監(jiān)管機構(gòu)依據(jù)信息查詢需要向溯源數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)讀操作。

1.傳統(tǒng)食品溯源機制問題產(chǎn)生路徑分析。傳統(tǒng)食品溯源機制中存在的溯源數(shù)據(jù)篡改問題的本質(zhì)是對食品溯源數(shù)據(jù)庫的非法操作，產(chǎn)生的根源在于數(shù)據(jù)架構(gòu)。對于中心化數(shù)據(jù)架構(gòu)來說，數(shù)據(jù)在上傳、存儲、查詢等一系列操作中有被篡改的可能［28］，從而為溯源數(shù)據(jù)的非法操作留下可行路徑，降低食品溯源質(zhì)量及可信度。

在中心化數(shù)據(jù)架構(gòu)決定的溯源數(shù)據(jù)閉源模式下，對數(shù)據(jù)的操作局限于數(shù)據(jù)庫所有者或擁有相關(guān)權(quán)限的角色，對以中心化模式存儲的UID及其關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)操作（尤其是對已有數(shù)據(jù)進行修改）無須審核或僅須生產(chǎn)商內(nèi)部審核，這是產(chǎn)生溯源數(shù)據(jù)篡改問題的主要路徑。圖1顯示了傳統(tǒng)溯源機制下食品溯源數(shù)據(jù)在自食品生產(chǎn)至消費者查詢溯源完整流程上的主要讀寫路徑。

對圖中路徑P1- P6進行說明。

P1：生產(chǎn)端在食品生產(chǎn)之初為對應(yīng)實物設(shè)立UID，建立實物與溯源數(shù)據(jù)的一一對應(yīng)關(guān)系，作為溯源查詢的憑證。

P2：生產(chǎn)端在食品生產(chǎn)過程中，根據(jù)實際情況向溯源數(shù)據(jù)庫記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

P3：生產(chǎn)端在生產(chǎn)完成后，因發(fā)生修改需要，對溯源數(shù)據(jù)庫中已有數(shù)據(jù)進行篡改。

P4：消費端在購買獲得產(chǎn)品后，通過實物對應(yīng)的UID發(fā)起溯源查詢。

P5：溯源數(shù)據(jù)庫收到溯源查詢申請，通過UID索引對應(yīng)的溯源數(shù)據(jù)。

P6：溯源數(shù)據(jù)庫將查詢獲得的溯源數(shù)據(jù)發(fā)送至請求方（例如消費端），完成溯源查詢。

對路徑P1-P6影響溯源可信度的可能性及原理進行分析。

P1：UID作為后續(xù)環(huán)節(jié)中相關(guān)數(shù)據(jù)在溯源數(shù)據(jù)中的索引，不涉及具體溯源數(shù)據(jù)，因此該路徑不會對局部溯源數(shù)據(jù)的真實性產(chǎn)生影響。但通過破壞UID與實物的對應(yīng)關(guān)系（如仿制UID對應(yīng)至非原UID對應(yīng)實物）時，會對該實物的溯源可信度產(chǎn)生影響。

P2：該路徑是食品溯源機制的主要源數(shù)據(jù)渠道。源數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會直接影響溯源數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此該路徑會對溯源可信度產(chǎn)生影響。

P3：該路徑是實現(xiàn)篡改溯源數(shù)據(jù)篡改的主要渠道，因此該路徑會對溯源可信度產(chǎn)生影響。

P4：該路徑連接消費端與溯源數(shù)據(jù)庫，依賴廣域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)在交換過程中可能遭遇包括篡改及攔截在內(nèi)的攻擊，從而影響溯源數(shù)據(jù)的查詢及返回結(jié)果，因此該路徑會對溯源可信度產(chǎn)生影響。

P5：該路徑通常在溯源數(shù)據(jù)庫內(nèi)部完成。在不考慮溯源數(shù)據(jù)庫遭受攻擊的情況下，可以認(rèn)為溯源數(shù)據(jù)庫會準(zhǔn)確地通過UID索引獲取對應(yīng)溯源數(shù)據(jù)，因此該路徑不會對溯源可信度產(chǎn)生影響。

P6：該路徑與P4類似，會對溯源可信度產(chǎn)生影響。

2.區(qū)塊鏈技術(shù)的有效切入點分析。通過前文分析可知，在支撐傳統(tǒng)溯源機制運行的主要數(shù)據(jù)讀寫路徑中，除P5外均存在影響溯源可信度的可能。運用區(qū)塊鏈技術(shù)解決傳統(tǒng)溯源數(shù)據(jù)失真失信問題的基本思路是對存在影響可能性的路徑進行阻斷，因此，需要對在P1-P6切入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)的可行性及必要性進行分析。

P1：涉及溯源防偽，屬于現(xiàn)實世界的數(shù)字表達相關(guān)問題。區(qū)塊鏈技術(shù)的本質(zhì)是一種存儲結(jié)構(gòu)和讀寫規(guī)則，而溯源防偽是區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的延伸。該路徑存在的問題單純依靠區(qū)塊鏈技術(shù)難以解決，需要配合其他技術(shù)與手段實現(xiàn)，本文不予深入討論。

P2：涉及數(shù)據(jù)庫讀寫操作，屬于上鏈信息真實性驗證問題。區(qū)塊鏈的安全與可信是指上鏈數(shù)據(jù)存儲及讀寫的安全與可信，區(qū)塊鏈可以對數(shù)據(jù)的讀寫規(guī)則進行約束，對讀寫操作進行驗證，但對數(shù)據(jù)描述實物的準(zhǔn)確度無法進行有效甄別。該路徑存在的問題單純依靠區(qū)塊鏈技術(shù)難以解決，需要配合其他技術(shù)與手段實現(xiàn)，本文不予深入討論。

P3：涉及數(shù)據(jù)庫讀寫操作，屬于數(shù)據(jù)庫讀寫規(guī)則相關(guān)問題。該路徑的實現(xiàn)需要對已存在的數(shù)據(jù)進行修改，但區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的共識機制拒絕執(zhí)行該操作，因此，區(qū)塊鏈的防篡改特性可用于該路徑的阻斷，區(qū)塊鏈技術(shù)進行切入具有可行性。同時，傳統(tǒng)食品溯源機制所采用的中心化數(shù)據(jù)架構(gòu)決定了其對數(shù)據(jù)讀寫規(guī)則及操作無法進行有效的約束與監(jiān)督，因此區(qū)塊鏈技術(shù)進行切入具有必要性，該路徑可作為區(qū)塊鏈技術(shù)的有效切入點。

P4、P6：不涉及數(shù)據(jù)庫讀寫操作，但屬于數(shù)據(jù)傳輸安全相關(guān)問題。數(shù)據(jù)傳輸是食品溯源機制得以運行的重要支撐，但其在開放環(huán)境下容易遭到劫持與篡改。區(qū)塊鏈的安全性設(shè)計底層加密方案［29］，保證與其交換數(shù)據(jù)的安全，因此，區(qū)塊鏈的加密特性可用于該路徑的阻斷，區(qū)塊鏈技術(shù)進行切入具有可行性。同時，食品溯源機制要求溯源數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地傳輸給查詢者，這是食品溯源體系得以運行并發(fā)揮預(yù)定作用的必要條件，因此區(qū)塊鏈技術(shù)進行切入具有必要性，該路徑可作為區(qū)塊鏈技術(shù)的有效切入點。

綜上，P3、P4、P6是區(qū)塊鏈技術(shù)的可能有效切入點。

（三）區(qū)塊鏈技術(shù)作用機理及實現(xiàn)

1. 區(qū)塊鏈技術(shù)對阻斷P3的作用原理及實現(xiàn)。產(chǎn)生P3的根本原因是數(shù)據(jù)操作規(guī)則限制及監(jiān)管的缺失。數(shù)據(jù)所有權(quán)決定其數(shù)據(jù)的讀寫規(guī)則，傳統(tǒng)溯源機制下，數(shù)據(jù)所有權(quán)限孤立地集中于生產(chǎn)端，數(shù)據(jù)讀寫規(guī)則被封裝于生產(chǎn)端內(nèi)，缺乏有效限制，以致生產(chǎn)商可以不受監(jiān)管和限制地修改數(shù)據(jù)。

區(qū)塊鏈技術(shù)及分布式架構(gòu)背景下，數(shù)據(jù)失去所有權(quán)概念，不被任何個體所有。數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈后即成為構(gòu)成區(qū)塊鏈的一個區(qū)塊，所有節(jié)點均擁有含有該條數(shù)據(jù)記錄在內(nèi)的完整數(shù)據(jù)庫副本。如圖2所示，相比傳統(tǒng)食品溯源機制，生產(chǎn)商不再擁有對數(shù)據(jù)的所有權(quán)，生產(chǎn)商與消費者等所有主體在區(qū)塊鏈中的身份相同，不再擁有對已有溯源數(shù)據(jù)的修改權(quán)限。

同時，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存儲以保證鏈上數(shù)據(jù)（即已存儲的數(shù)據(jù)）的防篡改特性。其原理是每個區(qū)塊由區(qū)塊頭及區(qū)塊體組成，區(qū)塊頭的內(nèi)容包含對應(yīng)區(qū)塊的身份識別信息，區(qū)塊體承載實際數(shù)據(jù)。區(qū)塊頭中保存有版本號、前一區(qū)塊頭的哈希值（即加密算法換算后的密文）、隨機數(shù)和目標(biāo)哈希值等信息，對本區(qū)塊頭的信息進行哈希產(chǎn)生的值存在下一個區(qū)塊的頭部［30］。例如，第n（n≥2）個區(qū)塊的區(qū)塊頭包含第n-1（n≥2）個區(qū)塊的哈希值，其自身哈希值則被包含于第n+1（n≥2）個區(qū)塊的區(qū)塊頭內(nèi)，從而形成鏈?zhǔn)疥P(guān)系，如圖3所示。

如欲對第n（n≥3）個區(qū)塊的數(shù)據(jù)進行修改，則必須通過新增區(qū)塊n′，然后改變第n-1（n≥3）和第n+1（n≥3）個區(qū)塊的指針數(shù)據(jù)以破壞其與原區(qū)塊的對應(yīng)關(guān)系、重建與區(qū)塊n′的對應(yīng)關(guān)系，但這一操作會導(dǎo)致其哈希值發(fā)生變化，從而又需要分別對與第n-2（n≥3）和第n+2（n≥3）個區(qū)塊進行修改，以此往復(fù)直至整個區(qū)塊鏈被更改才能完成。區(qū)塊鏈賬本的維護靠區(qū)塊鏈技術(shù)中的共識算法，對于交易的記錄需要系統(tǒng)中半數(shù)以上節(jié)點達成一致才有效［31］。在實踐中，這一操作的實現(xiàn)難度極高，實現(xiàn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于篡改數(shù)據(jù)帶來的收益，任何個人或組織幾乎不可能也不會嘗試對區(qū)塊鏈鏈上數(shù)據(jù)進行篡改。可見，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)及其共識機制能夠確保網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)和處理的可信性［32］。

綜上，在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源機制下，生產(chǎn)商不再擁有數(shù)據(jù)修改的權(quán)限，任何個人或組織也難以對已有數(shù)據(jù)進行篡改，從而實現(xiàn)對P3的阻斷并解決數(shù)據(jù)篡改帶來的溯源數(shù)據(jù)可信度問題。

2.區(qū)塊鏈技術(shù)對阻斷P4、P6的作用原理及實現(xiàn)。密碼學(xué)的使用是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵特征，它為網(wǎng)絡(luò)中的所有交互帶來了權(quán)威性［33］。在經(jīng)典區(qū)塊鏈中使用SHA-256作為加密函數(shù)［34］，對數(shù)據(jù)進行加密與校驗，可強化數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與安全性。同時，相比于主流加密算法（如SHA1，MD5），區(qū)塊鏈技術(shù)采用的SHA-256加密算法速度快且抗攻擊性能力強［35］，具有較高的安全性。

SHA-256加密算法將任意長度的源數(shù)據(jù)壓縮換算成256位的數(shù)字（即“哈希值”），不同源數(shù)據(jù)經(jīng)換算得到的哈希值不同。若數(shù)據(jù)在傳輸途中遭遇攻擊發(fā)生改變，則哈希值也將隨之變化，從而無法通過哈希值一致性校驗，數(shù)據(jù)將被丟棄，以此保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與安全性。

對于食品溯源機制而言，區(qū)塊鏈技術(shù)保證傳輸至目標(biāo)終端的溯源數(shù)據(jù)安全的原理是發(fā)送端收到區(qū)塊數(shù)據(jù)（例如溯源結(jié)果）時驗證其哈希值是否與預(yù)期相同。以UID為例，由于查詢前后UID應(yīng)不變，因此發(fā)送查詢的食品實物的UID哈希值應(yīng)與收到返回的溯源數(shù)據(jù)的UID哈希值對應(yīng)。如果UID在傳輸過程中遭到篡改，哈希值將發(fā)生變化，接收時將無法通過驗證（如圖4所示），從而實現(xiàn)甄別并避免P4、P6在數(shù)據(jù)傳輸過程中因遭遇攻擊導(dǎo)致的溯源結(jié)果失真情況，改善溯源數(shù)據(jù)可信度。

3.區(qū)塊鏈技術(shù)對匿名公開的作用原理及實現(xiàn)。前文提到，提振消費端對食品溯源信任度的一個有效途徑是對溯源數(shù)據(jù)庫進行實時公開，但這與生產(chǎn)端對關(guān)鍵信息的保密要求相沖突，限制了這一途徑的實現(xiàn)。針對這一問題的解決思路是在保證關(guān)鍵信息隱匿性的前提下對溯源數(shù)據(jù)進行公開，即采用一種匿名的公開模式。

在傳統(tǒng)溯源機制中，包含溯源數(shù)據(jù)的溯源數(shù)據(jù)庫由生產(chǎn)端所有，存在清晰的對應(yīng)關(guān)系，通過溯源數(shù)據(jù)容易延伸獲取非溯源需要或其他不欲公開的數(shù)據(jù)，例如溯源數(shù)據(jù)所有者信息。作為溯源數(shù)據(jù)提交者O1的生產(chǎn)端同時也是溯源數(shù)據(jù)D1的所有者，O1與D1存在對應(yīng)關(guān)系R1，并與不欲公開的非溯源數(shù)據(jù)D2存在對應(yīng)關(guān)系R2。查詢者O2通過查詢操作S，可以獲取對應(yīng)的D1。同時，由于R1的存在，O2可以獲取O1，又由于R2的存在，O2可以獲取D2。由于數(shù)據(jù)權(quán)屬決定的對應(yīng)關(guān)系無法被拆分，即R1無法被破壞或隱匿，D1的完全公開容易導(dǎo)致O1的暴露;而由于R2同樣無法被破壞或隱匿，最終導(dǎo)致D2可被獲取。這是生產(chǎn)端難以實現(xiàn)溯源庫數(shù)據(jù)實時公開的原因之一。這一問題可以運用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的匿名特性加以解決，區(qū)塊鏈中的用戶只與公鑰地址相對應(yīng)， 而不與用戶的真實身份相關(guān)聯(lián)。用戶無須暴露自己的真實身份即可完成交易、參與區(qū)塊鏈的使用［36］。在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源體制下，由于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換采用預(yù)定的算法進行驗證，不依賴基于身份產(chǎn)生的信任，生產(chǎn)端可以以地址形式進行食品溯源數(shù)據(jù)提交而無須以身份形式進行數(shù)據(jù)的交換。數(shù)據(jù)與提交者的對應(yīng)關(guān)系被隱匿，無法對數(shù)據(jù)來源進行身份甄別。O2通過S獲取D1，但由于R1變?yōu)镺1向D1單向（即O1僅提供數(shù)據(jù)D1），因此D1向O1的通路被阻斷，O2無法獲取O1，也無法進一步通過R2獲取D2。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)對其他關(guān)鍵信息的匿名保護同理。圖5對數(shù)據(jù)通路的變化作出示意。

綜上，通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的匿名特性，實現(xiàn)生產(chǎn)端在保護關(guān)鍵數(shù)據(jù)隱私的前提下進一步對溯源數(shù)據(jù)進行開放，供消費端對基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源機制的防篡改特性及數(shù)據(jù)質(zhì)量進行監(jiān)督與驗證，較好地契合了前文提及的溯源數(shù)據(jù)庫公開需求，可在一定程度上提升消費端對食品溯源的信任度。

四、貢獻與展望

（一）本研究的貢獻

新時代背景下，深入研究區(qū)塊鏈技術(shù)賦能農(nóng)業(yè)體系是我國實現(xiàn)高質(zhì)量農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑。本研究從傳統(tǒng)食品溯源機制及溯源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究其中存在的問題及產(chǎn)生的原因，探尋運用區(qū)塊鏈技術(shù)切入并予以解決的機理及路徑，對基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源機制進行探索，優(yōu)化并提高食品溯源機制預(yù)期效用，主要貢獻有如下三點：（1）對傳統(tǒng)食品溯源機制所存在問題的本質(zhì)進行研究，得出由傳統(tǒng)溯源數(shù)據(jù)架構(gòu)所具有的局限性引發(fā)的數(shù)據(jù)讀寫規(guī)則權(quán)力集中且閉源，是傳統(tǒng)食品溯源數(shù)據(jù)失真失信，并進一步導(dǎo)致食品溯源不能被消費市場信賴的內(nèi)在原因這一結(jié)論;（2）對引發(fā)傳統(tǒng)食品溯源機制問題的路徑進行研究，得出區(qū)塊鏈技術(shù)作用于傳統(tǒng)溯源機制問題的合理切入點，明確區(qū)塊鏈應(yīng)用思路，為食品溯源領(lǐng)域的區(qū)塊鏈技術(shù)相關(guān)研究提供參考;（3）對傳統(tǒng)食品溯源機制的數(shù)據(jù)路徑進行研究，分別結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)防篡改特性、加密特性及匿名特性，提出解決傳統(tǒng)食品溯源機制問題的原理與路徑，為后續(xù)學(xué)者進一步在應(yīng)用層面的研究與設(shè)計提供參考。

（二）區(qū)塊鏈技術(shù)研究的局限與展望

區(qū)塊鏈作為一項新興技術(shù)，正逐漸成為產(chǎn)學(xué)界共同關(guān)注的熱點研究課題。2020年以來，全球數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展顯著提速，在“新基建”背景下，區(qū)塊鏈技術(shù)廣泛而快速地向越來越多的行業(yè)及領(lǐng)域滲透?；谌ブ行幕軜?gòu)的區(qū)塊鏈技術(shù)以其防篡改、加密及匿名特性實現(xiàn)的數(shù)據(jù)追溯功能，使其在包括食品在內(nèi)的農(nóng)產(chǎn)品溯源領(lǐng)域具有廣闊的研究空間與應(yīng)用前景，為農(nóng)業(yè)發(fā)展注入新的活力，加快了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的前進步伐［37］。

然而，在實際的應(yīng)用場景中，當(dāng)前的區(qū)塊鏈平臺在諸多方面尚存在很多問題。目前對區(qū)塊鏈技術(shù)的研究多數(shù)都仍處在理論及初步設(shè)計階段，諸多重要的科學(xué)問題亟待研究跟進。對區(qū)塊鏈技術(shù)的研究尚不能保證鏈上數(shù)據(jù)與客觀事物實現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)字表達及關(guān)系映射，從而有效解決上鏈數(shù)據(jù)失真問題;也無法甄別身份憑證的合法性與唯一性以保證食品溯源區(qū)塊鏈鏈上的信息與所查詢的客觀實物完全相符，從而有效解決溯源防偽問題。可見，對區(qū)塊鏈技術(shù)的研究及其在食品溯源領(lǐng)域應(yīng)用的探索任重道遠(yuǎn)。

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的普及，針對區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)交叉融合的研究正逐步深入，催生出大量新業(yè)態(tài)、新模式、新思路，展現(xiàn)出空前的創(chuàng)新潛能和蓬勃的發(fā)展態(tài)勢。目前，區(qū)塊鏈已在數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域有所應(yīng)用，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)及領(lǐng)域的去中心化程度將逐漸提高;依托跨鏈技術(shù)及智能合約技術(shù)的進一步發(fā)展與完善并基于資產(chǎn)數(shù)字化帶來的便捷交易將促進區(qū)塊鏈在農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域的深度拓展，多領(lǐng)域多行業(yè)交叉協(xié)作或?qū)⒊蔀槲覈r(nóng)業(yè)發(fā)展提速增質(zhì)的新思路。

今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一定會朝著機械化、信息化、智能化方向發(fā)展。在未來基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源機制相關(guān)研究中，應(yīng)積極研究區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，通過傳感器、監(jiān)控設(shè)備等實時記錄關(guān)鍵信息，提高上鏈數(shù)據(jù)可信度，結(jié)合區(qū)塊鏈防篡改性進行數(shù)據(jù)的存儲及管理，或可形成信任閉環(huán)，進一步提高溯源準(zhǔn)確度與可信度;應(yīng)積極研究區(qū)塊鏈技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合，提高區(qū)塊鏈節(jié)點業(yè)務(wù)領(lǐng)域的信息透明度，進一步提高溯源數(shù)據(jù)公開程度并消滅信息孤島;應(yīng)積極研究區(qū)塊鏈技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合，運用智能合約構(gòu)建全新的自動化監(jiān)管體系，實現(xiàn)食品質(zhì)量監(jiān)督降本增效;最后，還應(yīng)加強相關(guān)規(guī)章制度的研究，建立健全適應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展需要的區(qū)塊鏈技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高技術(shù)間的互操作性及實踐可行性。

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Research on the Mechanism and Path of Food Traceability Based on Blockchain Technology

ZHANG Xincheng，LI Yaokuang*，LIANG Ruixin

（School of Management，Hefei University of Technology，Hefei? 230009，China）

Abstract：Agriculture has always been in the key position of Chinas economy， and food safety is an important issue in it.With the continuous improvement of Chinese residents demand for Internet applications in the post-epidemic era，the credibility of food traceability is facing unprecedented challenges.In practice，consumers do not have a high degree of trust in the existing food traceability system.The traditional food traceability system is subject to the limitations of the data storage architecture，and there are problems such as difficulty in fully disclosing information，easy illegal tampering of data，and vulnerable transmission attacks.In the context of the rapid development of emerging technologies in recent years，these problems can be improved and solved by using the Blockchain technology.It is necessary to analyze the problems existing in the traditional food traceability mechanism and their root causes，to explore the mechanism and path for the Blockchain technology to cut into the food traceability mechanism，and to design a food traceability data storage structure with access rules based on distributed structure，use the anti-tampering， encryption and anonymity features of the Blockchain technology to solve the traceability problem，and further optimize the food traceability path and system.

Keywords：agriculture;food traceability;Blockchain technology;food safety

（責(zé)任編輯：張潔）