基于区块链的草原畜产品溯源系统的设计与部署方案
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摘 要：食品安全关系国计民生。畜产品是食品的重要组成部分，畜产品安全是畜牧业健康发展的重要基石。通过畜产品溯源保证草原畜产品的安全，使用数据的方式呈现牲畜从出生到被送上餐桌的历程，消费者不仅可以确认畜产品是否安全，还可以了解它的品质。畜产品溯源能够为消费者的健康保驾护航，促进畜牧业的发展，更可为畜产品带来附加价值，带动相关产业的发展。介绍了基于区块链的畜产品溯源系统的设计和部署方案，发现将区块链技术融入畜产品溯源技术中，可以极大提高溯源数据的真实性和可靠性。
关键词：畜产品;溯源;区块链;去中心化
文章编号：1004-7026（2020）07-0139-02 中国图书分类号：F322 文献标志码：A
1 传统溯源技术的问题与解决方案
在传统溯源方式中，使用RFID技术可以大大提高食品溯源数据的可信度，以及伪造信息的成本，但无法完全确保溯源数据在整个供应链的溯源流程中被篡改。
由于食品供应链中每一个环节的溯源信息都要记录在中心节点的数据库中，查询系统是依托中心节点的数据库建立的，而中心节点并没有被其他机构监管，因此无法确保中心节点数据一定是真实可信的。一旦溯源系统的中心节点被攻击，溯源信息被恶意篡改，或者由于溯源系统中心节点的内部人员操作失误，就会导致整个食品溯源系统的数据不再真实。
虽然每一只牲畜实体和它的电子标签在物理关系上是一一对应的，但假如存储这些信息的食品溯源中心数据库被攻击，牲畜电子标签及其他溯源信息被篡改，牲畜的身份标识和其他溯源数据与牲畜实体的对应关系就被打乱。例如一只低品质羊的电子标签及其溯源数据改为另一只高品质羊的电子标签及相关数据，那低品质羊肉产品就成为了优质羊肉产品，而这些过程除了黑客了解内幕外，再没有个人或组织机构知晓内情。如果内部人员操作出现问题导致数据改变，那错误数据直接就变成了正确数据，也不会有人知道正确的数据。因此，在传统溯源方式的架构下，食品信息透明度较低，消费者很难辨识溯源信息的真假。
将区块链技术融入到传统溯源技术中是一条可行之路。将溯源信息记录到区块链的分布式数据库中，每一条数据上链都要经过共识达成一致，极大程度避免了因操作失误而造成的错误数据上链。每个参与溯源流程的节点各保留一份记录溯源数据的副本，相当于每个参与节点的数据都被其他节点背书，数据上链后无法被更改和删除，避免了中心节点被攻击而使数据失真的风险，实现了去中心化的架构。结合传统溯源方式的优点，使全部溯源流程公开透明，确保溯源信息的真实可信[1]。
内蒙古自治区是畜牧大省，畜牧业在经济结构中有着重要的地位，畜产品是对外输出的重要商品之一。
近几年，畜产品的溯源体系逐步健全，极大提高了畜产品的附加价值，但其中仍有不足之处。使用区块链技术的溯源技术可以弥补这些不足，解决畜产品安全问题及畜产品以次充好的问题，为消费者和需要溯源信息的各部门、各组织提供可靠的溯源数据，有助于内蒙古畜牧业健康稳定的发展。
2 基于区块链的草原畜产品溯源系统的设计
溯源系统总体架构主要分为4层，由下而上依次是数据接入层、数据存储层、区块链基础层和应用查询层[2]。
（1）数据接入层。利用智能设备对草原牲畜在生产过程中产生的数据进行采集和上传，或通过供应链中的生产系统接口将数据传入数据存储层溯源数据库中。
（2）数据存储层。用于收集存储溯源数据，并向上一层区块链基础层提供用于写入区块链账本的溯源数据。
（3）区块链基础层。搭建草原畜产品溯源应用，提供核心数据加密服务、共识服务以及智能合约的运行环境，通过智能合约将数据自动上链并储存到分布式nosql数据库中，并提供查询服务API。
（4）应用查询层。通过调用区块链基础层的查询API遍历区块形成查询系统，供政府监管部门监管及消费者查询。
3 基于区块链的畜产品溯源系统的部署方案
3.1 不同类型的节点
系统通过节点实现信息之间的交互，不同类型的节点可以在同一物理服务器上部署运行，系统中定义了3种不同类型的节点[3]。
（1）客户端节点是通过编写SDK对区块链系统发送请求以调用其上层应用的节点。在客户端通过网关向区块链系统提交交易请求时，会使用与客户端身份对应的私钥签署电子签名。当网关节点向共识节点提交交易时，会使用与其绑定的私钥签署节点签名附在交易之后。
（2）网关节点是为客户端节点和共识节点提供网关服务的节点。一个网关节点可以连接一个或多个客户端节点，同时一个网关节点也可以连接一个或多个共识节点，也可以与其中一个共识节点部署在同一台服务器上，其部署需要与共识节点的一对秘钥进行绑定。网关节点是区块链系統中交易上传的枢纽，具有管理秘钥、进行协议转换等功能。
（3）共识节点（Peer）是共识协议参与方，会产生一致性账本。作为区块链系统的核心部分，共识节点是共识过程的载体，可以触发智能合约的条件按照一定的逻辑将数据录入区块链账本中并进行管理。一个区块链网络可以由若干个共识节点组成，每个共识节点上可以运行多个账本，账本是数据维度的独立管理单元。可以说共识节点是区块链账本在物理意义上的载体，而账本则是交易数据在逻辑关系上的载体，而每一个共识节点都建有一个非关系型数据库作为账本在逻辑意义上的载体。在启动共识节点后，共识节点所在的服务器上就运行着一个进程，可以提供共识服务并将上链数据存储到非关系型数据库中[4]。
3.2 部署方案
（1）第一种业务部署方案是将政府部门、牧户、银行、保险公司、屠宰加工公司、仓储物流公司、养殖区、销售店面、超市等各类部门中的每一种部门作为一个组织。每个组织部署一个区块链系统，包含这一类共识节点若干个（最好是3f+1个，以方便共识），具体对应每一个组织内该类实体若干个。每一个实体的共识节点和其对应的网关节点部署在一个小型服务器上，通过与网关节点相连的客户端向组织内部组成的区块链系统上传数据，经由网关发给共识节点进行共识，达成一致性共识后记录在共识节点非关系型数据库中，并向网关返回结果[5]。 任意一个组织内可以调用其他组织网关节点面向外部的查询接口获得其他组织的溯源数据，消费者使用的查询终端可以以牲畜唯一标识码为纽带，调用养殖、屠宰加工、仓储物流等各部门区块链数据，接口使用spring或其它框架建立查询系统。
例如将所有牧民合作社作为一个组织，其中每个牧民合作社实体配备一台小型服务器用以部署共识节点和网关节点。牧民合作社可以通过客户端或智能设备上传数据，溯源数据在组织内部进行共识，达成一致后录入牧民合作社组织的区块链系统中。其他组织可以通過牧民合作社网关节点数据接口调用牧民养殖信息。
这种业务部署方式不需要跨部门共识，而是组织内部共识，只保存，可以减少电力消耗。而查询时由于各组织组成的是分布式系统，没有中心节点，溯源数据从区块链系统数据接口读取，可以保证系统的去中心化以及数据的不可篡改和真实可靠，但需要部署大量服务器，耗资较大[6-7]。
（2）第二种业务部署方案是以上每个组织作为一个独立节点，每个组织在一台大型服务器上部署一个共识节点和一个网关节点，组织内部每个实体配备一个客户端连接网关节点，共识在各组织之间进行。组织内部所有溯源数据通过客户端传入网关节点，提交到代表各不同组织的共识节点上进行共识，共识达成后将溯源数据写入每个组织共识节点各自的非关系型数据库中。
例如所有牧民合作社组成的牧民合作社组织仅有一台服务器作为一个节点，组织上仅部署一个共识节点和一个网关节点，但组织内每个牧民合作社都要配备一台可以访问网关节点的客户端，用于上传和查询养殖数据。每次数据上传到网关节点后需要向本组织独立节点和其他各组织独立节点发送共识请求，达成一致后写入各组织独立共识节点数据库中[8]。
这种业务部署方式真正实现了节点对等的非中心化架构，符合区块链系统原本的意愿，设备耗资较少，但共识过程相对复杂且每个组织需要保存自身组织和其他组织的大量溯源数据，耗费的资源较多[9-11]。
参考文献：
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[3]张向前，徐幸莲，周光宏.可追溯系统在肉牛产业链中的应用[J].畜牧与兽医，2006（6）：30-32.
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[10]满静，赵瑞旺.基于区块链技术的商品溯源平台建设[J].财富生活，2019（6X）：62.
[11]李静，毛莉君.区块链技术在农产品溯源系统中的应用研究[J].现代信息科技，2018（6）： 192-193.
作者简介：李 琦（1973—），男，汉族，内蒙古包头人，硕士研究生，教授，研究方向：嵌入式系统及物联网技术应用。
闫 石（1990—），男，汉族，内蒙古包头人，硕士研究生，研究方向：区块链溯源。
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