基于区块链的农产品追溯系统架构设计

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本文在阐述传统溯源系统存在的问题基础上，提出基于区块链技术构建“四层次”体系架构的农产品追溯系统架构，通过分析比较传统农产品追溯系统与基于区块链的农产品追溯系统架构的差异，可以帮助我们深入理解区块链技术与农产品追溯的内在契合性。

一、传统溯源系统存在的问题

1、信息存储中心化，造假成本低
当前溯源系统的信息存储往往是采用单一数据库进行中心化存储，这样造成了造假一方可以对数据库进行篡改，从而达到增加、减少商品的造假目的。即使采用冗余的数据库备份等，造假者也可以通过对冗余数据库进行篡改等达到目的，也难以解决假数据鉴别的问题。

2、多点信息记录对账效率低
当前溯源系统中，当商品从一点传送到另一点（如生产厂家到物流公司）时，双方均有各自的信息记录（如厂家生产记录、物流公司物流记录）等，这些信息记录需要进行对账、分别录入等操作，溯源信息出现不对称的时候需要进行大量的人工追溯，效率较低。

3、溯源条码具有可复制性
当前溯源系统中，多数采用二维码、条形码等进行一物一码的对应，而这些条码具有可复制性，从而使得商品溯源失效。

二、关于区块链技术

区块链起源于比特币，狭义上看，它是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式数据库。

区块链由多个节点进行维护，每个节点将发生的交易验证并打包为一个区块加入链中。

“一个智能合约是一套以数字形式定义的承诺，包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议。”

——尼克萨博于1995年提出智能合约的概念

区块链上智能合约的部署和执行是以向区块链记账节点发送交易的形式进行，在交易中包含合约的代码、调用的函数以及相关的参数，合约的部署和调用交易由一个节点发出并向全网广播，再由各个节点分别执行合约，最终通过共识机制达成结果并存储到区块链上。一个合约的执行可能会触发多个其他合约，产生数个交易。区块链智能合约的具有去中心化、不可篡改、可追溯、分布式自动执行等的特性，因此消除了中心化信任机构的费用，公有链、私有链的智能合约在金融、供应链管理等领域有广泛的应用前景。

智能合约的运行规则如下：

智能合约的注册，农户、原料供应商、加工厂商、物流供应商和零售商可以注册智能合约。比如农户和采购方的合约，农户和种子公司的合约等等。

智能合约的触发，一旦智能合约的条件满足了，则直接触发相应的合约。比如农产品的种子符合绿色安全育种标准，则会自动触发种子公司和农户的合约，若某一育种条件不达标，则拒绝合约。相关的农产品种子数据信息可以由种子公司通过前端录入，或者通过智能硬件设备实时的传输到系统中。

智能合约的执行，用户可以随时查看合约的执行情况。如果已有现成的物联网系统和接口，可以通过接口链接将智能硬件设备监测到的数据实时传输到上层协议中，然后将数据分布式的存储到不同的节点中。比如农产品的种植过程可以被智能硬件设备监控，然后通过各种传感器监测土地重金属状态，灌溉施肥施药状态，病虫害状态，光照状态等种植条件。当所有的种植条件符合相应的产品标准时，就会自动触发农户和采购方的合约。这些产品标准可以由政府权威机构制定和上传，政府的相关部门可以在区块链中作为相应的监管节点，将相应的产品标准作为智能合约的组成部分，验证相应的合约数据和监督链上的交易。同时，农产品从生产、加工和物流等等过程中产生的信息，消费者都可以看到完整的参与方数据，以此来增加更多的信任背书主体。

三、基于区块链的农产品追溯系统架构设计

基于区块链技术构建的农产品追溯系统体系架构，以区块链系统层次结构为基础，叠加农产品质量安全溯源体系的运作规则。此外，由于农产品产业链整个环节涉及主体众多，增加了农产品信息追溯的难度，而区块链技术的优势在于为追溯系统提供良好的数据存储方案，并不具备从源头上防止虚假信息写入区块链的功能，故引入物联网技术动态跟踪农产品状态，为农产品信息的客观性、真实性创造条件。

如下图所示，根据功能不同划分为应用层、数据层、核心层、物理层。以物理层为基础，通过信息采集，将“物”纳入“区块”；以核心层为保障，通过智能合约与共识机制保证前端消费者、溯源信息提供者、监管机构三类管理主体目标兼容；以数据层为重点，规避“信息孤岛”问题，通过分布式管理提高追溯精度；以应用层为根本，采用 B/S 技术架构实现“人物绑定、借物管人”。其中，区块链技术则主要应用于核心层和数据层。

应用层：采用 B/S 技术架构，针对监管机构、消费者、农产品供应链上各参与主体等，对农产品追溯系统有明确需求的所有用户提供统一的信息查询、质量追溯等服务支持。

数据层：对于由获得区块记账权的“节点”写入区块链的数据，严格按照区块链数据块格式进行封装，每条记录都包含时间戳及唯一的加密签名，按照多签名复杂网络设置，接入管理类机制，采用分布式组网机制使数据分布在不同阶段的数据库，实现农产品从采购、种植到最终消费者全程正向追踪及逆向溯源数据在消费者、参与者、监管机构之间的信息共享。
核心层：将农产品质量监管条例、标准、相关管理办法等内容以智能合约的形式内嵌于区块链中，是区块链可编程的基础，拒绝与合约不符的数据上链，实现农产品质量规范化、标准化管理；同时，将监管职能融入运作流程中，缓解了人为监管效率低的问题。此外，由农业、商务、市场监督等部门牵头成立联盟，引入相关共识机制，其他政府部门、企业、农产品产业链上各主体经过严格的资质审核后作为成员节点也加入区块链。需要说明的是，这里的区块链采取联盟链的形式，仅被授权的指定节点可进行访问。
物理层：采用物联网技术，通过智能传感器、状态检测器、NB-IoT、RFID 等对种植基地进行数字管理，实现包括农作物生长状态、种植基地环境参数、农产品运输状态等农产品溯源信息自动化采集，减少人为干预，确保溯源信息的精度、准确和时效，通过数据集成网关统一接口方式，把采集信息推送至上层协议。

四、传统农产品追溯系统与基于区块链的农产品追溯系统架构比较

传统农产品追溯系统大都采用B/S（Browser/Server）网络架构，将数据存放在服务器的数据库中，同时整个农产品追溯系统拥有一个中心数据库，在政府权威机构和相关标准组织的监管下，对溯源数据进行集中式管理。而在基于区块链的农产品追溯系统架构中，用户通过系统界面注册后，会自动获取1对密钥(包含１个公钥和1个私钥)。

区块链网络根据密钥所属类型开放对应权限，消费者只可以查询和追溯农产品数据，生产商、供应商等环节中的人员可进行数据录入和查询，政府权威机构或标准化组织甚至还可以查看数据录入人员的个人信息等。整个区块链基于P2P网络，每个节点的计算机都可充当服务器。

基于区块链的农产品追溯系统在传统的农产品追溯系统基础上，有一定的创新。

首先，P2P的网络结构使数据分布式存储于各节点，其分布式容错特性，减少了网络攻击对数据的影响，区块链的哈希链式结构也排除了人为篡改链上数据的可能；

其次，联盟链的组织模式对不同主体开放对应权限、区块链的链式结构和时间戳等技术，也方便了用户对数据的查询和追溯；

最后，区块链是一个共享性的分布式数据库，不需要用户从生产商、销售商等一级一级往上查询 (追溯)数据，同时数据不可篡改的特性，也使数据的可信度大大提高。

总之，基于区块链的农产品追溯系统架构从技术层面保证了追溯信息的可靠性和安全性，是增强追溯信息可信度、降低追溯断链风险的有效解决方案。

往期回顾

深度洞察|2020 区块链与可信计算研究报告（附下载链接）

量观视界| 范金刚：区块链+农牧产品溯源解决方案（上）

量观视界| 范金刚：区块链+农牧产品溯源解决方案（下）