CN111507709A - 一种数据溯源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于区块链技术构建农药质量溯源体系研究模型，确保对农药质量的安全性与可靠性，按照区块链架构(数据存储层、网络通信层、应用层)建立农药质量溯源体系层次的模型，其中数据存储层与网络通信层相互独立但又存在联系。本发明针对农药产品溯源特点搭建基于区块链的架构有别于传统溯源架构,能够实现对农药产品实时溯源，较之传统溯源方法本发明有以下几大优点：在数据层和网络层方面可以对数据进行多点录入并对录入数据的人员进行身份验证；在共识层和合约层方面可以对数据的公式和约定进行了规则限定。

Description

一种数据溯源系统

技术领域

本发明涉及信息处理领域，具体而言涉及一种数据溯源系统。

背景技术

近年来，区块链已广泛应用于工业、农业、交通、商场、银行、公安等领域，是现代化管理、监控的重要手段之一，极大地提高了管理效率和自动化水平。一般说来，共享及溯源查询系统由以下几个部分组成：生产商、加工商、监管机构、运输商、零售商、消费者。

随着互联网的不断发展，以及信息技术和网络技术的发展，人们对数据共享的需求也变得越来越强烈。在如今的全球大数据环境之下，人们也逐渐希望通过数据共享的机制来获取社会各个方面的信息。对于政府机构来讲，属于公众部门，其产生的数据除了需要加密保护之外，原则上还需要允许其他部门和公众能够共享使用。对于社会企业来讲，企业的数据和信息是整个企业十分重要的资源和资产，企业之间也希望通过数据共享的机制为企业带来最大的利益。对于普通社会大众来讲，数据共享是人们广泛获取信息的来源之一，开放的数据共享能够带来的不仅仅是书本上传递处理的数据信息。因此，数据共享和查询变得十分的重要。但是，在现在的有关农药产品的溯源查询系统中，一般都是简单将农药的各流程包括生产、销售等信息集成推送给溯源查询者，一来没有有效保证了基于各流程的逻辑关系可以形成较好地溯源式查询，二来对于溯源查询共享过程中的数据的一致性和安全性不能保证。

发明内容

针对现有农药产品和验证中存在的各种问题，本论文旨在利用区块链技术提供的去中心化、去信任化、不可篡改等重要特性，提供更加可信、便捷的农药产品溯源查询操作。本发明的目的是提供一种基于区块链技术的农药产品溯源系统，以克服现有传统溯源技术中单一节点和数据随意修改的问题。

本发明提出了一种数据溯源系统，用于农药产品的溯源追踪，包括应用层、合约层、存储层、网络层、数据层和供应链，其特征在于：

所述供应链包括但不限于农药产品的生产商、加工商、仓储商、物流运输商和销售商，通过对农产品的生产加工、运输包装、零售消费的完整生命周期信息进行记录，主要用来存储节点间的交易信息，一旦存入到数据库网络中将无法进行修改；

所述数据层通过梅克尔树的数据结构模式将农产品信息按照区块头+区块体的方式进行保存，再经哈希算法和盖入时间戳的方式将数据信息加入到区块链中；

所述网络层通过交易节点收到交易请求后，在区块链中进行“挖矿”，第1个找到的矿工可以获得这笔交易区块的记账权；

所述存储层利用Pow存储机制运算得出1个满足规定的随机数字发出本次的记录数据，去中心化和不可篡改性保证了加入网络中节点的整体运作，一旦发现有人对信息进行篡改即可从网络中踢出该节点；

所述合约层将监管部门和农产品产业链各机构作为数据验证和认证节点，可以对农产品质量的信息进行标准化、规范化管理；

所述应用层通过APP或互联网接口使得用户可以直接进行查询，生产者、运输商、消费者和政府在应用层对交易信息可通过接入接口进行输入，应用层再将信息传递到网络层为用户提供一些溯源相关的信息查询。

本发明提供了一种基于区块链技术构建农药质量溯源体系研究模型，确保对农药质量的安全性与可靠性，按照区块链架构(数据存储层、网络通信层、应用层)建立农药质量溯源体系层次的模型，其中数据存储层与网络通信层相互独立但又存在联系。本发明能够实现对农药产品实时溯源，较之传统溯源方法本发明有以下几大优点：在数据层和网络层方面可以对数据进行多点录入并对录入数据的人员进行身份验证；在共识层和合约层方面可以对数据的公式和约定进行了规则限定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所涉及的一种数据溯源系统结构模块图；

图2为本发明所涉及的一种数据溯源系统结构各模块的工作流程图；

图3为本发明所涉及的一种数据溯源系统的技术框架图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照附图1为本发明所涉及的一种数据溯源系统结构模块图；

其用于农药产品的溯源追踪，包括应用层、合约层、存储层、网络层、数据层和供应链，其特征在于：

参照附图2为本发明所涉及的一种数据溯源系统结构各模块的工作流程图；

所述供应链包括但不限于农药产品的生产商、加工商、仓储商、物流运输商和销售商，通过对农产品的生产加工、运输包装、零售消费的完整生命周期信息进行记录，主要用来存储节点间的交易信息，一旦存入到数据库网络中将无法进行修改；

所述数据层通过梅克尔树的数据结构模式将农产品信息按照区块头+区块体的方式进行保存，再经哈希算法和盖入时间戳的方式将数据信息加入到区块链中；

所述网络层通过交易节点收到交易请求后，在区块链中进行“挖矿”，第1个找到的矿工可以获得这笔交易区块的记账权；

所述存储层利用Pow存储机制运算得出1个满足规定的随机数字发出本次的记录数据，去中心化和不可篡改性保证了加入网络中节点的整体运作，一旦发现有人对信息进行篡改即可从网络中踢出该节点；

所述合约层将监管部门和农产品产业链各机构作为数据验证和认证节点，可以对农产品质量的信息进行标准化、规范化管理；

所述应用层通过APP或互联网接口使得用户可以直接进行查询，生产者、运输商、消费者和政府在应用层对交易信息可通过接入接口进行输入，应用层再将信息传递到网络层为用户提供一些溯源相关的信息查询。

参照附图3，为本发明所涉及的一种数据溯源系统的技术框架图；

优选的，所述供应链包括但不限于农药产品的生产商、加工商、仓储商、物流运输商和销售商，通过对农产品的生产加工、运输包装、零售消费的完整生命周期信息进行记录，主要用来存储节点间的交易信息，一旦存入到数据库网络中将无法进行修改，具体包括：

用户首先对需要存储的内容进行签名，并发送到区块链的网络中，用户广播存储请求时，当网络中的某个节点收到这个交易请求，该节点不会立即对该条交易请求进行转发，而是会进行以下判断，若满足以下条件，则会将该交易进行再次转播；

将该交易放入存储缓存队列，当进行新一轮的存储时，区块链系统首先会对该轮存储进行以下初始化：首先创建存储对象，包括将要生成的区块链的高度以及重量，区块链的时间戳，区块链的哈希头，以及打包的交易集合，之后从缓存队列中取出优先级高的交易集合，网络节点由此就会进入存储流程中；

存储完成之后，或者在规定时间内由于主节点的不作为从而导致没有完成存储流程，都会进行视图切换，视图切换过程完成之后，存储网络中的主节点切换，副本节点也进入到下一轮存储中。

优选的，所述数据层通过梅克尔树的数据结构模式将农产品信息按照区块头+区块体的方式进行保存，再经哈希算法和盖入时间戳的方式将数据信息加入到区块链中，具体包括：

经哈希算法和盖入时间戳的方式形成数据信息的哈希编码；

通过交易号从区块链中取传感器数据，绑定关系数据以及图片文件的哈希编码，并与数据库中对应图片的哈希编码作对比，若一致，则返回数据库的图片，不一致则出发告警；

在新的区块被挖到之前，所有上传的交易都会在交易池中进行缓存，一旦新的区块生成，交易池中符合要求的交易将会被记录到新区块中；

新的区块通过广播校验后添加到区块链末端，一次数据写入基本完成，在交易写入完后，返回一个唯一的哈希码用来标识本条交易。

优选的，所述网络层通过交易节点收到交易请求后，在区块链中进行“挖矿”，第1个找到的矿工可以获得这笔交易区块的记账权，具体包括：

选举出进行共识的授权节点具有记账权，在区块链网络中部署选举公开节点的智能合约。该智能合约被编码到程序中从而不能进行修改，接下来网络中的节点就可以在满足一定的条件下参与公开节点的选举；

在智能合约中约定好系统的身份验证通过率，根据网络中存在Byzantine节点，将滤过率设置大于2/3，防止系统中的Byzantine节点进行恶意拦截；

将所述公开节点发送至交易节点，接收发送的公开节点，并将所述公开节点发送至主区块链中；

主区块链，用于接收所述交易节点发送的所述公开节点，将所述公开节点存储在所述主区块链的区块中；

从所述主区块链的区块中提取所述公开节点，对所述公开节点进行解密，并根据解密后的所述公开节点确定所述被测食品的品质数据，将所述品质数据发送到所述主区块链的对应区块中；

区块链中的任何节点都可以参与公开节点的选举，当某节点成为公开节点后，系统中其他的节点就可以对公开节点进行投票，投票选举出的前N个节点就可以成为授权节点具有记账权。

当节点存储的账本数据不完整，无法查验交易内容，需向其他节点请求数据检索服务。由于网络中可能存在拜占庭节点，故需研宄一种数据检索服务正确性保证机制。MPT-Chain数字资产状态树的梅克尔根哈希值存储在微区块的区块头中，随着区块广播至全网，网络中的其他节点利用区块中的交易集合重构MPT-Chain，梅克尔树的构建具备唯一性以及不可逆性，该特征能够保证MPT-Chain的全网一致性。当获得检索结果后，授权节点请求公开节点发送需验证的交易信息，其他节点收到消息后返回梅克尔证明，授权节点请求公开节点利用从多个节点收到的梅克尔证明，重新计算梅克尔根哈希值，进行比对，以验证授权节点的准确性。

优选的，所述存储层利用Pow存储机制运算得出1个满足规定的随机数字发出本次的记录数据，去中心化和不可篡改性保证了加入网络中节点的整体运作，一旦发现有人对信息进行篡改即可从网络中踢出该节点，具体包括：

区块结构的每一个区块上记录的交易是上一个区块形成之后、该区块被创建前发生的所有价值交换活动这一操作保证了数据库的完整性；

生成KMC随机数，以用户标识、用户标识密钥及用户标识组合算法生成用户公开密钥，签发包含所述用户公开密钥和生成用户私有密钥所需的文件，具体实现时，初始化系统的公/私钥矩阵，发布公钥矩阵，接受新区块的申请，产生指定用户终端实体的密钥对，签发用户标识证书，并将其返回给新区块；

生成交易记录矩阵，新区块被计算出来并验证后被加入到E块链的末尾，则此区块内所存储的交易记录就再也不能改变或删除，保证了数据库的严谨性，即无法被篡改；

所述生成交易记录矩阵为：通过预处理的结果的内容节点数据作为输入，此时内容节点数据己经是一个单纯的节点数据了，而非JSON半结构化节点，因此可以根据其进行tf-idf赋权，赋权之后生成交易记录矩阵；结构记录矩阵的生成，与交易记录矩阵的生成子模块类似，通过预处理模块结构预处理的结构结构节点数据库作为输入，此时同样结构节点数据也己经不是原先的JSON半结构化节点，根据其进行tf-idf赋权，赋权之后生成结构记录矩阵；

交易记录矩阵的生成的输入是交易记录矩阵和结构记录矩阵，根据聚类系统中设定的交易因子，通过交易赋权的过程生成交易记录矩阵，交易记录矩阵可以代表JSON节点作为聚类的记录表示。

节点交易记录w(C_i)的生成:对节点d_i其所有标签的有限集合为S_i,对标签集进行节点处理,包括节点分词、词性还原和去停用词,生成内容记录集合C_i；对内容记录使用tf-idf方法计算权重生成记录空间模型,即构成节点交易记录矩阵。节点结构记录w(S_i)的生成:对节点d_i首先抽取节点路径构造模式库,生成结构记录集合S_i。对生成的结构记录集合使用tf-idf方法生成记录空间模型,即抅成节点结抅记录矩阵。

节点交易记录w(M_i)的生成:可以表示为内容记录和结构记录的共同结合,即

M_i＝(αS_i，(1-α)C_i)

因此节点交易矩阵w(M)可以由节点交易记录矩阵C和生成节点结构记录矩阵S,交易记录矩阵表示为:

M＝(αS，(1-α)C)

,其中α为交易因子

优选的，所述合约层将监管部门和农产品产业链各机构作为数据验证和认证节点，可以对农产品质量的信息进行标准化、规范化管理，具体包括：

所述数据验证和认证节点根据交易的特征来确定可能包括该交易的所有区块,这时可以根据交易时间戳来确定附近时间的区块，所述数据验证和认证节点从可能的区块中搜索该交易信息,并生成本区块全部交易的梅克尔树,并计算该信息梅克尔认证路径,并将认证路径返回给SPV节点；

用户在区块链上进行通信等其他需要安全要求的行为时，用户的数据条目是加密的，在索引和数据密钥未丢失的情况下，每一用户具备所有自己的数据的完整明文状态；

梅克尔树被用来归纳一个区块中的所有交易,同时生成整个交易集合的数字指纹,且提供了一种校验区块是否存在某交易的高效途径；

生成一棵完整的梅克尔树需要递归地对多个节点进行哈希运算,并将新生成的哈希节点插入到梅克尔树中,直到只剩一个哈希节点,该节点就是梅克尔树的根。

优选的，所述应用层通过APP或互联网接口使得用户可以直接进行查询，生产者、运输商、消费者和政府在应用层对交易信息可通过接入接口进行输入，应用层再将信息传递到网络层为用户提供一些溯源相关的信息查询，具体包括：

用区块链存储机制，调用数据解析接口将上传的所述交易信息数据按照存储层表字段解析,随后根据解析的字段查询存储层,如果当前数据存在于存储层中,那么将原始的所述交易信息数据与存储层中的拼接组成新的数据并封装为交易；

如果不存在于存储层中,那么直接将数据封装为交易，所述存储层向区块链发送交易并获取交易的哈希散列值,最后将此散列值写入到存储层该交易对应数据的对应字段中并返回给用户。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种数据溯源系统，用于农药产品的溯源追踪，包括应用层、合约层、存储层、网络层、数据层和供应链，其特征在于：

所述供应链包括但不限于农药产品的生产商、加工商、仓储商、物流运输商和销售商，通过对农产品的生产加工、运输包装、零售消费的完整生命周期信息进行记录，主要用来存储节点间的交易信息，一旦存入到数据库网络中将无法进行修改；

所述数据层通过梅克尔树的数据结构模式将农产品信息按照区块头+区块体的方式进行保存，再经哈希算法和盖入时间戳的方式将数据信息加入到区块链中；

所述网络层通过交易节点收到交易请求后，在区块链中进行“挖矿”，第1个找到的矿工可以获得这笔交易区块的记账权；

所述存储层利用Pow存储机制运算得出1个满足规定的随机数字发出本次的记录数据，去中心化和不可篡改性保证了加入网络中节点的整体运作，一旦发现有人对信息进行篡改即可从网络中踢出该节点；

所述合约层将监管部门和农产品产业链各机构作为数据验证和认证节点，可以对农产品质量的信息进行标准化、规范化管理；

所述应用层通过APP或互联网接口使得用户可以直接进行查询，生产者、运输商、消费者和政府在应用层对交易信息可通过接入接口进行输入，应用层再将信息传递到网络层为用户提供一些溯源相关的信息查询。

2.如权利要求1所述的一种数据溯源系统，其特征在于：

所述供应链包括但不限于农药产品的生产商、加工商、仓储商、物流运输商和销售商，通过对农产品的生产加工、运输包装、零售消费的完整生命周期信息进行记录，主要用来存储节点间的交易信息，一旦存入到数据库网络中将无法进行修改，具体包括：

用户首先对需要存储的内容进行签名，并发送到区块链的网络中，用户广播存储请求时，当网络中的某个节点收到这个交易请求，该节点不会立即对该条交易请求进行转发，而是会进行以下判断，若满足以下条件，则会将该交易进行再次转播；

将该交易放入存储缓存队列，当进行新一轮的存储时，区块链系统首先会对该轮存储进行以下初始化：首先创建存储对象，包括将要生成的区块链的高度以及重量，区块链的时间戳，区块链的哈希头，以及打包的交易集合，之后从缓存队列中取出优先级高的交易集合，网络节点由此就会进入存储流程中；

存储完成之后，或者在规定时间内由于主节点的不作为从而导致没有完成存储流程，都会进行视图切换，视图切换过程完成之后，存储网络中的主节点切换，副本节点也进入到下一轮存储中。

3.如权利要求1所述的一种数据溯源系统，其特征在于：

所述数据层通过梅克尔树的数据结构模式将农产品信息按照区块头+区块体的方式进行保存，再经哈希算法和盖入时间戳的方式将数据信息加入到区块链中，具体包括：

经哈希算法和盖入时间戳的方式形成数据信息的哈希编码；

通过交易号从区块链中取传感器数据，绑定关系数据以及图片文件的哈希编码，并与数据库中对应图片的哈希编码作对比，若一致，则返回数据库的图片，不一致则出发告警；

在新的区块被挖到之前，所有上传的交易都会在交易池中进行缓存，一旦新的区块生成，交易池中符合要求的交易将会被记录到新区块中；

新的区块通过广播校验后添加到区块链末端，一次数据写入基本完成，在交易写入完后，返回一个唯一的哈希码用来标识本条交易。

4.如权利要求1所述的一种数据溯源系统，其特征在于：

所述网络层通过交易节点收到交易请求后，在区块链中进行“挖矿”，第1个找到的矿工可以获得这笔交易区块的记账权，具体包括：

选举出进行共识的授权节点具有记账权，在区块链网络中部署选举公开节点的智能合约。该智能合约被编码到程序中从而不能进行修改，接下来网络中的节点就可以在满足一定的条件下参与公开节点的选举；

在智能合约中约定好系统的身份验证通过率，根据网络中存在Byzantine节点，将滤过率设置大于2/3，防止系统中的Byzantine节点进行恶意拦截；

将所述公开节点发送至交易节点，接收发送的公开节点，并将所述公开节点发送至主区块链中；

主区块链，用于接收所述交易节点发送的所述公开节点，将所述公开节点存储在所述主区块链的区块中；

从所述主区块链的区块中提取所述公开节点，对所述公开节点进行解密，并根据解密后的所述公开节点确定所述被测食品的品质数据，将所述品质数据发送到所述主区块链的对应区块中；

区块链中的任何节点都可以参与公开节点的选举，当某节点成为公开节点后，系统中其他的节点就可以对公开节点进行投票，投票选举出的前N个节点就可以成为授权节点具有记账权。

5.如权利要求1所述的一种数据溯源系统，其特征在于：

所述存储层利用Pow存储机制运算得出1个满足规定的随机数字发出本次的记录数据，去中心化和不可篡改性保证了加入网络中节点的整体运作，一旦发现有人对信息进行篡改即可从网络中踢出该节点，具体包括：

区块结构的每一个区块上记录的交易是上一个区块形成之后、该区块被创建前发生的所有价值交换活动这一操作保证了数据库的完整性；

生成KMC随机数，以用户标识、用户标识密钥及用户标识组合算法生成用户公开密钥，签发包含所述用户公开密钥和生成用户私有密钥所需的文件，具体实现时，初始化系统的公/私钥矩阵，发布公钥矩阵，接受新区块的申请，产生指定用户终端实体的密钥对，签发用户标识证书，并将其返回给新区块；

生成交易记录矩阵，新区块被计算出来并验证后被加入到E块链的末尾，则此区块内所存储的交易记录就再也不能改变或删除，保证了数据库的严谨性，即无法被篡改。

6.如权利要求1所述的一种数据溯源系统，其特征在于：

所述合约层将监管部门和农产品产业链各机构作为数据验证和认证节点，可以对农产品质量的信息进行标准化、规范化管理，具体包括：

所述数据验证和认证节点根据交易的特征来确定可能包括该交易的所有区块,这时可以根据交易时间戳来确定附近时间的区块，所述数据验证和认证节点从可能的区块中搜索该交易信息,并生成本区块全部交易的梅克尔树,并计算该信息梅克尔认证路径,并将认证路径返回给SPV节点；

用户在区块链上进行通信等其他需要安全要求的行为时，用户的数据条目是加密的，在索引和数据密钥未丢失的情况下，每一用户具备所有自己的数据的完整明文状态；

梅克尔树被用来归纳一个区块中的所有交易,同时生成整个交易集合的数字指纹,且提供了一种校验区块是否存在某交易的高效途径；

生成一棵完整的梅克尔树需要递归地对多个节点进行哈希运算,并将新生成的哈希节点插入到梅克尔树中,直到只剩一个哈希节点,该节点就是梅克尔树的根。

7.如权利要求1所述的一种数据溯源系统，其特征在于：

所述应用层通过APP或互联网接口使得用户可以直接进行查询，生产者、运输商、消费者和政府在应用层对交易信息可通过接入接口进行输入，应用层再将信息传递到网络层为用户提供一些溯源相关的信息查询，具体包括：

用区块链存储机制，调用数据解析接口将上传的所述交易信息数据按照存储层表字段解析,随后根据解析的字段查询存储层,如果当前数据存在于存储层中,那么将原始的所述交易信息数据与存储层中的拼接组成新的数据并封装为交易；

如果不存在于存储层中,那么直接将数据封装为交易，所述存储层向区块链发送交易并获取交易的哈希散列值,最后将此散列值写入到存储层该交易对应数据的对应字段中并返回给用户。

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