CN111861505B - 基于区块链的农产品溯源方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于区块链的农产品溯源方法，涉及区块链技术领域。所述方法包括如下步骤：用户访问溯源系统，提交产品防伪码；溯源系统中的web服务器根据防伪码定位到防伪码对应的用户节点；用户节点根据相关哈希值定位到相应的数据链的区块存储节点；根据数据区块信息定位到数据库地址；返回数据信息、摘要、数据区块存储的信息摘要和相关数据区块摘要；解析数据信息，对比数据库中存储的摘要与区块链上相关信息的摘要是否相同；查询相关数据区块摘要与锚定链上相关信息摘要是否相同；将最终结果返回到查询用户。所述方法能够提高溯源信息的可信度和透明度，实现农产品溯源数据共享，降低监管成本。
Description
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及一种基于区块链的农产品溯源方法。
背景技术
农产品溯源系统通过提供可靠的监管和可信的溯源信息来维护消费者的生命安全权和知情权，同时溯源系统也是促进农业健康稳定发展的重要环节，是提高产品质量安全的重要保障和手段。农产品的质量安全一直受到人们广泛关注，最初欧盟为保证地区内牛肉安全而进行溯源研究，并于2002年颁布相关法令，将产品的溯源扩展到欧盟地区出售的所有食品。为了保证农产品质量安全，美国、日本等国家也相继颁布了相关法令及应用，建立农产品溯源系统，实现农产品信息的可追溯。中国在2003年开展溯源相关技术的研究，并在重大国家项目上设立相关课题。在世界各国工作者的努力下，农产品的可溯源性取得了长足的发展，但仍然存在很多亟待解决的问题。
农产品溯源体系通过在产销的各个环节建立信息流，实现农产品的正向追踪和反向溯源。但由于农产品产销环节复杂多变，涉及到的责任主体众多，不安全因素可能频繁出现。各责任主体通过信息相互连接，形成一个多方参与、共同协作的网络。在该网络中，没有直接信息交互的责任主体间可能存在信息链断裂的情况，造成信息不透明，最终导致溯源信息的可信度降低。
农产品溯源系统的关键是对数据的高效可靠管理。数据库技术针对如何高效的处理大量数据、如何有效持久共享数据来进行研究，经过长期的努力，发展出了坚实的理论基础，并大量应用于商业、科研等领域。农产品溯源系统运用数据库技术对大量的农产品信息进行管理。随着农产品的多样化，农产品信息的存储与管理面临着前所未有的巨大的挑战。面对数据形式的多样化，专家学者提出各种各样的数据管理模型也发展出了越来越多的数据库技术。
区块链具有不可伪造、全程留痕、可追溯、集体维护、公开透明等特征，区块链技术应用于农产品溯源中可以有效改善溯源信息可信性不高的问题，有助于更好的保证消费者的食品安全。FIGORILLI S等人将与产品质量相关的信息整合在在线系统中，并使用区块链保存数字交易记录，网络中的参与者可以访问这些记录，实现了木材的交易数据的可追溯性。Sachin S.Kamble等人通过构建基于区块链的农产品溯源模型，消除信任相关问题，减少中介机构数量、延迟付款，在农产品供应链的交易方式上带来范式转变，研究结果有助于更快的将区块链技术应用于农产品溯源中，确保食品安全。为了提高农产品溯源信息的完整性、安全性、可信性，任守刚等人通过对农产品产销流程进行研究，改进了区块链的共识算法，提高了许可链情景下的安全性与吞吐量。编写智能合约，实现上链信息自动化保存，使得链上信息的处理具有更好的安全性和更低的时延。
尽管数据库技术和区块链技术有了长足的发展，但实际落地应用的溯源系统仍然存在监管成本高、数据真实性无法保证的问题。农产品种类众多，供应链长，涉及到的参与方复杂，导致集中式的溯源信息监管成本过高。由于部分农产品监管存在界限不明确，交叉监管等问题，容易造成监管漏洞的出现，导致无法确定监管的有效性和溯源信息的真实性。在以中央数据库为主的农产品追溯系统中，中央数据库对数据具有集中控制权，时常出现农产品的责任主体自行监管数据的情况。可能会出现企业为了自己的利益而篡改数据的情况，导致无法达到可信溯源的目标；数据的存储介质损坏可能会导致溯源数据的永久破坏甚至消失。最终导致消费者无法查询到相关的溯源信息，给溯源系统的可信性造成严重的打击。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够提高溯源信息的可信度和透明度，实现农产品溯源数据共享，降低监管成本的农产品溯源方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于区块链的农产品溯源方法，其特征在于包括如下步骤：
用户访问溯源系统，提交产品防伪码；
溯源系统中的web服务器根据防伪码定位到防伪码对应的用户节点；
用户节点根据相关哈希值定位到相应的数据链的区块存储节点；
根据数据区块信息定位到数据库地址；
返回数据信息、摘要、数据区块存储的信息摘要，相关数据区块摘要；
解析数据信息，对比数据库中存储的摘要与数据链上相关信息的摘要是否相同；
查询相关数据区块摘要与锚定链相关信息摘要是否相同；
如果相同，将摘要信息返回到查询用户；如果不相同，用户可申请资料复验，提交相关信息，由监管人员进行核查。
进一步的技术方案在于：所述溯源系统包括用户链、数据链和锚定链，所述用户链中存储农产品溯源各参与方的相关信息，在该网络中节点的加入和退出都要通过相关节点的许可，用户链中的区块通过哈希值与数据链连接，数据链中存储脱敏的农产品溯源信息，以供系统节点的存储与检索，运行数据链的节点由联盟成员选出的可信节点组成，这些节点存储着加密后的数据，数据链中区块的哈希值与时间戳存储于锚定链上，锚定链选取非许可链，以工作量证明共识算法保证锚定链的不可篡改，最终达到数据分类和各链间相互监督的目的。
进一步的技术方案在于：用户链中的区块按照时间顺序进行正常的增长，同时其区块中存储查询数据，包括所有权哈希特征值、完整数据所在的数据链哈希值、数据链中数据所在的区块高度信息；数据链中区块头信息存储在锚定链中，并将数据库日志也保存在锚定链上；将一条用户链、一条锚定链和多条数据链相互连接，形成一套用于农产品溯源的多链结构。
进一步的技术方案在于：当用户节点上传数据时，数据在数据库中生成哈希值，用户节点将哈希值与该条数据的索引存储于数据链中，并在数据链中进行广播，一段时间内在节点中达成共识，生成数据链区块；当数据链构建完成后，将区块的哈希值存储于锚定链中，并在链上发起共识请求，达成共识后完成这一阶段区块链的构建。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法提出了多链结构的区块链存储方式，实现农产品溯源信息的并发存储，将用户链、数据链、锚定链以区块头哈希值的方式相互存储，将数据库日志上传至数据链中，进一步提升溯源数据的安全性和不可篡改性。所述方法能够在保证信息可靠透明的同时，保护数据的安全性和企业信息的隐私性，提高数据吞吐量，提高农产品溯源系统的公信力和整体效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例中基于区块链的农产品溯源模型的原理框图；
图2是本发明实施例中区块链网络结构图；
图3是本发明实施例中链间关系图；
图4是本发明实施例所述方法的流程图。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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做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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
区块链经常被用来进行可信数字交易，其本质是一个拜占庭状态下的多副本状态机。区块链打破了中心化数据处理架构的缺陷，具备去中心化、防篡改等优势，可以在大规模网络中实现各节点间的分布式数据共识，实现大范围分布式数据处理。
按照加入区块链网络的方式不同，区块链的种类可以分为许可链和非许可链两类。许可链需要网络中其他成员的许可才能加入，在该许可区块链网络中可以进行互不信任的参与者实体之间的信息交互。非许可链中节点的加入和退出是自由的，无需其他参与实体同意，网络中的成员都可参与节点共识。许可链与非许可链的特点如表1所示。
表1非许可链与许可链特点
区块链中链上区块的产生过程一般为：某用户发起交易，该交易根据实际的业务逻辑可以是记录、转账或其他数据，然后节点将交易广播到区块链网络中，参与共识的节点验证交易检查该用户的状态并得出验证结果，如果验证通过新的区块会被添加到链上，无法被篡改或是删除，如果验证未通过，则丢弃该区块。
许可链在交易速度、扩展性等方面具有明显的优势，非许可链在不可篡改性和数据透明性有显著的特点。在本方案中，结合许可链与非许可链的优势，构建许可链、非许可链相结合的区块链网络，对农产品溯源系统中的数据进行存储与处理。
为解决现有农产品溯源中存在的问题，本申请公开了一种基于区块链的农产品溯源方法。农产品溯源链中的利益相关方有三类，生产方、中间商、消费者，另外不直接出现在溯源链中的物流方与监管方也十分重要。针对农产品溯源中产生的数据共享困难，溯源信息真实性无法保证和监管成本高等问题，通过构建农产品溯源方案，有利于实现数据的共享、农产品的可信溯源，降低监管成本，基于区块链的农产品溯源方法的模型如图1所示。
区块链应用于农产品溯源中，通过时间戳、电子签名等保证链上数据不被篡改，通过打通溯源信息网络，实现数据的共治共享。但是农产品溯源数据量大，区块链的吞吐量难以快速对数据的读写进行响应。为了提高方法的可用性，本申请改进了区块链的链间结构，数据的存储采用链上链下相结合的方式，并优化了数据检索流程。
农产品溯源的链间结构
当前农产品溯源系统中，区块链使用单链结构，每个节点都有网络中所有的数据。但由于单链结构的区块链网络系统吞吐量受到限制，难以满足农产品溯源系统对安全性和吞吐量的要求。为了提高系统的吞吐量和安全性，提出了适用于农产品溯源的区块链多链结构，在该区块链网络中，分为用户链、数据链、锚定链三类，将区块链的链上数据分离，解决数据的多样化存储和高效存储问题，三类区块链之间使用基于区块头的哈希值相连接，从链结构的角度提高农产品溯源数据的安全性，区块链的多链结构如图2所示。
在用户链中存储农产品溯源各参与方的相关信息，在该网络中节点的加入和退出都要通过相关节点的许可。用户链中的区块通过哈希值与数据链连接，数据链中存储脱敏的农产品溯源信息，以供系统节点的存储与检索。运行数据链的节点由联盟成员选出的可信节点组成，这些节点存储着加密后的数据。数据链中区块的哈希值与时间戳存储于锚定链上，锚定链选取非许可链，以工作量证明共识算法保证锚定链的不可篡改，最终达到数据分类和各链间相互监督的目的。
用户链中的区块按照时间顺序进行正常的增长，同时其区块中存储查询数据，包括所有权哈希特征值、完整数据所在的数据链哈希值、数据链中数据所在的区块高度等信息。为了保证链上数据不可篡改，数据链中区块头信息存储在锚定链中，为了保证数据库信息的可恢复性，将数据库日志保存也保存在锚定链上。将一条用户链、一条锚定链和多条数据链相互连接，形成适用于农产品溯源的多链结构。
当用户节点上传数据时，数据在数据库中生成哈希值，用户节点将哈希值与该条数据的索引存储于数据链中，并在数据链中进行广播，一段时间内在节点中达成共识，生成数据链区块。当数据链构建完成后，将区块的哈希值存储于锚定链中，并在链上发起共识请求，达成共识后完成这一阶段区块链的构建。区块链的链间关系如图3所示。
农产品溯源数据检索流程
农产品溯源数据实现快速检索，是溯源系统的重要环节。为了实现溯源信息的快速检索，在区块链上除了存储溯源信息摘要还存储了其对应的数据库检索地址，用户可以快速查询到相关数据。溯源信息是否经过修改，需要等待用户链、数据链、锚定链三者间哈希值的校验，如果校验成功，将摘要信息返回到查询用户；如果校验失败，用户可申请资料复验，提交相关信息，由监管人员进行核查，农产品溯源中数据的检索过程如图4所示。
如图4所示，本申请公开了一种基于区块链的农产品溯源方法，包括如下步骤：
①用户访问溯源系统，提交产品防伪码；
②web服务器根据防伪码定位到其对应的用户节点；
③节点根据相关哈希值定位到相应的数据链的区块存储节点；
④根据数据区块信息定位到数据库地址；
⑤返回数据信息、摘要、数据区块存储的信息摘要，相关数据区块摘要；
⑥解析数据信息，对比数据库中存储的摘要与数据链上相关信息的摘要是否相同；
⑦查询相关数据区块摘要与锚定链相关信息摘要是否相同；
⑧返回查询结果。
方案分析
在申请中提出的基于区块链的农产品溯源方法，结合区块链技术与数据库技术的优势，链上链下协同进行数据管理。本申请通过与现有技术一：Meng H,Pan Y,SunL.Application and Implementation of Batch File Transfer in Redis Storage[C]//International Conference on Intelligence Science.Springer,Cham,2017、现有技术二：Chen Zhao.Agricultural Product Traceability System Based on QR Code[C].Institute of Management Science and Industrial Engineering.Proceedings of2019 2nd International Conference on Mechanical Engineering,IndustrialMaterials and Industrial Electronics(MEIMIE 2019).Institute of ManagementScience and Industrial Engineering:Computer Science and Electronic TechnologyInternational Society,2019:341-344以及现有技术三：FIGORILLI S,ANTONUCCI F,Costa C,et al.A Blockchain Implementation Prototype for the Electronic OpenSource Traceability of Wood along the Whole Supply Chain[J].Sensors 18(9),(2018)进行对比，对方案的优势进行阐述，对比结果如表2所示。
表2相关方案对比
1)吞吐量分析
现有技术一通过建立负载成本模型，得到不同的资源占用结果，并根据资源占用情况对存储的文件进行优化整合。通过批量合并文件，数据上传时间明显缩短，提高了数据的存储效率。在现有技术二中，农产品溯源系统以数据库为依托，将产品在生产过程的各阶段信息输入后台，生成信息二维码，实现农产品的生产溯源，在数据存储过程中并未对数据进行优化，并未提高系统的吞吐量。
在本申请中使用了多链结构进行数据存储，理论上多链结构因为能够做到数据的并发存储，因而能够获得更好的运算速度。为了对比单链结构与多链结构的数据运算量情况，设置了如下环境：假设系统中共有m个节点，每个节点每日上传数据n次，每个节点进行信息存储时都需要经过四次计算，每个节点只需要进行1次确认。在用户数据节点都为100的情况下，本申请的多链结构中数据链的节点数量为10，锚定链的节点数量为10，系统运算情况对比如下。
表3现有技术三与本申请链间结构运行情况对比
在相同用户和发送信息总量的情况下，本申请使用的区块链的多链结构在计算次数上远远少于现有技术三的单链结构。当数据资产大幅增长时，通过数据链进行并行处理，可有效降低系统中的计算次数，不会对系统造成过大的压力。多链结构不仅可以保证数据的分类存储，还可以降低节点的算力，改善系统运行性能。
2)不可篡改性分析
现有技术一和现有技术二使用传统的数据库技术，在不可篡改性上存在劣势。如果删除数据库操作日志，数据库中的数据可以实现无痕篡改。而且篡改数据的代价是较小的，所以数据很容易受到来自外来者的攻击，或因为其他原因导致篡改数据的情况发生。
现有技术三使用区块链的来对交易数据进行存储，假设区块链总高度为H，要篡改数据所在的区块高度为Hn，区块链网络中相关节点数量为a，则需要修改的区块数量如下：
Bnum＝(H-Hn)*a。
在本申请中多链结构使用基于代价的方法来保证数据的不可篡改性，通过哈希锚定，使得被攻击者控制的恶意节点想要修改任意区块数据时，不仅要修改该链条下后续的所有区块，还需要修改与该区块锚定的所有其他链的后续区块。假设需要修改数据库中某一信息，首先需要生成修改信息后的哈希值，然后修改数据库日志，删除相关操作记录。对区块链上的操作是找到该哈希值并进行修改。假设区块链的哈希值存储于数据链中的位置为HDBC,该条数据链的总高度为HD,节点数量为a；其锚定链上的位置为HMBC,锚定链的总高度为HM，节点数量为b；用户链上相关信息存储位置为HCBC,用户链的总高度为HC，节点数量为c。需要修改的区块数量如下：Bnum＝(HD-HDBC)*a+(HM-HMBC)*b+(HC-HCBC)*c。
在本申请中修改任意数据几乎需要修改全网数据，这样的代价是巨大的，在绝大多数情况下其所付的资源将远远大于篡改所带来的收益。在全网正常运行的情况下，篡改数据的代价与时间的增长呈正相关性，并且增长速度远高于单链结构。攻击者只有在控制所有的用户链、数据链、锚定链的投票权的基础上才有可能篡改区块数据，这意味着攻击者几乎要控制系统内所有节点，基于此，在全网保证一定数量的可信节点能够正常完成共识的情况下，该多链结构具备不可篡改性。
3)信息透明度分析
现有技术一和现有技术二将数据存储于集中式数据库中，各参与方只能查看或修改与自己相关的信息。除了生产方上传的少量数据外，用户几乎查询不到其他信息，信息透明度低。
在区块链中，各参与方共同治理、共同维护链上数据。现有技术三将木材的交易信息存储于区块链上，由参与方共同管理与维护。在本申请中生产环节、各中间商、物流等参与方将溯源信息存储在数据库中，并将产品的相关溯源信息的数据摘要、链接地址等内容存储于区块链网络中，链上数据对相关参与方透明，这些信息形成完整的信息链，实现农产品的正向溯源与反向溯源。
4)隐私性分析
现有技术一和现有技术二中并未将隐私性纳入到系统的考虑范围。在现有技术三中存储的是木材的交易记录，交易记录仅对联盟链中成员可见，降低了隐私泄露的风险。在本申请中，并非将所有溯源信息存储于链上，而是对信息经过筛选整合，将其摘要与链接存储于区块链上。分离数据库中数据与链上数据，隐私信息不存储在链上，有效改善参与方隐私及商业秘密泄露等问题。
5)监管成本分析
现有技术一中没有涉及到监管成本，暂时不予考虑。现有技术二并未将监管纳入溯源系统中，按照一般流程进行产品及数据的监管，监管成本会急剧升高。现有技术三使用分布式账本实现联盟链内成员共同维护、共同监管，降低了农产品及数据的监管成本。本方案通过将监管方纳入农产品溯源系统中，对监管方实时数据透明，可以读取相关数据，对数据进行监控。监管方参与到农产品溯源中，成为农产品产销过程中的重要环节，有助于增加溯源信息的公信力，维护消费者的健康，促进农业生产的健康发展。
所述方法提出了多链结构的区块链存储方式，实现农产品溯源信息的并发存储，将用户链、数据链、锚定链以区块头哈希值的方式相互存储，将数据库日志上传至数据链中，进一步提升溯源数据的安全性和不可篡改性。所述方法能够在保证信息可靠透明的同时，保护数据的安全性和企业信息的隐私性，提高数据吞吐量，提高农产品溯源系统的公信力和整体效率。
Claims (1)
1.一种基于区块链的农产品溯源方法，其特征在于包括如下步骤：
用户访问溯源系统，提交产品防伪码；
溯源系统中的web服务器根据防伪码定位到防伪码对应的用户节点；
用户节点根据相关哈希值定位到相应的数据链的区块存储节点；
根据数据区块信息定位到数据库地址；
返回数据信息、摘要、数据区块存储的信息摘要和相关数据区块摘要；
解析数据信息，对比数据库中存储的摘要与数据链上相关信息的摘要是否相同；
查询相关数据区块摘要与锚定链相关信息摘要是否相同；
如果相同，将摘要信息返回到查询用户；如果不相同，用户可申请资料复验，提交相关信息，由监管人员进行核查；
所述溯源系统包括用户链、数据链和锚定链，所述用户链中存储农产品溯源各参与方的相关信息，在网络中节点的加入和退出都要通过相关节点的许可，用户链中的区块通过哈希值与数据链连接，数据链中存储脱敏的农产品溯源信息，以供系统节点的存储与检索；运行数据链的节点由联盟成员选出的可信节点组成，这些节点存储着加密后的数据，数据链中区块的哈希值与时间戳存储于锚定链上；锚定链选取非许可链，以工作量证明共识算法保证锚定链的不可篡改，最终达到数据分类和各链间相互监督的目的；
用户链中的区块按照时间顺序进行正常的增长，同时其区块中存储查询数据，包括所有权哈希特征值、完整数据所在的数据链哈希值、数据链中数据所在的区块高度信息；数据链中区块头信息存储在锚定链中，并将数据库日志也保存在锚定链上；将一条用户链、一条锚定链和多条数据链相互连接，形成适用于农产品溯源的多链结构；
当用户节点上传数据时，数据在数据库中生成哈希值，用户节点将哈希值与该条数据的索引存储于数据链中，并在数据链中进行广播，一段时间内在节点中达成共识，生成数据链区块；当数据链构建完成后，将区块的哈希值存储于锚定链中，并在链上发起共识请求，达成共识后完成这一阶段区块链的构建。
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