CN117745307A - 基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，包括建立统一数字身份标签，将食品状态、食品状态属性、数字身份标签上传存储于区块链的链上数据和全局状态模型数据。链上数据采用交易结构表达，并依据于交易时间的产生顺序和区块中的交易数，依次打包生成新区块，区块按照打包时间顺序，通过区块头的哈希指针关联到上一区块的区块头中。全局状态模型数据存储属性数据。在任一节点进行溯源验证时，输入待验证的数字身份标签，将直接获得到包含这个数字身份标签的已生成的区块及属性数据。本发明利用区块链分布式共识机制将食品生产链中的分散环节整合在一条安全溯源链中，实现食品供应链上下游跨阶段、跨企业数据融合，实现溯源。
Description
技术领域
本发明涉及一种网络数据技术，具体是基于区块链的食品供应链多形态变化全流程安全溯源方法。
背景技术
近年来，食品安全案件屡次发生，亟需采用安全、可信、透明的食品安全溯源系统来加强对食品产业链的监管效率，提高食品安全水平，保障国民饮食健康；而目前的食品溯源系统主要面临着信息采集不标准、数据存储不安全、中心系统易受攻击和企业间信息交换过程隐私不能保障等问题。
由于食品加工企业主导型食品供应链全生命周期长、环节复杂、数据量庞大、信息多源异构、产品多形态变化等特点，农产品作为食品的主要原材料，从农产品生产到最终销售，经历了包括作为农产品生产，农产品仓储，食品加工，形成食品产品，产品的物流，产品的销售的主要环节，并在每一环节伴随着产品形态的变化过程。因此，采用单一技术手段很难建立从销售到产地的追溯关系，这使得食品作为多形态产品，难以赋于数字身份或者难以管理所赋于数字身份的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，采用区块链和云数据库存储数据。具有如下步骤：
(1).针对在不同时段具有不同状态的同一食品，建立数字身份标签，所述数字身份标签包含了所述同一食品的可验证的统一数字身份以及不同的食品状态。
(2).将同一食品的数据信息上传至数据平台。
其中，数据信息至少包括：食品状态、食品状态属性、数字身份标签。
(3).对同一食品不同状态下的属性数据进行存储，包括区块链的链上数据存储和全局状态模型数据存储。
其中，区块链的链上数据存储具体为，将同一食品的链上数据统一采用交易结构表达，并依据于交易时间的产生顺序和区块中的交易数，依次打包生成新区块，区块按照打包时间顺序，通过区块头的哈希指针关联到上一区块的区块头中。
其中，全局状态模型数据存储具体为，对不同状态下的属性数据建立账户，采用分布式存储机制，用于存储同一食品不同状态下的属性数据。
(4).在同一食品的不同状态转换过程中的任一节点进行溯源验证。
在所述任一节点输入待验证的数字身份标签，将直接获得到包含这个数字身份标签的已生成的区块，并相应获得已生成的不同状态下的属性数据。
如上述的基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，其中，所述的不同时段具有不同状态，具体为，包括食品作为农产品状态，食品处于仓储状态，食品处于加工状态，食品形成产品状态，形成的产品的物流状态，形成的产品的销售状态。
如上述的基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，其中，所述的建立数字身份标签，具体是，通过非对称加密算法构建同一食品的数字身份标签；其中非对称加密算法中的公钥作为所述数字身份标签。
如上述的基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，其中，数据平台包括作为轻节点并用于记录同一食品不同状态下的属性的间接证明的本地数据库，作为共识节点并用于记录食品不同状态下的属性的直接证明的全局网络数据库。
如上述的基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，其中，所述间接证明具体为，不同状态转换过程中的任一节点的原始凭证，并将原始凭证经过哈希运算后，将计算得的哈希数据上传到区块链，用于证实食品状态属性的真实性。
如上述的基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，其中，所述的直接证明具体为，将原始凭证的内容提取关健字段后，加入交易数据中，用于证实食品状态属性的真实性。
有益的技术效果：
本发明针对加工企业主导型食品供应链全生命周期长、环节复杂、数据量庞大、信息多源异构、产品多形态变化等特点，应用非对称加密算法和哈希算法构建多形态产品数字身份体系，采用数字身份代替社会身份，在对产地、仓储农产品、加工批次、商品化产品和物流运输批次采用非对称加密技术时利用公钥即身份原理，建立开放式的分布式数字身份颁发和验证体系，实现多形态质量实体的统一管理和分布式验证，解决多形态产品数字身份管理难的问题。在此基础上提供了区块链轻节点部署策略，建立多源异构数据上链机制，并通过分布式数据安全存储机制，实现多源异构数据的上链和安全存储。通过基于PBFT和智能合约的全网络实时交叉验证技术，采用智能合约网络验证代替用户自验证，实现实时、高效的真伪检查和具备历史追溯能力网络溯源能力，从而将食品安全溯源任务交予区块链网络节点而不再完全依赖消费者自验证。
本发明利用区块链技术在分布式的食品供应链商业环境中建立面向分散资源、控制主体和监管部门的分布式协作关系，有效解决食品安全溯源问题，实现食品来源可知、去向可追、质量可查、责任可究。
本发明利用区块链分布式共识机制将农产品生产、收购仓储、加工、物流运输和销售等分散环节整合在一条具备交易真实可信、可实现链内数据自恰的质量安全溯源链中，实现食品供应链上下游跨阶段、跨企业数据融合创新，有效提升食品供应链上下游企业的数据一致性和真实性。
附图说明
图1食品数字身份识别体系示意图；
图2区块链轻节点上链机制示意图；
图3分布式数据安全存储模型示意图；
图4全网络实时交叉验证模型示意图。
具体实施方式
本发明涉及的基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，基本的步骤为四个步骤，即：1、建立数字身份标签；2、将数据信息上传至数据平台；3、存储；4、溯源验证。
示例一，其中的建立数字身份标签，主要是针对在不同时段具有不同状态的同一食品建立数字身份标签，数字身份标签包含了同一食品的可验证的统一数字身份以及不同的食品状态；使食品供应链多形态数字身份化[H(PK)、SK]。由于食品供应链在不同时段具有不同状态，具体为，包括食品作为农产品状态，食品处于仓储状态，食品处于加工状态，食品形成产品状态，形成的产品的物流状态，形成的产品的销售状态。本发明中，对于同一食品，是指产品从农产品到最终销售的成品，不管它经历了哪个阶段，变为什么形态，均采用同一数字身份。例如同一农场同一批次挖出的土豆，被赋于数据身份后，当变化为食品形成产品、产品的销售等后续过程，还是要与初始挖出的土豆为同一数字身份；当然，另一农场挖出的土豆就赋于另一数据身份。
其中的建立数字身份标签，具体是，通过非对称加密算法构建同一食品的数字身份标签；其中非对称加密算法中的公钥作为所述数字身份标签。
其中数字身份采用非对称加密算法构建，如：椭圆曲线算法(ECC)和SHA256作为数字身份管理算法，为食品供应链构建完整的安全溯源识别数字身份。
从农产品生产到最终销售经历了农产品生产、收购仓储、加工、运输等多环节、多形态的变化过程。将对食品全生命周期的产品形态进行充分建模。分别对：产地、收购仓储、加工批次、商品化产品、物流运输批次进行产品数字身份化，利用公钥即身份模型，采用分布式公钥基础设施(DPKI)，通过近乎零成本的分布式数字身份颁发验证体系，为供应链中不同的产品形态提供数字身份管理，在区块链网络中实现对产地、农产品(包装)、加工(批次)、物流运输(批次)、商品化(包装)建立海量数字身份颁发、验证体系，保障后续网络交易安全，公钥通过PBFT共识协议保障全网数据一致性。为此，参考图1，食品供应链多形态数字身份化[H(PK)、SK]后，形成产地数据身份化(形成产地A，产地B)，进入到仓储包装数字身份化(其中产地A可能形成打包A、打包B，而产地B可能形成打包C、打包D)，随后，食品原料进入生产加工环节，通过不同的生产线，在不同的加工批次赋于加工批次数字身份化(加工批次A、加工批次B)形成不同的商品，进行商品化产品数字身份化(商品化产品A、商品化产品B、商品化产品C、商品化产品D)，最后上市销售，赋于物流运输批次数字身份化(物流运输批次A、物流运输批次B)。在此之中，利用区块链身份状态的可追溯性，将食品供应链多形态数字身份化与相关属于通过区块链数据分布式存储，存入区块(区块n、区块n-1、区块n-2、区块n-3、区块n-4)，例如：将物流运输批次A存为区块n，则商品化产品A存为区域n-1，加工批次A存为区块n-2，打包A存为区块n-3，产地A存为n-4。
从而建立多形态数字身份的统一验证和网络追溯能力，解决多形态产品数字身份管理难的问题。
示例二，将数据信息上传至数据平台。数据信息至少包括：食品状态、食品状态属性、数字身份标签。数据格式可以是身份+状态+属性的方式，其中的身份就是同一食品从上至下节点中所有统一的数据身份，在步骤1中建立的。而食品状态则包括原料状态、原料仓储状态、加工状态、成品物流状态、成品销售状态。
食品状态属性为原始数据。由于食品供应链数据往往是保存在异构、跨域和多方实体各自管理的系统或平台中，原始数据的物理隔离大大限制了产品数字化安全溯源验证的能力。通过在食品供应链各环节的系统或设备中部署区块链轻节点，从而提供模块化、安全的食品证明数据上链(证明食品状态属性的真实性)。参考图2，上链数据包括：产地相关环境数据、收购和仓储证明数据、加工数据、物流数据和销售数据五大类，也就是本发明所称的食品状态属性，指要溯源的主要参数，例如：在农产品生产环节，可以通过企业的物资管理系统或智慧农业大数据平台上传的数据，获得有关于产地的温度、湿度、光照、土壤、GPS、GIS、PH、风速等产地信息；而在收购仓储环节，可以通过仓储管理系统和收购系统等获得收购单、入库单、出库单、退货单等数据；在加工环节，可以通过产品数据管理系统、MES系统、质量管理系统上传的数据，获得计划执行单、质量检查单数据；制成成品后，进入物流环节，又可以从车辆高度系统、物流管理系统中抽取到托运单、派车单、运输合同等数据；最后在销售环节，又可以在订单管理系统、客户关系管理系统中获得订货合同、出库单、销售发票等数据。
按照证明数据的方式不同可分为：直接证明数据和间接证明数据。
间接证明数据采用数据平台中的轻节点记录，用于证明食品状态属性的间接证明的存于本地数据库。
间接证明具体为，不同状态转换过程中的任一节点的原始凭证，并将原始凭证经过哈希运算后，将计算得的哈希数据上传到区块链，用于证实食品状态属性的真实性。原始凭证就是指收购单、入库单、出库单、退货单、计划执行单、质量检查单等等原如数据。原始凭证的图片形态采用上链Hash数据参与审计的间接证明，而间接证明的原始数据只会保证在轻节点的本地服务器中，充分保证了数据的安全性。
直接证明具体为，将原始凭证的内容提取关健字段(例如入库单上的入库时间、入库物品名称、入库数量等)形成单据的内容，加入上链交易数据中，参与共识的直接证明，用于证实食品状态属性的真实性。
直接证明存于作为共识节点的全局网络数据库中。
在上链存储中，主要利用在IoT设备层、工业互联网边缘层和食品供应链传统业务系统中集成SDK，实现不同层次、多场景的多源异构数据上链机制。SDK通过连接部署在不同产业实体中的区块链轻节点，实现数据安全传输，轻节点的数据安全由研究一中的分布式数字身份保障。轻节点可以另行存储本地机密数据，通过对本地数据计算Hash，并把Hash上链，从而实现机密本地数据和全局数据隔离。对于通过轻节点上链的全局证明数据将通过共识节点和P2P广播，同步到全网其他共识节点中，保障各节点数据一致性。
示例三，存储模型(产品溯源分布式存储结构)，包括区块链的链上数据存储和全局状态模型数据存储。
参考图3，上链的全局证明数据将主要采用两种数据结构进行存储，一是将无状态的交易数据，通过区块链式结构实现顺序写入区块的链式数据模型，可有效防篡改和高效验证；二是将有状态的账户数据(通过账户地址存储和查找)，通过全局状态数据存储。
其中，区块链的链上数据存储具体为：建立基于无状态的链式数据结构，农产品上链数据统一用交易结构表达：例如“区块n”中产生的交易Tx1、Tx2、Tx3、Tx4、Tx5，一直到Txm，区块均由上链数据交易构成，依据交易时间的产生顺序和区块中的交易数(一般是2000笔)，依次打包生成新区块n-4，区块n-3、区块n-2、区块n-1、区块n，区块按照打包时间顺序，由区块头通过上一个区块头的Hash指针关联到上一区块中，从而实现一种顺序写、防篡改，高效验证的链式数据结构。其中，区块头包含的数据有上一个区块头Hash数据、交易Merkle Root(区块中所有交易的哈希值生成的根哈希值)，交易的时间截。
其中，全局状态模型数据存储具体为，对不同状态下的属性数据建立账户，采用分布式存储机制，用于存储同一食品不同状态下的属性数据，例如：种植量、产量、库存量等，便于进行全局数据校验，例如：产销一致性校验。
全局状态数据和区块链数据通过实用拜占庭容错算法(PBFT)实现n＝3f+1的容错性(包括主动造假)，f是造假节点，n是节点总数。(n-1)/3的节点数造假和宕机、网络终止不影响整体数据的安全和业务连续性，从而实现网络在分布式环境下的高可用机制。
其中，将有食品状态属性的具体数据，建立账户数据(通过账户地址存储和查找)，通过全局状态数据存储，其中的食品状态属性主要是农产品生产数据，包括产地标识、生产报告标识、产品实例标识、生产核心参数值、生产报告Hash(通过对本地数据中的生产报告进行哈希计算，并把哈希值上链)、产品检验结果、版本；仓储状态数据，包括生产报告标识、产品实例标识、仓储状态、仓储证明Hash；加工状态数据，包括加工基本数状态、产品实例状态、加工核心参数值、加工证明Hash；产品规格数据，包括产品规格标识、产品规格信息、产品状态、版本；物流状态数据，包括加工基数标识、产品实例标识，物流状态，物流证明Hash；销售状态数据，包括加工基数标识、产品实例标识，订单状态、订单证明Hash。这些数据要求实现动态更新，实现查询速度快的优势。
示例四、在同一食品的不同状态转换过程中的任一节点进行溯源验证。
本示例是在基于实用拜占庭容错共识算法(PBFT)保障下，通过整合食品供应链上下游环节，建立食品安全溯源验证网络，利用智能合约实现从商品化销售到农产品的自动化安全追溯能力。
参考图4，任一节点包括销售环节、物流环节、加工环节、收购仓储环节、生产环节。在各个环节中，由于食品均具有其不同的数字身份。其中，销售环节、物流环节、加工环节、收购仓储环节、生产环节，在各个环节中，均具有其不同的数字身份，例如农产品生产环节具有农产品产地数据身份H(PK)，通过IoT物连网记录和读取农产品产地数据身份；收购仓储环节具有仓储数字身份H(PK)，通过RFID射频数字记录和读取其身份；加工环节具有加工批次数字身份H(PK)，通过二维码记录和读取身份；物流环节具有物流运输批次数字身份H(PK)，通过二维码记录和读取身份；销售环节具有商品数字身份H(PK)通过二维码记录和读取身份。
由于各环节均具有其不同的数字身份，因此将各环节采用智能合约来对每一个环节的数字身份进行处理，各环节根据实际要求制定协议，根据协议条款来设置智能合约对数据处理，然后上传数据。各个环节的之间的交易均依照智能合约进行。合约各方指定合约内容，编写并生成合约代码，编译后发布到区块链系统所有共识节点上，各个共识节点对合约内容的有效性进行验证，所有共识节点通过验证，然后进行全网播报，即可完成部署，完成部署的合约存于区块链中，当消费者或监管部门进行验证时，验证节点随机选举一个调用节点。共识节点的数据格式验证，是通过调用智能合约接口来执行的，输入待验证的数字身份标签，数据上传时即达到触发条件，合约即可开始执行，将直接获得到包含这个数字身份标签的已生成的区块，执行完毕后各个共识节点验证结果是否正确，验证通过后，区块链会将执行的结果播报至全网各个共识节点，并将上传的数据存入到最新的数据区块中，相应获得已生成的不同状态下的属性数据。
基于PBFT的共识算法可以保障食品供应链参与各方数据的真实可靠；可实现在共识节点间形成随机性的交叉验证能力。通过在共识节点自动化执行智能合约，可执行链内数据(上链的供应链安全溯源和质量证明数据)的有效检查，从而在供应链各环节开展安全校验，而不依赖消费者或监管部门的终端扫码验证。基于区块链共识网络的食品安全溯源验证，是利用供应链上下游企业和环节的利益共同性，依托产品在供应链中的数字化流动实现的低成本安全溯源质量校验，而溯源校验模型则是利用建立的食品数字身份构建多环节、多形态的产品溯源模型。
上述为本发明示例性说明，不代表本发明的保护范围。其中每一个示例描述的内容均有其侧重点，因些各示例均可进行结合。
Claims (6)
1.基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，采用区块链和云数据库存储数据，其特征在于，具有如下步骤：
(1).针对在不同时段具有不同状态的同一食品，建立数字身份标签，所述数字身份标签包含了所述同一食品的可验证的统一数字身份以及不同的食品状态；
(2).将同一食品的数据信息上传至数据平台；
其中，数据信息至少包括：食品状态、食品状态属性、数字身份标签；
(3).对同一食品不同状态下的属性数据进行存储，包括区块链的链上数据存储和全局状态模型数据存储；
其中，区块链的链上数据存储具体为，将同一食品的链上数据统一采用交易结构表达，并依据于交易时间的产生顺序和区块中的交易数，依次打包生成新区块，区块按照打包时间顺序，通过区块头的哈希指针关联到上一区块的区块头中；
其中，全局状态模型数据存储具体为，对不同状态下的属性数据建立账户，采用分布式存储机制，用于存储同一食品不同状态下的属性数据；
(4).在同一食品的不同状态转换过程中的任一节点进行溯源验证；
在所述任一节点输入待验证的数字身份标签，将直接获得到包含这个数字身份标签的已生成的区块，并相应获得已生成的不同状态下的属性数据。
2.如权利要求1所述的基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，其特征在于，所述的不同时段具有不同状态，具体为，包括食品作为农产品状态，食品处于仓储状态，食品处于加工状态，食品形成产品状态，形成的产品的物流状态，形成的产品的销售状态。
3.如权利要求1所述的基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，其特征在于，所述的建立数字身份标签，具体是，通过非对称加密算法构建同一食品的数字身份标签；其中非对称加密算法中的公钥作为所述数字身份标签。
4.如权利要求1所述的基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，其特征在于，其中，数据平台包括作为轻节点并用于记录同一食品不同状态下的属性的间接证明的本地数据库，作为共识节点并用于记录食品不同状态下的属性的直接证明的全局网络数据库。
5.如权利要求4所述的基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，其特征在于，所述间接证明具体为，不同状态转换过程中的任一节点的原始凭证，并将原始凭证经过哈希运算后，将计算得的哈希数据上传到区块链，用于证实食品状态属性的真实性。
6.如权利要求4所述的基于区块链的食品供应链多状态变化全流程安全溯源方法，其特征在于，所述的直接证明具体为，将原始凭证的内容提取关健字段后，加入交易数据中，用于证实食品状态属性的真实性。
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Cited By (1)
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| CN117951680A (zh) * | 2024-03-25 | 2024-04-30 | 信通院(江西)科技创新研究院有限公司 | 基于区块链的软件供应链动态追踪方法和追踪平台 |
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| CN117951680B (zh) * | 2024-03-25 | 2024-05-31 | 信通院(江西)科技创新研究院有限公司 | 基于区块链的软件供应链动态追踪方法和追踪平台 |
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