鐘德福，艾 紅，張良國(guó)，陳勝軍,2

（1中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，廣州 510300；2國(guó)家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510300）

0 引言

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用逐漸被不同行業(yè)認(rèn)可和利用[1]，并為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用和研究提供了充分的技術(shù)平臺(tái)。中國(guó)是農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易和消費(fèi)大國(guó)，農(nóng)產(chǎn)品流通規(guī)模逐漸擴(kuò)大，確保農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全對(duì)促進(jìn)食品高效、健康和綠色生態(tài)發(fā)展起著重要作用[2]。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全涉及生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和銷售等不同環(huán)節(jié)，其中每個(gè)環(huán)節(jié)都可能存在安全隱患，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品在各個(gè)環(huán)節(jié)中真實(shí)的信息進(jìn)行準(zhǔn)確追溯，是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全保障的重要途徑，也符合消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的期望[3]。傳統(tǒng)追溯應(yīng)用在數(shù)據(jù)的安全性和真實(shí)性方面已不能滿足當(dāng)前復(fù)雜的追溯要求，區(qū)塊鏈具有的去信任化和不可篡改等優(yōu)點(diǎn)逐漸被應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯研究中。

追溯應(yīng)用在技術(shù)層面上主要以傳感、射頻和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)為主。在國(guó)外，利用RFID和物聯(lián)網(wǎng)傳感器[4-6]和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)生命周期(SDLC)[7]等技術(shù)相繼對(duì)易腐食品、稻米、水產(chǎn)品等建立了追溯應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)追溯應(yīng)用研究的起步較晚，但發(fā)展較快，應(yīng)用場(chǎng)景廣，涉及的技術(shù)基本與國(guó)外主流技術(shù)體系一致[8]。主要有基于B/S框架的WEB可溯源系統(tǒng)[9-10]、基于RFID射頻技術(shù)的追溯系統(tǒng)[11-12]和基于GIS技術(shù)的溯源體系等[13-14]，這些均成為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品跟蹤和質(zhì)量追溯的有效手段。另外，在實(shí)施方面主要有給政府提供農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的解決方案，提高對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信息管理和輔助決策功能[15-16]；還有結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線射頻技術(shù)、公開(kāi)的安全信息數(shù)據(jù)接口等技術(shù)構(gòu)建的溯源系統(tǒng)應(yīng)用，旨在更好地滿足涉農(nóng)企業(yè)和公眾對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源需求[17]。這些追溯應(yīng)用依賴中心化數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)追溯環(huán)節(jié)節(jié)點(diǎn)上都需要各自主導(dǎo)機(jī)構(gòu)來(lái)管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)易被篡改，真實(shí)性不能得到保障；另一方面，中心化數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存路徑單一，維護(hù)成本高，數(shù)據(jù)安全性低。此外，追溯應(yīng)用主要以數(shù)據(jù)管理和溯源數(shù)據(jù)查詢?yōu)橹?，?shù)據(jù)的真實(shí)性和安全性是追溯應(yīng)用最重要的一環(huán)。因此，提高追溯應(yīng)用技術(shù)和追溯環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)的真實(shí)性，增強(qiáng)溯源的可信度，提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的控制力是加強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全建設(shè)的迫切要求。

區(qū)塊鏈技術(shù)提供的共識(shí)機(jī)制能建立去中心化系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的信任，實(shí)現(xiàn)分布式的信任機(jī)制[18]，為當(dāng)前的數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)和管理架構(gòu)提供全新的解決方案。區(qū)塊鏈具有不可篡改、高加密和可追溯等特點(diǎn)，已逐漸應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯研究[19-20]。為了深入分析和應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，筆者對(duì)技術(shù)概述、關(guān)鍵技術(shù)與特點(diǎn)以及近年區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯研究和應(yīng)用進(jìn)行了綜述，分析了存在的不足并進(jìn)行展望，以期為今后區(qū)塊鏈技術(shù)的完善及在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

1.1 基礎(chǔ)架構(gòu)

區(qū)塊鏈技術(shù)最初作為虛擬數(shù)字貨幣的核心技術(shù)[21]，集成了計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、密碼學(xué)等多領(lǐng)域的研究成果，是分布式存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(peer-to-peer，P2P)網(wǎng)絡(luò)和共識(shí)算法等技術(shù)的新型應(yīng)用模式技術(shù)[22]。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N按照區(qū)塊發(fā)生的時(shí)間順序，通過(guò)區(qū)塊的哈希值單向鏈接的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并采用加密算法確保不被篡改和偽造的分布式賬本系統(tǒng)[23]。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、合約層和應(yīng)用層組成[24]，如圖1所示。在該架構(gòu)中，基于時(shí)間戳的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)層、為分布式節(jié)點(diǎn)提供P2P網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層和確保各節(jié)點(diǎn)間高效達(dá)成共識(shí)的共識(shí)層是構(gòu)建區(qū)塊鏈應(yīng)用的必要因素。另外，合約層封裝的各類腳本算法、智能合約為區(qū)塊鏈應(yīng)用可靈活編程提供技術(shù)基礎(chǔ)，也是區(qū)塊鏈2.0的重要特性[25]。

圖1 區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)圖

1.2 區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 區(qū)塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu) 區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，區(qū)塊是鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)元素，區(qū)塊鏈由區(qū)塊相互連接形成單向鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)（圖2）。其中每個(gè)區(qū)塊分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體2個(gè)部分，區(qū)塊頭包括引索數(shù)據(jù)、時(shí)間戳、Merkle樹(shù)根數(shù)據(jù)等元數(shù)據(jù)，區(qū)塊體主要用于存儲(chǔ)交易信息。每個(gè)區(qū)塊生成時(shí)都會(huì)加蓋時(shí)間戳，通過(guò)父區(qū)塊信息生成引索哈希值，從而形成一條具有時(shí)間維度的有序鏈條，確保了數(shù)據(jù)的可追溯性，并且為共識(shí)機(jī)制提供數(shù)據(jù)支撐。

圖2 區(qū)塊鏈鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)圖

1.2.2 共識(shí)機(jī)制與智能合約 共識(shí)機(jī)制是一種多方協(xié)作機(jī)制，用于協(xié)調(diào)多參與方達(dá)成共同接受的唯一結(jié)果，并且保證此過(guò)程難以被欺騙，且持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[26]。運(yùn)用于區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制主要分為2類，一類是強(qiáng)一致性共識(shí)，包括拜占庭容錯(cuò)(byzantine fault tolerance，BFT)、實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法(practical byzantine fault tolerance，PBFT)、Paxos算法和Raft算法；另一類是最終一致性機(jī)制共識(shí)，包括工作量證明(proof of work，POW)、股權(quán)證明(proof of stake，POS)和授權(quán)股權(quán)證明機(jī)制(delegated proof of stake，DPOS)。

智能合約是一種以數(shù)字化形式存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中，并利用加密算法強(qiáng)制執(zhí)行的計(jì)算機(jī)協(xié)議。開(kāi)發(fā)人員通過(guò)編碼構(gòu)建智能合約并上傳到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)接收到這份合約。智能合約定期對(duì)符合條件的合約進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證后經(jīng)過(guò)共識(shí)就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行合約。整個(gè)智能合約的執(zhí)行過(guò)程無(wú)需中心化服務(wù)器參與，大大降低交易成本和解決信任問(wèn)題[27]。高度自治化和去中心化的特點(diǎn)大大擴(kuò)展了區(qū)塊鏈的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2.3 超級(jí)賬本 區(qū)塊鏈主要分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈3種應(yīng)用模式，其對(duì)比情況詳見(jiàn)表1。公有鏈主要是實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全去中心化的項(xiàng)目應(yīng)用，但與現(xiàn)實(shí)許多應(yīng)用持場(chǎng)景存在沖突，多中心的聯(lián)盟鏈致力于發(fā)展跨行業(yè)的商用區(qū)塊鏈技術(shù)，被認(rèn)為更能快速構(gòu)建企業(yè)級(jí)區(qū)塊鏈應(yīng)用，超級(jí)賬本(hyperledger)作為L(zhǎng)inux基金會(huì)的區(qū)塊鏈項(xiàng)目，就是構(gòu)建聯(lián)盟鏈的其中一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)[28]。

表1 3種類型區(qū)塊鏈對(duì)比

Hyperledger Fabric是一個(gè)帶有可插入各種功能模塊架構(gòu)的聯(lián)盟區(qū)塊鏈實(shí)施方案，模塊化設(shè)計(jì)和高復(fù)用性接口設(shè)計(jì)能更好實(shí)現(xiàn)分布式賬本技術(shù)，運(yùn)用Hyperledger Fabric設(shè)計(jì)的系統(tǒng)邏輯架構(gòu)（圖3）[29]提供針對(duì)身份識(shí)別、可審計(jì)和隱私安全的模型，包括區(qū)塊鏈服務(wù)、鏈碼和成員權(quán)限管理三大組件。區(qū)塊鏈服務(wù)通過(guò)建立在HTTP/2上的P2P協(xié)議，負(fù)責(zé)管理分布式賬本，同時(shí)賬本上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也被優(yōu)化；鏈碼主要給在驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)上的執(zhí)行提供安全沙箱，并對(duì)外提供可操作鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)的接口。成員權(quán)限管理基于公鑰體系基礎(chǔ)框架(public-key infrastructure，PKI)，提供包括身份管理、網(wǎng)絡(luò)隱私等限制接入的節(jié)點(diǎn)和客戶端的能力[30-31]。

圖3 Hyperledger Fabric設(shè)計(jì)的系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

1.3 區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用中的特點(diǎn)

1.3.1 分布式結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本 區(qū)塊鏈中的關(guān)鍵信息發(fā)布在基于P2P網(wǎng)絡(luò)的分布式網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，不需要中心化數(shù)據(jù)庫(kù)，也不依賴第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)來(lái)管理，而是由所有參與節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)。另外，整個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)不受個(gè)別節(jié)點(diǎn)影響，比傳統(tǒng)的中心化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有更好的健壯性，比傳統(tǒng)的臺(tái)賬方式管理信息更節(jié)約成本。

1.3.2 去信任性和不可篡改性 區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運(yùn)作規(guī)則是基于共識(shí)算法的，無(wú)需第三方介入，所有數(shù)據(jù)內(nèi)容也是開(kāi)放、透明，所有節(jié)點(diǎn)都必須遵循同一個(gè)規(guī)則來(lái)運(yùn)作。同時(shí)給所有參與者提供基于信息加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有唯一性的信息集，由于所有參與者的信息在鏈上共享，對(duì)比將關(guān)鍵信息只存放在單個(gè)或幾個(gè)核心企業(yè)或單位的傳統(tǒng)方式，區(qū)塊鏈技術(shù)保障了農(nóng)產(chǎn)品追溯過(guò)程中關(guān)鍵信息的不可篡改性。

1.3.3 全程實(shí)時(shí)可追溯性 由于區(qū)塊鏈采用帶時(shí)間戳的鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，區(qū)塊之間通過(guò)加密確定順序并相聯(lián)，具有較強(qiáng)的可溯性和驗(yàn)證性。另外，依靠區(qū)塊鏈技術(shù)的“背書(shū)”機(jī)制，鏈上的任意節(jié)點(diǎn)都可以查看到全鏈的關(guān)鍵信息，對(duì)于涉及整個(gè)區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品追溯過(guò)程的企業(yè)或商戶來(lái)說(shuō)，都能實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品信息的共享和全程實(shí)時(shí)可追溯。

1.3.4 業(yè)務(wù)靈活性 由于農(nóng)產(chǎn)品追溯中涉及的信息類型復(fù)雜，信息上鏈需求各不相同等特點(diǎn)，區(qū)塊鏈提供支持鏈上腳本對(duì)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)的功能，也是區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用范圍擴(kuò)展到其他領(lǐng)域的基礎(chǔ)。研究人員通過(guò)構(gòu)建靈活的智能合約程序，通過(guò)優(yōu)化交易組織形式實(shí)現(xiàn)更高效的應(yīng)用，不僅能滿足個(gè)性化的業(yè)務(wù)需求，也有助于促進(jìn)組織自治性，提高農(nóng)產(chǎn)品追溯過(guò)程中的管理效率和業(yè)務(wù)的完整性。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯的內(nèi)在關(guān)系

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯的有機(jī)結(jié)合

由于瘋牛病、禽流感等疫情的不斷發(fā)生，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題逐漸成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)[32]。中國(guó)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的監(jiān)管起步較晚，基礎(chǔ)和技術(shù)力量不強(qiáng)，總體水平尚不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。為了提高生產(chǎn)效益，濫用大量的農(nóng)藥、肥料等化學(xué)物，且農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈長(zhǎng)，銷售分布廣；此外，農(nóng)產(chǎn)品從農(nóng)場(chǎng)到餐桌，涉及到眾多環(huán)節(jié)，給傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管帶來(lái)了新一輪的挑戰(zhàn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，追溯技術(shù)作為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管的新手段，可及時(shí)、準(zhǔn)確和有效地獲取農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管的相關(guān)信息，快速定位農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題位置，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管順利實(shí)施。

區(qū)塊鏈作為提高追溯技術(shù)水平的新手段，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量追溯提供了基礎(chǔ)支持。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯過(guò)程中涉及農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、物流商、銷售商和消費(fèi)者等多個(gè)環(huán)節(jié)，為加強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全關(guān)鍵信息的監(jiān)管，需要一個(gè)關(guān)系密切、反應(yīng)靈敏和資源整合度較高的應(yīng)用平臺(tái)[33]。農(nóng)產(chǎn)品本身不涉及太多高科技生產(chǎn)技術(shù)，增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品核心價(jià)值的關(guān)鍵在于提升農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全水平，提高消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的信任度是實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素。同時(shí)，區(qū)塊鏈技術(shù)具有分布式賬本存儲(chǔ)、共識(shí)機(jī)制和去信任化等特點(diǎn)能夠?qū)⑸婕稗r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的材料、人員、加工等關(guān)鍵信息記錄在鏈上，并通過(guò)智能合約技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈上數(shù)據(jù)及時(shí)反饋。區(qū)塊鏈技術(shù)積極推進(jìn)了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯過(guò)程中參與主體達(dá)成共識(shí)，進(jìn)行質(zhì)量安全信息共享、共同承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)、利益合理分配，高效地提升了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯效率[34]。

2.2 區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯中構(gòu)建的目標(biāo)

隨著農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯研究的不斷發(fā)展，很多不同的技術(shù)都運(yùn)用在追溯研究上，從最初以IC卡作為溯源的數(shù)據(jù)載體建立管理體系，到利用數(shù)據(jù)庫(kù)、信息流等技術(shù)整合數(shù)據(jù)，構(gòu)建WEB和移動(dòng)設(shè)備的追溯應(yīng)用，再到結(jié)合射頻、二維碼等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集能力，構(gòu)建全供應(yīng)鏈的追溯應(yīng)用。在整個(gè)追溯發(fā)展過(guò)程中，都是圍繞農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全相關(guān)的數(shù)據(jù)而開(kāi)展，及時(shí)和真實(shí)的數(shù)據(jù)是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯的核心。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題往往來(lái)源于消費(fèi)者和供應(yīng)商之間的信息不對(duì)稱，建立可信任的農(nóng)產(chǎn)品可追溯性應(yīng)用是解決這類問(wèn)題的最佳途徑之一[35]。

區(qū)塊鏈作為新一代信息技術(shù)的代表，在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯中構(gòu)建的目標(biāo)主要是通過(guò)可追溯、分布式和去信任等特點(diǎn)，為解決農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯面臨的數(shù)據(jù)問(wèn)題提供技術(shù)支撐和解決方案，做到農(nóng)產(chǎn)品雙向可溯，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，自動(dòng)執(zhí)行追溯功能，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，提升消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的信心?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用能降低追溯過(guò)程中參與者的信息監(jiān)管成本，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信息的跟蹤水平，大幅提升農(nóng)產(chǎn)品在流通過(guò)程中的質(zhì)量安全監(jiān)管效率。另外，區(qū)塊鏈技術(shù)貫穿于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯各個(gè)環(huán)節(jié)，有助于優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管和完成追溯過(guò)程的完整閉環(huán)。

3 區(qū)塊鏈在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯的應(yīng)用

目前采用區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯方面的應(yīng)用主要分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和其他區(qū)塊鏈3種類型，其對(duì)今后研究農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)、農(nóng)產(chǎn)品銷售模式等均有重要作用。

3.1 基于公有鏈的應(yīng)用

公有鏈?zhǔn)窃试S任何人讀取、發(fā)送交易信息和參與共識(shí)過(guò)程的區(qū)塊鏈。部署在公有鏈上的應(yīng)用，用戶不受應(yīng)用開(kāi)發(fā)者的影響，訪問(wèn)門(mén)檻低，所有數(shù)據(jù)默認(rèn)公開(kāi)，被認(rèn)為是“完全中心化的”。其中以太坊作為一個(gè)可編程的全新開(kāi)放平臺(tái)，允許開(kāi)發(fā)人員按照自己的需求創(chuàng)建復(fù)雜的操作，可以作為去中心化區(qū)塊鏈應(yīng)用的平臺(tái)，大大促進(jìn)了采用區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯應(yīng)用發(fā)展。結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系的發(fā)展現(xiàn)狀和面臨問(wèn)題，呂芙蓉等[36]提出從分布式臺(tái)賬、信任共識(shí)和去中心化層面運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)重構(gòu)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯體系；針對(duì)追溯系統(tǒng)中面臨數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不安全、中心系統(tǒng)易受攻擊和信息交換過(guò)程隱私不能保障等問(wèn)題，李明佳等[37]提出將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)與通信層重新建立溯源體系；陶啟等[38]針對(duì)優(yōu)質(zhì)原信息少、信息不對(duì)稱等問(wèn)題，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計(jì)了多角色、多環(huán)節(jié)和多要素的大米全產(chǎn)業(yè)智能管理系統(tǒng)；Howson[39]、趙維等[40]進(jìn)一步討論了區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯方面的重要意義和價(jià)值。

以上基于公有區(qū)塊鏈的研究和應(yīng)用主要集中在太坊平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)人員根據(jù)需求構(gòu)建智能合約程序，用戶通過(guò)外部域名或者IP地址訪問(wèn)區(qū)塊鏈應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品信息的存儲(chǔ)和讀取。應(yīng)用開(kāi)發(fā)組織需要初始化創(chuàng)世區(qū)塊，定義區(qū)塊的時(shí)間戳和hash值等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，追溯環(huán)節(jié)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)組織在訪問(wèn)應(yīng)用時(shí)都要加載驗(yàn)證本地區(qū)塊或者同步區(qū)塊鏈，輸入的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)驗(yàn)證并序列化后才能儲(chǔ)存在賬本中。由于基于公有區(qū)塊鏈的應(yīng)用需要大量的節(jié)點(diǎn)去保證整個(gè)鏈條的信息安全，并且缺少用戶節(jié)點(diǎn)的權(quán)限控制，共識(shí)機(jī)制擴(kuò)展性差和內(nèi)部資源消耗高等缺點(diǎn)都制約了構(gòu)建更復(fù)雜的企業(yè)級(jí)應(yīng)用。

3.2 基于聯(lián)盟鏈的應(yīng)用

聯(lián)盟鏈?zhǔn)墙橛诠墟満退接墟溨g，主要由幾個(gè)機(jī)構(gòu)或者組織共同參與和管理的區(qū)塊鏈。它們各自運(yùn)行著一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間有權(quán)利進(jìn)行驗(yàn)證和發(fā)布交易，普通用戶需要在獲得聯(lián)盟許可的前提下才能發(fā)布和驗(yàn)證交易，整個(gè)聯(lián)盟鏈更類似于一種分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈作為質(zhì)量安全追溯的重要一環(huán)，于麗娜等[41]提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈邏輯架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈價(jià)值的增值；對(duì)比網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理方面的優(yōu)勢(shì)，董云峰等[42]設(shè)計(jì)了基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的架構(gòu)模型和全供應(yīng)鏈的可信追溯模型，解決了數(shù)據(jù)安全性低和信息孤島問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的魯棒性和數(shù)據(jù)可靠性；針對(duì)追溯結(jié)果可信度低和靈活性差等問(wèn)題，王志鏵等[43]在聯(lián)盟鏈的基礎(chǔ)上，提出了“一環(huán)節(jié)一賬本”的設(shè)計(jì)思想和動(dòng)態(tài)溯源機(jī)制，保證了追溯結(jié)果的可信性和實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品柔性可信溯源；另外，曾小青等[44]、洪坤明等[45]設(shè)計(jì)了區(qū)塊鏈技術(shù)加物聯(lián)網(wǎng)的追溯系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合追溯標(biāo)簽、條形碼標(biāo)簽等技術(shù)，提高了追溯系統(tǒng)的完整性；為進(jìn)一步提高追溯系統(tǒng)的運(yùn)行效率，王可可等[46]提出通過(guò)星際文件系統(tǒng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行hash轉(zhuǎn)變來(lái)減少單條事務(wù)數(shù)據(jù)量，構(gòu)建更高效的聯(lián)盟鏈追溯系統(tǒng)；趙磊[47]則從信息生態(tài)視覺(jué)和用戶需求方面，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合實(shí)際追溯主體重構(gòu)了新的框架模型。

目前基于聯(lián)盟鏈的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用主要采用面向企業(yè)應(yīng)用的Hyperledger Fabic區(qū)塊鏈框架搭建，Hyperledger Fabric提供的分布式賬本解決方案實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用的權(quán)限區(qū)塊鏈的底層基礎(chǔ)架構(gòu)。該框架適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，采用模塊化架構(gòu)提供可切換和可擴(kuò)展的組件，包括共識(shí)算法、加密機(jī)制、智能合約和身份驗(yàn)證等服務(wù)，能根據(jù)需求靈活開(kāi)發(fā)實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，聯(lián)盟鏈能適用經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)中較復(fù)雜的場(chǎng)景，且相對(duì)于公有鏈具有交易處理快、隱私保護(hù)強(qiáng)等特點(diǎn)。由于聯(lián)盟鏈與公有鏈相比去中心化程度較弱，需要加強(qiáng)對(duì)準(zhǔn)入節(jié)點(diǎn)的控制與審核，在確保符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)或監(jiān)管規(guī)定的基礎(chǔ)上才能考慮提高效率或向其他方面擴(kuò)展。

3.3 其他區(qū)塊鏈應(yīng)用

在目前通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用的基礎(chǔ)上，有不少研究人員作了改進(jìn)和優(yōu)化。針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品溯源信息的完整性、安全性及可信性問(wèn)題，任守綱等[48]從農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈的角度提出一種基于信譽(yù)監(jiān)督機(jī)制共識(shí)算法的區(qū)塊鏈應(yīng)用，旨在提高基于聯(lián)盟鏈模型下共識(shí)機(jī)制的安全性和效率，在農(nóng)產(chǎn)品信息上鏈時(shí)具有更小的時(shí)延和安全性。為解決區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)負(fù)載過(guò)大和查詢效率較低等問(wèn)題，楊信廷等[49]提出基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的“數(shù)據(jù)庫(kù)+區(qū)塊鏈”鏈上鏈下的追溯信息雙存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)，結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)索引查詢，保證了數(shù)據(jù)保密安全，提高了追溯信息的可靠性和實(shí)效性。供應(yīng)鏈?zhǔn)寝r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯過(guò)程中的重要部分，張朝棟等[50]提出一種基側(cè)鏈擴(kuò)容技術(shù)的以太坊區(qū)塊鏈應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈上信息的全生命周期追溯，以提高應(yīng)用的吞吐量和降低交易開(kāi)銷。劉家稷等[51]采用公有鏈和私有鏈共同構(gòu)建高效、運(yùn)行低成本的防偽溯源系統(tǒng)，確保溯源信息的可靠性和不可篡改，也為構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用提供一定的參考。

4 存在問(wèn)題

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯方面已取得不錯(cuò)的研究成果，但是仍存在一些不足。

4.1 系統(tǒng)安全問(wèn)題

從安全技術(shù)分析的角度，區(qū)塊鏈在算法、協(xié)議、私鑰和應(yīng)用方面都面臨不同程度潛在的安全威脅，這些是區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用時(shí)亟需重視和解決的問(wèn)題。算法方面，隨著量子技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的非對(duì)稱加密算法有被破解的可能；協(xié)議方面，基于POW共識(shí)機(jī)制的區(qū)塊鏈不排除會(huì)受到某種不惜成本的攻擊，且理論上可實(shí)現(xiàn)；私鑰方面，由于私鑰完全由用戶個(gè)人生成和保管，不涉及第三方，可能因?yàn)橛脩舨僮鞑划?dāng)而面臨遺失或被盜的風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)用方面，由于區(qū)塊鏈?zhǔn)褂么罅康拿艽a學(xué)技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)上可能出現(xiàn)某些漏洞和沖突，歷史上發(fā)生過(guò)類似的情況。系統(tǒng)安全性就是黑客利用上述的安全隱患，成功攻擊目標(biāo)的威脅，網(wǎng)絡(luò)攻擊已對(duì)區(qū)塊鏈應(yīng)用的安全性造成很大影響。

4.2 隱私性問(wèn)題

區(qū)塊鏈通過(guò)多種算法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的公開(kāi)透明和匿名性，然而對(duì)于區(qū)塊鏈應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能存在一定的隱私性問(wèn)題。公有鏈應(yīng)用中每個(gè)參與者都能獲取完整的賬本，意味著每個(gè)交易方的信息都能查詢到，雖然區(qū)塊鏈?zhǔn)褂昧阒R(shí)證明、環(huán)簽名等技術(shù)去保障區(qū)塊鏈應(yīng)用的隱私安全，但隨著數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展，仍存在被突破的可能性。聯(lián)盟鏈建立的多中心應(yīng)用需要組織單位驗(yàn)證成員，可能泄露成員信息，這對(duì)整個(gè)區(qū)塊鏈應(yīng)用存在一定的安全性風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)復(fù)雜性問(wèn)題

農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)入流通后，從生產(chǎn)到食用需經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)的供應(yīng)鏈條，在鏈條中涉及眾多的環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)雖然在供應(yīng)側(cè)、運(yùn)輸、銷售和食物監(jiān)管各方面都有自身的標(biāo)椎，但是對(duì)于整個(gè)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系來(lái)說(shuō)仍比較零散，缺少對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系相關(guān)標(biāo)椎和基礎(chǔ)性研究。另外，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，包括農(nóng)產(chǎn)品以及農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)的加工手段和流通過(guò)程等，農(nóng)產(chǎn)品在流通過(guò)程中涉及的供應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)、監(jiān)管部門(mén)和監(jiān)督部門(mén)，以及已存在的農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)信息和信息管理平臺(tái)等，這些都需要在構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用體系中協(xié)調(diào)處理。

4.4 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯研究和應(yīng)用存在的問(wèn)題

目前主流的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯研究與應(yīng)用主要在基于公有鏈和聯(lián)盟鏈平臺(tái)上，其中基于公有鏈平臺(tái)的研究大多數(shù)闡述區(qū)塊鏈對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯的重要性，并建立去中心化的追溯理論體系和模型，由于公有鏈在構(gòu)建企業(yè)級(jí)應(yīng)用運(yùn)行效率不高，靈活性和擴(kuò)展性不好，導(dǎo)致實(shí)際落地的項(xiàng)目并不多；另外，基于聯(lián)盟鏈的平臺(tái)構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)應(yīng)用較多，性能也相對(duì)較好，但由于聯(lián)盟鏈本質(zhì)不是一個(gè)完全去中心化的區(qū)塊鏈技術(shù)，在整個(gè)追溯體系中涉及組織方的身份審核，并且在聯(lián)盟鏈發(fā)展過(guò)程中存在技術(shù)異構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不統(tǒng)一等問(wèn)題，缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)的相關(guān)文件，會(huì)影響跨平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)擴(kuò)展性。

5 總結(jié)和展望

追溯應(yīng)用中數(shù)據(jù)的真實(shí)性和安全性已經(jīng)成為近年農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯研究與應(yīng)用需要解決的重要課題。研究表明，早期建立的追溯應(yīng)用框架和研究多數(shù)集中于公有鏈，以以太坊為主要數(shù)據(jù)載體，指出區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯方面的可能性和發(fā)展?jié)摿?。?lián)盟鏈技術(shù)更適合構(gòu)建企業(yè)級(jí)追溯應(yīng)用，多中心化的運(yùn)行機(jī)制和身份驗(yàn)證管理有利于增強(qiáng)區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯過(guò)程的影響和作用。另外，在提高區(qū)塊鏈追溯應(yīng)用的性能和實(shí)用性方面，提出了多種改良型的方案，進(jìn)一步推動(dòng)了區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯方面的研究。

根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯的特點(diǎn)，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)和其他新一代信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的檢測(cè)和應(yīng)用落實(shí)方面仍有較大的發(fā)展空間，未來(lái)的研究可關(guān)注：

（1）區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯發(fā)展主要分為縱向和橫向技術(shù)2個(gè)方面?？v向技術(shù)發(fā)展主要指應(yīng)用于追溯應(yīng)用并以區(qū)塊鏈為核心的單項(xiàng)技術(shù)的提升，比如，運(yùn)用適合構(gòu)建分布式高度自組織應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的區(qū)塊鏈架構(gòu)平臺(tái)去實(shí)現(xiàn)追溯應(yīng)用，對(duì)賬戶身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、去中心化程度和交易效率等方面提供參考。另外，側(cè)鏈和跨鏈技術(shù)能有效應(yīng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯過(guò)程中交易速度和吞吐量、不同應(yīng)用和模型之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移、交換等問(wèn)題。橫向技術(shù)發(fā)展是指提高人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)的融合度。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)感知設(shè)備快速采集農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯各環(huán)節(jié)中所需的數(shù)據(jù)，并且實(shí)時(shí)自動(dòng)傳輸出去，增強(qiáng)上鏈數(shù)據(jù)的可靠性；大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)針對(duì)追溯過(guò)程中可能面臨的殘留物預(yù)測(cè)、運(yùn)輸優(yōu)化調(diào)控、市場(chǎng)供求分析等問(wèn)題構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，做出有效預(yù)警，及時(shí)作出調(diào)控。注重橫向技術(shù)的融合有利于進(jìn)一步解決農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯問(wèn)題。

（2）目前區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯的應(yīng)用與研究大多數(shù)集中于農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈一側(cè)，主要基于農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)、倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)和銷售數(shù)據(jù)建立溯源模型。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯中，成為控制和保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的有效途徑之一。在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)過(guò)程中會(huì)涉及品質(zhì)檢測(cè)、農(nóng)藥殘留檢測(cè)和農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全具有重要作用，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行信息收集和服務(wù)共享，加強(qiáng)檢測(cè)部門(mén)在追溯環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息上鏈，能進(jìn)一步構(gòu)建完整的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用，提高追溯粒度。

（3）農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用的落實(shí)仍存在不足。雖然區(qū)塊鏈技術(shù)為溯源應(yīng)用提供技術(shù)支撐，但要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的品質(zhì)控制，應(yīng)增加農(nóng)產(chǎn)品追溯的激勵(lì)懲罰機(jī)制。建立可信的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用核心在于數(shù)據(jù)，但當(dāng)前國(guó)內(nèi)仍是以粗放式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，只有局部或少數(shù)農(nóng)場(chǎng)使用自動(dòng)化或智能化設(shè)備，導(dǎo)致難以全部自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)上鏈的困境，加密上鏈前的數(shù)據(jù)對(duì)于整個(gè)追溯應(yīng)用是不可忽視的。增加激勵(lì)懲罰機(jī)制，激勵(lì)產(chǎn)業(yè)鏈上的節(jié)點(diǎn)敢于將數(shù)據(jù)上鏈，對(duì)仿造篡改數(shù)據(jù)的行為做出懲罰，只有符合共識(shí)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的數(shù)據(jù)才能上鏈，確保鏈上節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的真實(shí)和有效。因此，在解決農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯應(yīng)用面臨的業(yè)務(wù)問(wèn)題，應(yīng)注重激勵(lì)懲罰機(jī)制的運(yùn)用。