巫光福 ,王蒙蒙

(江西理工大學(xué) 信息工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

0 引 言

生鮮農(nóng)產(chǎn)品從采摘下來(lái),并最終到達(dá)消費(fèi)者手里,需要經(jīng)過(guò)包裝、加工、冷鏈、物流運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)環(huán)節(jié)[1]。然而,在這些環(huán)節(jié)中極易出現(xiàn)氧化腐蝕的現(xiàn)象,不僅容易造成大量的浪費(fèi),而且容易發(fā)生食品安全事故[2]。因此,對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈要求嚴(yán)格,不僅要求生鮮農(nóng)產(chǎn)品本身的品質(zhì)好,而且要對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和優(yōu)化整個(gè)鏈條功能,才能保證優(yōu)質(zhì)的生鮮農(nóng)產(chǎn)品到達(dá)消費(fèi)者手里[3]。

目前,已有的生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈已經(jīng)初具規(guī)模,能夠完成運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)等基本的任務(wù)。但是存在不同參與者間信任度不夠、信息不對(duì)稱和產(chǎn)品安全無(wú)法保證等問(wèn)題。這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致供應(yīng)鏈中不同環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)效率低下,影響產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售。為了解決這些問(wèn)題,可以通過(guò)建立信任機(jī)制、建立信息共享平臺(tái)等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)生鮮農(nóng)產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈溯源,以提高整個(gè)供應(yīng)鏈的運(yùn)作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。

現(xiàn)有的生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng)通常使用中心化架構(gòu)和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄交易和企業(yè)間的交換數(shù)據(jù),這會(huì)產(chǎn)生很大的弊端。首先,中心化系統(tǒng)只有一個(gè)可信賴的控制中心,面對(duì)大量的分級(jí)供應(yīng)商,把大量的存儲(chǔ)和管理負(fù)擔(dān)放在一個(gè)中央組織上,存在中心化、溯源信息容易被篡改的問(wèn)題。此外,每個(gè)公司為了信息安全和保守商業(yè)機(jī)密,只使用和管理自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù),導(dǎo)致供應(yīng)鏈中嚴(yán)重的信息缺口,信息難以在系統(tǒng)內(nèi)流通[5],給數(shù)據(jù)共享帶來(lái)障礙,影響了整個(gè)供應(yīng)計(jì)劃[6]。生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng)亟需解決如實(shí)時(shí)調(diào)度能力差、信息易被操縱、供應(yīng)鏈透明度不高、溯源機(jī)制不夠完善和監(jiān)管不到位[7]等問(wèn)題,以實(shí)現(xiàn)完全的數(shù)據(jù)透明和保護(hù)機(jī)密性。

使用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈進(jìn)行升級(jí),并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)收集生鮮農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)到最終消費(fèi)者的可靠數(shù)據(jù)[8],能有效改善生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈溯源監(jiān)管難、成本高、效率低和安全性差的問(wèn)題。因此,該文將設(shè)計(jì)一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng),將生鮮農(nóng)產(chǎn)品的全生命周期信息存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上,以實(shí)現(xiàn)信息不變性和可追溯性。并實(shí)現(xiàn)生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的交易系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生鮮農(nóng)產(chǎn)品的線上交易,確保交易安全可控。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)[9]是一種利用加密算法將數(shù)據(jù)生成按時(shí)間順序組成鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)手段。一個(gè)區(qū)塊是一個(gè)包含數(shù)據(jù)以及來(lái)自前一個(gè)區(qū)塊的哈希信息的記錄,這將導(dǎo)致一個(gè)代表其自身唯一哈希的值。區(qū)塊體中存儲(chǔ)的是各個(gè)交易信息的交易記錄,然后通過(guò)Merkle樹的根節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)區(qū)塊中的數(shù)據(jù)判斷是否被篡改或者攻擊。這種驗(yàn)證方式保證了區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)不可篡改性和安全性。正如文獻(xiàn)綜述[10]中所解釋的,區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中有諸多好處,比如透明性、可追溯性、信息共享、統(tǒng)一調(diào)度、合約自動(dòng)執(zhí)行、監(jiān)控以及不可篡改等。有望解決生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中幾個(gè)不受信任的參與者之間的交易資源分配問(wèn)題。

1.2 智能合約

智能合約是在區(qū)塊鏈上運(yùn)行的一種不可隨意纂改的計(jì)算機(jī)程序,同時(shí)是上層應(yīng)用程序和底層區(qū)塊鏈系統(tǒng)之間的媒介,可以實(shí)現(xiàn)處理和存儲(chǔ)交易的信息和價(jià)值,也可以將信息和價(jià)值發(fā)送給其他賬戶,允許在沒有第三方參與的情況下進(jìn)行可信交易。智能合約的運(yùn)行原理[11]一般是:區(qū)塊鏈上部署并由所有節(jié)點(diǎn)共識(shí)確認(rèn)后,按照預(yù)設(shè)的規(guī)則和條件執(zhí)行和管理合約,自動(dòng)化地執(zhí)行和記錄所有交易和操作信息,確保交易的可信和安全,最終完成合約執(zhí)行。目前主流的智能合約設(shè)計(jì)包括Ethereum和Fabric[12]。其中在Hyperledger Fabric中,智能合約又稱為鏈碼(Chaincode),是將具體條款以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言而非法律語(yǔ)言記錄的智能化合同,運(yùn)行在分布式的區(qū)塊鏈的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上,新建和調(diào)用都是由區(qū)塊鏈的交易觸發(fā)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

由于生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的復(fù)雜性,沒有完美的模型可以代表生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈。為了解決這些問(wèn)題,該文采用區(qū)塊鏈技術(shù)作為開發(fā)框架,提出一個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的生鮮農(nóng)產(chǎn)品信息共享和可追溯框架(Blockchain-based Information Sharing and Traceability Framework for the Fresh Agricultural Produce Supply Chain,BIST-FAPSC)模型方案。

2.1 溯源體系關(guān)鍵參與者

一般情況下,生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈可按業(yè)務(wù)關(guān)系劃分為供應(yīng)鏈內(nèi)部主體和外部主體。其中,內(nèi)部主體包括農(nóng)民、加工企業(yè)、物流公司、經(jīng)銷商等,外部參與主體是消費(fèi)者和政府監(jiān)管部門等[13]。

農(nóng)民:農(nóng)民是生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的第一個(gè)調(diào)用智能合約進(jìn)行交易的實(shí)體。農(nóng)民生產(chǎn)大量作物,并負(fù)責(zé)確保和監(jiān)控作物的生長(zhǎng)細(xì)節(jié),以及所有農(nóng)業(yè)活動(dòng)的其它信息,并由農(nóng)民簽署和確認(rèn)之后,再將作物賣給加工企業(yè)。

加工企業(yè):加工企業(yè)主要負(fù)責(zé)對(duì)作物消毒、清潔、挑選、保鮮、打蠟、分級(jí)和包裝等操作,轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品,并進(jìn)行詳細(xì)的記錄,然后通過(guò)數(shù)字標(biāo)簽將信息聚合到網(wǎng)絡(luò),再將成品賣給經(jīng)銷商。

物流公司:物流公司主要承接生鮮農(nóng)產(chǎn)品的冷鏈物流。通過(guò)溫度、濕度、壓力和GPS系統(tǒng)等傳感器,記錄生鮮農(nóng)產(chǎn)品的運(yùn)輸方式、時(shí)間、地點(diǎn)、發(fā)貨人/收貨人信息,上傳生鮮農(nóng)產(chǎn)品的環(huán)境條件和行駛軌跡。最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從產(chǎn)品所有者到購(gòu)買者的可審核交付。

經(jīng)銷商:經(jīng)銷商主要分為分銷商和零售商,負(fù)責(zé)從加工企業(yè)購(gòu)買成品并銷售給消費(fèi)者。分銷商通過(guò)從加工企業(yè)處購(gòu)買成品來(lái)存入倉(cāng)庫(kù),使用傳感器和其他設(shè)備用于記錄生鮮農(nóng)產(chǎn)品的儲(chǔ)存條件、時(shí)間和基本生理指標(biāo)等信息,并負(fù)責(zé)將其分發(fā)給零售商。接著零售商再小批量銷售給消費(fèi)者。

消費(fèi)者:消費(fèi)者是消費(fèi)產(chǎn)品的最終用戶。消費(fèi)者在購(gòu)買商品之前,可以通過(guò)溯源系統(tǒng)驗(yàn)證生鮮農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的可信度。

政府監(jiān)管部門:政府監(jiān)管部門是一個(gè)鏈下實(shí)體,主要用來(lái)監(jiān)控管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和處理糾紛,對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)管,制定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),對(duì)交易糾紛、產(chǎn)品欺詐、涉及虛假數(shù)據(jù)等違法行為進(jìn)行追查和責(zé)任劃分。

生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的參與者中的農(nóng)民、加工企業(yè)、物流公司、經(jīng)銷商必須記錄生鮮農(nóng)產(chǎn)品的來(lái)源等產(chǎn)品信息以及生鮮農(nóng)產(chǎn)品金融交易信息。在所有記錄的信息通過(guò)數(shù)字技術(shù),比如條形碼、RFID、NFC、二維碼、在線認(rèn)證和數(shù)字簽名,以及傳感器和執(zhí)行器等授權(quán)后,互聯(lián)網(wǎng)/網(wǎng)絡(luò)作為連接基礎(chǔ)設(shè)施傳輸信息,通過(guò)API將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò),最后上傳到區(qū)塊鏈,所有信息經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和共識(shí)后,由整個(gè)供應(yīng)鏈共享,確保生鮮農(nóng)產(chǎn)品的真實(shí)性和透明度。

2.2 溯源系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全進(jìn)行全方位的溯源監(jiān)管,該文設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的生鮮農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)架構(gòu)[14],如圖1所示,包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、智能合約層和應(yīng)用接口層五個(gè)部分。

基礎(chǔ)設(shè)施層:由部署智能合約的各種智能傳感器、RFID和GPS等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成。以區(qū)塊鏈技術(shù)為核心,將物聯(lián)網(wǎng)與產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程相結(jié)合,通過(guò)智能傳感器設(shè)備對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境、存儲(chǔ)狀態(tài)、生產(chǎn)過(guò)程、運(yùn)輸過(guò)程等信息進(jìn)行記錄,并為其提供遠(yuǎn)程電子合同簽署的底層基礎(chǔ)框架,將采集的信息上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)傳輸層:完成數(shù)據(jù)權(quán)限的審查,通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸通信,使用通信驗(yàn)證機(jī)制進(jìn)行廣播和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。并通過(guò)加密技術(shù)和身份驗(yàn)證機(jī)制保護(hù)本地?cái)?shù)據(jù)的安全性和隱私性,對(duì)數(shù)據(jù)上傳者進(jìn)行身份識(shí)別,驗(yàn)證通過(guò)才有權(quán)限上鏈采集到的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層:通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、倉(cāng)儲(chǔ)和運(yùn)輸采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整記錄,利用哈希算法將生鮮農(nóng)產(chǎn)品的信息存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈中并蓋上時(shí)間戳,保證了信息數(shù)據(jù)不可篡改和數(shù)據(jù)的安全性。并將納入?yún)^(qū)塊鏈中的非公開性的隱私數(shù)據(jù)需要通過(guò)加密技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密,只有在產(chǎn)品溯源時(shí)需要對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行全面檢測(cè)時(shí),通過(guò)加密解密技術(shù)進(jìn)行隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

智能合約層:引進(jìn)智能合約流程機(jī)制。生鮮農(nóng)產(chǎn)品的流通過(guò)程都要通過(guò)智能合約進(jìn)行記錄和管理,并且規(guī)定供應(yīng)鏈系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的行為和規(guī)則,在滿足特定條件時(shí)自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的操作。每個(gè)參與者都有一個(gè)獨(dú)特的身份標(biāo)識(shí),通過(guò)該標(biāo)識(shí)在區(qū)塊鏈上進(jìn)行身份驗(yàn)證和溯源查詢。同時(shí),專門的機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)制定符合條件的上鏈規(guī)則,并確保規(guī)則的正確執(zhí)行。隨著生鮮農(nóng)產(chǎn)品在供應(yīng)鏈中的流動(dòng),參與者要通過(guò)智能合約記錄和更新產(chǎn)品的狀態(tài),并將這些信息永久記錄在區(qū)塊鏈上,供后續(xù)查詢和審計(jì)。

圖1 BIST-FAPSC模型中的生鮮農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)用接口層:為了多方企業(yè)用戶方便操作業(yè)務(wù),通過(guò)瀏覽器、客戶端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)為平臺(tái)提供各種應(yīng)用API和開發(fā)者工具,根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)定制和軟件開發(fā),提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性,使用者只要在移動(dòng)端進(jìn)行身份認(rèn)證,便可隨時(shí)隨地使用該平臺(tái)操作業(yè)務(wù)。比如,供應(yīng)鏈各參與方可以在經(jīng)過(guò)授權(quán)中心認(rèn)證的情況下,進(jìn)行供應(yīng)過(guò)程信息的輸入和查詢,各個(gè)參與方之間實(shí)行相互監(jiān)督;政府等監(jiān)管部門則還要對(duì)輸入的加密信息,例如生產(chǎn)線及錄入信息的人員進(jìn)行身份權(quán)限驗(yàn)證,并對(duì)錄入的信息進(jìn)行核驗(yàn)和審查,確保錄入信息的準(zhǔn)確性與真實(shí)性,在產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),及時(shí)溯源到出現(xiàn)問(wèn)題環(huán)節(jié),并進(jìn)行責(zé)任認(rèn)定處理;消費(fèi)者可以通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)端或者產(chǎn)品上的溯源二維碼對(duì)產(chǎn)品的全供應(yīng)過(guò)程進(jìn)行溯源信息查詢。

3 系統(tǒng)具體實(shí)施方案

3.1 智能合約算法

為了實(shí)現(xiàn)提案模型可追溯信息共享的目的,該文將采用Hyperledger Fabric平臺(tái)構(gòu)建BIST-FAPSC模型,選取多個(gè)重要信息存儲(chǔ)到賬本中,作為BIST-FAPSC模型的生鮮農(nóng)產(chǎn)品信息。采用開發(fā)語(yǔ)言Golang進(jìn)行智能合約的編寫,智能合約算法如表1所示。在生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中,首先對(duì)生產(chǎn)商和供應(yīng)商的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行定義,然后驗(yàn)證兩者間的交易過(guò)程,只有在合同內(nèi)容和交易申請(qǐng)的執(zhí)行條件達(dá)成一致時(shí),才能將該智能合約部署到區(qū)塊鏈上。最后,使用區(qū)塊鏈客戶端軟件進(jìn)行區(qū)塊地址的連接,并且由Hyperledger Fabric實(shí)現(xiàn)交易提案模型的接口交互,完成智能合約部署,具體的步驟如下所示:

表1 BIST-FAPSC模型中的鏈碼

(1)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,首先引入包和shim庫(kù),其中shim層是節(jié)點(diǎn)與鏈碼交互的中間層。通過(guò)使用shim包,可以獲得鏈碼和Fabric交互的接口,并且在鏈碼中執(zhí)行賦值、查詢等功能都需要通過(guò)shim進(jìn)行。同時(shí),還使用peer包來(lái)獲取鏈碼執(zhí)行后的響應(yīng)信息。

(2)定義智能合約結(jié)構(gòu)體和組件結(jié)構(gòu)體,客戶端可以通過(guò)使用函數(shù)名稱和參數(shù)來(lái)初始化交易,從而實(shí)現(xiàn)Init函數(shù)和5個(gè)操作函數(shù):queryFAP,produceFAP,processFAP,transportFAP以及deliverFAP。

(3)對(duì)等端可以通過(guò)鏈碼來(lái)訪問(wèn)或修改賬本,通常涉及到初始化和調(diào)用兩種操作。在初始化或升級(jí)鏈碼時(shí),將調(diào)用init函數(shù);根據(jù)參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的操作函數(shù)時(shí),Invoke函數(shù)用于響應(yīng)交易請(qǐng)求、查詢或更新賬本。

(4)在可追溯信息共享提案模型中,"invoke"功能主要由六個(gè)模塊組成:initledger,queryFAP,produceFAP,processFAP,transportFAP和deliverFAP。每個(gè)操作函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)功能,其中,initledger函數(shù)用于創(chuàng)建多個(gè)FAP記錄的初始輸入,queryFAP函數(shù)用于實(shí)時(shí)獲取FAP信息和屬性值,后面四個(gè)函數(shù)分別是在FAP生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和交付的過(guò)程中進(jìn)行調(diào)用,用于修改組件狀態(tài)和更新操作的時(shí)間。

(5)最后在main函數(shù)中調(diào)用shim.Start函數(shù)運(yùn)行智能合約。

3.2 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交易流程設(shè)計(jì)

該文采用了區(qū)塊鏈聯(lián)盟[15]技術(shù),以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工廠、倉(cāng)儲(chǔ)中心、加工供應(yīng)商、經(jīng)銷商和物流供應(yīng)商之間的信息共享。生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的主要流程包括生鮮農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)階段、加工階段、物流管理階段和產(chǎn)品銷售階段。該文研究主要在供應(yīng)的生產(chǎn)階段和物流管理階段。經(jīng)銷商首先訂購(gòu)FAP并根據(jù)其應(yīng)有的時(shí)間安排FAP的生產(chǎn)。當(dāng)生產(chǎn)出來(lái)的FAP達(dá)到交貨標(biāo)準(zhǔn)時(shí),加工工廠需要聯(lián)系經(jīng)銷商和物流公司來(lái)安排運(yùn)輸。一旦參與者達(dá)成一致意見,FAP就會(huì)被運(yùn)送到加工中心進(jìn)行加工。經(jīng)銷商可以通過(guò)系統(tǒng)上的實(shí)時(shí)信息面板監(jiān)控所有的操作過(guò)程。這個(gè)交易信息代表了生鮮農(nóng)產(chǎn)品交易供應(yīng)鏈中所有的供應(yīng)信息,包括FAP信息、生產(chǎn)信息、發(fā)貨信息和到貨信息。所有與交易有關(guān)的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)層傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上,這種類型的區(qū)塊鏈可以提供對(duì)參與者的信息控制和隱私保護(hù),想要驗(yàn)證交易過(guò)程必須經(jīng)過(guò)注冊(cè)。圖2展示了文中模型的交易流程,生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的每一個(gè)操作都視為一種提案類型,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易過(guò)程共五個(gè)步驟:

(1)提出交易。生鮮農(nóng)產(chǎn)品需要在監(jiān)管部門對(duì)原材料供應(yīng)、農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)、農(nóng)產(chǎn)品加工等一系列監(jiān)管過(guò)程通過(guò)的情況下完成生產(chǎn)。同時(shí)運(yùn)輸業(yè)務(wù)也需要在此前提下開始進(jìn)行,供應(yīng)商通過(guò)客戶申請(qǐng)將運(yùn)輸提案提交給受認(rèn)可節(jié)點(diǎn),即倉(cāng)儲(chǔ)、加工企業(yè)、供應(yīng)商、經(jīng)銷商、零售商和物流方。所有參與節(jié)點(diǎn)必須記錄生鮮農(nóng)產(chǎn)品的種類、來(lái)源、規(guī)格、運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸狀態(tài)和交易記錄等信息。在所有記錄的信息通過(guò)數(shù)字技術(shù)授權(quán)后,互聯(lián)網(wǎng)/網(wǎng)絡(luò)作為連接基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)傳輸提案信息。提案信息包括被調(diào)用的函數(shù)名稱和輸入?yún)?shù),例如和“09/22/2022”,被調(diào)用的鏈碼也應(yīng)在提案中告知。

(2)執(zhí)行提案。在執(zhí)行提案時(shí),認(rèn)可的同行檢查提案的有效性,負(fù)責(zé)將響應(yīng)與簽名一起發(fā)送回提案。通過(guò)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證供應(yīng)商是否被合法授權(quán)執(zhí)行提議,檢查運(yùn)輸時(shí)間是否與訂單進(jìn)度一致等。只有在所有相關(guān)利益方的確認(rèn)下,交易的真實(shí)性才能得到提升。此外,交易建議作為參數(shù)輸入,以invoke命名鏈碼來(lái)獲得執(zhí)行結(jié)果。每個(gè)執(zhí)行捕獲響應(yīng)值、讀集和寫集。除了背書節(jié)點(diǎn)的簽名外,這些信息還作為“提案響應(yīng)”傳回給供應(yīng)商的客戶應(yīng)用程序。注意,此時(shí)賬本并沒有更新,這個(gè)過(guò)程可以看作是模擬執(zhí)行交易以獲得執(zhí)行結(jié)果。

(3)訂購(gòu)交易。在完成執(zhí)行提案后,將進(jìn)行訂購(gòu)交易,該過(guò)程將對(duì)響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證,檢查背書節(jié)點(diǎn)的簽名以及是否遵循了背書政策。為了避免作弊,下一步還會(huì)進(jìn)行驗(yàn)證。隨后,提案響應(yīng)被組裝為訂購(gòu)服務(wù)的事務(wù),在該服務(wù)中,特定時(shí)間段內(nèi)來(lái)自應(yīng)用程序的所有事務(wù)都被訂購(gòu)。訂購(gòu)服務(wù)按時(shí)間順序訂購(gòu)交易,并按通道將它們收集到新的區(qū)塊中。訂購(gòu)服務(wù)無(wú)權(quán)訪問(wèn)詳細(xì)的交易內(nèi)容,也無(wú)權(quán)更新賬本,這保證了操作的公正性和賬本的安全性。

(4)驗(yàn)證交易。收集的交易區(qū)塊會(huì)被廣播到通道中所有對(duì)等節(jié)點(diǎn),驗(yàn)證交易。每個(gè)對(duì)等方標(biāo)記每個(gè)事務(wù)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和共識(shí)后的交易上傳到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),通過(guò)預(yù)言機(jī)應(yīng)用程序接口將交易信息傳輸?shù)街悄芎霞s的鏈碼上,并在分類賬中更新世界狀態(tài),該信息由整個(gè)供應(yīng)鏈共享,確保生鮮農(nóng)產(chǎn)品的真實(shí)性和透明度。如果運(yùn)輸建議有效,FAP001在世界狀態(tài)中的狀態(tài)更改為“運(yùn)輸”,運(yùn)行時(shí)間更新為“09/22/2022”。每個(gè)節(jié)點(diǎn)持有的賬本同時(shí)被修改。

(5)通知交易。發(fā)出驗(yàn)證事件以通知客戶端運(yùn)輸交易是否成功執(zhí)行。如果提案獲得批準(zhǔn),則可以進(jìn)行運(yùn)輸交易。此外,節(jié)點(diǎn)將被告知新區(qū)塊已添加到區(qū)塊鏈,交易不再可編輯。

圖2 BIST-FAPSC模型中的交易流程

4 系統(tǒng)分析與性能評(píng)估

該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將在Hyperledger Fabric平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)不同操作和系統(tǒng)配置下的交易時(shí)延進(jìn)行測(cè)試分析,驗(yàn)證該原型系統(tǒng)的可行性,最后與現(xiàn)有幾個(gè)農(nóng)產(chǎn)品溯源應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比,分析該系統(tǒng)模型的優(yōu)勢(shì)。

4.1 功能分析

(1)參與者之間的信息共享。

生鮮農(nóng)產(chǎn)品信息存儲(chǔ)在BIST-FAPSC模型的分布式賬本中,每個(gè)參與者都持有一份賬本副本,可以在任何時(shí)候使用該賬本訪問(wèn)FAP狀態(tài)信息,信息存儲(chǔ)在BIST-FAPSC模型的共享賬本中。在FAP供應(yīng)開始時(shí),通過(guò)使用鏈碼調(diào)用“initledger”函數(shù)添加到總賬中,每個(gè)FAP的狀態(tài)被設(shè)置為“空”。在此之后,賬本中的FAP信息將根據(jù)生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的處理情況,由“orderFAP”,“produceFAP”,“transportFAP”,“deliverFAP”功能進(jìn)行更新。請(qǐng)求客戶端需要輸入每個(gè)提案中的參數(shù):args=[“函數(shù)名稱”“FAPSP”“狀態(tài)”“操作時(shí)間”],就可以修改賬本中FAP的狀態(tài)和操作時(shí)間。在每個(gè)流程中,當(dāng)交易提案被批準(zhǔn)時(shí),FAP的屬性就會(huì)根據(jù)輸入?yún)?shù)進(jìn)行修改。在BIST-FAPSC模型中,所有同行的賬本都會(huì)進(jìn)行同步更新,生鮮農(nóng)產(chǎn)品信息會(huì)在不同的利益相關(guān)者之間進(jìn)行共享。

圖3 交易詳情和FAP001訂單的實(shí)際執(zhí)行情況

(2)調(diào)度的實(shí)時(shí)控制。

通過(guò)提出“查詢”交易,生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的參與者可以隨時(shí)訪問(wèn)FAP信息。消費(fèi)者和政府監(jiān)管部門可實(shí)時(shí)信息了解FAP銷售的詳細(xì)過(guò)程。生產(chǎn)農(nóng)場(chǎng)、物流供應(yīng)商和生鮮農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)銷商等其他參與者可查詢FAP信息獲得詳細(xì)的操作時(shí)間,以便監(jiān)控并及時(shí)調(diào)整計(jì)劃。例如,如果任何客戶端發(fā)送帶有輸入?yún)?shù)的提案:Args=[“queryFAP”,“FAP001”],可獲得SP=FAP001的FAP信息。交易詳情如圖3上所示,FAP001的實(shí)時(shí)狀態(tài)是“發(fā)貨”,2022年9月21日完成,而此前計(jì)劃的發(fā)貨時(shí)間是2022年9月22日,當(dāng)上述提案被執(zhí)行時(shí),這一過(guò)程提前了。同樣可以發(fā)送“訂單”“生產(chǎn)”和“運(yùn)輸”的提案,獲得每個(gè)流程的操作細(xì)節(jié)。這樣就可以與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比,分析FAP001訂單的實(shí)際執(zhí)行情況,如圖3下所示,計(jì)劃從生產(chǎn)作業(yè)開始就提前了。通過(guò)使用BIST-FAPSC模型,每個(gè)進(jìn)程的操作時(shí)間可由任何參與者查詢,并與計(jì)劃進(jìn)度比較,可指示實(shí)際執(zhí)行是否符合最初的訂單需求。如果提前查詢FAP訂單交易的狀態(tài),這種變動(dòng)情況可以立即得到解決。因此可以證明,所提出的模型可以方便地獲取FAP訂單交易的實(shí)時(shí)信息,并控制生鮮農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)輸交付計(jì)劃的執(zhí)行,以提前應(yīng)對(duì)一些生產(chǎn)供應(yīng)過(guò)程中潛在的干擾。

(3)信息的可追溯性。

系統(tǒng)中記錄了所有的提案客戶、提案運(yùn)行時(shí)間和交易SP等信息。從FAP訂單訂購(gòu)開始,FAP流通的細(xì)節(jié)會(huì)在系統(tǒng)模型中自動(dòng)存儲(chǔ)和更新,在任何FAP上執(zhí)行的所有操作都可以在任何時(shí)候被追蹤。每分鐘的交易次數(shù)在圖4中呈現(xiàn),并且可以自動(dòng)更新。圖5呈現(xiàn)了系統(tǒng)中所有FAP完成的操作序列,包括每分鐘的交易數(shù)量和區(qū)塊數(shù)量都在平臺(tái)上顯示出來(lái),以隨時(shí)跟蹤操作。

圖4 每分鐘的交易次數(shù)

圖5 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)示例

圖3上展示了一筆特定交易的交易細(xì)節(jié),在賬本中,FAP001的狀態(tài)和操作時(shí)間分別為“交付”和“09/21/2022”,這說(shuō)明要求物流公司在2022年9月22日上午6點(diǎn)48分交付FAP001。此功能可以通過(guò)追蹤FAP操作細(xì)節(jié),追溯出導(dǎo)致FAP訂單延遲交付或FAP質(zhì)量缺陷的原始錯(cuò)誤,解決FAP的溯源難題,大大提升生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的溯源管理,有助于解決食品安全問(wèn)題,保證監(jiān)管力度,減少欺詐行為。

4.2 性能評(píng)估

區(qū)塊鏈中的交易時(shí)延指的是從交易提交到交易被確認(rèn)和寫入?yún)^(qū)塊鏈中所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。在區(qū)塊鏈中,交易需要經(jīng)過(guò)一系列的驗(yàn)證和確認(rèn),包括驗(yàn)證交易的有效性、驗(yàn)證交易費(fèi)用、驗(yàn)證交易的合法性等。這些驗(yàn)證和確認(rèn)的過(guò)程需要參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)共同完成,因此交易時(shí)延會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)擁堵、交易量、區(qū)塊大小等因素的影響。較長(zhǎng)的交易時(shí)延會(huì)影響用戶的體驗(yàn),并且也會(huì)影響交易的可靠性和安全性。在客戶端節(jié)點(diǎn)上使用Caliper向測(cè)試網(wǎng)絡(luò)提交不同數(shù)量的交易示例,在驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)上監(jiān)控區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),記錄和統(tǒng)計(jì)每個(gè)交易的確認(rèn)時(shí)間和寫入?yún)^(qū)塊鏈的時(shí)間,測(cè)試最大延遲、最小延遲,并計(jì)算平均交易時(shí)延。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 交易時(shí)延

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在處理不同交易量時(shí),交易時(shí)延結(jié)果不同,隨著輸入量的增加,最大延遲逐漸增加,但增長(zhǎng)的速度減緩,從125到130的輸入量,最大延遲反而有所下降。平均延遲隨著輸入量的增加而減少,但不是單調(diào)的,有些輸入量增加平均延遲反而降低。在輸入量為25到100的范圍內(nèi),最大延遲、最小延遲和平均延遲的變化范圍較小,輸入量對(duì)延遲的影響比較小,而在輸入量超過(guò)100之后,平均時(shí)延變化不大,輸入量對(duì)延遲的影響并不顯著。綜上,表明輸入量對(duì)溯源系統(tǒng)的交易延遲有影響,但平均交易時(shí)延并不會(huì)隨著交易輸入量的增加而增加,由此分析得知,該生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的溯源系統(tǒng)具有較好的性能優(yōu)勢(shì)。

4.3 系統(tǒng)對(duì)比

傳統(tǒng)的生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)通常采用中心化管理,其溯源數(shù)據(jù)易被篡改,交易系統(tǒng)安全性不高,且查詢速度較慢,這些特點(diǎn)很大程度上限制了消費(fèi)者的信息查詢和監(jiān)管方的管理能力。相比之下,基于BIST-FAPSC模型的生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng)具有可靠且安全的溯源數(shù)據(jù),由多參與方共同維護(hù),并且信息查詢方便高效。在與其他現(xiàn)有的區(qū)塊鏈生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng)進(jìn)行性能對(duì)比分析后,結(jié)果如表2所示。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng),大多數(shù)只滿足了供應(yīng)鏈系統(tǒng)的可追溯性,尤其是在信息共享、實(shí)時(shí)調(diào)度控制、透明可追溯性以及供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交互性方面,則或多或少存在一些缺陷。而文中系統(tǒng)在供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的交互性、數(shù)據(jù)可追溯性、信息共享、監(jiān)管能力、實(shí)時(shí)調(diào)度以及交易可靠性等方面均達(dá)到要求。

表2 生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)性能對(duì)比分析

5 結(jié)束語(yǔ)

首先,詳細(xì)介紹了溯源系統(tǒng)的框架及其開發(fā)過(guò)程,提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的BIST-FAPSC模型,以一個(gè)可視化平臺(tái)展示該模型的功能,并對(duì)模型性能進(jìn)行了評(píng)估,通過(guò)增強(qiáng)不同利益相關(guān)者之間的實(shí)時(shí)信息共享,提高供應(yīng)鏈溯源管理效率,解決了生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中自動(dòng)化信息共享、信息可追溯性和供應(yīng)環(huán)節(jié)透明度等問(wèn)題。同時(shí),通過(guò)對(duì)智能合約的調(diào)整,該系統(tǒng)也可以用于解決其他傳統(tǒng)供應(yīng)鏈中的問(wèn)題,驗(yàn)證了該原型系統(tǒng)的高可用性。

最后,總結(jié)了該模型的局限性和未來(lái)的研究方向。在未來(lái)的工作中,將質(zhì)檢中心、監(jiān)管部門進(jìn)一步整合到模型中,以建立一個(gè)完整的支持生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng),同時(shí)繼續(xù)完善原型系統(tǒng),例如開發(fā)一個(gè)功能完備的前端頁(yè)面,對(duì)共識(shí)算法進(jìn)行研究和改進(jìn),將基于區(qū)塊鏈技術(shù)的生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈行業(yè)的具體數(shù)據(jù)應(yīng)用于實(shí)際,進(jìn)一步驗(yàn)證該模型的性能。