食药畜牧千百年来一直为人类提供营养物质, 在国民经济中起到非常重要的地位和作用, 主要包括为人类提供肉、奶、蛋等食物, 促进相关行业及产业经济和文化发展等。在传统畜牧业中, 整条产业链非常长, 从养殖到人们可食用需历经众多环节, 这些环节大多都是零散、无序的。食品最终可达到可食用的环节, 中间的过程大多无法得知并无从追溯, 加之现在市场上出现的许多假冒伪劣商品, 导致消费者对于现在的食品都不敢轻易食用, 而且同样的产品由于各种方式的包装不同, 高低差距很大, 人们不知道如何抉择, 选择什么价位的食品, 也不了解哪个食品提供的信息是真实, 因此建立可靠合理的草原畜产品溯源体系是保证草原畜产品品质的有效手段。
区块链作为一种构架价值互联网的底层技术, 是基于去中心化的对等网络, 把密码学原理、时序数据和共识机制相结合, 来保障分布式数据库中各节点的连贯和连续, 使生产过程中产生的信息能及时验证、可追溯, 但难以篡改和无法屏蔽, 利用该技术可解决传统溯源系统中中心化的问题, 从而构造了一套隐私、高效、安全的溯源系统。
区块链一词最早出现在“比特币:一种点对点的电子现金系统”一文中, 在比特币系统中, 区块链作为存储底层, 图1为区块链示意图。
区块链结构是一种链式结构, 每个区块的哈希值基于区块存储内容生成的。从示意图上可以看出, 每个区块分为两个部分:区块头和区块体。区块头包含前一个区块的哈希值, 区块体包含着大量的交易信息。同时由于区块链存储的数据天然包含时间戳, 如果哪一环节的数据出现缺失, 即使是溯源数据服务提供商也无法补录, 从而使得溯源系统真正具备可信、全流程闭合、防伪溯源的特点。
从技术上来说, 区块链技术并非凭空产生, 而是基于已有技术演变而来的。发展至今, 已经形成了一个非常完整的技术栈。区块链技术栈包含了以下技术特性。
从技术的特性上看, 区块链具有分布式数据库的特点。传统关系型数据库都必须满足ACID原则, 而分布式数据库需满足BASE原则。和ACID的强一致性概念比较, BASE面向的是可扩展的分布式数据库。在牺牲强一致性的基础上换取了可用性, 允许在某个时间段内不同节点之间数据的不一致, 但在最终所有节点数据都是一致的。而区块链的节点是分布在全世界各个地方的, 在一定时间段内, 不同节点的区块数存在不一致的情况, 但最终都是一致的。所以区块链符合传统数据库和互联网时代的分布式数据库特性。
智能合约本质上是一段用某种计算编程语言编写的程序, 这段程序可以运行在区块链系统提供的容器中, 同时这段程序也可以在某种外在、内在条件的激活下自动运行。智能合约和区块链技术结合不但可以避免人为对业务规则的恶意改变, 而且可以发挥智能合约在成本和效率方面的优势。由于智能合约的代码是存储在区块链节点中, 智能合约的执行也是在区块链系统提供的容器之中, 结合区块链技术所使用的密码学原理, 使得智能合约天然具有防篡改和防伪造的特性。
区块链作为一种分布式系统, 是由多个主机节点通过异步通信方式组成的网络集群, 其节点之间需要进行状态复制以保证主机达成一致的状态共识。因此, 区块链必须解决分布式场景下各节点达成一致性的问题, 共识算法则可以用于保证系统中不同节点数据在不同程度下的一致性和正确性。常见的共识机制由PoW、PoS、DPoS等。共识算法之间并无优劣之分, 共识算法的使用与应用场景高度相关。不同的场景需求对共识算法效率和安全的需求也有所不同, 选择合适的共识算法和改进共识算法以用于合适的场景才是最优选择。
以牛羊肉畜产品为例, 通过给牛羊佩戴电子耳标为每一头牲畜建立唯一电子身份。同时利用物联网等无线射频技术采集每一只牲畜生长、屠宰过程的生产数据, 并上传到区块链网络中, 这样每一头牲畜的产地来源、生长信息、运输记录都会被记录在链中, 而且区块链中的数据天然具有防篡改性, 区块链网络中任何一方都不能随意对数据修改。以区块链为基础的草原畜产品, 会大大增强产品品牌的可信度。而采用中心化溯源系统的产品, 由于其系统可对数据进行任意修改造成产品品牌可信度不高, 则会逐渐被边缘化, 最终被淘汰。从长远来看, 当消费者明白草原畜产品是基于可追溯且无法篡改的区块链技术时, 信任程度自然会显着增加。
与传统溯源技术相比, 区块链溯源系统也需依托无线射频等物联网传感器技术完成各类生产数据的采集, 二者的主要区别在存储数据层, 区块链账本与传统数据库相比具有去中心化的特点。两种应用对比如图2所示。
区块链溯源系统后端采用IBM的HyperLedger Fabric区块链开源框架实现, 前端采用Node.js构建一个基于区块链技术的草原畜产品溯源系统模型, 如图3所示。
溯源数据通过物联网设备采集到区块链系统当中, 最后消费者需通过终端设备进行溯源数据查询, 这期间需要与多个层级之间的子系统进行交互链接。因此在整个草原畜产品溯源过程中, 数据的存储方案应使用区块链与传统数据库相结合的方式进行设计, 将存入区块链的账本数据通过API接口传入到上层业务系统, 上层业务系统可直接为终端用户提供接口查询, 亦可存入到上层业务系统的自己的数据库中, 方便对进行数据处理和分析, 以减少区块链网络的运算压力。
基于区块链技术的溯源系统, 能够追溯整个牲畜的成长过程, 保证每头牲畜从出生到幼崽再到成熟、从牧场到餐桌的过程中, 每个阶段产生的溯源数据都被真实记录再区块链账本中。同时, 还能在整个生产链上实现从牲畜的供应商、养殖牧场、屠宰加工厂、物流企业、经销企业等环节打通信息壁垒, 所有信息通过区块链网络进行流转, 并通过区块链的共识算法保证信息的不可篡改, 完全真实可靠。实现了真正草原畜产品的全流程溯源。
摘要：近年来, 天然绿色的草原畜产品越来越受到消费者的青睐。一时间假冒伪劣的草原畜产品在市场上以次充好, 不仅影响消费者的生命健康安全, 也使得真正天然牧场下养殖的畜产品未体现应有价值。本文在传统溯源技术的基础上, 详细介绍了区块链技术特性及优势, 提出了区块链技术在草原畜产品溯源解决方案, 并构建了一个基于区块链溯源系统模型。
关键词：畜产品溯源,区块链,去中心化,不可篡改
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