区块链多链防伪溯源模型设计与系统实现.pdf
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1、为了解决烟草供应链各环节数据海量异构、企业间信息壁垒高筑、追溯数据可信度低、监管乏力等问题,运用超级账本(Hyperledger Fabric)构建烟草区块链多链追溯系统,设计多链数据存储与监管模型,利用多链结构实现追溯数据共享与隐私数据隔离;应用Raft共识算法,制定背书策略,并通过设计智能合约实现消费者追溯及监管部门精准监管;同时开发追溯系统去中心化应用(DAPP),便于用户使用.为验证追溯系统可行性,利用Caliper对区块链多链追溯系统进行性能测试.在网络性能方面,区块链网络吞吐量稳定维持在150 tps;在可信度方面,区块链交易成功率100%;在合约效率方面,写入吞吐量稳定在150
2、tps,查询最低延时稳定在0.01 s,平均延时0.026 s.结果表明:该系统满足实际应用性能要求,能实现消费者防伪溯源、监管部门精准监管的需求.关键词:区块链;多链;烟草;追溯;监管中图分类号:TP311.13 文献标志码:ABlockchain Multi-chain Anti-counterfeit Traceability Model Design and System ImplementationLI Ying,QU Honghong,WANG Jia,HE Zifen(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming
3、 University of Science and Technology,Kunming 650504,China)Abstract:To solve the problems of massive and heterogeneous data in the tobacco supply chain,high information barriers between enterprises,low trustworthiness of traceability data,and lack of supervision,a tobacco blockchain multi-chain trac
4、eability system was built using Hyperledger Fabric.This system implemented a multi-chain data storage and supervision model,enabling traceable data sharing and privacy data isolation through its multi-chain structure.Raft consensus algorithm was applied to develop an endorsement strategy,while smart
5、 contracts were designed to achieve the traceability for consumers and precise supervision for regulators.At the same time,a decentralized application(DAPP)for the traceability system was developed,ensuring user-friendly operations for consumers.To verify the feasibility of the traceability system,C
6、aliper was used to conduct performance tests on the blockchain multi-chain traceability system.In terms of network performance,the blockchain network throughput was stable at 150 tps.In terms of trustworthiness,the blockchain transaction success rate was 100%.As for smart contract efficiency,the wri
7、te throughput was stable at 150 tps,with the minimum query 收稿日期:2022-09-22基金项目:国家自然科学基金面上项目(62171206),National Natural Science Foundation of China(62171206)作者简介:李莹(1977),女,河南南阳人,昆明理工大学副教授,博士 通信联系人,E-mail:文章编号:1674-2974(2023)08-0172-09DOI:10.16339/ki.hdxbzkb.2023279第 8 期李莹等:区块链多链防伪溯源模型设计与系统实现latency
8、of 0.01 s and an average latency of 0.026 s.The results proved that the system met the performance requirements of practical application and was capable to realize the needs of anti-counterfeit traceability for consumers and accurate supervision for regulatory authorities.Key words:blockchain;multi-
9、chain;tobacco;traceability;supervision烟草行业是高税利行业,在国家财政中一直扮演着重要角色,但其容易滋生制假造假、走私等问题.2017年至2021年期间,我国共办理涉烟犯罪案件4.3万起,案值超千亿元.如何保证烟草产品质量,遏制涉烟违法犯罪活动,对维护消费者权益和国家经济利益有着重要意义.烟草产品需要可追溯性来明确其身份1,在种植、加工环节一旦发现质量问题就可以追溯到具体责任主体,在销售环节更需要可追溯性来验证销售主体和产品的合法性.烟草行业在追溯系统构建上已经进行了很多探索和应用,并取得了积极成效,如吴亮等2在烟叶物流过程中嵌入 RFID 电子标签进行信
10、息采集,提高数据采集效率,实现过程追溯;刘宇晨3基于二维码技术设计了烟叶质量追溯系统.但其大多是针对烟草供应链中某一环节的追溯,效果比较局限,未能解决各环节间的“信息孤岛”、数据不透明、质量管控精准性差等问题.此外目前烟草追溯大多是基于物联网范畴内的二维码、RFID等技术和传统的中心化追溯系统,其数据安全性不高,极易被篡改,构建可信的去中心化烟草产品供应链追溯系统至关重要.区块链由于其去中心化、不可篡改、分布式存储等特点,受到了越来越多人的关注4.目前区块链技术已经广泛应用于金融、食品安全、医疗健康等领域.基于区块链的溯源技术也是当前研究的热点,近年来,国内外学者对区块链在产品追溯方面做了很多
11、探索,如许继平等5提出“链上+链下”双模存储机制来保证食品追溯数据安全;于合龙等6基于 Hyperledger Fabric平台设计实现了水稻全供应链信息溯源系统.对于烟草行业而言,基于区块链的追溯技术也有大量学者在积极探索:余坤7提出利用区块链构建烟叶质量追溯体系能够保证信息安全,避免对信息的篡改;樊海峰8表明了区块链技术在烟草质量追溯中的重要性,并对区块链在烟叶质量追溯中的应用进行了展望;林浩瀚9针对卷烟销售市场假烟、劣质烟屡禁不止现象,运用区块链技术设计了卷烟质量追溯技术流程和架构,解决卷烟质量追溯难题.然而目前还未真正实现区块链技术在烟草产品追溯中的应用.本文利用区块链技术弥补现有追溯
12、技术的不足,设计并开发了烟草供应链追溯系统,实现了烟草产品防伪溯源、监管部门精准监管.1 烟草供应链分析烟草供应链应从原材料生产开始,即烟农种植环节.烟叶由烟农采收后会进行初步烘烤处理,为后续加工做准备.经过初烤的烟叶会由复烤企业收购,复烤加工涉及打叶、复烤、分级等工序,并根据国家标准生成质检报告10.复烤后的烟叶会送往卷烟企业进行后续加工,卷烟加工工序也极为复杂11,可分为制丝工艺、卷包工艺两大工序.加工完成的条烟、箱包会发送到烟草专卖局授权的销售网点进行售卖.烟草制品在各个环节间流通涉及的物流环节也属于供应链一员.因此本文将烟草供应链分为农户种植、复烤加工、卷烟加工、物流流通、销售五个环节
13、,为保证各个环节信息共享同时保护企业隐私数据安全,将供应链环节数据信息分为追溯数据和隐私数据两大类,具体如表1所示.2 基于区块链多链的产品追溯系统设计2.1 烟草追溯区块链多链架构我国烟草供应链涉及环节多,追溯数据采用物联网设备采集,各个环节数据海量异构.目前传统的追溯系统通过企业的中心化数据库存储追溯信息,而各个企业间互不信任无法共享信息,即使有信息流通也因传送时间差导致信息时效性较差,并且中心化追溯系统极易造成企业为维护自身利益恶意篡改追溯信息.基于区块链技术的追溯系统拥有去中心化、不可篡改、分布式存储等特点12.区块链技术使追溯系统中的每个参与者都有相同的账本副本,除了共享账本信息外,
14、还共享更新账本的过程,这样不仅可以减少信息传递的时间和成本,还可以提高173湖南大学学报(自然科学版)2023 年信任度和可见性.共享账本和区块结构保证区块中存储的信息不可篡改.如今,在共享信息的同时还将面临如何保护企业隐私数据的难题,隐私数据包括除追溯信息外的企业生产数据、工艺配方等信息.针对上述问题,结合烟草追溯实际情况,搭建区块链多链烟草追溯系统.考虑供应链环节、监管部门、消费者对产品追踪溯源需求,由农户节点、复烤节点、卷烟节点、物流节点、销售节点、消费者节点、监管节点建立供应链区块链(主链),并将供应链区块链作为追溯区块链.利用通道技术建立数据隔离和保密的农户链、复烤链、卷烟链、物流链
15、、销售链五条企业区块链,每条企业区块链都由企业自身和监管部门两个组织构成,用于存储隐私数据,如图1所示.以供应链区块链追溯、企业链存储隐私数据、监管部门多链监管的结构形式组建烟草区块链追溯系统,实现了追溯系统去中心化、产品信息不可篡改、数据存储扩容、企业追踪产品、消费者溯源查询、监管部门穿透监管.供应链区块链作为主链追溯,将产品可公开信息共享,打破企业间信息壁垒;企业区块链将隐私信息隔离保密,保护企业权益.图1 烟草追溯区块链多链架构Fig.1 Tobacco traceability blockchain multi-chain architecture表1 烟草供应链追溯信息Tab.1 T
16、raceability information of tobacco supply chain供应链环节农户种植复烤加工卷烟加工物流流通销售采集设备RFID、二维码、传感器、摄像头、农药检测仪、GISRFID、二维码、温湿度传感器、摄像头、质检仪RFID、二维码、温湿度传感器、摄像头RFID、二维码、北斗定位系统、摄像头RFID、二维码摄像头追溯数据烟草种类、批次号、施肥情况、生长环境、生长周期、备注信息、登记时间、操作人员入库信息、等级信息、分级人员、加工人员、质检报告、出库时间、备注信息、登记时间、操作人员商品名称、梗丝量、卷接包、辅料、焦油量、加工人员、备注信息、登记时间、操作人员物流商
17、、物流单号、运输方式、司机姓名、出发地、出发时间、目的地、到达时间、仓库名称、仓库地址、仓库负责人、实时位置、备注信息、登记时间、操作人员销售单位、销售时间、销售地点、销售人员、售价、备注信息、登记时间、操作人员隐私数据种植产量、水源状况、轮作方式、农药残留、种子纯度、烟叶各部位检测报告烟叶化学成分检测、外观质量检测、烟叶虫害、烟叶霉变、加工设备状态、加工监控车间温湿度、烟(叶、梗)整丝率、填充值、加工设备状态、苯酚释放量、工艺参数、加工监控运输成本、订单信息、分拣、路线规划、保单信息、工作监控进价、专卖零售许可证、进货数量、售卖数量、工作监控174第 8 期李莹等:区块链多链防伪溯源模型设计
18、与系统实现2.2 多链数据存储与监管模型在深入分析烟草供应链后,组建区块链多链烟草追溯系统的多链数据存储与监管模型,如图2所示.追溯数据由供应链环节依次补充完整并与消费者和监管部门共享;隐私数据由企业上传至企业链,监管部门实时监管.数据追溯与监管过程如下.1)数据上链:追溯数据上链利用供应链区块链智能合约,通过供应链节点共识将数据记录在共享账本上.隐私数据加密存储于企业链,只面对企业自身和监管部门,将隐私数据上链时不同企业调用企业自身区块链上的智能合约存储数据到账本上.2)数 据 存 储:模 型 中 的 账 本 数 据 存 储 在CouchDB 数据库中,CouchDB 数据库是以键值对的形式
19、存储数据的文档对象数据库13,它允许使用JSON格式对数据建模,这样不仅可以进行键查询,还可以使用值进行富查询.3)数据追溯:以溯源码(产品ID)作为关键字,企业名称、时间信息、商品名称等追溯数据为值来更新世界状态.溯源码作为追溯数据的载体,是依据“一号工程”32位码及国家标准制定的,在产品流转过程中,溯源码记录各个环节的追溯信息,最后生成追溯二维码,消费者通过扫描追溯二维码可以获取产品追溯信息.4)数据监管:监管部门实时接收供应链区块链及企业区块链的实时上链信息,监督产品质量,利用富查询可以更加快速查到产品精确信息,鉴别真伪.2.3 多链网络搭建区块链基于 P2P网络协议搭建去中心化网络.利
20、用Fabric通道机制组建1个供应链区块链和5个企业区块链,企业区块链为农户区块链、复烤区块链、卷烟区块链、物流区块链、销售区块链.通道是一个联盟中的成员彼此通信的主要机制.供应链区块链成员包括农户、复烤企业、卷烟企业、物流企业、销售商、监管部门、消费者;农户区块链成员包括农户、监管部门;复烤区块链成员包括复烤企业、监管部门;卷烟区块链成员包括卷烟企业、监管部门;物流区块链成员包括物流企业、监管部门;销售区块链包括销售商、监管部门.供应链区块链网络搭建流程如图3所示,在网络中根据网络配置授权监管部门为网络管理员,网络配置的网络管理规则集合中允许监管部门启动排序服务节点、证书中心(CA).由证书
21、中心颁发的X.509证书通过MSP验证能够识别组织身份,还可以为交易提供签名来进行背书.由监管部门定义供应链区块链联盟成员,供应链上的各成员在供应链区块链的通道内互相通信,任何成员加入供应链区块链应由监管部门授权.农户、复烤企业、卷烟企业、物流企业、销售商加入供应链区块链中就是将各成员的节点加入区块链中,节点上包括追溯账本、智能合约.客户端应用与对应节点连接,通过节点之间的通信来完成数据共享、信息交互.此外通过修改网络配置在供应链区块链中加入监管节点和消费者节点,监管部门客户端和消费者客户端分别连接监管节点、消费者节点与供应链区块链通信.图2 多链数据存储与监管模型Fig.2 Multi-ch
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