基于區塊鏈的食品溯源機理與路徑探索

張欣成,李姚礦,梁睿昕

(合肥工業大學 管理學院,合肥 230009)

一、研究背景

習近平總書記在黨的二十大報告中明確提出了“全面推進鄉村振興”和“加快建設農業強國”的宏偉目標,展示了打造與我國大國地位相稱的農業強國的信心與決心,為中國式農業農村現代化指明了方向。習近平總書記指出:強國必先強農,農強方能國強[1]。作為傳統農業大國,農業發展在我國經濟建設中起著至關重要的作用,鄉村振興戰略的提出進一步強調了農業發展在全黨工作中的重要地位。以食品貿易為主的農產品貿易作為農業發展的一個重要環節,直接關系到農民的收入、農村的建設及農業的發展。近年來,隨著我國人民生活水平的日益增長和消費者自我保護意識的不斷增強,人們對食品質量安全的要求逐漸提高,我國食品安全問題日益凸顯,不斷曝出的各類食品安全事件嚴重挫傷了消費者對食品質量的信任程度,對食品行業的發展帶來負面影響。

為了提振消費市場對食品質量的信心,我國對食品安全體系的建設進行了多方面的探索與嘗試。其中,建立通過記錄食品生產過程及關鍵信息并提供查詢追溯功能的食品安全追溯體系成為保障消費者合法權益的重要手段?！妒称钒踩ā访鞔_提出生產經營者應建立食品溯源系統,保證食品可追溯。隨著城鄉居民食品采購方式加速向互聯網模式傾斜,人們對食品安全和食品質量的要求進一步提升[2],消費市場對獲取全面、真實、客觀的食品溯源信息的需求更加強烈。

目前,歐美等發達國家已積極探索運用區塊鏈技術構建食品溯源體系,并在實踐中得到了一定的運用。早在2015年,Baker等就提出運用區塊鏈技術實現數據溯源[3];Caro等于2018年提出一種基于完全分布式架構的農產品追溯系統[4];Rahmadika等則提出構建基于區塊鏈技術的供應鏈溯源平臺[5];Aberyatne等對在供應鏈系統中切入區塊鏈技術進行了討論。相關研究促進了國外食品溯源的發展[6]。

我國作為發展中國家,食品安全體系建立時間較晚,當前還處于初級階段,相關體系尚不完善[7]。在對區塊鏈技術的認識和研究尚不夠深入的情況下,有學者正積極嘗試運用區塊鏈技術強化溯源體系以提高食品溯源數據可信度,在一定程度上促進了我國在該領域的相關研究。例如張國英等設計了一種基于去中心化的防篡改溯源系統[8];孫俊等探討了基于區塊鏈的農產品追溯系統的可行性[9];Lin等于2019年設計了一種用于預防食品安全問題和責任追究的食品安全溯源系統[10];白小寧等設想了基于區塊鏈技術的農產品供應鏈溯源體系[11];丁錦城等對區塊鏈技術在食品供應體系中的優勢及未來面臨的挑戰進行了研究[12]。相關研究為促進我國區塊鏈賦能農業發展作出了貢獻,但這些研究主要集中于應用及設計領域,屬于方向性的研究較多,缺乏對原理及路徑的探索;同時對實踐的考量不夠深入,具體設計及實現較為模糊,對食品溯源綜合可信度提升的實踐效果不盡如人意。

食品安全問題是關系國計民生的大事。在農業高質量發展的背景下,食品安全成為經濟社會發展的重要內容和基礎保障[13]。依托新技術、新思想建立科學、有效、可信的食品安全追溯體系,切實發揮食品溯源對提升食品質量、發展農產品貿易、促進我國農業發展的作用,是我國農業現代化建設中亟待研究的一項重要課題。

二、傳統食品溯源及其存在的問題

(一) 食品溯源及其實現方式

食品溯源是1997年歐盟為應對“瘋牛病”而建立的一套食品安全管理制度,主要針對食品在生產、加工、運輸、銷售等整個供應鏈中的各個環節進行信息記錄及共享,可供監管部門及消費者查詢。食品溯源體系是保證食品質量及規范市場秩序的有效手段[14],它可以實現食品供應鏈全流程信息共享、可信流轉與防偽溯源[15],對保證食品安全及優化供應鏈管理具有重要意義。

食品溯源的實現方式主要是生產端在食品(或生產食品使用的原材料等)生產之初為其賦予溯源碼,即一個獨一無二的身份識別碼UID (unique identifier)。在隨后的生產和流通過程中,關鍵信息會被記錄在與該UID關聯的數據字段并保存于溯源數據庫中。任何時間通過該UID均可以檢索數據庫中對應于食品的指定數據,獲取食品自生產至銷售全流程在內的所有關鍵信息。

(二)傳統食品溯源機制存在的問題及原因

溯源數據是食品溯源系統的關鍵。從食品溯源的實現方式來看,建立食品安全追溯體系的核心是記錄全程質量安全信息;食品安全信息記錄與保存是食品安全追溯體系有效運行的基礎[16]。

傳統食品溯源機制存在遭受黑客攻擊或惡意的修改導致數據被篡改的可能,進而威脅到整個溯源系統數據的真實性[17]。2018中國創業創新博覽會溯源中國與鄉村振興高峰論壇上,中國電信北京研究院副總工程師楊明川表示食品溯源存在數據篡改問題和數據誠信問題,生產商可根據需要精確地對溯源數據庫中的數據進行修改。傳統食品溯源機制存在的問題嚴重地影響了溯源質量,弱化了其對食品質量的監管作用及對消費市場的信任度提升作用,未能有效解決生產端與消費市場的信任鴻溝。

產生這一問題的原因主要是傳統溯源機制普遍采用中心化架構存儲溯源數據,而中心化存儲模式面臨著數據易失、數據安全性不足、數據流通困難導致的數據孤島等問題[18]。生產商作為通常情況下的基于中心化架構的溯源數據庫的所有者,對溯源數據庫具有唯一且完全的操作權限。通過修改數據庫中指定UID相關的數據實現溯源信息的篡改較為容易。2021年6月10日最新通過的《中華人民共和國數據安全法》[19]仍未能建立完善的針對溯源數據操作的相關標準和法規,生產商對溯源數據的操作存在諸多不規范,外界無法進行實時監督或開展后期調閱,以致溯源數據篡改難以得到監管,溯源信息真實性難以得到保證。

近年來,公開食品生產關鍵信息的呼聲不斷,但由于數據的非匿名性,數據與實物、品牌等存在清晰且易知的對應關系,通過公開數據不僅可以獲取對應實物的相關信息,也容易延展獲取非食品溯源機制所應記錄的信息。在食品溯源數據庫完全開放的模式下,消費端獲知的數據也容易同時被競爭生產商或不法分子獲悉,不利于企業的生產及發展,因此,生產商難以對溯源數據庫進行實時公開而必須選擇數據庫閉源,從而形成信息孤島,使得信息難以全面流通[20]。

綜上,傳統食品溯源機制所采用的中心化數據架構決定了其局限性,其帶來的數據讀寫規則權力的集中與閉源,未能有效滿足消費市場對溯源數據可信度的要求是導致傳統食品溯源機制存在失真失信問題的原因所在。

三、基于區塊鏈技術的食品溯源的原理及實現

(一)區塊鏈技術簡述

2008年,Nakamoto首次提出“區塊鏈”概念[21]并引發學界對區塊鏈技術進行廣泛而深入的研究。區塊鏈應用場景從最初的數字貨幣逐漸擴展到醫療、金融、教育、物流供應鏈等更多的領域[22],區塊鏈技術力圖實現一種“無需信任之信任”(trustless trust)[23],是一項具有變革性的基礎技術[24]。

從數據管理的角度看,區塊鏈可以視作是在一個分布式環境下眾多節點共同維護且不可篡改的賬本[25],參與節點均保存有賬本副本并完成數據的驗證及更新。區塊鏈網絡通過鏈式存儲、驗證規則及密碼學保證任何單一節點的未經驗證的操作均置于無效狀態,實現數據信息可靠存儲[26],使區塊鏈網絡可實現應用前景更為廣泛的追溯功能。

區塊鏈技術是一種分布式架構、加密技術及匿名技術的集成,物流追蹤和產品溯源逐漸成為區塊鏈在供應鏈應用場景的重要部分[27]。在農業現代化提質增效發展目標的要求下,需要分析傳統食品溯源機制問題的根源,結合區塊鏈特性研究其在食品溯源領域的適用場景及契合的切入點。

(二)食品溯源問題路徑及區塊鏈技術切入點

食品溯源機制的運行依賴記錄食品生產過程中關鍵信息的溯源數據庫及其讀寫規則。通常,溯源數據中心化地存儲于生產商,生產商對溯源數據庫擁有最高權限,監管機構及消費者擁有訪問權限。從本質上看,食品溯源的原理是生產商依據生產實際向溯源數據庫進行數據寫操作;消費者及監管機構依據信息查詢需要向溯源數據庫進行數據讀操作。

1.傳統食品溯源機制問題產生路徑分析。傳統食品溯源機制中存在的溯源數據篡改問題的本質是對食品溯源數據庫的非法操作,產生的根源在于數據架構。對于中心化數據架構來說,數據在上傳、存儲、查詢等一系列操作中有被篡改的可能[28],從而為溯源數據的非法操作留下可行路徑,降低食品溯源質量及可信度。

在中心化數據架構決定的溯源數據閉源模式下,對數據的操作局限于數據庫所有者或擁有相關權限的角色,對以中心化模式存儲的UID及其關聯的數據操作(尤其是對已有數據進行修改)無須審核或僅須生產商內部審核,這是產生溯源數據篡改問題的主要路徑。圖1顯示了傳統溯源機制下食品溯源數據在自食品生產至消費者查詢溯源完整流程上的主要讀寫路徑。

圖1 傳統溯源機制溯源流程數據讀寫路徑

對圖中路徑P1- P6進行說明。

P1:生產端在食品生產之初為對應實物設立UID,建立實物與溯源數據的一一對應關系,作為溯源查詢的憑證。

P2:生產端在食品生產過程中,根據實際情況向溯源數據庫記錄相關數據。

P3:生產端在生產完成后,因發生修改需要,對溯源數據庫中已有數據進行篡改。

P4:消費端在購買獲得產品后,通過實物對應的UID發起溯源查詢。

P5:溯源數據庫收到溯源查詢申請,通過UID索引對應的溯源數據。

P6:溯源數據庫將查詢獲得的溯源數據發送至請求方(例如消費端),完成溯源查詢。

對路徑P1-P6影響溯源可信度的可能性及原理進行分析。

P1:UID作為后續環節中相關數據在溯源數據中的索引,不涉及具體溯源數據,因此該路徑不會對局部溯源數據的真實性產生影響。但通過破壞UID與實物的對應關系(如仿制UID對應至非原UID對應實物)時,會對該實物的溯源可信度產生影響。

P2:該路徑是食品溯源機制的主要源數據渠道。源數據的準確性會直接影響溯源數據的質量,因此該路徑會對溯源可信度產生影響。

P3:該路徑是實現篡改溯源數據篡改的主要渠道,因此該路徑會對溯源可信度產生影響。

P4:該路徑連接消費端與溯源數據庫,依賴廣域網實現數據交換。數據在交換過程中可能遭遇包括篡改及攔截在內的攻擊,從而影響溯源數據的查詢及返回結果,因此該路徑會對溯源可信度產生影響。

P5:該路徑通常在溯源數據庫內部完成。在不考慮溯源數據庫遭受攻擊的情況下,可以認為溯源數據庫會準確地通過UID索引獲取對應溯源數據,因此該路徑不會對溯源可信度產生影響。

P6:該路徑與P4類似,會對溯源可信度產生影響。

2.區塊鏈技術的有效切入點分析。通過前文分析可知,在支撐傳統溯源機制運行的主要數據讀寫路徑中,除P5外均存在影響溯源可信度的可能。運用區塊鏈技術解決傳統溯源數據失真失信問題的基本思路是對存在影響可能性的路徑進行阻斷,因此,需要對在P1-P6切入區塊鏈技術的可行性及必要性進行分析。

P1:涉及溯源防偽,屬于現實世界的數字表達相關問題。區塊鏈技術的本質是一種存儲結構和讀寫規則,而溯源防偽是區塊鏈技術應用的延伸。該路徑存在的問題單純依靠區塊鏈技術難以解決,需要配合其他技術與手段實現,本文不予深入討論。

P2:涉及數據庫讀寫操作,屬于上鏈信息真實性驗證問題。區塊鏈的安全與可信是指上鏈數據存儲及讀寫的安全與可信,區塊鏈可以對數據的讀寫規則進行約束,對讀寫操作進行驗證,但對數據描述實物的準確度無法進行有效甄別。該路徑存在的問題單純依靠區塊鏈技術難以解決,需要配合其他技術與手段實現,本文不予深入討論。

P3:涉及數據庫讀寫操作,屬于數據庫讀寫規則相關問題。該路徑的實現需要對已存在的數據進行修改,但區塊鏈網絡的共識機制拒絕執行該操作,因此,區塊鏈的防篡改特性可用于該路徑的阻斷,區塊鏈技術進行切入具有可行性。同時,傳統食品溯源機制所采用的中心化數據架構決定了其對數據讀寫規則及操作無法進行有效的約束與監督,因此區塊鏈技術進行切入具有必要性,該路徑可作為區塊鏈技術的有效切入點。

P4、P6:不涉及數據庫讀寫操作,但屬于數據傳輸安全相關問題。數據傳輸是食品溯源機制得以運行的重要支撐,但其在開放環境下容易遭到劫持與篡改。區塊鏈的安全性設計底層加密方案[29],保證與其交換數據的安全,因此,區塊鏈的加密特性可用于該路徑的阻斷,區塊鏈技術進行切入具有可行性。同時,食品溯源機制要求溯源數據準確無誤地傳輸給查詢者,這是食品溯源體系得以運行并發揮預定作用的必要條件,因此區塊鏈技術進行切入具有必要性,該路徑可作為區塊鏈技術的有效切入點。

綜上,P3、P4、P6是區塊鏈技術的可能有效切入點。

(三)區塊鏈技術作用機理及實現

1. 區塊鏈技術對阻斷P3的作用原理及實現。產生P3的根本原因是數據操作規則限制及監管的缺失。數據所有權決定其數據的讀寫規則,傳統溯源機制下,數據所有權限孤立地集中于生產端,數據讀寫規則被封裝于生產端內,缺乏有效限制,以致生產商可以不受監管和限制地修改數據。

區塊鏈技術及分布式架構背景下,數據失去所有權概念,不被任何個體所有。數據上傳至區塊鏈后即成為構成區塊鏈的一個區塊,所有節點均擁有含有該條數據記錄在內的完整數據庫副本。如圖2所示,相比傳統食品溯源機制,生產商不再擁有對數據的所有權,生產商與消費者等所有主體在區塊鏈中的身份相同,不再擁有對已有溯源數據的修改權限。

圖2 食品溯源機制溯源數據結構變化示意圖

同時,區塊鏈網絡采用鏈式結構存儲以保證鏈上數據(即已存儲的數據)的防篡改特性。其原理是每個區塊由區塊頭及區塊體組成,區塊頭的內容包含對應區塊的身份識別信息,區塊體承載實際數據。區塊頭中保存有版本號、前一區塊頭的哈希值(即加密算法換算后的密文)、隨機數和目標哈希值等信息,對本區塊頭的信息進行哈希產生的值存在下一個區塊的頭部[30]。例如,第n(n≥2)個區塊的區塊頭包含第n-1(n≥2)個區塊的哈希值,其自身哈希值則被包含于第n+1(n≥2)個區塊的區塊頭內,從而形成鏈式關系,如圖3所示。

圖3 區塊鏈鏈式結構示意圖

如欲對第n(n≥3)個區塊的數據進行修改,則必須通過新增區塊n′,然后改變第n-1(n≥3)和第n+1(n≥3)個區塊的指針數據以破壞其與原區塊的對應關系、重建與區塊n′的對應關系,但這一操作會導致其哈希值發生變化,從而又需要分別對與第n-2(n≥3)和第n+2(n≥3)個區塊進行修改,以此往復直至整個區塊鏈被更改才能完成。區塊鏈賬本的維護靠區塊鏈技術中的共識算法,對于交易的記錄需要系統中半數以上節點達成一致才有效[31]。在實踐中,這一操作的實現難度極高,實現成本遠遠高于篡改數據帶來的收益,任何個人或組織幾乎不可能也不會嘗試對區塊鏈鏈上數據進行篡改?？梢?區塊鏈網絡及其共識機制能夠確保網絡中數據和處理的可信性[32]。

綜上,在基于區塊鏈技術的食品溯源機制下,生產商不再擁有數據修改的權限,任何個人或組織也難以對已有數據進行篡改,從而實現對P3的阻斷并解決數據篡改帶來的溯源數據可信度問題。

2.區塊鏈技術對阻斷P4、P6的作用原理及實現。密碼學的使用是區塊鏈網絡的一個關鍵特征,它為網絡中的所有交互帶來了權威性[33]。在經典區塊鏈中使用SHA-256作為加密函數[34],對數據進行加密與校驗,可強化數據傳輸的準確性與安全性。同時,相比于主流加密算法(如SHA1,MD5),區塊鏈技術采用的SHA-256加密算法速度快且抗攻擊性能力強[35],具有較高的安全性。

SHA-256加密算法將任意長度的源數據壓縮換算成256位的數字(即“哈希值”),不同源數據經換算得到的哈希值不同。若數據在傳輸途中遭遇攻擊發生改變,則哈希值也將隨之變化,從而無法通過哈希值一致性校驗,數據將被丟棄,以此保證數據傳輸的準確性與安全性。

對于食品溯源機制而言,區塊鏈技術保證傳輸至目標終端的溯源數據安全的原理是發送端收到區塊數據(例如溯源結果)時驗證其哈希值是否與預期相同。以UID為例,由于查詢前后UID應不變,因此發送查詢的食品實物的UID哈希值應與收到返回的溯源數據的UID哈希值對應。如果UID在傳輸過程中遭到篡改,哈希值將發生變化,接收時將無法通過驗證(如圖4所示),從而實現甄別并避免P4、P6在數據傳輸過程中因遭遇攻擊導致的溯源結果失真情況,改善溯源數據可信度。

圖4 基于區塊鏈技術的食品溯源數據SHA-256驗證原理示意圖

3.區塊鏈技術對匿名公開的作用原理及實現。前文提到,提振消費端對食品溯源信任度的一個有效途徑是對溯源數據庫進行實時公開,但這與生產端對關鍵信息的保密要求相沖突,限制了這一途徑的實現。針對這一問題的解決思路是在保證關鍵信息隱匿性的前提下對溯源數據進行公開,即采用一種匿名的公開模式。

在傳統溯源機制中,包含溯源數據的溯源數據庫由生產端所有,存在清晰的對應關系,通過溯源數據容易延伸獲取非溯源需要或其他不欲公開的數據,例如溯源數據所有者信息。作為溯源數據提交者O1的生產端同時也是溯源數據D1的所有者,O1與D1存在對應關系R1,并與不欲公開的非溯源數據D2存在對應關系R2。查詢者O2通過查詢操作S,可以獲取對應的D1。同時,由于R1的存在,O2可以獲取O1,又由于R2的存在,O2可以獲取D2。由于數據權屬決定的對應關系無法被拆分,即R1無法被破壞或隱匿,D1的完全公開容易導致O1的暴露;而由于R2同樣無法被破壞或隱匿,最終導致D2可被獲取。這是生產端難以實現溯源庫數據實時公開的原因之一。這一問題可以運用區塊鏈網絡的匿名特性加以解決,區塊鏈中的用戶只與公鑰地址相對應, 而不與用戶的真實身份相關聯。用戶無須暴露自己的真實身份即可完成交易、參與區塊鏈的使用[36]。在基于區塊鏈技術的食品溯源體制下,由于區塊鏈網絡節點之間的數據交換采用預定的算法進行驗證,不依賴基于身份產生的信任,生產端可以以地址形式進行食品溯源數據提交而無須以身份形式進行數據的交換。數據與提交者的對應關系被隱匿,無法對數據來源進行身份甄別。O2通過S獲取D1,但由于R1變為O1向D1單向(即O1僅提供數據D1),因此D1向O1的通路被阻斷,O2無法獲取O1,也無法進一步通過R2獲取D2。區塊鏈網絡對其他關鍵信息的匿名保護同理。圖5對數據通路的變化作出示意。

圖5 食品溯源機制獲取非溯源數據通路變化示意圖

綜上,通過區塊鏈網絡的匿名特性,實現生產端在保護關鍵數據隱私的前提下進一步對溯源數據進行開放,供消費端對基于區塊鏈技術的食品溯源機制的防篡改特性及數據質量進行監督與驗證,較好地契合了前文提及的溯源數據庫公開需求,可在一定程度上提升消費端對食品溯源的信任度。

四、貢獻與展望

(一)本研究的貢獻

新時代背景下,深入研究區塊鏈技術賦能農業體系是我國實現高質量農業發展的重要途徑。本研究從傳統食品溯源機制及溯源數據結構出發,研究其中存在的問題及產生的原因,探尋運用區塊鏈技術切入并予以解決的機理及路徑,對基于區塊鏈技術的食品溯源機制進行探索,優化并提高食品溯源機制預期效用,主要貢獻有如下三點:(1)對傳統食品溯源機制所存在問題的本質進行研究,得出由傳統溯源數據架構所具有的局限性引發的數據讀寫規則權力集中且閉源,是傳統食品溯源數據失真失信,并進一步導致食品溯源不能被消費市場信賴的內在原因這一結論;(2)對引發傳統食品溯源機制問題的路徑進行研究,得出區塊鏈技術作用于傳統溯源機制問題的合理切入點,明確區塊鏈應用思路,為食品溯源領域的區塊鏈技術相關研究提供參考;(3)對傳統食品溯源機制的數據路徑進行研究,分別結合區塊鏈技術防篡改特性、加密特性及匿名特性,提出解決傳統食品溯源機制問題的原理與路徑,為后續學者進一步在應用層面的研究與設計提供參考。

(二)區塊鏈技術研究的局限與展望

區塊鏈作為一項新興技術,正逐漸成為產學界共同關注的熱點研究課題。2020年以來,全球數字經濟發展顯著提速,在“新基建”背景下,區塊鏈技術廣泛而快速地向越來越多的行業及領域滲透?；谌ブ行幕軜嫷膮^塊鏈技術以其防篡改、加密及匿名特性實現的數據追溯功能,使其在包括食品在內的農產品溯源領域具有廣闊的研究空間與應用前景,為農業發展注入新的活力,加快了農業現代化的前進步伐[37]。

然而,在實際的應用場景中,當前的區塊鏈平臺在諸多方面尚存在很多問題。目前對區塊鏈技術的研究多數都仍處在理論及初步設計階段,諸多重要的科學問題亟待研究跟進。對區塊鏈技術的研究尚不能保證鏈上數據與客觀事物實現準確的數字表達及關系映射,從而有效解決上鏈數據失真問題;也無法甄別身份憑證的合法性與唯一性以保證食品溯源區塊鏈鏈上的信息與所查詢的客觀實物完全相符,從而有效解決溯源防偽問題?？梢?對區塊鏈技術的研究及其在食品溯源領域應用的探索任重道遠。

隨著區塊鏈技術的普及,針對區塊鏈與物聯網、大數據、人工智能等新興技術交叉融合的研究正逐步深入,催生出大量新業態、新模式、新思路,展現出空前的創新潛能和蓬勃的發展態勢。目前,區塊鏈已在數據管理等領域有所應用,傳統業務及領域的去中心化程度將逐漸提高;依托跨鏈技術及智能合約技術的進一步發展與完善并基于資產數字化帶來的便捷交易將促進區塊鏈在農產品供應鏈領域的深度拓展,多領域多行業交叉協作或將成為我國農業發展提速增質的新思路。

今后農業生產一定會朝著機械化、信息化、智能化方向發展。在未來基于區塊鏈技術的食品溯源機制相關研究中,應積極研究區塊鏈技術與物聯網技術的結合,通過傳感器、監控設備等實時記錄關鍵信息,提高上鏈數據可信度,結合區塊鏈防篡改性進行數據的存儲及管理,或可形成信任閉環,進一步提高溯源準確度與可信度;應積極研究區塊鏈技術與大數據技術的結合,提高區塊鏈節點業務領域的信息透明度,進一步提高溯源數據公開程度并消滅信息孤島;應積極研究區塊鏈技術與人工智能技術的結合,運用智能合約構建全新的自動化監管體系,實現食品質量監督降本增效;最后,還應加強相關規章制度的研究,建立健全適應農業發展需要的區塊鏈技術標準,提高技術間的互操作性及實踐可行性。