【《基于区块链的物流追溯系统设计》15000字】

（论文）基于区块链的物流追溯系统设计摘要在食品安全越来越重要的当今，确保食品来源真假已经成为食品领域的重要任务。本文主要研究了以上海普冷国际公司为例，分析现有溯源流程，得出溯源信息存储中心化、易篡改等问题。根据区块链技术去中心化、防篡改的技术特点，结合实际情况设计了基于区块链的物流追溯系统，在分析该公司冷链食品供应链后，得到牧场、加工厂、销售终端三个重要参与方，将其设置为区块链系统的三个组织，通过共识机制与加密技术确保上链数据的安全，并为三个组织设计各自的智能合约。最后，实现区块链溯源系统，使得各个节点的溯源信息安全可靠，让消费者对追溯的信息更加信任。关键词：冷链食品溯源，区块链，防篡改目录1绪论 绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景2008年，比特币之父中本聪的一纸白皮书掀起来了一场金融科技新浪潮。而区块链作为比特币的底层技术，凭借其分布式、难篡改、交易透明等优点，引起全球各个行业的高度关注，各国政府也在积极探索区块链领域。2019年，国务院发布了《关于深化改革加强食品安全工作的意见》，《意见》主张，要建立基于大数据分析的食品安全信息平台，推进大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链等技术在食品安全监管领域的应用[[]中共中央国务院关于深化改革加强食品安全工作的意见[J].中华人民共和国国务院公报,[]中共中央国务院关于深化改革加强食品安全工作的意见[J].中华人民共和国国务院公报,2019(15):9-16.其次，食品供应和消费两端，存在严重的信息不对称。近年来，“僵尸肉”、“镉大米”、“瘦肉精”等轰动全国的食品安全事件层出不穷，不仅损害了消费者的利益，也使食品行业信誉大跌，导致消费者与食品行业出现极大信任危机。区块链技术凭借去中心化、防篡改、时间戳等特点在溯源领域掀起了新的热潮。目前食品领域的溯源方式，主要是在产品包装上添加二维码来进行的，在扫码以后就能看到产品品种、生产、运输等多个信息，查询的确非常便捷。但食品的供应链涉及多方，无法保障数据来源的可靠性，系统的中心化导致信息被篡改风险较高。本文就是在这种背景下，依据现有食品物流监控体系，研究实现基于区块链的食品物流追溯系统，旨在解决食品追溯现状中结构过于中心化、信息容易被篡改等问题。1.1.2研究意义传统的追溯系统在实际应用中数据中心化，供应链各节点的追溯数据由企业自行管理，管理者很容易进行篡改，况且节点间的质检信息传递的可靠性无法保障。区块链的技术特点为现有的追溯技术注入新活力，为解决现存的问题提供了新可能。但区块链本身也为追溯系统带来一些新的问题，首先，区块链的上连数据会随着节点的增加、区块的增加导致存储负载压力过大，查询效率变低，数据存储带来的成本会随之上升；其次在冷链食品的实际流通过程中会遇到难以预测的事件，可能是路线变换或者温度变换等，一旦数据上链，更改所花费的时间成本是比不上链的数据更高的；最后，区块链所上传的数据都是完全透明化的，实际情况中企业不会将所有数据对外开放。目前，大部分文献专注于对区块链关键技术的理论的研究。本文主要从区块链和冷链食品溯源结合角度展开，根据普冷公司的实际情况，分析现有物流信息流通流程，设计数据的上链机制，考虑到系统的商业安全性，采用HyperledgerFabric进行架构设计以及智能合约的开发，结合数据库+区块链的存储模式，实现一个安全可靠的冷链食品追溯系统。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究ElissarToufaily等（2021）[[]ToufailyE,ZalanT,DhaouSB.Aframeworkofblockchaintechnologyadoption:Aninvestigationofchallengesandexpectedvalue[J].Information&Management,2021,58(3):103444.]在商业的视角下搭建了以区块链技术为核心的框架，探讨在许可链和非许可链的情况下不同实体之间的互操性。PankajDutta等（2020）[[]DuttaP,ChoiTM,SomaniS,etal.Blockchaintechnologyinsupplychainoperations:Applications,challengesandresearchopportunities[J].TransportationResearchPartE:LogisticsandTransportationReview,2020,142:102067.]梳理了区块链3.0以来，航运、制造、医疗保健、食品等不同领域区块链应用的发展情况。MarijnJanssen等（2020）[[]JanssenM,WeerakkodyV,IsmagilovaE,etal.Aframeworkforanalysingblockchaintechnologyadoption:Integratinginstitutional,marketandtechnicalfactors[J].InternationalJournalofInformationManagement,2020,50:302-309.]分析了在区块链架构下，市场、制度、技术三个因素相互的影响。AnnaVacca等（2020）[[]VaccaA,DiSorboA,VisaggioCA,etal.Asystematicliteraturereviewofblockchainandsmartcontractdevelopment:Techniques,tools,andopenchallenges[J].JournalofSystemsandSoftware,2020:110891.]梳理了面向区块链的软件工程的文献，指出智能合约开发中的软件工程挑战。SveinØlnes等（2017）[[]ØlnesS,UbachtJ,JanssenM.Blockchainingovernment:Benefitsandimplicationsofdistributedledgertechnologyforinformationsharing[J].2017.]论述了区块链技术如何帮助政府流程创新和转型，并指出区块链在应用于政府部门需要注意的安全方面的问题。HuanhuanFeng等（2020）[[]FengH,WangX,DuanY,etal.Applyingblockchaintechnologytoimproveagri-foodtraceability:Areviewofdevelopmentmethods,benefitsandchallenges[J].Journalofcleanerproduction,2020,260:121031.]总结了区块链技术在物流溯源的潜在优势和挑战，提出了基于区块链的物联网架构并讨论了其未来发展方向。MyoMinAung等（2014）[[]AungMM,ChangYS.Traceabilityinafoodsupplychain:Safetyandqualityperspectives[J].Foodcontrol,2014,39:172-184.]指出食品行业逐步向以客户为中心发展，良好的追溯系统有助于最大程度减少不安全或质量差的产品的生产和分销，从而大大降低不良宣传，确保食品安全和质量以及建立消费者信心。ShoufengCao等（2021）[[][]ToufailyE,ZalanT,DhaouSB.Aframeworkofblockchaintechnologyadoption:Aninvestigationofchallengesandexpectedvalue[J].Information&Management,2021,58(3):103444.[]DuttaP,ChoiTM,SomaniS,etal.Blockchaintechnologyinsupplychainoperations:Applications,challengesandresearchopportunities[J].TransportationResearchPartE:LogisticsandTransportationReview,2020,142:102067.[]JanssenM,WeerakkodyV,IsmagilovaE,etal.Aframeworkforanalysingblockchaintechnologyadoption:Integratinginstitutional,marketandtechnicalfactors[J].InternationalJournalofInformationManagement,2020,50:302-309.[]VaccaA,DiSorboA,VisaggioCA,etal.Asystematicliteraturereviewofblockchainandsmartcontractdevelopment:Techniques,tools,andopenchallenges[J].JournalofSystemsandSoftware,2020:110891.[]ØlnesS,UbachtJ,JanssenM.Blockchainingovernment:Benefitsandimplicationsofdistributedledgertechnologyforinformationsharing[J].2017.[]FengH,WangX,DuanY,etal.Applyingblockchaintechnologytoimproveagri-foodtraceability:Areviewofdevelopmentmethods,benefitsandchallenges[J].Journalofcleanerproduction,2020,260:121031.[]AungMM,ChangYS.Traceabilityinafoodsupplychain:Safetyandqualityperspectives[J].Foodcontrol,2014,39:172-184.[]CaoS,PowellW,FothM,etal.Strengtheningconsumertrustinbeefsupplychaintraceabilitywithablockchain-basedhuman-machinereconcilemechanism[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2021,180:105886.[]BehnkeK,JanssenM.Boundaryconditionsfortraceabilityinfoodsupplychainsusingblockchaintechnology[J].InternationalJournalofInformationManagement,2020,52:101969.[]BumblauskasD,MannA,DuganB,etal.Ablockchainusecaseinfooddistribution:Doyouknowwhereyourfoodhasbeen?[J].InternationalJournalofInformationManagement,2020,52:102008.[]GeorgeRV,HarshHO,RayP,etal.Foodqualitytraceabilityprototypeforrestaurantsusingblockchainandfoodqualitydataindex[J].JournalofCleanerProduction,2019,240:1180国内研究于建明（2017）[[]于建明.我国食品安全现状与食品检测发展方向的理性思考[J].食品安全导刊,2017(15):50.]指出我国食品安全基本现状，民众缺乏认知，各种潜在危害以及监管检验体系现用技术的局限性，并给出我国食品检测发展方向的思考。韩佳伟等（2021）[[]韩佳伟,朱焕焕.冷链物流与智慧的邂逅[J].蔬菜,2021(03):1-11.]论述了随着冷链食品市场的扩大，传统冷链物流逐步向智慧冷链物流的转型，基于我国国情和市场环境下冷链物流发展所面临的挑战，指出中国智慧冷链物流的未来方向。刘家国（2021）[[]刘家国.进口冷链物流疫情防控的关键[J].中国水运,2021(03):17-18.]指出2020年以来，北京、大连等多地进口冷链物流检测出新冠病毒阳性样本，指出冷链运输的问题，给出多方面冷链物流疫情防控的建议。高振升等（2021）[[]高振升,曹利峰,杜学绘.基于区块链的访问控制技术研究进展[J/OL].网络与信息安全学报:1-20[2021-03-29]./kcms/detail/10.1366.TP.20210324.1201.008.html.]指出区块链去中心化、可信度高、难以篡改的特点对访问控制技术安全性发展的促进，提出基于交易和基于智能合约的两种区块链的访问控制机制。贾建华（2018）[[]贾建华.区块链技术与食品安全追溯[J].中国自动识别技术,2018(04):58-62.]指出现有食品供应链监控的弊端，提出区块链技术解决食品透明度和控制问题的方案。赵甜等（2020）[[][]于建明.我国食品安全现状与食品检测发展方向的理性思考[J].食品安全导刊,2017(15):50.[]韩佳伟,朱焕焕.冷链物流与智慧的邂逅[J].蔬菜,2021(03):1-11.[]刘家国.进口冷链物流疫情防控的关键[J].中国水运,2021(03):17-18.[]高振升,曹利峰,杜学绘.基于区块链的访问控制技术研究进展[J/OL].网络与信息安全学报:1-20[2021-03-29]./kcms/detail/10.1366.TP.20210324.1201.008.html.[]贾建华.区块链技术与食品安全追溯[J].中国自动识别技术,2018(04):58-62.[]赵甜,孙小越,邱平文,李东格.基于区块链的智慧物流模式的优化研究[J].网络空间安全,2020,11(09):78-83.[]段冉阳,周文辉,魏骁,王龙.基于HyperledgerFabric的食品溯源系统设计与实现[J].电子技术应用,2021,47(03):55-60.[]许继平,王健,张新,王小艺,孔建磊,刘阳.区块链驱动的稻米供应链信息监管模型研究[J/OL].农业机械学报:1-18[2021-03-29]./kcms/detail/11.1964.S.20210323.1427.008.html.1.2.3总结通过对以上文献的归纳和分析，不难发现当前对于区块链的研究大多聚焦于共识算法、智能合约、密码学、金融和比特币相关的研究，有关物流溯源的研究不是主体。此外，当前国内外对于物流溯源的研究所聚焦的领域主要以医疗和农产品为主，技术方面的研究以目前发展比较主流的大数据、遥感识别、物联网、区块链等几大技术为主。在有关物流溯源和区块链交互的研究较多是基于以太坊的进行智能合约的开发，其次是HyperledgerFabric上智能合约的开发。现存文献有以下几个方面的不足：对物流溯源的研究对象多集中在医疗和农产品，缺少冷链食品的文献；在开发基于区块链的溯源系统时，忽视了所有数据都上链带来的查询速度缓慢；物流运输过程中变换较多，一旦上链更改难度大。作者认为，从企业角度出发，追求利润最大化是必然的，脱离实际情况会让物品的流通变得更加复杂。所以，在研究对象的拓展、如何把物品流通的实际情况结合起来等方面是需要进一步研究的，这也是本文研究的方向，从冷链食品的角度出发，研究如何用区块链技术改进现有溯源系统，简化物品流通的流程，为企业带来更大收益。1.3论文主要工作与结构安排1.3.1论文主要工作本文针对传统食品溯源系统存在数据中心化、易篡改、责任主体不清晰、追溯信息共享性能差等问题，以普冷国际公司的冷链食品运输为例，分析并优化其数据流通过程、储存方式，设计基于HyperledgerFabric的冷链食品溯源系统，保证数据的安全性与准确性。本文的主要工作包括以下几方面：（1）通过研究食品安全、食品追溯、区块链技术等相关文献，从各个角度阐述文章所需理论与技术，阐明区块链技术在溯源的应用优势，并针对普冷公司论述其现存问题以及冷链食品溯源系统的需求与可行性分析。（2）基于HyperledgerFabric的冷链食品溯源系统方案设计。本部分根据公司现有数据存储流通方式，进行分析与优化，设计溯源方案以及溯源系统架构设计，包括业务流程设计、智能合约设计等。（3）基于区块链的冷链食品溯源系统实现与测试。首先是系统开发环境的选择与搭建；其次是HyperledgerFabric的网络搭建与链码编译；最后是进行系统的功能实现与测试总结。1.3.2论文结构安排图1.1本文技术路线图本文共分为六章，各个章节主要内容如下：第一章：绪论。主要论述文章的研究背景与意义，其次是国内外的理论与实践方面的研究现状，针对现有的研究，提出传统溯源系统不足之处，介绍本文主要工作与结构安排。第二章：基本理论和研究概述。主要以追溯技术、区块链技术、密码学、HyperledgerFabric几大技术展开论述。阐述区块链技术带给企业供应链管理的好处。第三章：区块链应用于冷链食品溯源的分析。对普冷公司现状进行分析，从普冷公司角度，分析供应链流程和区块链溯源的可行性。第四章：基于区块链的冷链食品溯源系统设计。首先对追溯方案整体结构进行设计，描述方案的信息传递过程与供应链流程优化；其次，对区块链追溯系统的系统架构、系统业务模块、成员管理、数据存储、智能合约等进行设计。第五章：基于区块链的冷链食品溯源系统实现。首先对开发环境进行介绍，其次进行网络环境的搭建与链码的编译，最后进行系统功能模块的实现与测试。第六章：总结。总结本文的研究工作与成果，指出优点与不足，以及未来进一步的研究方向。2基本理论和研究概述2.1追溯技术2.1.1追溯技术介绍追溯技术旨在将商品从生产、加工、包装、运输到消费者这整条供应链从上游到下游的信息进行记录和管理，根据产品流通的先后环节将数据录入系统，从而保证追溯信息的完整性，有利于政府、企业等相关部门进行管控，如果出现问题，可以及时定位到问题环节，进行处理。其次，消费者还可以通过扫码获得购买产品供应链上的所有环节的信息，实现溯源信息透明化，有利于提高消费者对企业和产品的信任。目前溯源识别技术主要有图像码技术（条形码、二维码）、无线射频识别技术（RFID）、成分分析技术等。目前图像码和RFID应用最为广泛。图像码技术主要是通过在产品表面贴打印条码使得带有编码信息的条码ID与数据库中的溯源物品信息对应起来，包括产品的产地、加工方式、生产时间等信息，在物品流通过程中也可以向数据库中添加信息。此种方法的成本较低，消费者只需扫码即可查询，方便快捷。无线射频识别技术主要是在产品包装上添加带有芯片的RFID标签，工作原理是无线电原理。RFID标签芯片上的数字信息是通过载波调制和电磁波处理获得的。整个过程不需要人工干预，自动收集并且速度快，但成本较高。RFID包括读卡器和标签，读卡器只能读取标签数据，并且数据只读，识别距离远；NFC可以做为读卡器，也可以提供标签服务，数据可以修改，并且可以实现P2P点对点数据传输，但识别距离近。2.1.2追溯技术模式目前追溯技术模式主要以单一成员应用模式和多成员协作应用模式。在单一成员模式下，物品的溯源信息与维护由单一成员管理；在多成员模式下，溯源信息系统由多个成员共同建设维护，进行数据共享。综合来看，现有溯源技术还存在一些不足之处：首先，溯源数据的准确性难以保证，供应链从上游到下游有许多参与者，在传统中心数据库模式下，信息的录入会有暗箱操作的可能性，信任问题难以解决，并且无法在出问题的时候快速找到责任主体。其次，系统缺乏良好的协同机制，溯源信息往往在单独参与者之间，无法进行安全可靠的共享。2.2区块链技术2.2.1区块链的原理自2008年区块链技术问世以来，该技术引起了开发者、企业、监管方和用户的极大兴趣，区块链技术因其独特的性质将对传统数字系统产生巨大影响。简而言之，区块链就是一个数据库。它是一个不断增长的包含各种数据的数据库，并且具有优越性能：一旦数据储存在数据库中，就难以修改，且无法删除，链上的每条记录都是永存的；由所有节点共同维护数据库，并且每个节点都有自己的副本。区块链与其说是一项新技术，不如说是现有互联网技术的总集，并且涵盖了密码学、计算机、博弈论等多方面的学科知识，正因为涉及很多方面，所以在研究区块链之前，需要做一定的知识储备。图2.SEQ图2.\*ARABIC1区块链层级结构数据层是区块链最底层的技术，主要有两方面功能，其一是数据的存储，将区块链从创世区块开始的链存储起来，包括区块的数据、时间戳、生成的密钥等，其二是通过加密技术保障交易的安全。网络层主要实现节点的连接和通讯，也就是P2P技术，包括点对点网络的组建、数据的传播和验证。不同于中心网络系统，对等网络依靠用户群的信息交换实现信息的流通。该层也可以称为传播层。共识层是参与节点达成的一种不可辩驳的协议，是区块链社群的治理的方法，对等网络的可靠性是靠共识协议实现的。现在已有非常多的共识机制算法，各有利弊，这里就不详细展开了。激励层主要是代币的发行与分配，提供一定的激励，刺激节点积极参与，奖励积极参与的节点，惩罚不积极的节点，这层主要与区块链在金融方面的应用有关，这里不做过多介绍。合约层主要包括链码的分层、基础规则及智能合约，具有需要执行的实际代码和已经执行的规则。交易从应用层传播到合约层，调用智能合约，在该层得到验证和执行并返回结果。应用层是最终用户与区块链网络进行交互的应用程序。包括脚本、框架、界面、API接口。对于应用程序而言，区块链网络相当于后端，通过API接口进行交互。构建一个基础的区块链网络，前三个是必不可少的，缺少任何一层都不能称为真正意义上的区块链技术。后三个不是每个区块链应用的必要因素，针对不同的开发需求，需要进行选择。2.2.2区块链的特征（1）分布式：区块链是一个P2P网络，与集中式模式相反，区块链中不再需要第三方。区块链中的共识算法用于维护分布式网络中的数据一致性。（2）密码学：由于各方之间复杂的计算和加密证明，因此区块链交易得到了验证和信任证明。（3）可追溯性：区块链的每一个区块都包含了前面父区块的信息，也就是说对于任何资产，交易者都可以分辨出资产的位置、去向以及在其整个生命周期中发生了什么。（4）可编程：许多区块链都是可编程的，从而允许通过“智能合约”自动进行新交易和控制。用户可以设置交易的数据，当满足约定的条件时，智能合约会自动触发需要验证的操作。（5）安全透明：没有任何参与者控制交易，结构中的每一个成员都能够访问整个分布式数据库，除了私有加密数据，其他数据对区块链上所有节点开放，所以整个交易系统安全透明。（6）不可篡改：区块链的信息通过共识并添加至区块链，系统由所有具有维护功能的节点共同维护。一旦交易达成协议并记录下​​来，就永远无法更改。随后，虽然交易者可以记录有关该资产的另一笔交易以更改其状态，但是永远无法隐藏原始交易。2.2.3区块链的分类所有区块链结构分为三类：公有链、联盟链、私有链。下表提供了这三个区块链系统之间的详细比较。表2.1区块链三大结构对比公有链联盟链私有链共识确认所有参与者选定的节点集一个组织阅读权限公开公开/受限制公开/受限制被篡改的可能几乎不可能篡改可能篡改可能篡改效率高高低集中处理否部分是共识过程不需要许可需要许可需要许可2.2.4区块相关概念图2.2区块链数据结构（1）区块（Block）：密封的数据区，其中包含：标识块的本地哈希码；块序列中前一个块的哈希码；带有时间戳的交易集。（2）哈希值（HashValues/HashCodes）：加密算法从任何长度的数据记录生成固定长度的字符串，交易的哈希值可以用于快速识别区块链上的交易数据。哈希函数将输入转换为固定长度和结构的字节字符串，创建的输出或值称为“哈希值”或“校验和”，使用特定加密算法从数据创建的散列值始终是相同长度并且不可逆转。（3）时间戳（Timestamp）：每个区块都包含一个时间戳，目的是为了验证数据的真实性和创建性，是区块链技术的支撑，从根本上保障网络的移动，防止有人操纵它。（4）交易ID（TransactionHash）：块链上每一笔交易的一个特殊的识别符，由于每个交易只能成为下一个的输人，有且仅有一次，如果不存在输入完全相同的交易，那么就不存在相同的交易ID。（5）梅克尔树（MerkleTree）：也称为“二进制哈希树”，在区块链中用于更有效、安全得编码数据。最下面一行的哈希称为“叶”，中间的哈希称为“分支”，顶部的哈希称为“根”。为用户提供无需下载整个区块链就能够验证特定交易，提高交易效率。2.2.5密码学A.加密算法数据加密解密算法，加解密算法主要分为对称加密和非对称加密两种：对称加密具有速度快、效率高、加密强度高等特点，使用时需要提前协商密钥，主要对大规模数据进行加密，如FISCOBCOS的节点数据落盘时进行的加密。非对称加密具有无需协商密钥的特点，相较于对称加密计算效率较低，存在中间人攻击等缺陷，主要用于密钥协商的过程。针对不同的需求，两者可以互相配合，组合使用。B.哈希函数哈希函数是一类单向函数，作用是将任意长度的消息转换为定长的输出值，具有单向性、无碰撞性、确定性、不可逆的性质。在区块链中，哈希函数用于将消息压缩成定长的输出，以及保证数据真实性，确保数据未被修改。2.3HyperledgerFabric本文主要采用HyperledgerFabric联盟链技术。这是用于企业应用程序的平台。该平台是开源和模块化的，并且运行BFT共识算法。Hyperledger并没有真正的共识机制。由于其可插入的体系结构，可以根据用例将共识插入其中。账本不是公开的，只对参与节点开放，它最适合开发B2B用例或应用程序。链码可以用Java，Go和Node.js等标准语言编写。它没有内置货币。2.3.1逻辑架构图2.3Fabric逻辑架构（1）成员管理服务：主要是通过Fabric-ca来给用户发放证书，对用户进行管理与审核，保障平台的安全性。（2）区块链服务：区块链的核心，为参与者提供共识管理，将交易记录，生成分布式账本，各个节点储存，节点通过P2P协议通信。交易：交易有对链码的部署或调用两种操作类型。部署交易：请求在peer节点上启动Chaincode容器；将链码部署到节点，当执行成功返回，表明链码已被安装到区块链上。调用交易：在成功部署链码以后，调用链码中的函数，主要有Init和Invoke等函数，执行成功会返回操作结果。（3）链码服务：提供链码部署与实例化的环境。在编写好智能合约后，校验将其在对应节点的容器中部署与实例化，用户可以进行合约的调用与读取。（4）事件：为各组件之间提供异步通信提供了技术实现。2.3.1数据同步图2.4Fabric运行架构图（1）APP：即客户端，创建交易获取足够节点的背书，向Orderer排序服务节点提交请求。（2）CA：即数字证书认证机构，是负责发放和管理数字证书的权威机构，也被称为受信任的第三方，承担公钥体系中公钥的合法性验证责任。（3）MSP（MemberServiceProvider）：成员服务提供商，为参与者提供证书的系统抽象组件。（4）Channel：将Peer节点和Orderer节点连接在一起，提供保密的通讯链路，有效隔离数据，区块数据只能储存在已经加入通道的成员节点内。加入通道的节点都必须拥有通过MSP获得的证书。（5）Orderer：对客户端提交的交易请求进行排序，然后生成区块广播给通道内的所有peer节点。（6）Org1：联盟链中的某一个组织。（7）Peer：组织中的节点；Peer节点从Orderer节点接收交易状态进行更新，维护账本。区块链网络中所有节点均为账本节点，仅部分为背书节点。在Fabric网络，Peer节点可以划分为如下角色：表2.2peer节点角色节点名称作用背书节点EndorsePeer根据命令调用链码并对结果背书，返回结果到客户端提交节点CommitterPeer验证数据并保存至账本中锚节点AnchorPeer跨组织通信。通道中的每个组织（Org）都有一个锚节点Leader节点LeaderPeer将Orderer服务节点的交易信息广播给组织的其他节点（8）Chaincode：即智能合约，运行在CLI容器中。通过API接口与前端交互。（9）Ledger：即分布式账本，以有序的链块保存在所有的peer节点中。包含区块链网络的所有交易记录。图2.5Fabric交易流程2.4本章小结本章对追溯技术和区块链在溯源中的主要技术进行了介绍。除此之外，考虑到商业应用的安全、隐私方面的要求，所以，我们选择HyperledgerFabric作为主要底层技术。其实，区块链并不能从根本上保证链下数据的可信性，只能保证信息一旦上链，就是全网络节点一致且难以篡改的。区块链要跟实体经济结合，现实世界里的“信息流、商流、物流、资金流”要可信上链，就需要用到物联网、人工智能、大数据分析、可信机构背书等多种技术和方式。随着数字世界的发展、以及“新基建”的强力推动，信息采集和校验的成本将会降低，在保护隐私的前提下，采集的数据会越来越丰富。如实体物资在使用、转移、回收时，都进行及时采集监测，交叉验证，并上链共识，这样就可以逐渐逼近“物理世界可信上链”的效果。我们可以跟踪价格，位置，质量，证明，交货日期以及所有其他有关商品的信息。在区块链技术的支持下，创建出透明且可追溯的供应链，可以有效减少损失，防止伪造产品，同时降低供应链的沟通成本。3区块链应用于冷链食品溯源的分析——针对普冷公司3.1普冷公司现状分析普冷国际物流（上海）有限公司，简称“普冷国际”，成立于2019年1月，总部设在中国上海。普冷公司一直致力于在全国乃至世界各地构筑一个高标准的全球化冷库运营网络，为我国食品生产、流通和消费服务提供方便、可靠和透明的物流保障。该公司由著名物流资产管理机构普洛斯投资。作为一家冷链物流公司目前其物流网点有上海浦东和泽园库、天津西青辛口库、成都青白江库、大连普冷獐子岛库、上海合庆自动化电商库、杭州下沙库、北京顺义天竺库、广州增城库、武汉光谷库、天津武清京滨库、南京江宁库、重庆西部物流园库、北京航港库、广州云埔库、昆山花桥库、西安国际港务区库、成都龙泉驿库，共计17个。公司现提供公路汽运、内河及沿海水运；在与该企业的决策者沟通的过程中还了解到，可能考虑在将来进一步作为第四方物流提供商与铁路运输提供商合作开展新的运输业务，提供更多的增值服务。图3.SEQ图1.\*ARABIC1普冷公司全国网点为了响应特定客户的需求，普冷国际专门建立了自营车队，提供更为安全、可控、透明、标准化的运维服务。自主研发的TMS系统保证透明与实时监控；定制车厢与高质量冷机配置，保障全程温度恒定；配合普冷自有冷库、严格标准操作，确保靠车、装卸“冷链”不断。普冷可为大客户提供一站式的定制化解决方案。包含多温区仓储、干线运输、区域调拨、城市配送、口岸货物代理、贸易金融等各类服务。可根据大客户需求整合普冷旗下全国节点城市的仓库网络与服务资源，并指定专人提供服务。表3.1普冷公司服务介绍存储服务配送服务增值服务多温存储区（冷冻、冷藏、恒温、常温）24/7运营WMS库存管理AS/RS自动化设施部分自有车辆，保障配送质量及效率TMS系统订单追踪管理门到门调拨与配送全程冷链，记录实时温控数据贴标换箱分拣快递一件代发相较于普通食品，冷链食品因其储存和运输时的低温要求，病毒的存活率会更高，有研究显示，在4°C条件下新冠病毒14天后几乎没有失活。图3.2不同温度下新冠病毒的衰减规律在本节中我们以上海仓库为主要分析研究对象。下面用上海仓库2020年5月份的数据进行分析。从上海仓库客户公司汇总（表3.2）和2020年5月份客户项目订单量汇总（图3.3），不难看出客户中以餐厅、超市居多，正因为如此，在疫情还未稳定的当前，客户对于收货的要求变得愈发严格，除了报关单、检验检疫单，还需要带批次的核酸检测报告、消毒证明，单证在第二天交给司机之前会由前一天的值班人员进行打印，经过一系列繁复的手续才能顺利交货。表3.2普冷公司上海仓客户汇总客户简称客户全程普菲斯中外运普菲斯亿达（上海）物流有限公司百胜百胜中国控股有限公司成都普冷成都普冷国际物流有限公司谷郡谷郡（上海）食品有限公司和泽园普冷国际物流（上海）有限公司——合庆集配家府中外运普菲斯亿达（上海）物流有限公司稼赫稼赫食品(上海)有限公司普冷国际普冷国际物流（上海）有限公司-总部钱大妈上海钱大妈农产品有限公司全家上海洲驰冷链物流有限公司利泽上海佳农利泽食品有限公司双箸双箸(上海)食品有限公司普冷天津普冷国际物流(上海)有限公司天津分公司优脍上海好优脍食品科技有限公司易利生物上海农笙生物科技有限公司威定海鲜威定海鲜贸易（上海）有限公司光明上海顺衡物流有限公司普冷杭州普冷国际物流（上海）有限公司——杭州分公司华人物流北京盛世华人供应链管理有限公司九橙九橙(上海)餐饮服务有限公司普冷嘉定普冷国际物流（上海）有限公司——嘉定佛伦德佛伦德食品（上海）有限公司九雅堂九雅堂食品有限公司上海盒成上海盒成食品有限公司甘博仙甘博仙食品贸易（上海）有限公司图3.3普冷上海仓五月订单汇总公司现有的订单处理系统存在很多问题：仓库库存信息更新不及时，查询效率低，增大订单有效审核的难度；订单组工作量大，工作压力大，加班频繁；系统中的客户资料往往与订单上的不符，与客户确认更新浪费大量时间；订单响应速度慢，客户满意度低；订单录入程序速度慢，影响录入效率；与供应商之间缺乏及时有效沟通，难以保证信息的准确可靠，数据安全无法保障。3.2供应链流程分析作为一家主要经营冷链食品配送的公司，这里以加工牛、羊肉为例进行供应链流程分析，一共分为生产、加工、储存、运输四大阶段，第一阶段是牛、羊等牲畜在牧场进行生长，第二阶段是牲畜被运往加工厂进行加工与打包，第三阶段是加工好的成品被运输到普冷公司的冷库进行储存，第四阶段由普冷公司冷链运输至销售终端。同时，我们可以识别出供应链上的主要涉及的参与方有牧场、加工厂、销售终端、客户。图3.4供应链参与方所处阶段供应链流程如图3.3所示，牧场对幼崽进行标记，然后进行培育，在出场前会进行检验检疫，合格后才能被运送至加工厂，在进入加工厂后首先进行再一次的检验检疫，合格后进行屠宰加工，分割后的肉会再进行检验检疫，合格后才会进行包装，之后运输到冷库，存放过程仓库会按时进行消毒，出库前进行检验检疫，合格后送至销售终端，销售终端确认食品食用安全后即可完成订单。图3.5供应链流程图通过对供应链业务流程的分析不难发现，想要实现食品全环节溯源，难点在于：首先，供应链涉及多方，特别是牧场和加工厂不可控性太大，难以实现多方协同；肉制品加工专业性强，肉会被不规则分割，身份信息传递困难大，依靠传统的方法难以实现溯源；此外，目前的溯源方案落地之所以难，是因为成本过高、操作复杂、溯源信息难以保证真实性。其次，作为传统产业，牲畜养殖与屠宰加工的整体利润水平不高，因此高成本的溯源方案难以实施，况且从业人员整体水平不高，对于信息技术的认知水平有限，这就要求系统不能过于复杂。3.3可行性分析目前市面上溯源系统大多采用条码技术采集以及查询信息，确实在查询信息方面做到了便捷，但无法保障信息不被篡改。普冷公司作为一家冷链公司，产品的品质监测是重中之重，但受限于现有技术的壁垒，数据的安全性过低，无法确保食品从供应链上游到下游的流通过程中信息的安全可靠。通过实习期间在公司的学习观察，普冷公司的食品溯源系统采用的还是传统的中心数据库模式，给系统的负荷过大，但相比于市面上其他公司的溯源系统，普冷公司的溯源链条完整，条码的数据采集技术相对成熟，基础设施也较为完善，在目前的市场上颇具优势，但仍然存在一些需要解决的问题。针对信息容易被篡改的问题，区块链技术可以很好解决这一问题，上链数据加密，分布式记账，多节点共同维护，数据一旦被录入便难以修改，即便要修改也要经过背书节点的同意。普冷公司目前采用的溯源系统还是中心化结构，从生产到加工再到销售，所有数据均被记录在公司的中心数据库，使得公司擅自修改的风险增大，对于客户需要的信息也由企业自行决定，客户所接收到的溯源信息真伪难辨。区块链的分布式系统可以很好解决数据中心化的问题。图3.6普冷现有溯源结构3.4本章小结本章首先介绍了普冷公司的基本情况，分析项目情况，指出目前业务的难点问题；其次，对整个供应链进行阐述，据此画出供应链流程图，分析供应链全程溯源的难点；最后进行普冷公司实施基于区块链全程溯源的可行性分析，现有溯源系统有信息易篡改和数据中心化两大问题，区块链技术的加入可以使得公司运营更加高效，况且供应链上数据采集技术完备，不会为公司带来过高的运营负担。4基于区块链的冷链食品溯源系统设计4.1基于区块链的追溯方案设计4.1.1追溯方案整体结构图4.1溯源方案整体结构追溯系统的参与方有牧场、加工厂、物流公司共同参与维护，主要流程为：参与方将各自信息发送至所属节点上，节点将相关信息通过加密算法取得信息摘要发送至区块链。同时需要向供应链伙伴开放的信息将向其他参与节点发布。考虑到普冷目前在消费端提供的查询二维码，对于消费者来说确实做到了便捷高效，所以对于消费者前端查询方面本文不做改进。文章针对供应链的参与方设计了多方共同参与的区块链溯源系统，确保链上信息的可靠，在保护各方隐私数据的同时做到有效的沟通与信息共享。需要特别说明的是，区块链底层技术的最终目的是为了改善溯源信息易篡改的问题，从第二章技术介绍中我们知道区块会包含前面所有区块的信息，而食品溯源涉及到的信息非常多，如果所有信息都上链就会对参与节点带来过高的储存负荷。此外，上链的数据想要进行修改会非常的繁琐，需要所有参与节点的同意，这对于加工和仓储配送的工作会带来一些麻烦，所以在下面的设计中我们会对上链数据和没有必要上链的数据进行划分，在不影响效率的情况下做到数据的保护。4.1.2追溯信息传递方案下图是信息传递的过程，为实现全程溯源，牧场、加工厂、物流公司会将流转过程中产生的信息记录在标签，各个节点通过RFID、二维码等技术上传至自己的数据中心，不需要加密的数据上传到以前的数据库即可，需要加密防篡改的数据上传到区块链进行加密储存，最后客户可以通过web端进行查询溯源信息，简单便捷。图4.2溯源方案信息传递过程下图是供应链流程的优化，对于牧场需要进行上链的数据有：喂食记录、清洁记录、散步记录；对于加工厂需要进行上链的数据有：加工信息、打包信息；对于物流公司需要进行上链的数据有：出厂时间、发货时间、有效期。图4.3供应链流程优化4.2基于区块链的追溯系统设计4.2.1系统架构设计目前普冷公司所应用的溯源系统存在数据共享少、信息存储中心化、信息可篡改性高等问题，冷链食品溯源应从实际出发，结合普冷公司目前溯源体系的运作难点，进一步设计出基于区块链的溯源系统。本追溯系统是在HyperledgerFabric上实现的，基于区块链技术并结合HyperledgerFabric架构，构建追溯系统架构图如下图所示。图4.4系统架构图4.2.2系统业务设计在设计Fabric的溯源系统时，首先是从供应链的参与者中选出组织，组织是fabric重要的参与节点，所有的Peer节点、用户账户都必须来自同一组织。参与者想要成为Fabric系统的组织，需要具备以下条件：对区块链中数据拥有有效性检查的权力；有独立发展下属成员的资格；对于系统的核心业务是不可或缺的。参与者成为组织以后会获得自己的编号、域名、证书等信息。通过对供应链的分析，我们可以发现牛羊肉溯源的过程有三个主要参与方：牧场、加工厂、销售终端。下图是溯源的业务流程。图4.5溯源业务流程图我们假设每只牲畜的状态都有精确的记录，拥有自己的ID、以及喂食、清洁和散步情况的记录，每只健康的成年牲畜都会及时送到加工厂进行屠宰分割，然后进行块肉包装，会记录屠宰过程的加工打包信息，随后被送往物流公司的冷库，最后被送往终端。每份包装好的肉都会有相应的编码，可以据此查到溯源信息。根据上面的业务流程图设计如下HyperledgerFabric业务架构图。图4.6溯源业务架构图溯源系统的三个组织：牧场、加工厂、销售终端，为其命名组织标识符和组织ID，需要与后面布置环境时的配置文件一致。表4.SEQ表4.\*ARABIC1组织命名机构名称组织标识符组织ID牧场org1Org1MSP加工厂org2Org2MSP销售终端org3Org3MSP4.2.3联盟链的构建设计考虑到系统的应用场景，选择联盟链来构建网络，既保护了节点的数据安全又做到了内部高效共享。联盟链中的Peer节点通过gossip协议完成区块广播和状态同步，将账本数据传播到通道所有节点。完成的交易按RBFT（RedundantByzantineFaultTolerance）共识算法达成共识，使各节点账本一致。4.2.4成员管理设计在原来的追溯系统中，中心数据库使得信息的安全性无法保证，在区块链的追溯系统中采用CA证书进行身份认证，此外对账本想要修改，需要向其他节点广播，获得足够多的背书节点支持才能完成。CA节点的交互过程如下图所示。图4.7CA节点交互图系统利用注册交易安全证书体系进行管理，用户需要获得证书机构颁发的注册证书ECert和交易证书TCert。系统中每个组织都有自己的CA，可以给组织内部的节点颁发证书，包括证书的生成、撤销以及PKI服务，获得证书即可访问区块链网络，之后的交易过程CA节点不参与。4.2.5数据存储设计区块链主要有两种存储结构，一是以文件形式进行存储，位于各个节点；二是将交易记录形成账本，并建立索引，使检索更高效。图4.8区块数据存储图4.2.6智能合约设计chaincode是运行在Docker容器中的，通过chaincode客户端程序可以发起交易、查询交易。目前Fabric支持Golang、Java和Nodejs这三种语言开发chaincode，但目前来讲，Golang是最稳定完善的，所以系统选择Golang。管理链码的五个命令：• install：将已编写完成的链码安装在网络节点中。• instantiate：对已安装的链码进行实例化。• upgrade：对已有链码进行升级。链代码可以在安装后根据具体需求的变化进行升级。• package：对指定的链码进行打包的操作。• singnpackage：签名。4.2.7Web端数据交互设计智能合约主要完成对底层账本读写功能的封装，为了方便使用系统我们需要对外接口设计，通过对FabricSDK进行开发。调用SDK接口与合约交互。目前HyperledgerFabric提供了No