基于Hyperledger Fabric的畜禽产品区块链溯源系统架构研究

陈秋强

（厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363100）

有别于其他行业，在畜禽产品供应链上建立一套跨企业的溯源平台是极具挑战性的任务。

近年来，随着区块链技术应用的不断发展，其所具备的去中心化、天然的数字身份认证、信息共识、数据不可篡改等特性，为畜禽产品安全溯源体系的建设提供了新的契机[1-2]。在畜禽产品供应链上的各个企业可以通过自己的区块链节点进行数据的同步，从而形成完整的全流程溯源系统。

本文以IBM主导开发的企业级区块链技术中最稳定完善的Hyperledger Fabric架构技术为核心，借助其高扩展性和高应用性，将该技术引入到畜禽产品的溯源系统设计中，从而为畜禽养殖及销售产业链提供溯源体系设计上的有益参考[3]。

1 区块链溯源与Hyperledger Fabric架构概述

区块链（Blockchain）是一种由多方共同维护，使用密码学保证传输和访问安全，能够实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的记账技术，也称为分布式账本技术（Distributed Ledger Technology）[4]。而在区块链支持下的商品溯源便是借助区块链，在商品的生产、流通和消费过程中，通过各种商品信息和关键数据的采集与留存，为快速查找各个环节的问题与责任提供服务[5]。

由于区块链技术具有开放、可信、去中心化、共享的特点，因此区块链技术在溯源系统的构建中可以发挥重要的作用。首先在技术方面，区块链可以作为溯源系统的存储范式，从而保证数据的真实可追溯性。其次在应用方面，以区块链为基础的智能合约能够为跨企业的溯源平台解决信息互通问题，从而为整个参与溯源活动的企业提供更加有价值的服务。最后，借助区块链技术，溯源系统可以真正做到多中心、按劳分配、价值共享、利益公平分配，最终实现溯源活动的自治价值[6]。

Hyperledger Fabric是一种企业级区块链架构技术，最初由IBM和Digital Asset开发并贡献给开源社区，已经应用于沃尔玛的食物溯源链（Foodtrust）和马士基的物流跟踪链（TradeLens）等企业级溯源项目中。有别于以太坊、比特币等公有链，Hyperledge Fabric是一种联盟链型区块链架构，其网络节点的加入必须经过授权和认证，从而提高了交易处理效率[7]。Hyperledger Fabric采用模块化架构设计，包括身份管理、账本管理、交易管理和智能合约四大核心。其架构如图1所示。

图1 Hyperledge Fabric整体模块架构示意图

身份管理模块针对企业级区块链对安全性和隐私性的要求，强化了用户的加入权限，任何参与交易的人都需要经过PKI公钥基础设施的认证才能加入。账本管理模块采用点对点协议对分布式账本进行管理，可以根据需求的不同可插拔地配置不同的共识协议，并以链式账本记录交易历史，以World State机制记录账本最新状态。交易管理模块以部署交易和调用交易两种形式对交易过程中的数据进行管控，其中部署交易是在交易成功执行时便将Chaincode链码安装到各个peer节点上；而调用交易则是通过Fabric提供的API调用链码中的指定函数进行交易。智能合约模块记录了Fabric的联盟链中成员同意的业务逻辑，可以用Go、Java等通用语言进行编写，克服了传统区块链受限于特定领域语言的缺陷。

2 基于Hyperledger Fabric架构的畜禽产品溯源系统设计

2.1 系统整体设计

在畜禽产品溯源过程中，对于各个环节信息的保存与有效共享传递是溯源系统得以有效运作的核心，因此本文基于Hyperledger Fabric技术的基础思想，对畜禽产品溯源系统的整体模型进行了设计。如图2所示。

图2 基于Hyperledge Fabric的畜禽产品溯源系统整体架构图

在畜禽供应链上的养殖户、生产加工商、物流运输方和批零终端方在Hyperledger Fabric链中可被视作一个组织（Org），每个组织存在录入和存储数据的需求，因而为其设置节点（Peer）。在每个节点中，整个供应链上对于畜禽产品的相关信息，例如养殖信息、产品生产信息、分装信息、物流运输信息和批发零售信息等均以智能合约的方式录入上传到该联盟链中，并在系统中驱动其他节点同步交易信息，生成相应区块，最终达成具有信息共识的区块链数据。在此基础上，监管部门和畜禽产品消费者就可以利用自己所拥有的区块链节点对链上同步的相关产品信息进行全过程溯源，并且借助区块链数据去中心化存储、不可篡改的特性获得关于该畜禽产品生产和流通过程中的全部真实信息，最终达成该溯源系统公正、可靠、透明、可信任的核心要求。

2.2 系统软件设计

基于以上的总体设计，本文将畜禽产品区块链溯源系统的软件架构分为三大层次，即基础层、数据层和应用层。如图3所示。

图3 基于Hyperledge Fabric的畜禽产品溯源系统软件设计图

其中，基础层主要包含Hyperledger Fabric的基础框架。而数据层主要由存储控制、共识算法、智能合约和链码管控等核心功能组成，其中在最关键的共识算法机制上，本文以Kafka模式作为其共识算法的基础，在畜禽供应链上的用户向背书节点endorser发送背书请求，经过链上peer的身份验证和安全验证后，区块链系统会给用户端发回上传许可，而后用户端便可以将其所需存储的信息进行排序和区块生成，并将区块结果发送至分布式账本节点驱动整个链条进行同步。应用层采用Java语言进行编写，借助Hyperledger Fabric的SDK实现溯源模块的信息录入、查询、监管、统计等综合处理和交互操作。

2.3 系统交互设计

基于上述整体模型和软件架构，使用Hyperledger Fabric的畜禽产品区块链溯源系统可以更加安全、有效、公正地实现对畜禽产品全过程信息的录入、更新、查询和监管操作。在操作过程中，供应链和监管层上的不同参与者可以根据自己的实际需求，采用不同的模块功能与相应的区块链系统进行交互，产生并向区块链系统同步自己的数据区块（如图4所示），从而完成对整个畜禽产品的溯源。

图4 基于Hyperledge Fabric的畜禽产品溯源系统实现界面

首先，在养殖环节，随着智能养殖设备成本的降低，养殖户可以通过智能脚环、实时智能监控等设备捕捉畜禽的生长状态，将不同养殖批次的畜禽通过编码加以区分，通过信息上链形成完整的养殖数据，从而保证将养殖端区块链节点数据同步到追溯系统中。其次，在检疫环节，被养殖的畜禽足重出栏或是产出奶蛋后，可根据养殖批次对其进行检验检疫，将激素残留检测和病原检测结果等形成检测报告，同步将报告信息与对应的养殖批次的链码进行链接，共享至追溯平台并同步到底层的区块链中，并将检测机构的电子签名嵌入chaincode。

再者，在生产加工环节，对畜禽产品往往需要进行简单包装和分拣，因此在其最小包装单位粒度下，于每个包装外部生成一个唯一的二维码标识或是附贴RFID标签，并将该唯一标识码同步到区块链溯源系统中，使其与前述环节的链码链接，更新和同步区块，从而形成信息共识。在生产加工过程中产生的数据，例如生产日期、加工厂信息、出厂时间等信息也同时被录入到系统中，进而传递到区块链上。

最后，在物流流通环节，对畜禽产品进行包装时将会把多个最小包装单位的产品集中放置到某个箱子或是统一包装中，溯源系统将把此生成箱码或托盘码作为唯一标识，物流运输商即可将该码粘贴或附到货箱中作为追溯标识。在中转过程中，均通过扫码等操作将各个中转仓库的信息同步到区块链中，从而形成对物流的完整记录。

在上述环节完成并在区块链系统中实现分布式存储且达成信息共识链之后，消费终端上的消费者或是监管部门的监管人员便可以通过扫描二维码等方式，利用商品外包装上的溯源码查看畜禽产品从养殖到最终批零销售和运输的全部信息，从而完成对畜禽产品溯源的全过程。

3 结论

Hyperledger Fabric作为一种成熟的联盟链架构，在兼顾了区块链技术的去中心化、不可篡改等特性的同时，还满足了企业对高安全性、身份认证和权限可控性、可扩展性的要求，因此是一种非常适合溯源系统搭建的技术框架。

本文以Hyperledger Fabric为基础，针对畜禽产品溯源在现阶段存在的技术需求，采用区块链数据存储和验证的方式设计了一套畜禽产品区块链溯源系统，并通过畜禽产品生产流通全环节数据的上链，解决了传统溯源技术方案存在的数据中心化、信息共识信任度低的问题，为区块链技术在畜禽产品溯源中的应用提供了有益的参考。