区块链原理设计与应用（梁昊等：农产品信息区块链技术架构设计）

　　区块链原理设计与应用（梁昊等：农产品信息区块链技术架构设计）

本文节选自：

梁昊， 刘思辰， 张一诺， 吕科。 农产品信息区块链技术架构设计及应用展望[J]。 智慧农业， 2019， 1(1)！ 67-75。

LIANG Hao， LIU Sichen， ZHANG Yinuo， LYU Ke。 Framework design and application prospect of agricultural product information blockchain[J]。 Smart Agriculture， 2019， 1(1)！ 67-75。

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农产品信息区块链技术架构设计

区块链作为现代信息产业研究和应用的热点，正在成为一种现象，开始逐渐融入人们的生活，“物联网+区块链”“数字金融+区块链”“大数据+区块链”等一系列技术概念被相继提出并应用。本文在参考了大量的“物联网+区块链”“数字金融+区块链”“区块链产品信息溯源”等已有应用的技术概念后，针对我国农业的实际情况设计了农产品信息区块链的技术架构。

1 总体技术架构

区块链由于使用了时间戳和链式数据的存储结构，对信息的完整性、不可修性提供了良好的技术保障，因此成为了产品信息溯源的可靠工具。依托区块链技术，本文提出了一种可以将农产品信息通过区块链进行存储，并在生产者、监督者、经销商、消费者等多方取得共识的信息区块链。该区块链可以实现在农民、企业、监管部门、消费者之间的信息透明，低技术门槛对接和低成本应用。整个区块链架构对广义区块链概念进行了功能扩展，集成了行业应用、管理与服务、数据支持、信息采集4方面的功能，分为信息采集层、数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层7个层次，具体如图1所示。

图1 农业信息区块链技术架构图

Fig。 1 Framework of agricultural information blockchain

由于农产品信息溯源涉及到的信息源分散，信息结构复杂，信息时间、距离跨度大，因此本文采用了联盟链作为基础设计方案，联盟链的使用可以实现以下6方面的功能：

（1）提供灵活的中心化、去中心化控制；

（2）区块链数据由联盟内的节点共同维护；

（3）在联盟内部对信息形成普遍的共识，并保证信息的正确性，消除消费者对农产品质量安全问题的担心；

（4）保证农产品信息区块链的快速、高效运行，满足操作特别是交易的快速确认；

（5）轻量级的用户客户端，没有数据存储压力，方便终端应用软件开发；

（6）针对不同用户提供不同等级的信息透明度，满足政府部门、企业、个人用户的隐私和知情权。

下文将自下而上对每一个层次进行说明。

2 信息采集层与数据层设计

2016年，《方案》中将物联网作为农业信息化的主要手段，但随着大量物联网设备的部署，数据量飞速增长。数据中心作为目前物联网单一的中心控制枢纽，在计算、存储、网络承载等方面都要承担巨大的压力，需要不断的提升硬件设备的存储和处理能力，造成了成本快速提升，给本就薄弱的农业资金链带来了更加沉重的负担。

区块链技术采用P2P网络模式，可为物联网提供分布式数据存储和计算技术，因此可大量分担物联网数据中心的数据处理压力，降低物联网的运维成本。物联网+区块链信息采集层采集的信息包括了从农产品生产、加工、运输、销售到消费者的全部环节。农作物基础数据通过物联网的传感器节点进行自动采集，采集到的信息在质检部门监督下自动或者手工录入，成为区块中的农作物信息的基本数据。所有数字资产变更的操作都通过智能合约来进行表达，并在区块中进行记录。

以上信息按照对称二叉树排列后构成的Merkle树，并生成Merkle树的Hash值，从而使信息无法被篡改，保证了农产品信息可追溯环节的完备性。符合戳中不仅包含数据录入和操作提交的时间信息，还包含农作物的地点信息。版本信息是为了保持区块链的可升级和兼容性。农产品信息区块链数据层的详细设计架构如图2所示。

图2 数据层设计架构图

Fig。 2 Framework of data layer

3 网络层与共识层设计

网络层采用非对称加密技术，所有数据操作请求全部通过严格的公钥、私钥体系进行认证，保证所有节点身份的真实性。网络层在区块链原有的P2P分布式网络结构的基础上，引入了半分布式拓扑结构，如图3所示。该结构吸取了中心化结构和全分布式结构的优点，在网络节点中加入超级节点，超级节点可为普通节点提供数据存储和计算的服务支持。因此可以避免普通节点出现数据存储负担过大的情况，在一些普通的节点中仅需要存储一些轻量化的区块链数据信息，如不存储农产品数据和交易信息，仅存储区块Hash值。

图3 半分布式拓扑架构图

Fig。 3 Framework of semi-distributed topology

共识层采用了DPOS（Delegated Proof of Stake，委任权益证明）的共识机制，DPOS的优点是共识不需要复杂、高能耗的数学计算，联盟内部的所有委托人（机构、公司）对数据信息的正确性取得共识后，区块信息得到确认，并加入区块链。

委托人的准入将由相关权威部门牵头并确定，委托人由农产品监管机构、银行、物联网公司、农产品加工企业、物流公司、农产品生产者等合法的单位和个人组成。每一个新区块产生以后，首先联盟内部的所有相关委托人要对数据的正确性进行验证，验证通过后在区块链的共识信息中写入委托人的身份识别信息；之后留下经过私钥加密的委托人身份识别信息的数字签名；最后生成共识信息的Hash值。以上做法可以保证共识机制中委托人身份的合法性，以及共识达成后无法篡改共识信息。

另外政府机构、银行、大型企业在联盟链中还需要担任超级节点，提供更强大的数据存储和计算能力，农业生产者和小型企业仅需要维护本身相关的区块链信息。在微应用终端，例如农民、消费者的手机APP、Web等应用终端仅保存轻量化终端用户区块链信息。该信息包括数据分隔符和数据区块头部信息，头部信息依然保存了完整的区块Hash值，共识信息和共识信息数据签名，但没有基础数据。因此在微应用终端没有数据存储的压力。如果用户需要访问某一区块的详细信息，则需要根据复合戳的时间地点信息、区块Hash值进行快速检索，如图4所示。

图4 轻量化终端用户区块链

Fig。 4 Lightweight end-user blockchain

轻量化终端用户区块链在缓解了终端用户数据存储压力的同时保存了全部的区块链Hash值，可以杜绝联盟链中所有或大部分的超级节点达成协议同时篡改数据的可能，是消费者获取真实数据的保证。

4 激励层、合约层与应用层设计

激励主要来源于共识DPOS的过程中，经销商（电商平台）、政府相关部门能根据智能合约的规定取得交易金额中的一部分资金分成和通过采用区块链技术，达到提高效率、降低成本，从而带来的利润增长。由于共识层采用DPOS机制，没有高能耗的共识计算POW过程，区块链联盟成员通过表决，即数字签名完成对农产品信息准确性的认可，只有当所有机构都认可后，农产品信息才具备可靠性。在DPOS机制中激励层的作用并没有被削弱。

合约层是运行在《中华人民共和国农产品质量安全法》、地方法律法规、行业规定等一系列相关法规下的可编程合约条款。智能合约不需要第三方的担保，可以自动强制执行复杂数字资产转移操作，并将详细的交易记录加入区块链[20]。智能合约技术如图5所示，可在法规的约束之下提供更多的预置触发条件和响应规则，满足更加复杂和贴近实际的可编程数字合约。比特币购买

图5 智能合约技术原理图

Fig。 5 Schematic of smart contract

应用层主要是为满足政府部门、企业、消费者、农民等不同的应用诉求，提供更加便捷农作物的交易能力，更低廉的农作物加工、运输、交易成本，更完整、可靠的产品回溯方案和更直接、透明的市场监管机制。

作者简介

梁昊，中国科学院大学博士后、讲师，主要研究领域为信号处理、人工智能与区块链技术。2010年开始接触基于区块链技术的电子货币，主要研究计算机加密技术的软件设计与硬件实现，2017年开始从事区块链在金融与贸易方面的应用研究，重点研究区块链在农业信息化中的应用。

吕科，男，博士，中国科学院大学教授，《智慧农业（中英文）》期刊编委，研究方向为智能信息处理技术。主持完成了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金等国家级和省部级以上科研项目24余项，获省部级以上科技进步奖6次，在国内外重要学术刊物和国际会议上发表论文120余篇。

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《智慧农业（中英文）》

《智慧农业（中英文）》（季刊）是由中华人民共和国农业农村部主管，中国农业科学院农业信息研究所主办，《智慧农业（中英文）》编辑委员会学术指导，《智慧农业（中英文）》编辑部编辑出版的国内外公开发行的农业科学类学术期刊。期刊聚焦农业信息技术发展前沿与热点，刊载和传播国内外最新研究成果，通过搭建高水平学术交流平台，引领学术研究方向，服务行业科学决策，培养高水平创新人才，促进学科发展。期刊于2020年被评为“中国农林核心期刊”。

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