基于智能合约和数字签名的马铃薯种薯防窜溯源研究.pdf

2023年7 月第54卷第7 期农业学报机械doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2023.07.039基于智能合约和数字签名的马铃薯种薯防窜溯源研究孙传恒12魏玉冉1.2邢斌 2.3徐大明2.3李登奎2.3张航（1.天津农学院计算机与信息工程学院，天津30 0 38 4；2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京10 0 0 9 7；3.农产品质量安全追溯技术及应用国家工程实验室，北京10 0 0 9 7）摘要：随着区块链技术在农产品溯源领域研究的不断发展，农产品的质量安全得到有效保障。由于我国马铃薯种薯生产过程复杂、实物形态差异化明显、每个环节的生产周期长、品种繁多等原因，所有生产环节的溯源数据共享难度大，容易发生种薯品种、等级等窜货问题，种薯生产溯源无法得到切实保障，生产基地及相关监管部门无法得到全部有效溯源数据，当发生窜货问题以及最终消费者进行种薯生产溯源时，责任环节定位不明确，难以准确找到责任生产环节及相关责任人等问题源头。基于上述问题，提出了基于智能合约和数字签名的马铃薯种薯防窜溯源模型，利用区块链技术不可篡改、数据透明、数据共享等特点，通过智能合约进行种薯生产全环节溯源数据的上链存储，实现种薯生产全环节溯源数据的高度共享，并将智能合约与数字签名相结合，利用公私钥对验证和智能合约高度自治的区块链网络生态环境，解决生产过程中易发生的生产窜货问题。基于HyperledgerFabric设计面向种薯生产基地的防窜溯源模型，相关测试结果表明，该模型可以实现种薯生产溯源、防窜、窜货报警信息上链与查询等功能。种薯生产溯源数据的平均上链时间为2 56 6 ms，平均查询时间为9 5ms，报警触发与报警信息上链的平均时间为2 56 2 ms，查询具体报警信息的平均时间为7 7 ms。模型综合性能较高，能够实现种薯生产全环节溯源数据的安全存储，并有效解决种薯的生产窜货问题，满足种薯生产溯源数据的上链与查询需求，完善种薯生产质量溯源保障，为防止种薯生产窜货以提高整体效率和安全溯源方面提供了借鉴和参考。关键词：种薯生产；溯源；防窜；智能合约；数字签名；数据共享中图分类号：TP309.2；T S2 0 1.6文献标识码：A文章编号：10 0 0-12 9 8（2 0 2 3）0 7-0 39 2-12OSID:Anti-channeling Traceability of Seed Potatoes Based onSmart Contracts and Digital SignaturesSUN ChuanhengXING Bin2.3XU DamingLI Dengkui2.31,2WEI Yuran1.22,3ZHANG Hang(1.College of Computer and Information Engineering,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China2.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture,Bejing 100097,China3.National Engineering Laboratory for Agri-product Quality Traceability,Beijing 100097,China)Abstract:With the continuous development of blockchain technology in the field of traceability ofagricultural products,the quality and safety of agricultural products have been effectively guaranteed.Due to the complex production process of Chinese seed potatoes,obvious physical form differentiation,long production cycle of each link,and many varieties,it is difficult to share the traceability data of allproduction links,which is prone to the problem of seed potato varieties,grades and other goodstransmission.Seed potato production traceability cannot be effectively guaranteed,and the productionbase and relevant supervision departments cannot obtain all effective traceability data.When the problemof transshipment occurs and the final consumer traces the source of seed potato production,thepositioning of the responsibility link is not clear,and it is difficult to find the exact responsible productionlink and the responsible person and other problems.Based on the above problems,a channe-prooftraceability model of seed potato was proposed based on smart contract and digital signature.By using thecharacteristics of block chain technology,such as tamper-proof,data transparency and data sharing,收稿日期：2 0 2 2-12-0 2 修回日期：2 0 2 2-12-2 2基金项目：国家自然科学基金面上项目（318 7 152 5）作者简介：孙传恒（19 7 8 一），男，研究员，博士，主要从事农产品追溯技术研究，E-mail：s u n c h n e r c i t a.o r g.c n通信作者：张航（19 8 1一），男，讲师，博士，主要从事农业智能化信息技术研究，E-mail：z h a n g h r z 12 6.c o m393孙传恒等：基于智能合的马铃薯种薯防窜溯源研究第7 期intelligent contract was used to store the traceability data of the whole link of seed potato production andrealize the highly sharing of the traceability data of the whole link of seed potato production.In addition,the smart contract and digital signatures were combined to solve the problem of cross-production easilyoccurring in the production process by using the public-private key pair verification and the highlyautonomous blockchain network ecological environment of smart contract.Based on Hyperledger Fabric,an anti-channeling traceability model for seed potato production base was designed.The related testresults showed that the model could realize the functions of seed potato production traceability,anti-channeling,channeling alarm information chain and query.The average link time of seed potatoproduction traceability data was 2 566 ms,the average query time was 95 ms,the average alarm triggerand alarm information link time was 2 562 ms,and the average query time of specific alarm informationwas 77 ms.The model had high comprehensive performance,which can realize the safe storage of seedpotato production traceability data,effectively solve the problem of seed potato production channeling,meet the link and query requirements of seed potato production traceability data,improve the seed potatoproduction quality traceability guarantee,and provide reference for preventing seed potato productionchanneling to improve the overall efficiency and safety traceability.Key words:seed potato production;traceability;anti-channeling;smart contract;digital signature;datasharing0引言马铃薯在全球重要粮食作物中排名第4位，也是我国主要粮经作物 。近年来，我国产业结构调整，使得马铃薯产业在国民经济增长中的占比越来越重，马铃薯主粮化战略已经启动2 。但我国马铃薯整体生产水平仍然较低，这主要是因为我国种薯质量不高，直接影响了马铃薯的最终产量和质量3。因此，研究马铃薯种薯的生产溯源，通过信息技术提高种薯的产量及质量，对加快我国马铃薯产业化、主粮化进程有着重大意义4我国马铃薯种薯生产全环节流程复杂、周期较长、品种繁多，对种薯生产溯源数据进行信息化记录的技术储备不健全，导致种薯溯源困难5。对此，相关研究人员提出了一些传统溯源解决方案。文献6 采用数据库、二维码等技术创建溯源平台，实现对马铃薯种薯全供应链的溯源。文献7 通过对马铃薯进行连续3年的跟踪监测，建立了基于稳定同位素和矿质元素的马铃薯产地溯源模型，并开发了马铃薯质量信息识别与产地溯源专家系统。文献8 使用射频识别技术和二维码技术达到防伪防窜货目的，对整个供应链进行全过程监控。然而，传统质量溯源通过中心化平台来进行，生产溯源数据的存储方式为集中式存储，溯源数据易被篡改9 。区块链技术是分布式的网络架构10 ，网络中的所有节点遵守统一的共识机制，共同维护一个区块链账本，所有交易操作均会被记录，篡改某数据非常困难。近年来，随着区块链技术在农业领域的迅速发展，文献12 采用“区块链+数据库”的双存储模式，实现红茶从茶园到茶桌的全程可信溯源。文献13 提出一种高效且低成本运行的方法，利用公有链和私有链两套区块链确保溯源数据的真实可靠。文献14 设计出基于区块链智能合约的框架，用于记录农作物生长、流通等数据，旨在消除供应链企业间的信息孤岛。文献15 使用嵌人式控制等物联网技术与区块链相结合实现防篡改、透明化、可溯源的农产品溯源系统。文献16 结合以太坊智能合约和星际文件系统（InterPlanetaryfile system，IPFS)管理和控制供应链生态系统中所有参与者之间的交互和交易，并在大豆供应链方面实现了溯源应用。文献17 设计出一种基于边缘计算和区块链的防伪溯源模型，并采用离散波长转换和遗传算法来提高系统的安全性，优化系统的性能。文献18 提出了“On-Chain+Off-Chain”的农产品质量安全溯源策略，降低链上存储空间压力的同时实现了农产品供应链之间溯源信息的真实可靠。文献19 通过智能合约实现果蔬农产品溯源模型，并提出了对称加密与椭圆曲线混合加密的隐私数据授权访问方法，实现供应链各企业间隐私数据的隔离存储。根据文献表明，众多区块链技术研究人员研究农产品和食品安全溯源相关领域2 0-2】，实现全食品业和农业生产信息透明化和共享数据精准化2 3，从源头解决食品和农产品质量安全问题是未来的发展趋势2 4。然而，将区块链技术应用于马铃薯种薯的生产溯源方面的研究较少。此外，种薯生产期间的实物形态差异化明显2 5】，在生产过程中易出现品种、等级等窜货问题，将区块链技术应用于马铃薯种薯生产溯源时，还应考虑其生产窜货问题针对上述问题，结合分析马铃薯种薯生产过程中的关键环节及溯源数据，本文提出一种基于智能394农2023年机业学报械合约2 6-2 7 和数字签名名2 8-2 9 的马铃薯种薯防窜与溯源方法，为种薯整个生产环节设计一条溯源区块链。以智能合约和数字签名为实现方式，解决种薯的生产窜货问题，并保障种薯各项生产溯源数据的安全可靠，最终提高种薯生产基地的整体生产效率。采用Raft共识机制30 1实现区块链间的节点共识，每个环节作为种薯区块链中的联盟组织，每个联盟组织中都包含多个节点共同维护一个分布式账本，实现种薯生产溯源数据的真实可信；利用数字签名机制与种薯生产过程中的接收环节对应培育节点进行公私钥对绑定，用于防止种薯生产窜货的第1层保障；通过智能合约实现种薯培育目的地的防窜货报警设计，使种薯区块链网络中的所有节点背书完成后共同遵守统一的逻辑规则，用于防止种薯品种、等级等生产窜货的第2 层保障；同时将报警信息进行上链存储，更高效地解决种薯生产窜货数据的溯源问题；最后对本文所提出的马铃薯种薯生产溯源模型通过应用案例进行验证分析。1马铃薯种薯生产全环节分析及区块链网络模型1.1种薯生产全环节及溯源数据分析马铃薯种薯生产过程中涉及的关键环节包括种苗资源保存、脱毒苗扩繁、原原种培育、原种培育和仓储环节。种薯生产环节众多，实物形态在不同的环节有所不同，生产基地同时培育的品种繁多，极其容易发生窜货问题。因此，本文在深人分析种薯生产全环节及关键溯源数据的基础上，在区块链网络中设计种薯生产窜货报警环节，一旦发生窜货，将进人该环节进行窜货报警处理，同时将对应窜货报警数据进行上链存储。各环节的关键溯源数据如表1所示。表1种薯生产全环节关键溯源数据Tab.1Key traceability data of seed potato production生产环节关键上链数据关键防窜数据批次编号、资源编号、种苗名称、资源库编号、入资源库时间、出资源库时间、种苗批次编号、资源编号、种苗名称、品种种苗资源保存来源、品种名称、工人编号、工人姓名、抽检员编号、抽检员姓名、抽检编号、抽检名称结果批次编号、扩繁编号、种苗名称、品种名称、培养室编号、入培养室时间、出培养室批次编号、扩繁编号、种苗名称、品种脱毒苗扩繁时间、工人编号、工人姓名、抽检员编号、抽检员姓名、抽检编号、抽检结果名称批次编号、原原种编号、种薯名称、品种名称、温室大棚编号、移栽时间、收获时批次编号、原原种编号、种薯名称、品种原原种培育间、工人编号、工人姓名、抽检员编号、抽检员姓名、抽检编号、抽检结果名称批次编号、原种编号、种薯名称、品种名称、地块编号、播种时间、收获时间、原原批次编号、原种编号、种薯名称、品种名原种培育种来源、原种级别、工人编号、工人姓名、抽检员编号、抽检员姓名、抽检编号、抽称、原种级别检结果批次编号、仓储编号、种薯名称、品种名称、仓库编号、人库时间、出库时间、种薯批次编号、仓储编号、种薯名称、品种名仓储来源、种薯级别、工人编号、工人姓名、抽检员编号、抽检员姓名、抽检编号、抽检称、种薯级别结果批次编号、种薯溯源编号、报警编号、报警时间、报警环节、报警触发点、工人编窜货报警号、工人姓名1.2种薯区块链网络模型马铃薯种薯生产全环节的溯源数据参差不齐，目前尚且没有种薯生产业务集成技术和手段，也没有统一的生产溯源信息接口和标准规范，造成了种薯生产全环节的信息孤岛，不仅影响种薯生产基地的总体生产效率，还使消费者和相关监管部门可信溯源困难。区块链技术具有去中心化、篡改存储数据困难、多节点共同维护、数据透明等特点，通过分布式网络中的各节点数据备份实现溯源数据的安全存储。本文通过开源许可区块链框架HyperledgerFabric使种薯生产全环节共同维护一个区块链账本，每个相关环节安装不同的智能合约，利用智能合约完成溯源数据的更新上链，不相关的环节无法相互之间进行种薯转送交易操作和溯源数据更新上链，以此来规范化种薯生产流程，最终提高可信溯源。种薯生产溯源区块链网络模型如图1所示种薯生产全过程的溯源数据通过一条综合区块链进行存储，将种薯生产溯源中的全部环节映射为区块链中的相关组织，即种苗资源保存组织、脱毒苗扩繁组织、原原种培育组织、原种培育组织和仓储组织，将防窜报警环节映射为窜货报警处理组织，并将各个环节的关键溯源数据均通过智能合约进行上链存储，非关键溯源数据使用传统数据库存储，可以从源头减轻区块链的存储压力。同时，将消费者、相关监管部门等溯源用户映射为外部组织，作为查询相关溯源数据的组织节点第7 期孙传恒等：基于智能合约和数字签名的马铃薯种薯防窜溯源研究3951n1种苗资源保存组织脱毒苗扩繁组织原原种培育组织原种培育组织仓储组织窜货报警处理组织外部组织种苗资源数据上链扩繁数据上链原原种数据上链原种数据上链仓储数据上链窜货报警处理智能合约智能合约智能合约智能合约智能合约智能合约种苗资源数据扩繁数据原原种数据原种数据仓储数据窜货报警数据1peerNode.peer Node.peerNode.peerNode.peerNode.peerNode.批次编号批次编号批次编号批次编号批次编号批次编号资源编号扩繁编号原原种编号原种编号仓储编号种薯溯源编号1种苗名称种苗名称种薯名称种薯名称种薯名称报警编号1资源库编号品种名称品种名称品种名称品种名称报警时间人资源库时间培养室编号温室大棚编号地块编号仓库编号报警环节区块链网络出资源库时间人培养室时间移栽时间播种时间入库时间报警触发点种苗来源出培养室时间收获时间收获时间出库时间工人编号品种名称工人编号工人编号原原种来源种薯来源工人姓名1工人编号工人姓名工人姓名原种级别种薯级别工人姓名抽检员编号抽检员编号工人编号工人编号抽检员编号抽检员姓名抽检员姓名工人姓名工人姓名抽检员姓名抽检编号抽检编号抽检员编号抽检员编号抽检编号抽检结果抽检结果抽检员姓名抽检员姓名抽检结果抽检编号抽检编号抽检结果抽检结果图1种薯生产潮源区块链网络模型Fig.1Blockchain network model for seed potato production traceability区块链中的每个组织都有自已的peer节点来分布式存储对应溯源数据，每批种薯都有一个唯一的批次编号，种薯在全部生产环节流通时都需关联此唯一批次编号上传所有关键溯源数据。此外，本文还利用区块链种薯全生产链全连接溯源编码设计为每个生产环节对应产生一个与批次编号相关联的二级编号，如资源编号对应种苗资源保存环节、扩繁编号对应脱毒苗扩繁环节等。2种薯防窜报警方法设计2.1区块链种薯全生产链全连接溯源编码设计在种薯区块链溯源模型中，需通过种薯溯源编码在区块链网络中获取该编码所对应的全部生产溯源数据。为了使区块链种薯溯源编码具有唯一溯源性，设计区块链种薯全生产链全连接编码，并利用该编码与对应种薯生产全环节溯源数据相关联。种薯溯源编码在马铃薯种苗资源保存环节进行批次编码初始化处理，包含种苗资源保存环节在内的种薯生产全环节开始培育时，顺序连接对应环节的溯源编码，在仓储环节实现种薯溯源编码的全环节连接，最终聚焦到以箱为单位的种薯溯源编码，实现一箱一码，保证种薯溯源编码的唯一性，为利用区块链技术实现种薯防窜生产溯源打下源头基础。具体编码设计如表2 所示，例如，在种苗资源保存环节进行批次编码初始化处理，此时的种薯批次编码为B001。在种苗资源保存环节开始对该批次编码所对应的种苗进行培育时，顺序连接种苗资源保存环节的溯源编码R001，此时对应种薯溯源编码为B001R001，直至对应种薯顺利进入仓储环节，形成最终种薯溯源编码为B001R001D001YY001Y001WH001。当对应种薯在其生产过程中发生窜货报警时，将不继续连接当前发生窜货环节的对应环节编码，种薯溯源编码的连接停留在上一环节，同时生成对应窜货报警编码。例如，对应种薯在脱毒苗扩繁环节发生窜货报警，则此时的种薯溯源编码为B001R001,对应窜货报警编码为W001。此外，所有环节的溯源编码数字项顺序生成。例如，批次编码为B001的下一批次编码为B002表2 区块链种薯全生产链全连接溯源编码设计Tab.2Fully connected traceability coding design for whole production chain of seed potato in blockchain批次种苗资源保存脱毒苗扩繁原原种培育原种培育仓储报警B001R001D001YY001B001R001D001B001B001R001B001R001D001B001R001D001YY001W001Y001YY001Y001WH001农2023年396机报业学械2.2数字签名机制种薯生产各环节的培育节点众多，生产基地繁育品种数量庞大，由于对应种薯被送往错误接收环节培育节点而引发的生产窜货问题频繁出现，严重降低整体生产效率。椭圆曲线数字签名算法(Elliptic curve digital signature algorithm,ECDSA）是一种非对称加密算法，使用私钥签名、公钥验证确保数据的真实性并防止交易数据被篡改，使用公钥加密、私钥解密确保可验证节点的唯一性。同时，ECDSA具有在已知公钥的情况下，无法推导出该公钥对应私钥的特点，本文利用该特点对种苗/薯转送交易进行公钥数字签名加密，相关接收环节对应培育节点使用本节点私钥进行解密验证，确保该种苗/薯转送接收环节对应培育节点的唯一正确性。该方法是种苗/薯接收环节对应培育节点的归属证明，实现防止种薯生产窜货的第1层保障。椭圆曲线公式为y=x+ax+b(modp)(4a+27b0(modp)(1)式中a、b 一椭圆曲线参数P-一质数mod-取模运算符以资源保存环节培育完毕，需要将种苗送往脱毒苗扩繁环节对应培育节点进行培育为例，椭圆曲线数字签名加密、解密过程如下：（1)脱毒苗扩繁环节对应培育节点选定一条椭圆曲线F，（，b），同时选取椭圆曲线上一点作为基点G,其中n为椭圆曲线的阶，即nG=。（2）脱毒苗扩繁环节对应培育节点选择一个随机数作为私有密钥k，并根据离散点计算原则生成公有密钥K=kG。（3）脱毒苗扩繁环节对应培育节点将椭圆Fa,b)和点G、K 传送给种苗资源保存环节对应节点。（4)种苗资源保存环节对应节点接到信息后，将待传输的明文编码到F,（,b)上的一点A,并产生一个随机整数r(rn）。（5）种苗资源保存环节对应节点通过椭圆曲线公钥K加密：C,=A+rK,C,=rG,加密后的数字签名密文C是一个点对。(6)脱毒苗扩繁环节对应培育节点接收到数字签名密文C后，可通过私钥k解密C,k C，计算A+rK-k（r G）=A,对点A解码就可以得到明文。以种苗资源保存环节和脱毒苗扩繁环节为例，数字签名机制如图2 所示。使用接收节点公钥进行数字签名加密数字签名密文解密验证成功使用本节点私钥记录脱毒苗扩繁发起种苗转送交易对数字签名进行解密环节上链数据口口解密验证失败资源保存环节种苗转送交易信息脱毒苗扩繁环节对应培育节点对应培育节点数字签名解密结果窜货报警处理图2数字签名机制Fig.2Digital signature mechanism在种薯生产溯源区块链网络中，每个节点都拥有所有节点的公钥以及本节点的私钥，通过公私钥对严格匹配的策略确保种苗/薯转送接收环节对应培育节点的唯一正确性。例如，种苗在资源保存环节培育完毕，需要将其送往脱毒苗扩繁环节进行下一步培育，资源保存环节对应培育节点会在区块链网络中产生一个种苗转送交易，并使用脱毒苗扩繁环节对应接收节点的公钥对该交易进行数字签名加密。脱毒苗扩繁环节对应培育节点接收到需要进行下一步培育的种苗后，需使用本节点的私钥对该种苗转送交易进行数字签名解密验证。解密验证成功，则说明接收节点正确，可以记录脱毒苗扩繁环节相关上链数据；解密验证失败，则说明接收节点错误，可能发生窜货，此时会触发窜货报警处理，给予相关窜货报警提示，并将对应报警信息进行上链存储。2.3种薯防窜报警溯源模型种薯生产基地培育品种繁多，除接收环节对应培育节点易发生窜货问题外，培育节点因错误识别种薯品种、等级等信息，致使种薯的培育方式发生改变、种薯成品混杂的情况也频繁发生，最终导致种薯整体生产效率和质量水平低下。解决种薯生产窜货问题是本文的研究重点，通过智能合约与数字签名相结合的方式实现防止种薯生产窜货的双层保障。在种薯生产溯源区块链中，每个相关环节间都需安装部署对应的区块链智能合约，在数字签名验证接收环节对应培育节点正确后，通过智能合约将当前种苗/薯与对应链上存储信息进行对比，符合窜货条件时触发窜货报警处理，实现防止种薯生产窜货的第2 层保障。实物数据采集通过种薯生产全环节安装部署各种物联网设备获取，通过二维码等标识技术结合区块链种薯全生产链全连接溯源编码将实物397孙传恒等：基于智能合合约和数字签名的马铃薯种薯防窜溯源研究第7 期数据对应转化为数字数据并存入区块链中，所有生产环节都进行上述实物与链上数据的锚定。智能合约是运行在区块链网络中的一种计算机协议，以代码的形式体现出该协议去中心化、自动执行、高确定性、高自治性等特点，区块链中的相关节点均安装部署对应智能合约则可以达到网络环境高度自治的效果。在本文所提出的种薯防窜报警溯源模型中，智能合约可以实现种薯全生产环节溯源数据的安全上链、按合约条件触发防窜报警机制、查询具体溯源数据等功能，实现对种薯生产全环节溯源数据的全方位正向记录、逆向溯源，为种薯生产基地提供强大的数据记录与查询、防止种薯生产窜货的技术支撑。利用智能合约完成种薯开始培育前的品种、等级等自动化确认，与前生产环节的上链信息进行对比验证，有效防止种薯生产窜货的问题，也为生产基地、消费者和相关监管部门等追溯用户提供安全可信的溯源信息。种薯防窜报警溯源模型如图3所示。数据查询数据查询数据查询结果返回结果返回结果返回监管潮源节点监管溯源数据生产基地内部基地内部溯源数据消费者潮源节点消费者溯源数据查询智能合约溯源节点查询智能合约查询智能合约区块000区块1区块2区块3区块400区块500区块60区块7上传符合条件符合条件种苗资源符合条件上传报警上传原原种上传报警上传原种上传报警符合条件上传报警保存数据上传扩繁数据数据培育数据数据培育数据数据上传仓储数据数据不符合不符合不符合不符合条件条件条件条件种苗资源保存，脱毒苗扩繁数据窜货报警原原种培育数据窜货报警原种培育数据窜货报警仓储数据窜货报警数据上链智能合约上链智能合约智能谷药上链智能合药智能谷药上链智能合约智能谷药上链智能合约智能谷药验证成功验证成功验证成功验证成功上传验证失败验证失败验证失败验证失败种苗资源保存数据公私钥对验证公私钥对验证公私钥对验证公私钥对验证窜货报警窜货报警窜货报警窜货报警种苗转送种苗转送种苗转送种苗转送种苗返回种苗返回种苗返回种苗返回种苗资源保存节点脱毒苗扩繁节点原原种培育节点原种培育节点仓储节点图3种薯防窜报警溯源模型Fig.3Seed potato anti-channeling alarm traceability model在该模型中，由于种苗资源保存环节是种薯生产全环节的初始环节，不存在生产窜货的发生，因此不在该环节中设计窜货报警智能合约，仅利用智能合约将相关生产溯源数据进行上链存储。脱毒苗扩繁及其后环节将对接收种苗/薯的实际情况与前环节上传的溯源数据进行对比分析，作为判断当前环节是否发生窜货的数据依据，同时将该溯源数据作为全部种薯生产溯源数据的一部分。种薯生产全环节将本环节培育完毕的种苗/薯送往至下一生产环节进行培育时，需要使用接收环节对应培育节点的公钥对种苗/薯转送交易进行数字签名加密，接收环节对应培育节点收到该种苗/薯时，需要使用本节点私钥对已加密的前环节种苗/薯转送交易进行数字签名解密验证。解密验证失败，则说明接收环节对应培育节点错误，此时通过智能合约触发相关窜货报警处理；解密验证成功，则说明接收环节对应培育节点正确，此时会自动调用智能合约要求该节点通过各种物联网设备获取并录入对应培育节点当前接收种苗/薯的品种、等级等信息，并与前环节相关节点存入区块链网络中的信息进行对比，全部符合则说明种苗/薯送至正确培育节点目的地，同时正确识别该种薯的品种、等级等信息，并正确安排其对应培育方式；有一项及以上不符合则说明种薯送至正确培育节点目的地，但错误识别该种苗/薯的品种、等级等信息，无法正确安排其对应培育方式，此时进行窜货报警处理，将种薯溯源编号、报警编号、报警时间、报警环节等相关窜货报警信息存储至区块链网络中，并给予相关窜货报警提示。此外，利用区块链存储数据的不可篡改等特性，使得种薯生产溯源数据在区块链溯源网络中得以可信存储，并利用不同数据查询智能合约实现不同追溯用户的溯源查询，种薯生产基地、消费者和相关监管部门可通过溯源节点调用对应数据查询智能合约获取区块链中对应种薯的相关溯源信息2.4智能合约设计本文使用HyperledgerFabric平台，结合种薯种植领域专家意见、种薯生产基地的实际情况等制定相关的智能合约规则和一系列合约触发条件。智能合约业务逻辑设计如表3所示。农3982023年机业学报械表3智能合约设计Tab.3Smart contract design合约功能合约方法描述输人输出createSeedPotatoes()将种薯基本信息写入区块链种薯基本信息True/False将种苗资源保存环节溯源信息写入区块recordResourceGrow()种苗资源保存信息True/False链，当发生窜货时触发防窜报警合约将脱毒苗扩繁环节溯源信息写人区块recordDetoGrow()脱毒苗扩繁信息True/False链，当发生窜货时触发防窜报警合约数据上链将原原种培育环节溯源信息写入区块recordYuanssGrow()原原种培育信息True/False链，当发生窜货时触发防窜报警合约将原种培育环节溯源信息写入区块链，recordYuansGrow()原种培育信息True/False当发生窜货时触发防窜报警合约将仓储环节溯源信息写人区块链，当发recordWarehouseGrow()仓储信息True/False生窜货时触发防窜报警合约querySeedPotatoesByBatchld()查询种薯基本信息批次ID种薯基本信息queryResourceGrowByResourceld()查询种苗资源保存环节溯源信息批次ID/资源ID种苗资源保存信息queryDetoGrowByDetoxificateld()查询脱毒苗扩繁环节溯源信息批次ID/扩繁ID脱毒苗扩繁信息数据查询queryYuanssGrowByYuanssId()查询原原种培育环节溯源信息批次ID/原原种ID原原种培育信息queryYuansGrowByYuansId()查询原种培育环节溯源信息批次ID/原种ID原种培育信息queryWarehouseByWarehouseld()查询仓储环节溯源信息批次ID/仓储ID仓储信息recordWarn()将窜货报警信息写人区块链窜货报警信息True/False防窜报警queryWarnInfoByWarnld()查询窜货报警信息报警ID窜货报警信息将种薯各生产环节的溯源信息写人区块链均由智能合约实现。在各环节上传对应生产溯源信息时，如果发生窜货则会触发防窜报警智能合约，接续进行防窜报警处理。具体算法如下：算法1：发送方数据上链智能合约输入：以种苗资源保存环节为例，批次编号BatchId,资源编号Resourceld，种苗名称SeedName，品种名称BreedName等输出：上链成功返回交易ID，区块高度numBlock，数据哈希dataHash，前一个区块哈希previousHash，上链失败返回错误原因区块链中的种苗资源保存环节对应peer节点发起invoke上链请求if len（a r g s）/判断请求中的数组长度是否符合规定长度标准returnshim.Error；/数组长度不符合标准，上链失败，返回具体错误原因else/符合上链要求，请求上链ECDSA_Encode（）；/使用接收节点公钥加密APIstub.PutStateargs2,resourceGrowlnfoAsBytes);return success；/返回交易基本信息算法2：接收方数据上链智能合约输人：以脱毒苗扩繁环节为例，批次编号Batchld，种苗名称SeedName，扩繁编号Detoxificateld,品种名称BreedName等输出：上链成功返回交易ID，区块高度numBlock，数据哈希dataHash，前一个区块哈希previousHash，上链失败返回错误原因区块链中的脱毒苗扩繁环节对应peer节点发起invoke上链请求if len（a r g s）/判断请求中的数组长度是否符合长度标准err:=IECDSA_Decode；/使用本节点私钥解密if err！=n il/判断私钥是否解密成功recordWarn（）；/解密失败，触发防窜报警合约returnshim.Error；/返回具体错误原因else/解密成功if args1！=r e s o u r c e Ba t c h Id G r o w /判断请求中的批次ID是否与前生产环节对应上链数据相符recordWarn（）；/如果批次ID不符则触发防窜报警合约returnshim.Error；/上链失败，返回具体错误原因elseif args2！=r e s o u r c e Re s o u r c e l d G r o w /判断请求中的资源ID是否与前生产环节对应上链数据相符recordWarn（）；/如果资源ID不符则触发防窜报警合约returnshim.Error；/上链失败，返回具体错误原因399孙传恒等：基于智能合约和数字签名的马铃薯种薯防窜溯源研究第7 期elseif args3！=r e s o u r c e Se e d Na m e G r o w /判断请求中的种苗名称是否与前生产环节对应上链数据相符recordWarn（）；/如果种苗名称不符则触发防窜报警合约returnshim.Error；/上链失败，返回具体错误原因elseif args4！=r e s o u r c e Br e e d