农产品信息区块链技术架构设计及应用展望

梁昊 刘思辰 张一诺 吕科

摘   要：作为传统农业大国，中国多次强调农业现代化的重要性。但生产分散、技术落后、基础薄弱等问题严重阻碍了中国农业信息化的发展。区块链由于采用了分布式存储与计算方式，与分布式经济系统具有较好的兼容性，在金融、物流、电子商务等多个行业具有广泛的应用前景。本研究采用广义区块链的设计思想，结合中国农业发展中遇到的问题，设计了信息采集层、数据层、网络层、共识层、激励层、合约层与应用层的7层农产品信息区块链技术架构。该架构可以提供灵活的分布式存储机制、完备的信息共识体系、可靠的信息防篡改功能和实用的激励回报措施。针对以上功能在农产品信息溯源和农产品市场信息透明化中的应用进行了说明，提出了建立区块链农产品交易体系的概念，最后对区块链在农业领域的应用进行了总结和展望。

关键词：区块链;农产品信息;智能合约;共识机制;溯源

中图分类号：S24                  文献标志码：A             文章编号：201812-SA020

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 H， Liu S， Zhang Y， Lv K. Framework design and application prospect of agricultural product information blockchain[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（1）： 67-75.  （in Chinese with English abstract）

1  引言

我国是一个农业大国，农业一直是关乎国计民生的基础产业。如何在有限的耕地上满足13多亿人的饮食要求，从吃饱吃好到安全放心、健康饮食成为了政府和国民关注的热点[1]。2015年，国务院印发《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》，其中将“互联网+”现代农业作为11大重点任务之一[2]。2016年，以农业部为首的国家8部委联合制定《“互联网+”现代农业三年行动实施方案》（以下简称《方案》），进一步提出通过物联网、农业大数据、农业电子商务等一系列技术推动信息产业与农业融合。

随着技术的发展，区块链作为电子代币的关键底层技术得到了世界各国的广泛重视。欧、美、俄、日等国分别制定了本国的区块链技术发展路线[3]。2016年10月，我国工业和信息化部印发了《中国区块链技术和应用发展白皮书》[4]（以下简称《白皮书》），成为了我国区块链发展与应用的依据和基石，为区块链在农业领域中的应用指明了路线和方向。

部分学者开展了研究，Lan等[5]介绍了区块链技术在南非葡萄园的应用，并以此演示了区块链在农产品溯源中的方案。Lin等[6]提出建立一个具有区块链基础设施的信息和通信技术的电子农业系统以及评价体系，从技术的角度阐述了区块链在农业与环境方面应用的前景。Feng[7]提出了通过区块链和射频芯片提高农产品信息安全性的技术方案。但以上农业区块链设计架构多面向大型农产品生产基地，与我国的国情存在差异。我国自改革开放以来，社会经济飞速发展，但农业发展水平长期处于落后的地位[8]，具体体现在以下三个方面。

（1）农业基础薄弱。我国是典型的小生产大市场的农业体系，农业技术落后，资金短缺，生产成本高，收益低[9]。这种情况使高新技术产业难以落户农家，进一步加剧了农业生产的落后局面，严重阻碍了我国农业的现代化。

（2）农产品质量安全存在隐患。虽然我国设置了3万多个农产品检测、监控机构。但近些年来，三聚氰胺、瘦肉精、地沟油等依然屡有发生[10]。农产品质量安全监管无法覆盖到生产、流通、销售的所有环节，安全隐患依然存在。

（3）农产品交易中存在信息孤岛。目前农业生产中普遍存在着农产品采购价格低，消费价格高的供求不平衡问题[11]。生产者无法了解消费者的诉求，消费者只能根据市场供应做出被動选择，多重信息孤岛导致了供求信息的不透明化。

针对以上这三个问题，结合我国农业生产的具体现状，本文中提出了一套区块链在农业信息化中应用的初步技术架构与应用方案。

2  区块链的基本概念及技术架构

区块链技术原型在2008年由化名“中本聪”的学者在《Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System（比特币：一种点对点的电子货币系统）》[12]中提出，并在之后的电子代币和行业应用中得到了不断的发展。《白皮书》根据区块链应用领域的不同，进一步将区块链技术概念划分为狭义区块链和广义区块链。

狭义区块链主要应用于电子代币的交易和记账。区块按照时间戳的顺序进行排序，通过区块的Hash值对区块进行标记和链接，本区块的Hash值是对本区块内交易清单Merkle树的对称Sha256散列结果，并由此来保证交易账单的不可篡改性。全部区块链信息被分布式存储在网络中的每一个节点上，每次交易由全网节点参与确认，由此形成全网共识[12]。狭义区块链技术在数字代币中得到了广泛的应用，但也暴露出了一定的技术局限性，例如完全的去中心化使网内节点的数据存储压力不断增加，操作确认的时间越来越长，共识机制能耗过高以及缺少终端应用等[13]。广义区块链是一种全新的分布式基础架构和计算范式，被行业和学术界认为可以改变业务运作模式的重大创新技术[14]。图1给出了狭义区块链（a）和广义区块链（b）的技术差异和功能扩展说明。

（1）应用层：不仅局限于数字代币，还可提供面向不同平台不同行业的应用接口。

（2）激励层：不再仅限于获得电子代币，而是帮助企业、行业降低成本、提高效率，或者是通过智能合约获得数字资产。

（3）共识层：放弃了单纯耗能的POW（Proof of Work）机制，共识可以建立在科学计算、投票、股权等更加智能、高效的共识机制之上。

（4）网络层：不再需要所有的节点都分担全部区块链的存储任务，采用P2P（Peer-to-Peer）和中心拓扑相结合的网络架构，由数字签名、加密技术提供中心数据库中区块链数据的完备性和不可篡改性。

（5）数据层：不仅局限于对数字代币交易账单的记录，可以记录智能合约执行过程中更复杂的数据信息。

广义区块链，针对不同的应用领域与应用需求，又可以进一步划分为：公有链、专有链、联盟链三种类型[14]。专有链、联盟链是根据具体应用，对公有链技术的补充。专有链技术已经在阿里、京东等电商企业的交易和物流信息记录中得到了的应用[15]。由国际顶级金融机构组成的R3CEV区块链联盟，计划在银行之间建立联盟链，逐步探索区块链在金融机构之间的应用[16]。表1中详细的给出了广义区块连的类型与特性。

3  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[17]。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。

3.1  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[4]。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2所示。

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[4]：

（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。

3.2  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，还包含農作物的地点信息。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3所示。

3.3  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4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。

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[18]，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5所示。

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。

3.4  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[14]。由于共识层采用DPOS机制，没有高能耗的共识计算POW过程[19]，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6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。

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。

4  农产品信息区块链应用方案

上文中介绍的农业信息区块链技术架构可以同物联网、大数据、电子商务等多种技术相结合，推进农业信息化发展。在应用环节，区块链可以起到桥梁和支点的作用，具体从以下三方面体現。

4.1  建立农产品信息回溯体系

物联网+农业区块链联盟的技术手段可在农产品信息回溯体系中发挥重要作用，成为农产品质量安全的有效保障，具体体现在以下几个方面。

（1）可以为农产品在种植、加工、认证、销售等阶段提供可靠、安全的信息透明度，消除信息黑洞;

（2）基于数字加密与验证技术的分布式信息存储方法为农产品的信息安全提供了不可篡改性;

（3）由政府相关部门牵头，农产品生产者、加工企业、物流公司、电商、消费者等多方共同组成农业区块链联盟，通过在联盟内部达成共识，提供了农产品信息的权威性;

（4）农产品不同阶段的所有数据信息、交易操作，都需要在联盟内部达成共识，参与共识的联盟成员通过数字签名生成不可修改的共识签名，建立质量问题追责的闭环体系;

（5）由质检机构、经销商、大型企业共同组成联盟链的超级节点，承担主要的分布式数据存储、信息维护，从而减少农民、消费者在区块链中的数据存储压力，降低农业区块链的技术门槛。

4.2  建立信息透明的农产品交易市场

利用区块链的分布式存储技术，将农产品上下游的信息数据化，并在整个农业区块链联盟中共享。农产品市场将会透明化，农产品的生产者、中间商、消费者都可以根据透明的信息采取更针对性的应对行为。例如，农民可以预测什么作物收益更高，企业可以发现什么农产品更紧俏，消费者可以找到什么食品更划算。

利用区块链的P2P通信技术和智能合约，可以为农民和经销商、消费者提供实时的P2P交易服务。通过智能合约的可编程技术，将合同逻辑预置在区块链中，条件满足即可自动触发，支付快速完成。农业生产者和消费者之间可以直接交易，电商平台、监管机构根据智能合约可以获得交易金额中的一部分资金分成，从而可以增加收益、降低价格、提高交易效率。

4.3 建立基于区块链技术的农产品交易体系

长期以来，资本和技术问题成为了我国农业发展滞后的主要原因。我国是典型的小生产大市场的农业模式，上下游市场庞大、集中度低是我国农业主要特点之一[9]。国家统计局数据显示我国2017年农业总产值为5.8万亿人民币[21]，农产品加工业总收入为19.4万亿人民币，具有巨大的市场空间[22]。但广大的农民无法承受信息产业的巨额投入，如何将资本和技术引入到农业领域成为农业信息化的关键问题。

在本文提出的农产品信息区块链技术的共识层与激励层中，数据提供者为物联网平台，呈现者为电商平台，审查者为农产品质检部门、银行，抽查者为具有资质的民间农产品质量抽查公司。其中数据提供者、呈现者、审查者需要对信息进行共识并签名（数字签名），在签名的过程中三方可以通过智能合约从交易中获得利润，如图7所示，一方面保证农产品信息的真实性（多方认证），另一方面也给予了认证方（红色箭头）合理的收益，最后农产品的生产者、加工者、消费者也可以通过更透明、合理的交易价格获得回报（黑色箭头）。

通过以上机制，可以吸引电商平台、物联网企业的资金与技术投入，同时通过智能合约可以提供对共识责任的惩戒措施，保证共识信息的正确性。在农产品质量信息共识认证环节中，资金和技术提供方都可以在共识体系中得到激励回报和责任约束。通过利润回报提高资金和技术进入农业领域的速度。

5  小结与展望

我国农业信息化的道路依然任重而道远，如何让信息技术走进农村、入户农家，是农业信息化需要解决的重要问题。本文将区块链技术同农业物联网技术、农产品电商平台相结合，提出了农产品信息区块链总体技术架构和农业区块链应用的解决方案，该方案可以提供可靠的农产品质量安全回溯体系，更透明、高效的农产品交易市场和基于区块链技术的农产品交易体系方案。

区块链作为一种底层技术，将会在农业信息化中扮演支点和桥梁的作用，可以较好的服务于农业信息化中的关键技术，提高农业生产的技术水平，降低生 产成本。区块链技术在农业生产应用中的前景非常广阔。但本文所提出的技术框架也仅仅是对区块链应用的设想，还没有实现。区块链在农业领域的应用还处于探索的阶段，该技术还远未成熟，需要更多的理论探索和应用尝试。

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Framework design and application prospect of agricultural product information blockchain

Hao Liang1， Sichen Liu2， Yinuo Zhang3， Ke Lv1*

（1. School of Engineering Science， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China;

2. Institute of Crop Germplasm Resources of Shanxi Academy of Agricultural Sciences， Taiyuan 030031， China;

3. School of Economics， Capital University of Economics and Business， Beijing 100070）

Abstract： Agriculture of China is a typical agricultural system of small producer and large market. Producers are too scattered. Agricultural foundation remains weak in the vast rural areas， especially poverty-stricken areas. All of the above have built up a hedge for the high input of information industry and been a serious impediment to agricultural informationalization. As the underlying technology of electronic tokens， blockchain has become the current research hotspot， and been applied in finance， logistics， electronic commerce， information traceability and so on. Blockchain is a distributed storage and computation system， which is decentralized， so it is highly compatible with the distributed economic system. It will be a comprehensive solution to the agricultural status that is "scattered， small and weak". The book China Blockchain Technology and Application Development Whitepaper 2016 gives guidance suggestions for the application of blockchain in different industries including agriculture. This article is proposed by combining the specific status of Chinese agriculture and the technical characteristics of the block chain. Blockchain will play a very important rule in information gathering， resource integrating， profits sharing and backtracking information. Framework of blockchain for agricultural product with 7 levels of information gathering layer， data layer， network layer， consensus layer， excitation layer， contract layer and application layer was designed based on generalized blockchain according to actual situation of agriculture in China. The function of information gathering layer and data layer weve used to storage encrypted information that is acquired by IoT node in a distributed way. The Network layer was designed with a semi-distributed topological structure based on the original Peer-to-Peer distributed network structure in the blockchain by adding the supper notes. In the consensus layer， the DPOS was implied install of POW， therefore， there is no need for intensive computing. Due to the use of smart contact in the contract layer， transactions can be completed automatically in the absence of intermediaries. Furthermore， members of the Blockchain Union can also get repay by participating in the consensus with the smart contracts. The application layer was designed to provide the interface for application of government， bank， enterprise， producer and consumers. This framework can provide flexible mechanism of distributed storage， complete information consensus system， reliable information tamper-proof function and practical incentive reward measures. Subsequently， the above functions have been explained in the agricultural products quality safety traceability and application for the agricultural product market information transparency in more detail. However， the application of block chain in the field of agriculture is still in the stage of exploration， the technology is far from mature， and still need to be perfected in the process of application gradually.

Key words： blockchain; agricultural product informatization; smart contract; consensus mechanism; traceability