区块链技术在水产品交易中的应用浅析

张佳泽，张胜茂，樊 伟

（1.中国水产科学研究院东海水产研究所，农业农村部东海渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090；2.上海海洋大学信息学院，上海 201306）

区块链（blockchain）概念是由学者中本聪于2008年正式提出［1］，但没有引起大众关注，直到2013年，这一概念才逐渐被大众广泛认可。2015年，以区块链技术为基础设计的电子货币——比特币快速升值，区块链技术才引起了人们的极大兴趣，迎来了高速发展。随后，不仅学术界对其进行关注和探讨，各个国家也制定了相关政策推动和规范区块链技术的发展［2］。近几年，我国也在大力推动区块链技术的应用，从2016年发布的《中国区块链技术和应用发展白皮书》到2020年发布的《区块链应用蓝皮书：中国区块链应用发展研究报告》，均说明了国家对区块链技术的重视，多产业与区块链技术相结合将持续推动中国经济的快速发展［3］。

水产品交易方式正处在从传统线下交易方式向信息化线上交易方式转变的过渡时期［4］。目前的水产品线上交易方式存在着安全性差、数据容易被篡改等问题，而区块链技术具有去中心化、安全和不可篡改等优点，技术架构可靠，可以很好地解决这些问题。本文介绍了区块链技术的发展现状，分析了区块链系统的技术架构，总结了区块链技术在水产品交易中的应用，提出了未来可能的研究热点，希望为未来水产品交易平台建设发展提供参考。

1 区块链技术

1.1 区块链技术的研究现状

区块链技术自诞生以来，发展迅速，已经从1.0、2.0时代迈向了3.0时代。区块链3.0应用更加广泛，不仅可以在分布式APP中应用，还实现了资产的交易追踪等功能。国内已有众多学者对区块链技术开展研究，江婷等［2］利用区块链技术和智能合约技术建立了区块链交易模型，有效破除了区域分化的制约。李凤阳和秦兴［5］、吴坤熊［6］采用区块链的共识机制设计了农业订单交易平台，建立了互相信任的机制，同时保证了食品的安全性。梁晓颖和王利君［7］为解决服装供应问题，利用区块链技术搭建了一个交易平台，既保证了买卖双方信息的共享，又使得交易信息的安全性得到了加强。于万钧和吴远［8］针对目前交易平台的种种弊端提出了基于区块链技术构建网络交易平台的新方法。2021年上海树图区块链研究院自主研发的“Conflux树图区块链公有链系统1.0版本”，不仅提高了网络传播速度、压缩了计算时间，还提升了上海区块链创新策源能力［9］。

国外对区块链技术研究也较为重视，GARRARD和FIELKE［10］对澳大利亚水产养殖供应链的可追溯性进行了研究，与传统的记录方法相比，使用区块链技术后，在保证食品安全的同时，有效降低了水产交易中欺诈行为发生的可能性。HOWSON［11］利用区块链技术在渔业供应链管理中建立相应的信任机制，保证交易双方的平等性。ZHANG等［12］利用区块链技术和物联网技术相结合的方式，开发了一个对冷冻水产品订单溯源的系统，保证了冷冻水产品的安全性。LARISSA和PARUNG［13］利用区块链技术设计了一个新的供应链模型，该模型可以很好地防止非法捕捞的水产品进入供应链。

区块链技术在短时间内快速发展，在水产品交易中也有一定的应用，但是技术体系并不成熟，仍然存在一些问题。如监管问题，由于区块链技术的去中心化特点，使得交易平台运行处于无人监管状态下，要想平稳运营，仍有一定的难处［14］；运行效率是另一个限制性问题，虽然区块链技术比较安全，但是交易的信息节点每次在网络进行传播时，需要很长的计算时间［15］。因此，该技术在水产品交易中的应用仍然需要深入研究。

1.2 区块链系统架构

区块链系统使用了分布式数据库进行存储，一个电脑就相当于一个节点，必须使用相应的私钥才可以进入数据库进行操作。所有交易信息都会在网络节点进行传播，同时将交易信息写入各个节点中，防止有人篡改。

区块链系统是由若干个区块构成，一个区块结构包含区块头和区块体两个部分（图1）。其中，区块头包含上一个区块的哈希值、版本号、随机数、难度目标和默克尔根这几个主要的字段，使得这个区块可以顺利连接到上一个区块，从而保证数据区块的完整性。而区块体保留了该区块的全部交易记录，一旦形成就不可篡改，保证了数据的安全性和可靠性。区块链系统经过发展逐渐形成了4个重要的核心技术，分别是P2P（peer-to-peer）网络技术、非对称加密技术、共识机制和智能合约。

1.2.1 P2P网络技术

P2P网络技术是一种分布式网络模型，在这个系统当中，控制的权利是属于用户的，用户可以根据自身的需求来加入或者退出，每个节点之间的地位都是一样的，节点之间合作就能够实现资源和服务的共享。P2P网络技术与传统的C/S（client/serve）结构相比，去掉了之前赖以维持运转的中心服务器，也就是不存在某一个服务器掌控着全局所有的数据。P2P网络中每一个节点都是相对独立的，并且都有相应的收发权限功能。因此，它并不会像C/S结构一样，一旦某一节点出错，服务器立刻停止工作。在P2P网络中，一旦出现节点问题，只是单纯剔除该节点并不影响整个网络的平稳运行，待该节点恢复即可重新发送信息。因此，该技术有去中心化、可扩展性和健壮性等优点，可以很好地避免网络信息被篡改，保证了数据的有效性。

1.2.2 非对称加密技术

传统的加密技术是指在对数据信息操作时使用同一个“钥匙”进行加密和解密。而非对称加密则指的是分别使用公钥和私钥进行加密和解密，而且两次使用时不能是同一个“钥匙”，其中公钥可以在网络进行传播，而私钥不可以在网络进行传播，而是掌握在用户手里，须经该用户同意后，下一位用户才能读取其中的信息。相比较而言，非对称加密技术更加安全可靠。

非对称加密技术最为重要的内容是信息加密和数字签名。信息加密可以防止信息被破解，主要过程是使用公钥进行加密、私钥进行解密。而数字签名则是指使用私钥进行加密和使用公钥进行解密，是一个信息对接验证的过程，刚好与信息加密相反。通过公钥的传播和私钥的交换可以完成信息的验证，保证了信息的安全性。

图1 区块链数据结构示意图Fig.1 Schematic diagram of blockchain data structure

1.2.3 共识机制

共识机制作为区块链技术的核心，在保证区块链系统稳定的前提下，可以通过一种特殊的节点来进行投票，并在非常短的时间内去完成交易的验证和确认，这不仅解决了用户之间的信任问题，更维护了整个区块链系统的正常运行。

目前，共识机制较为主流的算法有POW（proof of work）、POS（proof of stake）和PBFT（practical byzantine fault tolerance）等。POW即工作量证明，该机制表达的核心内容是利用区块链节点的分布式特性来保证数据的安全性和一致性［16］。POS即权益证明机制，可以解决POW中资源浪费的问题，它在系统中能够获得区块的记账权［17］。使用POS机制可以极大缩短交易时间和区块产生时间，同时提高计算效率。PBFT即拜占庭容错共识机制，是能够容忍恶意行为的共识机制，也是目前应用最广泛的一种算法。

在PBFT算法流程中，首先，进入预准备阶段，此时双方互相发送信息进行确认，确认成功之后，转入到准备阶段；其次，进入到准备阶段，其他节点收到信息并验证成功后，先进行保存，然后，发送给其他节点，假设作恶节点数量为f（作恶节点可能不发送任何信息，也可能发送错误信息），当某个节点接收到全网2f个不同节点发送的信息并且该信息和在上述预准备阶段接收到的信息一致时，才可以认为该信息有效，并且可以向网络中其他节点进行广播确认；最后，进入到确认阶段，只有当每个节点都可以收到2f+1个信息且不能有遗漏的情况下，才表明信息接受完毕，即可以终止通信。

1.2.4 智能合约

智能合约可以称为链上代码，应用时可以实时监控区块链系统运行的状态。当满足智能合约中规定的合约条件时，即可执行合约。为了保证区块链系统的安全性，一般会对智能合约采用隔离和限制的方法，因此，它一般都运行在沙箱（sandbox）中。这样可以防止合约中含有的漏洞或者恶意代码威胁到各个节点的安全［18］。

从技术层面来分析，区块链技术本质上就是：P2P+共识机制+密码学。具体来说，区块链就是应用P2P构建的网络架构，通过使用非对称密码学来保证数据的安全且不被篡改，最后使用共识算法来保证数据的一致性，达成数据有效性的目的。区块链技术最大的优势就是去中心化，成功运用数据加密、共识算法以及分布式存储等方法，建立了一种“信任”机制。在这种状态下，用户可以放心安全地进行产品交易，保证了交易的可靠性和安全性［19］。

2 区块链技术在水产品交易中的应用

随着电子商务的快速发展，互联网技术打破了水产品销售在时间和空间上的限制，让其他地区的消费者也能像水产品产地消费者一样进行鲜活水产品消费，进而逐渐改变消费者的消费习惯，推动水产品线上交易额不断增长，这将极大地促进渔业的发展［20-21］。

水产品由于其易腐性，对于生产销售的时效性要求更为突出，将其与电子商务线上交易相结合可以极大提高其销售效率。目前，国内生鲜电商可分为4大类：综合性电商平台、垂直水产品生鲜电商、社区O2O（online to offline）模式和创新模式［22］。水产品线上交易也大多采用了这4类模式。根据中国水产网渔猎搜索统计结果显示，中国水产企业自建网站占水产类网站的54%，其次为水产电子商务类网站，再次为水产门户网站和电子政务网站；其中，中国水产电子商务类网站约占整个水产类网站的10%，占比较低［23］。总的来看，中国水产电子商务还处于初步发展阶段。同时，与发达国家相比，中国水产品的物流信息化程度还处于较低的发展水平。在全国380家水产批发市场中，仅有20%的水产批发市场拥有网上每日交易价格信息，且这种信息网络在乡、村出现断层［23］。

近几年，虽然国家制定了相关政策和法律法规规范水产品交易流程，打击扰乱市场的违法行为，政府也在通过层层审查、筛选等方式，一步步消除水产品线上交易不合理、不规范的现象，但是经过调查发现，水产品线上交易中仍存在交易不规范、布局不合理、制度不完善和管理落后等问题［24］。因此，探索区块链技术在水产品交易中的应用变得刻不容缓。

2.1 基于区块链技术的水产品交易平台构建

在水产品交易领域，区块链技术主要应用于水产品线上交易平台设计与构建，以实现双方交易的数据存储。目前，多数商家使用以区块链技术搭建的以太坊（ethereum）为转账交易平台，将交易信息记录保存到区块链管理平台中，通过平台留有的接口进行对接操作，从而实现水产品在平台上的交易（图2）。

图2 基于区块链技术的水产品交易平台设计Fig.2 Design of aquatic product trading platform based on blockchain technology

基于区块链技术的水产品交易平台一般会有相关设计的APP，APP中有通用的登录、查询、增加订单和删除订单等信息，方便用户跟踪订单。除此之外，由于使用初期用户可能会担心在APP上进行交易的资金安全性，因此，平台会增加第三方金融机构来为交易双方提供资金和信用担保。

商品交易流程中，用户支付的资金会由第三方金融机构进行监管，交易平台提供给用户等额的虚拟货币，用户使用虚拟货币即可进行交易。所有的交易都是在区块链上进行，虚拟货币需要从交易平台进行买入，并且所有交易信息都会在区块链上记录。每一笔交易都会有相应的“保质期”，期限一到，由第三方机构进行双方资金结算。

2.2 水产品质量安全追溯体系构建

由于区块链技术具有去中心化、安全和不可篡改性，从诞生之初就被迅速应用于对产品生产链和供应链进行追溯。在水产品交易中，养殖企业会对水产品养殖中的相关信息进行记录，并传入到以区块链技术构建的线上交易平台中；在运输过程中，运输企业也会将运输信息记录到平台上；最后，销售信息同样会被记录到平台中。这些信息都被保存在区块链平台的各个节点中，一旦出现水产品质量安全问题，政府部门即可介入，通过交易平台进行溯源追查，调查问题原因并采取相应的处置措施，实现水产品质量安全全程可追溯，进而保证水产品质量安全。在区块链体系中非常完整地记录了流通的各个环节的质量检查结果，这样就可以很好地确保水产品质量安全相关信息不被人为篡改，有效地保护了消费者权益。在这方面，魏立斐等［25］用区块链技术与HACCP（hazard analysis and critical control point）管理相结合的方法，设计并分析了全新的智能化水产品溯源系统，通过仿真测试得出其实用性和安全性（图3）。

图3 基于区块链的水产品质量安全追溯体系Fig.3 Aquatic product quality and safety traceability system based on blockchain

2.3 水产品交易中资金安全性保障

在传统线上交易模式中，当用户通过手机银行、网点和网银等发生转账交易时，所有的信息都会传输至总部的数据库中进行保存，之后才可以进行资金移动。从模式上看，这是一个典型的中心化模式。而区块链技术的最大特点就是去中心化。它采用去中心化的手段，成功使得各个节点可以直接相互交互式访问。同时，任意两个交互信息都是经过加密之后进行传输的，可以有效阻止用户信息被破解，这样所有的节点都可以按照时间和存储方式等形成各自独立的交易信息，从而构成了去中心化结构（图4）。按照区块链技术的信息节点“最长”原则，理论上认为，即使单个节点出现被暴力修改的问题，最长的区块链也是最难以推翻和篡改的，所以节点永远认为最长链才是有效的区块链，这就保障了水产品交易中资金的安全性。

图4 去中心化结构图Fig.4 Decentralized structure diagram

3 总结与展望

区块链技术具有去中心化、安全和不可篡改性，使得区块链技术在各行各业都能得到广泛应用［26］，因此，其已经成为各个国家政府、产业部门和学术界关注的焦点。本文主要分析了目前区块链技术在水产品交易中的应用，研究认为区块链技术在水产品交易中可保证交易信息的安全、实现水产品质量安全的可追溯并且能够保障水产品交易中的资金安全，在未来水产品交易中是一项重要的技术支撑。中国政府相关部门积极倡导和鼓励水产机构或企业应用区块链技术，实现“区块链+”的战略部署，有望改变多年来水产品交易中存在的中心化模式问题，构建安全、放心和可靠的水产品交易链，提高水产品交易的安全性。

由于目前水产品线上交易方式仍存在交易不规范、布局不合理、制度不完善和管理落后等问题，因此，区块链技术在这一领域仍具有广阔的应用前景。在未来的水产品交易中，应将区块链技术不断渗透到交易的各个环节，实现交易信息的实时传播，形成更加透明、安全的水产品交易体系。除此之外，区块链技术在水产品交易应用中，不仅需要具备区块链技术知识的人才，也需要具备渔业相关专业知识的人才，因此，相关高校、科研院所和企业应通过产学研相结合的方式，大力培养具备区块链技术知识和渔业知识的复合型人才，从而推动渔业经济的不断发展。

随着量子计算机的发展，区块链技术中非对称加密技术被破解的可能性大大提高，一旦被破解，水产品交易相关信息就会面临被篡改的风险，造成难以估计的损失，因此，新的加密技术将会是未来的重点研究方向。