摘要
为解决目前水产交易中手动录入计量数据易篡改、易丢失的问题，本研究提出一种基于区块链技术的水产交易计量数据采集与传输安全模型。首先设计一套基于树莓派的数据采集平台，用于数据的自动采集和录入；其次通过智能合约和共识机制保证所采集交易数据的传输与存储安全；最后，基于区块链技术设计一套水产交易计量数据采集与传输系统，实现水产交易计量数据采集和查询等功能，并基于Hyperledger Fabric平台搭建测试环境进行验证。结果显示，基于区块链技术的数据采集与传输系统可以有效地完成数据采集，保证数据传输与存储过程中的数据安全，数据传输率可达100%，丢包率相比传统传输系统更低。结果表明，本研究所提出的模型有效提高了数据的安全可靠性，提升了水产交易效率，更适合在实际水产交易中使用。
我国是世界上最大的水产养殖国家，养殖总量占世界养殖总产量的60%以
区块链是一种利用智能合约和密码学算法将数据区块按照时间顺序链接的链式数据存储结
针对上述问题，本研究设计了一种基于区块链技术的水产交易计量数据自动采集与传输模型，使用树莓派（Raspberry Pi，RPI）采集水产交易计量数据。通过智能合约、加密算法和共识算法实现数据的自动加密上传和共识存储，保障数据的真实可信，并结合实际应用对本系统进行安全性能分析，旨在为水产交易计量数据的采集和存储提供技术支持。
在水产交易的过程中，参与交易过程的主体是收购商、水产养殖户和第三方监督机构，根据水产交易实际需求，基于树莓派进行数据采集，并利用区块链技术完成数据传输和存储，可以构建一套安全、高效、可信的水产交易平台。为实现交易数据的可追溯性，在对计量数据进行区块链网络传输过程中，还需将水产品信息、养殖户信息和采购商信息等一同存储在区块链中。水产交易业务分析中所需数据信息如
| 水产交易数据Aquatic trading data | 详细数据Detailed data |
|---|---|
|
水产养殖户信息 Aquaculture household information |
水产养殖户姓名、水产养殖户ID Name and ID of aquaculture user |
|
水产收购商信息 Aquatic product purchaser information |
水产收购商姓名、水产收购商ID Name and ID of aquatic product purchaser |
|
水产品信息 Aquatic product information |
质量、种类、养殖年限、养殖产地 Mass, type, breeding period, breeding place |
|
水产交易属性信息 Aquatic product transaction attribute information |
交易批次ID、交易时间、 交易价格 Transaction batch ID, transaction time, and transaction price |
针对目前水产交易中人工采集计量数据存在的存储、数据易被篡改和丢失的问题，本研究提出了一种基于区块链和物联网技术融合的水产交易计量数据采集和存储方法。以物联网技术为基础，通过使用可信的嵌入式设备收集数据，以区块链技术为支撑实现水产交易数据的安全存储和传输，其模型如
图1 水产交易计量数据自动采集与传输安全模型
Fig.1 A security model for automatic collection and transmission of aquatic trade measurement data
从数据流动的角度看，整个水产计量数据传输与存储安全模型分为数据的采集、传输、存储和查询4部分。首先在便携式电子秤上部署基于树莓派的数据采集平台实现数据的采集，其次在数据传输阶段对采集的数据进行统一处理，由智能合约对数据进行是否可以上链判定，并对上链的数据使用加密算法进行加密处理，然后将加密后的数据上传至区块链网络，保证数据传输过程的安全性和完整性，同时在区块链网络中调用智能合约对数据进行广播，并使各节点与上链数据达成共识，最后将数据存储到区块链网络中的各个节点。数据查询主要服务于水产养殖户、收购商和监管机构，通过使用区块链技进行权限管理，并赋予各角色不同的查询权限，利用智能合约进行权限验证，既保证了数据的公开透明，又保护了水产交易双方间的商业隐私，使交易过程变得更加的安全高效。
针对传统水产交易环境差、硬件设施简陋和数据采集管理难度大等问题，本研究设计了一套集水产品称量、GPS定位、数据采集、数据加密和数据无线传输于一体的数据采集平台，开发了一套占用空间小、操作简便且成本低廉的一体化设备。其硬件结构如
图2 水产交易计量数据采集平台硬件结构图
Fig.2 Hardware structure diagram of data acquisition platform
该平台用模块化设计方案，具有低功耗、可扩展、性能稳定等特点。使用Raspberry Pi 3B+为硬件控制主板，实物图如
图3 硬件控制主板
Fig.3 Hardware control board
水产交易计量数据采集平台具体实现的功能：（1）水产品称量。由电子秤实现水产品称量，称量数据通过RS232串口转USB串口传输到控制主板。（2）养殖产地信息自动获取。通过AT命令向卫星发送定位请求，接收并解析卫星回传电波中的位置信息，从而计算出GPS接收器所在位置的经、纬度信息，最终产生养殖产地信息。（3）信息录入。通过输入设备输入养殖户ID、收购商ID、种类、养殖年限等信息。（4）数据自动加密和上传。在树莓派上设置区块链peer节点，利用加密算法对上链数据进行加密，调用智能合约实现数据自动上传，由NB-IOT模块提供通信支持。
智能合约是一种具有去中心化、自行校验且自动执行特点的数字化协议，分为合约生成和合约执行2个子模块。通过设置可自动触发的执行条件，为区块链网络中的用户提供信息交互和价值转移等功
图4 数据上传智能合约流程图
Fig.4 Data upload smart contract flowchart
共识是区块链系统最核心的技术。在区块链网络中，共识算法的使用有利于分散和不信任网络节点的数据达成一致，使各节点存在相同的数据副本。在水产交易中，随着交易双方人员的增加，系统中区块链节点数量和上链数据随之增加，所存储的数据量越来越多，对网络中各节点的硬件配置要求也越来越高，传统树莓派存储量无法满足要求。实用拜占庭容错算法（practical Byzantine fault tolerance，PBFT）是一种基于状态机复制的共识算
图5 基于BPFT改进共识机制的执行流程
Fig.5 Improving the execution process of consensus mechanism based on BPFT
在
（1）客户端节点发起请求，请求消息经数字签名后发送给主节点。
（2）主节点监听到请求后，进入预准备（pre-prepare）阶段。主节点对消息签名进行验证，若不通过，则直接丢弃；若通过，则对请求进行编号，生成预准备消息，经数字签名后广播给其他节点。
（3）备份节点监听到主节点发出的预准备消息后，进入准备（prepare）阶段。备份节点对预准备消息签名进行验证，若通过，则生成准备消息，经数字签名后广播给其他节点。同时，把预准备消息和准备消息写入本地日志。
（4）节点对收到的准备消息进行消息验证，若通过，则将准备消息写入本地日志。当收集到2f+1个来自不同节点（包括自身）准备消息，则向所有节点广播提交消息。
（5）在备份节点收集到2f+1个提交消息后，向客户端节点发送答复消息，客户端收集到f+1个答复消息后，则确认已经达成共识。
本研究设计的水产交易计量数据传输与存储系统，是由数据采集层、传输层、数据层、服务层和应用层5层结构组成。该系统可实现水产交易计量数据的采集、传输、存储、查询和监督预警等功能，系统架构如
图6 水产交易计量数据传输与存储系统架构图
Fig.6 Data transmission and storage system architecture diagram
在水产交易计量数据传输与存储系统架构中，数据采集层主要由电子秤、全球定位系统（GPS）、窄带物联网（NB-IOT）和树莓派等模块组成。电子秤和GPS模块用来对计量数据进行采集和定位，树莓派模块将收集到的数据上传至区块链网络，NB-IOT模块负责将数据上传至网络层。在系统架构的传输层，基于Grpc的Gossip协
水产交易计量数据传输与存储系统采用模块化设计，由用户平台和数据采集平台两部分组成。其中，用户平台包括用户登录、用户管理、数据查询和监督预警等模块。数据采集平台用来部署树莓派的终端节点，分为数据采集模块和数据上链模块。该系统的用户平台中，用户登录模块可实现用户的注册和登录，用户管理模块可为水产交易中不同参与者分配不同的权限功能，数据查询模块为不同用户提供数据查询服务。系统采集到的所有计量数据，均以key-value的方式存储在区块链的数据库中，将水产养殖户ID和收购商ID作为key值，通过遍历key键进行查询。而系统的监督预警模块为监管部门提供水产计量数据。系统功能模块结构如
图7 系统功能模块结构图
Fig.7 System functional module structure diagram
本研究使用基于树莓派和阿里云平台搭建的测试环境对所提出的模型进行了验证。试验中，树莓派配置为64位4核Cortex-A53处理器、64 G内存及ubuntu 20.10系统。阿里云配置了4核处理器、16 G运行内存、安装ubuntu 20.04系统。软件采用Hyperledger Fabric 1.4.3和Docker 18.09。其中，Fabric区块链网络有6个节点，其中orderer节点提供排序服务生成新的区块，CA节点负责系统证书管理，1个peer节点部署在树莓派上。试验使用fabric默认的LevelDB数据库进行数据的存储。根据实际水产交易过程，系统针对不同用户需求开发出相应模块，用户填写相关信息完成系统注册后可根据需求登陆系统，输入不同交易批次可查询相关水产交易数据，用户登录和查询界面如
图8 系统登录（A）及查询界面（B）
Fig.8 System login（A） and query interface diagram（B）
为验证系统的稳定性和数据传输完整性，试验通过PC机模拟电子秤，以500条/s的频率进行数据的实时上传，测试结果如
系统 System | 发送数据/条 Send data | 接收数据/条 Receive data | 成功率/% Success rate | 丢包率/% Packet loss rate |
|---|---|---|---|---|
|
本研究系统 The research system | 500 | 500 | 100 | 0 |
| 500 | 500 | 100 | 0 | |
| 500 | 500 | 100 | 0 | |
| 500 | 500 | 100 | 0 | |
|
传统传输系统 Traditional transmission system | 500 | 500 | 100 | 0 |
| 500 | 495 | 99 | 1.0 | |
| 500 | 497 | 99.4 | 0.6 | |
| 500 | 499 | 99.8 | 0.2 |
由测试结果可知，在发送同样大小数据包的前提下，传统的数据传输系统存在丢包现象，无法完全接收所发送的数据。而本研究所设计的基于区块链技术的数据传输系统的数据传输成功率可达100%，丢包率相比传统传输系统更低，该系统的数据传输更安全。为验证该系统的数据上传和查询功能，试验中依次测试10~100条数据在基于阿里云和基于树莓派不同情况下的结果。数据上传及查询的对比试验结果如
图9 数据上传及查询对比结果
Fig.9 Data upload and query comparison results
A.数据上传速率对比 Comparison of data upload rates； B.数据查询速率对比 Data query rate comparison.
由
本研究针对目前水产交易中手动录入计量数据易篡改、易丢失的问题，构建了一套基于区块链技术的水产交易计量数据采集与传输安全模型。通过使用基于树莓派的数据采集平台，实现了数据的自动采集和上链，提高了实际操作效率，保证了数据来源的安全可靠，智能合约实现了计量数据传输与存储安全。通过对比基于树莓派和基于阿里云的性能，在请求上链速率一致的前提下，基于树莓派的数据上链速度更优，且随着数据量的增加数据上传效率逐渐增强。
通过基于PBFT的改进共识机制，解决了树莓派存储容量问题，并提出了系统传输与存储架构及相应功能模块的设计方案。同时使用基于 Hyperledger Fabric平台搭建的测试环境分别对水产交易数据的上传和查询进行了验证。结果表明，本研究所提出的基于区块链技术的水产交易计量数据采集与传输系统可有效保证数据采集和存储的安全可靠，可为水产交易过程提供可信的计量数据。但由于树莓派本身计算能力和内存容量限制问题，本研究的模型相对传统区块链模型更易受到攻击，其有限的内存空间会随着数据量的增多而无法满足存储需求。在后续研究中，可针对树莓派存储容量和共识算法的性能提升方面进行深入研究。
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