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齐培杨1,2, 孙传恒2, 谭昌伟3, 王俊4, 罗娜2(
), 邢斌2(
)
收稿日期:2025-07-11
出版日期:2025-10-09
基金项目:作者简介:齐培杨,硕士,研究方向为农业信息化技术研究。E-mail:2556382216@qq.com
通信作者:
QI Peiyang1,2, SUN Chuanheng2, TAN Changwei3, WANG Jun4, XING Bin2(
)
Received:2025-07-11
Online:2025-10-09
Foundation items:Jiangsu Provincial Science and Technology Program-Key R&D Program (Modern Agriculture) Project(BE2023315)
About author:QI Peiyang, E-mail: 2556382216@qq.com
Corresponding author:摘要:
【目的/意义】 蔬菜供应链具有生产主体类别多、产品品种多、流通环节复杂等特点,针对传统追溯过程中数据采集准确率低、追溯标签易伪造、数据易篡改、供应链信息断链等问题,通过分析蔬菜生产、加工、储运、销售等流程,利用蓝牙,区块链,物联网(Internet of Things, IoT)等手段,创建数据可信共享、全链溯源区块链平台。 【方法】 集成气象站、农残检测仪、标签打印机等物联网设备,通过硬件标识与企业主体绑定机制建立设备-主体可信映射;融合椭圆曲线综合加密方案(Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme, ECIES)与后量子密码中的Kyber算法,研发抗量子混合加密方案,实现物联网数据量子安全加密,阻断伪造篡改行为。 【结果和讨论】 在此基础上研发基于物联网和区块链的蔬菜防伪追溯系统并进行实验测试,对信息采集准确率、数据上链、数据查询进行了测试分析,实验结果表明物联网方式能够提高数据录入的准确率,数据上传至蔬菜防伪溯源区块链系统时延为2 879 ms,查询数据时延为122 ms。提出的蔬菜供应链后量子增强型椭圆曲线综合加密方案(Post-Quantum Enhanced ECIES, PQ-ECIES)对128 B明文的加密与解密时间总开销大约在10 ms,相比于传统加密方法RSA(Rivest-Shamir-Adleman)非对称加密的50~80 ms表现出较高效率,相较于对称加密的高级加密标准(Advanced Encryption Standard, AES)时间开销大,但抗量子安全性高。 【结论】 系统的数据上链和数据查询效率较高,可以满足的系统应用需求,能够有效解决传统追溯存在的漏填或错填追溯信息、追溯数据造假等问题,实现蔬菜的可信溯源。
中图分类号:
齐培杨, 孙传恒, 谭昌伟, 王俊, 罗娜, 邢斌. 基于PQ-ECIES的蔬菜物联网区块链防伪追溯系统[J]. 智慧农业(中英文), doi: 10.12133/j.smartag.SA202507019.
QI Peiyang, SUN Chuanheng, TAN Changwei, WANG Jun, XING Bin. Vegetable IoT Blockchain Anti Counterfeiting Traceability System Based on PQ-ECIES[J]. Smart Agriculture, doi: 10.12133/j.smartag.SA202507019.
表 1
蔬菜产中与产后物联网设备采集信息
| 供应链阶段 | 物联网设备 | 公开信息 | 隐私信息 |
|---|---|---|---|
| 产中 | 四情物联设备 | 蔬菜货物溯源ID、土壤湿度、气候数据、虫害发生情况 | 农户的具体位置、个人联系方式、四情物联设备ID |
| 农残检测仪 | 蔬菜货物溯源ID、检测时间、检测结果 | 生产者的身份信息、具体的种植地点、农残检测值、农残检测仪识别ID | |
| 农事采集App | 蔬菜货物溯源ID、作物生长周期、施肥、灌溉的时间 | 农户的操作记录、个人农事安排、农事采集设备ID | |
| 产后 | 条码打印机 | 蔬菜货物溯源ID、产品的追溯码、生产日期 | 生产批次、生产者信息、条码打印机设备ID |
| 仓储检测 | 蔬菜货物溯源ID、仓储公司、仓库温湿度、产品存储量 | 仓库位置、管理人员信息、仓储传感器设备ID | |
| 物流检测 | 运蔬菜货物溯源ID、运输路线、货物状态、运输公司信息 | 司机信息、运输公司内部数据、物流传感器设备ID | |
| 智能电子秤 | 蔬菜货物溯源ID、称重数据、计量时间 | 交易双方的信息、价格谈判数据、智能电子称设备ID |
表2
PQ-ECIES加密步骤伪代码
| Algorithm 1: 加密步骤算法 |
|---|
| Input: PrivacyData, (ReceiverPublicKey, ReceiverKyberPublicKey) //隐私数据,数据接收者双重公钥 |
| Output: Complete ciphertext //完整密文 |
| 1: /*步骤1:生成发件人的临时密钥*/ |
| 2: SenderTemporaryPrivateKey ← Random() // 生成临时随机私钥 |
| 3: SenderTemporaryPublicKey ← SenderTemporaryPrivateKey × G // 计算椭圆曲线公钥 |
| 4: SenderTemporaryKyberPublicKey ← Kyber.KeyGen() // 生成kyber临时公钥 |
| 5: /* 步骤 2:计算共享密钥 */ |
| 6: EllipticCurveSharedSecret ← SenderTemporaryPrivateKey × ReceiverPublicKey // 椭圆曲线共享密钥 |
| 7: (KyberCiphertext, KyberSharedSecret) ← Kyber.Encapsulation(ReceiverKyberPublicKey) // Kyber 共享密钥 |
| 8: /*步骤 3:派生联合密钥 */ |
| 9: CombinedSecret ← SHA3-256(EllipticCurveSharedSecret ∥ KyberSharedSecret) // 合并共享密钥并哈希 |
| 10: EncryptionKey ← KDF(CombinedSecret, "ENC") // 密钥派生函数(Key Derivation Function, KDF()),AES-GCM 是 高级加密标准 (AES)的一种工作模式,全称是Galois/Counter Mode |
| 11: MessageAuthenticationKey ← KDF(CombinedSecret, "MAC") //派生消息认证码(Massage Authentication Code,MAC)认证密钥 |
| 12: /* 步骤 4:加密隐私数据 */ |
| 13: Ciphertext ← AES-GCM-Encrypt(EncryptionKey, PrivacyData) // 使用 AES-GCM 加密数据 |
| 14: AuthenticationTag ← HMAC-SHA256(MessageAuthenticationKey, Ciphertext) //生成完整性认证标签, 基于散列的消息认证码-安全哈希算法(Hash-based Message Authentication Code-Secure Hash Algorithm,HMAC-SHA) |
| 15: /* 步骤 5:封装完整密文 */ |
| 16: CompleteCiphertext ← SenderTemporaryPublicKey ∥ SenderTemporaryKyberPublicKey ∥ |
| 17: KyberCiphertext ∥ Ciphertext ∥ AuthenticationTag // 拼接完整密文作为最终输出 |
表3
PQ-ECIES解密步骤伪代码
| Algorithm 2: 解密步骤算法 |
|---|
| Input: CompleteCiphertext, (ReceiverPrivateKey,ReceiverKyberPrivateKey) //完整密文,数据接收者双重私钥 |
| Output: Decryptedprivacydata // 隐私数据 |
| 1: /* 步骤 1:解析密文结构 */ |
| 2: [SenderTemporaryPublicKey, SenderTemporaryKyberPublicKey, |
| 3: KyberCiphertext, Ciphertext, AuthenticationTag] ← CompleteCiphertext // 拆分完整密文 |
| 4: /* 步骤 2:计算共享密钥 */ |
| 5: EllipticCurveSharedSecret ← ReceiverPrivateKey × SenderTemporaryPublicKey // ECC椭圆曲线共享密钥 |
| 6: KyberSharedSecret ← Kyber.Decapsulation(KyberCiphertext, ReceiverKyberPrivateKey) // Kyber 共享密钥 |
| 7: /* 步骤 3:重建联合密钥 */ |
| 8: CombinedSecret ← SHA3-256(EllipticCurveSharedSecret ∥ KyberSharedSecret) // 合并共享密钥并哈希 |
| 9: EncryptionKey ← KDF(CombinedSecret, "ENC") // 重建 AES-GCM 解密密钥 |
| 10: MessageAuthenticationKey ← KDF(CombinedSecret, "MAC") // 重建 MAC 认证密钥 |
| 11: /* 步骤 4:验证完整性 */ |
| 12: CalculatedTag ← HMAC-SHA256(MessageAuthenticationKey, Ciphertext) // 计算认证标签 |
| 13: if CalculatedTag ≠ AuthenticationTag then |
| 14: Reject the ciphertext // 验证失败,拒绝解密,数据已被篡改 |
| 15: end if |
| 16: /* 步骤 5:解密隐私数据 */ |
| 17: DecryptedPrivacyData ← AES-GCM-Decrypt(EncryptionKey, Ciphertext) // 还原原始隐私数据 |
表4
数据上链、加密、查询相关链码设计
| 链码功能 | 方法名称 | 描述 | 输入 | 输出 |
|---|---|---|---|---|
| 物联网 数据上链 | UploadProductionData() | 将生产数据写入区块链 | 生产数据 | True/False |
| UploadProcessData() | 将加工数据写入区块链 | 加工数据 | True/False | |
| UploadStorageData() | 将储运数据写入区块链 | 储运数据 | True/False | |
| UploadSaleData() | 将销售数据写入区块链 | 销售数据 | True/False | |
| PQ-ECIES加密验证 | GenerateKey() | 生成非对称密钥 | 组织节点信息 | 公私钥对 |
| PublicKeyEncryption() | 公钥加密 | 供应链隐私数据 | True/False | |
| PrivateKeyVerification() | 私钥验证 | PQ-ECIES加密后数据 | True/False | |
| 数据查询 | QueryPublicData() | 查询公开数据 | 公开数据ID | 对应公开数据 |
| QueryPrivacyData() | 查询隐私数据 | 隐私数据ID | 对应隐私数据 |
表5
溯源信息上链智能合约算法
| Algorithm 3: 溯源信息上链智能合约算法 |
|---|
| Input: 上传蔬菜货物溯源ID、土壤湿度、气候数据、虫害发生情况等产前物联网数据信息 |
| Output: True/False |
| 1: function UploadProductionData() //区块链中的产前物联网设备对应peer节点发起invoke上链请求 |
| 2: if len(args) then //判断请求中的数组长度是否符合规定长度标准 |
| 3: return shim.Error //数组长度不符合标准,上链失败,返回具体错误原因 |
| 4: end if |
| 5: uploadData ← preconditioning//将参数填入数据结构中 |
| 6: m ← json.M arshal(uploadData)//将对象序列化成数组存储 |
| 7: err ← stub.P utState(uploadData.ID, m)//根据ID,创建索引 |
| 8: err ← stub.P utState(uploadData.Name, m)//根据Name,创建索引 |
| 9: if err then //判断上链请求是否成功 |
| 10: return shim.Error //上链失败,返回具体错误原因 |
| 11: end if |
| 12: end function |
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