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:
CLC Number:
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.
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URL: https://www.smartag.net.cn/EN/10.12133/j.smartag.SA202507019
Table 1
Information collection via IoT devices during and post-vegetable production
| 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 |
Table 2
Pseudocode for the encryption steps of PQ-ECIES
| 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 |
Table 3
Pseudocode for the Decryption Steps of PQ-ECIES
| 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 |
Table 4
Design of chaincode for encrypted data query on blockchain
| 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 |
Table 5
Traceability information on chain smart contract algorithm
| 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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