粮食安全关系国计民生,我国正在大规模建设和运营粮食质量追溯体系,以期实现高效的追溯定位、精确召回和责任追究。论文分析调研目前粮食质量追溯体系,总结出面临的主要问题:(1)粮食在供应链的整个生命周期中流转时,粮食的形态发生变化,粮食追溯数据描述维度单一、缺乏统一标准;追溯对象的标识静态定义、无法动态追溯。(2)粮食经营分散控制管理,呈现“跨地域、多环节、大流通”的特点,整个体系缺乏安全的数据交换协议来促进数据共享,数据完整性和可验证性较差。(3)信息管理系统以中心化的、各部门自建数据库和信息查询平台的方式为主,数据存在篡改风险。(4)目前没有合适的分布式解决方案为粮食供应链溯源提供所需要的性能、可信度,同时具备成本效益。针对以上问题,本文为粮食供应链溯源提供一个量身定制的、基于区块链的去中心化的解决方案GrainTrail(Grain supply chain traceability modeling)。区块链是一种分布式共享数据库,其点对点价值转移的去中心化特性,使所有信息被公开的记录在这个“公共账本”上,它的数据不能被篡改,每个人都可看随时查看,供应链溯源被认为是其适用的应用场景。本文具体完成工作有:(1)选择种植、仓储、加工、分销和销售共五种企业分析其业务流程,提出粮食供应链的溯源基本原则和溯源需求;并对追溯系统进行需求分析。(2)提出粮食供应链建模方法GSCTM(Grain supply chain traceability modeling),用以对粮食供应链追溯流程进行标准化描述。(3)引入GS1[1]全球可追溯标准,将追溯对象按照标准进行唯一标识,提出TDM(Traceability Data Model)五维度的数据模型用以全方位、多维度定义追溯对象,提高了系统互操作性。(4)GrainTrail采用分布式的点对点的架构设计,每个节点都具有五个功能模块:区块链模块、Node服务模块、Neo4j数据持久化模块、CMDIC模块和用户交互模块。利用以太坊结合Neo4j图数据库,将追溯数据按照“链上链下”的模式进行存储,降低了链上存储压力的同时提高系统I/O效率,并为高性能、多功能的溯源查询提供基础,例如动态标识追溯、双向追溯等;设计基于零知识证明算法(Zero-knowledge proof)的数据完整性检查的共识机制CMDIC,验证全链路的利益相关方提供的隐私数据的一致性和完整性;设计Node服务模块,对用户的数据上传和查询请求提供REST风格的接口;最后设计满足四种类型的用户的追溯系统前端交互网页。通过不同模块的配合,可以满足追溯系统用户的数据上传、隐私数据验证、数据查询和数据防篡改的需求。(5)实现并测试GrainTrail整体解决方案,证明了该解决方案可以在数据的查询效率和数据存储成本相比其他存储模式具有明显的优势,在不使用中心化服务器的情况下,使整个去中心系统具备一定的性能、可信度、以及成本效益。该方案既兼顾了粮食供应链业务场景的特殊性,同时具备了解决方案的通用性,可以为其他领域也提供了新的思路。