CN116303713A - 一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法 - Google Patents

一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及区块链领域，具体涉及一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法。包括区块链管理模块、资源管理模块、文章管理模块和消息管理模块；所述区块链管理模块包括底层支撑层、服务管理层和应用层，所述底层支撑层包括合约层、激励层、共识层、网络层、数据层，所述服务管理层包括智能合约管理、安全管理、运营监控、查询引擎和访问控制的API，所述应用层包括种质资源监管方、种质资源服务方、种质资源服务方和种质资源需求方；所述资源管理模块包括集中架设和客户端，所述客户端包括热带作物种质资源统一监管平台、热带作物种质资源库和热带作物资源统一服务平台；结构简单，设计合理。

Description

一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法
技术领域
本发明涉及区块链领域，具体涉及一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法。
背景技术
在现有的基于区块链的农作物种质资源追溯***中，种质资源全生命周期中不同环节的新增信息，可以附加时间戳打包成区块上链。由于区块链在验证时包括了历史区块的信息，因此区块构成了时序上不可打乱的链，可以通过访问历史区块来查询特定数据及其时序信息，具有天然的可追溯性。在一般的区块链***中，数据被永久记录在链中，具有很强的不可篡改性，因此数据在上链时必须具有绝对严格的准确性和正确性，以避免可能的数据修改。在面向热带作物种质资源研究和保护的场景下，区块链技术的上述特点将严重地限制种质资源追溯的灵活性、可信性、准确性和广泛性：由于热带作物的生物多样性显著地超过温带作物和寒带作物，因此热带作物种质资源收集具有地域广、种类多的特点，而且同科同属的热带作物在性状上的表现可能具有非常显著的差别。这就造成热带作物种质资源信息的收集往往具有实物采集与信息采集分离、资源采集重复率和错误率相对较高的特点。此外，热带作物还具有很强的可改造性，更加大了有关种质资源采集和辨别的难度和复杂性。因此热带作物种质资源信息数据可能会面临较为频繁的调整、更正甚至删除，这对有关区块链***中数据操作的灵活性提出了很大的挑战，需要结合基因组学等现代生物技术，设计新的机制来解决该问题，既能提高热带作物种质资源信息的准确性，又能灵活地对错、漏的种质资源信息记录进行调整甚至删除。为此，本发明提供了一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法。
发明内容
针对上述的不足，本发明提供了一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法，包括区块链管理模块、资源管理模块、文章管理模块和消息管理模块；
所述区块链管理模块包括底层支撑层、服务管理层和应用层，所述底层支撑层包括合约层、激励层、共识层、网络层、数据层，所述服务管理层包括智能合约管理、安全管理、运营监控、查询引擎和访问控制的API，所述应用层包括种质资源监管方、种质资源服务方、种质资源服务方和种质资源需求方；
所述资源管理模块包括集中架设和客户端，所述客户端包括热带作物种质资源统一监管平台、热带作物种质资源库和热带作物资源统一服务平台。
作为优化，所述查询引擎和访问控制的API包括种质资源数据写入API、种质资源数据查询API、种质资源产权写入API、合约管理API、访问控制API、基因组测序API、基因组写入API、基因组查询API。
作为优化，所述集中架设模块包括中心CA节点和平台Order节点，所述热带作物种质资源统一监管平台包括监管方用户、监管方在线***、监管方Peer节点；所述热带作物种质资源库包括种质资源所有方用户、种质资源所有方在线***和所有方Peer节点；所述热带作物资源统一服务平台包括种质资源需求方用户、统一服务平台和服务方Peer节点。
作为优化，所述热带作物种质资源统一监管平台、热带作物种质资源库热带作物资源统一服务平台与集中架设模块通过GRPC和HTTPS进行信息传输。
作为优化，所述资源管理模块包括种质资源的统计分类、种质圃库、种质新闻以及特色资源。
作为优化，
S1：对种质资源收集，客户端发送请求，激活集中架设模块中的中心CA节点和平台Order节点的服务操作，当中心CA节点和平台Order节点接收请求后，启动三阶段的协议以向监管方Peer节点、所有方Peer节点和服务方Peer节点发出广播请求；
S2：种质资源储存，热带作物种质资源统一监管平台、热带作物种质资源库和热带作物资源统一服务平台运行相同智能合约，对提交到集中架设模块中的中心CA节点和平台Order节点的种质资源操作信息进行审核记录，所有对种质资源操作的行为由智能合约进行约束、管理和记录；
S3：进行种质资源鉴定，分别处有效的种质资源和无效的种质资源；
S4：对有效的种质资源进行种质资源共享；
S5：可通过区块链管理模块对资源的最新状态进行查询，若最新状态为“无效”，则查询结果为“该资源无效”，若该资源最新状态不是“无效”状态，则可对该资源状态进行追溯。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法，实现热带作物种质资源信息数据的精准上链，能够灵活地实现错漏、缺失的种质资源信息数据区块的逻辑修改和逻辑删除；
有效地解决热带作物种质资源采集与鉴定、上链的时空分离问题，提高种质资源信息数据的准确率和正确率，最终实现热带作物种质资源的安全、灵活和可信溯源，结构简单，设计合理；
附图说明
图1为本发明的BTCGRM层次架构图；
图2为本发明的PBFT共识算法流程示意图；
图3为本发明的数据逻辑链流程示意图；
图4为本发明的BTCGRM技术架构图；
图5为本发明的热带作物种质资源管理***核心流程图；
图6为本发明的***首页图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1-6所示的一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法，包括区块链管理模块、资源管理模块、文章管理模块和消息管理模块；
所述区块链管理模块包括底层支撑层、服务管理层和应用层，所述底层支撑层包括合约层、激励层、共识层、网络层、数据层，所述服务管理层包括智能合约管理、安全管理、运营监控、查询引擎和访问控制的API，所述应用层包括种质资源监管方、种质资源服务方、种质资源服务方和种质资源需求方；
为了兼顾热带作物种质资源易于管控和灵活、可信服务的两种需求，在热带作物种质资源管理与服务区块链中，共设置四种角色：
种质资源监管方：依托中国科技资源共享网和中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所，联合建设种质资源监管平台，行使管理和考核评价职能，包括种质资源采集监控及统计、种质资源流转监控及统计、种质资源数据质量评测、用户满意度调查、服务性能监测等具体管理任务；
种质资源服务方：依托中国科技资源共享网和中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所，联合建设种质资源服务平台。还包括为种质资源需求使用方提供各类服务的其他机构，包括已经建立的国家热带植物种质资源库，以及其他社会资金建设的种质资源库、各育种机构等。以上种质资源库和机构均应建立自己的在线服务***(例如网站)；
种质资源所有方：种质资源的产权或其他同类型权益的所有方，既可以独立加入种质资源管理与服务区块链，也可以委托种质资源服务方代理。在有的情况下，种质资源服务方自身也可能持有种质资源的所有权，此时将兼具种质资源服务方、所有方双重角色；
资源需求使用方：种质资源的终端用户，包括(国内、外)科研机构、企业或个人等。
底层支撑层提供区块链的支撑技术包括数据存储结构、网络通信、共识算法、激励模式以及智能合约执行环境等核心技术，实现弹性存储管理、热插拔数据库管理、容器管理与集群管理等；服务管理层包括智能合约管理、安全管理、运营监控、查询引擎、区块链开发SDK等核心服务，并向上层提供区块链数据访问和修改、智能合约管理和访问控制的API；应用层则构建面向种质资源管理与服务的应用，也是资源管理***与区块链***交互的核心。
所述资源管理模块包括集中架设和客户端，所述客户端包括热带作物种质资源统一监管平台、热带作物种质资源库和热带作物资源统一服务平台，所述集中架设、热带作物种质资源统一监管平台、热带作物种质资源库和热带作物资源统一服务平台通过HTTPS和GRPC进行数据传输。
在本实施例中，，所述查询引擎和访问控制的API包括种质资源数据写入API、种质资源数据查询API、种质资源产权写入API、合约管理API、访问控制API、基因组测序API、基因组写入API、基因组查询API。
在本实施例中，所述集中架设模块包括中心CA节点和平台Order节点，所述热带作物种质资源统一监管平台包括监管方用户、监管方在线***、监管方Peer节点；所述热带作物种质资源库包括种质资源所有方用户、种质资源所有方在线***和所有方Peer节点；所述热带作物资源统一服务平台包括种质资源需求方用户、统一服务平台和服务方Peer节点。
CA节点：主要任务是通过对加入链内的所有节点(包括上层的终端用户)颁发证书来实现对节点的授权认证，各节点使用证书作为交易流程中的身份识别，其中通过证书认证身份合法性的步骤如下：
a:客户端收到证书后进行证书有效性的验证；b:客户端使用本地的公钥对收到服务端传来的证书进行解密，得到证书明文和数字签名；c:CA公钥解密数字签名，拿到数字摘要；d:hash证书明文本地生成数字摘要；e:校验数字摘要是否相同(相同则代表证书明文没有做过篡改)；f:拿到服务端的公钥,利用公钥交换对称密钥进行之后的加密通信；
Peer节点：参与交易的主体，代表每个参与到链上的成员，负责储存完整的账本数据即区块链数据，负责共识环节中智能合约的执行。其中维护完整账本数据的peer节点称为Committer，并根据具体的业务划分背书策略决定。每个参与到链上的成员都是一个Peer节点，是参与交易的主体，负责储存完整的账本数据即区块链数据，负责共识环节中智能合约的执行。其中根据节点在交易中的不同角色可以分为Endorser(背书节点)和维护完整账本数据的Committer(记账节点)。
Orderer节点：主体功能是收集网络中的交易请求并对交易排序(排序的原则为FIFS(FirstInFirstServed)，是由到达Orderer的时间来决定，从而保证各Peer节点上的数据一致性)后打包产生新的区块，此外还包含ACL访问控制。
Client：Fabric对于各种类型的终端用户提供了SDK，开发人员可以使用SDK发起交易，能够更容易地对接到区块链内的交易环节。
在本实施例中，所述热带作物种质资源统一监管平台、热带作物种质资源库热带作物资源统一服务平台与集中架设模块通过GRPC和HTTPS进行信息传输。
在本实施例中，所述资源管理模块包括种质资源的统计分类、种质圃库、种质新闻以及特色资源。
在本实施例中，
通过执行不同的智能合约所产生的交易来完成对种质资源的各类型操作(收集、保存、鉴定、浏览和交易等)。BTCGRM架构为联盟链，由异地多节点组成，节点之间使用PBFT(PracticalByzantineFaultTolerance)算法形成共识，该算法形成共识的操作流程如图2所示，其中C为客户端，0～3表示服务节点，特别的，0为主节点，3为故障节点。
S1：对种质资源收集，客户端发送请求，激活集中架设模块中的中心CA节点和平台Order节点的服务操作，当中心CA节点和平台Order节点接收请求后，启动三阶段的协议以向监管方Peer节点、所有方Peer节点和服务方Peer节点发出广播请求；
S2：种质资源储存，热带作物种质资源统一监管平台、热带作物种质资源库和热带作物资源统一服务平台运行相同智能合约，对提交到集中架设模块中的中心CA节点和平台Order节点的种质资源操作信息进行审核记录，所有对种质资源操作的行为由智能合约进行约束、管理和记录；
S3：进行种质资源鉴定，分别处有效的种质资源和无效的种质资源；
S4：对有效的种质资源进行种质资源共享；
S5：可通过区块链管理模块对资源的最新状态进行查询，若最新状态为“无效”，则查询结果为“该资源无效”，若该资源最新状态不是“无效”状态，则可对该资源状态进行追溯。
***页面
本发明测试环境为MacOS***，运行在Macmini8G512G版本的电脑上，使用Java语言搭建了热带作物种质资源管理服务***，
用户可以登录网站，对所需要了解的种质资源进行搜索，也可以查看种质资源的统计分类、种质圃库、种质新闻以及特色资源，并能通过QQ、电话等方式联系到***管理员。管理员将时下新闻发布在新闻资讯栏目，新闻详情页面包含当前所在位置、新闻标题、新闻内容、资讯来源、发布时间、浏览量等信息，数据从数据库实时获取，保证了新闻的时效性和发布内容的可控性。
同时，***管理员还可以在***后台实现新闻的发布、种质资源的管理、新增、认定、上链等功能。种质资源信息由管理员或用户提交，经由执行智能合约、产生交易、打包为区块，达成共识提交至区块链，种质资源的上传、下载、传输、授权等过程信息均存储在区块链网络的区块内，包含种质资源基本信息、收集信息、保存信息、鉴定信息、共享信息等模块，实现了对种质资源数据的保护确权，结合区块链技术实现对种质资源的管理和服务。
***主要包含资源管理模块、文章管理模块、消息管理模块、区块链管理等模块，各模块主要负责功能如下：
资源管理模块：对于所有纳入***管理和服务的种质资源，种质资源各方应提供种质资源在全生命周期各环节的详细数据，包括采集、培育、利用等操作记录和相关数据；
文章管理模块功能：负责***中的新闻、科技咨询等文章编写与发布；
消息管理模块功能：负责对种质资源反馈、意见提交处理等；
区块链管理模块功能：主要负责种质资源溯源、智能合约部署、区块链节点管理、区块信息查询等；
在***中资源管理角色主要分为：采集员、鉴定员、保存员、共享人员、区块链管理人员、普通人员。
采集员：负责户外种质资源的信息采集；
鉴定员：对采集人员采集的信息进行鉴定与评价；
保存员：对鉴定员的鉴定信息进行附加信息添加并进行保存入库；
共享人员：选择种质资源是否对外共享；
区块链管理人员：对最终录入的资源进行上链操作；
普通人员：对***进行普通访问，如对共享资源进行查看等。
工作原理：本发明提供的一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法，先进行种质资源收集，再进行种质资源保存，然后进行种质资源鉴定、最后进行种质资源共享；可以再登入***对需要的种质资源进行查询追溯。
本发明将立足于我国热带作物种质资源的管理现状，基于区块链技术和基因组学等现代生物技术，通过在区块链上建立数据确认机制和数据逻辑链，实现热带作物种质资源信息数据的精准上链，能够灵活地实现错漏、缺失的种质资源信息数据区块的逻辑修改和逻辑删除，有效地解决热带作物种质资源采集与鉴定、上链的时空分离问题，提高种质资源信息数据的准确率和正确率，最终实现热带作物种质资源的安全、灵活和可信溯源。
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法，其特征在于：包括区块链管理模块、资源管理模块、文章管理模块和消息管理模块；
所述区块链管理模块包括底层支撑层、服务管理层和应用层，所述底层支撑层包括合约层、激励层、共识层、网络层、数据层，所述服务管理层包括智能合约管理、安全管理、运营监控、查询引擎和访问控制的API，所述应用层包括种质资源监管方、种质资源服务方、种质资源服务方和种质资源需求方；
所述资源管理模块包括集中架设和客户端，所述客户端包括热带作物种质资源统一监管平台、热带作物种质资源库和热带作物资源统一服务平台。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法，其特征在于：所述查询引擎和访问控制的API包括种质资源数据写入API、种质资源数据查询API、种质资源产权写入API、合约管理API、访问控制API、基因组测序API、基因组写入API、基因组查询API。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法，其特征在于：所述集中架设模块包括中心CA节点和平台Order节点，所述热带作物种质资源统一监管平台包括监管方用户、监管方在线***、监管方Peer节点；所述热带作物种质资源库包括种质资源所有方用户、种质资源所有方在线***和所有方Peer节点；所述热带作物资源统一服务平台包括种质资源需求方用户、统一服务平台和服务方Peer节点。
4.根据权利要求3所述的一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法，其特征在于：所述热带作物种质资源统一监管平台、热带作物种质资源库热带作物资源统一服务平台与集中架设模块通过GRPC和HTTPS进行信息传输。
5.根据权利要求1所述的一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法，其特征在于：所述资源管理模块包括种质资源的统计分类、种质圃库、种质新闻以及特色资源。
6.根据权利要求3所述的一种基于区块链和基因组学的热带作物种质资源溯源方法，其特征在于：
S1：对种质资源收集，客户端发送请求，激活集中架设模块中的中心CA节点和平台Order节点的服务操作，当中心CA节点和平台Order节点接收请求后，启动三阶段的协议以向监管方Peer节点、所有方Peer节点和服务方Peer节点发出广播请求；
S2：种质资源储存，热带作物种质资源统一监管平台、热带作物种质资源库和热带作物资源统一服务平台运行相同智能合约，对提交到集中架设模块中的中心CA节点和平台Order节点的种质资源操作信息进行审核记录，所有对种质资源操作的行为由智能合约进行约束、管理和记录；
S3：进行种质资源鉴定，分别处有效的种质资源和无效的种质资源；
S4：对有效的种质资源进行种质资源共享；
S5：可通过区块链管理模块对资源的最新状态进行查询，若最新状态为“无效”，则查询结果为“该资源无效”，若该资源最新状态不是“无效”状态，则可对该资源状态进行追溯。
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