Gestione filiera alimentare tramite blockchain

Studente/i

Francesco Bresciani

Giacomo Poretti

Laboratorio Cantonale

Ingegneria Informatica PAP

Modulo

Progetto di diploma

2019

5 settembre 2019

Abstract

Oggi, più che mai, il consumatore preferisce acquistare prodotti alimentari di cui può co-noscere l’origine delle materie. Il progetto si propone di dimostrare, attraverso il traccia-mento della filiera del Formaggio d’Alpe Ticinese DOP, che è possibile sviluppare un’appli-cazione basata su blockchain che sia sufficientemente semplice da essere impiegata per il tracciamento delle filiere corte come quelle dei prodotti tipici del nostro territorio.

Sono state individuate e analizzate diverse applicazioni esistenti che si propongono di fornire un ecosistema digitale in cui gli attori di una filiera possano raccogliere le informazioni relative ad un prodotto e presentarle al consumatore attraverso un dispositivo mobile. Nel-l’ambito del progetto è stato sviluppato un prototipo che ha permesso di mettere a confronto diverse soluzioni tecnologiche e fornire indicazioni per una futura implementazione.

L’applicazione sviluppata dimostra come sia possibile godere dei benefici dell’impiego della blockchain escludendo la complessità e i gli elevati costi delle altre soluzioni. Grazie ad una approccio di questo tipo, anche i piccoli produttori possono offrire ai propri consumatori una visione trasparente del processo di creazione di un determinato prodotto.

Il progetto offre solide basi su cui sviluppare un’applicazione per il tracciamento di molteplici filiere permettendo di integrare non solo produttori, rivenditori e consumatori ma anche enti di controllo e enti di certificazione dando coì ancora più valore ai pregiati prodotti ticinesi.

Abstract

Today, more than ever, consumers prefer food that the source of the raw material it’s produ-ced with is known.

The project, through the study of the supply chain of the traditional cheese produced on the southern-swiss alps, aims to provide the evidence that we can build a blockchain-based application simple enought to be used to track the short supply chain that characterize the production of our local products.

We found and studied a moltitude of existent applications that aim to create a digital en-vironment where the supply chain participants can record informations about a product and show them through a mobile device. The develpment of the project allowed us to compare different technologies and supply valuable insights for future development.

The proposed application is the evidece that it’s possible to benefit from the use of the blockchain technology avoiding the complexity and high-costs of the other existent solutions. Using an approach like the one proposed, also little producers can provide a transparent view of the creation process of their products.

The project provides a strong bottom line on top of wich is possible to develop an appli-cation to track different supply chains allowing certifiappli-cation authorities and legal authorities to join producers, retailers and consumers in giving value to the finest local products.

Indice

1 Introduzione e contesto 1

1.1 Laboratorio cantonale . . . 1

1.2 Scopo del progetto . . . 1

1.3 Obiettivi del progetto . . . 2

1.4 Definizioni . . . 2

1.4.1 Filiera . . . 2

1.4.2 Tracking e Tracing . . . 2

1.4.3 Importanza della tracciabilità nella filiera agroalimentare . . . 3

1.4.4 Blockchain . . . 7

1.4.4.1 Caratteristiche della blockchain . . . 7

1.4.4.2 Tipologie di blockchain . . . 9

1.4.4.3 Funzionamento della blockchain . . . 10

1.4.5 Merkle Tree e DAG . . . 10

1.5 Formaggio d’Alpe Ticinese DOP . . . 10

2 Stato dell’arte 15 2.1 Blockchain . . . 15 2.1.1 Bitcoin . . . 15 2.1.2 Hyperledger . . . 16 2.1.3 Ethereum . . . 17 2.1.4 Quadrans . . . 18

2.2 Soluzioni che non fanno uso di una blockchain . . . 18

2.2.1 Esempi . . . 18

2.2.1.1 SIG Connected pack . . . 19

2.2.2 Vantaggi . . . 20

2.2.3 Caratteristiche . . . 20

2.2.4 Focus . . . 21

2.2.5 Considerazioni . . . 21

2.3 Soluzioni che fanno uso di una blockchain . . . 21

2.3.1.1 TE-FOOD . . . 22

2.3.1.2 IBM Food Trust . . . 23

2.3.1.3 Foodchain DApp . . . 23 2.3.2 Vantaggi . . . 24 2.3.3 Caratteristiche . . . 24 2.3.4 Focus . . . 24 2.3.5 Considerazioni . . . 25 2.4 IPFS . . . 25 3 Soluzione 27 3.1 Definizione finalità progetto . . . 27

3.2 Scelte . . . 28

3.2.1 Perché la blockchain . . . 28

3.2.1.1 Paragone tra blockchain e database . . . 30

3.2.2 Perché IPFS . . . 32 3.2.3 Perché Foodchain . . . 32 3.2.4 Perché Node.js . . . 33 3.2.5 Perchè un VPS . . . 33 3.3 Funzionamento . . . 33 3.4 Vantaggi e svantaggi . . . 39

3.5 Architettura del sistema . . . 40

3.6 Architettura dei dati . . . 41

3.7 Considerazioni sulla sicurezza . . . 43

4 Conclusioni 45 4.1 Considerazioni . . . 45

4.2 Sviluppi futuri . . . 48

Elenco delle figure

1.1 Risposte ad un sondaggio sulla tracciabilità alimentare . . . 4

1.2 Ordinanza sulle derrate alimentari . . . 6

1.3 Diagramma sistemi centralizzati, decentralizzati, distribuiti . . . 9

1.4 Mappa svizzera dei prodotti DOP . . . 12

1.5 Etichetta Formaggio d’Alpe Ticinese DOP . . . 13

2.1 Servizi SIG . . . 20

2.2 Componenti TE-FOOD . . . 23

3.1 Diagramma decisionale per l’impiego di blockchain . . . 29

3.2 Pagina tracking su mobile . . . 34

3.3 Contadino admin page . . . 36

3.4 Casaro admin page . . . 37

3.5 Rivenditore admin page . . . 38

3.6 Diagramma archietettura del sistema . . . 41

Capitolo 1

Introduzione e contesto

Nel capitolo introduttivo sono contenute la descrizione dello scopo e la descrizione degli obiettivi del progetto. In questo capitolo vengono anche fornite informazioni e definizioni utili a comprendere il contesto in cui il progetto si è svolto.

1.1

Laboratorio cantonale

Il Laboratorio Cantonale[1] è un ente statale che fa parte del Dipartimento della sanità e della socialità[2], Divisione della Salute Pubblica[3]. Il laboratorio cantonale, attraverso attività ispettive, analitiche e amministrative, svolge molteplici incarichi tra cui l’esecuzione della legislazione federale sulle derrate alimentari.

Altri compiti riguardano l’esecuzione della legislazione federale sugli oggetti d’uso, si occupa di incarichi nell’ambito della radioprotezione ed esegue inoltre le prescrizioni cantonali in materia di acque balneabili.

Le attività del Laboratorio cantonale sono prevalentemente dicontrollo ufficiale e

so-no essenzialmente volte alla salvaguardia della salute pubblica nonché alla tutela dei consumatori dalle frodi.

In Svizzera diverse autorità del settore sanitario, veterinario e agricolo contribuiscono a garantire un elevato livello di sicurezza delle derrate alimentari e degli alimenti per animali.

1.2

Scopo del progetto

In sintonia con gli incarichi e le attività del committente (i.e. Laboratorio Cantonale), lo scopo del progetto è di sviluppare un sistema che permetta al consumatore di avere maggiore consapevolezza del prodotto che acquista grazie alla possibilità di accedere a informazioni di cui può essere garantita la veridicità.

1.3

Obiettivi del progetto

Gli obiettivi del progetto sono:

• Fornire indicazioni riguardo il rapporto esistente tra il contesto del progetto 1 e il contesto tecnologico attorno alla blockchain

• Fornire riflessioni riguardo una possibile architettura del sistema

• Sviluppare un software che funga da prototipo e che sia di semplice utilizzo. I dati devono essere persistiti su blockchain

1.4

Definizioni

1.4.1

Filiera

Con filiera si intende l’insieme delle attività, dei flussi di materiali, dei flussi di informazioni, delle tecnologie, delle risorse e delle organizzazioni che concorrono alla creazione, tra-sformazione, distribuzione, commercializzazione e fornitura di un prodotto finito. In senso più stretto, si intende l’insieme delle aziende che concorrono alla catena di fornitura di un prodotto.

Sono inclusi aspetti di controllo sull’origine e sulla trasformazione di un prodotto che ne garantiscono la validità tutelando la sicurezza intermedia e finale.

La filiera può essere semplice(corta) o complessa(lunga) a seconda di quanti passaggi subisce il prodotto prima di arrivare allo stato finito. Le filiere alimentari sono considerate di primaria importanza perchè costituiscono la base dell’alimentazione umana.

Una filiera è detta implosiva quando da un prodotto finito si vogliono ricercare tutti i prodotti che hanno concorso alla sua realizzazione. Una filiera è detta esplosiva quando da un prodotto si vogliono trovare tutti i suoi derivati.

1.4.2

Tracking e Tracing

Con il termine tracciabilità, tracking in inglese, si intende il processo volto a raccogliere

mano a mano tutte le informazioni necessarie a tenere traccia degli elementi in ingresso che vanno a creare, modificare o trasformare un prodotto.

Con il terminerintracciabilità, tracing in inglese, si intende il processo che torna indietro

nella catena di produzione di un prodotto, al fine di ricercare un preciso evento o un’azione. Quindi le azioni di tracciabilità e rintracciabilità sono volte a comunicare cosa sto facendo mentre lo sto facendo e archiviare le informazioni come dato2in modo che chi verrà dopo di me sappia con precisione cosa è stato fatto, quando ed in che modo3.

1

territorio ticinese, filiera Formaggio d’Alpe Ticinese DOP

2_{tracciabilità} 3

rintracciabilità

1.4.3

Importanza della tracciabilità nella filiera agroalimentare

In questa sezione viene riportato il punto di vista di diverse entità riguardanti l’importanza della tracciabilità nella filiera agroalimentare. Verranno esposti concetti provenienti dalla consultazione di documenti e regolamenti prodotti dalla FAO (Food and Agriculture Orga-nization of the United Nations)4, dall’IFIC (International Food Information Council Founda-tion), dal Parlamento Europeo e infine dalla Confederazione Svizzera.

LaFAO, [4] tramite una pubblcazione intitolata Food Traceability Guidance[5] pubblicata

nel 2017, si propone di fornire delle linee guida utili alle aziende di tutto il mondo che operano nella food industry per la corretta implementazione di un sistema di tracciabilità dei prodotti. Nel documento è ampiamente argomentato come la tracciabilità dei prodotti alimentari

• porterebbe un enorme beneficio a livello sociale

• possa essere effettiva solo se vi partecipasserotutti gli attori della filiera

• dipenda della completezza e correttezza delle informazioni raccolte

Secondo l’IFIC la tracciabilità dei prodotti alimentari è uno dei top trends del 2019 in

ambito food. [6]

In particolare è molto interessante leggere il paragrafo:

Consumers want to know how their food is produced, where it came from and the quality of the ingredients. They also have broader questions about environ-mental sustainability, and many seek brands that align with their broader social values.

La crescita del trend della tracciabilità alimentare in questo periodo storico è evidente con-sultando il seguente grafico che riporta le percentuali di persone che hanno risposto al-la domanda "Compreresti un prodotto di una marca differente da quelal-la a cui sei abi-tuato se questa offrisse informazioni più approfondite di quelle riportate sull’etichetta del prodotto?"[6],

4

è un istituto specializzato delle Nazioni Unite con lo scopo di contribuire ad accrescere i livelli di nutrizione, aumentare la produttività agricola, migliorare la vita delle popolazioni rurali e contribuire alla crescita economica mondiale. La FAO lavora al servizio dei suoi paesi membri per ridurre la fame cronica e sviluppare in tutto il mondo i settori dell’alimentazione e dell’agricoltura.

Figura 1.1: Risposte ad un sondaggio sulla tracciabilità alimentare

Il Regolamento (CE) N. 178/2002 delParlamento Europeo e del Consiglio, in vigore

dal 1 gennaio 2005, che regola la tracciabilità alimentare indica l’obbligo di

ricostruire e seguire il percorso di un alimento, di un mangime, di un animale de-stinato alla produzione alimentare o di una sostanza destinata o atta ad entrare a far parte di un alimento o di un mangime attraverso tutte le fasi della produzio-ne, della trasformazione e della distribuzione. Gli operatori del settore alimen-tare devono quindi disporre di sistemi e procedure che consentano di mettere a disposizione delle autorità competenti, che lo richiedano, queste informazio-ni in tutte le fasi della produzione, della trasformazione e della distribuzione la rintracciabilità degli alimenti:

• chi ha fornito loro un alimento, un mangime o qualsiasi sostanza entrata a far parte di un alimento

• individuare le imprese alle quali hanno fornito i propri prodotti “. . . .

L’Ordinanza sulle derrate alimentari e gli oggetti d’uso (ODerr) [7] si esprime come

Figura 1.2: Ordinanza sulle derrate alimentari Gestione filiera alimentare tramite blockchain

1.4.4

Blockchain

La blockchain è un registro digitale distribuito5composto da blocchi concatenati tra loro che seguono delle regole molto rigide per quanto riguarda la loro creazione, le tempistiche con cui vengono creati e il contenuto dei blocchi stessi. 6 Il registro è pubblico, distribuito ed immutabile.

UnDistributed Ledger Technology è composto da: [8]

• un modello di dati che conserva lo stato attuale del registro7

• un linguaggio per cambiare lo stato del registro attraverso l’esecuzione di transazioni (smart contracts8)

• un protocollo che garantisce il consenso sulle transazioni eseguite e quindi sullo stato attuale del registro9

Distributed Ledgers esistevano prima che venisse inventata la blockchain. Anche il concetto di Smart Contract esisteva prima che venisse inventata la prima blockchain10.

Lablockchain è nata grazie all’utilizzo congiunto di diverse tecnologie e concetti che

includono:

• crittografia

• reti P2P11

• transazioni a cui è associato un time-stamp

• algoritmo di consenso

• potenza di calcolo condivisa

1.4.4.1 Caratteristiche della blockchain

In questa sezione vengono descritte le caratteristiche della blockchain.

5

in inglese: Distributed Ledger(DL), è una particolare struttura di dati che risiede su diversi computer.

6

in inglese: Distributed Ledger Technology(DLT)

7

consiste in una serie di transazioni crittograficamente securizzate a cui è associato un time-stamp

8

gli Smart contracts sono delle porzioni di codice (programmi) che vengono eseguite quando si verificano determinate condizioni

9

per consenso si intende un processo portato a termine dai computer appartenenti ad una rete volto a sincro-nizzare i dati di un registro. Il consenso in una rete porta tutti i partecipanti della rete stessa a riconoscere come valida e corretta una stessa versione dei dati contenuti nel registro. Un algoritmo di consenso ha quindi due finalità: garantire che i dati sia uguali in ogni copia del registro e prevenire che partecipanti malintenzionati pos-sano manipolare i dati. Esistono diversi algoritmi di consenso e le blockchain non utilizzano necessariamente uno stesso algoritmo per raggiungere il consenso.

10

Bitcoin

11

peer to peer è un architettura di rete in cui non esiste un punto centrale come inteso in un’architettura client-server

Pubblica perchè chiunque abbia accesso ad internet può leggere i dati in essa

conte-nuti è sufficiente essere in possesso di un wallet.

Distribuita perchè una copia del registro è presente su ognuno dei nodi della rete

P2P costituita dagli utilizzatori della blockchain stessa. L’integrità dei dati è garantita da un algoritmo di consenso che non permette che esistano copie tra loro diverse del registro.

Figura 1.3: Diagramma sistemi centralizzati, decentralizzati, distribuiti

Immutabile perchè l’algoritmo di consenso fa in modo che i nodi si controllino

vicende-volmente in maniera continua con lo scopo di non permettere a nessun nodo di propagare informazioni diverse da quelle contenute nelle altre copie del registro.

Trustless nel senso che ogni utente connesso alla rete non ha bisogno di fidarsi della

controparte, o di un intermediario centrale, per poter effettuare una transazione. La fiducia dell’utente è infatti tutta riposta nella tecnologia ed in particolare nel software e nel protocollo su cui questa è strutturata.

Trasparente perchè le transazioni e le informazioni che vengono registrate sul

databa-se distribuito sono accessibili e visibili a chiunque faccia parte della rete.

1.4.4.2 Tipologie di blockchain

Esistono tre tipi di blockchain: pubblica, privata e mista, chiamata anche consortium block-chain. Public Blockchains Le blockchain pubbliche sono quelle di cui più spesso si sente

parlare. Le più famose sono Bitcoin, Litecoin ed Ethereum. Questa tipologia di blockchain è la più libera ed aperta che esiste. Semplicemente chiunque può leggere, scrivere e fare mining.

Private Blockchains Le blockchain private, chiamate anche permissioned blockchains

sono delle blockchain a cui si può accedere per eseguire operazioni di lettura e scrittura solo se si è in possesso dell’autorizzazione di chi l’ha realizzata e con il permesso dell’owner dei dati. In queste blockchain è anche possibile eliminare e sovrascrivere dati già salvati sulla blockchain. Le blockchain private perdono dunque la caratteristica di essere immutabili e anche la caratteristica di essere decentralizzate. Questo ne rende l’impego limitato a chi necessita di un database distribuito reso sicuro tramite meccanismi criptografici. I vantaggi

di questo tipo di blockchain sono la possibilità di sfruttare le caratteristiche di una blockchain limitatamente ai confini dell’azienda o dell’organizzazione che ne fa uso. Siccome non è necessario avere un’elevata complessità dell’algoritmo che gestisce il consenso, i tempi per le operazioni di scrittura sono sensibilmente ridotti rispetto a quelli necessari ad eseguire lo stesso tipo di operazione su blockchain pubblica.

Consortium Blockchains Le blockchain miste sono una via di mezzo tra le pubbliche

e le private. L’accesso è ristretto solo a chi ne ha l’autorizzazione ma le consortium bloc-kchains godono della proprietà di essere distribuite. Non sono necessari tempi lunghi per raggiungere il consenso e sono più sicure delle blockchain private perchè non c’è un single point of failure.

1.4.4.3 Funzionamento della blockchain

Almeno una parte dei nodi di una blockchain hanno il ruolo siminer. Un miner si occupa

di validare le transazioni e creare nuovi blocchi. Dopo aver eseguito la computazione ne-cessaria a risolvere il problema fornito dall’algoritmo di consenso, il miner, è incentivato a pubblicare la soluzione perchè riceve un reward. Di ogni blocco di transazioni validate e in-cluse in un blocco, viene fatto un hash, che è incluso nel successivo blocco come puntatore al precedente formando così una catena di blocchi immutabili. L’immutabilità di una block-chain è data dal fatto che per modificare i dati è richiesta un’enorme capacità di calcolo per "convincere" il 51 per cento dei nodi del risultato di una transazione creata in maniera ma-levola con lo scopo di alterare lo stato del registro sia necessaria una forza computazionale elevatissima che avrebbe più senso impiegare per fare mining.

1.4.5

Merkle Tree e DAG

Il concetto di hash tree è stato brevettato nel 1979 da Ralph Merkle, un crittografo statuni-tense che si è applicato nella crittografia a chiave pubblica. In crittografia un hash tree, o

Merkle Tree, è una struttura di dati ad albero in cui ad ogni foglia è associata un’etichetta

con l’hash di un blocco di dati. Ad ogni nodo non foglia è associato un hash delle etichet-te dei suoi nodi figli. L’impiego di hash tree rende semplice, veloce e sicura la verifica del contenuto di una struttura dati di grandi dimensioni.

Un Merkle DAG, Merkle Directed Acyclic Graph, è una struttura dati simile ai Merle

Tree ma meno rigorosa nel senso che un Merkle DAG non deve necessariamente essere bilanciato e i nodi non foglia possono contenere dati.

1.5

Formaggio d’Alpe Ticinese DOP

La filiera del Formaggio d’Alpe Ticinese DOP è una filiera corta infatti i prodotti vengono per lo più consumati in zone geograficamente vicine a quelle di produzione. I passaggi che

portano dalla materia prima al prodotto finito sono di numero limitato.

I prodotti DOP12o IGP13sono specialità tradizionali con un forte legame con la propria regione di origine. Da generazioni sono realizzati con il cuore e l’anima di casari, panettieri, macellai e distillatori. Nei prodottiDOP tutto proviene da una regione di origine ben definita,

dalla materia prima alla lavorazione fino al prodotto finito. Le specialitàIGP sono prodotte,

trasformate o raffinate nel luogo di origine. DOP e IGP sono marchi di qualità protetti dalla legislazione svizzera. Dopo la registrazione da parte dell’Ufficio federale dell’agricoltura, le denominazioni protette possono essere utilizzate solo per i prodotti che soddisfano i requisiti di origine, di processo e di qualità delle specifiche. Organismi di certificazione indipendenti controllano la conformità.

12_{denominazione di origine protetta} 13

Figura 1.4: Mappa svizzera dei prodotti DOP

In svizzera 22 prodotti tra pani, formaggi, salumi e distillati sono certificati DOP e 15 prodotti sono certificati IGP.[9] Tra i più famosi figurano la Gruyère dOP, lo Sbrinz DOP, il Raclette du Valais DOP e il Formaggio d’Alpe Ticinese DOP.

Il Formaggio d’Alpe Ticinese DOP viene prodotto e lavorato nelle aziende di estivazione dei Comuni riportati nel capitolato d’oneri nel Canton Ticino, dal 1 giugno al 30 settembre.

Il Formaggio d’Alpe Ticinese DOP viene prodotto quotidianamente in vasche di rame principalmente dal latte crudo di vacca. Poiché l‘estivazione delle capre gode di una lunga tradizione in Ticino, ne nacque la necessità di unire questi due tipi di latte prima della pro-duzione casearia. In base al capitolato d’oneri, può essere aggiunto fino al 30 % di latte di capra. La ricca flora alpina, che funge da nutrimento per le vacche e le capre, dona a questo latte un aroma sottile. Le forme appena pressate vengono poi immerse in salamoia per 24 ore. Fino all’alpe, le forme vengono pre-stagionate su tavole in legno di abete rosso o di larice. La durata minima della stagionatura è di 45 giorni.[10]

Figura 1.5: Etichetta Formaggio d’Alpe Ticinese DOP

Nel 2017 gli alpi in cui il Formaggio d’Alpe Ticinese DOP è stato prodotto sono state 38. Al momento della scrittura di questo docuemnto non sono disponibili dati relativi al 201914 e al 2018.15[11]

14

la stagione non è ancora conclusa

15_{Angone Crestumo - Val Faido, Bolla Carassina - Val Blenio, Bolla e Froda - Val Lavizzara, Bresciana - Val}

Blenio, Cadonigo - Val Prato Leventina, Camadra - Val Blenio, Campo la Torba - Val Lavizzara, Carì - Val Faido, Cava - Val Biasca, Cioss Prato - Val Bedretto, Cristallina - Val Bedretto, Croce Lucomagno - Val Blenio, Fieud - Val Airolo, Formazzora - Val Bedretto, Fortunei - Val Airolo, Fümegna - Val Lavertezzo, Garina Pusced - Val Acquarossa e Serravalle, Geira - Val Dalpe, Giumello - Val Sant’Antonio, Gorda - Val Blenio, Grossalp - Val Bosco Gurin, Lucomagno - Val Blenio, Manegorio - Val Bedretto, Motterascio - Val Blenio, Pertusio - Val Blenio, Pesciüm - Val Airolo, Pian Daioss - Val Acquarossa, Pian Laghetto - Val Acquarossa, Piora - Val Quinto, Piota Crozlina - Val Faido, Pontino - Val Airolo, Prato-Ambrì - Val Quinto, Pradasca - Val Blenio, Rovina - Val Piotta, Sfille - Val Campo Valle Maggia, Sorescia - Val Airolo, Stabiello - Val Bedretto, Vogornesso - Val Sonogno.[11]

Capitolo 2

Stato dell’arte

Nella sezione 1.4.4 viene riportata una definizione di blockchain e e una descrizione delle sue caratteristiche. In questo capitolo viene fatta un’analisi delle blockchain più diffuse e più adatte ad essere impiegate per lo sviluppo di soluzioni in ambito supply chain. In questo capitolo viene anche riportata una descrizione dei software per la tracciabilità della filiera agroalimentare già esistenti sul mercato seguita da un’analisi comparativa tra le soluzione che fanno uso di blockachain e quelle che non ne fanno uso. In questo capitolo viene anche inclusa una descrizione del protocollo IPFS1 che, come vedremo, è un componente fondamentale del software sviluppato.

2.1

Blockchain

In questa sezione vengono descritte le blockchain più diffuse. Ad oggi esistono molte più di mille criptomonete ed ognuna di esse ha una propria blockchain sulla quale viene scambiata. Ogni giorno nascono nuove criptomonete e, con esse, nuove blockchain.

2.1.1

Bitcoin

Bitcoin è attualmente la criptovaluta più diffusa e la blockchain di Bitcoin è attualmente la più diffusa e utiilzzata. Il numero di transazioni eseguite quotidianamente è infatti molto più elevato rispetto al numero di transazioni eseguite su qualsiasi altra blockchain. Sul web si trovano tantissimi articoli che raccontano la storia di bitcoin e cosa sta dietro a questa criptomoneta dal valore così elevato. Di nostro interesse però non è la criptomoneta ma la tecnologia su cui si appoggia. Bitcoin è stata inventata nel 2009 da una persona, o gruppo, che si fa chiamare Satoshi Nakamoto. Lo scopo della tecnologia proposta nel è di creare un nuovo sistema di scambio di valuta digitale completamente decentralizzato e che non dipen-da dipen-da nessuna autorità centrale. 2 Bitcoin è stata la prima implementazione di blockchain.

1_{Inter Planetary File System} 2

La rete bitcoin è in grado di supportare solo 7 transazioni al secondo, ciò la rende molto più lenta di altri sistemi che hanno finaloità simili. Il circuito VISA per esempio ne può gestire 24,000 al secondo. Ethereum, al momento, è in grado di elaborarne 15. Il limite di bitcoin è la sua scarsa programmabilità. Bitcoin infatti è adatta al semplice immagazzinamento, in blocchi immutabili, di dati relativi alle transazioni. Come vedremo successivamente, altre blockchain sono in grado di eseguire porzioni di codice, chiamati smart contracts all’avveni-re di un determinato evento. Per questo motivo bitcoin non è la blockchain più adatta ai fini del progetto.

Bitcoin utilizza un algoritmo di consenso chiamato Proof of Work.

2.1.2

Hyperledger

Hyperledger è un progetto open source iniziato nel 2015 creato e seguito dalla Linux Foun-dation. Linux è il più grande progetto opensource del mondo. Tra i molti progetti della Linux Foundation, che garantisce la protezione e accelera lo sviluppo del kernel di Linux, c’è il progetto Hyperledger che ha lo scopo di promuovere la trasparenza e la fiducia tra azien-de che collaborano. Hyperledger quindi vuole renazien-dere più efficienti le reti di business e le transazioni che avvengono tra i business appartenenti ad una stessa rete.

Hyperledger è una blockchain permissioned a differenza di Bitcoin ed Ethereum che sono permission-less.3

Hyperledger è composto da librerie, moduli (tools) e frameworks. Un Hyperledger Framework è composto da:

• un registro distribuito (DL) "append-only"

• un algoritmo di consenso

• gestione degli accessi e della privacy

• supporto per smart contracts

I frameworks di Hyperledger sono: Iroha, Sawtooth, Fabric, Indy e Burrow. I moduli di Hyperledger sono Cello, Explorer e Composer. Le librerie di Hyperledger sono Aries, Quilt, Transact e Ursa.

I moduli sono sviluppati per uno specifico framework ma poi sono resi utilizzabili anche da altri framework grazie a dei "connettori" appositamente sviluppati. Ogni frameowrk ha caratteristiche che lo rende adatto ad uno specifico scopo o più orientato ad un determinato tipo di impiego. Iroha per esempio è orientato allo sviluppo di applicazioni mobile ed è con-cepito per essere facilmente incluso in un progetto. Sawtooth è modulare, flessibile e offre supporto per lo sviluppo sia di reti permissioned che permissionless. Fabric è stata la prima

3

esiste un’eccezione che riguarda il framework Sawtooth che può essere configurato permissionless

proposta di Hyperledger ed è particolamente interessante nel caso in cui si vogliano crea-re dei tunnel privati con un sottoinsieme dei partecipanti. Indy è sviluppato appositamente per la gestione delle identità distribuite. Burrow è un framework ancora non completamente maturo che si propone di integrare una EVM (Ethereum Virtual Machine).4 Di default ogni framework utilizza un diverso algoritmo di consenso. 5

Una descrizione dei moduli e delle librerie non viene riportata perchè non utile ai fini della trattazione. In bibliografia sono presenti diversi riferimenti utili oltre al sito ufficiale di Hyperledger.[13]

2.1.3

Ethereum

Ethereum è una blockchain inventata nel 2015. Come tutte le altre blockchain è un adatta-mento di bitcoin ma con uno scopo molto differente. L’esistenza di Ether, la criptomoneta associata ad ethereum, è un effetto collaterale dell’esistenza della blockchain stessa. La differenza tra bitcoin e ethereum è nello scopo. Mentre bitcoin è un registro di transazioni finanziarie, ethereum ha lo scopo di fornire il "motore" per far funzionare un unico enorme computer mondiale. Come bitcoin, ethereum è una blockchain pubblica e permissionless e, come bitcoin, attualmente, utilizza un algoritmo di consensochiamato Proof of Work anche se è già stato annunciato che lo stesso sarà rimpiazzato da un algoritmo Proof of Stake.

Ethereum permette di eseguire in maniera decentralizzata ciò che ci aspettiamo pos-sa essere eseguito da un computer (eseguire programmi, pos-salvare dati). Chiunque ospita un nodo ethereum partecipa all’esecuzione dellaEthereum Virtual Machine (EVM) che è,

appunto, il componente che permette di eseguire in maniera decentralizzata un program-ma, ovvero, di eseguirlo sul computer di ogni partecipante. Gli smart contract di ethereum sono scritti in un linguaggio moderno e developer-friendly. il linguaggio è Turing complete che significa che si possono eseguire tutte le operazioni che ci si aspetta possano essere eseguite in qualsiasi altro linguaggio di programmazione.

Come già accennato in precedenza, unosmart contract è un programma che viene

eseguito dalla blockchain all’avvenire di un determinato evento. Di seguitop viene descritto più in dettaglio come questo avviene.

Il deployment di uno smart contract avviene tramite la creazione di un particolare tipo di account che, oltre alle funzionalità di un account normale, contiene del codice. All’account è ovviamente associato un indirizzo come per gli account normali. Per eseguire uno smart contract sarà sufficiente inviare ether all’indirizzo che lo ospita e, se necessario, delle infor-mazioni aggiuntive come parametro. Ogni nodo della blockchain eseguirà lo smartcontract sulla sua EVM e includerà il risultato nel prossimo blocco che verrà minato. Il nodo che "vincerà" nella pubblicazione del blocco, riceverà la ricompensa per il lavoro eseguito.

4

una descrizione della EVM é disponibile alla sezione 2.1.3

5

anche se in molti casi esso può essere scelto diverso da quello di default o addirittura essere cambiato mano a mano che la rete cresce.

2.1.4

Quadrans

Quadrans è una fondazione svizzera con sede a Mendrisio, Ticino. La fondazione ha svilup-pato una blockchain pubblica e open-source che deriva da un fork di ethereum ed è quindi in grado di eseguire gli smart contracts sviluppati per la EVM. La piattaforma permette di eseguire DApps che partecipano ad un’economia digitale sostenuta da un meccanismo di rewarding interno.

Quadrans utilizza due assets criptografici: Quadrans Coin (QDC) e Quadrans Token (QDT) che equivalgono a coin e token come sono concepiti per le altre blockchain e che svolgono diverse funzioni. I QDC equivalgono ad ether per ethereum e fungono da reward per i partecipanti alla rete. I QDC possono essere spesi insieme ai QDT come pagamento per le transazioni. La verifica delle transazioni viene eseguita da due diversi tipi di nodo della rete: i Miners e i Masternodes.

I masternodes gestiscono l’input degli users e suddividono il lavoro computazionale tra i diversi miners che hanno invece lo scopo di scrivere sulla blockchain i blocchi immutabili di transazioni come avviene in qualsiasi altra blockchain. Le blockchain pubbliche general-mente adottano un algoritmo per il consenso che richiede un grande dispendio di energia per essere soddisfatto. Quadrans, che vuole essere un’azienda energeticamente sostenibi-le, adotta un algoritmo di consenso su più livelli che richiede la partecipazione di un numero inferiore di nodi. I coin inoltre sono stati concepiti per avere un valore con bassissima volati-lità, così da permettere ai partecipanti di fare previsioni accurate riguardo le spese derivanti dall’utilizzo della piattaforma stessa. La prima implementazione fatta sulla blockchain Qua-drans è la DApp Foodchain in ambito Food supply chain traceability. Maggiori dettagli sono disponibili nella sezione 2.3.1.3

2.2

Soluzioni che non fanno uso di una blockchain

In questa sezione vengono presentati gli esempi di software per la tracciabilità della filiera agroalimentare già esistenti sul mercato che non fanno uso di blockchain. Segue un’analisi di questo tipo di soluzione.

2.2.1

Esempi

È stata trovata una sola soluzione che sembra offrire un servizio di elevato livello nonostante non faccia uso di blockchain. Presumo che se questo documento fosse stato prodotto uno o due anni fa, molte delle soluzioni che fanno uso di blockchain descritte nella sezione 2.3 fossero da includere tra le soluzioni che non ne fanno uso.

Non è stato possibile eseguire un’analisi tecnica delle soluzioni software già esistenti a causa della mancanza di informazioni a riguardo. Si presuppone che il motivo per cui queste informazioni non siano reperibili è probabilmente che le aziende che sviluppano questi

dotti non è interessante fornrire alla concorrenza e alla stampa informazioni riguardanti la loro implementazione. Inoltre, l’interesse dei clienti di queste aziende (produttori, traforma-tori, distributori) non riguarda sicuramente le scelte implementative ma piuttosto i vantaggi che adottare una soluzione di questo tipo possa portare alla loro azienda e ai loro clienti (consumatori e altri attori della filiera).

2.2.1.1 SIG Connected pack

Tutte le informazioni riportate provengono dal sito ufficiale[14].

La SIG (SIG Combibloc Group AG) è un’azienda svizzera attiva dal 1860 dapprima co-me produttrice di vagoni ferroviari e armi da fuoco (poi diventata SIG Sauer). Attualco-mente SIG mette a disposizione le competenze acquisite nel mondo della fabbricazione e dell’in-gegneraria dedicandosi allo studio e alla produzione di imballaggi come anche alla fornitura di servizi legati al mercato del packaging.

In particolare i tre settori di cui si occupa sono:

• Product Innovation & Differentiation

• Smart Factory

Figura 2.1: Servizi SIG

Ai fini della trattazione è interessante il settore Connected Pack che riguarda la digita-lizzazione del prodotto attraverso lo studio di soluzioni per la gestione della supply chain, del tracciamento della filiera e del marketing digitale.

Al momento in cui viene scritto questo documento, nessuna fonte suggerisce che le soluzioni proposte in ambito Traceability solutions facciano uso di blockchain.

2.2.2

Vantaggi

I vantaggi di una soluzione che non fa uso di blockchain sono sicuramente quelli derivanti dall’impiego di una soluzione digitale piuttosto che cartacea. Alcuni possono essere:

• velocità di consultazione

• possibilità di integrazione con altri software

• eseguire analisi con gli stessi dati

2.2.3

Caratteristiche

Le due caratteristiche più importanti di cui prendere nota sono:

• il software è sviluppato per essere venduto all’azienda che lo deve utilizzare

• la proprietà dei dati è dell’azienda che li inserisce

• il potere di agire sui dati è nelle mani dell’azienda che fornisce il software

2.2.4

Focus

Il focus del materiale informativo infatti è sui benefici per chi usa il software, non sui bene-fici per il consumatore. Ad elementi quali il ROI, la customer loyalty, la data collection e il customer engagement è data molta più importanza di quanta ne sia data alla trasparenza, benefici per il consumatore e agli aspetti ambientali e sociali. L’impressione è che il software sia sviluppato per permettere all’azienda di digitalizzare il processo di tracking6e di miglio-rare le performance del proprio business. Viene ripostata di seguito una frase presente sulla homepage del sito di uno di questi software:

Want to learn more about what connected packaging can do for producers?

2.2.5

Considerazioni

Ciò che si può dedurre dall’analisi fatta è che, nonostante un software di questo tipo abbia enormi vantaggi, esso non è in grado di soddisfare la necessità di garantire la veridicità delle informazioni che il consumatore consulta. Inoltre è difficile immaginare come un ente certificatore possa eseguire dei controlli senza dover richiedere accesso ai dati.

L’opinione dello scrittore è che nononstante sia evidente che è possibile eseguire trac-king con tecnologie basate su database tradizionale, con queste soluzioni, non si riesce a sfruttare a pieno le potenzialità della tecnologia e soprattutto non si riescano a mettere al centro il consumatore e l’ambiente. Inoltre lasciare che le aziende possiedano i dati e ab-biano solo loro accesso ad informazioni, se esistono, riguardanti chi ha inserito e modificato le informazioni, rende questo tipo di soluzione solo superficialmente trasparente.

2.3

Soluzioni che fanno uso di una blockchain

In questa sezione vengono presentati gli esempi di software per la tracciabilità della filiera agroalimentare già esistenti sul mercato basati su blockchain. Segue un’analisi di questo tipo di soluzione.

2.3.1

Esempi

Per queste soluzioni è stato possibile eseguire un’analisi più approfondita delle tecnologie utilizzate e della loro implementazione. Probabilmente il motivo è che le tecnologie utilizzate sono opensource e che le aziende sono più orientate alla trasparenza e alla condivisione. È disponibile una varietà enorme di soluzioni. Per l’analisi ne sono state scelte tre differenti.

6

Tra le più importanto che non sono state descritte figurano Provenance7, Certilogo - Viveat8, OPTEL9.

2.3.1.1 TE-FOOD

TE-FOOD è un’azienda tedesca con sedi in Germania, Ungheria e Vietnam. Lo slogan di TE-FOOD è "Farm-to-table food traceability on blockchain" ed il loro prodotto, basato su Hyperledger10, si propone di portare trasparenza, velocità nel richiamo di prodotti in vendita, supporto nel rispetto delle leggi, riduzione della falsificazione dei prodotti e vantaggi commerciali per chi adotta la piattaforma. 11 TE-FOOD propone un prodotto che supporta tutti gli attori della supply chain. In figura 2.2 viene riportato un grafico in cui vengono descritti i componenti offerti dalla piattaforma TE-FOOD tra cui gli attori della filiera possono attingere. 7 https://www.provenance.org/ 8 https://www.certilogo.com/ - https://www.viveat.com/ 9 https://www.optelgroup.com/food-and-beverage/ 10_{vedi sezione 2.1.2} 11

gli stessi di cui si parla nella sezione 2.2

Figura 2.2: Componenti TE-FOOD

Come precedentemente indicato, TE-FOOD è sviluppata su Hyperledger[15]. La bloc-kchain è infatti di tipo permissioned.

2.3.1.2 IBM Food Trust

IBM, che partecipa al progetto Hyperledger, in collaborazione con oltre 400 aziende che già utilizzano prodotti IBM ad altri scopi, ha sviluppato un prodotto molto interessante e ampio volto a sostenere le aziende che operano nel campo del food ad implementare un sistema di tracciabilità dalla materia prima allo scaffale.

La soluzione di IBM è sviluppata con Hyperledger Fabric e Hyperledger Composer. Il prodotto è veramente ampio e personalizzabile. Esistono anche API per poter integrare il prodotto con un ERP già esistente che possono essere utilizzate anche per espandere le funzionalità del prodotto stesso.

I vantaggi di impiegare questa soluzione sono: migliorare l’efficienza della supply chain, ridurre gli sprechi, ridurre falsificazioni e frodi alimentari, aumentare la sostenibilità ed au-mentare la fiducia nel marchio. [16]

Il prodotto è venduto come SaaS12ed è fornito suppporto da consulenti IBM certificati e specializzati. Molta importanza è dedicata a chi possiede i dati. Come riportato sul sito ufficiale: "L’utente li carica, li possiede e li controlla". Si fa leva quindi sul fatto che la block-chain sia di tipo permissioned per garantire che i dati siano caricati solo da utenti noti e che i dati vengano modificati e visti solo da chi ne ha il permesso.

2.3.1.3 Foodchain DApp

Foodchain SpA è un’azienda italiana fondata nel 2016 che fornisce servizi per la tracciabi-lità di prodotti alimentari. Le sedi dell’azienda sono ubicate presso ComoNExT Innovation HUB (Como), I3P (Torino) e Impact HUB Trentino (Trento). La DApp di Foodchain è stata

12

sviluppata in collaborazione con la fondazione Quadrans. Foodchain è infatti costruita sulla blockchain di Quadrans e ne costituisce la prima implementazione presente sul mercato.

La DApp ha lo scopo di fornire un ecosistema per la creazione di autenticità, sostenibi-lità, sicurezza alimentare e garanzia di qualità dei prodotti. Foodchain si rivolge a produttori, trasportatori, aziende di logistica, amministrazione pubblica, grande distribuzione organiz-zata ed enti certificatori. Oltre al settore del food, la DApp è utilizzabile anche da operatori della filiera tessile strettamente legata al territorio del Comasco in cui Foodchain è stata sviluappata.

2.3.2

Vantaggi

I vantaggi derivanti dall’impiego della blockchain, coerentemente con quanto descritto nella sezione 2.1, sono:

• maggiore trasparenza

• garanzia di alta diponibilità

• versione dei dati sempre coerente per tutti gli attori

• maggiore responsabilizzazione degli attori

a dipendenza della scelta del tipo di blockchain utilizzata, il focus può essere sulla garanzia dell’immutabilità dei dati e la completa decentralizzazione del sistema13, oppure la garanzia che le informazioni siano inserite solo da attori autorizzati e la possibilità di mantenere la privacy e l’ownership dei dati immessi nella blockchain14

2.3.3

Caratteristiche

Come le soluzioni che non fanno uso di blockchain, questi prodotti forniscono strumenti per migliorare il business ma ciò che veramente viene fornito da questo tipo di prodotto è l’ecosistema che favorisce la collaborazione tra gli attori della filiera con lo scopo comune di garantire la qualità e la trasparenza del prodotto fino al momento dell’acquisto da parte del consumatore.

2.3.4

Focus

Il focus di questi prodotti è su:

• trasparenza

• responsabilità

13

nel caso di impiego di una blockchain pubblica

14

nel caso di impiego di una blockchain permissioned. risultati simili si possono ottenere anche su blockchain pubblica tramite accorgimenti appositi.

• autenticità (intesa come prodotti non contraffatti)

• sostenibilità energetica

• sostenibilità sociale

• riduzione degli sprechi

2.3.5

Considerazioni

È subito evidente come queste soluzioni siano molto più diffuse e adottate rispetto a soluzio-ni che non fanno uso di blockchain. Sicuramente l’hype riguardante questo tipo di tecnologia è favorevole alla nascita ed alla crescita di aziende che sviluppano prodotti che fanno uso di blockchain. Sicuramente il focus più orientato al consumatore a ad aspetti sociale ed ecologici favorisce l’adozione da parte degli attori della filiera e la fruizione da parte dei consumatori. Una caratteristica comune è che tutti questi prodotti sono studiati per il trac-ciamento anche molto dettagliato di filiere abbastanza complesse a cui partecipano aziende di grandi dimensioni.

2.4

IPFS

IPFS (Inter Planetary File System), è un protocollo tramite il quale è possibile mettere in comunicazione vari nodi della rete che mettono a disposizione dello storage in cui mante-nere i file di un file system distribuito. IPFS, a differenza di HTTP, non utilizza dei percorsi per descrivere dove si trova il file che stiamo cercando si trovi. Al contrario, IPFS, utilizza un metodo chiamato content addressing per cui ad ogni file è associato un hash che viene calcolato applicando una funzione di hashing al contenuto del file stesso. In questo modo l’hash è univoco per ogni file e quindi l’hash può essere utilizzato anche come id del file stesso.

Gli hash di IPFS sono chiamati multihash che è un id che contiene anche informazioni riguardo l’algoritmo che è stato utilizzato per calcolare l’hash stesso. Lo scopo di questa complicazione è che tramite multihash si può puntare a file il cui hash è stato calcolato con funzioni diverse. Questo aumenta l’interoperabilità e permette di sostituire l’algoritmo nel caso venisse scoperto che non è più sicuro come si pensava al momento in cui l’hash era stato creato.

IPFS utilizza IPLD (Inter Planetary Linked Data) e i Merkle Tree già descritti nella sezio-ne 1.4.5 che sono alla base delle tecnologie DLT. IPLD consiste in un meccanismo sezio- necessa-rio a suddividere file grandi in porzioni di file che sono salvate e indirizzabili individualmente nella rete ma che, attraverso dei link, sia possibile ricostruire il file originale. Ogni file, se di dimensioni superiori a 256kB, viene suddiviso in diversi file ognuno dei quali ha un suo hash. Esiste un nodo del DAG, che ha un suo hash, che noi interroghiamo per avere il

file intero. Questo nodo, oltre al suo indirizzo, ha un array di link ai nodi del DAG a cui si trovano le sue parti. I nodi hanno anche una dimensione che è uguale alla somma della dimenesione dei suoi dati più le dimensioni dei dati a cui i link puntano.

Linked Data è un concetto che sta alla base del web decentralizzato. Uno dei vandaggi di IPFS è la deduplication che consiste nel fatto che caricando due copie identiche di un file15_{, l’hash sarà identico. Quindi nella rete IPFS non esisterà la necessità di occupare più} volte lo storage per tenere copie identiche dello stesso file.

IPFS ha anche un sistema per fare in modo che quando aggiorno il contenuto di un file, siccome l’hash cambia, lo stesso non sarebbe più raggiungibile all’indirizzo originale16.IPNS (Inter Planetary Naming System) permette di inserire un file su IPFS e associargli un hash "statico" nel senso che a quell’indirizzo troviamo l’indirizzo dell’ultima versione del file.

Un vantaggio di IPFS è, come in tutti i sistemi decentralizzati, che il sistema non dipen-de dallo stato di un dipen-determinato nodo per poter funzionare. Per esempio se un server fosse in stato di non funzionamento non sarebbe possibile consultare un documento che questo server ha il compito di fornire. Con IPFS si può presumere che questo file sia fornibile da un nodo tra quelli attivi, non dipendendo quindi dallo stato di un nodo specifico.

15_{che possono essere visti anche come due file con lo stesso contenuto} 16

si pensi per esempio ad una nuova release di un documento di cui noi abbiamo garantito l’accesso tramite ad un determinato indirizzo. sarebbe necessario, ad ogni aggiornamento, informare tutti gli utilizzatori di utilizzare un nuovo indirizzo. e se questi utilizzatori fossero altri software?

Capitolo 3

Soluzione

Uno degli obiettivi del progetto, elencati nella sezione 1.3, è proporre un prototipo di sempli-ce utilizzo i cui dati siano persistiti su blockchain. Nel seguente capitolo viene presentato il risultato di questa fase del progetto. Il software non si prefigge di essere pronto per essere messo in produzione ma, piuttosto, lo scopo è di proporre una struttura grafica e architet-turale che possa essere utilizzata come base su cui ragionare per definire i requisiti per un progetto diverso che si proponga di soddisfare le necessità del committente e della filiera. Il processo di sviluppo del software di seguito descritto è stato fondamentale anche per il raggiungimento degli altri obiettivi. Non sarebbe infatti stato possibile addentrarsi sufficien-temente nel contesto da poter suggerire come affrontare la soluzione di dettagli funzionali e tecnologici.

3.1

Definizione finalità progetto

In questa sezione viene descritto come si è pensato di affrontare il progetto per raggiungere gli obiettivi in accordo con lo scopo del committente.

Per quanto riguarda la fase di descrizione del contesto e raccolta delle informazioni necessarie a rispondere ai quesiti posti, è stato letto ed elaborato molto materiale inerente l’aspetto tecnologico per lo studio di una soluzione.

Il progetto sviluppato è un’applicazione web sviluppata in Node.js che utilizza il fra-mework Express e il template engine Handlebars. Altri packages utilizzati sono:

• axios per fare chiamate http sia dal browser verso il server web che dal server web

verso gli altri servizi che verranno descritti di seguito

• bs58 e sha2 per gestire gli aspetti crittografici dei cid di IPFS

• ipfs-mini per dialogare con il nodo ipfs installato su VPS (Virtual Private Server)

dedicato

• qrcode per generare i QR code da applicare sulle etichette dei prodotti

3.2

Scelte

In questa sezione vengono fornite le motivazioni per cui sono state prese determinate scelte implementative.

3.2.1

Perché la blockchain

L’impiego della blockchain è uno dei requisiti del progetto. Siccome spesso viene impiegata la blockchain in alcuni progetti in cui non è necessario, di seguito, viene argomentato perchè la scelta di impiegare la blockchain è corretta. In primo luogo il fatto che quasi la totalità delle soluzioni ad oggi presenti sul mercato futilizzino questa tecnologia è sicuramente un buon indicatore che l’impiego della blockchain sia corretto.

Di seguito viene riportata una frase di Vitalik Buterin, inventore di Ethereum, in cui vengono esposte in maniera chiara e concisa come la blockchain sia perfettamente adatta allo sviluppo di un’applicazione distribuita per la tracciabilità in campo food supply chain.

If you’re buying some food or medicine, for example, you have this complex global supply chain...Ideally, you’d want to have some kind of common shared network that you could use to get all the information about where each individual thing came from so you could trace every part of the product back to where it came from.You could have a smartphone app that you could check everything about the product and see if it satisfies your needs. To do this kind of thing, you need to have a shared network and the blockchain is a great way to do it.

Oppure gli autori di un interessantissimo articolo sull’argomento[17] scrivono:

In general, blockchain technology is useful in those use- cases where there are more than one administrative authority and there is a trust deficit among those parties. A typical example could be a supply chain management system, where multiple parties collaborate together to deliver goods.

Figura 3.1: Diagramma decisionale per l’impiego di blockchain

If the stored value in the blockchain needs to be publicly verifiable then we should use public blockchain, whereas if the data is only for specific parties then a private blockchain is

3.2.1.1 Paragone tra blockchain e database

Le caratteristice di undatabase interessanti allo scopo di qeusta analisi sono:

• db dipende da chi lo amministra

• esiste un DBA che ha potere di modificare dati e funzionalità

• è permissioned quindi

• in un db privato per accedere ai dati il DBA deve fornirci le credenziali di un account

• in un db pubblico tutti possono accedere ai dati in lettura

• architettura client-server

• è centralizzato. la sicurezza è nelle mani del sistema Un database pertanto è adatto:[18]

• contenere dati in continuo cambiamento

• Fast Online transaction processing

• informazioni confidenziali (non trasparenti al pubblico)

• dati che non richiedono verifiche

• applicazioni a se stanti

• dati relazionali

Esistono anchedatabase distribuiti che si differenziano dai database tradizionali

per-chè non hanno un single point of failure ma il controllo del database è comunque centraliz-zato e il sistema è permissioned. I database distribuiti sono differenti dalle blockchain anche perchè non devono gestire il consenso. Il consenso infatti è gestito dal punto centrale di con-trollo. Le blockchain invece gestiscono problemi tipo BGP (Byzanthine Generals Problem). Un’altra differenza, importantissima, tra database distribuito e blockchain sta nelloscopo.

Lo scopo della blockchain è fornire l’ecosistema necessario ad avere un mondo completa-mente distribuito. Lo scopo di un db distribuito è quello di avere un db che beneficia di una struttura distribuita. Anche a livello di tecnologie di storage le due soluzioni sono differenti ma ai fini della trattazione, essi non vengono approfonditi.

Le caratteristiche della blockchain sono state ampiamente descritte nelle sezioni 1.4.4 e 2.1. A questo punto della trattazione rimane solo di concludere il perchè la blockchain sia la giusta tecnologia da impiegare ai fini del progetto.

La blockchain pertanto è adatta:[18]

• gestione di transazioni finanziarie

• trasferimento di beni

• verifica di dati

• sviluppo di applicazioni distribuite (DApps)

• molto altro non utile ai fini della trattazione (sistemi di voto elettronico, gestione identità digitale ecc..)

Da questa analisi ne consegue che è molto più significativo paragonare la blockchain con un database distribuito piuttosto che con un database tradizionale. Le differenza tra una blockchain e un database stanno nell’architettura e nello scopo. Un database è perfetto per salvare e leggere dati.

La blockchain offre un ecosistema che grantisce trasparenza e favorisce la

coope-razione di entità che non si fidano tra loro e che non hanno la possibilità di trovare una parte terza di cui fidarsi entrambi. Sia i database che la blockchain possono essere utilizzati in maniera sicura ed entrambe le soluzioni soffrono di problemi di sicurezza. La bc non soffre di problemi di sicurezza dell’infrastruttura ma solo di come vengono caricati i dati.

Come la blockchain, il database distribuito ha lo scopo di mantenere una copia dei dati consistente su un insieme di nodi

L’impiego di un database distribuito è paragonabile all’impiego di una blockchain solo attivando i maggiori livelli di isolazione (serializable isolation level) che comunque non è sufficiente a garantire un livello di affidabilità e alta disponibilità paragonabile a quello di una blockchain. [19]. Infatti nei DB distribuiti esiste la possibilità che ci siano conflitti che vanno risolti tramite intervento manuale o automatico. Il primo causa una situazione di downtime e si basa sulla promozione di una situazione dove è l’operatore a discernere, il secondo caso non causa downtime e non dipende dall’intervento umano potenzialmente fraudolento ma ha la potenzialità di creare involontariamente situazioni ancora più difficili da risolvere.

Quindi nel piccolo non è possibile avere un DB che possa competere con la BC. Gli unici infatti che riescono a farlo sono i grandi aziende come Amazon e Google e i prodotti hanno un costo diverso da quello di un semplice DBaaS. La blockchain quindi può essere vista come un’evoluzione dei distributed db, o meglio, un’alternativa molto simile che offre la possibilità di persistere dati su dei nodi di cui non ci si debba necessariamente fidare. A questo scopo i nodi implementano un algoritmo che utilizza soluzioni crittografiche basate sui Merkle Trees.

Gli svantaggi di impiegare una blockchain sono:

• le transazioni hanno un costo

• i tempi di risposta della blockchain, soprattuto in scrittura, sono molto lenti1

1

in alcuni casi si parla di diversi secondi o addirittura minuti, a dipendenza della frequenza con la quale vengono creati i nuovi blocchi

• la struttura dati non è relazionale2

3.2.2

Perché IPFS

Esistono dei database compatibili con la blockchain tra cui CouchDB e LevelDB. Sicura-mente l’impiego di una di queste due tecnologie è adatto al progetto. IPFS è stato scelto perchè permette di salvare qualsiasi tipo di file compresi file JSON e immagini. I file JSON sono stati utilizzati per salvare gli oggetti javascript creati con l’applicazione node e facil-mente utilizzabili anche lato browser. IPFS inoltre è anche la scelta fatta da Foodchain le cui API, come vedremo di seguito, sono state impiegate nel progetto. Viene qui riportata una frase tratta dal sito ufficiale di IPFS[20] che espone molto chiaramente quanto IPFS e la blockchain siano tecnologie sinergiche.

IPFS and the Blockchain are a perfect match! You can address large amounts of data with IPFS, and place the immutable, permanent IPFS links into a blockchain transaction. This timestamps and secures your content, without having to put the data itself on the chain.

3.2.3

Perché Foodchain

La scelta di utilizzare la blockchain di Quadrans è stata definita fin dalla prima versione della proposta di questo progetto. La collaborazione con Foodchain è stata fortemente voluta fin dai primi contatti avuti con la fondazione Quadrans. La collaborazione con Foodchain è stata inoltre molto proficua, ha permesso di focalizzarsi sulla parte di ricerca di una soluzione e sullo sviluppo del prototipo senza dover entrare nei dettagli della programmazione su blockchain che non era necessaria ai fini del progetto. Se Foodchain sia la scelta giusta per un eventuale proseguimento del progetto, verrà analizzato nel capitolo 4. Le possibilità per integrare Foodchain nel progetto sono:

• analizzare e studiare il comportamento dello smartcontract di Foodchain e interagire direttamente con la blockchain

• sviluppare un’applicazione web tradizionale che si interfaccia con un nodo remoto della blockchain tramite API REST

È stato scelto di utilizzare la seconda soluzione perchè le necessità di questo pro-getto sono ampiamente soddisfatte dallo smart contract di Foodchain. Questa scelta ha fortemente influenzato l’architettura del sistema descritta nella sezione 3.5.

2

non si possono eseguire operazioni tipo il join che si può eseguire nei database più diffusi

3.2.4

Perché Node.js

Node.js è un ambiente runtime leggero ed efficiente che permette di scrivere applicazioni lato server in javascript. Il vantaggio più grande di utilizzare Node.js per lo svliluppo di una web app è la possibilità di utilizzare lo stesso linguaggio che viene utilizzato nel browser. Da questo deriva la possibilità di riutilizzare lo stesso codice e quindi ridurre i tempi di sviluppo. IPFS, la cui implementazione primaria è in Go, offre anche un’implementazione in JavaScript che permette una perfetta integrazione nel browser o in applicazioni Node.js.

3.2.5

Perchè un VPS

Un VPS (Virtual Private Server) è un server virtuale la cui infrastruttura viene fornita e man-tenuta come servizio che viene solamente configurata e sfruttata per gli scopi per cui è stata presa a noleggio. Come è possibile osservare dallo schema dell’architettura del sistema 3.6 è stato utilizzato un server remoto noleggiato su OVH.com che ha due funzioni:

• fare da proxy tra il server web Node.js e il servizio tramite il quale si può comunicare con il nodo della blockchain

• eseguire un nodo IPFS che si occupa di fornire lo storage necessario ad ospitare i documenti

Per ragioni di sicurezza il servizio per comunicare con il nodo della blockchain accetta richieste da un solo IP. Per garantire un elevato grado di flessibilità, si è pensato di permet-tere all’applicazione web di essere eseguita su una macchina qualsiasi invece che da una macchina con IP fisso. Per poterlo fare si è reso necessario installare su un VPS con IP fisso il servizio di proxy.

3.3

Funzionamento

In questa sezione viene descritto come i vari attori interagiscono con il software per dare vita al flusso della filiera. Il risultato dell’inserimento dei dati nel software è la possibilità di generare un QR code da apporre sull’etichetta del prodotto che, quando scansionato, apre sul dispositivo utilizzato una pagina del browser in cui viene fornita una pagina in cui sono riportate tutte le informazioni riguardanti quello specifico prodotto. Un esempio viene riportato di seguito suddiviso in tre screenshots i figura 3.2.

Figura 3.2: Pagina tracking su mobile

Il software sviluppato si distingue dagli altri descritti nella sezione 2.3 per la sua sem-plice interfaccia grafica e perchè le pagine di amministrazione tramite le quali produttori, trasformatori e rivenditori interagiscono con l’applicazione sono sufficientemente semplici da poter essere fruite anche da dispositivo mobile. Essendo il software inteso per esse-re impiegato da piccoli produttori, lo scopo di questa scelta è quella di esse-rendeesse-re l’impiego del software il più semplice e meno invasivo possibile per chi, durante la giornata lavo-rativa, si occupa presumibilmente non solo di gestire aspetti amministrativi (tra cui rientra l’inserimento dei dati su questo software).

Con lo stesso scopo è stato previsto uno step di configurazione in cui i dettagli riguar-danti pascoli, produttori, traformatori e rivenditori vengono inseriti nella blockchain creando una sorta di profilo utente i cui dati sono scritti su blockchain. Considerazioni a riguardo sono riportate nella sezione 4.2. Le relazioni tra i pascoli e i contadini, tra i contadini e i trasformatori e tra trasformatori e rivenditori sono scritte nel profilo dell’attore che è quindi immutabile3e pubblicamente accesibile.

In accordo con gli obiettivi del progetto sono state implementate le funzionalità utili a dimo-strare come avviene il flusso del latte nella filiera del latte per la produzione di Formaggio d’Alpe Ticinese DOP. I prodotti caseari (formaggi e yogurt) sono realmente prodotti dal ca-seificio Agroval di Airolo. Alla fine di ogni step i dati sono scritti in maniera immutabile sulla blockchain. Si noti che quando con la frase "i dati sono scritti in maniera immutabile sulla

3

di seguito, in questa sezione, viene descritto come avvengon eventuali aggiornamenti riuscendo però a garantire sempre la massima trasparenza aggiornando i dati senza eliminare la versione precedente

blockchain" si intente il salvataggio di un file JSON su IPFS e la creazione di un item sulla blockchain contenente una coppia di valori: un timestamp e un hash IPFS. Questo mecca-nismo permette di garantire che in un determinato momento quei determinati dati siano stati scritti su blockchain. I dati, ovviamente, non possono essere modificati perchè l’hash IPFS non sarebbe più valido. Modifiche e aggiornamenti sono possibili postando una nuova re-visione sull’item sulla blockchain. In altre parole all’indirizzo dell’item sulla blockchain verrà mantenuto un array di revisioni contenenti diverse coppie timestamp/ipfs-hash che creano uno storico dell’item le cui versioni precedenti non sono modificate nè modificabili.

Alla coppia timestamp/ipfs-hash è associato anche l’identificativo dell’attore che ha creato l’item o postato la nuova revisione. Per quanto riguarda l’autenticazione dell’utente nel siste-ma, utile a sapere chi ha scritto cosa, si faccia riferimento alle sezioni 3.7 e 4.2. Tornando alla descrizione del flusso che il latte segue nella filiera, il primo step prevede la scrittura dei dati relativi allamungitura del latte per cui è necessario inserire la quantità di latte

prodot-ta.

Il timestamp è aggiunto alla creazione dell’item su blockchain. Il riferimento al pascolo è aggiunto automaticamente dal sistema grazie alla fase di configurazione eseguita prece-dentemente. Il prodotto di ogni mungitura è un lotto di latte che viene automaticamente inserito tra iprodotti in vendita del contadino. Il contadino può eseguire l’upload di file

da associare al lotto di latte. I file vengono caricati su IPFS, viene creato un item sulla bloc-kchain4. Il documento IPFS realtivo al latte viene quindi aggiornato ottentendo un nuovo IPFS hash che verrà utilizzato per creare una nuova revisione dell’item latte contenente un array di indirizzi ai documenti associati al lotto di latte. Può essere caricato qualsiasi file che voglia essere condiviso con gli altri attori, con il consumatore, con gli enti certificatori e con gli enti di controllo.

Per esempio potrebbero essere caricati documenti di trasporto, certificazioni del biologico o l’attestato che dimostra che il pascolo in cui è avvenuta la mungitura fa parte degli alpi inclusi nella lista del Formaggio d’alpe Ticinese DOP. Ulteriori considerazioni sono riportate nella sezione 4.2.

4

Figura 3.3: Contadino admin page

Sulla pagina di amministrazione del casaro5 è presente una lista di tutti i lotti di latte disponibili per la vendita presso i contadini da cui il casaro di rifornisce 6. Il casaro può quindiformalizzare l’acquisto di un lotto di latte e da quel momento può utilizzarlo, anche

parzialmente, percreare dei prodotti caseari. La lista di prodotti con alcune caratteristiche,

che sono descritte nella sezione 3.6, sono salvati nel file IPFS contenente i dati del casaro. Il casaro può quindi creare dei prodotti che sono poi resi disponibili nella sezione prodotti in vendita e acquistabili dai rivenditori. Come per il latte nella pagina del contadino, il casaro può aggiungere dei documenti ad ogni lotto di prodotti creato.

5

che corrisponde ad un profilo che precedentemente è stato descritto in maniera più generica con il termine trasformatore

6

come descritto in precedenza, anche la lista di contadini è persistita su blockchain

Figura 3.4: Casaro admin page

Nella pagina di amministrazione del rivenditore è possibileacquistare i prodotti dai caseifici di cui il rivenditore è cliente e generare un QR code che, quando scansionato,

genera una richiesta al web server la cui risposta è una pagina web attraverso la quale il consumatore può consultare la pagina di tracking del prodotto.

Figura 3.5: Rivenditore admin page

Considerato che in un sistema decentralizzato non esiste qualcuno che può correggere dei dati immessi erroneamente dall’utente e soprattutto considerato che i dati, una volta su blockchain, non possono essere eliminati o modificati, si è dovuta trovare una soluzione per risolvere l’eventuale inserimento di dati errati sulla blockchain. Attraverso l’interfaccia grafica l’utente ha la possibilità di "eliminare" il lotto di latte o i prodotti che possiede. L’eliminazione prevede che il prodotto non sia più visibile attraverso l’interfaccia grafica. In fase di elimi-nazione è previsto che l’utente inserisca un commento attraverso il quale rende trasparenti le motivazioni di ciò che sta facendo prendendosene pubblicamente la responsabilità. È importante infatti considerare che i dati rimangono scritti sulla blockchain e il file IPFS non viene eliminato, pertanto, chi volesse effettuare delle verifiche lo può fare accedendo ai dati attraverso un canale diverso. Considerazioni a riguardo sono riportate nelle sezioni 4.1 e 4.2.

Come si può constatare consultando la sezione 3.6 di questo documento, il software è stato sviluppato per permettere di aggiungere alla filiera attori e prodotti in maniera molto semplice. Alcune possibilità di ampliamento delle funzionalità del software sono descritte nella sezione 4.2.

Uno svantaggio di utilizzare la blockchain sono i tempi di risposta agli eventi. Nella testnet di Foodchain per esempio viene creato un blocco ogni 15 secondi. Operazioni quali la vendita che prevedono la scrittura o l’aggiornamento su blockchain di tre item (vendi-tore, acquirente, prodotto) richiedono tempi molto lunghi, anche superiori ai 30 secondi, rendendo l’applicazione inutilizzabile. In accordo con quanto detto in precedenza, quindi,