University Sétif 1 FERHAT ABBAS Faculty of Sciences
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Auteur Nour El Houda Lakhdari |
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Titre : Investigating Blockchain to enhance Traceability and Transparency in the Supply Chain Type de document : texte imprimé Auteurs : Nour El Houda Lakhdari, Auteur ; Amira Lina Ounnas ; Sarra Cherbal, Auteur Editeur : Setif:UFA Année de publication : 2024 Importance : 1 vol (77 f .) Format : 29 cm Langues : Anglais (eng) Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : Agricultural food supply chain
Blockchain
Smart contractsIndex. décimale : 004 - Informatique Résumé :
The food supply chain (FSC) plays a crucial role in delivering food from farms to consumers’
tables. This complex network involves numerous stages and entities. Efficient product
tracking throughout the chain is essential for ensuring consumer safety by reducing the risk of
illness due to unknown product origins, as well as maintaining the safety and availability of food
products. However, current FSC systems struggle with reliance on third parties, data integrity
concerns, lack of traceability and transparency, and poor communication between supply chain
members. In this thesis, we aim to address these challenges by investigating the application of
blockchain technology in the agricultural food supply chain. The objective of this research is
to enhance transparency, ensure food safety, enable product traceability, and optimize the performance
of the system. We propose a blockchain-based solution that utilizes Ethereum smart
contracts and IPFS. Implementation and evaluations are conducted using tools such as Remix
IDE, IPFS, MetaMask, Caliper Benchmark, and Hyperledger Besu to validate the effectiveness
of our proposed approach. The evaluation results and the security analysis demonstrate that
our solution boosts throughput efficiency while reducing latency, consumes a relatively small
percentage of gas and CPU, and is resilient against security threats and attacks. These findings
indicate that our blockchain-based system not only enhances the reliability but also improves
the efficiency of the agricultural food supply chain.Note de contenu :
Sommaire
List of Figures VII
List of Algorithms IX
General Introduction 1
1 Blockchain Overview 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Blockchain definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Blockchain components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Blockchain Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.1 The Data Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2 The Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.3 The Consensus Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.4 The Incentive Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.5 The Contract Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.6 The Application Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Blockchain Features and Working principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.1 Decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.2 Immutability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.3 Auditability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.4 Fault tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.5 Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.6 Traceability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 Blockchain types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6.1 Public Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.2 Private Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.3 Consortium Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.4 Hybrid Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7 Smart Contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8 Platforms for Smart Contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.9 Blockchain Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Food Supply Chain and Related Work 17
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Supply chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Overview of the food supply chain structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Challenges in the Current Food Supply Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.1 Lack of Traceability and Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2 Food Loss and Waste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.3 Food Safety and Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.4 Poor Communication Between Members in the Food Supply Chain . . . 21
2.5 Current technologies in supply chain management . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 Blockchain in supply chain management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.7 Comparison of the Digitized SC and Blockchain-enabled SC . . . . . . . . . . 24
2.8 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Blockchain Approach for Agricultural Food Supply Chain Utilizing IPFS 31
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 The proposed scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 System entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 System phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1 Registration and Access Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2 Add harvested item by farmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.3 Purchase Crop by Processor Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.4 Purchase Product by Distributor Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.5 Purchase Product by Retailer Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.6 Purchase Product by Consumer Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Implementation and Results 48
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Implementation tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.1 Remix IDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.2 IPFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.3 MetaMask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.4 Caliper Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.5 Hyperledger Besu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Implementation steps and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.1 Create the smart contracts on the Remix IDE . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.2 Storing Images on IPFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.3 Deploy the smart contract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.1 Performance metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.2 Evaluation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5 Comparison graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.1 Throughput and latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.2 CPU usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5.3 Gas Fees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6 Security analysis - Slither analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.1 Slither . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.2 Results of the security analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Côte titre : MAI/0831 Investigating Blockchain to enhance Traceability and Transparency in the Supply Chain [texte imprimé] / Nour El Houda Lakhdari, Auteur ; Amira Lina Ounnas ; Sarra Cherbal, Auteur . - [S.l.] : Setif:UFA, 2024 . - 1 vol (77 f .) ; 29 cm.
Langues : Anglais (eng)
Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : Agricultural food supply chain
Blockchain
Smart contractsIndex. décimale : 004 - Informatique Résumé :
The food supply chain (FSC) plays a crucial role in delivering food from farms to consumers’
tables. This complex network involves numerous stages and entities. Efficient product
tracking throughout the chain is essential for ensuring consumer safety by reducing the risk of
illness due to unknown product origins, as well as maintaining the safety and availability of food
products. However, current FSC systems struggle with reliance on third parties, data integrity
concerns, lack of traceability and transparency, and poor communication between supply chain
members. In this thesis, we aim to address these challenges by investigating the application of
blockchain technology in the agricultural food supply chain. The objective of this research is
to enhance transparency, ensure food safety, enable product traceability, and optimize the performance
of the system. We propose a blockchain-based solution that utilizes Ethereum smart
contracts and IPFS. Implementation and evaluations are conducted using tools such as Remix
IDE, IPFS, MetaMask, Caliper Benchmark, and Hyperledger Besu to validate the effectiveness
of our proposed approach. The evaluation results and the security analysis demonstrate that
our solution boosts throughput efficiency while reducing latency, consumes a relatively small
percentage of gas and CPU, and is resilient against security threats and attacks. These findings
indicate that our blockchain-based system not only enhances the reliability but also improves
the efficiency of the agricultural food supply chain.Note de contenu :
Sommaire
List of Figures VII
List of Algorithms IX
General Introduction 1
1 Blockchain Overview 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Blockchain definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Blockchain components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Blockchain Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.1 The Data Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2 The Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.3 The Consensus Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.4 The Incentive Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.5 The Contract Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.6 The Application Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Blockchain Features and Working principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.1 Decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.2 Immutability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.3 Auditability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.4 Fault tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.5 Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.6 Traceability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 Blockchain types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6.1 Public Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.2 Private Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.3 Consortium Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.4 Hybrid Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7 Smart Contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8 Platforms for Smart Contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.9 Blockchain Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Food Supply Chain and Related Work 17
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Supply chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Overview of the food supply chain structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Challenges in the Current Food Supply Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.1 Lack of Traceability and Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2 Food Loss and Waste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.3 Food Safety and Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.4 Poor Communication Between Members in the Food Supply Chain . . . 21
2.5 Current technologies in supply chain management . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 Blockchain in supply chain management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.7 Comparison of the Digitized SC and Blockchain-enabled SC . . . . . . . . . . 24
2.8 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Blockchain Approach for Agricultural Food Supply Chain Utilizing IPFS 31
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 The proposed scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 System entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 System phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1 Registration and Access Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2 Add harvested item by farmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.3 Purchase Crop by Processor Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.4 Purchase Product by Distributor Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.5 Purchase Product by Retailer Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.6 Purchase Product by Consumer Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Implementation and Results 48
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Implementation tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.1 Remix IDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.2 IPFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.3 MetaMask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.4 Caliper Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.5 Hyperledger Besu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Implementation steps and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.1 Create the smart contracts on the Remix IDE . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.2 Storing Images on IPFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.3 Deploy the smart contract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.1 Performance metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.2 Evaluation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5 Comparison graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.1 Throughput and latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.2 CPU usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5.3 Gas Fees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6 Security analysis - Slither analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.1 Slither . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.2 Results of the security analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Côte titre : MAI/0831 Exemplaires (1)
Code-barres Cote Support Localisation Section Disponibilité MAI/0831 MAI/0831 Mémoire Bibliothéque des sciences Anglais Disponible
Disponible
Titre : Investigating Blockchain to enhance Traceability and Transparency in the Supply Chain Type de document : texte imprimé Auteurs : Nour El Houda Lakhdari, Auteur ; Amira Lina Ounnas ; Sarra Cherbal, Auteur Editeur : Setif:UFA Année de publication : 2024 Importance : 1 vol (77 f .) Format : 29 cm Langues : Anglais (eng) Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : Agricultural food supply chain
Blockchain
Smart contractsIndex. décimale : 004 - Informatique Résumé : The food supply chain (FSC) plays a crucial role in delivering food from farms to consumers’
tables. This complex network involves numerous stages and entities. Efficient product
tracking throughout the chain is essential for ensuring consumer safety by reducing the risk of
illness due to unknown product origins, as well as maintaining the safety and availability of food
products. However, current FSC systems struggle with reliance on third parties, data integrity
concerns, lack of traceability and transparency, and poor communication between supply chain
members. In this thesis, we aim to address these challenges by investigating the application of
blockchain technology in the agricultural food supply chain. The objective of this research is
to enhance transparency, ensure food safety, enable product traceability, and optimize the performance
of the system. We propose a blockchain-based solution that utilizes Ethereum smart
contracts and IPFS. Implementation and evaluations are conducted using tools such as Remix
IDE, IPFS, MetaMask, Caliper Benchmark, and Hyperledger Besu to validate the effectiveness
of our proposed approach. The evaluation results and the security analysis demonstrate that
our solution boosts throughput efficiency while reducing latency, consumes a relatively small
percentage of gas and CPU, and is resilient against security threats and attacks. These findings
indicate that our blockchain-based system not only enhances the reliability but also improves
the efficiency of the agricultural food supply chain.Note de contenu : Sommaire
List of Figures VII
List of Algorithms IX
General Introduction 1
1 Blockchain Overview 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Blockchain definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Blockchain components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Blockchain Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.1 The Data Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2 The Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.3 The Consensus Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.4 The Incentive Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.5 The Contract Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.6 The Application Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Blockchain Features and Working principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.1 Decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.2 Immutability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.3 Auditability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.4 Fault tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.5 Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.6 Traceability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 Blockchain types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6.1 Public Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.2 Private Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.3 Consortium Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.4 Hybrid Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7 Smart Contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8 Platforms for Smart Contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.9 Blockchain Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Food Supply Chain and Related Work 17
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Supply chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Overview of the food supply chain structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Challenges in the Current Food Supply Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.1 Lack of Traceability and Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2 Food Loss and Waste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.3 Food Safety and Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.4 Poor Communication Between Members in the Food Supply Chain . . . 21
2.5 Current technologies in supply chain management . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 Blockchain in supply chain management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.7 Comparison of the Digitized SC and Blockchain-enabled SC . . . . . . . . . . 24
2.8 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Blockchain Approach for Agricultural Food Supply Chain Utilizing IPFS 31
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 The proposed scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 System entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 System phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1 Registration and Access Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2 Add harvested item by farmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.3 Purchase Crop by Processor Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.4 Purchase Product by Distributor Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.5 Purchase Product by Retailer Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.6 Purchase Product by Consumer Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Implementation and Results 48
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Implementation tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.1 Remix IDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.2 IPFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.3 MetaMask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.4 Caliper Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.5 Hyperledger Besu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Implementation steps and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.1 Create the smart contracts on the Remix IDE . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.2 Storing Images on IPFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.3 Deploy the smart contract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.1 Performance metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.2 Evaluation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5 Comparison graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.1 Throughput and latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.2 CPU usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5.3 Gas Fees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6 Security analysis - Slither analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.1 Slither . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.2 Results of the security analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Côte titre : MAI/0831 Investigating Blockchain to enhance Traceability and Transparency in the Supply Chain [texte imprimé] / Nour El Houda Lakhdari, Auteur ; Amira Lina Ounnas ; Sarra Cherbal, Auteur . - [S.l.] : Setif:UFA, 2024 . - 1 vol (77 f .) ; 29 cm.
Langues : Anglais (eng)
Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : Agricultural food supply chain
Blockchain
Smart contractsIndex. décimale : 004 - Informatique Résumé : The food supply chain (FSC) plays a crucial role in delivering food from farms to consumers’
tables. This complex network involves numerous stages and entities. Efficient product
tracking throughout the chain is essential for ensuring consumer safety by reducing the risk of
illness due to unknown product origins, as well as maintaining the safety and availability of food
products. However, current FSC systems struggle with reliance on third parties, data integrity
concerns, lack of traceability and transparency, and poor communication between supply chain
members. In this thesis, we aim to address these challenges by investigating the application of
blockchain technology in the agricultural food supply chain. The objective of this research is
to enhance transparency, ensure food safety, enable product traceability, and optimize the performance
of the system. We propose a blockchain-based solution that utilizes Ethereum smart
contracts and IPFS. Implementation and evaluations are conducted using tools such as Remix
IDE, IPFS, MetaMask, Caliper Benchmark, and Hyperledger Besu to validate the effectiveness
of our proposed approach. The evaluation results and the security analysis demonstrate that
our solution boosts throughput efficiency while reducing latency, consumes a relatively small
percentage of gas and CPU, and is resilient against security threats and attacks. These findings
indicate that our blockchain-based system not only enhances the reliability but also improves
the efficiency of the agricultural food supply chain.Note de contenu : Sommaire
List of Figures VII
List of Algorithms IX
General Introduction 1
1 Blockchain Overview 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Blockchain definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Blockchain components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Blockchain Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.1 The Data Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2 The Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.3 The Consensus Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.4 The Incentive Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.5 The Contract Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.6 The Application Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Blockchain Features and Working principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.1 Decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.2 Immutability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.3 Auditability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.4 Fault tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.5 Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.6 Traceability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 Blockchain types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6.1 Public Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.2 Private Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.3 Consortium Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.4 Hybrid Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7 Smart Contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8 Platforms for Smart Contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.9 Blockchain Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Food Supply Chain and Related Work 17
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Supply chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Overview of the food supply chain structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Challenges in the Current Food Supply Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.1 Lack of Traceability and Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2 Food Loss and Waste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.3 Food Safety and Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.4 Poor Communication Between Members in the Food Supply Chain . . . 21
2.5 Current technologies in supply chain management . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 Blockchain in supply chain management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.7 Comparison of the Digitized SC and Blockchain-enabled SC . . . . . . . . . . 24
2.8 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Blockchain Approach for Agricultural Food Supply Chain Utilizing IPFS 31
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 The proposed scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 System entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 System phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1 Registration and Access Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2 Add harvested item by farmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.3 Purchase Crop by Processor Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.4 Purchase Product by Distributor Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.5 Purchase Product by Retailer Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.6 Purchase Product by Consumer Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Implementation and Results 48
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Implementation tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.1 Remix IDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.2 IPFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.3 MetaMask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.4 Caliper Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.5 Hyperledger Besu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Implementation steps and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.1 Create the smart contracts on the Remix IDE . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.2 Storing Images on IPFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.3 Deploy the smart contract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.1 Performance metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.2 Evaluation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5 Comparison graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.1 Throughput and latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.2 CPU usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5.3 Gas Fees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6 Security analysis - Slither analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.1 Slither . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.2 Results of the security analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Côte titre : MAI/0831 Exemplaires
Code-barres Cote Support Localisation Section Disponibilité aucun exemplaire
