基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約實(shí)驗(yàn)平臺

王文明, 施重陽, 達(dá)斯坦·扎尼別克

(北京理工大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院, 北京 100081)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維的重要環(huán)節(jié),是人才培養(yǎng)體系的重要組成部分[1]。能否設(shè)計出好的實(shí)驗(yàn)方案成為廣大一線教師的研究課題。近年來,新技術(shù)不斷涌現(xiàn),在眾多新技術(shù)中,一項(xiàng)火爆的技術(shù)闖進(jìn)我們的視野,這就是區(qū)塊鏈技術(shù)[2]。區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)該從兩個方面看,一是區(qū)塊鏈技術(shù)確實(shí)具有一定顛覆性能力,會在未來的應(yīng)用中大放異彩,并且目前得到了世界各國的普遍重視,紛紛開始了技術(shù)及應(yīng)用研究,其標(biāo)準(zhǔn)也在研究和制定過程中；二是區(qū)塊鏈技術(shù)不是萬能的,它在具備和提供安全的同時,仍然受到安全的挑戰(zhàn),安全性研究仍然是長久的主題,不可忽視。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

所謂區(qū)塊鏈技術(shù),簡稱BT(blockchain technology),也被稱之為分布式賬本技術(shù),是一種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術(shù),其特點(diǎn)是去中心化、公開透明,讓每個人均可參與數(shù)據(jù)庫記錄。最早是比特幣的基礎(chǔ)技術(shù),目前世界各地均在研究,可廣泛應(yīng)用于金融等各領(lǐng)域。從2008 年的“比特幣白皮書”中出現(xiàn)的區(qū)塊鏈概念,并在2009 年開發(fā)出的第一個區(qū)塊“創(chuàng)世區(qū)塊”(genesis block)開始,區(qū)塊鏈與價值互聯(lián)網(wǎng)的歷史也從此展開,并且迅速得到發(fā)展[3]。

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展,人才需求也與日俱增,甚至出現(xiàn)區(qū)塊鏈人才缺乏的現(xiàn)象,人才需求主要集中在新技術(shù)GO語言開發(fā)(例如Web開發(fā)、微服務(wù)、分布式等)和新領(lǐng)域區(qū)塊鏈開發(fā)(例如密碼學(xué)安全、區(qū)塊鏈系統(tǒng)、區(qū)塊鏈應(yīng)用等)。

本文的目的在于為高等院校區(qū)塊鏈相關(guān)課程提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案和手段,同時也為相關(guān)項(xiàng)目、相關(guān)研究提供方法和案例。目前,從以太坊平臺應(yīng)用角度來看,比特幣應(yīng)用屬于區(qū)塊鏈1.0,以太坊智能合約設(shè)計屬于區(qū)塊鏈2.0,行業(yè)應(yīng)用(聯(lián)盟鏈/私有鏈搭建原理)屬于區(qū)塊鏈3.0。

本文以最具代表性的以太坊區(qū)塊鏈技術(shù)[3-4]為例,提出一個基于區(qū)塊鏈智能合約的“眾籌平臺”,講解平臺的設(shè)計及構(gòu)造方法,以該平臺為實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,介紹該平臺上如何部署智能合約,并進(jìn)行智能合約實(shí)驗(yàn)。

維基百科(Wikipedia)給出的區(qū)塊鏈定義是：用分布式數(shù)據(jù)庫識別、傳播和記載信息的智能化對等網(wǎng)絡(luò),也稱為價值互聯(lián)網(wǎng)。一種普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,區(qū)塊鏈技術(shù)是下一代云計算的雛形,有望像互聯(lián)網(wǎng)一樣徹底重塑人類社會活動形態(tài),并實(shí)現(xiàn)從目前的信息互聯(lián)網(wǎng)向價值互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)變[5]。

區(qū)塊鏈的安全性是通過分散服務(wù)器提供的,該服務(wù)器提供時間戳和點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接,其結(jié)果就形成了一個數(shù)據(jù)庫,這個數(shù)據(jù)庫是自主管理的,沒有一個統(tǒng)一的中心。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn),使缺乏信任機(jī)制的項(xiàng)目有了可行的實(shí)現(xiàn)機(jī)會。例如,互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶動了眾籌業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)的“眾籌”平臺存在潛在的信任危機(jī)與誠信問題, 還要依靠第三方(銀行等),而基于以太坊區(qū)塊鏈的“眾籌”平臺可以用智能合約來解決這些問題。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N賬本數(shù)據(jù)存儲方式,是以多份拷貝形式存在于點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上的只可以追加的總賬數(shù)據(jù)庫。當(dāng)前,國內(nèi)外各類金融機(jī)構(gòu)已經(jīng)紛紛在嘗試應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)來構(gòu)建或優(yōu)化現(xiàn)有的金融基礎(chǔ)設(shè)施,進(jìn)而改造現(xiàn)有業(yè)務(wù)。但是,基于區(qū)塊鏈技術(shù)的“眾籌平臺”及其活動暫時還未出現(xiàn),該項(xiàng)內(nèi)容在國內(nèi)外業(yè)缺少研究。

本實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計,可以讓用戶用瀏覽器使用以太坊區(qū)塊鏈中的“眾籌”智能合約(區(qū)塊鏈上運(yùn)行的程序),讓用戶尋找投資或者用戶本人投資一些項(xiàng)目,利用智能合約保證投資方投資以太幣的安全性。尋找投資的用戶每次得到投資之前應(yīng)該發(fā)送請求,投資人大部分同意之后交易才能實(shí)現(xiàn),否則取消交易。本文認(rèn)為區(qū)塊鏈?zhǔn)莿討B(tài)的、活動的、運(yùn)動的,均是程序的動態(tài)體現(xiàn),在該實(shí)驗(yàn)平臺上可以利用以太坊智能合約技術(shù),創(chuàng)建諸如活動、運(yùn)動、方案、計劃等類型的項(xiàng)目,例如投票活動、競選運(yùn)動等。

2 實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計

2.1 以太坊基本知識

(1) 賬戶。每個賬戶都有一個與之相關(guān)的狀態(tài)和一個 20 字節(jié)的地址。 以太坊中的地址是用于識別賬戶的 160 位標(biāo)識符。

(2) 費(fèi)用。在以太坊區(qū)塊鏈上發(fā)生的每個交易(一次計算)都會產(chǎn)生費(fèi)用,該筆費(fèi)用Gas表示,它用于衡量特定計算所需費(fèi)用的單位。 Gas 的價格就是花費(fèi)在每個Gas上的ether數(shù)量,用Gwei來衡量。wei是以太幣的最小單位 1018wei=1 ether,1 kwei=103wei,1Mwei=106wei,1Gwei=109wei, 1 ether = 109Gwei=1018wei,每次交易時,發(fā)送人都會設(shè)置 gasLimit 和 gasPrice, gasPrice 和 gasLimit的乘積表示發(fā)送人愿意為執(zhí)行交易支付的wei的最大金額。

(3) 交易。以太坊是以交易為基礎(chǔ)的區(qū)塊鏈技術(shù)。以太坊有兩種交易：發(fā)送消息,創(chuàng)建智能合約。

(4) 區(qū)塊。將交易組合在一起成為區(qū)塊。區(qū)塊鏈包含一系列鏈接在一起的此類區(qū)塊。

(5) 智能合約。智能合約是一種運(yùn)行于區(qū)塊鏈上的計算機(jī)算法,旨在總結(jié)與維護(hù)在區(qū)塊鏈上自執(zhí)行的合約。這種智能合約用代碼實(shí)現(xiàn),在區(qū)塊鏈的分布式注冊表中存在,由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支持與管理。簡而言之,智能合約允許用戶在不借助中間人服務(wù)的情況下交換資產(chǎn)。也就是說,智能合約是用程序語言編寫的商業(yè)合約,在約定條件滿足時,能夠自動強(qiáng)制地執(zhí)行合同條款,實(shí)現(xiàn)“代碼即法律”的目標(biāo)。區(qū)塊鏈的去中心化使得智能合約在沒有中心管理者參與的情況下,可同時運(yùn)行在全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn),任何機(jī)構(gòu)和個人都無法將其強(qiáng)行停止[6]。

以太坊自定義了Solidity等腳本語言用以編寫智能合約,并在智能合約內(nèi)置了Address數(shù)據(jù)類型,用來表示“賬戶地址”。以太坊智能合約在執(zhí)行時,會根據(jù)占用的CPU 和內(nèi)存情況消耗Gas(由以太幣兌換獲得),一旦Gas耗盡,合約就會終止執(zhí)行,消耗掉的費(fèi)用不會退回,從而防范了垃圾交易或含有死循環(huán)的智能合約。

本實(shí)驗(yàn)的智能合約采用Solidity[7]編程語言編寫。

2.2 平臺實(shí)現(xiàn)

對于普通用戶來說,編寫和使用智能合約是件不容易的事情,因此本文著重設(shè)計了客戶端,以便普通客戶根據(jù)自己的實(shí)際需求編寫和使用智能合約,該實(shí)驗(yàn)平臺代碼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺結(jié)構(gòu)圖

圖1中的ethereum是本文設(shè)計的智能合約模塊。其中,運(yùn)行環(huán)境為Apple MacBook Pro(2017),2.9 GHz Intel Core i7,16 GB 內(nèi)存和操作系統(tǒng)為 mac OS High Sierra。開發(fā)環(huán)境為Visual Studio26 Code v1.23.1.智能合約編程語言為Solidity,采用JavaScript(ES2015, React(JSX前端)), HTML, SCSS,Node.js,Next.JS等。

普通用戶可以按照ethereum模塊結(jié)構(gòu)撰寫自己的智能合約,以便簡化合約的設(shè)計過程。ethereum是平臺的核心模塊,ethereum文件夾中文件見表1。

表1 ethereum文件夾中的文件

圖1中Components和pages文件夾構(gòu)成平臺的界面模塊,Routes.js用于網(wǎng)站路由設(shè)置,Server.js用于網(wǎng)站的服務(wù)器設(shè)置。

平臺前端采用JavaScript語言實(shí)現(xiàn),后端采用Node.js語言實(shí)現(xiàn)。Node.js 采用C++語言編寫而成,它使用了Google的一個非常快速的JavaScript引擎,即V8引擎[8]。

3 智能合約實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

3.1 方案模型

本設(shè)計方案的系統(tǒng)模型由以下幾個部分組成: 發(fā)起人/創(chuàng)意人, 投資人, 供應(yīng)商, 智能合約。整體結(jié)構(gòu)非常簡單,不需要任何第三方服務(wù)或平臺介入,如圖2所示。

圖2 平臺智能合約的工作模式

3.2 方案工作流程

步驟1: 發(fā)起人創(chuàng)建項(xiàng)目,并且指定最小投資余額,以“wei”為單位。

步驟2: 投資人能夠?yàn)g覽平臺所有的項(xiàng)目。

步驟3: 投資人選擇一個項(xiàng)目,可以看到項(xiàng)目發(fā)起人的以太坊區(qū)塊鏈的賬號地址,發(fā)起人設(shè)置的最小投資金額,所有項(xiàng)目發(fā)起方的以太幣請求(即發(fā)起人向所有投資人發(fā)出資金請求的公告,即從智能合約中獲得以太幣用于項(xiàng)目開發(fā)),發(fā)起人可以看到投資人數(shù)量和本項(xiàng)目已籌集的以太幣數(shù)目。

步驟4: 投資方設(shè)定投資金額,然后單擊“確認(rèn)”按鈕進(jìn)行投資。

步驟5: 如果用戶屬于一個項(xiàng)目的投資方,除了查看項(xiàng)目的基本信息與眾籌進(jìn)展外,還可以查看發(fā)起人在這個項(xiàng)目上的所有以太幣請求。

步驟6: 項(xiàng)目發(fā)起人發(fā)送以太幣的花費(fèi)請求,投資方如果同意請求,可以按“批準(zhǔn)”按鈕,默認(rèn)或者批準(zhǔn)則視為不同意。

步驟7: 如果有75%以上(事先約定)的投資方批準(zhǔn)了請求,智能合約將自動把發(fā)起人請求的以太幣數(shù)目發(fā)送給指定的地址。

3.3 智能合約構(gòu)造

目前,區(qū)塊鏈智能合約的形式大致分為3類,一是以太坊方式[9-10],二是Hyperledger方式[11],三是Codius方式[12]。本文采用以太坊區(qū)塊鏈智能合約的方式。創(chuàng)建項(xiàng)目的過程即是產(chǎn)生合約的過程,如圖3所示。

圖3 項(xiàng)目產(chǎn)生智能合約

本實(shí)驗(yàn)在眾籌平臺上撰寫智能合約,即在以太坊區(qū)塊鏈上創(chuàng)建項(xiàng)目,尋求投資,投資方對項(xiàng)目進(jìn)行投資,項(xiàng)目發(fā)起方向投資方提出資金花費(fèi)請求。具體過程如下：

(1) CreateCampaign(minium_ether, creator_address)：在以太坊區(qū)塊鏈上創(chuàng)建項(xiàng)目,輸入為最小的投資金額和發(fā)起者的地址。

(2) Contribute(ether_amount)：投資者對項(xiàng)目進(jìn)行投資,數(shù)額為 ether_amount。

(3) CreateRequest(description, value, recipient_address)：項(xiàng)目發(fā)起方向所有投資方請求花費(fèi)以太幣。輸入 description 為字符串類型,是對請求的描述；value 為請求花費(fèi)的以太幣數(shù)額； recipient_address 為以太幣的接收地址。

(4) ApproveRequest(index)：投資者對發(fā)起方請求的確認(rèn),同意或不同意。輸入 index 為給定請求在數(shù)組(包括所有數(shù)組)中的索引。

(5) FinalizeRequest(index)：對給定請求的最終裁定。假設(shè)發(fā)起方請求通過的條件為“大于75%”的投資者同意,那么當(dāng)條件滿足時,則請求被滿足。

3.4 智能合約的運(yùn)行

智能合約一般包括以下內(nèi)容：交易(Transaction) 處理,保存機(jī)制,一個完備的狀態(tài)機(jī)用于接收和處理各種智能合約,事務(wù)保存和狀態(tài)處理則在區(qū)塊鏈上完成[13-15]。

為了安全起見,以太坊智能合約不是直接運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上,而是運(yùn)行于沙盒(以太坊虛擬機(jī))中。合約存儲在以太坊的區(qū)塊鏈上,并被編譯為以太坊虛擬機(jī)字節(jié)碼,通過虛擬機(jī)來運(yùn)行[16]。

在終端打開ethereum文件夾,在終端命令行輸入node compile.js命令,編譯Solidity語言編寫的智能合約,這時會自動生成build 文件夾,里面便是剛剛編譯過的智能合約；然后同樣在終端,在ethereum文件夾下運(yùn)行node deploy.js命令,通過web3、infura、truffle-hdwallet-provider編譯過智能合約的bytecode提交到Rinkeby測試網(wǎng)。

ethereum文件夾里面的factory.js與campaign.js 文件讓前端或者后端部分通過它們聯(lián)系智能合約。ethereum文件夾里的web3.js文件的作用是包如果將來使用的用戶沒有安裝Metamask的情況下,通過使用infura與以太坊區(qū)塊鏈溝通。

4 實(shí)驗(yàn)與測試

系統(tǒng)運(yùn)行主要測試以下內(nèi)容：

(1) 用戶能夠?yàn)g覽已經(jīng)創(chuàng)建在區(qū)塊鏈上的項(xiàng)目(活動,運(yùn)動,計劃,專題等),如圖4所示。

圖4 眾籌平臺首頁

從圖4中可以看出,頁面列出了已經(jīng)創(chuàng)建在以太坊區(qū)塊鏈上的項(xiàng)目,每一個項(xiàng)目對應(yīng)一串字母與數(shù)字構(gòu)成的字符串,該字符串代表項(xiàng)目在以太坊區(qū)塊鏈的地址。例如,單擊最后一條地址(最后一個項(xiàng)目),頁面如圖5所示。

圖5 項(xiàng)目詳情頁面

其中Address of Manager“ 0xF83b0b20E……” 代表本項(xiàng)目的發(fā)起方在區(qū)塊鏈中的地址； Minimum Contribution (wei) 代表本項(xiàng)目的最低投資金額,本例為1000 wei； Number of requests 代表本項(xiàng)目發(fā)起人對投資金額發(fā)起的消費(fèi)請求,如發(fā)起人想要用 1 ETH 去購買項(xiàng)目中需要用到的某件物品,它需要發(fā)起一個請求,并等待投資人回應(yīng)； Number of Approvers 代表已經(jīng)有多少投資方對本項(xiàng)目進(jìn)行了投資； Campaign balance (ether) 代表本項(xiàng)目已經(jīng)籌集的金額,單位為 ether。

(2) 用戶是否能順利創(chuàng)建項(xiàng)目(活動,運(yùn)動,計劃、專題)等。單擊圖4 中所示的 “Create Campaign”按鈕,將得到圖6 所示頁面。

圖6 創(chuàng)建活動頁面

圖6 為創(chuàng)建活動頁面,需要設(shè)置一個最小投資金額,單位為“wei”。在本例中,我們設(shè)置金額為 1000 wei。單擊“創(chuàng)建”按鈕后, Metamask 會彈出如圖 7 所示頁面。可以看到Gas Price為1 Gwei,這代表確認(rèn)交易(即提交項(xiàng)目到區(qū)塊鏈)的費(fèi)用。在圖 7 Metamask 交易確認(rèn)頁面單擊 “SUBMIT”按鈕后,項(xiàng)目就創(chuàng)建成功。用戶可以在平臺首頁看到新創(chuàng)建的項(xiàng)目。

Metamask是瀏覽器的擴(kuò)展程序,它允許用戶在瀏覽器中運(yùn)行以太坊的分散式應(yīng)用,而無需運(yùn)行完整的以太坊節(jié)點(diǎn),該擴(kuò)展將以太坊Web3.0 API注入到每個網(wǎng)站的JavaScript上下文中,以便分散式應(yīng)用可以從區(qū)塊鏈中讀取。Metamask還允許用戶創(chuàng)建和管理自己的身份,所以當(dāng)分散式應(yīng)用想要執(zhí)行交易并寫入?yún)^(qū)塊鏈時,用戶可以在批準(zhǔn)或拒絕交易之前獲得安全的界面來審查交易。

圖7 Metamask 交易確認(rèn)頁面

(3) 用戶是否能夠?qū)霞s進(jìn)行投資。在項(xiàng)目詳情頁面,用戶可以設(shè)置投資金額,本例中設(shè)置金額為 1 ether ,單擊“投資”按鈕后,合約確認(rèn)投資金額大于設(shè)定的最小投資金額,并且確認(rèn) Metamask 的交易提交之后,投資就正式創(chuàng)建。圖8為投資項(xiàng)目頁面。

圖8 投資項(xiàng)目頁面

(4) 發(fā)起人對項(xiàng)目的請求進(jìn)行處理,包括查看請求、發(fā)起請求以及請求處理。在項(xiàng)目的詳情頁面,可以單擊“ View Request”按鈕來查看本項(xiàng)目的請求信息,如圖9所示。

圖9 項(xiàng)目請求頁面

發(fā)起人對項(xiàng)目發(fā)起了一個花費(fèi)請求,需要使用0.5 ether 購買電腦,其中, 0.5 ether 需要匯款至地址為“0xa87387f58……”的用戶。如果用戶是此項(xiàng)目的投資者,即可以單擊“批準(zhǔn)”按鈕允許此請求,如果不是此項(xiàng)目的投資者,則不允許點(diǎn)擊“批準(zhǔn)”按鈕。當(dāng)批準(zhǔn)計數(shù)大于總數(shù)的75&時(事先約定),不管是投資人還是發(fā)起人都可以單擊“最終確定 Finalize”按鈕,即此請求已經(jīng)通過,使得大多數(shù)投資者的意見可以順利執(zhí)行。

發(fā)起人的創(chuàng)建請求頁面如圖10所示,請求創(chuàng)建內(nèi)容包括請求敘述、請求以太幣數(shù)額、以太幣接收者地址3個欄目,如果有特定需要,可以增加創(chuàng)建內(nèi)容。

圖10 創(chuàng)建請求頁面

至此,實(shí)驗(yàn)測試圓滿結(jié)束,從頭至尾展示了實(shí)驗(yàn)平臺的使用過程以及智能合約的部署和使用方法。

5 結(jié)語

在現(xiàn)實(shí)生活中,眾籌活動以及基于互聯(lián)網(wǎng)的眾籌形式很多,但基于以太坊區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)的眾籌活動還是個新話題,是個發(fā)展方向,隨著區(qū)塊鏈技術(shù)以及智能合約的發(fā)展,勢必在眾籌活動中得到實(shí)際應(yīng)用。

本文以眾籌活動為例,完成了實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計,演示了智能合約實(shí)驗(yàn),旨在提供一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路,為區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程提供支持,為“雙一流”高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)以及區(qū)塊鏈相關(guān)研究項(xiàng)目提供一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案,為學(xué)生及相關(guān)研究人員提供一個參考,以便能快速了解該項(xiàng)技術(shù)并進(jìn)入角色。本著新技術(shù),新起點(diǎn),新高度的育人理念,從創(chuàng)新實(shí)踐出發(fā),為多出人才、快出人才、出好人才做出貢獻(xiàn)。本文基于以太坊區(qū)塊鏈智能合約的眾籌實(shí)驗(yàn)平臺方案僅供同行參考。