基于區塊鏈的投票系統的設計與實現

周華 李嶒

摘 要：近年來，區塊鏈已成為一種新興的應用技術手段，其憑借去中心化、不可篡改、匿名性、安全可靠等特點，能夠有效保障數據信息安全，這也使其在公共領域具有巨大的應用價值。本文對區塊鏈技術進行了簡要的分析，并以在線投票系統為開發對象，利用以太坊技術，探析基于區塊鏈的投票系統的設計與實現。通過區塊鏈技術的運用，可實現匿名、安全投票，進而在有效避免欺詐行為的同時，也能使投票結果得以公開、透明。

關鍵詞：區塊鏈；投票系統；系統設計；智能合約

中圖分類號：TP309；TP311.13 文獻標識碼：A 文章編號：2095-9052（2020）07-0088-02

基金項目：2019年安徽高校自然科學研究項目“基于以太坊的身份認證系統研究與實現”階段性成果之一（KJ2019A1172）

在現有的貨幣體系中，比特幣是一個典型的成功案例，而比特幣之所以能夠取得成功，其關鍵在于其底層技術的區塊鏈，這也使人們對區塊鏈變得越來越重視。在數據庫技術方案中，通過區塊鏈可使其實現去信任化、去中心化。區塊鏈具備集體維護、不可篡改、匿名以及安全可靠等主要特點，通過對區塊鏈進行分類，以其參與方式來看，可將其劃分成三類：第一類是聯盟區塊鏈，第二類是公開區塊鏈，第三類是私有區塊鏈。對于聯盟區塊鏈來說，其規則是聯盟進行制定的，而且只有聯盟成員能夠參與到區塊鏈中。對于公開區塊鏈來說，能夠省略用戶的注冊與授權環節，使用戶能夠隨時訪問該區塊鏈。對于私有區塊鏈而言，其往往屬于私有組織的內部，通常是由私有組織自行建立的。區塊鏈技術的出現，能夠有效解決現有投票系統中存在的安全性較差問題，將其運用于投票系統的設計與實現中，這樣能夠使投票結果變得公開、透明的同時，還能有效防止信息篡改或欺詐行為的出現。

一、區塊鏈的技術分析

區塊鏈中的鏈式結構是區塊所組成的，在各個區塊中均是由其頭部與區塊體所組成。其中，上一區塊中的哈希散列被包含在下一區塊頭部之中，除了哈希散列以外，還具有相應的隨機數、Merkle樹根節點信息和時間戳信息，其中，隨機數屬于挖礦機制，該隨機數直接決定了節點對區塊記賬權的獲得方式。而在區塊中的區塊體部分，則能夠對交易數量及詳情進行記錄，其記錄方式為Merkle方式，從而確保各筆交易之間的完整性。以應用范圍來對區塊鏈進行分析，其架構中包括1.0、2.0與3.0的區塊鏈，數字貨幣采用比特幣來進行表示，即1.0區塊鏈，該區塊鏈的密碼學貨幣在應用領域上涉及轉賬、匯款等，并以虛擬貨幣的形式來實現，其靈活性較好，不過只能在部分場景中進行應用[1]。而2.0區塊鏈則是在1.0區塊的基礎逐漸形成的，其以智能合約為其核心概念，在市場中，區塊鏈相當于一個具備編程功能的信用基礎設施，并且其應用范圍足以對一個去中心化的市場進行支撐。而對于3.0區塊鏈而言，其已經超越了以往的經濟、貨幣及市場的一種應用形勢，通過該區塊鏈可對人力資產及物理資源進行高效分配，從而使各個行業的應用在3.0區塊鏈的支持下得到廣泛應用。在2.0區塊鏈中，智能合約相當于計算機協議，其與程序內的ifthen語句較為類似，在達到預定條件時，能夠對合約內的條款進行自動觸發執行，通過智能合約的部署，可具備自我驗證與執行功能，并且在此過程中不會受到人為干預的影響。在區塊鏈技術中，以太坊屬于一種圖靈完備且具有開放性的平臺，其通過以太坊腳本來提供豐富API，能夠對編程語言進行構建與發布應用，計算機用戶能通過該平臺來實現對所需智能合約的編寫。本文主要分析了通過以太坊技術的運用來實現對投票系統的設計。

二、基于區塊鏈的投票系統設計與實現

在基于區塊鏈的投票系統設計與實現中，通過Ubuntu 16.04.3 LTS系統來對相應的開發環境進行搭建，以此實現對以太坊平臺的運用。

（一）Node.js

在對網絡應用進行搭建時，為了使其更易于搭建，同時考慮到其響應速度與擴展性，本文采用Node.js來實現，Node.js是ChromeV8引警中的一種JavaScript運行環境，在對其進行安裝時，還要對npm，即開源庫進行自動安裝，以實現對開源庫中代碼的共享和復用。在安裝Node.js時，其主要包括兩種安裝方式，分別是通過apt命令來進行安裝和通過Github來對Node.js源碼進行下載編譯后進行安裝。本文主要是采用第二種方法來實現對Node.js的安裝。

（二）以太坊平臺

在以太坊技術平臺中，通過運行平臺中的DApp程序能夠支持ETH（以太幣），在以太坊平臺中具有兩個類型的網絡，分別是TestNet測試網絡與生產環境網絡，其中生產網絡能夠在網絡環境中對智能合約進行布署，所有人均可對網絡環境中的智能合約進行調用，不過作為調用的代價，則需對以太幣進行消耗。不過，該網絡的運行速度比較慢，在測試、開發過程中不適宜采用該網絡[2]。而對于TestNet測試網絡來說，其主要有Rinkeby與Ropsten等，在以太坊開發中將測試網作為其專門的網絡環境，在測試網絡中對智能合約進行執行同樣需要一定的以太幣，不過，相對于生產網絡來說，測試網絡中所消耗的以太幣是并不具備價值的，而且其和生產網絡一樣在運行速度上較慢，節點同步時間消耗較長。除了上述兩種網絡，還有一種是私有網絡，該私有網絡是通過以太坊客戶端來進行建立的，由于私有網絡中只有很少的節點，這使其有較快的運行速度，而對于用戶而言，也可根據實際需求來對以太坊平臺進行任意的創建和銷毀，從而使智能合約在開發與測試過程中變得更加便利。

在以太坊客戶端，其Geth的實現是采用Go語言來進行編寫的，當然也可通過C++語言來進行編寫，對于pyethereum則是采用python語言來進行編寫，ethereumj則是采用java語言來進行編寫。在以太坊中，更適宜采用Geth客戶端，Geth客戶端的應用范圍也是最廣的，通過Geth客戶端來對私有網絡進行生成，然后對以太幣進行快速獲取，通過dev命令能夠對開發者模式進行啟用，以便于對POA共識進行使用。在本地中部署以太坊私有網絡，而對智能合約的執行只能通過內部節點來實現。除了上述以太坊網絡的建立方法以外，還可對Ganache進行使用，其作為一種本地節點工具，能夠在區塊鏈中定制對應的智能合約，但其與Geth不同的是，其只是對以太坊環境進行本地模擬，在使用Ganache時會對10個測試賬戶進行自動化創建，并且這些測試賬戶均擁有100個以太幣。Ganache的工作模式包括命令行與圖形化兩種，其中可采用“sudo npm installg gangache cli”命令來安裝命令工具，而對于圖形化工具則可進行下載安裝。在開發測試過程中，Ganache的便捷性更好，因此在本文中便是采用Ganache工作模式來建立以太坊網絡的。

（三）Truffle

在以太坊中，Truffle作為以太坊網絡中用于對編程語言進行開發的一種框架，其包含了二進制管理、編譯智能合約等功能，通過Truffle能夠使DApp的部署、發布與測試變得更加方便。在對truffle進行安裝完畢后，便可生成項目文件，在此過程中需要對“truffle unbox Ballot”命令進行運行，以便于對項目的目錄結構進行創建。智能合約被存儲于contracts文件夾內，以便于更好地部署智能合約，并對比較特殊的智能合約進行跟蹤。在DApp前端頁面文件中則被存儲于src文件夾之中，在測試智能合約時所采用的用例則被存儲于test文件夾內[3]。

（四）智能合約

在編寫智能合約時，可借助于以太坊中的編程語言來實現，編程語言主要有四種，一種是Solidity，另一種是Serpent，還有兩種是LLL與Mutan，在本文中對投票系統的智能合約進行編寫時則是通過Solidity語言來實現的。在編寫智能合約完畢后，還要確保對程序代碼進行編譯，以便于支持太坊真擬機的運行。在編譯過程中，需要應用到“truffle compile”命令，在編譯完畢后可發現一個新出現的Build文件，通過對編譯后的智能合約在區塊鏈中進行布署，便可在Ganache中看到區塊鏈中的新增區塊[4]。

（五）頁面的交互性設計

用戶在對智能合約進行調用時需要應用到Web.js，對界面UI進行編寫，以便于用戶能夠和智能合約進行交互。在以太坊中，Web3.js相當于其所提供的Javascript庫，在Web3.js中能夠對JSON RPCAPI進行封裝，并且其所具備的Javascript對象及函數能夠實現用戶和區塊鏈之間的交互，例如，對網絡狀態進行查看、對交譯進行發送、對智能合約進行調用、對交易與區塊進行查看等，尤其是以API在智能合約交互中最為關鍵。在src文件夾下還包含有DApp應用的前端代碼。

三、基于區塊鏈投票系統的驗證

在運行以太坊平臺中的DApp應用時需要對以太幣進行消耗，因此其專門程序需要具備賬戶管理功能，以便于對以太幣進行轉賬和存儲。對于一般的瀏覽器而言，其自身是不具備錢包功能的，在對DApp應用進行運行時，可采用以太坊平臺中的Mist這一專用瀏鑒器，或是將Chrome瀏鑒器中對MetaMask插件進行安裝后來使用，該插件是以太坊中的錢包插件。在本文中應用第二種方法來進行賬戶管理，通過對npm run dev進行運行，便于用戶能夠通過Chrome瀏覽器在DApp應用上進行訪問與投票，經過驗證結果表明，將區塊鏈技術應用到投票系統的設計中，能夠有效確保投票結果的公正性和準確性，而且能夠有效防止投票結果被篡改。

四、結語

總而言之，我國目前對區塊鏈技術的應用尚處于初期階段，但其技術優勢卻是顯而易見的，將其應用到投票系統中，能夠更好地保障投票結果的權威性、公正性和準確性，并且有效避免了人為因素的干預，由此也說明，區塊鏈技術的應用潛力還有很大的挖掘空間。

參考文獻：

[1]黨京，孫弋.基于區塊鏈的電子投票系統關鍵技術的實現[J].軟件，2018，39（11）：140-144.

[2]張昕偉，等.基于區塊鏈的電子投票選舉系統研究分析[J].電子技術應用，2017，43（11）：132-135.

[3]馬昂，等.區塊鏈技術基礎及應用研究綜述[J].信息安全研究，2017，3（11）：968-980.

[4]董友康，等.基于聯盟區塊鏈的董事會電子投票系統[J].網絡與信息安全學報，2017，3（12）：17-23.

（責任編輯：林麗華）