基于以太坊的高校國(guó)家助學(xué)金系統(tǒng)

閆 禹, 于 澗

(1.沈陽(yáng)師范大學(xué) 軟件學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034; 2.沈陽(yáng)師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034)

國(guó)家助學(xué)金政策是實(shí)施科教興國(guó)和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要舉措,但長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)國(guó)家助學(xué)金在制度設(shè)定與實(shí)際操作中存在著一些矛盾,使得效率與公平難以權(quán)衡[1]。隨著近年來(lái)我國(guó)國(guó)家助學(xué)金的資助規(guī)模和受助覆蓋范圍不斷擴(kuò)大,助學(xué)金的評(píng)定和發(fā)放中的問(wèn)題也逐漸呈現(xiàn)出來(lái),如評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)模糊,助學(xué)金審評(píng)過(guò)程不規(guī)范等問(wèn)題;同時(shí)由于信用體系和監(jiān)督機(jī)制的不健全,評(píng)審中的順?biāo)饲楹臀璞仔袨闀r(shí)有發(fā)生,造成了資源分配的不平等[2-3]。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),具有匿名性、可溯源、不可篡改和數(shù)據(jù)加密等特點(diǎn)。區(qū)塊鏈應(yīng)用于助學(xué)系統(tǒng)可以帶來(lái)以下幾方面的改進(jìn):1)將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于助學(xué)系統(tǒng),可以規(guī)范參與者的行為,助學(xué)有關(guān)的工作記錄以及受助信息上鏈保存且不可篡改,可有效約束當(dāng)事者的不當(dāng)行為。2)區(qū)塊鏈有助于精準(zhǔn)地識(shí)別助學(xué)信息。在助學(xué)過(guò)程中通過(guò)加密和共識(shí)算法來(lái)保證交易的安全性,通過(guò)可溯源的技術(shù)特征解決資金被惡意挪用和助學(xué)信息被篡改等問(wèn)題[4-6]。

目前針對(duì)助學(xué)體系改革的研究大多是在現(xiàn)有體制框架下尋求解決問(wèn)題的方法,而借助先進(jìn)技術(shù)手段去解決助學(xué)金發(fā)放體制問(wèn)題的研究還很鮮見(jiàn)。區(qū)塊鏈技術(shù)是一種革命性的技術(shù),為我們提供了在新的去中心化框架內(nèi)尋求解決問(wèn)題的方法,本文嘗試基于區(qū)塊鏈的以太坊平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)國(guó)家助學(xué)金發(fā)放系統(tǒng)。

1 基于以太坊的國(guó)家助學(xué)金系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)分為區(qū)塊鏈層和應(yīng)用交互層[7-9]。上層的交互層功能模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)助學(xué)系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)邏輯,并將用戶的操作轉(zhuǎn)換成區(qū)塊鏈中的交易,并上鏈保存。通過(guò)調(diào)用區(qū)塊鏈接口,處理用戶發(fā)出的查詢請(qǐng)求,并將取得的數(shù)據(jù)返還用戶。下層的存儲(chǔ)層由各個(gè)節(jié)點(diǎn)組成以太坊聯(lián)盟鏈,并通過(guò)維護(hù)共識(shí)機(jī)制為系統(tǒng)的交易驗(yàn)證和存儲(chǔ)提供支持。用戶在訪問(wèn)系統(tǒng)時(shí)和訪問(wèn)普通瀏覽器網(wǎng)站類似,而底層區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)用戶透明。運(yùn)行于各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的以太坊虛擬機(jī)作為去中心化應(yīng)用平臺(tái)的核心,而智能合約運(yùn)行在以太坊虛擬機(jī)(Ethereum Virtual Machine,EVM)上。同時(shí),為了規(guī)避一些無(wú)關(guān)緊要尤其是惡意操作的干擾,以太坊需要用戶支付一定的交易費(fèi)用。

助學(xué)系統(tǒng)的各類人員通過(guò)聯(lián)網(wǎng)終端進(jìn)入系統(tǒng),并設(shè)置不同人員的權(quán)限,系統(tǒng)準(zhǔn)確完整地記錄每個(gè)環(huán)節(jié)的工作信息方便日后的查看監(jiān)督。區(qū)塊鏈需要存儲(chǔ)系統(tǒng)中每個(gè)人員的基本資料、貧困證明、助學(xué)金實(shí)施和資金的發(fā)放等信息。同時(shí),每個(gè)工作人員在任何時(shí)點(diǎn)進(jìn)行的任何操作也都會(huì)被廣播到系統(tǒng)中的其他節(jié)點(diǎn),在進(jìn)行驗(yàn)證的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了工作流程的公開(kāi)透明。助學(xué)工作中,一般遵循先由貧困生提出申請(qǐng),之后班級(jí)輔導(dǎo)員組織線下評(píng)議并將線下環(huán)節(jié)的相關(guān)記錄和憑證上鏈保存的工作流程,同時(shí),貧困生可以查詢受助信息,上級(jí)主管部門也可以查詢基層高校的助學(xué)金評(píng)審發(fā)放情況。系統(tǒng)業(yè)務(wù)用例如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)用例圖

1.2 系統(tǒng)的智能合約

1)結(jié)構(gòu)體

智能合約中的結(jié)構(gòu)體(Struct)類似于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)表那樣具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。本系統(tǒng)智能合約中的結(jié)構(gòu)體用以記錄助學(xué)工作中的相關(guān)信息,主要包括系統(tǒng)人員信息結(jié)構(gòu)體和助學(xué)工作結(jié)構(gòu)體等。其中,系統(tǒng)人員信息結(jié)構(gòu)體包括助學(xué)系統(tǒng)工作人員結(jié)構(gòu)體、貧困生結(jié)構(gòu)體和管理員結(jié)構(gòu)體;助學(xué)工作結(jié)構(gòu)體應(yīng)保存每次和助學(xué)有關(guān)的相關(guān)工作信息記錄以及記錄添加時(shí)間等信息;此外還有用于記錄助學(xué)工作人員和所負(fù)責(zé)的貧困生之間映射關(guān)系的結(jié)構(gòu)體。其中貧困生信息結(jié)構(gòu)體如表1所示。

表1 貧困生結(jié)構(gòu)體

2)智能合約

以太坊用戶可以自己定義智能合約,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的業(yè)務(wù)邏輯,助學(xué)系統(tǒng)通過(guò)給合約賬戶發(fā)送交易來(lái)改變以太坊中的狀態(tài)。智能合約在本地編譯后再部署到區(qū)塊鏈上,因此通過(guò)交易觸發(fā)后的智能合約就會(huì)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的EVM虛擬機(jī)中執(zhí)行。這相當(dāng)于把程序部署到接入網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)以太坊客戶端節(jié)點(diǎn)上,隨時(shí)通過(guò)交易來(lái)觸發(fā)合約的執(zhí)行。合約使用Solidity語(yǔ)言進(jìn)行編程。web3.js是一個(gè)通過(guò)RPC調(diào)用和本地以太坊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的Javascript庫(kù),它可以與任何暴露了RPC接口的以太坊節(jié)點(diǎn)連接,主要包括用于合約交互的 API,并負(fù)責(zé)和以太坊的連接與交互[10-13]。系統(tǒng)的交互層通過(guò)Web3.js調(diào)用下層的智能合約,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

平臺(tái)內(nèi)的智能合約主要包括:設(shè)置管理員及權(quán)限的合約Admin、設(shè)置工作人員信息和權(quán)限的合約Staff、提供登錄的合約Login、設(shè)置貧困生信息合約PoorStu(基層工作人員設(shè)置)、助學(xué)工作記錄合約WorkRecord、助學(xué)資金發(fā)放合約Fund以及用于系統(tǒng)暫停的合約Suspend等。系統(tǒng)的功能模塊通過(guò)相應(yīng)的合約來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊功能,合約之間又互相關(guān)聯(lián),在合約中被記錄到區(qū)塊鏈內(nèi)的所有操作都可以體現(xiàn)出來(lái)。系統(tǒng)智能合約關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)智能合約關(guān)系圖

2 高校助學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施

系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建在一臺(tái)高配置的主機(jī)上,使用虛擬化軟件創(chuàng)建的若干個(gè)虛擬機(jī)組建以太坊聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)[14-15]。以太坊的虛擬機(jī)負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)并解析,虛擬機(jī)節(jié)點(diǎn)包含network層和protocol層。搭建區(qū)塊鏈環(huán)境后使用Solidity語(yǔ)言完成合約的編寫(xiě)。Geth作為以太坊客戶端用來(lái)創(chuàng)建賬號(hào)、部署智能合約以及挖礦。DApp應(yīng)用的開(kāi)發(fā)選用Truffle框架,系統(tǒng)接口模塊的功能選用Node.js語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā),并通過(guò)Web3.js與底層的以太坊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互并向前端返回?cái)?shù)據(jù)。助學(xué)系統(tǒng)分為4個(gè)模塊,系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

2.1 賬號(hào)管理模塊

主要用來(lái)記錄系統(tǒng)用戶的以太坊地址以及個(gè)人信息,同時(shí)需要將每個(gè)賬戶關(guān)聯(lián)到個(gè)人信息以確保真實(shí)性,系統(tǒng)的權(quán)限劃分和應(yīng)用操作都是基于賬戶信息。系統(tǒng)人員首先通過(guò)系統(tǒng)提供的接口申請(qǐng)以太坊賬號(hào),以太坊賬號(hào)為一對(duì)公私鑰。人員在申請(qǐng)獲得賬戶后,還需要系統(tǒng)管理員將用戶的信息和相應(yīng)的以太坊地址記錄到區(qū)塊鏈上。系統(tǒng)管理員最初由合約創(chuàng)建者添加,之后由管理員添加基層助學(xué)工作人員和上級(jí)管理者用戶。用戶的以太坊地址用于識(shí)別用戶的身份,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的用戶授予不同的權(quán)限。同時(shí),系統(tǒng)管理員和助學(xué)工作人員自身也需要在區(qū)塊鏈中記錄個(gè)人基本信息,通過(guò)以太坊地址關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)人員。工作人員在系統(tǒng)中的任何時(shí)點(diǎn)的任何操作記錄都可以通過(guò)地址準(zhǔn)確查詢到,并校驗(yàn)操作的合法性,便于日后監(jiān)督和追責(zé)。

私鑰是唯一確認(rèn)用戶擁有該賬戶的憑證。管理員將賬號(hào)與對(duì)應(yīng)人員基本信息保存在用于管理人員賬號(hào)的智能合約中(Admin和Personnel),同時(shí)進(jìn)行人員的權(quán)限控制,為后續(xù)操作提供訪問(wèn)控制。其中,合約Personnel用于設(shè)置助學(xué)工作人員和貧困生的賬號(hào)信息,合約用到的主要函數(shù)如表2所示,其中setStaff為合約的關(guān)鍵函數(shù),在確認(rèn)管理員身份權(quán)限后,設(shè)置工作人員信息。

表2 合約Personnel 中包含的主要函數(shù)

2.2 助學(xué)工作模塊

從助學(xué)申請(qǐng)?zhí)峤坏矫裰髟u(píng)議等全部助學(xué)工作的過(guò)程信息都應(yīng)該在區(qū)塊記錄中體現(xiàn)出來(lái),同時(shí)工作人員在每次實(shí)施和助學(xué)工作有關(guān)的措施后,及時(shí)地在系統(tǒng)中添加對(duì)應(yīng)信息,這些記錄一旦上鏈無(wú)法篡改。實(shí)現(xiàn)助學(xué)工作的關(guān)鍵合約WorkRecord包括記錄與查詢助學(xué)申請(qǐng)信息、評(píng)審工作信息和為貧困生指定工作人員等主要函數(shù)。圖4為合約中記錄評(píng)審信息函數(shù)ReviewInfo的實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖4 助學(xué)工作合約中reviewInfo函數(shù)流程圖

2.3 資金發(fā)放模塊

貧困生進(jìn)入系統(tǒng)登錄界面,可以查詢到發(fā)放的助學(xué)資金余額、發(fā)放明細(xì)等信息,并顯示操作人員姓名以及發(fā)放時(shí)間,學(xué)生只能看到個(gè)人賬戶,也可以隨時(shí)提取賬戶資金用于維持生活。其中,助學(xué)發(fā)放合約Fund是基于標(biāo)準(zhǔn)代幣接口ERC20改進(jìn)后的合約,其核心函數(shù)transfer實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)賬功能,函數(shù)的入口參數(shù)包括發(fā)放人員地址、受助學(xué)生地址和轉(zhuǎn)移的代幣數(shù)量。

2.4 系統(tǒng)管理模塊

主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)暫停功能。在一個(gè)去中心化的系統(tǒng)中,為防止惡意和非法操作,每次系統(tǒng)合約的暫停都需要事先投票進(jìn)行。只有獲得一定比例的管理員投票支持,系統(tǒng)才可以按照預(yù)定邏輯實(shí)施暫停操作,系統(tǒng)管理員可以預(yù)先設(shè)定。

我國(guó)各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡,國(guó)家助學(xué)金在制度設(shè)定與實(shí)際操作中存在著一些矛盾,也給具體工作帶來(lái)困境。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、數(shù)據(jù)可溯源等特點(diǎn),可以精準(zhǔn)識(shí)別助學(xué)信息并遏制助學(xué)工作中的不當(dāng)行為的發(fā)生,逐漸改變自上而下的分配模式,重塑以效率為中心的國(guó)家助學(xué)金資助取向。