基于區(qū)塊鏈的精準扶貧云平臺設(shè)計與研究*

陳高翔,馬振鋒

(百色職業(yè)學院,廣西 百色 533000)

改革開放以來,我國政府在引導幫助貧困家庭和人口實現(xiàn)擺脫貧困的道路上攻堅克難,愈行愈遠,取得了一定的成績.2013年11月,黨和國家領(lǐng)導人習近平總書記提出了精準扶貧的思想方針,要求各地要不折不扣、不遺余力解決貧困問題.為體現(xiàn)扶貧工作的精確性,不少地方政府相繼構(gòu)建精準扶貧大數(shù)據(jù)云平臺,以面向記錄在冊的貧困地區(qū)、家庭、人口提出針對性的救扶計劃,并完成科學有效的動態(tài)追蹤.但事實上,不同平臺的使用并不規(guī)范和安全,存在一定的問題,如一部分人為圖扶貧補貼而出現(xiàn)身份造假,監(jiān)管人員存在違紀違規(guī)操作;部分工作記錄不計真實數(shù)字,搞“數(shù)字脫貧”假象;扶貧?？畎l(fā)放監(jiān)管機制不嚴,困難戶接收款項精準度不足;平臺系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)頻現(xiàn)肆意篡改、數(shù)據(jù)失真的情況;中心化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)可信度降低等.近幾年,區(qū)塊鏈技術(shù)得到發(fā)展,在諸多數(shù)據(jù)處理技術(shù)中展現(xiàn)了自身的技術(shù)特性與優(yōu)勢,可以鏈式數(shù)據(jù)架構(gòu)來保存數(shù)據(jù),以共識模式來更新數(shù)據(jù),使得數(shù)據(jù)一致性較為明顯,結(jié)構(gòu)去中心化目標突出.因此,將區(qū)塊鏈技術(shù)引入到精準扶貧大數(shù)據(jù)云平臺系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)中,確保各項數(shù)據(jù)可實現(xiàn)永久保存、不會遭受篡改風險、全程接受跟蹤監(jiān)控,促進系統(tǒng)去中心化運行,具有十分重要的意義.

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

區(qū)塊鏈技術(shù)出自比特幣的技術(shù)研究,初期用于加密貨幣,后被用于金融等更多領(lǐng)域,屬于分布式基礎(chǔ)架構(gòu),無須設(shè)置中心服務(wù)器,直接將不同的系統(tǒng)參與者作為結(jié)構(gòu)維護和數(shù)據(jù)存儲對象,所有參與者均可共享數(shù)據(jù).區(qū)塊鏈現(xiàn)行模式存在私有鏈、公有鏈、聯(lián)盟鏈三類,各模式概念及執(zhí)行思路存在不同,所場景需求和應(yīng)用要求差異性較大,模式特征表現(xiàn)有別.

區(qū)塊鏈主要由區(qū)塊聯(lián)結(jié)而成,區(qū)塊經(jīng)算法運行后形成,每一個區(qū)塊信息包括獨立版本號、前一區(qū)塊的哈希值、隨機Nonce數(shù)、代表順序的時間戳以及有效時間內(nèi)的所有交易記錄,結(jié)構(gòu)如圖1所示.區(qū)塊鏈的區(qū)塊設(shè)計中,前后兩個區(qū)塊具有嚴格邏輯性,前一區(qū)塊哈希值為后一區(qū)塊的形成前提,新生成的新區(qū)塊按鏈條順序排于區(qū)塊鏈末端,不易改變.若不同用戶對同一區(qū)塊鏈進行數(shù)據(jù)錄入,則區(qū)塊鏈將嚴格理順區(qū)塊時間來排列區(qū)塊,智能選擇后續(xù)區(qū)塊來滿足用戶的寫錄需求,形成最長的區(qū)塊鏈條.

圖1 區(qū)塊鏈的區(qū)塊結(jié)構(gòu)示例Fig.1 Example of block structure of blockchain

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層的特征之一是啟用P2P(peer to peer)對等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),從圖2所示結(jié)構(gòu)圖譜可知區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所涵蓋的計算機節(jié)點具有統(tǒng)一服務(wù)機制.區(qū)塊鏈在使用P2P網(wǎng)絡(luò)后能夠直接在節(jié)點中存儲處理數(shù)據(jù),因此在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中只要存在某一臺計算機主機在運行區(qū)塊鏈,就可以做到數(shù)據(jù)不丟失、程序不篡改、服務(wù)不終止.

圖2 P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 P2P network structure diagram

區(qū)塊鏈既有較高的安全性,在數(shù)據(jù)的交易執(zhí)行過程中嚴格體現(xiàn)邏輯行為一致性,依賴于非對稱加密技術(shù)的應(yīng)用.非對稱加密使用一對不同的密鑰,公鑰在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點可見,私鑰只由賬戶自己保存,通過其中一個密鑰不能解密出另外一個.區(qū)塊鏈節(jié)點用公鑰加密數(shù)據(jù)后,只能用對應(yīng)賬戶的私鑰解密,由于在數(shù)據(jù)傳輸過程中未涉及密鑰交換,其安全性能比對稱加密等級高.橢圓曲線密碼體制(Elliptic Curve Cryptosystem,ECC)不同于其他公鑰算法的特點集中體現(xiàn)在擁有更低規(guī)模的計算量,擁有更短規(guī)格的密鑰長度,加解密速度更快,因此存儲空間和傳輸帶寬的要求也就更低,在區(qū)塊鏈中得到廣泛應(yīng)用.

2 精裝扶貧云平臺系統(tǒng)設(shè)計需求

2.1 現(xiàn)有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能

新時代賦予扶貧攻堅工作更大的機遇和挑戰(zhàn),為此,各地政府以中央“精準扶貧”指導方針為根本遵循,不斷引深網(wǎng)絡(luò)化管理的探索與實踐.積極結(jié)合扶貧需求,并努力集中整合在同一系統(tǒng).現(xiàn)階段被各地廣泛應(yīng)用的精準扶貧系統(tǒng)基本框架和功能如圖3所示.系統(tǒng)主要基于B/S架構(gòu)或C/S架構(gòu)開發(fā),數(shù)據(jù)的存儲和應(yīng)用通過中央服務(wù)器完成,服務(wù)器中集聚了大量核心功能.

圖3 精準扶貧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能示例Fig.3 Structure diagram of precision poverty alleviation system

在后期的系統(tǒng)開發(fā)探索中,可簡化開發(fā)及維護流程的中心化結(jié)構(gòu)模式的應(yīng)用得到了共識.但中心化模式的隱患也存在很多:一是系統(tǒng)的研發(fā)維護權(quán)限往往集中在獨立運營主體上,管理運營上存在數(shù)據(jù)失竊的風險;二是以MySQL和Oracle數(shù)據(jù)庫形式存于中央服務(wù)器的數(shù)據(jù)可能遭受數(shù)據(jù)管理員的違規(guī)處理;三是服務(wù)器由單一企業(yè)保管維護,網(wǎng)絡(luò)安全性不高,對數(shù)據(jù)資源的保護不利;四是人為更改系統(tǒng)操作日志的概率較高,違規(guī)記錄不易追查;五是扶貧金面向困難服務(wù)戶的發(fā)放記錄不清晰,使用路徑記錄不詳實.因此,積極調(diào)整思路,采用去中心化的架構(gòu)體系對于數(shù)據(jù)的記錄和源頭保存意義重大.

2.2 基于區(qū)塊鏈的精準扶貧云平臺設(shè)計需求

2.2.1 技術(shù)選型

本文所設(shè)計的精準扶貧云平臺系統(tǒng),啟用以太坊作為技術(shù)支撐平臺.以太坊是富有代表性的區(qū)塊鏈平臺,其圖靈完備,且無區(qū)塊大小限制,可運行智能合約,合約由Solidity語言編寫,具有可開發(fā)性,便于學習.在以太坊的應(yīng)用中,能夠屏蔽區(qū)塊鏈底層邏輯和復雜算法,利于專注研究應(yīng)用邏輯,可提升效率、降低成本.

2.2.2 總體設(shè)計需求

精準扶貧系統(tǒng)的建立,目的旨在強化扶貧工作從宏觀到微觀的環(huán)節(jié)落實,增強監(jiān)控記錄精準度.工作人員可隨時利用身邊的電腦、手持PAD、智能手機等終端在瀏覽器地址欄中輸入正確網(wǎng)址后進入系統(tǒng),可按不同權(quán)限在不同操作頁中工作.為增強安全性,以太坊區(qū)塊鏈需要公私鑰識別,工作人員要在區(qū)塊鏈中存儲個人以太坊地址,并由個人妥善保管私鑰.區(qū)塊鏈還要持續(xù)更新存儲不同地址的人員資料、貧困戶基本信息、扶貧工作動態(tài)、社調(diào)走訪信息、扶貧措施信息、扶貧資金發(fā)放信息等內(nèi)容.區(qū)塊鏈與外部世界的交互以交易方式完成,只有合約賬戶接收到外部賬號的交易信號才會改變后者的以太坊狀態(tài).工作人員個人所匹配的私鑰,可用于完成交易簽名,增強交易唯一有效性.精準扶貧云平臺系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)流程與職能如圖4所示.

圖4 精準扶貧云平臺系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)流程與職能示例Fig.4 Use case of precision poverty alleviation system

具體的系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的核心功能為:

(1)用戶確保使用正確的以太坊個人賬號,以正常流程登入系統(tǒng);

(2)設(shè)合約創(chuàng)建管理員、系統(tǒng)管理員,由前者管理后者信息以及以太坊地址;

(3)確定區(qū)塊鏈身份后,系統(tǒng)管理員于鏈中編輯扶貧工作人員、幫扶干部的信息;

(4)扶貧工作人員負責貧困戶賬戶管理,涉及以太坊地址管理、扶貧資金管理,并對指定幫扶干部分配貧困戶;

(5)幫扶干部在系統(tǒng)輔助管理中及時掌握貧困對象情況,添加調(diào)研走訪、扶貧動態(tài)、幫扶措施等信息;

(6)貧困戶可申請賬號并接受扶貧資金管理,綁定銀行賬號后可轉(zhuǎn)出劃撥的扶貧資金;

(7)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或升級維護,合約創(chuàng)建管理員、系統(tǒng)管理員可投票決定系統(tǒng)急停.

3 基于區(qū)塊鏈的精準扶貧云平臺設(shè)計

3.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

基于區(qū)塊鏈的精準扶貧云平臺系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)是實現(xiàn)去中心化理念.以尋求開源模式,選定以太坊平臺來完成區(qū)塊鏈環(huán)境搭建.可將云平臺系統(tǒng)的開發(fā)主機配置進行規(guī)范,基本的硬件配置應(yīng)具備16 GB內(nèi)存、i5處理器、500 GB硬盤存儲空間,并能夠最大程度運行虛擬化軟件,可在主機中借助軟件開辟好5臺虛擬機,內(nèi)存均為2 GB的虛擬機,系統(tǒng)要求配64位Ubuntu 14.04.1及以上版本,利于搭建以太坊網(wǎng)絡(luò)、IPFS去中心化文件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò).其中,虛擬機還可完成以太坊驗證節(jié)點的部署,要留好network層、protocol層,用于對精準扶貧大數(shù)據(jù)的收發(fā)解析.

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)兩層架構(gòu):交互層和網(wǎng)絡(luò)存儲層,其中交互層設(shè)五個基礎(chǔ)功能模塊,用戶交互層中所有的作用機理其實與其他系統(tǒng)的用戶交互層作用一致.網(wǎng)絡(luò)存儲層由太坊網(wǎng)絡(luò)、IPFS去中心化文件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,以太坊網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點經(jīng)邏輯算法的識別分配后可組建區(qū)塊鏈聯(lián)盟,實施共識機制保障內(nèi)部協(xié)調(diào),并為系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的各種交易指令的激勵與響應(yīng)提供驗證或存儲服務(wù).如圖5所示.

圖5 精準扶貧云平臺系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Cloud structure of precision poverty alleviation system

3.3 交互層模塊設(shè)計

交互層模塊是緊扣精準扶貧系統(tǒng)的實際需求而設(shè)定,將“賬戶管理”“幫扶工作”“扶貧資金”“貧困戶信息”“系統(tǒng)管理”五個模塊按照對應(yīng)的需求功能進行細分設(shè)計,模塊結(jié)構(gòu)功能如圖6所示.

圖6 模塊功能結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Module structure diagram

3.4 用戶接口設(shè)計

對于精準扶貧云平臺系統(tǒng)的使用,用戶感受的評價指標影響性是較大的.要設(shè)計出識別度較高的友好界面,才能是打造良好平臺系統(tǒng)的基礎(chǔ).文中的用戶接口設(shè)計主要采用分層結(jié)構(gòu)思路,如圖7所示.系統(tǒng)按合約賬號信息識別判定進入界面的用戶,按照權(quán)限設(shè)置的差異性,對應(yīng)連接不同界面.

圖7 用戶接口設(shè)計圖Fig.7 User interface diagram

不同身份用戶登錄平臺后,Session會記錄個體權(quán)限.無論要進入哪個功能模塊,需要接口管理組件和監(jiān)聽接口組件聯(lián)合操作,形成對調(diào)用智能合約下所觸發(fā)事件的判斷與執(zhí)行.

3.5 以太坊接口管理

設(shè)計中,通過Contract Manager塊命令,僅接收需要處理的目標地址以及交易數(shù)據(jù),就可發(fā)送交易指令,而用戶則會在合理的密鑰識別后由Session管理獲取.

以太坊中新區(qū)塊的形成要通過監(jiān)聽組件來完成監(jiān)聽,這樣有利于交易信息在太坊網(wǎng)絡(luò)不同節(jié)點中的廣播,交易信息在廣播后組織驗證,并最終流入新區(qū)塊,如此可確保新區(qū)塊交易要在新區(qū)塊的邏輯區(qū)域內(nèi)才能成功完成.若出現(xiàn)不同區(qū)塊時間,交易信息沒有得到有效的反饋,系統(tǒng)就會重新向用戶提示重發(fā)交易指令.Contract Manager塊子類積極參與底層結(jié)構(gòu)的功能調(diào)用,所能調(diào)用的功能包括在智能合約引導下的交互交易類函數(shù)以及constant函數(shù),后者不會出現(xiàn)函數(shù)調(diào)用交易費用,僅能發(fā)起系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢激勵.對于以太坊下不同子類與對應(yīng)合約的交互,要注意在方法邏輯和不同參數(shù)方面的統(tǒng)一性,這樣可有效降低對數(shù)據(jù)交互的影響,避免交互出錯.

4 結(jié)語

區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為未來行業(yè)研發(fā)的重要技術(shù)潮流,相應(yīng)的探索研究力度還會增大.在精準扶貧工作中,使用區(qū)塊鏈技術(shù)建立的云平臺系統(tǒng)所具有的去中性化、無保留公開、全過程記錄、數(shù)據(jù)不可篡改、路徑便于追蹤溯源等優(yōu)勢是顯而易見的.當然,該精準扶貧云平臺系統(tǒng)的設(shè)計,需要技術(shù)的不斷突破才能更好地更好和維護好系統(tǒng),才能為我國的扶貧工作帶來更多的助力,保障扶貧管理的科學性、精確性,也保障扶貧資金使用的安全性、規(guī)范性.