基于區(qū)塊鏈非同質(zhì)化代幣的網(wǎng)課資源訂閱模式

黃德豐

(長江大學，湖北 荊州 434000)

1 引言

隨著網(wǎng)絡的蓬勃發(fā)展，遠程教育在很大程度上已轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡教育[1]。網(wǎng)絡使教與學活動產(chǎn)生了時空的分離，教師不再是直接的教育者，教育目標通過網(wǎng)絡課程來實現(xiàn)，教學活動圍繞著網(wǎng)絡課程展開，作為網(wǎng)絡教育載體的網(wǎng)絡課程，在整個遠程教育的發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用[2]。網(wǎng)課流行的同時，盜版問題也是與日俱增。

根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)的特點，可以與數(shù)字版權(quán)保護方面完美結(jié)合。在確權(quán)環(huán)節(jié)，區(qū)塊鏈去中心化分布式賬本技術(shù)以及獨特的時間戳體系，能夠解決傳統(tǒng)確權(quán)方案耗時長、成本高的痛點問題。區(qū)塊鏈的不可篡改特性更進一步保護了版權(quán)的唯一性[3]。

2 相關技術(shù)介紹

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

比特幣的開發(fā)者中本聰[4]于2008年整合了前人的相關技術(shù)和算法提出了比特幣的底層架構(gòu)——區(qū)塊鏈。

區(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎架構(gòu)與計算方式[5]。

2.2 以太坊技術(shù)

2013年VitalikButerin創(chuàng)立了以太坊(Ethereum),以太坊的問世標志著區(qū)塊鏈2.0的實現(xiàn)。相比于比特幣，以太坊解決了在互聯(lián)網(wǎng)中的可擴展性問題，并能夠使用Solidity、Java等高級語言編譯智能合約，用戶可以實現(xiàn)自己想要的功能。以太坊作為給區(qū)塊鏈提供應用服務的平臺，可以為大量去中心化應用程序提供新思路，也可以實現(xiàn)不同應用程序之間的有效互動。

2.3 非同質(zhì)化代幣(NFT)

NFT全稱為Non-Fungible Token，非同質(zhì)化代幣，是用于表示數(shù)字資產(chǎn)的唯一加密貨幣令牌，具有不可分割、不可代替、獨一無二等特性[6]。NFT是相對于同質(zhì)化代幣而存在的概念。同質(zhì)化代幣，即FT(Fungible Token)，是可以互相替代、可任意拆分的Token。比特幣、以太幣等長期以來交易的加密資產(chǎn)多數(shù)是同質(zhì)化代幣。NFT的主要應用場景逐漸從加密游戲拓展到收藏品、藝術(shù)品、域名、身份等領域。

2.4 IPFS技術(shù)

IPFS（Inter Planetary File System）星際帝國系統(tǒng)文件，是一個旨在創(chuàng)建持久且分布式存儲和共享文件的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議[7]。它是一種內(nèi)容可尋址的對等超媒體分發(fā)協(xié)議。通過對存儲文件內(nèi)容進行處理，為其分配與內(nèi)容有關的唯一的哈希值。以太坊區(qū)塊鏈平臺與IPFS可以結(jié)合起來，將大數(shù)據(jù)存儲在IPFS上，將數(shù)據(jù)哈希值存放在以太坊上，可以很好地解決區(qū)塊鏈在數(shù)據(jù)存儲方面的弱點[8]

2.5 智能合約

智能合約(Smart Contract)是一種旨在以信息化方式傳播、驗證或執(zhí)行合同的計算機協(xié)議[9]。在交易情境下，智能合約利用代碼表達、確認并執(zhí)行各方之間的協(xié)議，不需要第三方介入，且交易信息存儲上鏈，可追溯且不可篡改。

3 網(wǎng)課資源訂閱方案設計

3.1 系統(tǒng)設計

本文在傳統(tǒng)網(wǎng)課訂閱模式的基礎上，應用了基于NFT的智能合約對網(wǎng)課資源訂閱進行管理。因為智能合約是一個抽象化的概念，所以本系統(tǒng)使用了可視化的前端平臺，供作者與訂閱者使用。

實驗采用Solidity語言開發(fā)的智能合約，提供資源版權(quán)上鏈，鏈上交易存證，結(jié)合以太坊平臺的以太幣，實現(xiàn)資源作品上鏈和版權(quán)交易。本節(jié)中，以雙泳道流程圖的方式，詳細闡述作品上鏈階段和版權(quán)交易階段的流程(見圖1)。

圖1 資源作品上鏈及資源版權(quán)交易流程圖

原創(chuàng)作者將作品上傳到IPFS中，根據(jù)IPFS的工作原理，文件的內(nèi)容通過密碼學算法，統(tǒng)計出文件的哈希值。如果上傳的作品，經(jīng)過計算之后得到的哈希值重復，上傳失敗。如果沒有重復，會用哈希值作為文件在IPFS中的地址。此時，智能合約為作者鑄造代表作品權(quán)益的NFT。平臺將作者的以太坊地址以及哈希值提交給智能合約，智能合約將這些信息上鏈。至此，資源作品上鏈階段完成。

訂閱者通過平臺提交訂閱信息，平臺返回給訂閱者作品信息以及訂閱價格，訂閱者通過平臺進行訂閱。此時，平臺將訂閱者以太坊賬戶地址以及訂閱的資金提交到智能合約中，智能合約調(diào)用方法對提交的金額進行判斷，如果訂閱資金小于訂閱金額時，智能合約將終止交易，通過平臺返回訂閱失敗的信息。如果滿足訂閱條件，智能合約自動進行交易，為訂閱人頒發(fā)數(shù)字憑證。同時所有交易信息上鏈。

3.2 智能合約設計

本系統(tǒng)采用了基于NFT的智能合約，通過對訂閱狀態(tài)的管理，實現(xiàn)了去中心化的操作。表1展示了合約中的變量以及用法：

表1 合約變量及用法解釋

圖2展示了本模式下的合約架構(gòu)，將智能合約與ERC-721合約充分結(jié)合。通過訂閱者與智能合約交互，實現(xiàn)購買資源等功能。智能合約與資源作者交互，實現(xiàn)激活購買，授權(quán)訂閱等功能。

圖2 智能合約架構(gòu)

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本節(jié)主要針對資源版權(quán)交易部分，進行系統(tǒng)實現(xiàn)。訂閱者通過調(diào)用智能合約中的方法進行購買和查詢相關信息，資源上傳者可以通過調(diào)用合約進行授權(quán)。

4.1 實驗環(huán)境

本實驗平臺操作系統(tǒng)為Ubuntu20.04.3LTS 64位，中央處理器(CPU)為Inter Core i5-10300H CPU@2.50GHz，計算機內(nèi)存8GB，本系統(tǒng)采用以太坊Truffle框架，Remix編譯器，MetaMask以太坊錢包插件，程序設計語言為Solidity0.8.0。

4.2 功能實現(xiàn)

4.2.1 創(chuàng)建課程資源

資源作者在訂閱平臺創(chuàng)建課程前，平臺會對其是否登錄以太坊進行判斷，如果未登錄，則不能創(chuàng)建課程。如果登錄成功，作者可以創(chuàng)建課程。創(chuàng)建課程時，平臺調(diào)用合約中的creatClass函數(shù)，實現(xiàn)作者對課程名稱、課程介紹、訂閱金額、訂閱截止時間和發(fā)行量的定義。同時，智能合約通過ERC-721合約接口，實現(xiàn)為此課程鑄造NFT。算法1給出了創(chuàng)建課程的過程。

算法1 creatClass函數(shù)

輸入：課程名稱name、課程介紹content、訂閱金額price、發(fā)行量NFTCount、截止時間endtime。

1.require(bytes(_name).length＞0);//課程名稱、內(nèi)容、金額均不為空

2.require(bytes(_content).length＞0);

3.require(_price＞0);

4.class Count++;//每創(chuàng)建一個課程，存放課程數(shù)組的數(shù)量加1

5.class[class Count]=Class(class Count,_name,_price,_content,_endtime,_NFTCount,msg.sender);//實例化課程數(shù)組

6._mint(msg.sender,NFT);//為此課程鑄造NFT

輸出：創(chuàng)建成功

4.2.2 實現(xiàn)訂閱資源

在用戶購買資源時，平臺會調(diào)用合約中的purchase函數(shù)，對輸入金額進行判斷，滿足條件，合約會自動執(zhí)行購買和扣費操作。同時，合約會根據(jù)訂閱者的訂閱信息，為訂閱者生成TokenID，以便后續(xù)作者授權(quán)操作。算法2給出了訂閱資源流程。

算法2 purchase函數(shù)

輸入：訂閱者地址owner、合約地址sale、支付金額value、NFT的tokenId。

1.if msg.value＜price//首先判斷支付金額是否大于訂閱價格,同時發(fā)放的NFT數(shù)量不能大于作者的定義的發(fā)行量

2.and tokenIdNum＞NFTCount

3.return FALSE

4.else

5.ERC721(sale).transferFrom(address(this),msg.sender,tokenIdNum);//為訂閱者頒發(fā)數(shù)字憑證

6.tokenIdNum++;

7.return TRUE;

輸出：訂閱成功

4.2.3 授權(quán)操作

當用戶訂閱成功之后，平臺會對資源作者發(fā)起申請授權(quán)的請求。合約會對發(fā)來的請求進行判斷，訂閱者的地址以及生成的NFT的ID是否對應。若符合條件，作者通過平臺進行授權(quán)。算法3給出了授權(quán)操作流程。

算法3 activate函數(shù)

輸入訂閱者地址owner、訂閱者的NFT標識tokenId、合約地址sale

1.require(_owner=ownerOf(_tokenId))//訂閱者的地址與NFT的ID對應

2.require(_getApproved(_tokenId)=sale)//批準作者對NFT的操作

3.safeTransferFrom(_owner,sale,_tokenId)

4.activate(_owner,_tokenId)//批準訂閱

輸出：已批準

4.2.4 查看交易詳情

交易成功后，訂閱者可以在頁面點擊查看詳情按鈕，觸發(fā)點擊事件。平臺通過訂閱者的以太坊地址，異步調(diào)用合約實例中的方法獲取合約地址、作者的以太坊地址、支付的金額以及當前的訂閱狀態(tài)等交易詳情信息，并顯示在頁面上。查詢詳情結(jié)果如圖3所示：

圖3 交易詳情

4.3 性能分析

以太坊區(qū)塊鏈在以太坊虛擬機(EVM)中運行交易觸發(fā)代碼，以太坊中的開銷、轉(zhuǎn)發(fā)、儲存和運算等都以gas為單位表示[10]，EVM中的每一步操作都有一個固定的耗費值，被稱為耗費的gas，gas price是單位gas的價格(用以太幣計量)，實際交易成本的計算方式為二者的乘積[11]。本文的智能合約在本地以太坊網(wǎng)絡進行測試，合約構(gòu)造函數(shù)(constructor)、creatClass、handlePrice、getNFTCount、purchase、cancle、activate、expire以及合約部署花費的消耗量如圖4所示。

圖4 智能合約調(diào)用函數(shù)的消耗量

5 結(jié)束語

本文將以太坊、智能合約、ERC-721合約和分布式存儲系統(tǒng)IPFS相結(jié)合，相比傳統(tǒng)的網(wǎng)課資源平臺，具有多方面的優(yōu)勢。首先，從資源數(shù)據(jù)的存儲上，傳統(tǒng)的網(wǎng)課平臺采用數(shù)據(jù)庫的方式，對教學資源進行存儲。在本模式下，所有資源均上傳至IPFS系統(tǒng)中，由多個節(jié)點共同維護。避免了數(shù)據(jù)庫泄露，資源被盜用的風險，保證了資源數(shù)據(jù)的安全性。其次，在作品確權(quán)方面，每個作品都對應區(qū)塊鏈上的一個NFT代幣，具有唯一的標識，有效避免了版權(quán)沖突的問題。此外，利用智能合約與買賣雙方進行交易，既避免了第三方平臺的介入，也避免了因服務器故障帶來的影響。