基于區塊鏈技術的公益時間銀行系統

肖凱 王蒙 唐新余 蔣同海

摘 要：在現有的時間銀行系統中，時間幣的發行功能和結算功能完全集中到一個中心節點上。這種極度中心化的功能結構，不僅存在容易發生中心節點單點失效、數據容易被篡改等信息安全問題，還存在著時間幣的發行和流通缺乏透明度以及時間幣的結算依賴中心化的結算機構等問題。針對這些問題，提出了一種基于區塊鏈技術的解決方法。首先，將時間幣的發行功能和結算功能從中心節點上分離出來;然后，利用具有分布式去中心化、集體維護和不可篡改等特性的區塊鏈技術，將分離出來的發行功能逐步去中心化，將分離出來的結算功能去中心化，形成公益時間鏈（PWTB）;最終，PWTB利用區塊鏈技術以去中心化的方式將時間銀行系統由單個節點維護賬本變成由集體維護一個分布式的共享賬本，使時間幣的發行和流通公開透明， 時間幣的結算不依賴某個中心化的節點。安全分析表明所設計的PWTB能夠實現安全的信息傳輸與存儲，以及數據的共享。

關鍵詞：區塊鏈;時間銀行;時間幣;去中心化;信息安全

Abstract： In the existing time bank system， the issuance and settlement functions of time dollar are completely centralized on a central node. This central way not only suffers from many security problems including single point failure of central node and data tampering， but also has some problems such as lack of transparency in time dollar issuance and circulation， the dependance on centralized settlement agency in time dollar settlement process. In order to solve these problems， a public welfare time bank system based on blockchain was proposed. Firstly， the issuance function and settlement function of time dollar were separated from the central node. Then， the separated issuance function was gradually decentralized， and the separated settlement function was directly decentralized by the use of advantages of blockchain such as distributed decentration， collective maintenance and the feature of not easy to tamper， after that Public Welfare Time Blockchain （PWTB） was formed. Finally， PWTB used blockchain to decentralize the time bank system from a single node maintaining ledger to the collective maintaining distributed shared ledger， so the issuance and circulation of time dollar became open and transparent， and the settlement of time dollar did not rely on a central node. The security analysis shows that the PWTB can achieve safe information transmission and storage as well as safe data sharing.

Key words： blockchain; time bank; time dollar; decentralization; information security

0 引言

目前我國人口老齡化問題日趨嚴重，養老服務志愿者的需求缺口越來越大[1]。為了激勵更多的人參與到志愿活動，時間銀行[2]通過一種“有償”的方式來激發公眾參與志愿者活動的積極性，即志愿者參與志愿活動，提供相應的服務，然后會獲得一定的時間幣作為獎勵[3]。短期來看，志愿者可以通過時間幣在公益商店購買公益商品，還可以享受額外的社會福利，例如當前在南京地區，擁有一定數量的時間幣就可以免費乘坐一定次數的公交，在醫院可以享受優先排隊的待遇等;從長期來看，志愿者可以在自己年老時，將積分兌換成等值的服務來幫助自己養老，實現“老有所依”。

在當前的時間銀行中，時間幣的發行和結算完全集中在一個中心機構上[4-6]，這種中心化的結構存在許多的問題。比如：1）不透明化。當前全國各地的時間銀行發行的時間幣，具有不透明性，普通用戶難以查詢時間幣的實際發行量，同時時間幣的整個流通過程也缺乏透明性。2）數據不安全。數據存儲在一個中心結構，這種方式數據極易被篡改，一旦中心結構的數據庫發生損壞，則會導致無法挽救的損失。3）缺乏流通性。主要是指時間維度上的缺乏流通性，從儲蓄到兌換，這中間可能長達數十年，中心結算機構的生命力決定并影響著時間維度上時間幣的流通性，一旦中心化的結算節點失效，整個系統中的時間幣將不可流通了。

針對上述問題，本文的解決思路是：第一步把發行和結算兩個功能從這個中心機構分離出來;第二步將分離出來的發行功能，逐步去中心化，比如，最初是上級政府機構擁有發行的權力，然后放權到下級政府機構，接著再放權到經過審核的社會上的相關組織和機構，最后逐步形成一個去中心化的結構（一部分群體參與）。對于將抽離出來的結算功能，去中心化，使得系統中的所有節點都具有結算的功能（所有群體都可以參與，這意味需要系統中存在分布式共享賬本），而這些問題大多數本身就存在于傳統的技術方案所實現的系統中，因此急需新的技術來實現上述解決思路。

受到企業尤其是金融機構的追捧的區塊鏈技術正好具備：公開透明、防篡改、去中心、自治性、集體維護、共享賬本等特性[7-11]，能夠很好地實現上述的解決思路。目前，國內外還沒有將區塊鏈技術應用到時間銀行系統的案例，為此，基于以上問題和解決思路，本文首次利用區塊鏈技術來設計針對公益時間銀行的系統，命名為公益時間鏈（Public Welfare Time Blockchain， PWTB）。

1 公益時間鏈的系統組成

依據引言中的解決思路，本章主要介紹兩部分：第一部分，關于時間幣的發行、服務資產的數字化即系統中初始資產審核認證平臺;第二部分，關于時間幣的結算流通，即公益時間鏈部分。另外在下文的介紹中出現了結算節點、應用節點、用戶（成員）、應用等概念，它們的關系是用戶使用結算節點或應用節點上的應用。

1.1 服務資產數字化

當前許多區塊鏈系統中的資產（比如比特幣中的資產）存在于虛擬世界中，系統中新的資產通過“挖礦”產生，這也使得整個系統的資產的發行可以完全的去中心化。

本文中研究的時間銀行系統與上述系統存在很大不同，存儲在時間銀行系統中的資產——時間幣來源于現實世界中，即志愿者參與志愿者活動，提供相應的服務，然后產生資產。由于資產來源于現實世界，這就決定需要一個現實世界中的審核平臺對該資產進行審核認證，這一特性也就決定了在PWTB中資產的發行一開始無法作到完全的去中心化，于是本文將資產的發行設計成逐步地去中心化的機制。

如圖1所示，整個系統的資產是通過向經過審核平臺認證過的困難群體提供服務產生的。整個過程如下：

1）困難群體向審核平臺提供貧困證明材料，審核平臺對材料的真實性進行審核。

2）經過審核通過的困難群體，依據其困難程度在一段時間內將免費享受一定次數的服務。

3）依據困難群體的需求，志愿者向需要服務的困難群體提供相應的服務。

4）服務完成后，審核平臺對整個服務過程進行審核。

5）整個服務過程審核通過后，并結合接受服務者的滿意程度，審核平臺將服務資產數字化，即將服務轉換為等值的時間幣。

6）最后將轉換后的數字資產上鏈到PWTB中，即通過產生新增資產交易（交易中記錄了資產的擁有者為提供服務的志愿者），并將交易信息發送到PWTB中（審核平臺實際是圖3中一個結算節點或者應用節點上的應用）。

從圖1中可以看出，初始資產是通過審核平臺審核認證的，即最初的資產是由審核平臺發行的，這就意味著，與當前現實中的所有資產一樣，需要審核平臺為新認證的資產背書。本文的設計中，最初的背書機構選擇政府機構主要在于：一方面是政府機構是現實世界中最具有公信力的機構;另一方面是政府機構的自身需求。當前中政府機構每年都會對貧困群體進行一定的現金補助，但是對于貧困群體后期的資助金的使用缺乏監管，而使用本系統后，所有的資助金——時間幣的整個流通過程（即PWTB記錄了整個過程并且不可篡改）是公開、透明的，正好可以很好地解決這個監管問題。

在下文中，統一將上述具有審核權力的群體稱為審核組（Audit Group， AG）。如圖2所示，系統中AG的初始成員只有部分的一級政府機構。隨著系統的運行，這部機構可以將審核權力授權給一部分二級的政府機構（即AG的原始成員同意一部分二級政府機構加入到AG中）。這部分新獲得審核權力的二級政府機構實際是經過一級政府機構背書的（經過當前AG的所有成員的同意才能加入到AG）。后期隨著系統的穩定運行，AG中的現有成員可以將審核權力授權給社會上一些經過審核的公益組織、養老院等組織機構。后續新加入的組織機構都是經過先前成員的背書，從而形成一條背書鏈。

1.2 服務資產的共享流通

通過將現實世界的資產轉換成數字資產后，PWTB提供了數字資產流通的渠道，而數字資產在流通的是通過一筆交易進行的，資產的交易（即資產的轉讓）的完成是通過結算功能實現的。

依據引言中解決思路的第二點，為了使資產在時間維度上具有流通性，需要使系統中的每一個用戶都擁有結算的能力，而用戶具有結算能力的基礎是擁有一份共享賬本或者能夠獲得共享賬本的信息，即集體參與系統賬本的維護。

如圖3所示，公益時間鏈（PWTB）主要包括如下。

1）交易數據。系統中的所有交易數據最終存儲在PWTB中，這些交易數據包括交易類型、交易發生的時間戳等。這些信息通過數字和數字簽名技術保證可驗性和準確性。

2）區塊。在PWTB中，所有的交易數據都將被結算節點審計，合法有效的區塊將被存儲在結算節點的本地共享賬本中，進而在所有網絡節點中進行廣播。

3）結算節點。在本地存儲著一份共享賬本。負責收集和廣播網絡中最新的合法交易和區塊，依據這些合法數據維護并更新共享賬本。結算節點除了具有基本的結算功能外，在應用節點上的應用也可以運行在結算節點上（例如：錢包APP、審核平臺系統等）。

4）應用節點。本地并不存儲完整的共享賬本，通過連接到結算節點上按需獲取共享賬本的部分數據，然后基于這些數據為用戶提供相關的服務（例如：錢包APP，為用戶提供轉賬服務產生資產轉讓交易，審核平臺系統為AG中的成員提供支持審核應用服務等）。

5）監管節點。監管部門可以在PWTB上部署審計監管節點，監管節點是結算節點，只不過監管節點上運行的是與監管相關的應用。

2 公益時間鏈的系統運行

如圖4所示，公益時間鏈中的結算節點包括交易記錄池、共享賬本和本地控制器。交易記錄池存儲著當前公益時間鏈上最新發生的且尚未被整合到區塊中的交易數據。共享賬本記錄著公益時間鏈上所有歷史交易記錄。本地控制器負責運行各種應用程序和算法（比如：共識算法[12]、智能合約[13-14]程序等），接受并廣播來自網絡中的合法數據（交易和區塊）。類似于比特幣，新的數據塊在加入到PWTB前，PWTB某個時間段內的“結算權”由所有的結算節點競爭產生。結算節點通過Merkle哈希過程計算區塊的Merkle Root，后將求解的隨機數Nonce代入，計算Merkle Root的SHA256雙哈希值，若該值小于目標哈希值Bites，則找到了有效的工作量證明（即隨機數Nonce）[15]。每個結算節點競爭尋找有效的工作量證明，最快找到有效工作量證明的結算節點獲得“結算權力”負責審計最新的交易數據并把他們組建到PWTB上新的區塊并全網廣播。本文使用的符號及其含義如表1。

1）身份認證。網絡中的所有用戶首先通過系統CA（Certificate Authority請補充CA的英文全稱）的認證后，成為公益時間鏈中的合法用戶，并獲取用于加密數據的密鑰和證書，表示為{PuKi，PrKi，Certi}。

2）新成員申請加入AG。新成員A要想加入AG，首先需要在AG中尋找一個推薦人（假設為Recmderi）推薦，然后由AG中的其他成員（假設為Otheri）達成共識才能夠加入AG中。如圖65所示此處存在圖號引用順序顛倒的問題，應該先引用圖5，再引用圖6。如何調整？請明確。，具體步驟如下。

步驟1 推薦人Recmderi背書產生一個成員推薦交易，交易中包含被推薦人（A，{PuKA，PrKA，CertA}）的相關信息（比如：PuKA，CertA，被推人的資格審核材料等），以及推薦人的數字簽名，然后向網絡中廣播該交易，則上述過程表示如下：

步驟2 系統中AG的其他成員（Otheri）收到該交易之后，對該交易的合法性進行驗證以及對被推薦人A的相關材料進行審核，并把他們的意見（Result，即是否同意被推薦人A加入AG）同時附上各自的數字簽名生成推薦反饋交易，并將該交易廣播到網絡中。具體過程如下：

步驟3 Recmderi匯總來自其他成員的審計結果。如果所有其他成員都同意被推薦人加入AG，則Recmderi則將所有其他成員的數字簽名集合{SigOtheri}（是指對成員推薦交易中的核心內容的簽名，比如：“推薦張三{PukA，CertA}加入AG”這部分核心內容的簽名）和證書集合{CertOtheri}與先前的成員推薦交易整合成新成員加入交易，并將該交易廣播到網絡中的其他節點。

步驟4 假若反饋期內（比如：7個工作日）收到全部成員的投票結果之后有部分成員Otheri不同意新成員的加入，則此次推薦失敗。針對多次未參與反饋的成員以及一些惡意成員，AG的其他成員可以產生剔除成員交易將該成員從AG中剔除，從而保證系統的安全穩定運行。

傳統的通信方式中，消息的發送方是通過消息的接收方的及時反饋來確保接收方已經接收了消息。發送方等待接收方的反饋時間通常非常地短（比如：3s），但是本文的研究中，一方面是新成員加入的共識過程非常長（比如：兩周），另一方面是：消息都是以廣播的形式傳遞的，消息的接收方眾多。顯然傳統的通信的方式并不適合本文。如圖56所示，本文的設計中以共享賬本為中介，消息的發送方通過查詢消息是否被記錄在共享賬本為依據中來判斷接收方能否接收到消息，消息被存儲的共享賬本中，則說明消息的接收方肯定能獲取到消息（即認為接收到了消息）。這樣消息的發送方無需通過接收來自眾多接收方的反饋來確保每個接收方都收到了消息，而是直接與共享賬本交互查詢。

基于所有合法的成員推薦交易和推薦反饋交易都會被永久記錄存儲到共享賬本中。交易的發送方在發送交易一段時間后（PWTB中區塊平均生成時間），如果在共享賬本中查詢不到該交易，說明該交易沒有成功被存儲記錄到共享賬本中（可能由網絡原因導致廣播時丟失），則再次重新向網絡中廣播該交易，直到可以在共享賬本查詢到該交易的信息（保證了消息的接收方能夠獲得消息）。

由于所有合法的成員推薦交易被永久記錄存儲到共享賬本中，AG中不在線的成員，下次上線時會從鄰近的在線的結算節點同步更新的共享賬本，從而能獲取離線這段時間內所有待處理的成員推薦交易，然后按步驟2處理這些成員推薦交易。同時由于所有的推薦反饋交易被永久記錄存儲到共享賬本中，當AG中成員反饋時，Recmderi如果不在線，下次Recmderi上線時會從鄰近的在線結算節點同步更新的共享賬本，從而能獲取離線這段時間內所有待處理的成員推薦交易，然后按步驟3處理這些推薦反饋交易。

成員推薦交易和推薦反饋交易永久記錄存儲到共享賬本中，一方面不僅能保證Recmderi在線時能夠獲取AG中的其他成員發送的推薦反饋交易，同時也能夠保證AG中的其他成員在線時能夠獲取Recmderi發送的成員推薦交易;另一方面，整個推薦與成員的共識過程都記錄在共享賬本中公之于眾，使得整個推薦過程公開透明，便于各方的相互監督。

2.2 數據流通

本節主要介紹系統數據流通部分，主要包括系統初始化和傳遞交易數據兩部分，具體內容如下。

1）系統初始化。當新節點加入時，結算節點將從鄰近的結算節點同步共享賬本和交易池中的數據，應用節點則按需同步相關的數據。

2）傳遞交易數據。經過認證的用戶通過網絡中的結算節點（假設為FNj）或者應用節點（假設為LNs）（實際使用產品為錢包、交易網站、審核平臺、第三方支付APP等）產生交易數據，然后結算節點或者應用節點將交易數據廣播到鄰近的結算節點（例如圖4中的FNi）。PWTB中的傳遞的交易主要有以下幾種交易。

①成員推薦交易，即2.1節中，AG中現有成員推薦新成員時產生的交易。

②推薦反饋交易，即2.1節中，AG中現有成員對新成員申請加入時產生的反饋交易。

③新成員加入交易，即2.1節中，AG中現有成員推薦新成員并獲得所有其他成員同意時產生的交易。

④剔除成員交易，即2.1節中，AG中現有成員剔除一些惡意成員時產生的交易。

⑤新增資產交易，即1.1節部分，志愿者向貧困群體提供相應的服務，由AG成員對該過程進行審核，審核通過后，AG成員為該志愿者產生新增資產交易，使該志愿者在PWTB中擁有該新增的數字資產。

⑥資產轉讓交易，即1.1節部分服務資產數字化之后，公益時間鏈PWTB上就有了數字資產，每次數字資產歸屬的變更都是通過資產轉讓交易進行的。資產轉讓交易是PWTB上原有資產的歸屬權的變更。資產的流通正是通過歸屬權的變更進行的。資產轉讓交易的內容主要如下：Txi=（spdata‖updata‖…‖Certi‖timestamp），只有經過實名認證的用戶才可以發起交易。其中：

其中：index為其在Tx輸出集合updata中的索引，即上面的參數j;value表示時間幣的數量;PuKi表示該UTXO的擁有者，即表示持有PuKi密鑰的用戶擁有value數值的時間幣，只有擁有PrKi，才能夠花費該筆資產。

3）本地結算節點收集交易數據。接收到從網絡中傳來的交易數據，該結算節點（例如圖4中的FNi）對交易數據的合法性進行驗證，如果是非法交易，則直接忽略;如果是合法交易，則把該交易數據存儲到本地的交易記錄池中，并且向網絡中的其他結算節點（例如圖4中的FNh）廣播該合法交易數據。

4）本地結算節點工作量證明。經過一定時間（例如：10min），本地結算節點FNi把這段時間內所有收集的有效數據整合成交易數據集合（假設為：Bodydata）;然后通過Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash（假設為：MRhash），然后把MRhash、隨機數Nonce及其他相關字段組裝成區塊頭部數據（假設為：Headdata）;不斷地調整Nonce的值使得Hash（Headdata）

5）廣播合法的區塊。結算節點（例如圖4中的FNm）收到來自網絡中最新區塊時，對該區塊的合法性進行驗證。如果該區塊非法則直接忽略;如何該區塊是合法的且是最新區塊，則把該區塊加入到本地共享賬本中，并從本地交易記錄池中刪除已經包含在該區塊中的交易，然后將合法交易向網絡中其他的結算節點（例如圖4中的FNn）然后將該合法區塊向網絡中其他的結算節點（例如圖4中的FNn）傳遞此句感覺未表達完，請補充。回復：然后將該合法區塊向網絡中其他的結算節點（例如圖4中的FNn）傳遞，然后FNn執行5）廣播合法的區塊，FNm停止本輪“結算權力”的競爭，進行下一輪工作量證明。

3 安全性分析

本文所提的公益時間鏈（PWTB），依賴多年來經過實踐驗證的一些密碼學技術，比如Hash函數和非對稱加密算法來保障系統的信息安全。與一般的信息安全保護不同，本文所提及的公益時間鏈（PWTB）具有以下特點。

3.1 結算功能24/7安全可用

與傳統的金融體系不同，本文所提的公益時間鏈（PWTB）在結算功能的設計上采用了與比特幣系統類似的設計思路，將整個系統中的結算功能去中心化，使得系統的結算功能不依賴與某一個中心的結算節點。在PWTB中每個結算節點都擁有一份相同的共享賬本，這樣可以保證即使攻擊者攻擊任意單個結算節點都不會影響整個系統的數據安全，即使攻擊者控制了網絡中的有限節點（少于50%的節點）[16]，也不會影響系統的正常運作。

如圖7圖號是否有誤，應為圖7吧？所示，如果攻擊者攻擊結算節點A，發送經過篡改后的數據給網絡中的結算節點B、C。節點B、C按照一套相同的規則（共識機制）對接收到的數據進行驗證，發現該數據不正確后，就將該數據丟棄，同時不在網絡上再傳播該數據。這樣有效地阻擋了被篡改的數據在網絡中的傳播，即圖中分割線L左邊的結算節點D，E將不會接收到節點A發送的非法數據。

同時由于PWTB的結算功能是去中心化的分布式結構。PWTB是24/7不間斷連續運行的，系統中每時每刻都有結算節點執行結算功能，任何結算節點的失效都不會影響整個PWTB結算功能的運轉。

3.2 傳輸信息安全保密

在PWTB中，所有需要保密的信息都經過非對稱加密算法加密之后進行傳輸，保證信息不泄露給未經授權的任何人[17]。例如：在系統用戶證書中關于用戶個人隱私的信息（婚姻狀況、身份證號、家庭住址等信息），只有監管部門可以查看。

首先所有用戶（志愿者、機構、公益組織等）需要將其PuKi發送給監管部門（CA）{PuKj，PrKj，Certi}進行實名登記，獲得證書Certi才能夠在系統中發起交易。

用戶在向監管部門（CA）進行實名登記時，對提交的信息中包括隱私信息和可公開的信息，對于可公開的信息部分至少包括其公鑰PuKi，隱私信息privatedData，經過CA的公鑰PuKj加密之后再存儲在證書Certi中，這樣只有擁有私鑰PrKj的監管部門才能解密證書Certi中的私密信息[18]，而網絡中的其他人則無法查看用戶的隱私信息，從而保證信息不泄露給未經授權的任何人。

3.3 傳輸信息完整可靠

在PWTB中，所有發送的消息都經過發送方{PuKi，PrKi，Certi}的私鑰PrKi簽名之后，才發送到網絡中，從而保證信息在存儲或傳輸過程中保持不被修改、不被破壞、不被插入。過程如下：

其中：

首先發送方{PuKi，PrKi，Certi}，用一個哈希函數Hash（）將要發送的原始消息message作為Hash（）的輸入得到該消息的摘要，然后用自己的私鑰PrKi對該摘要進行簽名得到簽名數據sigData，然后發送方將新的數據（message‖sigData‖PuKi‖timestamp）發送給網絡中的接收方。接收方在收到消息后，首先使用哈希函數Hash（）將從原始消息message獲取該消息的摘要，接著再用發送方的公鑰PuKi對簽名消息sigData進行解密，如果兩個前后摘要相同，那么接收方就能夠確定該數字簽名和數據是發送方的。通過數字簽名的方式，消息的接收方能夠確認消息是由發送方簽名并發出的，同時能夠確定消息的完整性，即使被篡改了接收者也能夠驗證并及時地發現。

4 結語

本文針對當前時間銀行不僅存在容易發生中心節點單點失效、數據容易被篡改等信息安全問題，而且還存在時間幣的發行和流通不透明、時間幣的結算依賴中心結算機構等問題，首先分析出了產生這些問題的根本原因在于時間幣的發行和結算功能極度的中心化，然后給出了具體的解決思路，并依據解決思路首次將區塊鏈技術引入到了時間銀行系統中，提出并設計實現了公益時間鏈（PWTB）系統，解決了當前時間銀行系統存在的上述問題。由于PWTB中在某一段時間內結算節點的選擇規則類似PoW（Proof of Work），所以整個系統也存在PoW機制自身存在的一些問題（比如存在受到51%算力攻擊的可能性），但是PoW目前最成功的實踐應用比特幣系統多年的成功運行，說明這并不影響系統的實際應用（在現實中各利益方之間的博弈權衡會避免51%算力攻擊的發生）。安全性分析表明本文提出的PWTB系統安全可行。

本文所涉及的時間銀行項目仍在持續推進中，當前階段已經完成了核心技術的應用實現以及基礎平臺的搭建，后續將會有更多的第三方拓展應用系統將會接入到基礎平臺中，隨著不同領域中的系統接入，未來將會圍繞基礎平臺形成一個公益生態圈。在下一階段，將重點針對第三方系統的接入機制進行更深入一步的研究。

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