貧困生精準資助去中心化應用系統設計與實現

摘 要：在區塊鏈原理與應用課程教學中，以太坊與智能合約相關內容缺乏綜合性實踐案例。因此結合高校貧困生精準資助的背景，構建一個比傳統軟件架構模式更具優勢的去中心化應用系統，為高校貧困生精準資助工作提供更理想的技術解決方案，加深學生對以太坊和智能合約理論的認識。首先，針對傳統中心化應用系統的不足，基于以太坊平臺的優點，分析系統核心業務需求;其次，利用以太坊平臺設計資助系統總體方案，并闡述系統核心模塊;然后搭建以太坊應用環境，實現需求模塊的功能，使學生通過網頁客戶端登錄學生資助系統。測試結果表明，該精準資助系統的核心業務指標：貧困生識別精準度、系統錄入數據真實度、資助資金使用透明度、幫扶成效衡量滿意度等均達到95%以上。

關鍵詞：區塊鏈技術;精準資助;以太坊;智能合約

DOI：10. 11907/rjdk. 192675

中圖分類號：TP319 ? 文獻標識碼：A??????????????? 文章編號：1672-7800（2020）003-0154-05

Design and Implementation of Decentralized Application System

for Students from Poor Families

——Teaching case of Blockchain Principles and Applications Course

ZHANG Xin-chao

（College of Information Engineering， Zhengzhou University of Science & Technology， Zhengzhou 450064， China）

Abstract：In order to solve the problem of the lack of comprehensive practical cases when teaching the content of Ethereum and smart contracts in the course of Blockchain Principles and Applications， combined with the precise funding background of poor students in colleges and universities， this article proposes an application system with decentralized center which has more advantages than the traditional software architecture model 。 First， the core business requirements of the system based on the deficiencies of the traditional centralized application system and the advantages of the Ethereum platform are analysed. Second， the Ethereum platform is used to design the overall scheme of the funding system and describe the core modules in the system in detail. Then， the application environment of Ethereuma is built and the function of the requirements module is realsied so that the students in the class are logged in to the student funding system through the web client. The test results show that the core business indicators of the precision funding system including the accuracy of identifying poor students， the authenticity of the data entered in the system， the transparency of the use of funding funds， and the satisfaction measurement of aid effectiveness have reached more than 95%.

Key Words：blockchain technology;precision funding;ethereum;smart contract

0 引言

隨著全球高等教育范圍的不斷擴大及成本的大幅度提高，日益顯著的高校貧困生問題成為制約各國高等教育公平和可持續發展的巨大障礙。我國教育部門不斷修正管理體系，完善高校對貧困生的認定與管理工作[1]。

2004年中國科學技術大學曾使用“隱形資助”方式監測每個學生一卡通食堂消費情況，若當月消費低于200元，會隱形資助200元予以資助;2017年成都電子科技大學通過大數據技術建立了貧困新生“畫像”信息，利用尋道科技為其研發“智慧助困系統”。該系統相較于傳統訪談及問卷調查法，雖然采用大數據多維度、分等級策略實現了資助對象精準化和資金發放精準化，但并未實現資助金全程跟蹤調查、及時精準脫貧和數據信息共享，如何確保貧困生資助資金運用合理、管理妥善、監管持續、精準匹配是目前各高校在資助工作中面臨的主要難題[2-4]。

區塊鏈技術因具有不可更改、交易溯源及多方共識等特性，可為精準扶貧提供強大的技術支撐，實現扶貧資金安全保真、精準匹配、透明使用、高效管理及精準監管，為使用區塊鏈技術解決精準資助問題提供了新思路[5-6]。由于目前高校扶貧的研究大多局限于理論層面，實際技術應用較少，因此本文重點設計與實現基于區塊鏈技術的高校貧困生精準扶貧系統。

1 系統需求分析

因貧困學生識別精準度不高、資助過程數據真實性不足、資助資金使用不透明、幫扶成效難衡量等問題不斷出現，高校貧困生精準資助工作與誠信機制之間的矛盾不斷加劇。根據黨和國家的扶貧政策，要求脫貧幫扶工作精準可信，真正落到實處。這對傳統集中化B/S數據處理軟件平臺提出了嚴峻挑戰。基于區塊鏈技術的高效貧困生精準資助系統設計，是將區塊鏈共識機制、不可篡改、可追溯性、分布式賬本和去集中化與貧困生資助工作管理過程進行有機結合[7-8]。高校貧困生精準資助工作系統核心需求業務如圖1所示。

根據系統業務示例圖可知，系統核心業務主要有：貧困生信息管理、資助資金管理、資助工作管理、賬戶管理和系統管理五大部分組成。貧困生信息管理業務主要用于對貧困生信息進行存檔，同時資助工作人員會為每位貧困生分配幫扶教師，通過幫扶教師的幫助，讓每位貧困生找到適合自己的勤工儉學方法，同時從內心正確認識家庭貧困，從而轉化為奮發求學、經過自身努力使家庭經濟狀況逐漸好轉的動力;資助資金管理業務主要利用一系列透明化操作，使資助學生的資金有據可查、公正公開，避免各種不合理事情的發生[9-11];資助工作管理業務主要記錄幫扶教師幫助貧困學生的過程、措施和事件，為實現貧困生精準脫貧提供保障;賬戶管理業務主要針對系統管理員、貧困學生及幫扶教師不同角色分配不同賬號和系統模塊權限;系統管理業務主要用來管理貧困生精準資助系統，在區塊鏈環境下該項業務重點是滿足系統暫停、維護等需求[12-14]。

2 系統設計方案

2.1 總體設計思路

本文利用區塊鏈技術，搭建一個高校貧困生資助系統作為精準扶貧環境下的應用實例。在貧困學生資助系統中，可實現貧困生信息真實有效且永久保存，資助資金使用合理且完全透明，貧困生資助過程留存記錄且不斷完善，系統賬戶管理嚴謹且準確高效。但是，在貧困學生識別、資助過程數據、資金正確使用、學生心理脫貧等方面高校貧困生資助工作面臨巨大挑戰，傳統資助系統難以實現。區塊鏈具備歷史記錄不可更改、共識算法保持高度一致的分布節點、透明可信的智能合約等特征，為實現貧困生資助高精準、高可信提供了更理想的解決方案[15-17]。區塊鏈以對等的方式把參與方連接起來，由參與方共同維護一個系統，通過共識機制和智能合約表達協作規則，實現更為彈性的協作方式。高校貧困生資助系統總體架構如圖2所示。

2.1.1 以太坊應用環境構建

以太坊是一個開源的有智能合約功能的公共區塊鏈平臺，通過其專用加密貨幣以太幣提供去中心化的以太虛擬機處理點對點合約。以太坊是區塊鏈技術與智能合約的結合。根據圖2可知，以太坊應用環境主要由底層服務與以太坊核心層兩部分組成。底層服務中P2P網絡每一個節點彼此平等，所有節點共同提供服務，網絡節點可生成或復合新的數據信息。然而以太坊中的區塊和交易數據最終被存儲在LevenDB數據庫中。數據和區塊安全性主要由密碼學算法保障。分片優化可實現并行檢驗交易，從而提高區塊生成速度。這些底層服務主要用來保證以太坊系統穩定運行[18-19]。以太坊核心層包含區塊鏈、共識算法、遠程過程調用、以太坊虛擬機和智能合約等核心元件，其中以區塊鏈技術為主體，同時結合以太坊特有的共識算法，以運行智能合約的以太坊虛擬機為載體。

以太坊是一個基于分布式網絡的去集中化區塊鏈應用平臺，是區塊鏈的一種技術實現。它有自己特定的加密貨幣，同時還增強了腳本功能，可實現圖靈完備的智能合約，更便捷地實現除虛擬貨幣外的其它應用，使以太坊具備較高的商用價值。以太坊的目的是基于腳、競爭幣和鏈上元協議概念進行整合和提高，使開發人員可創建任意基于共識、可擴展的、標準的、協同的應用。其核心技術包括以太坊賬戶、智能合約和消息與交易。

以太坊賬戶類似于銀行賬戶，是網絡識別不同參與者的標識。一個賬戶只有一個所有者，但是一個參與者可使用多個賬戶。賬戶以地址為索引，每個賬戶都有私鑰和公鑰組成的一對秘鑰，這對秘鑰主要用來提供創建和驗證交易過程中的安全措施。智能合約程序不只是一個可自動執行的計算機程序，其本身就是一個系統參與者，對接收到的信息進行回應，既可接收和儲存價值，也可向外發送信息和價值。這個程序就像一個可被信任的人，可臨時保管資產，總是按照事先約定的規則執行操作。智能合約是以太坊最重要的技術貢獻。

消息是一個永不串行且只在以太坊執行環境中存在的虛擬對象，合約具有發送“消息”到其它合約的能力。消息包括發送者、接收者、要發送的數據和燃料費限額。消息由不同的合約賬戶創建和接收，接收賬戶回應的過程類似于函數調用過程[20]。而以太坊中的交易指從外部賬戶內存區域發出消息的簽名數據包。其中包含發送者簽名、接收者、交易金額、待發送的數據、燃料費限額和燃料費代價。這些數據解釋了交易雙方身份信息、金額多少或是否激活合約，且規定了交易最多被允許執行的計算步驟和交易發出者愿意支付的手續費金額。

2.1.2 中間交互API接口設計

為方便創建基于Web的去中心化應用，以太坊平臺提供了一個極其便利的JavaScript庫Web3.js。它是一個輕量級用于集成以太坊功能的Java開發庫，封裝了以太坊節點的API協議，可讓開發者輕松連接到區塊鏈節點，不必編寫繁瑣的RPC協議包。它通過JSON RPC遠程過程調用與區塊鏈交互。本文系統在太坊應用環境中，通過Web3.js與頂層去中心化應用模塊進行交互。以太坊是由包含區塊鏈上所有數據和代碼的節點組成的點對點網絡。Web3.js允許用戶通過JSON RPC向某個以太坊節點發送請求以讀寫數據。Web3.js可與任何暴露了RPC接口的以太坊節點連接[20-21]，提供eth對象與以太坊區塊鏈進行交互，是可幫助用戶實現發送以太幣、讀寫智能合約數據、創建智能合約等功能的庫。

貧困生精準資助系統與以太坊網絡交互的API接口設計流程具體包括：①本文系統與底層以太坊網絡交互。首先，以太坊接口通過合約管理核心類提供發送交易的方法，提供交易數據和地址，監聽交易是否廣播到網絡的每一個節點，是否驗證成功并存入新構造區塊中。假如經過一段時間后，許多區塊中均沒有正常的返回信息，系統會再次提醒管理用戶重新廣播交易;②合約管理核心類的子類完成底層各函數功能的調用，其中核心的子類包括基本操作子類、資助資金管理子類、貧困生信息管理子類、幫扶工作子類等，以及各種交易類和合約函數。調用合約函數不會產生以太幣消費問題，但實際使用合約時需消耗以太幣。賬戶登錄以后，可根據相應地址查看以太幣余額。當不能滿足交易所消耗的以太幣時，系統會根據不同用戶需求自動發放以太坊;③最后，上述每個子類的具體功能均關聯賬戶管理核心類，該類主要用來為各子類分配權限和轉換角色，使不同用戶的操作基本符合其角色的身份。

2.1.3 設置精準資助系統模塊

系統模塊合理設置，是提高系統體驗度和適用范圍的重要因素。系統模塊合理設置包括：體驗度舒適性和模塊可擴展性。根據需求分析，本文共設置5個模塊，即貧困生信息管理模塊，主要功能有貧困生資料記錄和分配對應的幫扶教師;資助資金管理模塊，主要功能有管理和發放資助資金、貧困生申請資金接受賬號以及資金轉賬提現[22-23];資助工作管理模塊，主要功能有記錄走訪貧困生整個過程的信息、針對出現的問題采取的幫扶措施及記錄幫扶貧困生的具體事件;賬戶管理模塊，主要有添加管理員、幫扶教師、貧困學生等角色賬戶;系統管理模塊，主要有系統暫停申請、投票以及維護等功能。

系統體驗流程基本符合用戶使用習慣，用戶可通過自己擁有的私鑰賬戶信息進入系統主界面，系統將依據合約中登記的信息分配用戶權限，進而不同用戶將進入主界面后看到的界面內容是不相同的。當管理員登錄貧困生精準資助系統后，界面會顯示系統介紹和基本信息介紹，同時界面頂層菜單項設置有管理員設置、貧困生資助工作管理、貧困生信息管理及系統管理。管理員可通過不同按鈕進行相應設置并添加操作。當幫扶教師角色用戶登錄進入系統后，界面會有幫助貧困生對象管理和資助工作管理功能，幫助對象管理用于查看貧困生信息并進行相應操作，也可查看到貧困生基本信息情況和幫助的事跡記錄。當貧困學生角色賬戶登錄系統后，會顯示系統簡介和個人基本情況，該角色系統主要有查看資助資金流轉動態和如何轉入自己賬戶等關鍵功能。

2.2 智能合約設計

以太坊智能合約在實際系統中是一段程序代碼，但它是作為以太坊區別于其它區塊鏈實現方案的核心特征，重點在于智能合約不僅是可自動執行的程序代碼，且自身就是一個系統參與者，即對接收到的信息進行回應、接收和儲存價值，也可向外發送信息和價值。在網絡系統中所有合約都是不可違約且不可偽造的，合約生效后，在以太坊中達成永久共識。本文設計的貧困生資助系統共涉及9個不同功能的智能合約，由這9個智能合約共同完成系統的各種核心操作。智能合約組關系如圖3所示。

圖3中合約Userable主要用于記錄合約新建者的賬戶地址，提供權限控制功能;合約ManagerPermissions主要用于設置管理人員權限;合約Suspended主要用于系統緊急停止功能;合約AccountPermissions主要用于設置幫扶工作人員、幫扶教師、貧困生登錄賬戶信息;合約SysGeneralOperat主要用于提供系統常規操作;合約PoorStudentInform主要用于設置貧困生的基本信息;合約TokenERC20主要用于提供資助資金代幣的接口[24-25];合約PoorStudentsHelp主要用于提供貧困生幫扶工作、分配幫扶教師;合約FundTransfer主要用于提供資金代幣轉移工作。

3 系統實現

3.1 系統實現環境

高校貧困生精準資助系統是基于區塊鏈的去集中化應用，本系統中的區塊鏈實施環境為開源的以太坊環境，系統實現環境搭建在一臺臺式服務器主機上，主機硬盤配置1TB，IntelCorei7處理器，24GB隨機存儲器，在服務器主機中使用虛擬化軟件創建6臺內存為3GB的虛擬機作為以太坊節點使用，每個虛擬機上安裝64位的Ubuntu16.04.1操作系統用于完成系統開發環境。系統實現環境中主要使用的軟件工具見表1。

系統開發實現過程中，首先搭建虛擬機節點集群并創建以太坊鏈條，隨后以Node.js作為編程開發語言編寫系統實現過程中的功能接口，通過Web3.js與以太坊環境進行數據傳遞。采用Truffle作為以太坊去集中化應用開發框架，可避免考慮許多細節，快速完成系統創建。Geth作為以太坊客戶端使用，是目前用戶最多、使用最廣泛的客戶端[25]。通過Geth客戶端與以太坊網絡進行連接和交互可實現賬戶管理、合約部署、挖礦等眾多實用的功能。編程語言Solidity主要用于智能合約編程實現過程。

3.2 系統模塊實現

3.2.1 系統賬戶管理

登錄精準資助系統需申請以太坊賬號，并把該賬號信息提前存放到對應的智能合約中，只有在合約中存儲過賬號和個人信息，才能使用對應的私鑰登錄系統處理相應業務。用戶登陸后，系統顯示主頁如圖4所示。

3.2.2 資助資金管理

學校資助每位貧困學生的資金流向均有據可查，給貧困生發放資金的界面如圖5所示。

4 結語

本文通過設計和實現基于區塊鏈技術的高校貧困生精準資助系統，為以太坊與智能合約相關內容補充教學案例，使學生對以太坊和智能合約理論知識有了更深認識，同時利用以太坊平臺搭建的實際應用系統，也為目前高校貧困生精準資助工作提供了更理想的技術解決方案，有助于提升貧困生資助工作效果。

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（責任編輯：江 艷）

收稿日期：2019-12-17

基金項目：河南省教育廳人文社會科學研究項目（2019-ZDJH-152）

作者簡介：張新朝（1989-），男，碩士，鄭州科技學院信息工程學院助教，研究方向為數據挖掘、人工智能。