基于區塊鏈的精準扶貧云平臺設計與研究*

陳高翔,馬振鋒

(百色職業學院,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.為體現扶貧工作的精確性,不少地方政府相繼構建精準扶貧大數據云平臺,以面向記錄在冊的貧困地區、家庭、人口提出針對性的救扶計劃,并完成科學有效的動態追蹤.但事實上,不同平臺的使用并不規范和安全,存在一定的問題,如一部分人為圖扶貧補貼而出現身份造假,監管人員存在違紀違規操作;部分工作記錄不計真實數字,搞“數字脫貧”假象;扶貧?？畎l放監管機制不嚴,困難戶接收款項精準度不足;平臺系統內存數據頻現肆意篡改、數據失真的情況;中心化結構數據呈現可信度降低等.近幾年,區塊鏈技術得到發展,在諸多數據處理技術中展現了自身的技術特性與優勢,可以鏈式數據架構來保存數據,以共識模式來更新數據,使得數據一致性較為明顯,結構去中心化目標突出.因此,將區塊鏈技術引入到精準扶貧大數據云平臺系統的設計開發中,確保各項數據可實現永久保存、不會遭受篡改風險、全程接受跟蹤監控,促進系統去中心化運行,具有十分重要的意義.

1 區塊鏈技術概述

區塊鏈技術出自比特幣的技術研究,初期用于加密貨幣,后被用于金融等更多領域,屬于分布式基礎架構,無須設置中心服務器,直接將不同的系統參與者作為結構維護和數據存儲對象,所有參與者均可共享數據.區塊鏈現行模式存在私有鏈、公有鏈、聯盟鏈三類,各模式概念及執行思路存在不同,所場景需求和應用要求差異性較大,模式特征表現有別.

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

圖1 區塊鏈的區塊結構示例Fig.1 Example of block structure of blockchain

區塊鏈網絡層的特征之一是啟用P2P(peer to peer)對等網絡架構,從圖2所示結構圖譜可知區塊鏈網絡內所涵蓋的計算機節點具有統一服務機制.區塊鏈在使用P2P網絡后能夠直接在節點中存儲處理數據,因此在網絡架構中只要存在某一臺計算機主機在運行區塊鏈,就可以做到數據不丟失、程序不篡改、服務不終止.

圖2 P2P網絡結構示意Fig.2 P2P network structure diagram

區塊鏈既有較高的安全性,在數據的交易執行過程中嚴格體現邏輯行為一致性,依賴于非對稱加密技術的應用.非對稱加密使用一對不同的密鑰,公鑰在區塊鏈網絡中所有節點可見,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.區塊鏈節點用公鑰加密數據后,只能用對應賬戶的私鑰解密,由于在數據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在擁有更低規模的計算量,擁有更短規格的密鑰長度,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,在區塊鏈中得到廣泛應用.

2 精裝扶貧云平臺系統設計需求

2.1 現有系統的結構及功能

新時代賦予扶貧攻堅工作更大的機遇和挑戰,為此,各地政府以中央“精準扶貧”指導方針為根本遵循,不斷引深網絡化管理的探索與實踐.積極結合扶貧需求,并努力集中整合在同一系統.現階段被各地廣泛應用的精準扶貧系統基本框架和功能如圖3所示.系統主要基于B/S架構或C/S架構開發,數據的存儲和應用通過中央服務器完成,服務器中集聚了大量核心功能.

圖3 精準扶貧系統結構及功能示例Fig.3 Structure diagram of precision poverty alleviation system

在后期的系統開發探索中,可簡化開發及維護流程的中心化結構模式的應用得到了共識.但中心化模式的隱患也存在很多:一是系統的研發維護權限往往集中在獨立運營主體上,管理運營上存在數據失竊的風險;二是以MySQL和Oracle數據庫形式存于中央服務器的數據可能遭受數據管理員的違規處理;三是服務器由單一企業保管維護,網絡安全性不高,對數據資源的保護不利;四是人為更改系統操作日志的概率較高,違規記錄不易追查;五是扶貧金面向困難服務戶的發放記錄不清晰,使用路徑記錄不詳實.因此,積極調整思路,采用去中心化的架構體系對于數據的記錄和源頭保存意義重大.

2.2 基于區塊鏈的精準扶貧云平臺設計需求

2.2.1 技術選型

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

2.2.2 總體設計需求

精準扶貧系統的建立,目的旨在強化扶貧工作從宏觀到微觀的環節落實,增強監控記錄精準度.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址后進入系統,可按不同權限在不同操作頁中工作.為增強安全性,以太坊區塊鏈需要公私鑰識別,工作人員要在區塊鏈中存儲個人以太坊地址,并由個人妥善保管私鑰.區塊鏈還要持續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、社調走訪信息、扶貧措施信息、扶貧資金發放信息等內容.區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.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核心業務流程與職能如圖4所示.

圖4 精準扶貧云平臺系統核心業務流程與職能示例Fig.4 Use case of precision poverty alleviation system

具體的系統應實現的核心功能為:

(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;

(2)設合約創建管理員、系統管理員,由前者管理后者信息以及以太坊地址;

(3)確定區塊鏈身份后,系統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)幫扶干部在系統輔助管理中及時掌握貧困對象情況,添加調研走訪、扶貧動態、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出劃撥的扶貧資金;

(7)系統出現故障或升級維護,合約創建管理員、系統管理員可投票決定系統急停.

3 基于區塊鏈的精準扶貧云平臺設計

3.1 系統開發環境

基于區塊鏈的精準扶貧云平臺系統設計基礎是實現去中心化理念.以尋求開源模式,選定以太坊平臺來完成區塊鏈環境搭建.可將云平臺系統的開發主機配置進行規范,基本的硬件配置應具備16 GB內存、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,內存均為2 GB的虛擬機,系統要求配64位Ubuntu 14.04.1及以上版本,利于搭建以太坊網絡、IPFS去中心化文件系統網絡.其中,虛擬機還可完成以太坊驗證節點的部署,要留好network層、protocol層,用于對精準扶貧大數據的收發解析.

3.2 系統架構

系統設兩層架構:交互層和網絡存儲層,其中交互層設五個基礎功能模塊,用戶交互層中所有的作用機理其實與其他系統的用戶交互層作用一致.網絡存儲層由太坊網絡、IPFS去中心化文件系統網絡構成,以太坊網絡中大量節點經邏輯算法的識別分配后可組建區塊鏈聯盟,實施共識機制保障內部協調,并為系統內出現的各種交易指令的激勵與響應提供驗證或存儲服務.如圖5所示.

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

3.3 交互層模塊設計

交互層模塊是緊扣精準扶貧系統的實際需求而設定,將“賬戶管理”“幫扶工作”“扶貧資金”“貧困戶信息”“系統管理”五個模塊按照對應的需求功能進行細分設計,模塊結構功能如圖6所示.

圖6 模塊功能結構圖Fig.6 Module structure diagram

3.4 用戶接口設計

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

圖7 用戶接口設計圖Fig.7 User interface diagram

不同身份用戶登錄平臺后,Session會記錄個體權限.無論要進入哪個功能模塊,需要接口管理組件和監聽接口組件聯合操作,形成對調用智能合約下所觸發事件的判斷與執行.

3.5 以太坊接口管理

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

以太坊中新區塊的形成要通過監聽組件來完成監聽,這樣有利于交易信息在太坊網絡不同節點中的廣播,交易信息在廣播后組織驗證,并最終流入新區塊,如此可確保新區塊交易要在新區塊的邏輯區域內才能成功完成.若出現不同區塊時間,交易信息沒有得到有效的反饋,系統就會重新向用戶提示重發交易指令.Contract Manager塊子類積極參與底層結構的功能調用,所能調用的功能包括在智能合約引導下的交互交易類函數以及constant函數,后者不會出現函數調用交易費用,僅能發起系統數據查詢激勵.對于以太坊下不同子類與對應合約的交互,要注意在方法邏輯和不同參數方面的統一性,這樣可有效降低對數據交互的影響,避免交互出錯.

4 結語

區塊鏈技術的應用已經成為未來行業研發的重要技術潮流,相應的探索研究力度還會增大.在精準扶貧工作中,使用區塊鏈技術建立的云平臺系統所具有的去中性化、無保留公開、全過程記錄、數據不可篡改、路徑便于追蹤溯源等優勢是顯而易見的.當然,該精準扶貧云平臺系統的設計,需要技術的不斷突破才能更好地更好和維護好系統,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、規范性.