孟令奎，王旭覲，張 文

（武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079）

0 引言

為加強河湖管理保護，維護河湖生態(tài)健康，水利部于 2018 年 7 月啟動河湖“清四亂”專項行動，將其作為水利行業(yè)強監(jiān)管的重要標志性工作，對修復(fù)河湖環(huán)境，治理河湖生態(tài)有著非常重要的意義。

對于“四亂”問題，水利部和地方機構(gòu)均建立相應(yīng)的“四亂”問題臺賬，實行問題整改情況動態(tài)跟蹤和銷號管理[1-2]。臺賬數(shù)據(jù)質(zhì)量是“四亂”問題整改成效的重要指標，其真實性關(guān)系到“四亂”問題的整改成敗[3-5]。區(qū)塊鏈（blockchain）作為一種具有不可偽造、全程留痕、可追溯、公開透明等特征的去中心化數(shù)據(jù)庫[6]，于 2020 年 4 月 20 日被國家發(fā)展和改革委員會納入“新基建”的建設(shè)范疇。除了最初應(yīng)用的金融領(lǐng)域外[7-8]，區(qū)塊鏈被廣泛應(yīng)用在物流[9-10]、電力[11-12]、應(yīng)急[13-14]、精準扶貧[15-16]等各個領(lǐng)域，取得了較好的成效。在“水利工程補短板，水利行業(yè)強監(jiān)管”的水利改革發(fā)展總基調(diào)下，區(qū)塊鏈技術(shù)迎來了新的應(yīng)用契機，區(qū)塊鏈技術(shù)可以為落實監(jiān)管政策，強化監(jiān)管成效提供重要支持。

為探索區(qū)塊鏈技術(shù)在河湖“清四亂”專項行動中的應(yīng)用可行性，研究和實現(xiàn)一種基于區(qū)塊鏈智能合約的“四亂”事件存證系統(tǒng)（以下簡稱存證系統(tǒng)），將“四亂”問題從發(fā)現(xiàn)、核實、整改到復(fù)查乃至問責(zé)這一全流程進行不可篡改的存證，并提供對已存證“四亂”事件的查詢和追溯。

1 區(qū)塊鏈和智能合約

1.1 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈是一種伴隨數(shù)字加密貨幣體系的發(fā)展而興起的分布式計算范式，具有去中心化、時序數(shù)據(jù)、可編程、集體維護、安全可信等特點[17]。不同架構(gòu)平臺的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)存在細微差異，但主體大致相同。以比特幣為例闡述的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，這是一種鏈式結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)區(qū)塊（Block）存儲數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)區(qū)塊以鏈條的形式連接起來[18]。

圖 1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)區(qū)塊是一種經(jīng)過加密的塊結(jié)構(gòu)，由魔數(shù)、區(qū)塊大小、區(qū)塊頭、交易計數(shù)器和交易構(gòu)成。魔數(shù)作為區(qū)塊之間的分隔符，一般是常數(shù)0xD9B4BEF9。區(qū)塊大小則表示該字段之后的區(qū)塊大小。區(qū)塊頭一般包含區(qū)塊識別和鏈接相關(guān)的信息，通常情況下，區(qū)塊頭由當前版本號、前一個區(qū)塊的 Hash 值、時間戳、解隨機數(shù)、Merkle 根、難度值構(gòu)成[19]。前一個區(qū)塊的 Hash 值和時間戳能保證區(qū)塊按照時序連接，Merkle 根可以保證數(shù)據(jù)的不可篡改性。Merkle 根是由區(qū)塊中的所有交易經(jīng)過遞歸的分組 Hash 后得到的根 Hash 值。區(qū)塊體主要包括交易相關(guān)的信息，如交易數(shù)量、交易等。交易中包含本次交易的基本信息，如交易發(fā)起方、接受方及區(qū)塊 Hash 等信息。

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，利用自動化腳本編程和操作數(shù)據(jù)的區(qū)塊鏈平臺開始出現(xiàn)并被使用，以太坊就是其中的典型代表[20]。以太坊是一種開源的、實現(xiàn)了智能合約的底層系統(tǒng)，以太坊虛擬機（EVM） 是以太坊的智能合約的運行環(huán)境。作為區(qū)塊鏈 2.0 的以太坊，提供了圖靈完備的腳本語言供用戶創(chuàng)建自定義的智能合約[21]，用戶通過編寫智能合約的形式完成復(fù)雜操作，通過交易的形式對智能合約進行發(fā)布和部署。

1.2 智能合約

智能合約概念的出現(xiàn)遠早于區(qū)塊鏈，最初由密碼學(xué)家 Nick Szabo 在 1994 年提出[22]。它的設(shè)計初衷是通過智能合約和真實世界的資產(chǎn)進行交互，當用戶觸發(fā)智能合約設(shè)定的條件后，相關(guān)的條款會被自動執(zhí)行。智能合約本質(zhì)上也是一種計算機協(xié)議，可以通過計算機進行相關(guān)交易條款的自動處理，避免中介需求，降低意外和惡意情況的發(fā)生[23]。

伴隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，智能合約被賦予了新的內(nèi)涵。廣義上說，智能合約是可以部署在區(qū)塊鏈上的代碼合集，通過主動或被動的形式接受、存儲、處理數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)操作，滿足業(yè)務(wù)需求。和其他區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)一樣，智能合約同樣通過交易的形式進行部署，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳播和節(jié)點之間的驗證后，存儲到數(shù)據(jù)區(qū)塊中，用戶可以在任意時刻通過智能合約提供的接口調(diào)用智能合約，操作數(shù)據(jù)。智能合約的優(yōu)勢使得基于以太坊的 DApp開發(fā)受到各行各業(yè)的青睞[24]。智能合約具有一般區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)所具有的典型特征，如安全性、不可篡改性等。此外，還具有以下優(yōu)點：

1）準確性。這是智能合約能應(yīng)用于區(qū)塊鏈技術(shù)中的關(guān)鍵因素。無論何時，對于相同的輸入總能輸出一樣的結(jié)果。

2）自動化程度高。智能合約在完成自動部署后，只需觸發(fā)智能合約設(shè)定的條件，就能執(zhí)行相關(guān)的智能合約操作，最大程度地提高交易的效率。

3）去人為干預(yù)性。這是智能合約權(quán)威性和真實性的保證。當智能合約以交易的形式完成部署后，智能合約條款的執(zhí)行不再需要人為干預(yù)。

4）實時性。智能合約的調(diào)用和相關(guān)條款的執(zhí)行是實時的，無需人為干預(yù)和中介介入，用戶可以在任意時間調(diào)用部署過的智能合約。

2 存證系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1 需求分析

結(jié)合河湖“清四亂”整改專項行動從問題發(fā)現(xiàn)到整改完成的完整流程，存證系統(tǒng)至少應(yīng)滿足以下3 個方面的功能需求：

1）“四亂”事件提交和存證的需求。區(qū)塊鏈作為一種輔助手段校驗“四亂”問題臺賬的真實性，最基本的需求就是對“四亂”事件進行有效存儲。對于授權(quán)的用戶，可以發(fā)布“四亂”事件的相關(guān)信息，而這些信息將會被存儲到區(qū)塊鏈上。對于相同的事件，可以對其在“四亂”問題巡查、詳查、核查和復(fù)查的不同階段數(shù)據(jù)進行存儲。由于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的公開透明性和不可篡改性，若存儲在區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)和問題臺賬中一致，則證明問題臺賬的真實性。

2）“四亂”事件查詢需求。查詢是“四亂”事件的基本需求。用戶可以對發(fā)布和上鏈的“四亂”事件進行查詢，除了可以查詢到“四亂”事件的基本信息外，還可以查詢到存儲該“四亂”數(shù)據(jù)的區(qū)塊、交易信息，以及“查、認、改、罰”等措施的執(zhí)行情況。

3）“四亂”事件追溯需求。“四亂”事件的追溯屬于查詢的延伸，用戶可以根據(jù)“四亂”事件的唯一編碼對該事件進行追溯查詢。由于每個“四亂”事件被賦予了唯一編碼，保證了從事件的發(fā)布到整改完成這一全流程的透明性和真實性，對落實責(zé)任機制，提高問題整改質(zhì)量和效率有積極意義。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 總體框架設(shè)計

存證系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)“四亂”事件的存儲、查詢和追溯。存證系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖 2 所示，存證系統(tǒng)自下向上可分為以下 4 個邏輯層：1）存儲層。存儲層主要為以太坊的數(shù)據(jù)存儲模塊，用到以太坊的底層數(shù)據(jù)庫和輔助數(shù)據(jù)庫 MySQL，輔助數(shù)據(jù)庫主要用于存儲用戶的相關(guān)信息。2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層為以太坊網(wǎng)絡(luò)，用于節(jié)點間的通信。3）業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層實現(xiàn)存證系統(tǒng)的主要功能，實現(xiàn)“四亂”信息的上鏈、查詢和追溯功能。4）顯示層。顯示層為相關(guān)業(yè)務(wù)對應(yīng)的可視化界面，如信息上鏈、發(fā)布查詢等界面。

圖 2 存證系統(tǒng)的總體框架圖

2.2.2 模塊化設(shè)計

根據(jù)存證系統(tǒng)總體框架的業(yè)務(wù)功能，存證系統(tǒng)可以分為 3 個模塊，具體設(shè)計如表 1 所示。

表 1 存證系統(tǒng)的模塊設(shè)計

為滿足“四亂”事件的查詢和追溯需求，對于每個事件，在進行事件提交和存證時需賦予其唯一的事件 ID，便于后續(xù)的“四亂”事件查詢和追溯。事件的 ID 生成方法需用到“四亂”事件的發(fā)生地點、主要責(zé)任人、事件記錄人員和類型幾個字段，將這些字段進行拼接后用 MD5 編碼，即可獲得“四亂”事件的唯一編碼。

2.2.3 智能合約設(shè)計

存證系統(tǒng)的 3 個模塊功能的實現(xiàn)皆依托于智能合約，可使用運行在以太坊 EVM 上的圖靈完備的高級編程語言 Solidity 編寫“四亂”事件的信息處理智能合約，在智能合約中實現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯，最后通過智能合約調(diào)用實現(xiàn)對應(yīng)功能。

在智能合約中，通過 struct 結(jié)構(gòu)實例化每個“四亂”事件，struct 的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括事件的發(fā)生時間和地點、主要責(zé)任人、記錄人員、簡要描述、問題類型、巡查類型。對于“四亂”事件集合的存儲，采用 mapping 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。mapping 的 key 為“四亂”事件的唯一編碼，即事件 ID。由于存證系統(tǒng)提供了對“四亂”事件處理流程中信息的存證功能，因此，同一個事件 ID 會對應(yīng)著多個“四亂”事件記錄。mapping 的 Value 為“四亂”事件的集合，定義為mapping(string=＞Case[ ])public caseLists。智能合約中 3 個模塊的主要實現(xiàn)流程如下：

1）事件提交和存證模塊的實現(xiàn)流程?！八膩y”事件提交和存證模塊的實現(xiàn)流程如圖 3 所示，在調(diào)用智能合約中的提交和存證函數(shù)后，需要判斷調(diào)用者是否具備事件的存證權(quán)限。若具備權(quán)限，則須遍歷事件集合以防止重復(fù)提交相同的事件記錄；若該事件未提交過，則實例化后即可存證，最后以交易的形式將事件存儲到區(qū)塊鏈上。

圖 3 “四亂”事件提交和存證模塊的實現(xiàn)流程

2）事件查詢模塊的實現(xiàn)流程?！八膩y”事件查詢模塊實現(xiàn)流程如圖 4 所示，首先從提交的事件記錄中獲取想要具體查詢的事件的交易 Hash，最后根據(jù)交易 Hash 獲取事件的具體信息，包括事件和區(qū)塊等信息。查詢過程以區(qū)塊鏈交易的形式完成。

圖 4 “四亂”事件查詢模塊的實現(xiàn)流程

3）事件追溯模塊的實現(xiàn)流程。“四亂”事件追溯模塊的實現(xiàn)流程如圖 5 所示，在調(diào)用智能合約中的追溯函數(shù)后，根據(jù)需要追溯事件的 ID 查詢與該事件相關(guān)的所有記錄。若事件存在，則須遍歷該事件的所有記錄集合并將結(jié)果返回。追溯的過程同樣以區(qū)塊鏈交易的形式完成。

圖 5 “四亂”事件追溯模塊的實現(xiàn)流程

3 存證系統(tǒng)部署

3.1 存證系統(tǒng)環(huán)境配置

存證系統(tǒng)是基于以太坊技術(shù)開發(fā)的 Java Web 應(yīng)用，開發(fā)框架為 Springboot，表 2 和 3 給出了存證系統(tǒng)的環(huán)境配置。

表 2 存證系統(tǒng)的硬件環(huán)境

表 3 存證系統(tǒng)的軟件環(huán)境

3.2 以太坊私鏈構(gòu)建

以太坊私鏈的構(gòu)建是存證系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有搭建好合適的私鏈，相關(guān)的“四亂”事件才能得到有效的存儲和查詢。私鏈的構(gòu)建過程主要分初始化創(chuàng)世區(qū)塊和啟動私鏈 2 個步驟。在初始化創(chuàng)世區(qū)塊之前，需要對創(chuàng)世區(qū)塊的參數(shù)進行配置，主要包括私鏈 ID、挖礦難度、gas 的限制等。完成參數(shù)配置后，使用geth--datadirdata/init genesis.json命令初始化創(chuàng)世區(qū)塊。在完成創(chuàng)世區(qū)塊初始化后，即可啟動私鏈，啟動命令為nohup geth--datadir data/--networkid15 --rpc--rpcapi db, eth,net,web3,personal,miner--rpcport8545 2＞output.log&。

3.3 智能合約部署

智能合約的部署是后續(xù)與其進行交互的條件，主要分為智能合約的編譯和部署 2 個部分，使用 truffle簡化編譯和部署過程。在部署智能合約之前，需要對 truffle 進行配置，truffle 的參數(shù)配置文件為 truffleconfig.js，主要對端口號、部署的網(wǎng)絡(luò) ID、消耗的gas 限制、solidity 編譯器版本等參數(shù)進行配置，在完成對 truffle 的配置后，即可對智能合約進行編譯和部署，命令為 truffle migrate。該命令會先對智能合約進行編譯，編譯生成后綴為 sol 的智能合約文件，待編譯完成后對 sol 文件執(zhí)行部署命令。

4 存證系統(tǒng)測試

存證系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能為“四亂”事件的提交和存證、查詢及追溯。采用黑盒測試方式分別針對這 3 個模塊進行測試，通過測試驗證系統(tǒng)的可用性、頁面和數(shù)據(jù)的正確性。在測試中使用的數(shù)據(jù)皆為模擬的“四亂”事件數(shù)據(jù)。具體測試如下：

1）“四亂”事件提交和存證模塊測試。該模塊提供對“四亂”事件的提交和存證功能，測試信息如表 4 所示。

2）“四亂”事件查詢模塊測試。該模塊提供對“四亂”事件的查詢功能，測試信息如表 5 所示。

3）“四亂”事件追溯模塊測試。該模塊提供對“四亂”事件的追溯功能，測試信息如表 6 所示。

5 結(jié)語

本研究基于區(qū)塊鏈 2.0 以太坊技術(shù)，針對“清四亂”專項運動中對“四亂”問題事件的存證需求，設(shè)計了合適的智能合約，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了“四亂”事件存證系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明：存證系統(tǒng)可以有效地將“四亂”事件存儲到區(qū)塊鏈上，確保事件記錄的真實性和透明性，能滿足“四亂”違規(guī)事件的存證需求。同時，對于已經(jīng)上鏈的違規(guī)事件，可以獲取具體的事件描述和區(qū)塊等信息，并對其整改流程進行完整的查詢和追溯，為落實監(jiān)管程序、評估監(jiān)管成效提供了數(shù)據(jù)支撐。本存證系統(tǒng)是區(qū)塊鏈技術(shù)在水利行業(yè)監(jiān)管領(lǐng)域的探索性應(yīng)用，可以將其作為校驗手段保證“四亂”問題臺賬的真實性，為水利綜合監(jiān)管平臺的建設(shè)提供支持。限于區(qū)塊鏈技術(shù)的存儲限制和技術(shù)特點，目前本系統(tǒng)只提供對事件描述信息的存證，如何實現(xiàn)對違規(guī)事件的現(xiàn)場圖像、視頻等記錄的存證將會是下一步的研究重點。

表 4 “四亂”事件提交和存證模塊的測試信息

表 5 “四亂”事件查詢模塊的測試信息

表 6 “四亂”事件追溯模塊的測試信息