基于区块链的投票系统的设计与实现

周华 李嶒

摘 要：近年来，区块链已成为一种新兴的应用技术手段，其凭借去中心化、不可篡改、匿名性、安全可靠等特点，能够有效保障数据信息安全，这也使其在公共领域具有巨大的应用价值。本文对区块链技术进行了简要的分析，并以在线投票系统为开发对象，利用以太坊技术，探析基于区块链的投票系统的设计与实现。通过区块链技术的运用，可实现匿名、安全投票，进而在有效避免欺诈行为的同时，也能使投票结果得以公开、透明。

关键词：区块链；投票系统；系统设计；智能合约

中图分类号：TP309；TP311.13 文献标识码：A 文章编号：2095-9052（2020）07-0088-02

基金项目：2019年安徽高校自然科学研究项目“基于以太坊的身份认证系统研究与实现”阶段性成果之一（KJ2019A1172）

在现有的货币体系中，比特币是一个典型的成功案例，而比特币之所以能够取得成功，其关键在于其底层技术的区块链，这也使人们对区块链变得越来越重视。在数据库技术方案中，通过区块链可使其实现去信任化、去中心化。区块链具备集体维护、不可篡改、匿名以及安全可靠等主要特点，通过对区块链进行分类，以其参与方式来看，可将其划分成三类：第一类是联盟区块链，第二类是公开区块链，第三类是私有区块链。对于联盟区块链来说，其规则是联盟进行制定的，而且只有联盟成员能够参与到区块链中。对于公开区块链来说，能够省略用户的注册与授权环节，使用户能够随时访问该区块链。对于私有区块链而言，其往往属于私有组织的内部，通常是由私有组织自行建立的。区块链技术的出现，能够有效解决现有投票系统中存在的安全性较差问题，将其运用于投票系统的设计与实现中，这样能够使投票结果变得公开、透明的同时，还能有效防止信息篡改或欺诈行为的出现。

一、区块链的技术分析

区块链中的链式结构是区块所组成的，在各个区块中均是由其头部与区块体所组成。其中，上一区块中的哈希散列被包含在下一区块头部之中，除了哈希散列以外，还具有相应的随机数、Merkle树根节点信息和时间戳信息，其中，随机数属于挖矿机制，该随机数直接决定了节点对区块记账权的获得方式。而在区块中的区块体部分，则能够对交易数量及详情进行记录，其记录方式为Merkle方式，从而确保各笔交易之间的完整性。以应用范围来对区块链进行分析，其架构中包括1.0、2.0与3.0的区块链，数字货币采用比特币来进行表示，即1.0区块链，该区块链的密码学货币在应用领域上涉及转账、汇款等，并以虚拟货币的形式来实现，其灵活性较好，不过只能在部分场景中进行应用[1]。而2.0区块链则是在1.0区块的基础逐渐形成的，其以智能合约为其核心概念，在市场中，区块链相当于一个具备编程功能的信用基础设施，并且其应用范围足以对一个去中心化的市场进行支撑。而对于3.0区块链而言，其已经超越了以往的经济、货币及市场的一种应用形势，通过该区块链可对人力资产及物理资源进行高效分配，从而使各个行业的应用在3.0区块链的支持下得到广泛应用。在2.0区块链中，智能合约相当于计算机协议，其与程序内的ifthen语句较为类似，在达到预定条件时，能够对合约内的条款进行自动触发执行，通过智能合约的部署，可具备自我验证与执行功能，并且在此过程中不会受到人為干预的影响。在区块链技术中，以太坊属于一种图灵完备且具有开放性的平台，其通过以太坊脚本来提供丰富API，能够对编程语言进行构建与发布应用，计算机用户能通过该平台来实现对所需智能合约的编写。本文主要分析了通过以太坊技术的运用来实现对投票系统的设计。

二、基于区块链的投票系统设计与实现

在基于区块链的投票系统设计与实现中，通过Ubuntu 16.04.3 LTS系统来对相应的开发环境进行搭建，以此实现对以太坊平台的运用。

（一）Node.js

在对网络应用进行搭建时，为了使其更易于搭建，同时考虑到其响应速度与扩展性，本文采用Node.js来实现，Node.js是ChromeV8引警中的一种JavaScript运行环境，在对其进行安装时，还要对npm，即开源库进行自动安装，以实现对开源库中代码的共享和复用。在安装Node.js时，其主要包括两种安装方式，分别是通过apt命令来进行安装和通过Github来对Node.js源码进行下载编译后进行安装。本文主要是采用第二种方法来实现对Node.js的安装。

（二）以太坊平台

在以太坊技术平台中，通过运行平台中的DApp程序能够支持ETH（以太币），在以太坊平台中具有两个类型的网络，分别是TestNet测试网络与生产环境网络，其中生产网络能够在网络环境中对智能合约进行布署，所有人均可对网络环境中的智能合约进行调用，不过作为调用的代价，则需对以太币进行消耗。不过，该网络的运行速度比较慢，在测试、开发过程中不适宜采用该网络[2]。而对于TestNet测试网络来说，其主要有Rinkeby与Ropsten等，在以太坊开发中将测试网作为其专门的网络环境，在测试网络中对智能合约进行执行同样需要一定的以太币，不过，相对于生产网络来说，测试网络中所消耗的以太币是并不具备价值的，而且其和生产网络一样在运行速度上较慢，节点同步时间消耗较长。除了上述两种网络，还有一种是私有网络，该私有网络是通过以太坊客户端来进行建立的，由于私有网络中只有很少的节点，这使其有较快的运行速度，而对于用户而言，也可根据实际需求来对以太坊平台进行任意的创建和销毁，从而使智能合约在开发与测试过程中变得更加便利。

在以太坊客户端，其Geth的实现是采用Go语言来进行编写的，当然也可通过C++语言来进行编写，对于pyethereum则是采用python语言来进行编写，ethereumj则是采用java语言来进行编写。在以太坊中，更适宜采用Geth客户端，Geth客户端的应用范围也是最广的，通过Geth客户端来对私有网络进行生成，然后对以太币进行快速获取，通过dev命令能够对开发者模式进行启用，以便于对POA共识进行使用。在本地中部署以太坊私有网络，而对智能合约的执行只能通过内部节点来实现。除了上述以太坊网络的建立方法以外，还可对Ganache进行使用，其作为一种本地节点工具，能够在区块链中定制对应的智能合约，但其与Geth不同的是，其只是对以太坊环境进行本地模拟，在使用Ganache时会对10个测试账户进行自动化创建，并且这些测试账户均拥有100个以太币。Ganache的工作模式包括命令行与图形化两种，其中可采用“sudo npm installg gangache cli”命令来安装命令工具，而对于图形化工具则可进行下载安装。在开发测试过程中，Ganache的便捷性更好，因此在本文中便是采用Ganache工作模式来建立以太坊网络的。

（三）Truffle

在以太坊中，Truffle作为以太坊网络中用于对编程语言进行开发的一种框架，其包含了二进制管理、编译智能合约等功能，通过Truffle能够使DApp的部署、发布与测试变得更加方便。在对truffle进行安装完毕后，便可生成项目文件，在此过程中需要对“truffle unbox Ballot”命令进行运行，以便于对项目的目录结构进行创建。智能合约被存储于contracts文件夹内，以便于更好地部署智能合约，并对比较特殊的智能合约进行跟踪。在DApp前端页面文件中则被存储于src文件夹之中，在测试智能合约时所采用的用例则被存储于test文件夹内[3]。

（四）智能合约

在编写智能合约时，可借助于以太坊中的编程语言来实现，编程语言主要有四种，一种是Solidity，另一种是Serpent，还有两种是LLL与Mutan，在本文中对投票系统的智能合约进行编写时则是通过Solidity语言来实现的。在编写智能合约完毕后，还要确保对程序代码进行编译，以便于支持太坊真拟机的运行。在编译过程中，需要应用到“truffle compile”命令，在编译完毕后可发现一个新出现的Build文件，通过对编译后的智能合约在区块链中进行布署，便可在Ganache中看到区块链中的新增区块[4]。

（五）页面的交互性设计

用戶在对智能合约进行调用时需要应用到Web.js，对界面UI进行编写，以便于用户能够和智能合约进行交互。在以太坊中，Web3.js相当于其所提供的Javascript库，在Web3.js中能够对JSON RPCAPI进行封装，并且其所具备的Javascript对象及函数能够实现用户和区块链之间的交互，例如，对网络状态进行查看、对交译进行发送、对智能合约进行调用、对交易与区块进行查看等，尤其是以API在智能合约交互中最为关键。在src文件夹下还包含有DApp应用的前端代码。

三、基于区块链投票系统的验证

在运行以太坊平台中的DApp应用时需要对以太币进行消耗，因此其专门程序需要具备账户管理功能，以便于对以太币进行转账和存储。对于一般的浏览器而言，其自身是不具备钱包功能的，在对DApp应用进行运行时，可采用以太坊平台中的Mist这一专用浏鉴器，或是将Chrome浏鉴器中对MetaMask插件进行安装后来使用，该插件是以太坊中的钱包插件。在本文中应用第二种方法来进行账户管理，通过对npm run dev进行运行，便于用户能够通过Chrome浏览器在DApp应用上进行访问与投票，经过验证结果表明，将区块链技术应用到投票系统的设计中，能够有效确保投票结果的公正性和准确性，而且能够有效防止投票结果被篡改。

四、结语

总而言之，我国目前对区块链技术的应用尚处于初期阶段，但其技术优势却是显而易见的，将其应用到投票系统中，能够更好地保障投票结果的权威性、公正性和准确性，并且有效避免了人为因素的干预，由此也说明，区块链技术的应用潜力还有很大的挖掘空间。

参考文献：

[1]党京，孙弋.基于区块链的电子投票系统关键技术的实现[J].软件，2018，39（11）：140-144.

[2]张昕伟，等.基于区块链的电子投票选举系统研究分析[J].电子技术应用，2017，43（11）：132-135.

[3]马昂，等.区块链技术基础及应用研究综述[J].信息安全研究，2017，3（11）：968-980.

[4]董友康，等.基于联盟区块链的董事会电子投票系统[J].网络与信息安全学报，2017，3（12）：17-23.

（责任编辑：林丽华）