基于聯盟鏈和IPFS的教育公益捐贈方案與平臺設計

趙鵬 趙偉

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.006

收稿日期：2023-06-05

摘? 要：針對當前教育公益捐贈監管不力、資金流向不透明和信任危機等問題，提出一種基于聯盟鏈和星際文件系統（InterPlanetary File System， IPFS）的教育公益捐贈方案，區塊鏈的去中心化、數據不可篡改、交易透明等特點為該方案奠定了基礎。首先，對該方案的應用模式進行了說明；其次，闡述了基于該方案的平臺架構分層設計以及平臺運行原理，以及數據加密處理、數據存儲和捐贈溯源等關鍵技術；最后，基于該平臺進行捐贈、溯源的可行性分析。分析結果表明，該平臺性能更安全，吞吐量更高，溯源更高效。

關鍵詞：聯盟鏈；IPFS；教育公益；溯源

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）02-0021-07

Education Public Welfare Donation Scheme and Platform Design Based on

Alliance Chain and IPFS

ZHAO Peng， ZHAO Wei

（Taiyuan Normal University， Jinzhong? 030619， China）

Abstract： An education public welfare donation scheme based on alliance chain and InterPlanetary File System （IPFS） is proposed to address the current issues of inadequate supervision of education public welfare donations， opaque fund flow， and trust crisis. The decentralization， immutability of data， and transparency of transactions of blockchain have laid the foundation for this scheme. Firstly， the application mode of the scheme is explained; secondly， the platform architecture layered design based on this scheme and platform operation principle are elaborated， as well as key technologies such as data encryption processing， data storage， and donation traceability; finally， feasibility analysis of donation and traceability is carried out based on this platform. The analysis results indicate that the platform has safer performance， higher throughput， and more efficient traceability.

Keywords： alliance chain; IPFS; education public welfare; traceability

0? 引? 言

近年來，隨著互聯網+教育公益事業的不斷發展，各種教育公益活動逐漸轉向便捷的線上模式[1]。盡管這種方式為熱心公益的社會人士提供了極大的便利，但隨著公益活動的增多，真假難辨的問題也愈發嚴重。不法分子利用這一弊端牟利，導致教育公益事業陷入了尷尬境地?？偨Y起來，主要存在以下問題：公益活動真實性缺乏可信度；公益善款物資流向不明確，缺乏透明性；有關監管力度不夠[2]；公益活動流程煩瑣，效率低。針對以上問題，本文結合聯盟鏈和星際文件系統（IPFS）提出了一種新的教育公益應用模式。

1? 相關工作

1.1? 聯盟區塊鏈

區塊鏈[3]是一種去中心化的、可追溯的、安全的分布式數據庫技術。它基于密碼學[4]技術，通過將交易記錄按照時間順序鏈接在一起形成一個不可篡改的“區塊鏈”來實現數據的存儲和交換。該技術使得數據可以被多個參與者共同維護和更新，而無須中央機構的干預。區塊鏈技術的最早應用是比特幣[5]，它被用于實現比特幣的交易記錄和交易驗證。如今，區塊鏈技術已經被廣泛應用于金融、醫療、供應鏈管理、版權保護等領域。它的主要優點包括去中心化、安全可靠、透明性高、防篡改等特點?；趨^塊鏈的這些特性，教育公益活動的每一筆交易都存入鏈中，一旦更改了鏈中的交易，整個鏈的Hash也隨之更改，從而保證了公益活動信息的不可篡改，鏈上的交易數據用戶可以隨時查看，保證了公益活動的公開透明。

聯盟鏈是由一組機構或組織創建的區塊鏈網絡，這些機構或組織通過協議來共同管理和維護這個區塊鏈。與公有鏈不同，聯盟鏈只對特定的參與者開放，而不是對任何人都開放，這意味著只有被授權的成員才能夠參與到聯盟鏈的驗證和交易中。

聯盟鏈與私有鏈的不同之處在于，它的參與者不僅僅是同一組織內的成員，而是多個組織之間的合作伙伴。這些組織通常是由類似于銀行、保險公司、制造商、物流公司等實體組成，他們共同利用區塊鏈技術來解決特定的業務問題。因此，聯盟鏈可以看作是企業間（B2B）交易的一種形式。

聯盟鏈在安全性方面相對于公有鏈更具有優勢。在公有鏈中，參與者可以是任何人，這意味著它們更容易受到網絡攻擊的威脅。相反，聯盟鏈只對授權的參與者開放，降低了安全威脅的風險。因此，本文選用Fabric聯盟鏈作為區塊鏈網絡環境，提升公益活動中的交易性能，減少惡意節點的加入。

1.2? IPFS介紹

IPFS使用一個內容尋址的方式來唯一標識文件，這意味著文件的地址取決于其內容，而不是它們存儲的位置。這種機制使得IPFS可以高效地存儲和傳輸文件，并且可以通過多個節點進行分布式存儲和傳輸。因此，IPFS具有較高的可靠性和冗余性，即使某些節點不可用，文件仍然可以被找到和檢索到。IPFS還支持分片和加密文件，使文件更安全，并能夠在互聯網上進行可信的共享和存儲。利用IPFS的這些特性，可以將教育公益活動的交易數據加密安全的存入IPFS中，減小區塊鏈網絡環境的負載壓力。

1.3? 研究現狀

近年來，隨著區塊鏈技術的不斷發展，其應用擴展到了教育、醫療、農業以及公益慈善等領域。李中振等[6]以區塊鏈技術、智能合約在智慧校園中的應用為切入點，提出并設計了一種去中心化的學籍信息管理方案，同時基于Fabric框架開發了一個學籍管理系統原型。袁昊男等[7]針對患者病歷數據存儲不安全、跨域可信共享難、訪問周期長等問題，設計并實現了基于Fabric聯盟鏈的電子病歷跨鏈可信共享系統。柳祺祺等[8]從區塊鏈的理論研究出發，分析了國內現有農產品溯源方案的特征與不足；結合區塊鏈技術和農產品溯源的各自特點，提出了構建基于Fabric的農產品質量溯源系統。

對于公益活動中存在的一系列問題，學者們進行了大量的研究。李琪等[9]利用區塊鏈技術搭建了慈善應用平臺，并對其進行了性能測試。但所搭建的系統中，善款只能在慈善機構規定的機構使用，以避免受助人濫用善款。但是在現實生活中，受助人在獲得善款以后只能在特定的組織機構使用顯然不太合理。Farooq等[10]提出一個透明、安全、可審計和高效的系統，該系統中引入了CharityCoin（CC）作為數字貨幣，引入的代幣極易引入攻擊者攻擊系統，竊取利益。Rashid[11]等設計了一個基于區塊鏈技術的教育公益平臺，旨在支持非營利組織進行教育項目的資金籌集和管理。該平臺使用聯盟鏈技術保證透明性和安全性，并通過智能合約實現資金管理和分配。Almaghrabi[12]等提出了一個基于區塊鏈的捐贈溯源框架。但系統采用的是公鏈以太坊，隨著節點數目的增大，共識效率低，因此只能適用于小規模的場景。這些研究給區塊鏈在教育公益領域的應用提供了啟示，本文利用聯盟鏈和IPFS技術提出一種新的教育公益應用模式與平臺。本文方案保證了公益活動的真實性，資金流動的透明性以及資金捐贈的可追溯性。

2? 基于聯盟鏈和IPFS的公益捐贈方案

2.1? 基于聯盟鏈和IPFS的公益捐贈方案

基于聯盟鏈和IPFS技術，本文提出了區塊鏈碼鏈在教育公益捐贈領域的一種應用方案[13]，如圖1所示。在該場景下，求助學生可以和社會愛心人士直接進行公益活動，不需要公益組織的信用作為背書。在捐贈方案中，有兩種捐贈模式，一種是直接進行資金捐贈，另一種是物資捐贈，捐贈的物資需要到學校兌換機構中兌換。平臺中加入監管人員，可以公益平臺中的交易進行監管，防止惡意人員惡意集資。

該平臺的使用流程圖如圖2所示：1）用戶注冊與登錄：首先，當新的用戶進入平臺時，需要填寫身份信息進行注冊，如果是社會愛心人士不需要身份驗證，如果是求助學生則需要進行學生身份驗證。注冊成功之后跳轉登錄進行其他操作。2）社會愛心人士操作流程：愛心人士登錄平臺之后，瀏覽學生發布的籌款申請，選擇一個心儀的進行捐贈，如果沒有找到合適的項目，愛心人士還可以直接捐贈給平臺中的用戶，或者直接捐贈給學校賬戶，由該學校支配該善款。3）求助學生操作流程：學生成功登錄之后，可以根據自己的情況進行求助申請，學生可以隨時查看自己的賬戶余額，當收到物資捐贈時，學生可以憑借物資兌換碼去線下兌換。4）監管人員操作流程：監管人員對平臺中的交易進行監管。5）學校管理人員操作流程：首先對學生身份核查，然后對學生申請的籌資項目審核，審核通過方可對其進行發布。

2.2? 基于聯盟鏈和IPFS的公益捐贈平臺的設計

基于上述方案，本文設計了一個教育公益捐贈平臺，該平臺在一定程度上解決了教育公益捐贈領域存在的問題，如缺乏完整的信息披露、捐贈項目審批流程煩瑣、捐贈不透明，等等。本平臺的架構如圖3所示，主要包括5個模塊：區塊鏈模塊、SDK接口模塊、智能合約模塊、應用模塊和用戶模塊。

區塊鏈模塊運用了聯盟鏈穩定版本Fabric 2.2.1，為整個平臺提供區塊鏈網絡環境，存儲功能。在此模塊中包含了數據層、網絡層和共識層。在數據層中，區塊鏈節點負責存儲區塊鏈系統數據，IPFS星際文件系統負責存儲平臺交易數據。網絡層為整個區塊鏈系統提供了通信基礎，主要包括P2P網絡，網絡中的傳播機制和驗證機制。

在接口模塊中使用Hyperledger官方提供的Fabric-SDK-Go接口與Fabric網絡進行交互和通信。作為區塊鏈網絡和客戶端的橋梁，客戶端通過Fabric-SDK-Go接口加入和管理區塊鏈網絡。

智能合約模塊指的是圖中的合約層，在Fabric聯盟鏈中，智能合約也被稱為鏈碼，是用go語言編寫的一段代碼塊。是一種在區塊鏈中廣泛應用的自動化合約，可以執行和驗證合約中的條款和條件。

應用模塊是提供給客戶端調用區塊鏈的一些功能，比如籌款申請、組織發布籌款項目、社會愛心人士進行社會捐贈、信息披露和捐款明細，等等。

用戶模塊是整個平臺的參與者，包括捐贈者、學生、學校組織和監管人員。

3? 原理及關鍵技術實現

圖4展示了該平臺的運作原理。本平臺采用Hyperledger Fabrci作為底層技術。用戶作為客戶端節點加入區塊鏈中，每一筆交易都在區塊鏈上進行，交易相關信息全部被記錄，為了增強區塊鏈的整體性能，用戶數據和鏈上產生的交易數據都存入星際聯盟系統中，防止數據泄露，本文通過RSA算法對數據進行加密存儲，加密后的密文存入IPFS系統中，在分布式的IPFS網絡中，用戶瀏覽到的是加密數據，從而在一定程度上保護了用戶的隱私。

3.1? 數據加密

本平臺使用當下主流的加密算法RSA對用戶的上鏈信息和交易數據進行加密處理[14]。在現實生活中，用戶不希望自己的信息和捐贈受贈信息泄露。因此本文提出將用戶個人數據以及交易數據加密存入星際文件系統，雖然IPFS所用人都可以訪問，但是經過加密處理之后看到的只是密文數據，從而在一定程度上保護了用戶的隱私。

RSA是一種非對稱加密算法，由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman于1977年提出。它是目前廣泛應用于加密和數字簽名領域的一種重要算法。非對稱加密算法的主要特點是使用一對密鑰：公鑰（public key）和私鑰（private key）。公鑰用于加密，私鑰用于解密，具體的加解密過程如下。

3.1.1? 密鑰生成

1）選擇兩個大質數p和q，這兩個質數需要足夠大以保證加密的安全性。2）計算n = p×q。n被稱為模數，用于后續的加密和解密過程。3）計算歐拉函數φ（n） = （ p-1）×（q-1）。4）選擇一個整數e，使得1＜e＜φ（n），且e與φ（n）互質。e被稱為加密指數。

5）計算d，使得d×e ≡ 1（mod φ（n））。d被稱為解密指

數。6）公鑰為（PU，n），其中PU為加密指數e。私鑰為（PR，n），其中PR為解密指數d。

3.1.2? 加密過程

將明文用戶數據或者捐贈數據M轉換為整數m，其中0≤m＜n。通常，可以用一種字符編碼方案（如ASCII或UTF-8）將明文消息轉換為整數。

使用公鑰（PU，n）對m進行加密：c ≡ m^e（mod n）。計算得到的c是密文。

3.1.3? 解密過程

使用私鑰（PR，n）對密文c進行解密：m ≡ c^d（mod n）。計算得到的m是明文的整數表示。

將整數m轉換回明文消息M。通常，可以用一種字符編碼方案（如ASCII）將整數轉換回明文消息。

3.2? 數據存儲

本平臺使用星際文件系統（IPFS）存儲用戶的信息及捐贈交易信息[15]。在傳統的區塊鏈中，一個區塊大小為1 MB，如果只是處理捐贈交易大約能處理4 000筆交易，但在本平臺中區塊鏈還存儲其他數據，因此處理的交易數量會大打折扣。因此本文提出將用戶上鏈數據以及捐贈交易數據存入IPFS中，區塊鏈中存儲IPFS對應的Hash值，從而降低了區塊鏈的存儲壓力，具體的存儲過程如下：

1）文件處理：用戶需要存儲的文件將被分割成多個數據塊。這些數據塊會被加密，并對每個數據塊生成一個唯一的哈希值。2）數據分發：這些加密的數據塊會被分布式地存儲在IPFS網絡中的多個節點上。每個節點存儲了文件的一部分，整個文件由這些數據塊在IPFS網絡中的分布來表示。3）存儲證明：為了確保數據的完整性和可用性，存儲節點需要向區塊鏈網絡提供存儲證明。這是通過一個稱為“存儲證明”的機制實現的，它要求存儲節點定期提交證明，表明它們仍然存儲著相應的數據塊。4）檢索：用戶需要訪問文件時，會發送一個包含文件哈希值的請求。IPFS網絡會根據這個哈希值查找存儲了相應數據塊的節點，并從這些節點中獲取文件的所有部分。然后，這些數據塊會被解密并組合成原始文件。

部分代碼如下：

1）加密存入IPFS：

//數據加密

ipfsHash， err ：= sh.Add（strings.NewReader（b64ciphertext））

2）Hash上鏈：

compositeKey， err ：= ctx.GetStub（）.CreateCompositeKey

（"user"， []string{username}）

ctx.GetStub（）.PutState（compositeKey， []byte（ipfsHash））

3.3? 捐贈及溯源

在本平臺中，捐贈分為物品捐贈和金錢捐贈，物品捐贈需要憑借兌換碼線下學校兌換機構兌換，金錢捐贈可以直接發到受贈學生賬戶中。學生想要獲取幫助，首先需要申請一個求助項目，填寫相關信息，待審核通過后發布。具體的申請表如表1所示。

如圖5所示，求助申請已經成功上傳到區塊鏈網絡。

溯源是本平臺最重要的功能，捐贈者隨時可以查看自己捐贈的項目，查看具體的捐贈記錄。傳統的溯源成本通常比較高，周期長，而且在防偽成本也比較高。在本方案中，捐贈溯源變得尤為簡便，只要輸入溯源碼便可查詢每一筆捐贈交易信息。捐贈溯源智能合約部分代碼如下：

func（s*SmartContract）GetDonationsHistory

（ctxcontracta-pi.TransactionContextInterface.

ID string） （[]DonationRecord， error） {

resultsIterator， err ：= ctx.GetStub（）.GetHistoryForKey（ID）

results ：= make（[]DonationRecord， 0）

for resultsIterator.HasNext（） {

if queryResponse ：=esultsIterator.Next（）{

res ：= DonationRecord{}

res.ID = queryResponse.TxId

res.Value=string（queryResponse.Value）

res.Times=time.Unix（queryResponse.Timestamp.Seconds， 0）.Format（"2006-01-02 15：04：05"）

results = append（results， res）

}}

return results， nil

}

溯源部分結果如表2所示。輸入捐贈者溯源碼標識“馬易”和受贈者溯源標識“Lucy”，可以看到馬云和Lucy的賬戶余額在具體的時間發生的變化，每一筆捐贈記錄都被記錄在區塊鏈中。

4? 優勢分析

4.1? 與傳統教育公益對比分析

信息披露完整。在傳統的教育公益捐贈體系中，缺乏相對完整的信息披露，捐贈者往往很難找到相關捐贈信息，難以抉擇對象去進行捐贈。在本平臺中，每一筆捐贈信息都記錄在平臺中，捐贈者可以輕松獲取，分析合適的學術進行捐贈。

捐贈信息透明。傳統的教育公益捐贈通常是在線下舉辦，捐贈的金額物資公示期短，查詢困難高。在該方案中，區塊鏈上的每一筆交易記錄在存入鏈中，鏈中信息永不過時，用戶可以隨時查詢捐贈信息，捐贈者有更高的參與度。

籌款流程簡化。在傳統的公益籌款活動中，籌款流程煩瑣，完成一次籌款項目需要多個部門的審批，消耗時間周期長。在該方案中，籌款項目申請、審核、發布和打款都是通過智能合約自動化完成，從而簡化了籌款過程。

4.2? 與現有公益平臺對比分析

數據更安全。在傳統的公益捐贈平臺中，數據都是存入傳統的集中式數據庫中，這種傳統的中心化數據庫，權力集中在個人手中，數據易被掌權者篡改。在該方案中，數據存入區塊鏈中，數據一旦被修改，就會被鏈上的其他用戶知道，從而一定程度上保護了數據的安全性。

較高的吞吐量。在本方案中引入了分布式數據庫IPFS存儲，用戶數據和捐贈交易數據都存入IPFS中，區塊鏈中只是存儲較小的Hash值，因此在一個區塊長能存能多的交易，從擴展了區塊鏈存儲能力。

5? 性能分析

5.1? 平臺功能測試

本系統是在Ubuntu 20.04操作系統下設計的，并在該系統下搭建Hyperledger fabric區塊鏈網絡環境、Caliper測試環境、區塊鏈瀏覽器環境。Caliper用來測試系統的延遲和吞吐量，區塊鏈瀏覽器可以實時觀察網絡中的交易，區塊鏈節點。具體系統配置如表3所示。對平臺主要功能測試結果如表4所示。通過表4的測試結果，可以看出通過本方案的平臺是可行的。

5.2? 安全性分析

1）身份管理。本方案中的Hyperledger Fabric使用成員服務提供商（MSP）來管理參與網絡的各個實體的身份。MSP為每個網絡成員提供了一套證書，這些證書可以用來簽名交易和區塊，從而確保參與者的身份可驗證且受信任。從而在一定程度上阻止了惡意用戶的加入。2）通道數據私有。Hyperledger Fabric提供了一種名為通道的隔離機制，允許不同組織之間的交易和數據存儲進行隔離。每個通道都有獨立的賬本，只有被授權加入通道的組織才能訪問相關信息。這有助于保護商業機密和隱私數據。3）智能合約安全。Hyperledger Fabric的智能合約被稱為鏈碼，運行在一個隔離的容器中，避免了潛在的安全漏洞。此外，Fabric通過背書策略來確保交易的正確性和完整性。背書策略定義了哪些組織需要簽名以驗證交易。這有助于確保交易在鏈上達成共識之前得到充分驗證。4）無代幣化。在傳統的區塊鏈中都引入了代幣作為獎勵機制，惡意組織為了獲取代幣，惡意攻擊區塊鏈網絡。在本方案中，未引入代幣，從而在一定程度上防止了惡意攻擊。

5.3? 吞吐量分析

吞吐量是指單位時間內處理的交易數目。本實驗中將交易數作為實驗變量，交易數依次遞增。測試使用和不使用IPFS區塊鏈網絡的吞吐量。實驗結果如圖6所示。實驗表面，加入IPFS之后，隨著交易量的增大，區塊鏈的吞吐量得到明顯的提升，平臺的整體性能得到了提升。

6? 結? 論

針對當前教育公益模式種存在的問題，例如公益活動造假、資金流向模糊、公益項目審批流程復雜以及信息不透明等。本文探索了將教育公益與區塊鏈結合的方法，并提出了將教育公益與區塊鏈相結合的應用方案。通過使用Hyperledger Fabric與IPFS構建了一個教育公益平臺。同時進行了安全性分析和性能測試比較。實驗結果表明加入IPFS之后區塊鏈性能得到了提升。在本平臺中，公益捐贈活動可以一對一地進行，無須第三方作為信用背書，資金轉賬由智能合約自動執行，簡化了煩瑣的審批流程，從而一定程度上提高了公益效率。

區塊鏈技術目前教育公益領域并沒有得到廣泛的應用，一方面是因為區塊鏈技術沒有得到足夠的普及，另一方面是因為公益活動是一個特殊的活動，它既需要道德的約束，也需要法律的監管，在與區塊鏈結合的路上任重而道遠。

參考文獻：

[1] LI F，ZHANG Y L，TAN C D，et al. Integration of Environmental Public Welfare Projects and Internet Platforms： Survey of Environmental Public Welfare Organizations [C]//2019 IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management （IEEM）.Macao：IEEE，2019：769-773.

[2] YADAV S P，AGRAWAL K K，BHATI B S，et al. Blockchain-Based Cryptocurrency Regulation： An Overview [J].Computational Economics，2022，59（4）：1659-1675.

[3] BHUTTA M N M，KHWAJA A A，NADEEM A，et al. A Survey on Blockchain Technology： Evolution，Architecture and Security [J].IEEE Access，2021，9：61048-61073.

[4] RAIKWAR M，GLIGOROSKI D，KRALEVSKA K. SoK of Used Cryptography in Blockchain [J].IEEE Access，2019，7：148550-148575.

[5] SQUAREPANTS S. Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System [J/OL].SSRN Electronic Journal，2008[2023-05-06].https：//doi.org/10.2139/ssrn.3977007.

[6] 李中振，高超越，劉敏，等.基于區塊鏈技術的學籍管理系統 [J].四川大學學報：自然科學版，2019，56（3）：450-456.

[7] 袁昊男，王瑞錦，鄭博文，等.基于Fabric的電子病歷跨鏈可信共享系統設計與實現 [J].計算機科學，2022，49（S1）：490-495+638.

[8] 柳祺祺，夏春萍.基于區塊鏈技術的農產品質量溯源系統構建 [J].高技術通訊，2019，29（3）：240-248.

[9] 李琪，李勍，朱建明，等.基于區塊鏈技術的慈善應用模式與平臺 [J].計算機應用，2017，37（S2）：287-292.

[10] FAROOQ M S，KHAN M，ABID A. A framework to make charity collection transparent and auditable using blockchain technology [J/OL].Computers & Electrical Engineering，2020，83：106588[2023-05-06].https：//doi.org/10.1016/j.compeleceng.

2020.106588.

[11] RASHID M A，DEO K，PRASAD D，et al. TEduChain： a blockchain-based platform for crowdfunding tertiary education [J/OL].The Knowledge Engineering Review，2020，35[2023-05-02].https：//doi.org/10.1017/S0269888920000326.

[12] ALMAGHRABI A，ALHOGAIL A. Blockchain-based donations traceability framework [J].Journal of King Saud University-Computer and Information Sciences，2022，34（10）：9442-9454.

[13] HSU C S，TU S F，HUANG Z J. Design of an E-Voucher System for Supporting Social Welfare Using Blockchain Technology [J/OL].Sustainability，2020，12（8）：3362[2023-05-02].https：//doi.org/10.3390/su12083362.

[14] SHAND M，VUILLEMIN J. Fast implementations of RSA cryptography [C]//Proceedings of IEEE 11th Symposium on Computer Arithmetic.Windsor：IEEE，1993：252-259.

[15] 劉文選，趙金東.基于Hyperledger Fabric與星際文件系統相結合的數據存儲框架 [J].鄭州大學學報：理學版，2023，55（1）：28-34.

作者簡介：趙鵬（1973—），男，漢族，山西太原人，教授，博士，主要研究方向：軟件工程、大數據、區塊鏈；趙偉（1999—），男，漢族，貴州畢節人，碩士研究生在讀，主要研究方向：區塊鏈技術、共識算法。