关键词： 区块链   电子投票   去中心化   智能合约   以太坊  

摘要： 随着互联网与通信技术的发展,电子投票逐渐得到社会的重视和应用。电子投票可以解决传统人工投票方式需要在地理空间上集中的难题。然而,由于传统电子投票系统普遍采用中心化的管理方式,其投票数据集中存储和管理,投票者可能会产生信任危机。而区块链具有去中心化和数据公开透明的特点,可以解决当前电子投票系统中的问题,使投票过程公开透明,增强投票结果的可信性。因此,研究基于区块链的电子投票技术具有现实意义。本论文主要研究基于区块链的电子投票技术的机制、设计与实现。针对当前主流区块链平台不直接适用电子投票的问题,研究了面向电子投票的区块结构,利用区块链的公共账本特性,将选票数据处理作为本方案的信任操作;基于现有共识机制,结合电子投票的应用需求,提出了面向电子投票的链结构以及投票数据公开透明的验证方案;针对区块链中难以验证用户身份真实性的问题,基于非对称加密和数字签名技术,提出了区块链网络用户身份真实性验证的方法;设计了一种基于以太坊的投票权认定方法,避免重复投票;利用以太坊智能合约触发自动执行的特性,将管理投票流程和自动计票的业务逻辑以代码的形式写入智能合约,设计了能够实现自动计票的智能合约,提高投票结果的可信度;结合以上研究内容,设计和实现了基于以太坊平台的仿真实现方案。本文在以太坊区块链平台上搭建了私有链,模拟真实场景进行仿真实验,对系统进行了功能测试和性能测试。测试结果表明,本文设计的基于区块链的电子投票系统具备良好的性能,能够满足用户的使用需求,证明了所提出的投票方案的正确性和可行性。

关键词： 行李追踪   联盟链   隐私保护   智能合约   RFID  

摘要： “十四五”规划提出,预计在十四五末,我国的民航旅客及行李运输规模都将踏入新阶段,而根据中国民用航空局单月消费者投诉情况显示,旅客行李服务投诉在投诉类型中排名第三,占11.63%,存在许多问题。现有行李信息化和处理系统现状和存在问题有以下几方面:首先行李追踪所获得的数据一般存储于中心化数据库,一旦中心点服务器出现问题将导致全网崩溃,并且处理纠纷时也面临数据篡改问题。其次实时追踪的不同部门之间的没有完善的数据共享机制和平台,存在信息孤岛。再次现有数据共享方式是粗粒度的,旅客信息向整体业务链公开,不能保护数据隐私。另外区块链不能存储图像,制约了行李追踪服务的进一步发展。最后行李数据的产生和传输将达到空前规模,对实时追踪系统的可扩展性提出了很高要求。一方面,针对传统集中式数据库过于中心化以及信息孤岛问题,第一,设计了基于RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)和区块链的实时行李追踪系统方案,利用区块链的不可篡改、可溯源性特性,实现行李实时处理信息自动存入区块链,不仅保证行李数据的安全存储,而且增加行李追踪流程的不可篡改性。第二,设计多环节自动上链程序,该程序在值机、安检、分拣、装机、装车、到达这六个行李追踪基本环节上,自动获取行李追踪信息并存入区块链,利用了RFID自动、远距离识别的特点,避免了数据记录差错,降低人工成本、提高机场作业自动化水平。第三,利用区块链去信任化的特点,设计基于联盟链的数据共享平台,加强不同机场间的合作,并且开发自动化智能合约,实现对行李数据管理、共享控制管理等功能,不但避免了信息孤岛,而且便利了信息共享。另一方面,针对隐私行李数据保护和区块链系统扩展性不足的问题,设计了基于区块链-边缘架构的隐私保护架构。第一,在存储扩展性方面,设计了基于IPFS(Inter Planetary File System,星际文件系统)与ABE(Attribute-Base Encryption,属性基加密)的边缘存储系统。实现“链下存储,链上索引”,解决区块链存储规模有限的问题。第二,在隐私保护方面,采用多通道设计使得不同业务加入不同通道,实现粗粒度隐私保护;设计基于区块链与ABE算法的访问控制机制,避免恶意的数据窃取,保护个人隐私,实现细粒度数据保护。第三,在性能扩展性方面,将实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)协议进行简化为CS-PBFT(PBFT consensus based on credit score),针对联盟链的授权访问特性以及行李追踪的业务场景,通过简化后的一致性协议降低节点间的通信量,同时通过节点信用积分机制剔除系统中故障节点,来提高系统长期运行效率。最后,对于本文开发的基于区块链的行李追踪系统进行了测试,开发了软硬件原型系统,对RFID系统数据获取、CP-ABE加解密、边缘存储系统、数据上链、智能合约数据共享与管理等功能进行了验证,保证了系统的可重现性,并验证设计是否能满足实际业务需要。测试表明,所研究的系统可以保证行李数据的安全性,并可实时更新行李追踪数据,提高行李处理自动化水平,在加强不同机场间的数据安全共享的同时,有效保护旅客隐私。

关键词： 区块链   版权管理   去中心化   以太坊   智能合约  

摘要： 随着互联网和信息技术的快速发展,自媒体作品等数字化作品由于易传播、易复制的特性导致侵权现象频发。因此,需要对数字化作品的版权保护进行研究。传统的数字版权管理方式大多采用中心化管理模式,这种方式存在确权的周期长、数据存储的安全性低等问题。区块链技术具有去中心化、不可篡改、可溯源的特点,为实现自媒体版权的可信管理提供了一种解决思路。本文研究了基于区块链的自媒体版权管理,提出了一种基于区块链的自媒体版权管理的解决方案。本文工作如下:（1）提出了基于区块链的自媒体版权管理的模型,包括版权管理的参与方、版权管理信息的可信标识和版权管理的数据模型。在版权管理的参与方身份真实的前提下,为了保证版权管理过程中的版权登记和版权查询这两个操作是可信的,设计了版权登记信息和版权查询信息的可信标识。参考比特币的区块结构设计了版权管理的交易结构和区块结构,分析了版权管理的数据存储过程。（2）提出了基于区块链的自媒体版权管理的真实性验证机制。数据存储到区块链之前为了保证生成的版权登记信息和版权查询信息是真实的,设计了版权登记的真实性验证算法和版权查询的真实性验证算法,实现了版权管理信息的真实性验证。（3）提出了基于区块链的自媒体作品的相似度检测机制。现有的基于区块链的数字版权管理方案使用哈希算法计算自媒体作品整体的哈希值作为唯一的特征值,无法保证自媒体作品内容的原创性。以文本和图片的自媒体作品为例,将文本的相似度检测算法和图片的相似度检测算法应用到基于区块链的自媒体版权管理。相似度检测机制可以保证自媒体作品的原创性,通过检测后调用智能合约中的方法实现版权登记信息的数据存储。为了验证提出的解决方案,仿真实现了一个基于区块链的版权管理系统。仿真系统中设计并实现了版权管理的智能合约,设计并实现了版权管理的各个功能,对仿真系统进行了仿真实验与测试,测试结果说明了该方案具有可行性。

关键词： 区块链   联邦学习   数据共享   物联网   智能合约  

摘要： 随着云计算、大数据、区块链、物联网和人工智能技术的快速发展，物联网中接入大量智能设备，产生的数据数量成指数增长。但是，由于物联网节点之间缺乏信任，无法建立可信的协作机制，海量的物联网数据形成了数据孤岛。同时，物联网设备存在资源局限性，阻碍了数据的共享，致使数据的潜在经济价值难以实现。　　为了有效利用物联网中大规模数据，挖掘数据潜在价值，打破物联网设备之间形成的数据壁垒，需要安全高效的数据共享机制。现有的大多数数据共享和存储机制采用中心服务器，中心化服务器在进行数据共享和存储的过程中，存在数据泄露、数据滥用等问题，甚至面临单点故障的风险。大规模的数据共享又会面临共享数据质量低、参与者不积极等问题，需要一种安全的方式实现数据的存储和共享，并提升参与者的共享积极性，确保数据共享可以持续、高效。　　为解决上述问题，本文对数据共享相关文献进行调研，结合联邦学习和区块链技术，提出了基于区块链和联邦学习的数据共享机制，旨在打破数据孤岛，实现安全的数据存储和持续高质量的数据共享，发挥数据的潜在价值。本文的研究内容和创新点简述如下：　　(1)针对物联网节点本身的资源限制，存储空间有限，计算能力不强，在实际运用过程中存在隐私数据泄露严重，设备身份认证兼容性低、设备间权限模糊等信息安全隐患问题，提出了基于区块链和IPFS的数据安全存储机制。具体来说，首先，面对物联网节点存储能力不足的问题，选择使用IPFS代替云存储进行链下存储，从根本上解决了第三方服务器存在的安全与隐私问题，提高了数据安全性及可信性，避免了中心存储服务器出现单点故障的问题。其次，提出了数据先加密再存储，保护数据在存储过程中的安全，即使有非法人员得到存储数据，也无法解密获得其具体内容。最后，设计了基于智能合约的身份认证机制，构建可信的数据存储环境，便于审计和查询数据。　　(2)针对联邦学习的参与节点来自不同的物联网网络，彼此之间缺少信任，在实际应用中难以在缺乏互信的场景下建立安全可靠的共享机制的问题，提出了基于区块链和联邦学习的数据共享模型。具体来说，首先，提出了基于区块链和联邦学习的数据共享框架，构建可信参与机制，消除第三方带来的影响。其次，通过联邦学习，对原始数据进行处理，只将运算结果存储在区块链中，从而减少区块链的存储资源开销，提高效率。最后，通过智能合约对共享数据进行监测，避免恶意参与者提供虚假参数破坏结果。并且参与者参与数据共享之前，需要在区块链上进行身份注册，一旦发现恶意节点可追责，实现了可审计性。　　(3)针对如何衡量各数据共享的参与方对联邦做出的贡献，如何公平的分享模型产生的收益，以及如何辨别诚实参与者和惩罚恶意参与者的问题，提出了基于区块链和联邦学习的数据共享激励机制来确保收益在参与者之间公平分配。具体来说，首先，提出了基于区块链和联邦学习的数据共享收益模型，在区块链中进行交易，确保每一笔交易都可监管。其次，设计了信誉积分机制，对参与者计算信誉积分，保障参与者诚实的进行共享。最后，提出了基于Shaply值的公平激励机制，本着多付出多收获的原则分配收益，提高参与数据共享的积极性。

关键词： 智能合约   保理融资   区块链   流程优化  

摘要： 保理融资业务作为应收账款转让的融资方式,与国内赊销的商业大环境完全吻合,已经成为国内开展范围最广、最成熟的供应链金融业务模式之一。但是在保理融资业务实际开展中,长期存在应收账款确权困难、业务审核尽调流程繁琐、融资结算违约等问题,商业银行(保理商)不仅要承担业务风险,还要为此付出高昂的成本,使得业务开展积极性不高,效率低下。不仅制约了银行端保理融资业务的发展,而且使得贸易链条中的中小企业难以快速获取融资。区块链具有去中心化、可追溯、数据不可篡改的特性,可以为保理融资业务建立可信的交易环境。区块链智能合约技术则可以取代传统合约,实现业务流程自动化和智能化,解决确权困难、流程繁琐、结算违约等问题,为供应链保理融资业务在我国的良性开展提供了契机。本文以新保理融资模式构建为主要切入点。以商业银行L为研究对象,就L银行开展保理融资业务的现状展开调研,分析了其保理融资业务模式和存在的问题,应用区块链关键技术及智能合约相关机制,以商业银行为视角提出了基于区块链的保理融资智能合约的设计方案。依托Fabric区块链开发平台,设计监管机构、卖方、买方及银行四个节点,搭建起供应链保理融资业务主体联盟链系统,对现有业务模式的不同环节进行了重塑,通过Go语言进行保理融资智能合约的开发,并完成了功能测试,实现了一个基于区块链智能合约的保理融资业务场景。在智能合约构建过程中,充分研究了实际保理融资业务中的业务需求,设计并加入了保理融资策略模型,考虑了不同业务参与主体下,银行承担的融资风险与资金成本的衡量,通过选取融资指标,实现融资利率分级,为银行端开展业务提供了差异化的融资方案。本文达到了保理融资业务智能合约的设计总体目标,为当前保理融资业务的痛点难点提出了一种新的解决思路。将严重依赖人工的确权、审核、结算等业务数字化处理,确保在预设的规则和条件达成后,自动进行业务判定,实现了保理融资业务流程自动化执行,降低了交易及合约执行成本与风险,提高了业务效率。同时作为智能合约应用在传统供应链金融领域的一次探索,为政府和企业未来实施、应用和研究智能合约提供了参考。

关键词： 电力交易   电力体制改革   区块链   半去中心化   共识机制   智能合约  

摘要： 当前中国电力交易市场由于垄断存在诸多问题,本文为响应中国电力体制的改革,结合中心化系统的稳定性和去中心化系统的数据安全透明性,设计并实现了半去中心化电力交易系统,解决了当前电力交易的主要问题,包括交易垄断、信息不透明、余电难上网和资源配置不合理。本文的主要工作包括: (1)提出半去中心化电力交易系统的设计方案。通过需求分析,在设计方案当中,系统按角色分为电网公司用户、发电企业用户和用电企业用户3类;按架构主要设计为数据层、网络层、共识层、应用层和合约层共5个层面;按功能主要包括系统功能、智能合约功能、共识验算功能和财务功能。电网公司作为中心节点相当于“平台服务商”,主要负责电力交易的匹配和执行;其他发电或用电用户作为普通节点相当于“卖家和买家”,除上报交易数据,也可以参与验算中心节点发布的区块。 (2)完成半去中心化电力交易系统主要层面的代码开发。系统在本地成功并稳定地运行了数据层、共识层和应用层的功能。在数据层完成了区块链数据库,并通过广播实现全部节点的数据同步。在共识层完成了权益验算机制,普通节点可对中心节点发布的区块进行验算并提出质疑。应用层完成了在2个发电用户、2个用电用户和4条输电线路的情况下的交易结果匹配。 (3)完成半去中心化电力交易系统主要性能的测试。在安全测试、TPS性能测试、压力测试和备用节点功能测试中,系统全部通过测试,测试结果符合预期。 综上所述,本文对当前电力交易市场的问题和电力体制改革的需求进行了深入分析,详细设计并实现了半去中心化电力交易系统,测试结果表明该系统是可行的,功能表现符合设计方案的预期。

关键词： 区块链   电力网络   级联故障   智能合约   混合式P2P拓扑  

摘要： 近几十年来,电力网络发展迅速,随着风电、光伏等可再生能源的大规模地接入电网,电力设备地域分布分散,电网的结构也越来越复杂。传统的中心化结构通信效率低、优化决策时间长,难以保证分布式电源实时运行,而且分布式能源的出力波动性强,中心服务器制定决策的时效性无法保障。一旦网络中的某个节点发生故障,未能及时控制则可能会造成连锁故障,危及到电力系统的稳定性和安全性。如何保证电网稳定运行,并且在遭受到攻击时不会发生大规模级联故障一直是各国科学家和电力工作者重点关注的问题。传统的电力系统分析方法对于结构日益错综复杂的大电网分析存在局限性,给研究带来了很大的不便,需要寻求新的有效方法对电网进行评估。区块链技术具有去中心化、开放实时性、安全性、不可篡改、可追溯等显著优点,是国内外信息安全领域研究的热点,因此将区块链技术应用于电网的级联故障研究及故障溯源中对电网的故障恢复及电网的安全稳定运行具有重要意义。 本文基于区块链技术与复杂网络理论,结合电网拓扑特性和电气特性对电网的级联故障和故障后溯源进行了深入研究。具体研究工作如下: 1.基于区块链技术的节点多层次容量的负荷再分配策略。应用区块链技术与复杂网络理论,建立电力系统的负载容量模型,结合区块链特性对电网的级联故障进行研究。通过攻击最高负载节点引发电网级联故障,利用以太坊提供的智能合约技术,建立区块链私有链,将合约部署到私有链中,实现将故障节点的负荷实时分配给其他正常节点,并研究容量参数、负荷分配参数对负荷分配与网络鲁棒性的影响。实验表明,智能合约可实现故障恢复的自动化和智能化,通过调节负荷分配参数与容量分配参数可使网络达到期望的效果,有效防止级联故障的传播,提高负荷分配效率与智能合约的运行效率。 2.基于区块链的级联故障溯源研究。区块链中的信息可通过区块的特定标志进行查找,故障的完整传递路径能够被清晰地记录和追溯,因此利用区块链实时记录故障信息,以区块的时间戳作为溯源的特征量,采用蚁群算法对电网故障区域进行溯源,通过调整信息素浓度及其他参数将故障区域的溯源问题转化为最优路径的求取问题,并与传统的广度优先搜索策略进行对比。最后通过算例仿真验证了所提算法的有效性。 3.基于区块链的点对点电力信息相互依存网络的级联故障研究。通过对电网进行社团划分,根据电网和信息网对应分层分区建设的现状和实际耦合关系划分信息网社团,选取信息网中每个社团介数最大的点和度数最大的点进行全连接,构建基于区块链的混合式P2P结构的电力信息相互依存网络模型,结合区块链的共识机制分析该模型的优势,利用高度数攻击与高介数攻击这两种攻击策略研究所提出的相互依存网络的鲁棒性,并与完全分散式的P2P电力信息网和传统的集中式控制的电力信息网进行对比。研究结果表明,本文所提的电力信息相互依存网络模型能够有效减少PBFT算法的通信开销和共识时延、节约建立通信网的经济成本;在进行蓄意攻击时,该模型具有更强的鲁棒性;经过对比分析,在同种电力信息网中,系统在高度数攻击方式下表现出更强的脆弱性。

关键词： 区块链   水产品交易   溯源   IPFS   智能合约  

摘要： 水产养殖业在我国农业经济社会发展中占有重要地位,水产养殖规模和产量也在逐年扩大。在目前的水产品交易中,数据多采用中心化的存储方式。在这种模式下,数据容易被篡改、共享能力低且追溯困难。当出现水产品质量安全问题时,无法根据订单信息进行水产品养殖信息的有效追溯。除此之外,交易数据对于养殖厂的经济效益和整个水产品供应链的良性运转也有着重要作用。区块链技术具有去中心化、数据公开透明、不可篡改和信息可追溯的特性,为实现水产品交易数据存储和可信溯源提供了技术支持。将区块链技术应用到水产品交易溯源模型中,数据存储后不能被篡改,并且可以根据交易流程快速跟踪、准确定位交易方,精准追溯水产品养殖信息、交易信息和流通信息,确保信息的透明性和共享性。解决了传统水产品交易数据存储中存在的中心化问题之后,将区块链技术直接应用于水产品交易数据存储中也会存在问题。当产生的数据量较大时,如果将这些数据直接存储在区块链网络上,会给区块链存储容量造成压力。因此,本文对数据存储模型进行优化,将原始数据存储在星际文件系统(Inter Planetary File System,IPFS)中,区块链网络中只存储IPFS的地址Hash。主要研究内容如下:(1)在现有联盟链平台的基础上,提出了一种基于Hyper Ledger Fabric的水产品交易溯源系统模型。通过水产品交易流程分析,提出基于IPFS的数据存储模型,设计系统模型的逻辑架构。(2)针对大文件可能会增加区块链链上存储压力的问题,本文提出将区块链和分布式文件系统IPFS相结合的双存储模式设计。IPFS中保存完整的原始数据,而区块链中只需要存储IPFS文件的地址Hash,从而可以有效的降低Fabric区块链上的数据存储压力,加快数据查找效率。(3)针对数据的隐私安全性问题,提出了系统的访问权限控制方案。一方面在Fabric网络中进行多通道划分,保证通道之间的数据隔离,用户只能访问通道内的数据。另一方面采用AES加密算法对IPFS文件地址Hash进行加密以后再上传至区块链网络中存储,使得IPFS地址明文不能被直接获取,保证了水产品交易数据的安全性。(4)在Hyper Ledger Fabric平台上实现该系统模型。根据模型中的组织节点数搭建和部署区块链网络环境,对共识算法和Fabric系统交易流程做了详细介绍。根据业务需求进行智能合约开发实现模型中各个模块的功能,以自动执行系统的逻辑实现溯源数据的信息化管理,并且设计系统界面最终实现整个水产品交易溯源系统。最后对系统的功能进行测试满足设计需求,使用Hyper Ledger项目中的测试框架Caliper对性能进行测试,系统吞吐量可达到预期设计目标。本文从水产品交易流程出发,提出了一种基于区块链的水产品交易溯源模型,同时结合分布式文件系统IPFS对数据存储进行优化。基于联盟链平台Hyperledger Fabric实现了该系统的模型,设计系统访问权限控制方案,提出适用于该系统的智能合约,保证水产品交易数据的安全可靠存储。

关键词： 区块链   银行信用体系   神经网络   共识算法   智能合约  

摘要： 银行客户信用是社会信用系统的重要组成部分,科学准确的客户信用评级有助于减少银行不良贷款,促进银行利润良性增长。然而,一方面,传统中心化存储环境下银行个体客户信用评级存在着单点失效、高耗时和易篡改等问题,另一方面,现有基于区块链的银行客户信用评级存在着系统吞吐量和评价不够精确等问题,构建更加安全有效的银行个体客户信用评级势在必行。针对上述问题,本文采用区块链技术来实现银行个体客户信用评级,采用区块链来存储用户的信用数据,并利用神经网络模型优化银行个体客户的信用等级评定指标。完成的主要工作如下:(1)设计了基于信用的区块链共识算法,利用信用积分奖励制度激励区块链中的节点积极参与系统的良性行为,利用信用惩罚机制限制节点的恶意行为,信用共识增大了区块链系统的吞吐量,提高了客户信用数据上链存储的效率;(2)提出了基于BP神经网络的信用等级评定算法,设计了银行客户信用评级指标体系,并构建了基于人工智能的信用评级模型,利用BP神经网络的学习和反馈机制优化客户信用评级指标,使得评级结果更加科学准确;(3)设计了基于智能合约的信用数据管理策略,将客户信用数据的查询和修改等操作设计为智能合约,提升了数据管理的智能化和效率。设计与实现了基于区块链的银行个人客户信用评级原型系统,并利用银行个人客户真实信用数据对系统的功能和性能进行了测试,测试结果证明了所提出方法的正确性和有效性。图60幅,表9个,参考文献63篇。

关键词： 区块链   Hyperledger Fabric   电力交易   智能合约  

摘要： 随着我国化学工业的蓬勃发展,现代化工园区发展成为国家和区域经济的主导和支柱,由于化工园区供电主要以煤电为主,给国家“碳达峰、碳中和”目标的实现造成压力。为实现国家双碳和能源转型目标,急需将新能源电力注入化工企业,达到清洁化工目的。当前新能源发电分布广、其能源结构呈现无中心化、并网难等特点,将会使交易机构运营成本升高,同时无法保证市场成员的隐私安全问题,亟需引入适应新能源特点的交易模式。 区块链技术的问世,以其去中心化、可追溯、不可篡改、构建信任等特点在各个领域得到应用。通过海量智能电表终端构成一个天然的网络拓扑结构,区块链技术正好为其提供安全、高效、可信的解决途径。 本文采用Hyperledger Fabric技术,设计一种区块链的新能源电力交易系统,实现智能电表设备安全管控、可信电量交易存储,为采集终端与电力交易的安全可信提供有效解决方案,论文的主要研究和工作内容如下: 首先,对区块链技术底层的智能合约、共识机制等深入了解,对当前主流的区块链技术架构进行分析对比,采用Hyperledger Fabric联盟链作为网络架构,通过Fabric的智能合约技术,实现电力交易系统的自动化和智能化,自主设计区块链网络,将智能合约部署到区块链网络中,借助区块链去中心、数据不可篡改和可追溯的特点,使电力数据的存储更加安全,电力交易更加可信,电力调度更加透明。 其次,通过对电力数据采集终端,进行了硬件设计和软件设计,硬件采用STM32芯片+电力采集模块+以太网模块设计,其中采集模块与STM32之间基于MODBUS-RTU通讯协议,电力采集数据经过STM32处理后,通过MQTT协议通讯传递给区块链网络,为电力交易提供安全可靠的凭证。同时设计基于VUE前端框架搭建可视化用户交互平台,为新能源用户构建智能电表数据查询和电力交易可视化平台,方便售电用户与化工企业购电用户实时的查询电力信息。发电用户通过交易平台发布售电信息,购电用户通过平台选择进行相应的购电操作。另一方面,管理员对用户进行管控操作包括:用户的用电权限、发电权限、实时查询用户交易信息,实现电力调度管理。 本文最终设计并实现了一套基于Hyperledger的化工园区新能源电力交易系统,本系统为区块链技术在电力领域的应用做出了尝试。