基于区块链的防护物资捐赠监管系统(三)：功能设计

第1章对研究背景及内容进行介绍
第2章智能合约、密码学知识、共识机制等相关技术
第3章系统的整体设计
第4章系统功能的具体实现
第5章系统的实验测试

三、系统设计

4.1区块链网络

系统采用部分去中心化的联盟链，由于需要进行用户发布信息的审核，以及后续的动态维护等操作，因此排除使用公有链的形式，联盟链存在处理速度快、可控性较强的特点，在联盟节点内部达成共识会，即可对区块数据进行修改，并且便于进行相关信息的访问控制；并且由联盟链主节点进行区块链写入操作，能够有效避免恶意节点造成区块链分叉等问题。
联盟节点初步选择为相关公益组织，以及国家相关监管部门等。各节点在首次启动时，会在本地建立存储结构，打开指定服务端口，并向网络中进行广播，确认各联盟节点的状态如系统版本等；随后建立与区块链网络的连接，并寻找主节点完成网络的区块链同步，同步流程如图所示。

在各联盟节点接入区块链网络后，即可开始对区块链的操作环节，系统设计了如下的消息数据包结构：

public class VoteMsg {private byte voteType；//当前投票状态private String order；//消息编号private String hash；//所含区块哈希值private int number；//当前区块高度private String appId；//消息所属节点IDprivate boolean agree；//消息审核状态private Block block；//所含区块
}

为避免出现重复投票的情况，建立包含所有hash的投票集合，存储本节点已确认状态的hash，即本节点已对外广播过允许commit或拒绝commit的消息；为避免出现网络中存在已经达成共识后的数据包，在接受后会首先对其合法性进行校验。共识过程依照上一章介绍的PBFT算法流程：
主节点将block打包为VoteMsg并进行广播，收到VoteMsg的从节点如果还没有收到过这个VoteMsg并且验证合法后，向网络中广播一个prepare<h, d, s>消息，其中h为高度，d为摘要，s为本节点签名；节点收到prepare消息后，将其存入队列并开始累加消息数量，当收到超过2f+1个且来源于不同节点的prepare消息后；当前节点进入prepared状态，并向网络中广播一个commit<h, d, s>消息；直至网络中所有节点达成共识。为防止资源浪费，系统会在收到第一个序号为h的block时，启动一个定时器，在定时到期时一致尚未达成，则放弃本次共识。

4.2物资匹配

物资信息在匹配系统中按照物资类型建立堆栈存储，如图4.2左侧所示先进后出减少物资等待时间如图；需求信息以队列形式存储，如图4.2右侧所示整体以先进后出的顺序排列，但会根据物资分配参数U进行动态排序，参数根据如下函数计算：

其中α≥1,wij=wi*wj，Uij为物资分配参数，wi为物资系数，用于量化医疗物资的重要程度，wj为医院门诊紧急程度，α为所处灾害类型的严重系数，xij为医院j的物资i的需求量，Zi为所有医院对物资i的总需求量，R为距离参数。
当物资需求量不变时，所处灾害类型严重等级越高，α越大，易受损程度越高；某类型物资重要性越大，wi’物资系数的值也越大，表示该物资不能到位时受到的影响越大；医院门诊待诊人员越多，紧急程度越高wj’值也越大；Zi^α起到归一化处理的作用。系统通过区块链读入捐赠物资信息以及物资需求信息，按照其对应存储结构存储；现有队列如图所示时，最近更新一条甲医院1400瓶84消毒液需求，准备进入队列，经计算得出甲物资分配参数远高于所需200瓶的乙医院，因此将甲医院放那入队列首位，优先进行物资匹配。

3.1.2 系统结构

系统采用MVC框架结构，基于不同功能分为3层。
第一层View层负责数据的可视化操作。能够实现数据查询、数据交易、数据评价等功能。
第二层是Controller层，通过网络控制数据流向Model层，并在检测到数据变化时更新View层。这一部分由共识机制PBFT和基于P2P通信的节点服务器组成。如图3.2所示，每个节点既用于数据副本存储，也作为区块链节点；数据副本加密存储在各个节点的数据库当中，而将数据摘要存储在区块链当中，保证数据的不可篡改性和完整性；
第三层是Model层，负责处理数据逻辑的部分。由数据层和存储层组成，每个服务器建立并与维护物资摘要链和流转记录链，具体内容将在存储结构中介绍。

4.3 信誉评估

系统会根据角色、信誉值等限制用户访问，信誉值的计算根据如下公式：

其中R0为初始的信誉值，拟接入信用中国获得初始参数；Gi为指标i分数，由参与此次捐赠活动的双方评判，如实际所收捐赠物资与描述完全相符； Wi为指标权重，可根据系统具体需求设置，如实际捐赠物资与描述不符权重设为-0.4，捐赠物资质量不符合行业标准权重设置为-0.8，捐赠物资数量与描述完全相符设置为+0.7等等；用户行为会被记录在区块链中，用户的信誉值在被调用时会重新计算，因此考虑时间因素，ti为实际时间，tj为用户交易完成时间，完成时间越近对信誉影响越大。
用户的信誉值会影响其操作系统功能的权限，如当信誉值低于操作阈值时，用户仅能参与查询功能，而禁止其进行信息发布等操作，具体流程如图4.3所示。

4.4 活动评价

根据上一章介绍的区块数据结构，每个区块体中都维护了一条动态更新的侧链，如个人信誉、医院信誉、活动进展等信息，以此提升系统的可读性。系统会将用户的行为信息记录在侧链中，用于信誉值的计算；在慈善活动进行媒体通告后，系统能够将相关物资的使用情况写入活动进展，便于监管组织、物资捐赠方等查阅。
侧链同样采用区块链结构，侧链的创世区块由所在区块内容生成，其中包含当前区块其他内容计算所得的Merkel根哈希值，从而实现与纵链的链接，并由创世区块起构建一条完整的链结构。区块动态更新的通过重新广播相应区块的方式实现，每隔一个更新周期，系统会将存在侧链更新内容的区块进行一次广播，同样参照PBFT算法，在超过2f+1节点判定合法通过后，各节点根据接收内容更新区块链。

总结

以上是系统功能的具体设计，接下来会对系统进行测试并最后展示源代码，仅供参考。