基于区块链的慈善捐助系统设计与分析

赵 霞，林天华，王素贞

(河北经贸大学 信息技术学院，河北 石家庄 050061)

0 引言

慈善、公益事业的公开透明尤为重要。现有慈善捐助管理系统能够做到对捐赠信息的接收和发放进行公示，缺乏过程跟踪及资金追溯机制，没有实现信息的完全公开和透明。区块链技术具有公开透明和可追溯的机制，被认为是能够有效解决上述问题的工具。

事实上，自区块链诞生之日起，其在慈善捐助系统的应用就一直在进行。文献[1]使用比特币进行慈善捐助，建立了线下的慈善模型。文献[2-4]采用以太坊和智能合约解决善款的追溯问题。在产业界有也有一些典型案例，比如Aidchain项目基于以太坊平台开发，GiveTrack基于比特币平台开发。在英国，国际关怀组织、乐施会、救助儿童会等捐款机构组成的Start Network与创业公司Disberse合作区块链项目，降低捐款在银行费用、汇率、货币价格波动等因素中的损失，提高资金使用效率和速率，跟踪资金使用情况。但是，上述应用均是采用的公链结构，由于节点数目和共识机制的限制，这些应用都属于小规模应用。

国内相关学者很早就将慈善系统作为区块链的重要研究领域。在学术界，赵丹青论述了基于区块链的互联网公益平台的开发过程，重点论述了比特币的特点以及公益系统的应用层开发[5]。何飞等论述了智能合约在慈善捐助系统的使用情况[6]。李琪、朱建明等采用布比区块链搭建了慈善应用平台，并对其进行了性能测试[7]。文献[8]介绍了蚂蚁区块链平台应用于慈善公益的技术架构及特点。在产业界，蚂蚁金服区块链是比较早的应用产品，在健康保险、金融服务等方面都有小规模应用。

整个慈善链中，涉及捐助人、慈善机构、受捐人、社会公众、监管部门等多个角色，考虑不同角色关注的数据不同，仅仅体现捐赠信息和受助信息是不够的。而上述研究大多强调捐助人和受捐人，无法体现捐赠过程的全面信息。

本文首先厘清区块链与去中心化的关系，明确了慈善捐助系统应采用多中心的联盟链。而后，从供求关系分析了区块链对慈善机构的作用机理，给出了基于区块链的慈善系统的系统架构和运行机制，解决慈善业务全程上链、数据完全公开透明的问题。

1 区块链的发展趋势

1.1 区块链与比特币

2008年，中本聪发表《一种点对点的电子货币系统》[9]，2009年比特币问世。比特币是一种数字货币，是密码朋克运动爱好者为了实现不需要中央机构就可以发行货币、支付、保持使用者匿名、交易无法被篡改等目标而发行的虚拟货币。所以比特币天生就是革命性的，旨在颠覆现实中货币的运行模式。

区块链与比特币不同，区块链是比特币的底层技术。区块链属于技术集成创新，是点对点网络、非对称加密算法、分布式系统、共识机制等技术的综合。在10余年的发展过程中，区块链吸引了大批的研究者，其技术架构已经从区块链1.0(比特币)、区块链2.0(以太坊)发展到以Hyperledger为代表的3.0时代。

1.2 区块链向多中心方向发展

首先阐释区块链和中心的关系。中心，从不同的维度可以有不同的定义方法。在国家治理结构中，政府是中心。在金融生活中，银行是中心。在线支付中，支付宝、微信等是中心。在数据存储中，唯一的存储节点是中心。中心化的结构与系统在存储效率、格式统一方面具有优势，但是存在数据容易造假、个人隐私容易泄露等问题。所谓去中心，就是要通过技术、商业模式的创新，去掉前述的中心。

在区块链的应用中，不是以颠覆现有系统为出发点，而是从解决现有系统存在的问题出发，成为现有系统的优化或补充，这从区块链的类型上可以看出。

一般来说，区块链的类型包括公有链、联盟链和私有链。其中，公有链是去中心化的，各个节点可以自由加入和退出的网络，并参加链上数据的读写，每个节点既是服务端，又是客户端。私有链是弱中心化的，适用于单位内部使用，各个节点的写入权限均是内部控制，而读取权限可有选择性地对外开放。联盟链介于公有链和私有链之间，是多中心化的，一般是若干利益相关的机构组建的一个多中心链，系统需要授权才能加入与退出的网络，该链上数据可共享，采用智能合约工作。

由此可知，比特币系统是一种典型的公有链，是去中心化的。私有链与传统的中心化机构相似，应用面比较窄。联盟链介于公有链与私有链之间，具有多个中心，是区块链在各领域应用的重要方式。

与此同时，众多的中心化机构积极布局区块链，蚂蚁金服、京东金融、腾讯、百度等传统中心都积极上链，并发挥基础平台、资金、技术的优势，为众多的具体应用提供技术服务。

由此可见，单独说区块链具有去中心化的特性并不全面。事实上，区块链与中心化系统的结合，才是促进区块链大规模应用落地的最佳捷径。

2 联盟链在慈善系统的作用机制

作为制造信任的机器，区块链在众多领域可发挥作用。但是，对于一个信息系统来说，其底层是否采用区块链技术需要论证。对于慈善系统来说，功能涉及多个利益相关方，有多方信息公开共享需求，所以，对于慈善系统来说，区块链天然适用慈善捐助系统。本文从技术供给和项目需求的角度阐述区块链能满足慈善系统信息公开透明需求的原因，详细如图1所示。

图1 区块链特性供给与慈善系统需求对接

2.1 多中心化

联盟链系统中存在着多个中心，一般每个中心代表一个利益相关实体。这些中心需要对每一笔交易进行验证和存储，是确保各中心能够数据共享的关键。在慈善系统中，捐赠人、受捐人和慈善机构是典型的利益相关体，为此慈善机构中至少包括3个中心，保证信息的充分共享，避免某一组织或个人操控慈善公益项目为自己谋求利益。

2.2 防篡改

区块链系统的链上数据是防篡改的，这源于比特币系统的共识机制POW(Proof of Work，工作量证明)。在比特币系统中，任何数据变化都要到其它节点上验证，验证通过后才会选择记账最好最快的节点作为记账人，并以其记账信息进行广播传输。黑客在佯装正常节点篡改数据后，需要花费巨大的算力更改系统中超过一半以上的节点数据才能通过验证。但是其它区块链成员能够看到其篡改过程，导致节点对整个区块链系统的信任度下降，黑客篡改的数据毫无价值。由此可见，比特币系统中数据不是不可篡改，而是篡改数据会导致整个系统失信，实现作恶成本远高于获取利益的效果。

在POW共识机制中，节点量大，验证和广播所需的时间长，导致系统运行效率不高。其它共识算法，如POS(Proof of Stake，权益证明)和DPOS(Delegate Proof of Stake，委托权益证明), PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错算法)共识机制等[10]只是部分节点参与共识，提高了共识的效率，但对数据的安全性有一定的影响。

若采用联盟链搭建慈善捐助系统，系统中的节点数目远少于公有链中的节点，采用PBFT共识机制即可。联盟链中可保障防篡改的原因是在多中心系统中，还是存在交易账本的冗余备份，一个节点的数据更改，其它数据节点的更改也是需要相应的利益实体达成共识的。由于多个节点存在利益相关关系，有相互监督、相互制衡的潜在机制，所以保证了该特点的存在。

2.3 用户匿名

现在的互联网系统中，由于实名认证，大型中心获得了大量的个人信息。在此基础上，通过大数据处理和分析技术能够对个人进行完整画像，详细分析其兴趣爱好，这是现有信息网络饱受诟病的原因。

区块链采用了非对称加密算法传播信息。每个节点有两个秘钥，分别是公钥和私钥，其中公钥是公开的，私钥是不公开的。信息发布者用自己的私钥加密自己的IP地址上传区块链网络，接收者通过发送者的公钥可以接收信息。所以，接收者可以收到信息，也知道谁发送了信息，但却不能获得发送者的姓名、性别等个人信息，较好地满足了捐款人或受捐人匿名的需求。

2.4 可追溯

区块链系统的分布式账本能够记录下系统的每一笔交易，而且是真实不可篡改的。若A捐赠给B一笔金额为10000元的现金，记账本上就会记录这条完整消息，并且立即更改A、B账户的金额。所以在区块链系统中，使用者能够查询慈善系统中每笔钱的去向，每笔物资的使用情况，实现信息追溯。

2.5 智能合约

智能合约是以太坊的产物，在以太坊中使用solidty语言编写合约(程序)，在超级账本中使用go语言编写合约，实现“代码即法律”的目的。智能合约设定启动条件后，规定要执行的动作，在区块链系统的各节点达成共识后，智能合约可以自动执行，整个合约从收款到执行都可以自动操作，并将执行情况自动反馈，并受当事人的监督。系统中可以设置若干智能合约比如认证智能合约、捐赠智能合约、执行智能合约等，提升系统的透明度。

由此可见，区块链技术具有多中心化、信息不可篡改、集体维护、可靠数据库、公开透明五大特征，可以增加慈善机构的信息透明度，进一步释放行政效能，提高治理能力和水平。

3 系统架构及运行模式

基于区块链的慈善系统的底层架构，相应的操作模式等是保证系统信息公开透明、全流程可追溯的重要保障。

3.1 系统架构

图2 区块链慈善系统架构

基于Hyperledger Fabric的系统架构，设计区块链慈善系统的架构分为6层，分别为存储层、数据层、网络层、共识层、合约层和应用层，如图2所示。其中存储层主要对账本和交易状态进行存储。数据层主要由交易、状态和账本三部分组成，是区块链中分布式账本。网络层给各通信节点提供网络支持，保障区块链账本一致。共识层采用PBTF共识算法。合约层由Go语言实现，包括捐赠智能合约、认证智能合约、审核智能合约、执行智能合约等。应用层是系统中的应用程序，配有MSP(Membership Service Provider)管理成员认证信息，为客户端和节点提供成员授权服务。

在这个系统架构中，没有使用虚拟货币，也没有设置激励层。但是随着通证的应用，可以设置激励层接口。

3.2 慈善系统捐赠流程

图3 传统的慈善系统工作模式

慈善系统中的捐助类型多种多样。传统慈善系统的捐赠流程，如图3所示。从信息流的角度来说，受捐人向慈善机构发布捐助请求，慈善机购审核后发布项目信息，捐助人可进行捐助；从资金流来说，捐助人将捐赠物资发往慈善机构这个中心，而后慈善机构将捐赠钱物拨付给受捐人。在这个过程中，捐赠流程较短，受捐人接收到慈善机构的拨付款项或物资后即结束。

对于全流程上链的慈善捐助系统来说，除了受捐人和捐赠人外，还应有慈善机构、物资销售部门和物流系统、审计部门和社会公众，如图4所示。其区别体现在，捐助人直接将善款捐赠给受捐人，但是需要慈善系统前期的审核和备份工作，若系统中善款规定了特定的物资销售部门，则必须在这些单位支出。若无特定执行单位，则受捐人自由选择相应服务厂家进行支出。

在这个系统中，用户角色较多。捐助人可以是个人也可以是企业或组织，是提供捐赠物资或善款的主体。受助人可以是个人或医院、科研机构等物资急缺的部门。慈善机构是组织慈善捐助的政府或民间组织。物流系统是为系统物资运输提供服务的物流企业，为整个慈善提供物流信息。监管和审计部门能够读取慈善系统中所有的数据并追踪每一笔物资、善款的流向，审计部门方便地进行财务核算和审计。社会公众可以查看系统中捐赠物的执行情况和流向，但权限低于监管和审计部门。

图4 慈善机构的捐款流程

由于捐赠可能是善款或物资，从捐助人角度看到的信息流程如下：

(1) 捐助人捐款。捐助人一般是爱心人士、慈善机构或与救助物资生产无直接关系的企业或组织。

捐助人可以直接把钱转给慈善机构或直接转给受捐人。在区块链系统下，捐款人根据捐款智能合约，符合条件后可以直接捐给受捐人，实现点对点捐赠。在善款使用不受限制的条件下，受捐人自由使用善款，结束捐助流程。

若捐助人把钱直接转给了慈善机构，慈善机构可以统筹规划、分轻重缓急对受捐人进行救助。所以慈善机构可以捐赠钱给受捐人，或购买物资后拨付给受捐人，全程信息可查可跟踪。

(2)捐助人直接捐赠物资。捐助人是与救助物资相关的生产厂家。捐助人通过物流系统将捐助物资转给受捐人，受捐人收到物资后在系统中确认完成捐赠流程。

捐助人也可通过物流系统直接捐助给慈善机构。慈善机构再统筹拨付给相应的受助人，受助人得到捐助物资后，在系统中确认即可完成流程。

由上述设计可知，区块链慈善系统全流程上链，信息可追溯，能够帮助慈善机构重拾信任，促进慈善事业的良性发展。

4 面临的挑战

区块链能够满足慈善公益组织的相关需求，做到信息公开透明。但是，区块链技术还没有经过大规模应用的检验，区块链带来的商业模式变革、监管系统挑战等都是需要考虑的问题。

4.1 区块链技术不可能三角问题

区块链的不可能三角是指，系统的去中心化、安全性和快速性不可能同时满足。在公有链中，系统的去中心化和安全性做的很好，但是效率低下。联盟链提升了系统的运行效率，但是损失了部分去中心化和安全性的特点。以联盟链搭建的慈善系统，是多中心化的系统结构，也会面临节点勾结修改数据的风险，信息的不完全安全性问题需要持续关注。伴随共识机制及运算方法的改进，公有链的效率提升后，建立普惠大众的慈善公有链才是主流趋势。

4.2 区块链技术链上链下的系统治理问题

区块链技术的一个老问题是链下数据的治理问题。区块链可以对链上数据实行分布式记账，相对安全。但是，对于上链之前的数据，即便有相关机构的审核，也不能保证完全无误。目前，区块链与物联网技术的结合能在一定程度上解决数据采集问题，但在数据的标准制定、数据确权以及法律、伦理道德等方面的行为约束均需要加强。

4.3 法律问题

区块链的智能合约是通过相应的条件满足后，运行代码的方式执行合同条款的一种运作模式，该模式能够减少人为参与，大大提升系统运行效率。然而，在现实生活中，合同的执行却不是这样。在区块链领域代码即法律，在现实生活中还有太多的配套法律法规需要考虑，以此保障相应参与人的权益不被侵害。

4.4 标准缺乏

对于不同的联盟链，其节点数目、采用的共识协议、相关部门的介入、信息透明度等内容均不同。对于不同的慈善链来说，有不同的执行标准。作为一个在社会治理中影响比较大的区块链应用领域，相关监管机构需要制定统一标准，为监管的介入提供参考。

5 结论与展望

(1)建设在联盟链上的慈善系统具备了全程数据公开透明，信息可追溯、信息难于篡改等特性，在一定程度上能够提升慈善机构的管理水平和能力，促进慈善机构重获信任。

(2)目前，很多公司都在采用联盟链搭建慈善系统。但是太多的应用系统也会加剧彼此割裂现象。在以全民参与的慈善事业视角下，后续若干技术不同、架构迥异的联盟链需要整合，所以关于异构链的整合、跨链数据的传输等基础研究会成为区块链领域的研究热潮。