基于以太坊的小型区块链应用实验报告,去中心化投票系统设计与实现

本报告详细记录了一个小型区块链应用的实验过程，旨在探索区块链技术在解决特定实际问题中的可行性与优势，实验内容为设计并实现一个基于以太坊区块链的去中心化投票系统，报告涵盖了实验背景、目标、技术选型、系统设计、实现步骤、测试结果、遇到的问题与解决方案，以及对实验的总结与展望，通过本次实验，我们深入理解了智能合约的编写与部署流程，体验了区块链应用的构建方法，并对区块链的去中心化、透明性和不可篡改性等特性有了直观的认识。

实验背景与目标

1 实验背景 随着区块链技术的快速发展，其去中心化、数据不可篡改、透明可追溯等特性使其在金融、供应链、物联网、版权保护等多个领域展现出巨大潜力，对于初学者而言，区块链技术仍存在一定的入门门槛，为了更好地理解和掌握区块链技术的核心原理与应用开发方法,我们决定进行一个小型区块链应用实验。

2 实验目标

• 掌握至少一种主流区块链平台（如以太坊）智能合约的基本开发语言（如Solidity）和开发工具。
• 设计并实现一个具有实际应用场景的小型区块链应用——去中心化投票系统。
• 验证区块链技术在投票场景下的优势，如投票结果的透明性、防篡改性。
• 识别并解决实验过程中可能遇到的技术难题,积累区块链应用开发经验。

技术选型与工具

• 区块链平台： 以太坊（Ethereum） - 作为目前最成熟、生态最丰富的智能合约平台,拥有完善的开发工具和社区支持。
• 智能合约语言： Solidity - 以太坊最主流的智能合约编程语言，语法类似JavaScript,易于上手。
• 开发环境：
  • Remix IDE： 在线集成开发环境，无需本地配置，支持Solidity代码编写、编译、部署和测试,非常适合初学者和小型项目。
  • MetaMask： 浏览器插件钱包，用于与以太坊测试网络进行交互,管理账户和私钥。
• 测试网络： Ropsten 或 Sepolia - 以太坊的公共测试网络，可以免费获取测试以太坊（ETH）用于合约部署和交易测试。
• 版本控制： Git - 用于管理代码版本。

系统设计

1 需求分析 本去中心化投票系统主要需求如下：

1. 创建投票： 指定用户（如投票发起人）可以创建一个新的投票主题，包含投票描述、选项列表、投票截止时间等。
2. 参与投票： 系统中的用户（拥有以太坊账户）可以对已开放的投票进行投票,每个用户对每个选项只能投票一次。
3. 查询投票： 任何人都可以查询当前所有投票的详细信息，包括投票主题、选项、各选项得票数、投票状态（进行中/已结束）等。
4. 投票结果： 投票截止后，系统自动公布最终投票结果,且结果不可篡改。

2 智能合约设计 我们将核心逻辑封装在一个名为 VotingSystem 的智能合约中,合约主要功能模块及状态变量设计如下：

• 状态变量：

  • votingOwner: address - 记录投票合约的部署者/发起人。
  • votings: mapping(uint256 => Voting) - 存储所有投票信息的映射，键为投票ID,值为投票结构体。
  • votingCount: uint256 - 已创建投票的总数,用于生成唯一投票ID。
  • voters: mapping(uint256 => mapping(address => bool)) - 记录每个投票中哪些用户已经投过票,防止重复投票。

• 投票结构体 (Voting)：

  • title: string - 投票标题。
  • description: string - 投票描述。
  • options: string[] - 投票选项数组。
  • votesCount: uint256[] - 每个选项对应的得票数数组。
  • deadline: uint256 - 投票截止时间戳。
  • isFinished: bool - 投票是否已结束。

• 事件 (Events)：

  • VotingCreated(uint256 votingId, string title, address creator) - 投票创建事件。
  • Voted(uint256 votingId, address voter, uint256 optionIndex) - 投票事件。

• 核心函数：

  • constructor() - 合约构造函数，初始化 votingOwner。
  • createVoting(string memory _title, string memory _description, string[] memory _options, uint256 _deadline) - 由 votingOwner 调用,创建新投票。
  • vote(uint256 _votingId, uint256 _optionIndex) - 由用户调用,对指定投票的指定选项进行投票。
  • getVoting(uint256 _votingId) - 查询指定投票的详细信息。
  • getVotingsCount() - 获取已创建投票的总数。
  • finishVoting(uint256 _votingId) - （可选）由 votingOwner 或合约逻辑在截止后自动标记投票结束，本实验中采用在vote函数中自动判断截止时间。

实现步骤

1. 环境搭建：

   • 安装并配置MetaMask浏览器插件，切换到以太坊测试网络（如Sepolia）,获取测试ETH。
   • 打开Remix IDE（https://remix.ethereum.org/）。

2. 智能合约编写：

   • 在Remix IDE中创建一个新的.sol文件（如VotingSystem.sol）。
   • 根据上述系统设计，使用Solidity语言编写VotingSystem智能合约的代码，注意处理边界条件，如投票选项索引越界、重复投票、投票已截止等。

3. 编译合约：

   在Remix IDE的“Compile”标签页，选择合适的Solidity编译版本（如0.8.7），点击“Compile VotingSystem.sol”按钮,确保编译无错误。

4. 部署合约：

   • 切换到“Deploy & Run Transactions”标签页。
   • 在“ENVIRONMENT”下拉菜单中选择“Injected Provider - MetaMask”,此时Remix会连接到MetaMask钱包。
   • 确认MetaMask显示的是正确的测试网络和账户。
   • 点击“Deploy”按钮，MetaMask会弹出交易确认窗口，确认并支付少量 gas 费用，合约部署成功后,会显示合约地址。

5. 测试合约功能：

   • 在部署成功的合约实例下，使用Remix IDE的“Deployed Contracts”区域调用合约的各个函数进行测试。
   • 创建投票： 调用createVoting函数，输入投票标题、描述、选项数组（如["选项A", "选项B"]）和截止时间（当前时间戳+一定秒数）。
   • 参与投票： 切换到另一个MetaMask账户（或使用同一账户但确保未投过票），调用vote函数,输入投票ID和选项索引。
   • 查询投票： 调用getVoting函数，输入投票ID，查看返回的投票信息，包括标题、选项、得票数等。
   • 验证防篡改： 尝试修改已结束投票的结果（如果逻辑允许），观察是否成功,观察投票截止后是否还能投票。

测试结果与分析

经过上述步骤,我们成功部署并测试了去中心化投票系统。

• 创建投票： 成功创建了多个投票主题,信息记录准确在区块链上。
• 参与投票： 用户能够正常投票，系统正确记录了投票信息,并有效防止了同一用户对同一投票的重复投票。
• 查询投票： 任何人都可以实时查询到投票的详细信息和实时结果,保证了透明性。
• 防篡改性验证： 在投票截止后，尝试调用投票函数系统会拒
  
  绝交易，对于已记录的投票数据，由于区块链的不可篡改性，一旦确认，任何人都无法单方面修改,确保了投票结果的公信力。

遇到的问题与解决方案

1. Gas费用消耗
   • 描述： 在测试网络上，每次部署合约和调用函数都需要消耗gas，虽然测试ETH免费获取,但频繁操作可能导致测试ETH不足。
   • 解决方案： 优化智能合约代码，减少不必要的计算和存储；合理设置gas limit，避免因gas limit过高导致浪费；