CN115456619A - 一种基于区块链技术的虚拟预付卡发行系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于区块链技术的虚拟预付卡发行系统和方法，涉及移动支付技术领域。本发明包括底层区块链技术环境，第二层区块链的操作、操作对象及环境，第三层以太坊虚拟机和远程过程调用协议RPC，使用grpc作为RPC的通信框架；第四层智能合约层，第五层应用层；所述智能合约层实现了应用层与区块链进行交互的业务逻辑；应用层为具体的虚拟预付卡业务逻辑的实现，其封装了用户账户维护模块、区块链查询模块、注册用户查询模块和钱包模块等多个业务模块。本发明利用区块链技术对虚拟预付卡的发行，提高了虚拟预付卡交易的安全性。
Description
技术领域
本发明属于移动支付技术领域，涉及一种基于区块链技术的虚拟预付卡发行系统和方法。
背景技术
预付卡，是指发卡机构以盈利为目的，通过特定载体和形式发行的，可在特定机构购买商品或服务的预付凭证。虚拟预付卡，是指具有预付卡性质，但没有实体卡，卡的发放、使用、销退都存在于线上的一种电子化卡片。
虚拟预付卡由于没有实体卡，全生命周期都存在线上，所以需要对线上预付卡的安全性进行保证。区块链技术本质上是一个分布式共享账本，其解决的核心问题就是在没有信用背书的情况下，让点对点网络中互相不信任的双方彼此互相信任并完成交易。
虚拟预付卡的发卡、交易、销卡中经常存在以下问题：用户信息认证易存在漏洞、账户体系易被篡改、交易数据易被伪造等问题，将区块链技术应用于虚拟预付卡，将提升虚拟预付卡系统的可信度和数据准确性。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种基于区块链技术的虚拟预付卡发行系统和方法，实现了利用区块链技术对虚拟预付卡的发行，提高了虚拟预付卡交易的安全性。本发明是通过如下技术方案实现的：本发明提供了一种基于区块链技术的虚拟预付卡发行系统，包括底层区块链技术环境，第二层区块链的操作、操作对象及环境，第三层以太坊虚拟机和远程过程调用协议RPC，本系统使用grpc作为RPC的通信框架；第四层智能合约层，第五层应用层；
所述智能合约层选用golang语言作为智能合约系统的开发语言，选用iris框架作为网络服务框架，实现了应用层与区块链进行交互的业务逻辑；
应用层为具体的虚拟预付卡业务逻辑的实现，其封装了用户账户维护模块、区块链查询模块、注册用户查询模块和钱包模块等多个业务模块。
一种基于区块链技术的虚拟预付卡发行方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）用户在前端页面选择购入虚拟预付卡的金额，并打开收银台页面，支付相应的金额；
（2）支付成功后，支付信息通过智能合约层的payPurchase()函数，将支付信息存入区块链中，并获取支付信息的地址id（payId）；
（3）前端页面调用智能合约层，发送包括用户信息、购卡信息在内的加密数据；
（4）校验用户购卡金额是否符合额度的合理区间，保证预付卡的发行符合法律法规的规范；
（5）校验用户支付信息是否与购卡信息一致，判断用户账户是否已经成功注册，防止虚假交易和无效交易；
（6）用户购卡成功通过校验后，将用户的账户余额进行修改，将修改操作信息记录通过智能合约层的purchaseCard()函数记录于区块链上，将用户的账户余额通过智能合约层的changeBalance()函数记录于区块链上。
本发明的有益效果是：
本系统利用了区块链的高透明性、不可篡改性、可追溯性等特点，有效提高了虚拟预付卡交易的安全性，契合了虚拟预付卡线上化交易的特性，解决了虚拟预付卡对用户身份认证、交易信息认证、账户数据安全维护的问题；本系统从区块链的安全四要素出发，保证了业务上的安全性，因为不可抵赖性，所以上区块链的数据无需审计，进而降低了审计成本，将区块链技术应用于虚拟预付卡的发卡和交易中，具有重要意义。
本系统采用基于权威证明(PoA)算法的联盟链模式，降低了传统工作量共识（PoW）算法所带来的算力浪费，提升了区块链的效率。
系统从传统的中心化数据库模式，转换成基于区块链的去中心化模式，从可认证性出发，降低了验证用户信息的成本，保证经过认证的用户一定是可信赖的，从记账的安全性以及用户信任度方面提升了使用性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的虚拟预付卡系统架构图。
图2为本发明的智能合约层内部流程图。
图3为本发明的钱包模块工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
区块链实现安全性的四要素：加密算法保证的机密性，数字签名算法保证的可认证性和不可抵赖性，哈希函数保证的完整性，共同组成了区块链信息安全的四大特性。
如附图1所示，一种基于区块链技术的虚拟预付卡发行系统的实施例，包括底层区块链技术环境，第二层区块链的操作、操作对象及环境，第三层以太坊虚拟机和远程过程调用协议RPC，第四层智能合约层，第五层应用层；
底层区块链技术环境是整个架构运行的基础，包括：P2P网络、密码学、http客户端、levelDB、solidity和数学等。
第二层是区块链技术所涉及的操作、操作对象及环境等，包括区块链中的各技术、共识算法、网络部分，其中共识算法是基于拜占庭容错算法设计的，能够在P2P网络中，在没有可信第三方和出现叛徒的情况下，让全网所有节点对记账达成一致，并让最后的结果可信，是区块链中的核心内容。
常规的算法是使用工作量证明算法PoW,即所有的区块都是基于全网各节点的工作量竞争产生。竞争者努力找到一个随机数nonce，使用SHA-256算法计算出哈希值以一定数量的0开头，且当前区块哈希值开头的0的数量要与上一个区块一样，作为最先计算出随机数的节点的工作量证明。0的数量决定了计算的难度系数，当0的个数增加时，难度系数呈指数级上升，由此如果攻击者想要攻击整个网络，伪造交易数据，必须需要由强大的算力来重构账本上的所有数据；通过验证的区块将会永久保存，且无法被篡改。
但是由于工作量证明算法需要巨大的算力，对于本系统中的区块链来讲，会浪费大量的算力，并且共识算法决定了整个区块链中的共识机制，因此本系统中共识机制是权威证明（Proof of Authority,PoA算法），其通常用于联盟链中，其优点是达成共识快、能耗低、扩展性强等特点。区块链上的共识机制主要解决由谁来构造区块，以及如何维护区块链统一的问题。其目标是使所有的诚实节点保存一致的区块链视图，同时满足两个性质：一致性，所有诚实节点保存的区块链的前缀部分完全相同；有效性，由某诚实节点发布的信息终将被其他所有诚实节点记录在自己的区块链中。区块链的自信任主要体现于分布于区块链中的用户无须信任交易的另一方，也无须信任一个中心化的机构，只需要信任区块链协议下的软件系统即可实现交易。
本系统中共识算法的实现是基于clique算法，clique算法是PoA算法中的一种具体实现，该算法需要预先确定一组授权节点signers负责出块，所有signer组成委员会，在委员会中投票决定是否删除或新增signer节点，PoA算法生成区块无需算力竞争，大大减少了资源浪费，增强共识效率。
本系统在PoA算法中创建区块和将区块连接成链的过程为：本系统中区块链构建联盟链，在联盟链搭建时在创世区块中设置初始 signers，联盟区块链开始运行后, 委员会的所有signer排序后轮流取得优先记账权, 并在区块头签名，在每一个区块高度对应一个signer处于IN-TURN状态，其余的signer是OUT-OF-TURN 状态, IN-TURN状态的节点打包区块的权值为 2，其他节点的权值为 1；在系统中每个节点都维护一条权值总和最高的区块链，且 IN-TURN 状态的节点能优先广播区块，因此其打包的区块会被优先上链，当 IN-TURN 状态的节点出现故障宕机未能出块时，其余的 signer 竞争记账权通过 GHOST协议会处理分叉情况。
为保证区块链中交易的合法性, 每个 signer 在接收新区块后会进行验证，评估交易合法性的参数主要有：
1) 收到新区块时, 由区块头中的签名算出其出块节点账户地址，检验区块是否由 singer 广播, 同时根据signer 是否在 IN-TURN 状态, 确定上链优先级；
2) 校验提交发电量是否符合物理约束；
3) 校验参与交易用户是否已在用户账户系统中注册, 防止出现虚假交易；
4) 验证交易签名信息；
5) 校验交易时间的合理性, 对时间戳进行核对, 防止多次交易。
该实施例中，第三层是以太坊虚拟机和远程过程调用协议RPC，以太坊虚拟机提供了运行环境，而RPC保证了基于以太坊开发的程序在网络之间的通信，本系统使用了gRPC作为RPC通信框架，因为gRPC具有跨开发语言网络通信的能力，能够使接入的系统具有高扩展性。其中以太坊选用Truffle框架，以太坊所涉及的前端开发选用以typescript+vue3.0为主的开发方式。
该实施例的第四层为智能合约层，智能合约层选用golang语言作为智能合约系统的开发语言，选用iris框架作为网络服务框架，实现了应用层与区块链进行交互的业务逻辑；智能合约层承载着去中心化应用的业务逻辑，是整个系统与区块链底层的桥梁，包含了状态变量（State）、事件（Event）、函数（Functions）等，本系统主要实现了以事件触发状态变更的功能，利用了开源的go-statemachine，实现了对状态的管理、事件的处理。
智能合约层设计了RESTful规范化接口和gRPC接口，提高了业务系统的可扩展性。
智能合约层实现了如下接口功能：
（1）账户信息获取，获取包括账户地址、账户余额、账户数据存储地址等信息；
（2）对请求数据进行加解密，通过SHA256算法和RSA算法对请求和响应的数据进行加解密处理，保证数据在网络传输中不被恶意窃听，保证了数据的安全性；
（3）事件监听，通过事件机制获取前端的数据检测，以完成数据查询的相关工作，前端通过JSON形式传输事件名称、事件id、事件相关数据等，经过事件筛选后交于智能合约层中的状态机进行处理。
该实施例中第五层为应用层，应用层为具体的虚拟预付卡业务逻辑的实现，其封装了用户账户维护模块、区块链查询模块、注册用户查询模块、钱包模块等多个业务模块，用于实现管理后台、账户中心、卡中心和交易平台。
用户账户维护模块实现了用户账户的注册、查询、维护等业务功能。以用户账户注册为例，其具体流程主要包括如下步骤：
（1）用户在前端页面填写用户真实身份信息，包含用户姓名、身份证号、手机号、银行卡号等；
（2）调用银行卡四要素（银行卡的持卡人的姓名、银行卡号、预留手机号、身份证号）进行认证，并校验手机验证码，确保用户身份信息的真实性与一致性；
（3）调用智能合约的register函数（注册函数），使用SHA256算法对用户关键信息进行加密处理，使用所得的哈希值ID作为用户的唯一身份标识，加密公式为：SHA256(UserInfo) = ID；
（4）将用户信息写入区块链中，由于signer的信息公开，因此充当signer的用户的signer账户地址与用户注册以太坊地址不相同，避免相同账户地址推测出更多的个人用户信息。
区块链查询模块基于用户已经成功登录的前提，查询的内容是所有与智能合约层进行交互的操作所产生的区块信息，包括用户账户信息、交易信息等。主要查询步骤为：
（1）登录完成后，前端发送区块信息查询的请求；
（2）智能合约层通过Event（事件）获取所有需要与合约进行交互的操作，当有查询请求进入时，智能合约层获取Event及相关字段值，并提取需要反馈的信息，以JSON的形式返回给前端业务系统，并在前端界面上进行展示，显示包括用户地址、Event、区块号、交易凭证等。
注册用户查询模块主要针对管理员使用，目的为了让管理员对整个账户体系中的用户身份有全面的了解，当用户登录成功后，会根据是否是管理员来判断是否展示该模块。当管理后台向智能合约层发送请求数据信息时，若为管理员，则会查询用户信息并以JSON形式返回给前端，否则会提示用户权限不足，无法查询。
钱包模块用于管理用户的预付卡账户，主要包括虚拟预付卡的发卡、余额查询和支付功能；从用户角度看，上述功能是指购买卡、查询卡余额和使用卡消费；从预付卡系统角度看，上述功能主要是指对预付卡卡体和预付卡余额的操作，包括创建预付卡卡信息、查询预付卡余额和使用卡余额实现支付。在区块链中的奖励机制，鼓励所有的区块节点积极工作，从而保证了区块链活跃节点的数量，以便更高效地完成验证和共识，因此引入了gas燃料机制，基于以太坊的应用在任何需要与智能合约层发生交互的操作中都需要消耗gas，包括智能合约的创建等，因此本系统引入钱包模块的设计，用于管理所有用户的预付卡账户。
钱包模块主要解决了三个关键问题，分别是虚拟预付卡的发行、额度的控制和交易的结算。虚拟预付卡的发行是指创建虚拟预付卡信息，将卡关联到用户，保存在区块链上。本实施例中，额度的控制是指记名预付卡单卡额度限制单张5000元，在系统中保存时，也是按照单卡最高5000元的方式进行存储，多于5000元的会拆分成多张卡。交易的结算是在系统中实现了一套支付系统，主要包括二维码主扫和被扫支付。
如附图3中所示，钱包模块执行的流程主要包括以下步骤：
1、用户在系统登录页面输入用户名、密码或短信验证码，点击登录按钮，前端页面将用户输入信息以加密格式传输至钱包模块，如果验证正确，则返回正确登录信息，否则前端页面提示用户名或密码/验证码错误；
2、用户登录成功后，发起购卡的请求至钱包模块，钱包模块将要购卡的用户信息封装成json格式，传送至智能合约层；
3、智能合约层将请求的信息进行解析，并对其中的用户身份信息进行验证，验证成功后，调用区块链模块生成新的区块，将请求信息和用户购买的卡信息记录于区块中，并将区块信息广播出去，然后将区块挂载于联盟链上；
4、智能合约层通知钱包模块，用户购卡成功，将购卡信息返回给前端页面，并展示给用户；
5、用户发起查询余额或账单信息，前端将用户的查询信息加密后传输给钱包模块；
6、钱包模块对请求信息进行解密，并将用户信息和查询请求信息封装成json格式，传送至智能合约层；
7、智能合约层对请求进行解析，并从共享账本上查询请求的预付卡的区块，将信息封装后返回给钱包模块；
8、钱包模块将信息封装成json格式，返回给前端页面进行展示。
一种基于区块链技术的虚拟预付卡发行方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）用户在前端页面选择购入虚拟预付卡的金额，并打开收银台页面，支付相应的金额；
（2）支付成功后，支付信息通过智能合约层的payPurchase()函数，将支付信息存入区块链中，并获取支付信息的地址id（payId）；
（3）前端页面调用智能合约层，发送包括用户信息、购卡信息在内的加密数据；加密数据结构体如下：
Struct PurchaseInfo{
String Id; // 用户相关身份信息唯一标识
Uint64 amount; // 用户购卡金额
Address address; // 用户以太坊账户地址
String payId; // 用户支付信息的地址
}
（4）校验用户购卡金额是否符合额度的合理区间，保证预付卡的发行符合法律法规的规范；
（5）校验用户支付信息是否与购卡信息一致，判断用户账户是否已经成功注册，防止虚假交易和无效交易；
（6）用户购卡成功通过校验后，将用户的账户余额进行修改，将修改操作信息记录通过智能合约层的purchaseCard()函数记录于区块链上，将用户的账户余额通过智能合约层的changeBalance()函数记录于区块链上。
如附图2所示，智能合约层内部流程主要包括，在上述步骤（3）之后执行如下步骤：
1、校验用户鉴权信息；
2、根据钱包模块的事件选择对应的事件处理器；
3、如果需要修改卡状态的，调用状态机处理器，修改状态；
4、记录交易信息进入到共享账本中，生成区块，上传到链；
5、将交易后的结果数据以json形式返回到钱包模块。
用户进行支付交易的工作流程包括：
（1）用户在支付场景下，出示支付二维码，支付终端将用户的账户信息、商户信息和支付信息传送至智能合约层；
（2）钱包模块调用智能合约层的pay()函数，校验用户的账户id、余额信息、商户信息是否满足交易的预设规则，保证支付的合规性；
（3）通过智能合约层，将用户的支付信息记录入区块链中，同时调用changeBalance()函数修改用户账户余额；
（4）钱包模块将支付信息返回给商户，继续完成商户的业务流程，完成本次支付交易。
该系统区分了查询类和非查询类业务，查询类是指幂等请求，非查询类是指非幂等请求；幂等是指多次请求不会改变数据信息的请求。非查询类业务因为安全级别较高，对其进行权限管控，使用了以jwt+oauth2.0为主的用户认证方式；查询类业务包括用户信息查询、预付卡余额查询、交易信息查询；非查询类业务主要包括用户注册、卡的发行、卡的支付。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (6)
1.一种基于区块链技术的虚拟预付卡发行系统，其特征在于，包括底层区块链技术环境，第二层区块链的操作、操作对象及环境，第三层以太坊虚拟机和远程过程调用协议RPC，使用grpc作为RPC的通信框架；第四层智能合约层，第五层应用层；
所述智能合约层选用golang语言作为智能合约系统的开发语言，选用iris框架作为网络服务框架，实现了应用层与区块链进行交互的业务逻辑；
应用层为具体的虚拟预付卡业务逻辑的实现，其封装了用户账户维护模块、区块链查询模块、注册用户查询模块和钱包模块等多个业务模块。
2.根据权利要求1所述的基于区块链技术的虚拟预付卡发行系统，其特征在于，本系统区块链的共识算法采用基于权威证明PoA算法的联盟链模式，其实现方法为基于clique算法，该算法需要预先确定一组授权节点signers负责出块，所有signer组成委员会，在委员会中投票决定是否删除或新增signer节点，PoA算法生成区块无需算力竞争，增强了共识效率。
3.根据权利要求1所述的基于区块链技术的虚拟预付卡发行系统，其特征在于，所述智能合约层实现了如下接口功能：
（1）账户信息获取，获取包括账户地址、账户余额、账户数据存储地址等信息；
（2）对请求数据进行加解密，通过SHA256算法和RSA算法对请求和响应的数据进行加解密处理，保证数据在网络传输中不被恶意窃听，保证了数据的安全性；
（3）事件监听，通过事件机制获取前端的数据检测，以完成数据查询的相关工作，前端通过JSON形式传输事件名称、事件id、事件相关数据等，经过事件筛选后交于智能合约层中的状态机进行处理。
4.根据权利要求1所述的基于区块链技术的虚拟预付卡发行系统，其特征在于，所述钱包模块用于管理用户的预付卡账户，主要包括发卡、余额查询和支付功能。
5.一种基于区块链技术的虚拟预付卡发行方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）用户在前端页面选择购入虚拟预付卡的金额，并打开收银台页面，支付相应的金额；
（2）支付成功后，支付信息通过智能合约层的payPurchase()函数，将支付信息存入区块链中，并获取支付信息的地址id；
（3）前端页面调用智能合约层，发送包括用户信息、购卡信息在内的加密数据；
（4）校验用户购卡金额是否符合额度的合理区间，保证预付卡的发行符合法律法规的规范；
（5）校验用户支付信息是否与购卡信息一致，判断用户账户是否已经成功注册，防止虚假交易和无效交易；
（6）用户购卡成功通过校验后，将用户的账户余额进行修改，将修改操作信息记录通过智能合约层的purchaseCard()函数记录于区块链上，将用户的账户余额通过智能合约层的changeBalance()函数记录于区块链上。
6.根据权利要求4所述的基于区块链技术的虚拟预付卡发行方法，其特征在于，用户进行支付交易的工作流程包括：
（1）用户在支付场景下，出示支付二维码，支付终端将用户的账户信息、商户信息和支付信息传送至智能合约层；
（2）钱包模块调用智能合约层的pay()函数，校验用户的账户id、余额信息、商户信息是否满足交易的预设规则，保证支付的合规性；
（3）通过智能合约层，将用户的支付信息记录入区块链中，同时调用changeBalance()函数修改用户账户余额；
（4）钱包模块将支付信息返回给商户，继续完成商户的业务流程，完成本次支付交易。
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