基于区块链技术的线下打卡方案
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摘 要：当前线下打卡方案众多，但大多需借助如指纹打卡机等设备，小部分打卡方案依赖GPS定位与连接特定WIFI等，该类方案存在打卡数据易作伪等不足。区块链技术已在生活中得到广泛使用，本文提出了一种基于蓝牙技术与区块链技术的打卡方案，该方案具有适用场景多、适用范围广、数据防伪及防篡改等特点。
一、相关技术
1.1 蓝牙技术
蓝牙技术（BlueTooth）是一种无线数据近距离通信的技术规范，蓝牙技术工作频段为2.4GHz。蓝牙技术已得到较大发展，蓝牙5.0有效工作范围可达300米，传输速度可达24Mbps。
1.2 区块链技术
区块链技术是一种去中心化的分布式计算方式，其本质上是由分布式存储方案、点对点传输技术、共识算法、加密算法等组合而成的体系。
区块链系统中包含实用拜占庭容错算法、工作量证明算法、权益证明算法等共识算法。不同的区块链系统可采用不同的共识算法，如比特币网络选择了工作量证明算法，而以太坊使用了权益证明算法。
区块链系统通常包含多种密码学算法。在数据加密与签名方向，区块链系统通常选择RSA等非对称加密算法。在数据编码中区块链系统会使用哈希算法。
区块链依据应用场景可分为公有链、联盟链、私有链等，从结构上可分为单链与多链两种结构。
二、打卡方案设计
2.1 整体设计
本文所所述方案采用多链的结构。任一打卡场景均有一条独立的链用于打卡记录，多条链之间以平行链的模式运行。各链数据安全由其场景中的节点协调，且均拥有独立的区账本。本方案是为线下打卡设计，故各链之间拥有相同的共识机制。
用户注册后将获得唯一的数字地址与密钥对，此后用户可自行创建或加入打卡场景。一个场景被创建后，服务器将加入该链网络，并与链上所有节点建立P2P连接，但服务器仅作为链上的一个记录者，其作用是储存所有链数据。用户节点则将其参与场景的链数据持久化在本地，但这并不代表服务器拥有特殊地位，其作用是提供可视化数据查询的功能。
2.2 到场确认机制
蓝牙广播技术具有范围广的特点，本文基于上述特点设计了一种基于蓝牙的到场确认机制，当用户在某场地中开启打卡，到场确认机制流程如下：
1）与场地中其他设备利用蓝牙互相扫描;
2）将扫描信息广播至正在打卡的链网络中。
用户进行某场地并开始打卡后，其设备将成为链网络中一个节点，并重复上述流程。随着用户位置的变化，该用户将与不同用户互相确认，任一用户被扫描次数达到阈值时，我们认为他已到场。阈值由场地范围、人员规模等动态确定。
2.3 数据加密机制
本方案节点广播数据均采用RSA加密，RSA算法是目前使用较广泛、安全性也相对较高的非对称加密算法.能实现加密、身份验证和数字签名等功能，是一种典型的公钥密码体制。
节点加入任一场景时，需先广播自身公钥至其他设备，亦会向其他节点请求公钥。节点接收到其他设备的公钥后，需将其持久化在本地，每个用户均需妥善保管自己的密钥。
本方案签名过程如下，节点蓝牙扫描到其他设备时，使用自身公钥对扫描数据签名，然后将签名与公钥一同广播致其他设备。设备收到广播数据，利用广播中的公钥对数据验签，该过程可防止数据在传输中被篡改。
2.4 区块结构与生成机制
本方案中，任意场景有其独立的链，每条链由多个区块组成，区块包含区块头与区块体。区块头包含：前驱区块哈希值、本区块哈希值、本区块生成时间等组成，创世块的前区块哈希值为0。区块体由本轮打卡记录组成，每条打卡记录包含：用户唯一编号、数字地址、设备MAC地址及被扫描次数等。本方案中，任意节点均可能成为打包节点，因此各节点会统计各自缓冲区数据，并按上述区块结构生成待选区块，若节点被选举为打包节点，其待选区块将被发布至链网络中，反之其待选区块将用于校验打包节点发布的新区块。
2.5共识机制
比特币网络的共识机制时工作量证明机制（POW），该共识机制下新块生成需消耗大量算力。以太坊已将其共识机制更换为权益证明（POS），权益证明的主要思想是：节点记账权的获得难度与节点持有的权益成反比，该机制在实现了与POW相同容错性的情况下，避免了大量无意义的计算，从而节约了算力与能耗。
本方案中，我们借鉴了POS机制，设计了本方案基于扫描确认的共识机制，各节点已生成待选区块后，需达成如下共识：
1、各节点由链尾向前遍历本轮打卡链，对参与本轮打卡的节点的历史数据进行统计;
2、被扫描次数与打包次数之和最大的节点为打包节点;
2、节点仅接受自己得出的打包节点发布的块。
上述选举打包节点的共识步骤中，链中所有节点向前遍历的长度应由节点数与链长度共同决定，一般情况下，只需向前遍历50%的块数据即可。该共识机制能有效节约算力，符合本方案的使用场景。但是与所有共识算法一样，我们提出的共识机制无法保证选举的打包节点具有唯一性，所以链依然存在分叉的风险。链分叉会影響数据的准确性，因此我们需结合本方案的特点，在极力避免同时主动解决节点间的链分叉与数据紊乱。
2.6链同步机制
如上一节中所述，我们的共识机制不能完全避免链分叉的发生，而且本方案中大多数节点均为轻节点，各节点数据一致无法得到保证。因此，我们设计了链同步机制，该机制步骤如下：1、新区块生成之前，各节点须校验其当前链数据的完整性;2、各节点广播其链尾区块哈希值;3、各节点统计接收到最多次的块哈希值，将其视为完整链尾区块，抛弃错误区块;4、当本地不存在某些区块时，节点从其他节点同步区块数据。
多数情况下，任一链上节点数不会太多，因此链同步数据量较少，故同步速度较快。上述机制下，本方案任一链中参与打卡的节点链将数据得到统一，非诚实节点对其本地链的篡改都将被恢复，这也是本方案防篡改的体现。
三、 总结与分析
本文提出了一种基于区块链与蓝牙技术的线下打卡方案，该方案通过节点之间蓝牙扫描互相确认到场，并将打卡记录保存至区块链网络中，能有效防止打卡数据篡改与伪造。
引用文献：
[1]蔡型，张思全.短距离无线通信技术综述[J].现代电子技术，2004（03）：65-67+76.
[2]沈鑫，裴庆祺，刘雪峰.区块链技术综述[J].网络与信息安全学报，2016，2（11）：11-20.
[3]陈建华，黄道颖，张尧，张安琳，孙宏.计算机对等网络P2P技术[J].计算机工程与应用，2003（33）：162-164+186.
作者简介：
程 晓，女 （1998-）汉，河南省商丘市，本科
曾凯旋，男（1995-），汉，贵州省毕节市，本科
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