摘要

以太坊溯源方案demo，便于熟悉区块链上链及溯源流程，包括以太坊网络搭建,合约开发和部署及后台网关开发整套代码。

 

 

一种基于以太坊的溯源方案，可以运行demo感受以太坊特性。如图所示是本项目Demo的整体架构设计，分为三层：应用层（APP）,服务层（Nodejs-service），区块链层（以太坊），，该设计思路与方案的可见下面内容。应用层通过请求服务层，将操作区块链的操作交给服务层去做，避免了直接操作区块链，在服务层又可以作很多事情，如权限控制检查用户操作、消息队列避免拥塞等，最核心的功能是将来自APP的请求根据业务的不同来分离，进一步操作智能合约上不同的方法。区块链网络层运行以太坊节点，在其上部署智能合约，并处理来自服务层的数据。

图0-1溯源项目架构设计

 

基于以上设计架构，本文分为三部分进行阐述：

第一部分，以太坊网络的搭建，介绍以太坊私链的搭建过程，不论后面合约逻辑如何，本章是搭建以太坊私链所通用的技术。

第二部分，合约开发和部署，介绍合约的设计逻辑和方案，并附上源码。

第三部分，后台开发，即是基于nodejs的服务层开发，作为用户App和区块链网络之间的媒介，介绍如何响应用户请求并随之操作区块链。随后介绍用户如何利用该层的API服务与区块链交互。

第一部分 以太坊网络搭建

1.下载geth客户端

(1) 下载

进入网站https://geth.ethereum.org/downloads/，进行geth客户端下载，可根据不同的操作系统自行下载匹配的geth。

(2) 安装

直接点击二进制包进行安装。

2.使用geth生成账户

(1) 使用geth命令：geth account new

(2) 输入密码，geth会根据用户输入自动生成生成keystore文件,(默认路径为C:\Users\Administrator.xxx\AppData\Roaming\Ethereum)

(3) 在系统任意位置创建数据目录data0，作为同步以太坊数据的目录。

(4) 将上述keystore文件复制到data0文件夹下

(5) 按照上述方式预先生成n个账户，并将每个账户对应的密码文件(以回车换行)放入data0同级目录，存为pwd。

提示：挖矿者的账户的keystore一定要存在于 "extraData"，如：

"extraData": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000e578252579e5f43fe124fe1d8236f0e5250c11970000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000"

其中红色部分为miner的地址。

3.配置创世区块

在data0同级目录下创建创始区块配置文件，并将上述生成的账户填入配置文件alloc字段中，以自定义分配初始以太币：

4.初始化

进入到以太坊数据目录,然后使用geth命令：

geth --datadir data0 init Genesis.json

5.启动geth命令

 

(各参数详细解释，请使用geth --help查询)

6.其他

以太坊节点启动正常后，使用内置API（web3）可进行如下操作：

开始挖矿：miner.start()

停止挖矿：miner.stop()

生成新的账户：personal.newAccount()

查看挖矿奖励者：eth.coinbase

账户之间转账交易：

amount = web3.toWei(5,'ether')
personal.unlockAccount(eth.accounts[0])
eth.sendTransaction({from:eth.accounts[0],to:eth.accounts[1],value:amount})

第二部分 合约开发和部署

1. 业务需求

我们以药品溯源为例，整个业务场景中，业务节点可分为三类，药品生产商、代理商以及零售商；数据可分为两部分，药品信息及流转信息。药品信息是由药品生产商生产药品时所添加，药品的流转信息由流转渠道上的代理商及零售商等所添加，如图2-1所示。向区块链添加数据时，使用该商品的ID+本业务节点信息上传即可。

图2-1 药品溯源业务

2.合约数据结构

合约使用solidity开发，基于以上业务需求，使用solidity内置的struct及mapping数据类型，并进行嵌套。得到药品溯源可用的数据结构：

溯源信息的存储结构如图2-2所示，由mapping+struct嵌套结构，左边是一个mapping集合，每个mapping元素为一个键值对，”键”为ID值，通过该ID可以获得对应的Struct， 该Struct中包含“药品信息”和“溯源信息”两部分。当查询时，通过ID号码（如二维码编码的NWRuxXJ75fBWUjBZi）查出Mapping中“键”为“NWRuxXJ75fBWUjBZi”的Struct，该Strcut数据为{ dragInfo:999感冒药，哈药六厂, traceInfo:代理商A=>代理商B=>零售商X}

图2-2 合约存储结构

3.开发准备

(1) Solidity

Solidity是一种类似JavaScript的智能合约高级语言，运行在Ethereum虚拟机（EVM）之上，它被设计成以编译的方式生成以太坊虚拟机代码，是开发以太坊智能合约官方推荐语言。

(2) Truffle

Truffle是一个世界级的开发环境，测试框架，以太坊的资源管理通道，致力于让以太坊上的开发变得简单，Truffle有以下：

内置的智能合约编译，链接，部署和二进制文件的管理。

快速开发下的自动合约测试。

脚本化的，可扩展的部署与发布框架。

部署到不管多少的公网或私网的网络环境管理功能

使用EthPM&NPM提供的包管理，使用ERC190标准。

与合约直接通信的直接交互控制台（写完合约就可以命令行里验证了）。

可配的构建流程，支持紧密集成。

在Truffle环境里支持执行外部的脚本。

4.合约代码

说明：由于solidity0.4版本不支持嵌套结构mapping的遍历，因此以字符拼接的方式添加溯源信息，方便直接展示。

pragma solidity  ^0.4.24;  

import "./strings.sol";  
contract testTraceability_addTime {  
	using strings for *;  
	string constant optStr = "==>";  
	string constant leftOpt = "(";  
	string constant rightOpt = ")";  
	event SavedProducer(uint256 dragId,string dragInfo,string[] traceInfo);  
	struct Drag {  
		string dragInfo;  
		string traceInfo;  
	}  
	mapping(string => Drag) allDragsInfo;  
	constructor () public{  
	}  
	function getDrugInformationWithID(string id) returns(string memory,string memory){  
		return(allDragsInfo[id].dragInfo,allDragsInfo[id].traceInfo);  
	}  
	function addDragInfo_init(string ID,string memory dragInfomation,string memory company,string memory time) public {  
		allDragsInfo[ID].dragInfo = dragInfomation;  
		string memory info1 = time.toSlice().concat(rightOpt.toSlice());  
		string memory info2 = leftOpt.toSlice().concat(info1.toSlice());  
		string memory info3 = company.toSlice().concat(info2.toSlice());  
		string memory concatStr = info3.toSlice().concat(optStr.toSlice());  
		allDragsInfo[ID].traceInfo = concatStr;  
	}  
	function addDragInfo_A(string ID,string memory company,string memory time) public {  
		string memory info1 = time.toSlice().concat(rightOpt.toSlice());  
		string memory info2 = leftOpt.toSlice().concat(info1.toSlice());  
		string memory info3 = company.toSlice().concat(info2.toSlice());  
		string memory concatStr = info3.toSlice().concat(optStr.toSlice());  
		allDragsInfo[ID].traceInfo = allDragsInfo[ID].traceInfo.toSlice().concat(concatStr.toSlice());  
	}  
	function addDragInfo_B(string ID,string memory company,string memory time) public {  
		string memory info1 = time.toSlice().concat(rightOpt.toSlice());  
		string memory info2 = leftOpt.toSlice().concat(info1.toSlice());  
		string memory info3 = company.toSlice().concat(info2.toSlice());  
		string memory concatStr = info3.toSlice().concat(optStr.toSlice());  
		allDragsInfo[ID].traceInfo = allDragsInfo[ID].traceInfo.toSlice().concat(concatStr.toSlice());  
	}  
	function addDragInfo_C(string ID,string memory company,string memory time) public {  
		string memory info1 = time.toSlice().concat(rightOpt.toSlice());  
		string memory info2 = leftOpt.toSlice().concat(info1.toSlice());  
		string memory info3 = company.toSlice().concat(info2.toSlice());  
		string memory concatStr = info3.toSlice().concat(optStr.toSlice());  
		allDragsInfo[ID].traceInfo = allDragsInfo[ID].traceInfo.toSlice().concat(concatStr.toSlice());  
	}  
}  

5.合约说明

对于溯源的数据结构操作，有addDragInfo_init，addDragInfo_A，addDragInfo_B，addDragInfo_C以及getDrugInformationWithID C等操作方法，addDragInfo_init为药品生产商添加信息方法，addDragInfo_A，addDragInfo_B，addDragInfo_C三个方法为流转渠道上节点操作，最后getDrugInformationWithID方法为用户使用产品的ID去获取全部溯源信息的操作。

6.使用truffle进行合约部署

(1) 安装truffle

全局安装truffle的npm包：

npm install truffle -g

(2) truffle初始化

进入工程目录，并运行以下命令：

truffle init

(3) 修改相关配置文件

修改如图2-3所示三个文件：

图2-3 truffle运行相关配置文件

介绍下这三个文件：

1_initial_migration.js（默认迁移合约）

var Migrations = artifacts.require("./Migrations.sol");  
module.exports = function(deployer) {  
   deployer.deploy(Migrations);  
}; 

2_deploy_contracts.js（配置需要部署的合约）

//var testTraceability = artifacts.require("./testTraceability.sol");  
var testTraceability_addTime = artifacts.require("./testTraceability_addTime.sol");  
var strings = artifacts.require("./strings.sol");  

module.exports = function(deployer) {  
	deployer.deploy(strings,  {from:"0xe578252579e5f43fe124fe1d8236f0e5250c1197"});// 部署合约，使用旷工地址（保证gas费充足）  
	deployer.link(strings, testTraceability);   // 库链接  
	deployer.deploy(testTraceability,  {from:"0xe578252579e5f43fe124fe1d8236f0e5250c1197"});// 部署合约  
	deployer.deploy(testTraceability_addTime,  {from:"0xe578252579e5f43fe124fe1d8236f0e5250c1197"});// 部署合约  
};  

3_truffle.js（配置目标以太坊相关等信息）

/*  
  *  NB:  since  truffle-hdwallet-provider  0.0.5  you  must  wrap  HDWallet  providers  in  a    
  *  function  when  declaring  them.  Failure  to  do  so  will  cause  commands  to  hang.  ex:  
  *  ```  
  *  mainnet:  {  
  *          provider:  function()  {    
  *              return  new  HDWalletProvider(mnemonic,  'https://mainnet.infura.io/<infura-key>')    
  *          },  
  *          network_id:  '1',  
  *          gas:  4500000,  
  *          gasPrice:  10000000000,  
  *      },  
  */    
//  Allows  us  to  use  ES6  in  our  migrations  and  tests.   

require('babel-register')({  
	ignore: /node_modules\/(?!zeppelin-solidity)/  
});  

require('babel-polyfill');  
module.exports = {  
   //See <http://truffleframework.com/docs/advanced/configuration>  
   //to customize your Truffle configuration!  
    networks: {  
        development: {  
            host: "127.0.0.1",//合约部署的以太坊节点ip  
            port: 7545,       //合约部署的以太坊节点端口  
            network_id: "*",  // 以太坊网络id  
            gas: 8000000      // 合约部署gas上限  
         }  
     },  
     mocha: {  
         useColors: true  
     },  
     solc: {  
         optimizer: {  
             enabled: true,  
             runs: 200  
         }  
     }  
 };  

(4) 编译合约

在工程目录下运行：

truffle compile

truffle compile --all （全部重新编译）

(5) 迁移合约

在工程目录下运行

truffle migrate

truffle migrate --reset （全部重新执行迁移脚本）

第三部分 后台开发

1.后台开发说明

本区块链网络是基于以太坊私链，因此为了保证数据安全和可靠，用户不能直接操作区块链，必须通过中间件服务。因此开发node中间件，可以管控上链数据，并且可以做一些其他必要业务，如权限管理，消息队列，区块数据暂存等等。

2.需求分析

由第二部分已知，三类业务节点（生产商、销售商、零售商）需要分别向区块链中上数据，并且必须基于中间服务，而非直接操作区块链。所以，采用图3-1所示的后台架构，即B端以及C端所有的用户均基于中间件node服务去间接操作或访问区块链。因此，根据各个用户职能的不同开放不同API服务，各个使用者在区块链上进行不同的事务。如图中所示，简单而言，就是药品生产商、代理商A、代理商B、零售商向区块链写数据，用户从区块链读数据。

图3-1 node后台架构图

3.开发准备

(1) Nodejs

在整个开源社区JavaScript应用得最为广泛，目前JavaScript语言所对应的大部分项目都是基于Node.js平台的，所以Nodejs是当之无愧的、最流行的开发平台之一。Nodejs是一个搭建中Chrome V8上的JavaScript即时运行平台，采用的是时间驱动和非阻塞I/O模型，既轻量又高效，非常适合数据密集型、实时的应用，如股票、基金、加密货币等。尤其是Nodejs的包管理工具npm，已经成为全球最活跃的社区，有非常多的第三方包可供开发人员选用，区块链相关的绝大多数组件更是以npm包的形式被开发和应用，因此Nodejs是区块链开发的强大工具。

使用：Nodejs环境安装

(2) Express

Express 是一个简洁而灵活的 node.js Web应用框架, 提供了一系列强大特性帮助你创建各种 Web 应用，和丰富的 HTTP 工具。使用 Express 可以快速地搭建一个完整功能的网站，并且支持各种 HTTP 实用工具和中间件，快速方便地创建强大的 API。

使用：引入npm包。

(3) web3 API

以太坊网络是由节点组成的，每一个节点都包含了区块链的一份拷贝。当我们需要调用一份智能合约中的方法时，需要从其中一个节点中查找并告诉它，而以太坊节点只能识别一种叫做 JSON-RPC 的语言，这种语言可读性并不好。Web3.js 可以把这些晦涩难懂的查询语句都隐藏起来了，只需要与方便易懂的 JavaScript 界面进行交互即可。

web3.js是以太坊提供的一个Javascript库，它封装了以太坊的JSON RPC API，提供了一系列与区块链交互的Javascript对象和函数，包括查看网络状态，查看本地账户、查看交易和区块、发送交易、编译/部署智能合约、调用智能合约等，其中最重要的就是与智能合约交互的API。因此，要开发基于以太坊的项目必须熟悉web3js中的常用API。

使用：引入npm包。

4.node代码

通过nodejs+express+web3js开发简单的node server，向外界暴露API接口。外部通过Http请求调用API服务，操作区块链。

const web3 = require('web3');  
const ethRPC = "ws://localhost:8546";  
const serverPort = 10999;  
const provider = new web3.providers.WebsocketProvider(ethRPC);  
const web3Client = new web3(provider);  
const coinbase = '0xe578252579e5f43fe124fe1d8236f0e5250c1197';  
const contract = require("truffle-contract");  
const express = require('express');  
const app = express();  
const cors = require('cors');  

app.use(cors());  
var Resp = (function(yj) {  
    yj = function() {  
       this.dragId = '';  
       this.dragName = '';  
       this.trace = '';  
    };  

    yj.prototype = {  
        toJson: function() {  
           return JSON.stringify(this);  
        }  
   };  
        return yj;  

 }(Resp || function(){}));  


function eraseErrorOfContract(arr) {  

    for (let contrc of arr) {  
           if (typeof contrc.currentProvider.sendAsync !== "function") {  
           contrc.currentProvider.sendAsync = function () {  
                return contrc.currentProvider.send.apply(  
                    contrc.currentProvider, arguments  
               );  
           }  
       }  
   }  
}  

const traceabilityJSON = require('../build/contracts/testTraceability_addTime');  
const traceability = contract(traceabilityJSON);  

traceability.setProvider(provider);  
var traceabilityInst;  
eraseErrorOfContract([traceability]);  

traceability.deployed({  
    from: coinbase,  
    gas: 600000  
}).then(instance => {  
    traceabilityInst = instance;  
    // traceabilityInst.addDragInfo_init('NWRuxXJ75fBWUjBZiDIyR16PdFLIOG/odIos/Z8ggxNqrvQyPMcnXjAVB0JAmHYu4LGxyOaA4FIlOJgzGrPvcIndf0EbYZ80l',"999pai","hayao",{from:coinbase,gas:600000}).then(result => {  

    //     console.log(result);  
    //     return traceabilityInst.addDragInfo_A('NWRuxXJ75fBWUjBZiDIyR16PdFLIOG/odIos/Z8ggxNqrvQyPMcnXjAVB0JAmHYu4LGxyOaA4FIlOJgzGrPvcIndf0EbYZ80l',"经销商1",{from:coinbase,gas:600000})  

    // }).then(result2 => {  
    //     console.log(result2);  
    //     return traceabilityInst.getDrugInformationWithID.call('NWRuxXJ75fBWUjBZiDIyR16PdFLIOG/odIos/Z8ggxNqrvQyPMcnXjAVB0JAmHYu4LGxyOaA4FIlOJgzGrPvcIndf0EbYZ80l',{from:coinbase,gas:600000});  

    // }).then(result3 =>{  
    //     console.log(result3);  
    // }).catch(err => {  
    //     console.log(err)  
    // });  
});  
   
app.get('/addDragInfo_produce',function (req,res) {  // app => router  
    let currentTime = new Date().toLocaleString();  
    traceabilityInst.addDragInfo_init(req.query.id,req.query.dragInfo,req.query.company,currentTime,{from:coinbase,gas:600000}).then(result => {  
        console.log(result);  
        res.end("您(生产商)已将药品信息上链！交易hash:"+result.tx);  
    }).catch(err => {  
        console.log(err);  
        res.end(JSON.stringify(err))  
    });  
});  

app.get('/addDragInfo_A',function (req,res) {  // app => router  
    let currentTime = new Date().toLocaleString();  
    traceabilityInst.addDragInfo_A(req.query.id,req.query.company,currentTime,{from:coinbase,gas:600000}).then(result => {  
        res.end("您(销售商A)已将信息上链！交易hash:"+result.tx)  
    }).catch(err => {  
        res.end(JSON.stringify(err))  
    });  
});  

app.get('/addDragInfo_B',function (req,res) {  // app => router  
    let currentTime = new Date().toLocaleString();  
    traceabilityInst.addDragInfo_B(req.query.id,req.query.company,currentTime,{from:coinbase,gas:600000}).then(result => {  
        res.end("您(销售商B)已将信息上链！交易hash:"+result.tx)  
    }).catch(err => {  
        res.end(JSON.stringify(err))  
    });  
});  

app.get('/addDragInfo_C',function (req,res) {  // app => router  
    let currentTime = new Date().toLocaleString();  
    traceabilityInst.addDragInfo_C(req.query.id,req.query.company,currentTime,{from:coinbase,gas:600000}).then(result => {  
        res.end("您(销售商C)已将信息上链！交易hash:"+result.tx)  
    }).catch(err => {  
        res.end(JSON.stringify(err))  
    });  
});  

app.get('/getDrugInformationWithID',function (req,res) {  // app => router  

    let ret = new Resp();  
    traceabilityInst.getDrugInformationWithID.call(req.query.id,{from:coinbase,gas:600000}).then(result => {  

        ret.dragId = req.query.id;  
        ret.dragName = result[0] ;  
        ret.trace = result[1];  
        res.setHeader('Content-Type', 'text/plain;charset=utf-8');  
        res.end("药品ID："+ret.dragId+'\n'+"药品名称："+ret.dragName+'\n'+"溯源信息："+ret.trace);  
    }).catch(err => {  
        res.end(JSON.stringify(err))  
    });  
});  

var server = app.listen(serverPort, function () {  
    var host = server.address().address;  
    var port = server.address().port;  
    console.log( 'Express started on http://'+ host +':' + port  );  
}); 

5.node服务说明

有需求分析可知，药品生产商、代理商、零售商向区块链写数据，用户从区块链读数据。因此，通过不同的用户通过http访问不同的API，达到各自的业务目的，如下所示：

生产商数据上链操作：http://localhost:8546/addDragInfo_produce

代理商A数据上链操作：http://localhost:8546/addDragInfo_A

代理商B数据上链操作：http://localhost:8546/addDragInfo_B

用户查询溯源信息操作：http://localhost:8546/getDrugInformationWithID