本报告详细记录了一项关于区块链应用的实验，旨在探索区块链技术在去中心化投票系统中的实践方法与可行性，实验基于以太坊公有链平台，利用Solidity语言编写智能合约，并通过Web3.js库与前端界面进行交互，通过本次实验，我们成功搭建了一个简易的去中心化投票原型系统，验证了投票数据的不可篡改、透明可追溯等特性，并对实验过程中遇到的问题及解决方案进行了总结，最后对区块链技术在政务、企业等领域的投票应用前景进行了展望。
随着信息技术的飞速发展,传统中心化投票系统面临着数据易被篡改、投票过程不透明、信任成本高等诸多挑战，区块链技术作为一种分布式账本技术，以其去中心化、不可篡改、透明可追溯和智能合约等核心特性，为解决上述问题提供了新的思路，本实验选取“去中心化投票系统”作为应用场景，旨在通过实际开发与测试，深入理解区块链技术的应用原理，评估其在现实世界投票场景中的潜力与局限性。
实验目的
- 掌握区块链应用开发的基本流程,包括智能合约的编写、部署与调用。
- 理解并实践以太坊平台上的核心概念,如账户、交易、Gas、智能合约等。
- 设计并实现一个具备基本功能的去中心化投票系统,包括候选人管理、投票、投票结果实时展示等。
- 验证区块链技术在保证投票数据真实性、安全性和透明性方面的优势。
- 分析实验过程中可能出现的技术难题,并探索解决方案。
实验环境与工具
- 开发语言： Solidity（智能合约）、JavaScript（前端交互）
- 开发框架/库： Hardhat/Truffle（智能合约开发、编译、部署测试框架）、Web3.js（JavaScript库，用于与以太坊节点交互）
- 区块链平台：以太坊测试网（如Goerli）或本地私有链（如Ganache）
- 前端技术： HTML, CSS, React（可选，用于构建用户界面）
- 开发工具： VS Code、MetaMask（浏览器插件钱包，用于用户身份管理和交易签名）
实验设计与实现
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需求分析与系统设计：
- 核心功能：
- 创建投票：指定投票主题、描述、候选人列表及投票截止时间。
- 参与投票：拥有以太坊账户的选民在投票截止时间前，使用其账户地址进行投票，每个地址限投一票。
- 查看投票结果：实时查看各候选人的得票数，投票结束后结果不可更改。
- 智能合约设计：
- 合约名称：
VotingContract - 状态变量：
string public votingTopic;// 投票主题uint256 public votingDeadline;// 投票截止时间戳mapping(address => bool) public hasVoted;// 记录地址是否已投票mapping(string => uint256) public voteCounts;// 记录各候选人得票数Candidate[] public candidates;// 候选人列表
- 事件：
Voted(address voter, string candidate);// 投票事件，用于前端监听 - 函数：
constructor(string memory _topic, string[] memory _candidateNames, uint256 _durationMinutes)：构造函数，初始化投票主题、候选人列表，并设置截止时间。function vote(string memory candidateName) public：投票函数，仅限在投票截止前且未投票的地址调用，更新投票状态和候选人票数，并触发Voted事件。function getVoteCount(string memory candidateName) public view returns (uint256)：获取指定候选人票数。function isVotingActive() public view returns (bool)：判断投票是否进行中。
- 合约名称：
- 核心功能：
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智能合约开发与部署：
- 使用Hardhat初始化项目,编写
VotingContract.sol智能合约代码。 - 编译合约,检查语法错误。
- 配置Hardhat连接以太坊测试网（如Goerli）或本地Ganache节点。
- 编写部署脚本,将编译好的合约部署到测试网/本地链，获取合约地址。
- 使用Hardhat初始化项目,编写
-
前端交互界面开发：
- 创建HTML/CSS/JS页面，或使用React等框架构建SPA。
- 集成MetaMask,通过Web3.js连接到用户以太坊账户。
- 实现以下功能：
- 显示投票主题、候选人列表及投票倒计时。
- “投票”按钮：调用智能合约的
vote()函数，用户MetaMask签名确认交易。 - 实时显示各候选人得票数：通过调用
getVoteCount()函数获取，并可监听Voted事件实时更新。 - 投票状态提示：如“投票已结束”、“您已投票”等。
实验过程与步骤
- 环境搭建： 安装Node.js, npm, Hardhat, MetaMask，并配置测试网ETH（从测试网水龙头获取）。
- 智能合约编写： 在VS Code中编写
VotingContract.sol，确保逻辑正确。 - 合约编译与部署： 在终端执行
npx hardhat compile和npx hardhat run scripts/deploy.js --network goerli（或对应网络），成功部署后记录合约地址。 - 前端页面开发： 创建前端项目，引入Web3.js，编写连接钱包、获取合约实例、调用合约函数、显示数据等逻辑。
- 测试与调试：
- 在本地Ganache上部署并测试,观察交易收据和事件触发。
- 切换到测试网（Goerli），使用MetaMask连接，进行真实投票测试，模拟不同地址投票，检查票数统计是否准确，投票状态是否正确。
- 修复测试过程中发现的bug,如Gas估算错误、事件监听失效等。
实验结果与分析
- 功能实现情况：
- 成功部署了
VotingContract智能合约到以太坊测试网。 - 前端界面能够正常显示投票信息,用户可通过MetaMask连接并参与投票。
- 投票数据（投票地址、候选人选择）被准确记录在区块链上，且一旦确认无法篡改。
- 投票结果能够实时更新并展示,截止时间后投票功能自动禁用。
- 成功部署了
- 区块链特性验证：
- 不可篡改性： 实验中，尝试通过直接修改区块链数据或调用合约函数修改已投票记录，均失败，确认投票数据一旦上链，即被永久固化。
- 透明可追溯： 任何人都可以通过以太坊浏览器（如Etherscan）输入合约地址，查看合约代码、所有交易记录（包括谁投了票、投给了谁）以及实时票数统计。
- 去中心化： 系统不依赖单一中心服务器，投票数据由网络中多个节点共同维护和验证。
- 不可篡改性： 实验中，尝试通过直接修改区
- 遇到的问题与解决方案：
- 问题1：Gas费用消耗。 在测试网和主网上，每次交易都需要支付Gas费用，频繁操作会增加成本。
- 解决方案： 优先在测试网进行充分测试；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和Gas Price。
- 问题2：用户体验复杂。 普通用户需要理解MetaMask、私钥、Gas等概念，使用门槛较高。
- 解决方案： 开发更友好的用户界面，提供清晰的指引；探索账户抽象（ERC-4337）等技术，简化用户操作。
- 问题3：交易确认延迟。 以太坊主网在高拥堵时，交易确认可能较慢，影响投票实时性。
- 解决方案： 对于实时性要求不高的场景可接受；或选择更高性能的Layer 2扩容方案。
- 问题1：Gas费用消耗。 在测试网和主网上，每次交易都需要支付Gas费用，频繁操作会增加成本。
实验总结与展望
本次区块链应用实验成功设计并实现了一个基于以太坊的去中心化投票系统原型，通过实践，我们深入体验了区块链应用的开发流程，直观感受到了区块链技术在保障数据安全、提升透明度和降低信任成本方面的显著优势，实验结果验证了去中心化投票方案的可行性，同时也暴露了当前区块链技术在性能、成本和用户体验方面存在的挑战。
展望： 尽管当前区块链投票系统仍面临一些技术瓶颈，但随着技术的不断成熟（如Layer 2扩容、分片技术、零知识证明等），这些问题有望得到逐步解决，区块链技术在投票领域的应用前景广阔：
- 政务选举： 可用于社区选举