一種基于區(qū)塊鏈的學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳金育，李瑞光

(1.河南大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院；2.河南大學(xué) 公共外語(yǔ)教學(xué)部，河南 開(kāi)封 475004)

0 引言

區(qū)塊鏈技術(shù)被視為繼云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)之后的又一顛覆性技術(shù)，受到各行各業(yè)廣泛關(guān)注。區(qū)塊鏈技術(shù)于2008年出現(xiàn)，一個(gè)自稱為中本聰?shù)娜嘶驁F(tuán)體提出了比特幣概念，并指出區(qū)塊鏈技術(shù)是構(gòu)建比特幣系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)[1]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，教育領(lǐng)域突破了傳統(tǒng)面授的單一形式，在線課程得以推廣，但這些新的教育形式卻面臨嚴(yán)重的信任危機(jī)，其學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)成果往往不被公眾認(rèn)可。此外，在傳統(tǒng)教育領(lǐng)域，存在學(xué)習(xí)過(guò)程記錄不完整、不透明問(wèn)題，導(dǎo)致用人單位在招聘人員時(shí)，無(wú)法驗(yàn)證求職人員學(xué)歷信息的真實(shí)性，給用人單位招聘帶來(lái)很多麻煩。因此，急需一種可全程記錄學(xué)習(xí)過(guò)程且記錄信息不可篡改的分布式存儲(chǔ)技術(shù)。該技術(shù)能支持多種教育形式記錄的學(xué)習(xí)成果，在保證信息安全性的前提下向全網(wǎng)公開(kāi)，區(qū)塊鏈技術(shù)恰好符合這些要求。區(qū)塊鏈技術(shù)不僅給教育信息共享帶來(lái)了極大便利，也為教育信息的整合鋪平了道路，同時(shí)給那些非權(quán)威教育部門(mén)認(rèn)證的學(xué)業(yè)信息或行業(yè)認(rèn)證提供了認(rèn)可機(jī)會(huì)。本文以一種區(qū)塊鏈技術(shù)(北航鏈)為原型，將其應(yīng)用到教育信息化體系的一個(gè)子系統(tǒng)(學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng))中，對(duì)區(qū)塊鏈與教育結(jié)合進(jìn)行探索，解決了教育信息傳遞過(guò)程中面臨的易篡改和難共享問(wèn)題。

1 相關(guān)研究

1.1 區(qū)塊鏈研究現(xiàn)狀

目前，區(qū)塊鏈研究主要在技術(shù)和應(yīng)用兩個(gè)方面。在技術(shù)層面，研究人員主要在共識(shí)機(jī)制、區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn)：如文獻(xiàn)[2]提出一種對(duì)拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法的改進(jìn)，文獻(xiàn)[3]提出了一種區(qū)塊雙鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案；文獻(xiàn)[4]提出了“區(qū)塊鏈群”概念，并將其應(yīng)用到電力能源系統(tǒng)中。在應(yīng)用探索方面，區(qū)塊鏈最初的功能是數(shù)字貨幣，隨后向各個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)展：文獻(xiàn)[5]介紹了區(qū)塊鏈在金融領(lǐng)域的應(yīng)用前景，文獻(xiàn)[6]介紹了區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[7]提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智慧機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，文獻(xiàn)[8]介紹了區(qū)塊鏈對(duì)教育領(lǐng)域的推動(dòng)作用。

顯然，區(qū)塊鏈在技術(shù)上的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了其在應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，同時(shí)區(qū)塊鏈在應(yīng)用領(lǐng)域上的延伸也促進(jìn)其在技術(shù)上的進(jìn)步。

1.2 教育信息化發(fā)展現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，教育向多元化邁進(jìn)，教育信息化的不足也日漸突出。教育資源孤島問(wèn)題日趨嚴(yán)重，教育機(jī)構(gòu)之間的壁壘難以打破。教育信息化發(fā)展困境主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：學(xué)生的個(gè)人信息面臨丟失或被惡意篡改的風(fēng)險(xiǎn)；傳統(tǒng)教育服務(wù)被學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)壟斷，導(dǎo)致地區(qū)之間教育資源分配不均，優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源無(wú)法共享；教育領(lǐng)域還存在學(xué)校與用人單位之間信用體系不完善問(wèn)題，用人單位招聘時(shí)，沒(méi)有渠道獲取學(xué)生在校學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估應(yīng)聘者能力；學(xué)術(shù)欺詐、學(xué)歷造假現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心花、信息不可篡改、匿名性等特點(diǎn)，可有效解決教育信息多元化發(fā)展的困境。例如，在學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)的成績(jī)錄入過(guò)程中，成績(jī)的輸入需要人為操作，再經(jīng)過(guò)區(qū)塊鏈的驗(yàn)證才能確認(rèn)錄入并加上時(shí)間戳，可保證每個(gè)成績(jī)信息不被篡改。所有成績(jī)?cè)谌W(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)保存，不會(huì)因?yàn)槿魏喂?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的損毀導(dǎo)致成績(jī)丟失。每個(gè)人在區(qū)塊鏈上有一個(gè)完整的信息系統(tǒng)保證，所有資料共存于一個(gè)鏈基礎(chǔ)上，在這個(gè)鏈基礎(chǔ)上任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都可以查詢辨別真?zhèn)蝃9]。

2 區(qū)塊鏈與學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)分析

本文設(shè)計(jì)的學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)包括學(xué)籍管理模塊、成績(jī)管理模塊、教務(wù)計(jì)劃管理模塊、專業(yè)管理模塊，這4個(gè)模塊采用同一架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。本文在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，以北航鏈架構(gòu)為重要參考，根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行兩方面調(diào)整，保證系統(tǒng)的平衡性和穩(wěn)定性。下面以成績(jī)管理模塊為例介紹如何將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)中。

(1)成績(jī)查詢功能和修改刪除等功能分開(kāi)，查詢功能不使用區(qū)塊鏈，只對(duì)查詢請(qǐng)求進(jìn)行權(quán)限過(guò)濾，不對(duì)查詢操作建塊。因?yàn)槌煽?jī)管理模塊對(duì)查詢成績(jī)的安全性和防篡改性要求不高，不需要每一次查詢都建塊記錄，只需對(duì)不同的用戶請(qǐng)求進(jìn)行過(guò)濾即可。這樣不僅可以提高請(qǐng)求的響應(yīng)速度，而且降低了建塊的系統(tǒng)開(kāi)銷，減少了區(qū)塊占用的存儲(chǔ)空間。

(2)取消了區(qū)塊鏈雙鏈結(jié)構(gòu)，使用單鏈結(jié)構(gòu)。對(duì)于學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果使用區(qū)塊雙鏈結(jié)構(gòu)，會(huì)額外增加系統(tǒng)開(kāi)銷，同時(shí)響應(yīng)速度也無(wú)法保證，所以采用單鏈結(jié)構(gòu)。雖然系統(tǒng)取消了雙鏈結(jié)構(gòu)，但參考北航鏈的OBCC(區(qū)塊鏈統(tǒng)一接口)設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

2.1 區(qū)塊鏈開(kāi)發(fā)技術(shù)——北航鏈

北航鏈?zhǔn)潜本┖娇蘸教齑髮W(xué)與北京大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的許可鏈，其設(shè)計(jì)初衷是為公信和金融服務(wù)。北航鏈摒棄了P2P網(wǎng)絡(luò)和挖礦機(jī)制，加入了節(jié)點(diǎn)信用制度，采用并發(fā)拜占庭共識(shí)協(xié)議CBFT(concurrent byzantine fault tolerance)，加快了信息處理速度。采用賬戶區(qū)塊鏈ABC(account blockchain)和交易區(qū)塊鏈TBC(trading blockchain)雙鏈結(jié)構(gòu)，提高了擴(kuò)展性和吞吐量，降低了延遲和隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)[10]。

圖1 北航鏈架構(gòu)

北航鏈架構(gòu)有應(yīng)用層、鏈上代碼層、接口層、區(qū)塊鏈服務(wù)層和存儲(chǔ)層5層，見(jiàn)圖1。應(yīng)用層部署應(yīng)用程序，鏈上代碼層提供與合同相關(guān)的服務(wù)，接口層提供外部和內(nèi)部API接口，區(qū)塊鏈服務(wù)層部署區(qū)塊雙鏈體系，存儲(chǔ)層包括操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。

設(shè)計(jì)學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)目的是實(shí)現(xiàn)成績(jī)、選課、獎(jiǎng)懲信息錄入修改不可篡改且可追溯，北航鏈具有去中心化、防篡改、擴(kuò)展性高的特性，可滿足學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)要求。本研究以北航鏈為原型設(shè)計(jì)學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)，探索區(qū)塊鏈與教育體系結(jié)合，提供一種教育區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)模型，為教育信息化和區(qū)塊鏈應(yīng)用提供參考。

2.2 成績(jī)管理模塊分析

成績(jī)管理模塊功能包括：工作人員(教師、管理人員等)對(duì)成績(jī)的錄入、查詢、修改和刪除功能，學(xué)生查詢成績(jī)功能。工作人員負(fù)責(zé)將學(xué)生的各項(xiàng)成績(jī)錄入到系統(tǒng)中，如果錄入錯(cuò)誤將對(duì)成績(jī)進(jìn)行修改或刪除；錄入成績(jī)后，學(xué)生可登錄系統(tǒng)查詢本學(xué)期所修課程成績(jī)，也可查詢其它學(xué)期所修課程成績(jī)。

學(xué)生課程成績(jī)記錄表包括學(xué)號(hào)、科目編號(hào)、科目名稱、科目類型、任課老師、績(jī)點(diǎn)、平時(shí)分、考試分、最終得分、考試時(shí)間、學(xué)期編號(hào)等字段，見(jiàn)表1。

表1 學(xué)生課程成績(jī)記錄

3 成績(jī)管理模塊設(shè)計(jì)

3.1 成績(jī)管理模塊架構(gòu)設(shè)計(jì)

成績(jī)管理模塊架構(gòu)分為4層，從上到下分別是應(yīng)用層、鏈上代碼層、區(qū)塊鏈服務(wù)層、存儲(chǔ)層，如圖2所示。下面分層詳細(xì)介紹。

圖2 成績(jī)管理模塊架構(gòu)

(1)應(yīng)用層：部署可視化程序，和用戶交互，將用戶的操作請(qǐng)求及私鑰發(fā)送到鏈上代碼層，進(jìn)行下一步處理。

(2)鏈上代碼層：對(duì)用戶發(fā)送的私鑰進(jìn)行解密及驗(yàn)證，按照用戶的權(quán)限判定請(qǐng)求是否有效，有效則按照操作方式進(jìn)行下一步處理(對(duì)于用戶的錄入、修改、刪除請(qǐng)求進(jìn)行建塊處理，而查詢請(qǐng)求將直接轉(zhuǎn)入SQL查詢，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)并將查到的成績(jī)數(shù)據(jù)返回給用戶)，否則拒絕訪問(wèn)。

(3)區(qū)塊鏈服務(wù)層：根據(jù)用戶發(fā)送過(guò)來(lái)的操作數(shù)據(jù)創(chuàng)建區(qū)塊，并為區(qū)塊加上時(shí)間戳、父哈希、Merkle根，然后執(zhí)行用戶請(qǐng)求的數(shù)據(jù)庫(kù)操作，再根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的反饋決定是否刪除區(qū)塊。操作成功后將對(duì)全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)和Merkle樹(shù)同步，操作失敗則刪除區(qū)塊。最后將操作結(jié)果返回給前臺(tái)并顯示。

(4)存儲(chǔ)層：用于存放用戶數(shù)據(jù)，以及響應(yīng)用戶的操作請(qǐng)求。

以上4層為該系統(tǒng)的通用架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的其它模塊也采用同樣的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 區(qū)塊設(shè)計(jì)

區(qū)塊由塊頭和塊身組成，區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，下面詳細(xì)介紹塊頭和塊身結(jié)構(gòu)。

塊頭包括：①時(shí)間戳，用于記錄創(chuàng)建區(qū)塊的時(shí)間(也代表請(qǐng)求操作的時(shí)間)；②父區(qū)塊哈希，引用父區(qū)塊的哈希值；③Merkle根，將區(qū)塊中所有交易記錄進(jìn)行兩次哈希運(yùn)算，將結(jié)果作為Merkle根的葉子節(jié)點(diǎn)遞歸兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的哈希值，直到得到最后一個(gè)哈希結(jié)果，此哈希值就是Merkle根。

塊身包括：①操作類型，表示用戶數(shù)據(jù)的處理意圖，可以是創(chuàng)建、錄入、修改、刪除；②操作前信息，記錄用戶即將操作對(duì)象的原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)存在為空的情況；③操作后信息，記錄用戶操作完成后的數(shù)據(jù)；④操作人，記錄發(fā)起操作的用戶。

圖3 區(qū)塊結(jié)構(gòu)-成績(jī)管理模塊

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

參考北航鏈提供的OBCC開(kāi)發(fā)工具包，本文決定使用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)。存儲(chǔ)層采用LevelDB數(shù)據(jù)庫(kù)和Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)。其中調(diào)用的接口包括用戶IP配置模塊、通訊模塊、調(diào)用請(qǐng)求模塊、服務(wù)調(diào)用模塊，系統(tǒng)調(diào)用的API如表2所示。

表2 功能模塊接口設(shè)計(jì)

區(qū)塊鏈中的區(qū)塊加密算法使用SHA256。SHA256算法將任意長(zhǎng)度的輸入值映射為長(zhǎng)度為256的二進(jìn)制值，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性；公私鑰加解密使用橢圓曲線加密算法，保證用戶身份的真實(shí)性；共識(shí)機(jī)制采用并發(fā)拜占庭共識(shí)協(xié)議CBFT，該算法將交易與投票并行進(jìn)行，提高了性能；時(shí)間戳服務(wù)解決“重復(fù)支付”問(wèn)題；區(qū)塊存儲(chǔ)在Merkle樹(shù)中，用于快速驗(yàn)證區(qū)塊的真實(shí)性、減少數(shù)據(jù)傳輸量和計(jì)算復(fù)雜度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以北航鏈為原型，設(shè)計(jì)了一種符合學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)的區(qū)塊鏈運(yùn)行架構(gòu)，該架構(gòu)不僅擁有區(qū)塊鏈去中心化、防篡改、匿名性等特點(diǎn)，而且參考了北航鏈的接口設(shè)計(jì)(OBCC)，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。后期可在學(xué)業(yè)信息管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，使之適應(yīng)更多的教育信息系統(tǒng)；同時(shí)需對(duì)區(qū)塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高建塊效率，增強(qiáng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)穩(wěn)定性。