區(qū)塊鏈的技術綜述以及在高校信息化的應用探索

羅軍鋒 馮興利

摘要：近年來，區(qū)塊鏈技術發(fā)展迅速，已經(jīng)引起了廣大科技人員和產(chǎn)業(yè)人員的關注。隨著區(qū)塊鏈技術的發(fā)展和應用，必然會對高校信息化帶來機遇與挑戰(zhàn)。本文介紹了區(qū)塊鏈的概念、特點及關鍵技術，并對區(qū)塊鏈對高校信息化帶來的機遇和挑戰(zhàn)進行了初步探討。

關鍵詞：區(qū)塊鏈；去中心化；高校信息化

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0077-02

1 引言

2008年一個叫中本聰?shù)膶W者提出了被稱為比特幣的數(shù)字貨幣，這種數(shù)字貨幣底層核心技術就是采用了區(qū)塊鏈，從此區(qū)塊鏈隨著比特幣的風靡全球而掀起了一輪研究熱潮。區(qū)塊鏈技術被認為是繼蒸汽機、電力、互聯(lián)網(wǎng)之后的又一項顛覆性核心技術，因為將可能顛覆人類目前的中心化的價值傳遞方式。2016年美國、英國、日本等發(fā)達國家相繼將區(qū)塊鏈技術上升到國家戰(zhàn)略層面，成立了區(qū)塊鏈發(fā)展聯(lián)盟。同年，國務院印發(fā)的《“十三五”國家信息化規(guī)劃》首次將區(qū)塊鏈列入我國的國家信息化規(guī)劃并將其定為戰(zhàn)略性前沿技術之一[1]。當前，各個行業(yè)都在積極研究、積極探索怎么將區(qū)塊鏈技術引入到行業(yè)內(nèi)來解決行業(yè)難題，促進行業(yè)持續(xù)、創(chuàng)新發(fā)展。目前在金融、科技、能源、食品等領域都有不同程度的應用進展。隨著區(qū)塊鏈技術的發(fā)展進步以及應用領域的不斷擴展，區(qū)塊鏈在教育領域尤其是高等教育領域也有巨大的潛力，因此，本文將對區(qū)塊鏈技術的概念與核心技術進行介紹，分析，結合高校信息化的現(xiàn)狀，對即將面臨的挑戰(zhàn)進行分析，以拋磚引玉，加快我國高校信息化中區(qū)塊鏈技術的應用進程。

2 區(qū)塊鏈概念及特點

區(qū)塊鏈是一種把區(qū)塊以鏈的方式組合在一起的數(shù)據(jù)結構，它不再依賴中心化的機構，而是在各個節(jié)點中進行分布式存儲。因此，區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個由眾多獨立節(jié)點參與的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。區(qū)塊按照交易的時間順序生成并記錄待處理的交易信息，由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成，區(qū)塊頭負責如何鏈接到下一個區(qū)塊，區(qū)塊體負責存儲自前一個區(qū)塊之后的交易數(shù)據(jù)信息[2]。

區(qū)塊鏈技術的基本原理是將傳統(tǒng)由中心化的機構統(tǒng)一進行記錄和管理的集中式記賬賬單改變成由各個節(jié)點共同存儲和管理維護的分布式賬單，每一筆交易信息都對全網(wǎng)的用戶是透明的，每一筆交易的信息都由有所有用戶共同核對和管理，這種機制使得整個交易可以在互相缺乏信任的對象之間進行，從而保障信息的真實性與可信度。

區(qū)塊鏈技術這種數(shù)據(jù)結構與運作機制，使區(qū)塊鏈技術具有以下幾個特點：去中心化、不可篡改、可追溯性及高度信任、高可用等特點。

（1）去中心化

區(qū)塊鏈中的各個節(jié)點都是平等的，不存在所謂的中心節(jié)點，通過分布式存儲的形式，由各個節(jié)點共同參與管理與維護、實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自我驗證、傳遞和管理。數(shù)據(jù)在每個節(jié)點互為備份，各節(jié)點地位平等共同維護系統(tǒng)功能，因此系統(tǒng)不會因為任意節(jié)點的損壞或異常而影響正常運行，使得基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲具有較高的安全可靠性。

（2）不可篡改

區(qū)塊鏈系統(tǒng)采取的是完全冗余的策略，每一個節(jié)點都有一份完整數(shù)據(jù)，由于運行于節(jié)點的共識機制使得某一個節(jié)點數(shù)據(jù)的非法篡改無法影響到其他節(jié)點，因此降低了數(shù)據(jù)篡改的風險。

（3）可追溯性

區(qū)塊鏈存儲著自系統(tǒng)運行以來的所有交易數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)信息全部存儲在帶有時間戳的鏈式區(qū)塊結構里，具有極強的可追溯性和可驗證性。區(qū)塊鏈中任意兩個區(qū)塊間都通過密碼學方法相關聯(lián)，可以追溯到任何一個區(qū)塊的數(shù)據(jù)信息，非常方便監(jiān)管機構的審計和監(jiān)督工作.

（4）高度信任

區(qū)塊鏈是一個高可信的數(shù)據(jù)庫，這種信任無須參與者的相互信任，而是依賴于算法的自我約束，任何惡意欺騙系統(tǒng)的舉動都難以逃過其他所有節(jié)點的“慧眼”。

（5）高可用

傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫采用主備模式來保障系統(tǒng)高可用，如果主數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)問題，備份數(shù)據(jù)庫就及時切換作為主數(shù)據(jù)庫這種架構方案配置復雜，維護煩瑣且造價昂貴。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，任何節(jié)點都是一個異地多活節(jié)點，因此少部分節(jié)點故障不會影響整個系統(tǒng)的正確運行，并且故障修復后能自動從全網(wǎng)節(jié)點同步數(shù)據(jù)，保證了系統(tǒng)整體的高可用。

當然區(qū)塊鏈雖然具有一系列優(yōu)勢特點，但并不意味著目前不存在局限性。區(qū)塊鏈技術目前還存在著區(qū)塊存儲容量的限制、確認時間過長導致交易效益低下、基于工作量證明的共識機制能耗大等現(xiàn)象，同時還存在查詢統(tǒng)計困難、數(shù)據(jù)隱私難以保證等問題，這些都限制了其在商業(yè)上的大規(guī)模應用。如同任何新技術一樣，區(qū)塊鏈技術的突破，還需要較長時間的積累。

3 區(qū)塊鏈的架構與核心技術

（1）區(qū)塊鏈的基礎架構

區(qū)塊鏈技術的基礎架構模型如圖1 所示。一般說來， 區(qū)塊鏈系統(tǒng)由網(wǎng)絡層、共識層、數(shù)據(jù)層、合約層和應用層組成[3]。 其中，共識層、數(shù)據(jù)層、合約層體現(xiàn)了區(qū)塊鏈的核心所在。

（2）網(wǎng)絡層

區(qū)塊鏈選擇使用了P2P協(xié)議作為網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，這種協(xié)議具有完全分布、可容忍單點故障的優(yōu)勢，因而區(qū)塊鏈中的網(wǎng)絡節(jié)點具有平等、自治、分布等特性。所有節(jié)點之間直接相互連通，不存在所謂的中心化權威節(jié)點和過多的層級結構，每一個節(jié)點均具有直接交易、路由發(fā)現(xiàn)、廣播區(qū)塊、發(fā)現(xiàn)新節(jié)點等相同的功能。

在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中，每一個節(jié)點時刻監(jiān)聽來自網(wǎng)絡中的廣播數(shù)據(jù)，當接收到新交易和新區(qū)塊時，其首先便會驗證這些交易和區(qū)塊中交易數(shù)據(jù)的簽名、工作量證明等是否有效，只有通過節(jié)點的驗證，這些新交易和新區(qū)塊才會被處理和轉發(fā)，這樣就防止了無效數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳播[3]。

（3）共識層

在高度分散的去中心化系統(tǒng)中使得各節(jié)點高效地針對區(qū)塊數(shù)據(jù)的有效性達成共識是區(qū)塊鏈技術的其中一個核心優(yōu)勢。早期的區(qū)塊鏈技術采用高度依賴節(jié)點算力的工作量證明（Proof of work， PoW）機制來保證比特幣網(wǎng)絡分布式記賬的一致性。為了避免高度依賴節(jié)點算力所帶來的電能消耗，研究者又提出多種不依賴算力而能夠達成共識的機制， 例如權益證明（Proof of stake， PoS） 共識和授權股份證明機制 （Delegated proof of stake，DPOS） 等。對這些共識機制的封裝從而形成了區(qū)塊鏈的共識層。

（4）數(shù)據(jù)層

區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)層可以從數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)存儲三方面來介紹。在數(shù)據(jù)結構方面，區(qū)塊鏈引入了一種叫作區(qū)塊的鏈式結構。每個區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成，區(qū)塊頭中存放了前塊哈希、Merkle根、時間戳等信息，區(qū)塊體中存放了自前一區(qū)塊之后發(fā)生的多筆交易。區(qū)塊鏈使用了Merkle樹和區(qū)塊鏈表來保障數(shù)據(jù)的不可篡改性。在數(shù)據(jù)模型方面，已經(jīng)從采用交易模型轉到采用賬戶模型來，二者的主要區(qū)別就是前者側重于交易過程，而后者加強了交易余額或者業(yè)務狀態(tài)數(shù)據(jù)的描述。由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)中存在大量哈希計算、交易、區(qū)塊都依靠哈希值進行標識，所以底層數(shù)據(jù)庫通常都選擇了Key-Value數(shù)據(jù)庫。

（5）合約層

智能合約是運行在區(qū)塊鏈上的一段計算機代碼，其擴展了區(qū)塊鏈的功能，對區(qū)塊鏈的上層應用中的業(yè)務邏輯進行了擴展和約定。智能合約定義了交易邏輯及訪問狀態(tài)數(shù)據(jù)的業(yè)務規(guī)則，將其發(fā)布到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)點上讓外部應用調(diào)用，并依照合約執(zhí)行交易和訪問狀態(tài)數(shù)據(jù)。

隨著區(qū)塊鏈技術的發(fā)展，智能合約中的腳本語言也從非圖靈完備的簡單腳本向圖靈完備的高級語言發(fā)展，大大提升了智能合約開發(fā)者的學習熱情。另外，智能合約腳本不能直接運行在區(qū)塊鏈節(jié)點上，這是為了保障節(jié)點的安全，而是運行在隔離的沙箱環(huán)境中，類似java虛擬機的環(huán)境。

（6）應用層

應用層則封裝了區(qū)塊鏈的各種應用場景和案例。

4 區(qū)塊鏈技術對高校信息化帶來的機遇與挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈技術的特點決定了其必將影響傳統(tǒng)的中心化的體制機制，必將帶來數(shù)據(jù)庫技術的一次革命性的探索，對高校領域的應用場景至少包括：

（1）學籍證明

由于區(qū)塊鏈技術的不可篡改特性 可把區(qū)塊鏈技術應用于學籍證明，以保障學籍信息的安全性和真實性。通過區(qū)塊鏈技術可以大大減少高校維護學生基本信息的成本，數(shù)據(jù)的可信性能得到充分的保障。

（2）教師教學資源的自治化管理與資源共享

區(qū)塊鏈是一種不設置中心管理、只通過分布式計算的網(wǎng)狀結構。廣大教師的教學資源均為非結構化數(shù)據(jù)，通過區(qū)塊鏈技術的引入，利用它去中心化的特征以及智能合約，共識機制就可以充分調(diào)動各個節(jié)點—教師之間的傳遞、管理，最終實現(xiàn)教師教學資源的自治化管理與資源共享。

（3）電子簽名

利用區(qū)塊鏈中智能合約可以存儲個人的身份信息這一特點，一旦身份信息被篡改就會觸發(fā)一定的條款，身份所有者就會知曉。加上區(qū)塊鏈中的時間戳、以及特有的可追溯性，可以確保簽名人信息的完整和權威。

（4）分布式存儲

對于關鍵信息，采用基于區(qū)塊鏈的存儲技術將大大提升數(shù)據(jù)的可靠性、安全性。目前已經(jīng)出現(xiàn)了比較成熟的基于區(qū)塊鏈的文件存儲系統(tǒng)，如：Storj，siacoin等。

可以肯定地說，雖然區(qū)塊鏈技術目前還不成熟，但不妨礙她在不遠的將來對高校的信息化帶來新的提升，高校信息化的發(fā)展必然也是緊跟技術前沿，作為高校信息化從業(yè)者將任重道遠。

5 結束語

區(qū)塊鏈能夠做到在沒有第三方權威機構的監(jiān)督管理下，能夠在互相不熟悉、不了解的交易雙方間之間建立可靠的信任，以保證交易雙方的正常交易。這種模式對傳統(tǒng)中心化的機制帶來了巨大的沖擊，其天然的可信、安全的機制使得區(qū)塊鏈的發(fā)展應用帶來更多的想象空間，區(qū)塊鏈技術作為當下最熱門的技術之一，值得我們投入更多的時間與精力進行學習和研究。

參考文獻：

[1] 楊現(xiàn)民，李新，吳煥慶，趙可云. 區(qū)塊鏈技術在教育領域的應用模式與現(xiàn)實挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2017（2）：34-44.

[2] 袁勇，王飛躍.區(qū)塊鏈技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].自動化學報，2016，42（4）：481-494.

[3] 邵奇峰，金澈清，張召，錢衛(wèi)寧，周傲英.區(qū)塊鏈技術：架構及進展[J].計算機學報，2018，5，41（5）：969-988.

【通聯(lián)編輯：王力】