區(qū)塊鏈技術(shù)在學(xué)籍管理的應(yīng)用

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摘要：針對(duì)傳統(tǒng)學(xué)籍管理系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)篡改和隱私泄露等問題，筆者提出將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在學(xué)籍管理中，并設(shè)計(jì)了智能合約實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問控制，結(jié)合中心化的管理思想規(guī)范了系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的行為。實(shí)踐表明，基于區(qū)塊鏈的學(xué)籍管理系統(tǒng)具有較好的時(shí)間性能和功能健壯性。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；學(xué)籍管理；智能合約；訪問控制

學(xué)籍管理是高校和教育管理部門的一項(xiàng)重要工作，與學(xué)生的升學(xué)、就業(yè)息息相關(guān)。隨著我國(guó)信息化建設(shè)的不斷深入，學(xué)籍管理也從紙質(zhì)化存儲(chǔ)過渡到無紙化的信息化管理，但傳統(tǒng)的學(xué)籍管理系統(tǒng)都是中心化存儲(chǔ)模式，已暴露出巨大的安全隱患，迫切需要一種新的管理模式來有效管理重要的學(xué)籍信息。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N新型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)和時(shí)間戳技術(shù)將數(shù)據(jù)按照出現(xiàn)的先后順序存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)鏈中，具有去中心化、去信任、不可篡改和可追溯等特點(diǎn)。隨著人們對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)研究的不斷深入，區(qū)塊鏈也從最早的數(shù)字金融領(lǐng)域擴(kuò)展到其他社會(huì)生活領(lǐng)域，如身份認(rèn)證[1]、農(nóng)產(chǎn)品溯源[2]、醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)[3]等領(lǐng)域。區(qū)塊鏈技術(shù)為學(xué)籍管理提供了新思路，也為探索區(qū)塊鏈按技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用提供了借鑒。

1傳統(tǒng)學(xué)籍管理系統(tǒng)存在的問題

1.1存在被黑客攻擊的風(fēng)險(xiǎn)

在中心服務(wù)器中，學(xué)籍信息一旦成為黑客的攻擊對(duì)象，數(shù)據(jù)則存在被篡改的巨大風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。例如，求職者為了謀求高薪，學(xué)歷造假事件屢見不鮮，很多不法分子試圖入侵學(xué)信網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)偽造學(xué)生的學(xué)歷證書，一旦服務(wù)器遭到破壞則很難保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。區(qū)塊鏈的去中心化存儲(chǔ)便能夠很好地解決該問題，數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)中，即使一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)遭到破壞，另外節(jié)點(diǎn)也可以提供數(shù)據(jù)的真實(shí)性證明。

1.2數(shù)據(jù)泄露現(xiàn)象嚴(yán)重

學(xué)生對(duì)自己的學(xué)籍?dāng)?shù)據(jù)沒有操作的權(quán)限，且數(shù)據(jù)存在被泄露的可能。如果高考生的檔案信息被非法泄露，很可能會(huì)給社會(huì)和考生本人帶來負(fù)面的影響。與去醫(yī)院看病類似，電子病歷存儲(chǔ)在醫(yī)院的服務(wù)器中，從而就存在泄露的巨大風(fēng)險(xiǎn)。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式使得個(gè)人可以管理自己的學(xué)籍信息成為可能，可追溯性也降低了隱私泄露的可能[6-10]。總體來說，中心化存儲(chǔ)暴露出來的一系列問題給人們帶來了巨大困擾，迫切需要一種更加安全、透明和可信的方法來有效管理學(xué)籍信息。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不依賴中心節(jié)點(diǎn)，而是由所有的節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)，節(jié)點(diǎn)之間無須相互信任，并且數(shù)據(jù)一經(jīng)上鏈不可篡改，每一筆數(shù)據(jù)都可追溯。另外，區(qū)塊鏈學(xué)籍管理方便學(xué)校對(duì)學(xué)生的學(xué)籍信息進(jìn)行有效管理，為國(guó)家機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位招聘人才提供真實(shí)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多方共贏。采用區(qū)塊鏈進(jìn)行學(xué)籍信息管理有利于凈化就業(yè)市場(chǎng)的造假行為，從而構(gòu)建健康的國(guó)家信用體系。

2基于區(qū)塊鏈的學(xué)籍管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的學(xué)籍管理系統(tǒng)采用Hyperledgerfabric框架搭建底層區(qū)塊鏈環(huán)境，系統(tǒng)中的用戶有高校、學(xué)生、企業(yè)，可以將用戶劃分為兩個(gè)組織，一個(gè)是高校組織，另一個(gè)是企業(yè)組織。兩個(gè)組織同屬于一個(gè)channel，高校組織下包含很多學(xué)生節(jié)點(diǎn)和高校節(jié)點(diǎn)，企業(yè)組織下有很多企業(yè)節(jié)點(diǎn)，共同構(gòu)成一個(gè)學(xué)籍管理的聯(lián)盟鏈。系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)如圖1所示。APP代表客戶端，用來創(chuàng)建交易并向orderer節(jié)點(diǎn)（排序節(jié)點(diǎn)）提交交易請(qǐng)求；CA負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的證書進(jìn)行管理；MSP（成員服務(wù)提供者）為客戶端和Peer節(jié)點(diǎn)提供證書組件；Channel為通道，負(fù)責(zé)提供統(tǒng)一的通信信道；Orderer為排序節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)交易請(qǐng)求進(jìn)行排序，并生成區(qū)塊廣播給通道內(nèi)的Peer；Peer為聯(lián)盟鏈中的所有節(jié)點(diǎn)。

2.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

本系統(tǒng)整體采用MVC架構(gòu)，如圖2所示。MVC將應(yīng)用程序劃分為3種組件，并明確定義了它們之間的相互作用[11-15]。模型（Model）：底層采用HyperledgerFabric框架構(gòu)成區(qū)塊鏈底層分布式網(wǎng)絡(luò)，底部的最新交易消息是由couchDB存儲(chǔ)，歷史交易消息是由levelDB存儲(chǔ)，總體交易消息以文件形式存儲(chǔ)在服務(wù)器上。視圖（View）：與用戶交互，負(fù)責(zé)發(fā)送用戶請(qǐng)求并將執(zhí)行結(jié)果返回給用戶，本文采用單頁(yè)面多選項(xiàng)卡表格的形式顯示學(xué)生、高校與企業(yè)的信息。控制器（Controller）：負(fù)責(zé)從view讀取數(shù)據(jù)，控制用戶輸入，并通過sdk調(diào)動(dòng)智能合約向模型發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的智能合約

基于區(qū)塊鏈的學(xué)籍管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的查詢與更新操作均采用智能合約方式進(jìn)行。智能合約以計(jì)算機(jī)程序?yàn)檩d體，數(shù)據(jù)由事先編寫的代碼進(jìn)行控制，不需要人為參與，降低了數(shù)據(jù)誤操作的風(fēng)險(xiǎn)，提高了合約的準(zhǔn)確度。

2.4借鑒中心化的管理思路

在完全去中心化的管理模式中，仍然存在個(gè)別多余的節(jié)點(diǎn)，針對(duì)該問題借鑒中心化管理思路對(duì)于有違規(guī)行為的系統(tǒng)用戶進(jìn)行中心化管理，彌補(bǔ)去中心化管理存在的不足。基于區(qū)塊鏈的學(xué)籍管理系統(tǒng)的一個(gè)擴(kuò)展功能就是建立用戶的信用體系，如果用戶存在違反智能合約或者非法操作數(shù)據(jù)的行為，在信用值下降到一個(gè)閾值時(shí)將會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)黑名單，系統(tǒng)管理員可以禁用進(jìn)入黑名單的用戶賬號(hào)。

3系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

本文對(duì)區(qū)塊鏈學(xué)籍管理系統(tǒng)的時(shí)間性能和功能健壯性進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境如下：操作系統(tǒng)macos10.15、容器docker17.03.0、區(qū)塊鏈框架hyperledger1.4.2、智能合約語(yǔ)言golang1.12.1、CPUinteri5；Caliper版本0.1.0。Caliper是fabric區(qū)塊鏈性能測(cè)試框架，用戶可以在定義好測(cè)試集的情況下針對(duì)自己的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能測(cè)試，獲取一系列的測(cè)試結(jié)果并生成測(cè)試報(bào)告，本實(shí)驗(yàn)使用Caliper的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合性能測(cè)試。測(cè)試中分別調(diào)用查詢學(xué)生信息函數(shù)以及增加學(xué)生信息的函數(shù)作為讀和寫操作的測(cè)試用例，讀寫各執(zhí)行10000次。得到的測(cè)試結(jié)果如下：①單機(jī)環(huán)境下的讀寫操作吞吐量分別為55.2tps和13.2tps，最大時(shí)延分別為5.12s和1.53s，最小時(shí)延分別為3.94s和0.11s，平均時(shí)延分別為4.11s和1.32s；②多機(jī)環(huán)境下讀寫操作的吞吐量分別為403.4tps和201.3tps，最大時(shí)延分別為3.23s和1.23s，最小時(shí)延分別為0.91s和0.14s，平均時(shí)延分別為2.21s和0.97s。對(duì)比需要花費(fèi)大量算力資源的比特幣和以太坊系統(tǒng)，節(jié)約了大量的成本，同時(shí)該系統(tǒng)在寫入時(shí)可以達(dá)到213筆/s，查詢時(shí)達(dá)到550筆/s的吞吐量，并且時(shí)延也在1s左右，能夠滿足吞吐量和時(shí)延設(shè)計(jì)要求。另外，在系統(tǒng)健壯性測(cè)試方面，對(duì)用戶登錄、查詢、刪除、添加、修改和拉黑等功能進(jìn)行測(cè)試，均順利通過，證明系統(tǒng)能夠滿足健壯性需求。

4結(jié)語(yǔ)

目前，區(qū)塊鏈在教育領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，筆者對(duì)“區(qū)塊鏈+教育”進(jìn)行了深入探討。從實(shí)際應(yīng)用效果看，在教育行業(yè)中運(yùn)用區(qū)塊鏈能很好地解決傳統(tǒng)中心化存儲(chǔ)中存在的問題，是大勢(shì)所趨，但如何進(jìn)行大范圍推廣還面臨著很多問題，需要研究者進(jìn)行深入研究。

作者：史十尹 鄧小鴻 單位：贛南科技學(xué)院