教育區(qū)塊鏈技術(shù)研究

三亞學(xué)院管理學(xué)院 李海軍 楊 月

信任危機(jī)是現(xiàn)行教育生態(tài)體系面臨的最嚴(yán)重問題。用區(qū)塊鏈技術(shù)來重構(gòu)教育生態(tài)，既是解決信任危機(jī)的重要途徑，也是教育信息化的必然趨勢。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈主要采用以下技術(shù)來解決信任問題：

1.1 塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)是以“記錄-區(qū)塊-鏈”的結(jié)構(gòu)組織的。其中，記錄可以是一條交易記錄（如比特幣中的交易記錄），也可以是一條有證據(jù)含義的信息（或稱數(shù)據(jù)），比如一份會議記錄、一篇發(fā)表的文獻(xiàn)、一次事故記錄、一份體檢報(bào)告，當(dāng)然可以是一份考試答卷及成績。記錄中有些要素不可或缺，如記錄的發(fā)生時間、登載記錄的人（或記錄的屬主）等。每個記錄數(shù)字簽名后都要分發(fā)給其他對等節(jié)點(diǎn)認(rèn)證，達(dá)成共識的記錄才能被真正采用并記入當(dāng)前區(qū)塊。每條認(rèn)證后的記錄經(jīng)過哈希算法處理得到一個本條記錄的哈希值連同記錄本身一同記入?yún)^(qū)塊中。把記錄按發(fā)生的時間順序記錄到特定大小的區(qū)塊后，所有記錄的哈希值的一種管理編碼值，即默克爾根。每個區(qū)塊除了包含一定數(shù)量的記錄外，還需要創(chuàng)建區(qū)塊頭部信息。這些頭部信息包括：前一區(qū)塊的哈希值（引用自上一個區(qū)塊的整體哈希值）、當(dāng)前區(qū)塊的整體哈希值（本區(qū)塊所有內(nèi)容經(jīng)哈希算法處理后得到的哈希值，將被下一個區(qū)塊所引用）、由本區(qū)塊所有記錄產(chǎn)生的哈希值（默克爾根，保證記錄不被非法修改）、時間戳（區(qū)塊產(chǎn)生的時間）、隨機(jī)數(shù)、魔法數(shù)、區(qū)塊大小、區(qū)塊包含的記錄數(shù)、區(qū)塊版本號等。每個區(qū)塊的哈希值都被緊隨其后的后繼區(qū)塊所引用，以此類推不斷延續(xù)，所有區(qū)塊就將鏈接成一個前后關(guān)聯(lián)難以修改的鏈條。任何想在鏈條中間上任何區(qū)塊進(jìn)行的修改，必須相應(yīng)地將其后產(chǎn)生的所有區(qū)塊都做相應(yīng)修改才能保證哈希值引用的相應(yīng)變化。當(dāng)然，新產(chǎn)生的區(qū)塊必須經(jīng)過PeertoPeer（對等網(wǎng)，本文后續(xù)簡稱P2P）網(wǎng)絡(luò)中所有其他節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證，達(dá)成共識后才能順利加入鏈條。這種結(jié)構(gòu)為那些惡意篡改區(qū)塊或記錄的行為設(shè)置了難以逾越的屏障。在教育領(lǐng)域，如果學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的每個關(guān)鍵步驟和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，特別是能體現(xiàn)其學(xué)習(xí)成就的能力指標(biāo)，都通過哈希算法、數(shù)字加密和數(shù)字簽名技術(shù)來加以保護(hù)，并記錄到相應(yīng)的區(qū)塊鏈中，日積月累，形成圍繞學(xué)習(xí)者的能力電子標(biāo)簽或數(shù)據(jù)指紋，就可從根本上杜絕各種作弊造假行為。同時，由于這些特征值都被自動化記錄，方便了成績統(tǒng)計(jì)和素質(zhì)特質(zhì)的自動化抽象。這為用人單位鑒識合適的人才創(chuàng)造了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 P2P網(wǎng)絡(luò)

P2P網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)都具有同等地位和作用，既是資源、服務(wù)和內(nèi)容的提供者，同時又是分享者。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間可直接訪問而無需借由中央服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的中介。P2P網(wǎng)絡(luò)可以按照Kademlia結(jié)構(gòu)來組織，每個節(jié)點(diǎn)都擁有一份動態(tài)節(jié)點(diǎn)路由表。每個節(jié)點(diǎn)擁有的節(jié)點(diǎn)路由表中，始終趨于保存與自己距離（節(jié)點(diǎn)ID值的異或值）最近的節(jié)點(diǎn)ID值表。所有節(jié)點(diǎn)的ID值以二叉樹形式組織，可保證P2P網(wǎng)絡(luò)中任何兩個節(jié)點(diǎn)間快速定位并交互信息。每個節(jié)點(diǎn)都可以創(chuàng)建記錄，也可以將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)新產(chǎn)生的記錄按公認(rèn)的時間順序組織成區(qū)塊。每個節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的記錄或區(qū)塊，都會盡快廣播到全網(wǎng)周知。每個節(jié)點(diǎn)收到相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)來的記錄或區(qū)塊信息，立即進(jìn)行認(rèn)證并轉(zhuǎn)發(fā)給自己已知的近鄰節(jié)點(diǎn)。這樣，區(qū)塊信息和記錄信息可在P2P網(wǎng)絡(luò)中快速廣播，迅速認(rèn)證。獲得公認(rèn)的記錄被添加到當(dāng)前新區(qū)塊的記錄序列尾部。獲得公認(rèn)的新區(qū)塊被添加到當(dāng)前區(qū)塊鏈條的尾部，為全網(wǎng)所共識共有（這一過程被稱為挖礦）。在教育領(lǐng)域，處理的記錄往往體量較大，完全的P2P結(jié)構(gòu)是難以實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槊總€節(jié)點(diǎn)的存儲容量有限、處理能力有限，不同節(jié)點(diǎn)所希望承擔(dān)的工作不盡相同。事實(shí)上，教育領(lǐng)域的應(yīng)用也完全沒必要設(shè)計(jì)為完全的P2P網(wǎng)絡(luò)，很多參與節(jié)點(diǎn)只希望實(shí)現(xiàn)極少量的功能，能夠承擔(dān)全節(jié)點(diǎn)功能的節(jié)點(diǎn)，往往由公信力較高的機(jī)構(gòu)所提供。所以，教育區(qū)塊鏈可考慮以P2P網(wǎng)絡(luò)為基本架構(gòu)構(gòu)建P2P骨干網(wǎng)，在骨干網(wǎng)外圍分層，不同層的節(jié)點(diǎn)完成不同的功能，每層內(nèi)以P2P結(jié)構(gòu)組織，層與層之間以高速可靠的認(rèn)證網(wǎng)關(guān)接通。甚至記錄本身都可不真的加入到其已歸屬的區(qū)塊中，只將該記錄的哈希值等關(guān)鍵信息記入其所歸屬的區(qū)塊中，這樣有利于為區(qū)塊瘦身。大體量的記錄可存儲到云端特定的公共存儲池中，以備需要時下載使用。而全功能節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)得以減輕。

1.3 去中心化存儲處理體系

教育領(lǐng)域應(yīng)用以大記錄為特征（比如多媒體課件、音視頻素材等），其存儲體系應(yīng)當(dāng)采用分布式存儲體系，以減少巨量數(shù)據(jù)訪問和傳輸所帶來的帶寬壓力。P2P網(wǎng)絡(luò)中全功能節(jié)點(diǎn)既能生產(chǎn)記錄、生產(chǎn)區(qū)塊，也能驗(yàn)證記錄、驗(yàn)證區(qū)塊，當(dāng)然也能將區(qū)塊追加到鏈尾。一個節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的記錄或區(qū)塊，需要盡可能快地得到全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證。如果記錄或者區(qū)塊過大，則必然帶來網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力和處理時延問題。另外，普通節(jié)點(diǎn)的存儲空間和處理能力有限，隨著區(qū)塊全鏈越來越大，終將難負(fù)其重。教育領(lǐng)域的記錄不僅體量大，而且形式多樣，組成復(fù)雜，完全去中心化的對等網(wǎng)絡(luò)難竟其功。對于具體的獨(dú)立鏈體（比如單指主鏈單體，或子鏈、側(cè)鏈單體），可仿照以太坊的做法，將節(jié)點(diǎn)分層分類。比如，我們可以設(shè)計(jì)兩類節(jié)點(diǎn)：第一類節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為全鏈節(jié)點(diǎn)，提供區(qū)塊鏈的整鏈認(rèn)證、存儲、備份、交換、分發(fā)等工作，即所謂的挖礦節(jié)點(diǎn)。第二類節(jié)點(diǎn)提供生產(chǎn)并認(rèn)證記錄的功能。第一類節(jié)點(diǎn)應(yīng)保持足夠大的數(shù)量，且擁有超強(qiáng)超高速的處理和傳輸能力。各類屬內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，具有完全相同的功能，并且形成P2P對等網(wǎng)絡(luò)。而類屬節(jié)點(diǎn)層之間，則建構(gòu)高速的數(shù)據(jù)交換鏈路，并且形成分區(qū)分片的從屬關(guān)系。分區(qū)分片按照P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的ID異或距離劃分。我們可以把第一類節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)為公共基礎(chǔ)設(shè)施層，不僅植入規(guī)范的智能合約，而且以嚴(yán)格的法律法規(guī)加以約束，使其不至于形成中心化的權(quán)威專制機(jī)構(gòu)。P2P網(wǎng)絡(luò)可提供公正自發(fā)的競評獎懲機(jī)制，優(yōu)勝劣汰，將低能、劣質(zhì)和惡性節(jié)點(diǎn)及時自動清理出網(wǎng)。教育區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)中，可以考慮由有資質(zhì)的教育主管部門和公共教育服務(wù)部門按照統(tǒng)一的規(guī)范構(gòu)建第一類節(jié)點(diǎn)，提供骨干網(wǎng)，而各個教學(xué)單位作為第二類節(jié)點(diǎn)加入第二層節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，提供記錄生產(chǎn)認(rèn)證功能。兩類節(jié)點(diǎn)層之間以高速網(wǎng)關(guān)聯(lián)通。

1.4 智能合約

合約就是共同認(rèn)可的約定，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的合約被所有節(jié)點(diǎn)（或合約賬戶）所認(rèn)可。智能合約是指將合約用計(jì)算機(jī)語言寫成能自動執(zhí)行的代碼（也包括代碼所處理的代表合約狀態(tài)的數(shù)據(jù)），當(dāng)滿足合約所約定的條件（合約數(shù)據(jù)狀態(tài)）時，合約就會被觸發(fā)并引導(dǎo)系統(tǒng)自動執(zhí)行合約所規(guī)定的相應(yīng)操作（即合約程序代碼所設(shè)計(jì)的操作）。當(dāng)然，合約執(zhí)行的結(jié)果也需要相關(guān)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)并達(dá)成認(rèn)可共識。智能合約的這種特質(zhì)，使得P2P網(wǎng)絡(luò)中的所有信息交換、數(shù)據(jù)儲存、狀態(tài)變化、記錄登記和分發(fā)都由既定程序自行推進(jìn)，從而擺脫了人為操控所帶來的信任隱患。另外，智能合約所導(dǎo)致的P2P網(wǎng)絡(luò)中的每一步狀態(tài)變化，都以合約賬戶的私鑰簽名并哈希鏈鎖，以防止篡改和抵賴。教育領(lǐng)域的智能合約，開發(fā)任務(wù)繁重，發(fā)展應(yīng)用空間廣闊。比如隨機(jī)智能組卷、主客觀試題智能判分、教學(xué)素材智能升級換代、學(xué)習(xí)者綜合素質(zhì)智能評判、學(xué)習(xí)智能導(dǎo)引、文憑證書智能獲取、專長人才智能推薦等等。隨著這些智能合約的不斷開發(fā)和完善，教育領(lǐng)域?qū)⒂瓉硪淮胃锩宰兏铩?/p>

1.5 自生長生態(tài)系統(tǒng)

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€可自組織自生長的生態(tài)系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)可以自由加入或退出，區(qū)塊鏈中的節(jié)點(diǎn)會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的變化自動維護(hù)各自當(dāng)前近鄰節(jié)點(diǎn)路由表。區(qū)塊鏈中設(shè)計(jì)了動態(tài)評分機(jī)制，具有惡意行為的節(jié)點(diǎn)會被及時清出網(wǎng)絡(luò)。對于具有區(qū)塊創(chuàng)建（挖礦）、記錄創(chuàng)建功能的節(jié)點(diǎn)，區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)了獎勵機(jī)制，可有效激勵節(jié)點(diǎn)參與的積極性，同時維持網(wǎng)絡(luò)的活躍性和生長性。區(qū)塊鏈中的P2P結(jié)構(gòu)，要求具有全功能的節(jié)點(diǎn)數(shù)必須維持在一定數(shù)量及比例之上，避免區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)向中心化演進(jìn)，預(yù)防出現(xiàn)中心化的權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)而威脅到公開、公平和信任體系。教育區(qū)塊鏈從解決信任問題出發(fā)，自生長的生態(tài)系統(tǒng)，可避免人為操控所帶來的信任損失。因此，教育區(qū)塊鏈應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為一個安全可靠的自生長生態(tài)系統(tǒng)。

2 教育區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)型

教育區(qū)塊鏈與比特幣之類數(shù)字貨幣交易系統(tǒng)不同，它是一個復(fù)雜的信息管理應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)。盡管也具有分布式記賬機(jī)制，但其所記賬的內(nèi)容則非簡單的交易條目，而是單元化的多媒體信息。相對于比特幣的單鏈結(jié)構(gòu)，教育區(qū)塊鏈更復(fù)雜，是前述多個鏈條的整合體，必須以多鏈形式來組織，多鏈之間還要保證高效可靠的信息交換和共享通道。教育區(qū)塊鏈中的記錄單元內(nèi)容復(fù)雜且體量大，這給數(shù)據(jù)存儲和同步帶來巨大挑戰(zhàn)。完全對等的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)顯然難以勝任這樣的應(yīng)用。記錄（特別是教學(xué)素材）需要具備可修改和升級換代的特性，這對于塊鏈?zhǔn)降哪虘B(tài)信息的管理機(jī)制提出了根本性挑戰(zhàn)。以太坊使用一種兩層對等網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)架構(gòu)來應(yīng)對大體量交易條目的存儲和認(rèn)證挑戰(zhàn)。阿希（Asch）項(xiàng)目提供了一種側(cè)鏈架構(gòu)來解決可變性記錄的維護(hù)和管理。Metanet是一個商品分類賬，它采用比特幣技術(shù)分支BSV（Bitcoin Satoshi Vision）架構(gòu)，所有對象都可被放到一個區(qū)塊鏈中。Metanet項(xiàng)目目前已經(jīng)可用Twitter-to-Bitcoin機(jī)器人程序，自動抓取推文，并通過OP_return碼直接寫入到BSV鏈上。此項(xiàng)目致力于成為互聯(lián)網(wǎng)的替代品，或者讓互聯(lián)網(wǎng)成為它的一個側(cè)鏈。PlatOn項(xiàng)目則同時搭建主鏈與子鏈，子鏈?zhǔn)且环N分層平行擴(kuò)展方式，是在主鏈平臺上派生出來的、具有獨(dú)立功能的區(qū)塊鏈。子鏈不能單獨(dú)存在，它需要用到主鏈的全局共識機(jī)制，共用主鏈的智能合約。