基于區(qū)塊鏈技術(shù)的學分銀行信息管理模型研究

黎富貴　李敏　莫秋榮

[摘 要]學分銀行是實現(xiàn)終身學習的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，文章提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的學分銀行信息管理模型（BCBM）。首先給出管理模型框架設(shè)計原理;其次提出一種聯(lián)盟式學分銀行區(qū)塊鏈系統(tǒng)共識算法——GPBFT算法，用有序組平衡多叉樹改進merkle樹—B_merkle樹，快速生成新的區(qū)塊，提升查詢認證驗證效率;最后，設(shè)計權(quán)限合約、學習成果轉(zhuǎn)換標準合約、認證標準合約等學分銀行智能合約，保證區(qū)塊鏈的自動運行和無篡改執(zhí)行。實驗分析表明，該管理模型使學分銀行的學習成果數(shù)據(jù)透明化、不被篡改，在網(wǎng)絡(luò)開銷和系統(tǒng)開銷等方面有著良好的表現(xiàn)，為學分銀行信息管理提供新的技術(shù)思路和方法。

[關(guān)鍵詞]學分銀行;區(qū)塊鏈;共識算法;B_merkle樹;智能合約

[中圖分類號]TP311 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2021）02-0015-05

引言

隨著科技的不斷進步，信息技術(shù)深入社會的每個層面，社會各行業(yè)對人才的需求呈現(xiàn)多元化趨勢，傳統(tǒng)在校、線下單一的教育模式已經(jīng)難以滿足信息時代就業(yè)市場對創(chuàng)新人才的要求。學分銀行打破傳統(tǒng)的教育模式與管理方式，滿足現(xiàn)代學習者終身教育和個性化學習的需求。學分銀行的推行使學習者可以跨領(lǐng)域、跨專業(yè)、跨時空選擇學習內(nèi)容并進行存儲、轉(zhuǎn)換、兌換教育成果（學分），實現(xiàn)各類教育（培訓）機構(gòu)相互認證，搭建起基于教育大數(shù)據(jù)的終身學習“立交橋”。這就需要一個集安全性、分布式、透明性于一體的成果記錄體系。

目前，一些學歷信用記錄體系存在數(shù)據(jù)不完整、缺乏簡單高效的驗證手段、學分銀行平臺體系之間（學習信息管理平臺）相互獨立、產(chǎn)生數(shù)據(jù)孤島等問題，導致管理者難以獲得完整的有效信息，很多學者對學分銀行如何管理教育成果作了一些研究，主要是通過建立標準體系和信息管理系統(tǒng)平臺進行管理、認證和轉(zhuǎn)換，但難以保證學習成果的安全可靠，如采用大數(shù)據(jù)—云計算技術(shù)向?qū)W習者推薦學習相關(guān)服務(wù)，尚未完全解決好學分銀行中云管理可靠性和安全性問題[1];通過引入SaaS 多租戶模式的中心化學分銀行系統(tǒng)，在學分銀行系統(tǒng)中實現(xiàn)單一實例應(yīng)用多次，在后臺數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)租戶間的數(shù)據(jù)共享和隔離[2];有的學者從學分銀行商業(yè)和技術(shù)需求的角度，提出了一個實用的分步指南，以識別系統(tǒng)中的服務(wù)[3]。

為了解決海量的學習成果數(shù)據(jù)壁壘問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性、完整性，本文設(shè)計了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的學分銀行信息管理模型，實現(xiàn)學習過程記錄透明化、學習成果難以篡改、學習成果認定和轉(zhuǎn)換高效可信的功能，提供需求分析和決策支持，由學分銀行教育機構(gòu)負責維護以太坊區(qū)塊的生成與校驗，實現(xiàn)賬戶間交易的去中心化執(zhí)行。

一、區(qū)塊鏈技術(shù)概述

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種應(yīng)用于數(shù)字貨幣—比特幣的底層技術(shù)（分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)），具有去中心化、自治性、防篡改、不可偽造、可追溯等特點[4]。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為區(qū)塊內(nèi)和區(qū)塊間鏈式結(jié)構(gòu)。區(qū)塊包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體，頭部信息是元數(shù)據(jù)，為區(qū)塊間提供關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，包含版本號、時間戳、前驅(qū)區(qū)塊地址、隨機數(shù)、哈希值、Merkle根值等信息內(nèi)容;區(qū)塊體包括區(qū)塊間交易的數(shù)量和交易記錄，交易的記錄由Merkle樹生成的哈希值（Merkle根值）記錄到區(qū)塊頭。獲得記賬權(quán)的礦工將當前區(qū)塊鏈接到前一區(qū)塊，形成最新記賬權(quán)的礦工將當前區(qū)塊鏈接到前一區(qū)塊，即為最新的區(qū)塊主鏈。區(qū)塊間依次相連，形成從創(chuàng)初區(qū)塊到當前區(qū)塊的一條主鏈，就是記錄了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的完整歷史數(shù)據(jù)。完整歷史數(shù)據(jù)可提供區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的溯源和歷史定位。根據(jù)節(jié)點的訪問權(quán)限開放程度（去中心化程度），區(qū)塊鏈分為私有鏈、聯(lián)盟鏈、公有鏈3種[5]。本文采用的是hyperledger fabric1.4聯(lián)盟鏈，依據(jù)一是學分銀行是由各教育機構(gòu)（高校）、政府部門、企業(yè)等共同參與管理，二是聯(lián)盟鏈支持和擴展PBFT等共識算法。

二、基于區(qū)塊鏈技術(shù)學分銀行管理模型設(shè)計

（一）區(qū)塊鏈模型框架設(shè)計

多數(shù)據(jù)源-區(qū)塊鏈學分銀行區(qū)塊鏈框架如圖1所示。

通常情況下，學習者是學分銀行成果的主要提供者，原始學習成果存儲到學分銀行節(jié)點數(shù)據(jù)庫中。教育（培訓機構(gòu)）、企業(yè)（用人單位）是學習成果的管理者、數(shù)據(jù)查詢方。為了保證原始成果可信、不可篡改，本文對學習者學習成果采用B_Merkle樹進行哈希算法運算，計算出摘要值并存放在B_Merkle樹根，在下文會詳細描述該算法。

聯(lián)盟節(jié)點中發(fā)起讀取學習成果存入學分銀行區(qū)塊的指令，聯(lián)盟的節(jié)點使用改進的PBFT進行驗證，經(jīng)過共識機制驗證學習成果合法性后，則根據(jù)認證標準、兌換機制、轉(zhuǎn)換標準的智能合約條款完成學分轉(zhuǎn)換，并寫入?yún)^(qū)塊鏈中，副本保存到各節(jié)點的數(shù)據(jù)庫中。

（二）學分銀行節(jié)點管理

學分銀行節(jié)點是由驗證交易單 （Transaction） 和區(qū)塊驗證器（Validator）、 區(qū)塊生成器 （Blocker）組成，這三者之間通過共識算法協(xié)作運行（如圖2所示）。本文采用聯(lián)盟鏈的PBFT算法作為聯(lián)盟式學分銀行區(qū)塊鏈系統(tǒng)共識算法——GPBFT算法。

1.客戶端

聯(lián)盟式學分銀行區(qū)塊鏈系統(tǒng)是由多源無中心化節(jié)點組成的分布式網(wǎng)絡(luò)體系，客戶端是通過數(shù)字簽名和記錄區(qū)塊ID而生成交易單的組件，具有防篡改、防刪除、可溯源的特點?？蛻舳酥饕?類人員：學習者、教育（培訓）機構(gòu)管理員、用人單位（企業(yè)）。學習者注冊學習，并授權(quán)節(jié)點管理的信息。節(jié)點管理員審核學習者的注冊信息、授權(quán)信息、授權(quán)其他節(jié)點提取數(shù)據(jù)等，保證平臺的服務(wù)。用人單位（企業(yè)）主要查看學習者的相關(guān)信息（學習成果、學習過程、學分獲得情況等）。

2.基于學分銀行的PBFT共識算法

在學分銀行鏈（CB chain）中挖礦節(jié)點是區(qū)塊驗證器節(jié)點，有全節(jié)點和輕量級節(jié)點兩種。全節(jié)點用于保存用戶最新的、完整的數(shù)據(jù)，輕量級節(jié)點僅保存部分信息。以用戶登錄的節(jié)點為全節(jié)點，其他節(jié)點為輕量級節(jié)點。驗證器為PBFT共識算法的副本節(jié)點，負責交易單和區(qū)塊消息的驗證，驗證流程：接收客戶端的交易單信息或區(qū)塊消息→校驗消息哈希簽名是否正確，信息是否符合規(guī)定（用戶授權(quán)范圍）→驗證“正確”，主節(jié)點驗證器生成預(yù)準備信息→廣播各備份節(jié)點→PBFT共識算法三階段→各節(jié)點接收交易單并保存交易信息。

3.新區(qū)塊生成

在傳統(tǒng)的 PBFT 算法中， 比特幣區(qū)塊鏈每隔一定時間T通過“礦工挖礦”生成一個區(qū)塊。礦工挖礦過程的實質(zhì)是不斷生成隨機數(shù)， 與區(qū)塊頭相關(guān)信息經(jīng)哈希算法運算后得到哈希值。若該哈希值大于一個設(shè)定的闕值， 則礦工挖礦不成功;若該哈希值小于一個設(shè)定的闕值， 則礦工挖礦成功， 生成一個區(qū)塊廣播至全網(wǎng)， 同時可得到一筆報酬， 即獲得比特幣[6]。在聯(lián)盟式學分銀行區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，區(qū)塊的生成需經(jīng)過驗證器集群校驗。鑒于區(qū)塊鏈部署的學分銀行在各地的培訓機構(gòu)、教育行政機構(gòu)、學校和學習點（學習中心），其服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)均比較穩(wěn)定，主機的加入和退出需要一定的手續(xù)，服務(wù)器管理規(guī)范，因此，本文采用新的區(qū)塊鏈生成方式。

（1）為了減少網(wǎng)絡(luò)帶寬占有率，節(jié)點的驗證器和打包器部署在節(jié)點的內(nèi)網(wǎng)中，減少不必要的網(wǎng)絡(luò)傳輸，提高交易單的驗證效率。

（2）考慮main_節(jié)點負責接收客戶端發(fā)來的信息，本文中main_節(jié)點不參與打包過程。區(qū)塊鏈BLOCKCHAIN_節(jié)點在T時間范圍內(nèi)驗證、接受學習、學分等信息交易單后，根據(jù)公式B=R%（N-1）來判斷是否由自己生成新的區(qū)塊。其中，B為當前需要生成新區(qū)塊的節(jié)點，R為當前區(qū)塊鏈的長度。當區(qū)塊鏈BLOCKCHAIN_節(jié)點檢測到需要生成新的區(qū)塊時，則收集已檢驗且符合條件的交易單ID，并生成B_merkle樹，打包成區(qū)塊發(fā)給main_節(jié)點并加入?yún)^(qū)塊鏈尾。

4.平衡多叉樹改進merkl樹-B_merkle樹

大數(shù)據(jù)背景下的終身教育蘊含海量及繁雜數(shù)據(jù)，使用傳統(tǒng)的merkle樹會增加文件分塊數(shù)量，子葉節(jié)點數(shù)量隨之增多，樹的深度（高度）呈線性增長，時間和空間消耗大，遍歷路徑增加，檢驗的時間隨之增長，造成運行效率低。因此，本文采用B_merkle樹[7]，可以有效控制樹高度，提升訪問效率。

（1）建造B_merkle樹算法偽代碼

初始化B_merkle樹T根節(jié)點并創(chuàng)建根，設(shè)節(jié)點關(guān)鍵字個數(shù)最大為M;

插入文件分塊;

計算哈希函數(shù)，插入key_K;

檢測比較Kn ，n≥2;

If T 有多個葉節(jié)點 then

檢測節(jié)點_Kn ;

If 節(jié)點_Kn含有>M個關(guān)鍵字 then

調(diào)用分裂函數(shù)

If 節(jié)點_Kn 含有

調(diào)用刪除節(jié)點函數(shù)

Else更新哈希值

End

（2）分裂函數(shù)

if 節(jié)點_Kn 含有≥M個關(guān)鍵字 then

節(jié)點_Kn分裂為兩個節(jié)點_Kn和節(jié)點_Kn+1;

節(jié)點_Kn和節(jié)點_Kn+1 各含有M/2個關(guān)鍵字;

End

（3）刪除節(jié)點函數(shù)

when 節(jié)點_Kn 含有

Delete 節(jié)點_Kn ;

合并關(guān)鍵字到兄弟節(jié)點或者父節(jié)點;

End

（三）學分銀行智能合約設(shè)計

學分銀行智能合約設(shè)計了權(quán)限合約、成果轉(zhuǎn)換標準合約、認證標準合約，保證區(qū)塊鏈的自動運行和無篡改執(zhí)行。

1.權(quán)限合約

交易進入?yún)^(qū)塊時，節(jié)點調(diào)用配置信息檢測用戶執(zhí)行交易的權(quán)限范圍。如在合約中獲取用戶的權(quán)限，則將該筆交易打包進入?yún)^(qū)塊，添加到區(qū)塊鏈上;如無獲取用戶權(quán)限信息，則中止退出，調(diào)用流程算法偽代碼描述如下。

Check user_transaction key value;

If user.mesg? in key value list then

獲取準入準出權(quán)限;

添加到區(qū)塊鏈;

Else end

2.成果轉(zhuǎn)換機制合約

成果轉(zhuǎn)換標準合約由教育管理部門、聯(lián)盟教育（培訓）、發(fā)證機構(gòu)之間協(xié)商確定需要轉(zhuǎn)換的學習成果機制標準并代碼化，調(diào)用時自動執(zhí)行。學習者的學習成果被記錄存儲后，當需要轉(zhuǎn)換為某一機構(gòu)的學分銀行學分或證書，則調(diào)用成果轉(zhuǎn)換標準合約進行轉(zhuǎn)換。條件符合，則進行轉(zhuǎn)換;條件不符合，中止轉(zhuǎn)換，返回失敗原因，算法偽代碼描述如下。

根據(jù)user_transaction? operation key value list;

根據(jù)user所需要的服務(wù);

Check成果標準轉(zhuǎn)換機制;

If 成果標準轉(zhuǎn)換機制存在 then

執(zhí)行user_學習成果轉(zhuǎn)換并打印輸出;

Else 返回失敗原因

End

3. 認證機制合約

學習者的學習成果通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點達成共識并記錄存儲后，將調(diào)用由教育管理部門、聯(lián)盟教育（培訓）、發(fā)證機構(gòu)等制定的認證標準機制合約，執(zhí)行學分認證指令操作。如學習者的學分認證符合認證標準機制合約，則執(zhí)行學分認證操作命令;如不符合，則中止命令，返回失敗原因，算法偽代碼描述如下。

學習者發(fā)起認證指令;

根據(jù)user_certification? operation key value list;

Check user所需認證的內(nèi)容;

If 滿足認證條件 then

執(zhí)行學分認證操作

Else 返回失敗原因

End

三、實驗分析

本文從算力、存儲開銷、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等方面進行驗證方案的有效性。實驗環(huán)境：采用MATLAB編程進行模擬;處理器Intel-i7四核3.20GHz;內(nèi)存DDR3 1600MHz 8GB;硬盤2T，操作系統(tǒng)為Windows7。

（一）系統(tǒng)開銷

本文對傳統(tǒng)基于merkle樹的PBFT 共識機制和改進后的基于B_merkle樹的共識機制的系統(tǒng)開銷進行實驗和分析，如圖3所示。選取節(jié)點數(shù)50，100，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600進行仿真測試。從仿真實驗結(jié)果的曲線可以得到，傳統(tǒng)PBFT算法共識機制系統(tǒng)開銷隨著節(jié)點數(shù)量增加，系統(tǒng)開銷曲線斜率陡峭不斷增大;而本文提出B+_merkle的共識機制的系統(tǒng)開銷曲線較平緩，節(jié)點數(shù)的增加對于系統(tǒng)開銷影響非常小。這是因為傳統(tǒng) Merkle 樹的深度H為

，而B_merkle樹的深度H小于

，M≥2，所以在執(zhí)行查詢命令時縮減了訪問節(jié)點數(shù)，交易完成時間短，從而降低系統(tǒng)的開銷。

（二）網(wǎng)絡(luò)開銷

本文分別對 PBFT算法和改進的GPBFT算法在節(jié)點容錯的場景下進行驗證分析。設(shè)節(jié)點總數(shù)為500個，選取出錯的節(jié)點數(shù)30、50、70、90、 110、130、150、170進行實驗。從實驗結(jié)果圖中顯示得到，隨著容錯節(jié)點數(shù)的增加，達成共識時間也不斷增加，網(wǎng)絡(luò)開銷隨著增大。改進的GPBFT算法中，各節(jié)點相對穩(wěn)定，無需進行大量的“挖礦”運算（算力很?。?jié)點采用區(qū)塊驗證器和區(qū)塊生成器，僅在內(nèi)部局域網(wǎng)就可以完成，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸時間和網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的消耗，提高驗證和達成共識速度，因此，容錯節(jié)點增加時，曲線仍較平緩。

四、結(jié)語

目前，區(qū)塊鏈技術(shù)成為了學術(shù)界研究的熱點，本文提出在聯(lián)盟式學分銀行區(qū)塊鏈系統(tǒng)中采用PBFT共識機制，節(jié)點管理采用驗證交易單 、區(qū)塊驗證器、區(qū)塊生成器，并采用B_merkle樹遍歷提高訪問速度;通過采用權(quán)限合約、成果轉(zhuǎn)換機制合約、認證機制合約等智能合約模式，使學分銀行系統(tǒng)實現(xiàn)去中心化、安全、透明。下一步，我們將區(qū)塊鏈與大數(shù)據(jù)、數(shù)字簽名技術(shù)相融合，運用到學分銀行信息管理中，確保學分銀行用戶的學習過程成果和隱私信息的安全。

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[作者簡介]黎富貴，廣西開放大學教務(wù)處副處長，碩士，研究方向：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、遠程教育;李敏，廣西開放大學教務(wù)處考務(wù)科科長，工程師，碩士，研究方向：成人教育;莫秋榮，廣西開放大學教務(wù)處綜合科科長，講師，碩士，研究方向：教育管理。

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