區(qū)塊鏈技術(shù)3.0構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)的研究＊

肖娟，王嵩，顏文燕，李尚林

（湘南學(xué)院 計算機與人工智能學(xué)院，湖南 郴州 423000）

0 引言

區(qū)塊鏈技術(shù)從比特幣到以太坊再到金融領(lǐng)域的成功應(yīng)用，吸引了各國政府、高新企業(yè)的高度關(guān)注，研究者們試圖應(yīng)用此技術(shù)變革傳統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)。區(qū)塊鏈技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究也受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注和期待。國外最早在教育領(lǐng)域應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的是美國舊金山市的瀚伯特軟件工程學(xué)院，在瀚伯特學(xué)院獲得學(xué)位的每一位學(xué)生都能擁有一個帶有DCN（文件控制編號）的數(shù)字學(xué)位證書，這個編號可驗證證書的真實性和有效性。麻省理工學(xué)院最早于2014年研究區(qū)塊鏈技術(shù)，于2017年實現(xiàn)畢業(yè)生通過手機應(yīng)用程序即可獲得區(qū)塊鏈應(yīng)用的電子文憑［1］。此外，德國聯(lián)邦政府資助了一項基于區(qū)塊鏈技術(shù)的高等教育證書驗證項目［2］。國外對“區(qū)塊鏈技術(shù)+教育”的研究主要集中在學(xué)習(xí)證書的公平性和安全性上。國內(nèi)學(xué)者對“區(qū)塊鏈技術(shù)+教育”的研究相對晚一些，最初的討論集中在介紹、學(xué)習(xí)國外的相關(guān)經(jīng)驗。許濤［3］探索了區(qū)塊鏈成績單和學(xué)習(xí)賬本的應(yīng)用；李青等［4］以具體的案例說明“區(qū)塊鏈技術(shù)+教育”的應(yīng)用模式；郭昭君［5］討論“區(qū)塊鏈技術(shù)+高?！蹦Ｊ綄ε囵B(yǎng)我國大學(xué)生深度學(xué)習(xí)和批判思維能力的影響。2020年，“區(qū)塊鏈技術(shù)+教育”的應(yīng)用更為具體、詳細，討論集中于區(qū)塊鏈相關(guān)教育教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用、區(qū)塊鏈技術(shù)與某門課程和某類專業(yè)人才培養(yǎng)相結(jié)合的應(yīng)用探析等。

區(qū)塊鏈技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展空間與前景。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)在高校層面的研究主要集中在對高校單一主體的研究，例如學(xué)生學(xué)歷、學(xué)位證書等方面的應(yīng)用研究。而高校生態(tài)系統(tǒng)是一個元素多樣、業(yè)務(wù)復(fù)雜、數(shù)據(jù)多元的系統(tǒng)，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于如此復(fù)雜系統(tǒng)的構(gòu)建是區(qū)塊鏈技術(shù)在教育領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，也是本研究的創(chuàng)新點。本文利用區(qū)塊鏈3.0技術(shù)構(gòu)建高校生態(tài)系統(tǒng)的詳細層次架構(gòu)，利用技術(shù)的力量重構(gòu)高校生態(tài)系統(tǒng)，旨在維護高校教育的公平、公正，提高高校教育資源共建共享水平，促進高校生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)和持續(xù)發(fā)展。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)3.0

區(qū)塊鏈技術(shù)3.0是區(qū)塊鏈的第三個發(fā)展階段，是基于前兩代區(qū)塊鏈技術(shù)的改進版本，是區(qū)塊鏈技術(shù)的一次革命性飛躍，它將推動區(qū)塊鏈技術(shù)在經(jīng)濟、社會、政治、教育等各領(lǐng)域的深入應(yīng)用和變革。

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)3.0的特性

（1）分布式應(yīng)用普適性?？梢灾С侄喾N分布式應(yīng)用，包括數(shù)字貨幣、智能合約、分布式存儲、分布式投票、分布式社交等，實現(xiàn)更加豐富和深入的應(yīng)用場景。

（2）互操作性［6］。提供標準化的接口和協(xié)議，使不同的區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以進行跨鏈交互和數(shù)據(jù)共享，促進更廣泛的區(qū)塊鏈應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。不同的區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以相互交互、協(xié)作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、資產(chǎn)、價值、服務(wù)等的流通和無縫轉(zhuǎn)換。

（3）可擴展性。采用各種技術(shù)和機制，提高網(wǎng)絡(luò)處理能力和吞吐量，從而支持更大規(guī)模的交易和應(yīng)用。支持大規(guī)模并發(fā)、高效率、低延遲的交易處理和信息交換，滿足主流應(yīng)用的需求，同時降低交易費用和能源消耗。

（4）安全性。具有更高級別的安全性，確保數(shù)據(jù)和資產(chǎn)的安全和完整。

（5）隱私性。實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息、資產(chǎn)價值的匿名化、加密化、分離化等隱私保護措施，保證用戶的交易和行為不被追蹤和曝光，提供更可靠的身份驗證和權(quán)限管理機制。

（6）可編程性和彈性。支持智能合約的編程能力。智能合約是一種自動執(zhí)行合約的計算機程序，可以在區(qū)塊鏈上實現(xiàn)和執(zhí)行各種業(yè)務(wù)邏輯和協(xié)議，支持更智能化、靈活化的應(yīng)用開發(fā)和管理，實現(xiàn)更豐富和復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯和協(xié)作機制。

（7）可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好性。區(qū)塊鏈3.0提出一些節(jié)能、高效的共識機制，如權(quán)益證明（Proofof Stake，PoS）和權(quán)威證明（Proofof Authority，PoA），可以減少能源消耗和環(huán)境影響。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)3.0的代表平臺

（1）EOS：一種基于區(qū)塊鏈的新型分布式應(yīng)用平臺，具有高性能、高吞吐量、高靈活性、低延遲、低成本等優(yōu)勢，旨在為開發(fā)者提供一個高效、穩(wěn)定的支持環(huán)境，多種分布式應(yīng)用可在此平臺上運行和交互，如游戲、社交、交易等。

（2）Cosmos：一種跨鏈分布式應(yīng)用平臺，支持不同區(qū)塊鏈系統(tǒng)的互操作。

（3）Cardano：采用基于Haskell語言編寫的Ouroboros共識機制、Plutus智能合約語言和Marlowe金融合約語言等先進技術(shù)，實現(xiàn)高效、安全的分布式應(yīng)用開發(fā)和管理。

（4）Polkadot：一種跨鏈分布式應(yīng)用平臺，具有高度的可擴展性、靈活性和互操作性，可以讓不同的區(qū)塊鏈系統(tǒng)交互和協(xié)作，提供更加豐富的分布式應(yīng)用場景和服務(wù)。

總之，區(qū)塊鏈3.0各種代表性項目的出現(xiàn)將推動區(qū)塊鏈技術(shù)在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和創(chuàng)新。

2 高校生態(tài)系統(tǒng)

生態(tài)系統(tǒng)是指由生物群落（由各種相互依賴的動物和植物組成，它們通過食物鏈相互聯(lián)系）和它們所處的非生物環(huán)境（包括土壤、水、空氣等，對物種的分布、生存和繁殖有重要影響）相互作用并形成的一個生態(tài)單元。高校生態(tài)系統(tǒng)是社會的子系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上來看，包括主體、分解者、環(huán)境、價值鏈或價值網(wǎng)［7］。

（1）高校生態(tài)系統(tǒng)的主體是高校機構(gòu)，包括高校教師、高校學(xué)生、高校組織機構(gòu)、軟硬件設(shè)備設(shè)施等。

（2）高校生態(tài)系統(tǒng)的分解者是政府和監(jiān)管機構(gòu)，負責制定政策、制度和法規(guī)，監(jiān)管教育機構(gòu)的質(zhì)量和合規(guī)性，并提供資金和資源支持。

（3）高校生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境包括自然環(huán)境、社會環(huán)境、規(guī)范環(huán)境。對高校生態(tài)系統(tǒng)影響較大的是行業(yè)界和社會組織以及校友和捐贈者，還包括相關(guān)研究機構(gòu)與實驗室等。

（4）高校生態(tài)系統(tǒng)的價值鏈是將高校內(nèi)部與外部的能量流動和物質(zhì)循環(huán)有機地組織起來形成一個鏈條網(wǎng)絡(luò)。

3 區(qū)塊鏈技術(shù)3.0構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 區(qū)塊鏈的分層架構(gòu)

區(qū)塊鏈的分層架構(gòu)是一種將區(qū)塊鏈系統(tǒng)劃分為多個層次的架構(gòu)模型，每個層次擔負不同的功能和責任，常見的分層架構(gòu)如圖1所示［8］。其中，底3層是構(gòu)建區(qū)塊鏈技術(shù)的必要元素，高3層并非每個區(qū)塊鏈系統(tǒng)都需要，可視具體應(yīng)用而定。

圖1 區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)架構(gòu)模型

區(qū)塊鏈3.0的分層架構(gòu)是基于區(qū)塊鏈3.0理念的系統(tǒng)架構(gòu)，旨在實現(xiàn)更高級別的功能和擴展，以下是1種區(qū)塊鏈3.0的分層架構(gòu)模型。

（1）基礎(chǔ)層?；A(chǔ)層是區(qū)塊鏈3.0的最底層，包括底層協(xié)議、共識算法和網(wǎng)絡(luò)層，主要負責提供安全、高效和可擴展的基礎(chǔ)設(shè)施，確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

（2）中間層。中間層是區(qū)塊鏈3.0架構(gòu)的核心，負責實現(xiàn)高級功能和互操作性，包括分片、側(cè)鏈、跨鏈和狀態(tài)通道等技術(shù)，用于解決擴展性和互操作性的挑戰(zhàn)。分片技術(shù)將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)劃分為多個片段，每個片段可以獨立處理一部分交易，提高整體的吞吐量；側(cè)鏈和跨鏈技術(shù)使不同的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)能互相連接和通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資產(chǎn)的跨鏈交互；狀態(tài)通道提供一種在鏈外進行高頻交易的解決方案，以減輕區(qū)塊鏈的負擔。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層是區(qū)塊鏈3.0架構(gòu)的最高層，用于構(gòu)建各種具體的應(yīng)用和服務(wù)，包括數(shù)字貨幣、智能合約、供應(yīng)鏈管理、身份驗證等各種應(yīng)用場景。應(yīng)用層可以利用中間層提供的功能和互操作性，構(gòu)建更強大、高效和安全的區(qū)塊鏈應(yīng)用。

（4）治理層。治理層是橫跨各個層次的層級，負責區(qū)塊鏈系統(tǒng)的治理和決策，包括參與者的治理機制、共識算法的升級和網(wǎng)絡(luò)規(guī)則的制定。治理層的設(shè)計旨在保證區(qū)塊鏈系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可持續(xù)性。

區(qū)塊鏈3.0的分層架構(gòu)沒有統(tǒng)一的標準模型，不同的項目平臺和應(yīng)用可能會有不同的架構(gòu)設(shè)計。

3.2 區(qū)塊鏈技術(shù)3.0構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)分析

根據(jù)高校生態(tài)系統(tǒng)的特點，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的工作原理和技術(shù)架構(gòu)，分析高校生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)在區(qū)塊鏈技術(shù)3.0下的實現(xiàn)方式。為實現(xiàn)去中心化，構(gòu)建高校生態(tài)系統(tǒng)時需要明確主體類型，并遵循區(qū)塊鏈的運行原理和操作規(guī)范，對傳統(tǒng)高校生態(tài)系統(tǒng)進行主體分析和區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的可行性分析。

主體分析是把傳統(tǒng)高校生態(tài)系統(tǒng)的主體劃分為學(xué)生、教職人員和職能部門三大主體，每類主體根據(jù)區(qū)塊鏈3.0技術(shù)架構(gòu)中的共識算法和職能合約設(shè)定管理數(shù)據(jù)內(nèi)容。應(yīng)用場景的可行性分析需滿足區(qū)塊鏈白皮書中對區(qū)塊鏈適用場景的4個判定條件：需要數(shù)據(jù)庫、需要多方寫入、寫入方不可信、不愿意信任第三方?，F(xiàn)就高校生態(tài)系統(tǒng)3類主體應(yīng)用場景滿足區(qū)塊鏈的判定條件逐一進行分析。

（1）數(shù)據(jù)庫條件判斷。高校生態(tài)系統(tǒng)中的各主體涉及的數(shù)據(jù)眾多，學(xué)生課程成績、學(xué)生綜合測評、教師教學(xué)評價、教師教學(xué)成果、教輔人員工作評價、教輔人員業(yè)績成果、職能部門成果績效等數(shù)據(jù)龐大且復(fù)雜，必須利用數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理，因此滿足第一個條件。

（2）多方寫入判斷。高校生態(tài)系統(tǒng)包括三大主體，且三大主體之間存在不可分割的業(yè)務(wù)往來。學(xué)生的課程成績由授課教師給出，學(xué)生的綜合測評由教輔人員給出，學(xué)生的課外活動由職能部門參與；教師的測評由學(xué)生、教輔人員、管理人員、職能部門給出；職能部門評價由相關(guān)聯(lián)系主體給予。各主體數(shù)據(jù)的寫入都是多方的信息，因此滿足第二個條件。

（3）寫入方可信判斷。高校生態(tài)系統(tǒng)涉及眾多主體，出于各方利益考慮，在數(shù)據(jù)提交時不可能完全公正、公平，所以寫入方不一定可信，從而滿足第三個條件。

（4）第三方信任判斷。高校生態(tài)系統(tǒng)中的主體信息涉及一些個人的隱私信息和機要數(shù)據(jù)，不能完全信任第三方，滿足第四個條件。

綜上所述，區(qū)塊鏈技術(shù)3.0構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)主體分類合理，場景應(yīng)用可行。

3.3 區(qū)塊鏈技術(shù)3.0構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)高校生態(tài)系統(tǒng)中各類主體自身業(yè)務(wù)處理邏輯進行業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計，即需要包括高校生態(tài)系統(tǒng)各主體內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯和相關(guān)要素，還需在業(yè)務(wù)邏輯中考慮傳統(tǒng)高校生態(tài)系統(tǒng)中的分解者、環(huán)境及價值網(wǎng)等外部要素，設(shè)計出基于區(qū)塊鏈3.0技術(shù)的高校新生態(tài)系統(tǒng)。

根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)3.0系統(tǒng)架構(gòu)的特點，結(jié)合高校生態(tài)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有各種區(qū)塊鏈參考架構(gòu)基礎(chǔ)上，可將高校新生態(tài)系統(tǒng)的體系架構(gòu)設(shè)計為5層，從下至上分別是基礎(chǔ)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、合約層和應(yīng)用層（如圖2所示）。

（1）第一層是數(shù)據(jù)層，主要存儲基礎(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括區(qū)塊數(shù)據(jù)、鏈式結(jié)構(gòu)、交易方式、時間戳、Merkle樹、非對稱加密算法等，屬于區(qū)塊鏈的底層核心技術(shù)；其主要功能是存儲高校新生態(tài)系統(tǒng)3類主體業(yè)務(wù)功能的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）第二層是網(wǎng)絡(luò)層，包括網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、傳播協(xié)議、驗證機制，主要作用是以點對點的對等網(wǎng)絡(luò)方式組織高校生態(tài)系統(tǒng)區(qū)塊鏈內(nèi)各參與節(jié)點記錄和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，提高數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳播能力。

（3）第三層是共識層，由遠程過程調(diào)用、共識節(jié)點準入機制和委任權(quán)益證明等構(gòu)成，其主要功能是分布式處理的分散節(jié)點在去中心化的區(qū)塊鏈中用已經(jīng)取得共識的規(guī)則共同維護和更新數(shù)據(jù)，在不可信任的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保證區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)存儲的一致性［9］。

（4）第四層是合約層，通過計算機語言和編程技術(shù)定義個性化的智能合約，利用智能合約技術(shù)將需要錄入系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)及電子憑證的審核條件寫入合約，一旦符合審核條件則觸發(fā)合約，進行自動審核；如果條件不滿足則直接返回用戶進行數(shù)據(jù)補充，直到數(shù)據(jù)補充完整后再進行審核。通過智能合約，約束高校生態(tài)系統(tǒng)中的各主體數(shù)據(jù)遵照智能合約條款進行處理，保證應(yīng)用場景的透明性和可靠性。

（5）第五層是應(yīng)用層，主要封裝了高校生態(tài)系統(tǒng)的各種應(yīng)用場景和子系統(tǒng)，可以包含Web端和App端2套學(xué)生、教職員工、職能部門的應(yīng)用接口，以及3個與區(qū)塊鏈系統(tǒng)通信的用戶接口。

4 結(jié)論

區(qū)塊鏈3.0技術(shù)是一套解決問題的方法和機制，作為底層設(shè)施可改進原來的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，為區(qū)塊鏈技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展提供一種創(chuàng)新嘗試。將區(qū)塊鏈技術(shù)3.0引入高校新生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建中并探索其創(chuàng)新應(yīng)用，能為高校生態(tài)系統(tǒng)注入新的活力和發(fā)展動力。本文分析高校生態(tài)系統(tǒng)主體和應(yīng)用場景的可行性，設(shè)計區(qū)塊鏈技術(shù)3.0構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)的詳細分層架構(gòu)，為實現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)提供了理論架構(gòu)模型。對于具體實現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)3.0構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)的細節(jié)，包括各主體區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、交易數(shù)據(jù)的確定、智能合約的編寫等，是下一步工作的重點。