區(qū)塊鏈3.0 構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖 娟，王 嵩，李發(fā)英，顏文燕，李尚林（通信作者）

（湘南學(xué)院計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院 湖南 郴州 423000）

0 引言

區(qū)塊鏈3.0 是對(duì)區(qū)塊鏈2.0 的改進(jìn)和升級(jí)，其在架構(gòu)設(shè)計(jì)、提高性能和擴(kuò)展性、保護(hù)隱私、跨鏈互操作等方面引入新的技術(shù)和機(jī)制，使得區(qū)塊鏈3.0 可以滿足更復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用［1］。 因此，區(qū)塊鏈3.0 在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也將更加廣泛。

“區(qū)塊鏈+教育”最早應(yīng)用于學(xué)歷認(rèn)證方面，例如：麻省理工學(xué)院的數(shù)字憑證項(xiàng)目使用區(qū)塊鏈技術(shù)為學(xué)生提供了可驗(yàn)證的學(xué)歷證書(shū)；日本索尼全球教育公司利用區(qū)塊鏈技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套教育數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)“區(qū)塊鏈+教育”領(lǐng)域的應(yīng)用也有一定的成果，例如上海交通大學(xué)與知識(shí)產(chǎn)權(quán)交易所合作，利用區(qū)塊鏈技術(shù)為學(xué)生提供學(xué)歷認(rèn)證服務(wù)等。

高校生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的教育生態(tài)子系統(tǒng)，其本身由內(nèi)部要素和外部環(huán)境等較多的元素組成，且各元素間存在復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，不同于區(qū)塊鏈技術(shù)在教育領(lǐng)域以往應(yīng)用的單一性，本文將探索區(qū)塊鏈3.0 對(duì)復(fù)雜高校生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建。 將從高校生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯分析出發(fā)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高校新生態(tài)的區(qū)塊鏈3.0 系統(tǒng)。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)

設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)，需考慮以下主要組件：

（1）分布式網(wǎng)絡(luò)：區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式系統(tǒng)，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，共享數(shù)據(jù)和交易信息。

（2）區(qū)塊鏈協(xié)議：定義節(jié)點(diǎn)之間的通信規(guī)則和數(shù)據(jù)交換方式，規(guī)定如何創(chuàng)建新的區(qū)塊、驗(yàn)證交易、共識(shí)算法等。

（3）共識(shí)算法：是用于解決分布式系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間達(dá)成一致的算法，在區(qū)塊鏈中的作用是確保所有參與節(jié)點(diǎn)在驗(yàn)證、添加新交易或區(qū)塊時(shí)能夠達(dá)成共識(shí)，以保證數(shù)據(jù)的一致性和安全性。

（4）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：區(qū)塊鏈?zhǔn)褂面準(zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)交易記錄。 每個(gè)區(qū)塊都包含前一個(gè)區(qū)塊的哈希值，形成了一個(gè)不可篡改的鏈條。

（5）加密算法：用于保護(hù)交易和數(shù)據(jù)的安全性，常包括哈希函數(shù)、數(shù)字簽名、對(duì)稱加密和非對(duì)稱加密等。

（6）智能合約：在區(qū)塊鏈上執(zhí)行的可編程代碼，定義了參與方之間的交易規(guī)則和條件，并自動(dòng)執(zhí)行這些規(guī)則。

（7）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：區(qū)塊鏈可使用不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，包括分布式文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等。

（8）用戶界面：提供用戶與區(qū)塊鏈進(jìn)行交互的方式，可以是命令行接口、Web 界面或移動(dòng)應(yīng)用程序等。

1.2 區(qū)塊鏈3.0 技術(shù)的應(yīng)用特色

（1）擴(kuò)展性能和性能的提升，通過(guò)開(kāi)發(fā)新的共識(shí)機(jī)制、分片技術(shù)、側(cè)鏈等提高區(qū)塊鏈系統(tǒng)的吞吐量和效率。

（2）隱私和安全性的增強(qiáng)，隱私保護(hù)技術(shù)被引入以實(shí)現(xiàn)在區(qū)塊鏈上進(jìn)行私密交易和數(shù)據(jù)共享［2-3］。

（3）跨鏈的互操作性，不同的區(qū)塊鏈系統(tǒng)能夠相互通信和交換價(jià)值，而不僅僅局限于各自的封閉網(wǎng)絡(luò)。

（4）去中心化應(yīng)用的成熟，是基于區(qū)塊鏈構(gòu)建的應(yīng)用程序，具有去中心化、透明、安全等特點(diǎn)。

2 區(qū)塊鏈3.0 構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)分析

2.1 高校新生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)外部組成要素及關(guān)系分析

高校生態(tài)系統(tǒng)是從教育生態(tài)學(xué)的視角去看待高校及其生態(tài)環(huán)境，它是由內(nèi)部組成要素和外部生態(tài)環(huán)境以及內(nèi)外部之間的相互交流與作用形成的一個(gè)統(tǒng)一體。

2.1.1 高校生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部要素

（1）高校機(jī)構(gòu)

包括大學(xué)和學(xué)院，是高校生態(tài)系統(tǒng)的核心，為高校學(xué)生提供教育資源、學(xué)術(shù)指導(dǎo)、研究機(jī)會(huì)。 同時(shí)承擔(dān)培養(yǎng)人才、推動(dòng)學(xué)術(shù)研究和知識(shí)創(chuàng)新的責(zé)任。

（2）高校學(xué)生

是高校生態(tài)系統(tǒng)的核心受益者和參與者，通過(guò)課堂學(xué)習(xí)、研究項(xiàng)目、實(shí)習(xí)和實(shí)踐等方式來(lái)獲得教育、知識(shí)、技能和學(xué)位。

（3）高校教職員工

通過(guò)教學(xué)、指導(dǎo)學(xué)生、開(kāi)展研究和進(jìn)行學(xué)術(shù)交流等方式來(lái)推動(dòng)教育的質(zhì)量和創(chuàng)新。

2.1.2 高校生態(tài)系統(tǒng)外部要素

（1）政府機(jī)構(gòu)

制定教育政策、提供資金支持和監(jiān)管，確保高校的質(zhì)量和公平性，促進(jìn)教育與就業(yè)市場(chǎng)的對(duì)接。

（2）行業(yè)合作伙伴

提供實(shí)踐機(jī)會(huì)、實(shí)習(xí)項(xiàng)目、研究資助和就業(yè)機(jī)會(huì)，幫助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工作之中。

（3）社會(huì)和社區(qū)

提供學(xué)生支持服務(wù)、校外實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)、社會(huì)參與項(xiàng)目等，為學(xué)生提供全面的教育體驗(yàn)和發(fā)展機(jī)會(huì)。

高校生態(tài)系統(tǒng)組成示意圖如圖1 所示。

圖1 高校生態(tài)系統(tǒng)組成

2.1.3 高校生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)外部要素關(guān)系

高校生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部要素即高校機(jī)構(gòu)下設(shè)職能部門(mén)和二級(jí)學(xué)院，作為學(xué)生和教職工的管理機(jī)構(gòu)，學(xué)生從入學(xué)到畢業(yè)的全部學(xué)習(xí)活動(dòng)和教職員工的教學(xué)、科研相關(guān)業(yè)務(wù)工作都?xì)w高校機(jī)構(gòu)管理。 教職員工對(duì)學(xué)生有授課、管理等職責(zé)，學(xué)生也是教職員工業(yè)務(wù)效果的評(píng)價(jià)者。

而高校生態(tài)系統(tǒng)的外部要素如政府機(jī)構(gòu)、行業(yè)合作伙伴、社會(huì)和社區(qū)和高校生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部要素之間也是息息相關(guān)的，政府機(jī)構(gòu)是高校機(jī)構(gòu)的直接領(lǐng)導(dǎo)和管理者，高校實(shí)施人才培養(yǎng)離不開(kāi)行業(yè)合作伙伴和社會(huì)社區(qū)。 高校生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)外部要素關(guān)系如圖2 所示。

圖2 高校生態(tài)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯

2.2 系統(tǒng)區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

應(yīng)用區(qū)塊鏈3.0 構(gòu)建高校生態(tài)系統(tǒng)，以系統(tǒng)內(nèi)部三要素為主體可設(shè)計(jì)三大區(qū)塊數(shù)據(jù)：機(jī)構(gòu)、學(xué)生和教職員工。每類區(qū)塊數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)定義如下，示例如圖3 所示。

圖3 區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義示例

（1）區(qū)塊頭（block header）：是區(qū)塊的元數(shù)據(jù)，包含區(qū)塊相關(guān)的信息和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，一般包括：版本號(hào)、前一區(qū)塊哈希、時(shí)間戳、Merkle 根、難度目標(biāo)等。

（2）交易數(shù)據(jù)（transaction data）：是區(qū)塊鏈中記錄的重要內(nèi)容，可包含多個(gè)交易，包括發(fā)送者、接收者、交易金額以及其他相關(guān)信息。 本系統(tǒng)中三大主體根據(jù)各自信息需求有不同的交易數(shù)據(jù)，每次交易產(chǎn)生一個(gè)交易數(shù)據(jù)。 一般包括：交易哈希值、發(fā)送方地址、接收方地址、交易金額、交易時(shí)間戳、交易簽名等。

（3）區(qū)塊哈希（block hash）：通過(guò)對(duì)區(qū)塊頭進(jìn)行哈希計(jì)算得到唯一標(biāo)識(shí)符，具有唯一性和不可篡改性，用于驗(yàn)證和鏈接區(qū)塊。

3 區(qū)塊鏈3.0 構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)區(qū)塊鏈3.0 的層次架構(gòu)［4］，構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)可分為5 個(gè)層次。

第一層：區(qū)塊技術(shù)底層，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，加密解密，區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)設(shè)置和計(jì)算方法。

第二層：區(qū)塊核心層，包括共識(shí)機(jī)制、共識(shí)算法、區(qū)塊數(shù)據(jù)操作規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)操作規(guī)范。

第三層：區(qū)塊鏈3.0 智能合約運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)操作調(diào)用的支撐環(huán)境。

第四層：智能合約層，是整個(gè)計(jì)算技術(shù)架構(gòu)的關(guān)鍵部分。

第五層：應(yīng)用層，使用Web 應(yīng)用開(kāi)發(fā)與用戶交互的前端。

3.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

以高校生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部三要素為主體，應(yīng)用區(qū)塊鏈3.0構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 區(qū)塊鏈3.0 構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)模塊

學(xué)生主體包括：

（1）學(xué)歷認(rèn)證和學(xué)生檔案管理。 建立去中心化的學(xué)歷認(rèn)證和檔案管理系統(tǒng)，可減少學(xué)歷造假、信息篡改的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）學(xué)生數(shù)據(jù)管理。 管理大量的學(xué)生信息、教學(xué)數(shù)據(jù)和行政數(shù)據(jù)。

教職員工主體包括：

（1）教職員工數(shù)據(jù)管理。 管理教職員工作業(yè)績(jī)、業(yè)務(wù)成果、年度測(cè)評(píng)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）學(xué)術(shù)研究和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。 保護(hù)學(xué)術(shù)研究的數(shù)據(jù)、成果和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可通過(guò)區(qū)塊鏈進(jìn)行跟蹤和驗(yàn)證，確保其來(lái)源和完整性。

機(jī)構(gòu)主體包括：

（1）教育資源共享。 教師和學(xué)生可以在平臺(tái)上共享教學(xué)材料、課程內(nèi)容和研究成果，促進(jìn)跨機(jī)構(gòu)的合作和共享，提高教育資源的利用效率。

（2）數(shù)據(jù)隱私與保護(hù)。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上，只有授權(quán)的人員才能訪問(wèn)［5］。

（3）智能合約服務(wù)。 可以自動(dòng)執(zhí)行合約中定義的規(guī)則和條件，提高效率并減少人為錯(cuò)誤。

4 區(qū)塊鏈3.0 構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 構(gòu)建區(qū)塊鏈3.0 底層P2P 網(wǎng)絡(luò)

區(qū)塊鏈底層的網(wǎng)絡(luò)是典型的P2P 對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，如用高級(jí)編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)基本網(wǎng)絡(luò)通信，步驟如下：

（1）引入包括socket 和threading 模塊用于網(wǎng)絡(luò)通信和多線程處理。

代碼：import socket

import threading

（2）定義了一個(gè)P2PNetwork 類，用于管理P2P 網(wǎng)絡(luò)的連接和通信。

代碼：

（3）定義start 方法用于啟動(dòng)P2P 網(wǎng)絡(luò)。

代碼：def start（self）：

（4）定義handle_client 方法用于處理單個(gè)客戶端的消息。

代碼：def handle_client（self， client_socket）：

（5）定義broadcast 方法用于將消息廣播給所有連接的節(jié)點(diǎn)。

代碼：def broadcast（self， message）：

4.2 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)智能合約

區(qū)塊鏈3.0 構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)智能合約的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，可先按主體設(shè)計(jì)，再綜合考慮。 下面以學(xué)生主體為例，使用Solidity 語(yǔ)言編寫(xiě)一個(gè)智能合約如下：

（1） 指定 Solidity 的版本， 并聲明一個(gè)名為CollegeEcosystem 的合約。

（2）在合約中，定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體Student，用于表示學(xué)生的信息。

（3）創(chuàng)建一個(gè)映射類型的變量students，用于存儲(chǔ)學(xué)生信息。

（4）定義一個(gè)公共的studentCount 變量，用于記錄學(xué)生數(shù)量。

（5）在構(gòu)造函數(shù)中，將學(xué)生數(shù)量初始化為0。

（6）實(shí)現(xiàn)addStudent 函數(shù)，用于向合約中添加學(xué)生信息。 傳入學(xué)號(hào)、姓名、年齡和專業(yè)作為參數(shù)，創(chuàng)建一個(gè)新的學(xué)生結(jié)構(gòu)體，并將其存儲(chǔ)在students 映射中。 然后，增加學(xué)生數(shù)量，并通過(guò)emit 關(guān)鍵字觸發(fā)StudentAdded 事件。

（7）實(shí)現(xiàn)getStudent 函數(shù)，用于根據(jù)學(xué)號(hào)獲取學(xué)生的信息。

（8）實(shí)現(xiàn)updateBalance 函數(shù)，用于更新學(xué)生的余額。

4.3 系統(tǒng)部署和運(yùn)行

區(qū)塊鏈3.0 高校新生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)最終需要部署和運(yùn)行，其步驟如下：

（1）選擇區(qū)塊鏈平臺(tái)，根據(jù)系統(tǒng)需求可選用以太坊這個(gè)平臺(tái)部署本系統(tǒng)。

（2）編譯智能合約，使用編譯工具Solc 將編寫(xiě)好的智能合約編譯成字節(jié)碼。

（3）部署智能合約，選擇合約部署工具Remix／Truffle，連接到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，并使用MetaMask 進(jìn)行身份驗(yàn)證。

（4）與智能合約交互，通過(guò)發(fā)送事務(wù)，使用區(qū)塊鏈平臺(tái)接口工具與智能合約進(jìn)行交互；通過(guò)調(diào)用合約函數(shù)，傳遞參數(shù)，執(zhí)行合約中定義的操作。

（5）開(kāi)發(fā)Web 端應(yīng)用程序提供用戶交互界面，通過(guò)Web 端與智能合約進(jìn)行交互，用戶在Web 端可進(jìn)行相關(guān)操作。

（6）測(cè)試和優(yōu)化，在部署運(yùn)行中，需要進(jìn)行充分的測(cè)試并優(yōu)化，測(cè)試可確保智能合約的功能正確和安全，優(yōu)化可提高系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，應(yīng)用區(qū)塊鏈3.0 構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)是“區(qū)塊鏈+教育”方向的深入探索，也是技術(shù)引領(lǐng)教育改革的必經(jīng)之路。 應(yīng)用區(qū)塊鏈3.0 技術(shù)構(gòu)建高校新生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵是利用區(qū)塊鏈的去中心化、可驗(yàn)證和可追溯的特性，為高校提供更加安全、透明和高效的主體數(shù)據(jù)解決方案。 本文給出了此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)步驟，考慮到高校生態(tài)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和主體數(shù)據(jù)的多樣性，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性及數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題值得進(jìn)一步探究。

全部文獻(xiàn)的年份分布參考結(jié)果by 善鋒軟件（R）_數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)清除二合一小程序序號(hào)年份當(dāng)年條數(shù)累計(jì)條數(shù)當(dāng)年占比／%累計(jì)占比／%1 2023336060 2 20222540100