基于區(qū)塊鏈技術(shù)的高校教育檔案存證溯源系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

劉麗華

摘 要：現(xiàn)階段高校教育檔案管理系統(tǒng)面臨數(shù)據(jù)易被篡改、存儲(chǔ)分散、難以追溯等挑戰(zhàn)，區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述安全問題提供了新思路。本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)提出一個(gè)高校教育檔案存證溯源系統(tǒng)。首先根據(jù)高校教育檔案需求提出相應(yīng)的教育檔案存證溯源總體框架和角色構(gòu)成；其次，從層次定位角度出發(fā)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)兩大模塊；最后從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層面將教育檔案存證溯源信息和教育檔案文件分離存儲(chǔ)，并給出智能合約技術(shù)開發(fā)流程。該系統(tǒng)的提出為教育檔案區(qū)塊鏈的進(jìn)一步發(fā)展提供了一定借鑒作用。

關(guān)鍵詞：教育檔案；區(qū)塊鏈；存證溯源；星際文件系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G270.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-260X（2024）06-0039-04

教育檔案是指教育機(jī)關(guān)、單位和個(gè)人按照一定原則和方法保管的具有保存價(jià)值的教育文獻(xiàn)資料。高校中記錄學(xué)生在校期間產(chǎn)生的各類教育信息的重要文件是教育檔案重要的組成部分，主要包含考核成績、學(xué)位學(xué)歷、思想道德表現(xiàn)、獎(jiǎng)懲紀(jì)律、掌握技能、特長和家庭狀況等。學(xué)生通過教育檔案可以了解自己各階段教育歷程，總結(jié)在學(xué)習(xí)過程中存在的優(yōu)點(diǎn)與不足，從而更好地規(guī)劃未來。大量單位在招新時(shí)都會(huì)查看學(xué)生的教育檔案，從中了解學(xué)生在學(xué)校的表現(xiàn)，關(guān)注學(xué)生的學(xué)歷學(xué)位、成績、已掌握技能、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等，作為后續(xù)招聘錄用的重要參考依據(jù)。因此，教育檔案對(duì)于學(xué)生每一階段的綜合評(píng)定、學(xué)業(yè)規(guī)劃、升學(xué)和就業(yè)等都起著重要作用。

高校教育檔案管理是教育領(lǐng)域的一項(xiàng)重要任務(wù)。在我國，有專門機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)管理教育檔案，但中心化的教育檔案管理方式存在檔案數(shù)據(jù)易被篡改、存儲(chǔ)分散、難以追溯等問題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，大部分教育檔案已由紙質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有问?。教育檔案的電子化管理不僅節(jié)約了大量紙張，還方便了檔案信息的管理和檔案內(nèi)容的共享傳播，但伴隨而來的是教育檔案信息的真實(shí)性、安全性和完整性受到了極大的威脅。如何提高教育檔案的真實(shí)性、安全性和完整性成為現(xiàn)階段教育檔案領(lǐng)域必須面對(duì)的難題。

區(qū)塊鏈（Blockchain）技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述教育檔案問題提供了新思路。區(qū)塊鏈結(jié)合了分布式存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、密碼學(xué)等技術(shù)，具有去中心化、防篡改、可追溯、匿名性和可編程等眾多優(yōu)勢。由于其安全可信的分布式架構(gòu)，涉及的行業(yè)領(lǐng)域非常廣泛，其中包括教育檔案領(lǐng)域。截至2024年1月14日，在中國知網(wǎng)（CNKI）以“區(qū)塊鏈+高校檔案”為檢索詞進(jìn)行篇名檢索，共得到60篇文章，以“區(qū)塊鏈+學(xué)生檔案”為檢索詞進(jìn)行篇名檢索，共得到30篇文章。這足以說明區(qū)塊鏈技術(shù)已被引入檔案管理領(lǐng)域，并有了一定的研究進(jìn)展，同時(shí)也說明“區(qū)塊鏈+檔案”是未來檔案發(fā)展的必然趨勢。

本文針對(duì)傳統(tǒng)中心化高校教育檔案管理方式存在的檔案數(shù)據(jù)易被篡改、難以追溯等問題，提出并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于區(qū)塊鏈的高校教育檔案存證溯源系統(tǒng)。具體來說，首先根據(jù)高校教育檔案需求提出相應(yīng)的教育檔案存證溯源總體框架和角色構(gòu)成；接著設(shè)計(jì)滿足教育檔案管理的分布式教育檔案存證溯源系統(tǒng)；最后基于星際文件系統(tǒng)（InterPlanetary File System，IPFS）將教育檔案存證溯源信息和教育檔案文件分離存儲(chǔ)。借助區(qū)塊鏈的不可篡改性和IPFS的分布式存儲(chǔ)分別保證教育檔案存證溯源的可信性和檔案文件的安全性，既方便學(xué)生查詢和下載教育檔案文件，又保障用人單位對(duì)檔案的驗(yàn)證和溯源需求。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

2008年中本聰（Satoshi Nakamoto）發(fā)表了一篇奠基性論文“Bitcoin： a peer-to-peer electronic cashsystem”并提出比特幣（Bitcoin）概念[1]。從中可知，區(qū)塊鏈技術(shù)是伴隨著以比特幣為首的數(shù)字貨幣而出現(xiàn)的一項(xiàng)新興技術(shù)。從區(qū)塊鏈的組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理來看，它是一種以密碼學(xué)算法為基礎(chǔ)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分布式賬本技術(shù)[2]，因此區(qū)塊鏈作為比特幣的底層技術(shù)為大眾熟知。工業(yè)和信息化部2016年發(fā)布的《中國區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書》也明確指出區(qū)塊鏈技術(shù)的定義，即是一種按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)方式保證不可篡改和不可偽造的分布式賬本技術(shù)。比特幣區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)不斷成熟，其早已從金融領(lǐng)域延伸向多個(gè)其他領(lǐng)域，其中包括檔案領(lǐng)域。一方面，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中各全節(jié)點(diǎn)地位平等，具有相同權(quán)限，通過競爭參與共識(shí)，保持所有節(jié)點(diǎn)同步更新。另一方面，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中任意一個(gè)全節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，其余節(jié)點(diǎn)仍能提供完整的數(shù)據(jù)備份，保障了其存證能力。由于新技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等的出現(xiàn)使傳統(tǒng)高校教育檔案管理系統(tǒng)面臨前所未有的安全威脅，而傳統(tǒng)的教育檔案管理主要側(cè)重信息的收集、管理、查詢、增刪改等業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)檔案數(shù)據(jù)的真實(shí)性、完整性、安全性等顯得無能為力。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)的引入可以使教育檔案在一個(gè)不完全可信的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)一種安全可靠的去中心化的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)在電子檔案管理領(lǐng)域的捕獲歸檔、移交接收、自動(dòng)處置和檔案檢測等場景已經(jīng)開始應(yīng)用[3]。

2 基于區(qū)塊鏈的教育檔案存證溯源系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的高校教育檔案中心化儲(chǔ)存方式極易受到惡意攻擊，并且缺乏數(shù)據(jù)追溯功能。一旦服務(wù)器被攻擊，數(shù)據(jù)被偽造、篡改或刪除的可能性極大，追蹤變更來源或歷史極其困難。但由于區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际酱鎯?chǔ)且其鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)具有時(shí)間戳特性，將每個(gè)區(qū)塊通過特定哈希方法連接起來，可以實(shí)現(xiàn)教育檔案在區(qū)塊鏈中的去中心化和可溯源性。

基于區(qū)塊鏈的高校教育檔案存證溯源系統(tǒng)主要采用鏈上與鏈下相結(jié)合的模式。用戶可以使用瀏覽器進(jìn)行系統(tǒng)前端訪問，各高校則可以進(jìn)入管理界面，對(duì)本校學(xué)生的教育檔案進(jìn)行管理。管理員則對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和更新。

高校教育檔案存證溯源系統(tǒng)自頂向下分別是用戶層、系統(tǒng)業(yè)務(wù)層、智能合約層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。用戶主要由高校檔案部門、學(xué)生和用人單位構(gòu)成。系統(tǒng)業(yè)務(wù)層包括用戶管理模塊、業(yè)務(wù)系統(tǒng)模塊、電子檔案管理模塊，其中業(yè)務(wù)系統(tǒng)模塊包含檔案文件生成、修改、審核和歸檔，電子檔案管理模塊包含檔案接收、檔案保管、檔案利用、檔案銷毀等功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要包含區(qū)塊鏈（聯(lián)盟鏈）和星際文件系統(tǒng)IPFS，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

高校教育檔案存證溯源系統(tǒng)主要涉及三類角色，分別為高校、學(xué)生和用人單位，如圖3所示。高校是大學(xué)生教育檔案的直接管理單位。在學(xué)生入學(xué)直至畢業(yè)期間，高校需要收集學(xué)生在校產(chǎn)生的所有教育數(shù)據(jù)，并及時(shí)錄入檔案存證溯源系統(tǒng)，確保學(xué)生能夠在該系統(tǒng)中及時(shí)查看教育檔案內(nèi)容，明確自身優(yōu)勢與不足，以便進(jìn)一步規(guī)劃學(xué)業(yè)和未來發(fā)展方向。在學(xué)生就業(yè)時(shí)，用人單位需要通過系統(tǒng)對(duì)學(xué)生提交的教育檔案進(jìn)行溯源驗(yàn)證，確保學(xué)生擁有入職資格。

3 基于區(qū)塊鏈的教育檔案存證溯源系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

本節(jié)對(duì)基于區(qū)塊鏈的教育檔案存證溯源系統(tǒng)進(jìn)行層次定位，從線下和線上兩方面分析。線下需要人工對(duì)教育檔案電子化加工和檔案圖像處理。線上則需要進(jìn)行檔案數(shù)據(jù)化和審核。最終結(jié)果經(jīng)過處理存入?yún)^(qū)塊鏈，實(shí)現(xiàn)對(duì)教育檔案的隱私保護(hù)、防篡改、可追溯，如圖4所示。

基于區(qū)塊鏈的教育檔案存證溯源系統(tǒng)主要由兩大模塊構(gòu)成：

（1）數(shù)字教育檔案上鏈存證。在高校教育檔案管理系統(tǒng)中，需要為每位學(xué)生建立一個(gè)電子檔案，采集學(xué)生基本信息，形成準(zhǔn)確的學(xué)生教育檔案。

①信息包含“基本信息、學(xué)習(xí)經(jīng)歷、教育過程信息、獎(jiǎng)懲信息、家庭成員信息、聯(lián)系方式”等。這些信息存入檔案存證溯源系統(tǒng)。

②數(shù)字教育檔案管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，在初步審核后，計(jì)算一致性哈希并基于共識(shí)機(jī)制上鏈。

③上鏈后的數(shù)據(jù)要基于檔案號(hào)建立索引，方便后續(xù)的“信息鏈”查詢操作。

④教育檔案上鏈過程可配置，管理員可配置特定節(jié)點(diǎn)擁有查看權(quán)限，其他節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)查看權(quán)限。

⑤管理員擁有所有電子化檔案數(shù)據(jù)的查詢權(quán)限，但不可修改。

⑥學(xué)生僅擁有查詢自己檔案的權(quán)限，但不可修改。

⑦僅區(qū)塊鏈配置的管理員擁有教育檔案數(shù)據(jù)的上傳、修改、查詢權(quán)限。對(duì)于已上鏈的數(shù)據(jù)，管理員可發(fā)起“修改”交易進(jìn)行數(shù)據(jù)修改，不可改變已共識(shí)上鏈的數(shù)據(jù)，僅追加修改記錄，修改記錄應(yīng)保存上鏈，形成數(shù)據(jù)操作信息鏈。

⑧實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不可篡改及不可抵賴的全流程回溯確責(zé)。

（2）教育檔案溯源。

①實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)核驗(yàn)溯源接口，學(xué)生可根據(jù)自己的信息和鏈上摘要信息，驗(yàn)證其檔案數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

②管理員擁有所有學(xué)生數(shù)字教育檔案信息核驗(yàn)權(quán)限。

③第三方檔案管理機(jī)構(gòu)獲得學(xué)生主體允許的情況下，可核驗(yàn)該學(xué)生檔案的真實(shí)性。

4 基于區(qū)塊鏈的教育檔案存證溯源系統(tǒng)存儲(chǔ)與智能合約開發(fā)

這部分主要從檔案的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和智能合約兩個(gè)角度進(jìn)行闡述。教育檔案存證溯源系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通過區(qū)塊鏈技術(shù)和IPFS實(shí)現(xiàn)，既保證了重要存證溯源數(shù)據(jù)及時(shí)上鏈，又保證了基本檔案數(shù)據(jù)的安全可靠。智能合約可以保證系統(tǒng)存證溯源順利實(shí)施。

4.1 教育檔案中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

4.1.1 區(qū)塊鏈（聯(lián)盟鏈）

區(qū)塊鏈相當(dāng)于一個(gè)去中介化的數(shù)據(jù)庫，分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。本文中基于區(qū)塊鏈的教育檔案存證溯源系統(tǒng)采用聯(lián)盟鏈。聯(lián)盟鏈?zhǔn)怯梢唤M相互信任的機(jī)構(gòu)或組織共同管理和維護(hù)的一種特定區(qū)塊鏈模式。與私有鏈的運(yùn)作空間和效率相比，其價(jià)值更大。與公有鏈完全去中心化的不可控和隱私安全相比，其更具有可操作性。在電子檔案管理中，尤其是高校教育檔案管理中采用聯(lián)盟鏈?zhǔn)潜厝贿x擇。多個(gè)高校間構(gòu)成聯(lián)盟，共同建立和維護(hù)一個(gè)用于高校檔案管理的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)來共享檔案數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)安全可靠。

4.1.2 IPFS

IPFS是一種新型的互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，通過使用基于內(nèi)容尋址的文件系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的基于位置尋址的文件系統(tǒng)。這意味著文件不再通過文件路徑來定位，而是通過哈希值來標(biāo)識(shí)和檢索。同時(shí)，IPFS還支持文件的分塊存儲(chǔ)和去重技術(shù)，大大提高了文件的存儲(chǔ)和傳輸效率。IPFS是一種去中心化的分布式文件系統(tǒng)，而區(qū)塊鏈則是一種去中心化的分布式賬本技術(shù)。將這兩種技術(shù)結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)更高效、更安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸，將教育檔案存證溯源信息和教育檔案文件分離存儲(chǔ)，即IPFS作為教育檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，使用聯(lián)盟鏈來保證數(shù)據(jù)的可信和安全。

4.1.3 智能合約開發(fā)

傳統(tǒng)合約是由雙方共同制定合同規(guī)則，需要可信的第三方機(jī)構(gòu)對(duì)合約執(zhí)行進(jìn)行監(jiān)督、授信或仲裁，以保證合同規(guī)則被多方同時(shí)合法執(zhí)行[4，5]。與傳統(tǒng)合約概念相比，智能合約可以理解為是滿足預(yù)定條件而自動(dòng)執(zhí)行的程序（或協(xié)議或合同中的操作），其主要存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上。智能合約開發(fā)技術(shù)流程如圖5所示。

本文中智能合約的重要三個(gè)業(yè)務(wù)操作是指檔案數(shù)據(jù)上鏈，鏈上檔案數(shù)據(jù)查詢和溯源審計(jì)，其中重點(diǎn)闡述檔案的追溯流程合約，如圖6所示。

在高校教育檔案存證追溯系統(tǒng)中，追溯節(jié)點(diǎn)一般發(fā)起追溯檔案交易（Transaction），但需要進(jìn)行授權(quán)來觸發(fā)教育檔案追溯合約。當(dāng)教育檔案數(shù)據(jù)上鏈時(shí)，追溯方法將返回當(dāng)前檔案交易數(shù)據(jù)的區(qū)塊哈希、區(qū)塊高度、區(qū)塊時(shí)間戳等。這種嚴(yán)格的授權(quán)驗(yàn)證流程保證了追溯數(shù)據(jù)的真實(shí)性與安全性，同時(shí)也增強(qiáng)了整個(gè)追溯體系的透明度和可追溯性。追溯合約旨在實(shí)現(xiàn)教育檔案數(shù)據(jù)的上鏈存儲(chǔ)和查詢，用戶使用Trace（ ）合約輸入來觸發(fā)教育檔案追溯數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上鏈合約。合約執(zhí)行后，將交易數(shù)據(jù)上鏈存儲(chǔ)并更改節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，發(fā)送到共識(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序和打包出塊，最終備份到整個(gè)聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊上。執(zhí)行Trace（ ）合約后，用戶可以通過輸入GetData（ ）方法從用戶節(jié)點(diǎn)備份區(qū)塊查詢數(shù)據(jù)，輸入應(yīng)包括教育檔案追溯碼以索引查詢。執(zhí)行GetData（ ）方法后，用戶獲取存儲(chǔ)在鏈上的檔案追溯數(shù)據(jù)。在此期間，合約會(huì)遍歷查找相匹配的業(yè)務(wù)方法，并驗(yàn)證用戶授權(quán)有效性，觸發(fā)教育檔案追溯數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上鏈合約。通過上述步驟有序執(zhí)行，才能完成教育檔案追溯數(shù)據(jù)的上鏈存儲(chǔ)和查詢功能，保證教育檔案追溯數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

5 結(jié)束語

區(qū)塊鏈應(yīng)用于高校教育檔案管理是檔案領(lǐng)域未來發(fā)展的必然趨勢。通過對(duì)“區(qū)塊鏈+教育檔案”的范式進(jìn)行深入研究，本文提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的高校教育檔案存證溯源系統(tǒng)解決方法。具體分析了教育檔案存證溯源總體框架和角色構(gòu)成，從層次定位角度出發(fā)設(shè)計(jì)出系統(tǒng)兩大模塊。接著從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層面將教育檔案存證溯源信息和教育檔案文件分離存儲(chǔ)，并給出智能合約技術(shù)開發(fā)流程。只有將區(qū)塊鏈技術(shù)融入檔案管理業(yè)務(wù)中才能真正實(shí)現(xiàn)檔案信息服務(wù)的個(gè)性化、精準(zhǔn)化和及時(shí)化，滿足“數(shù)智”時(shí)代對(duì)電子檔案的發(fā)展需求。

參考文獻(xiàn)：

〔1〕Nakamoto S. A peer-to-peer electronic cash system[J]. Bitcoin. Available： https：//bitcoin. org/bitcoin. pdf， 2008：1-24.

〔2〕林知微，張嵩川，王成吉，等.區(qū)塊鏈技術(shù)綜述：在下一代智能制造中的應(yīng)用[J].智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2023，5（02）：200-211.

〔3〕王艷松，王棟，王為久，等.區(qū)塊鏈在電子檔案管理中的應(yīng)用分析與實(shí)施路徑探究[J].北京檔案，2022， 39（01）：10-14.

〔4〕黎強(qiáng).基于區(qū)塊鏈的云南咖啡溯源系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].昆明：云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2023.

〔5〕青樂，朱慧君.基于區(qū)塊鏈智能合約的大數(shù)據(jù)安全[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2023，40（12）：332-337.