區塊鏈技術在學籍管理的應用

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摘要：針對傳統學籍管理系統中存在的數據篡改和隱私泄露等問題，筆者提出將區塊鏈技術應用在學籍管理中，并設計了智能合約實現數據的訪問控制，結合中心化的管理思想規范了系統中節點的行為。實踐表明，基于區塊鏈的學籍管理系統具有較好的時間性能和功能健壯性。

關鍵詞：區塊鏈；學籍管理；智能合約；訪問控制

學籍管理是高校和教育管理部門的一項重要工作，與學生的升學、就業息息相關。隨著我國信息化建設的不斷深入，學籍管理也從紙質化存儲過渡到無紙化的信息化管理，但傳統的學籍管理系統都是中心化存儲模式，已暴露出巨大的安全隱患，迫切需要一種新的管理模式來有效管理重要的學籍信息。區塊鏈是一種新型的數據存儲技術，采用鏈式結構和時間戳技術將數據按照出現的先后順序存儲在數據鏈中，具有去中心化、去信任、不可篡改和可追溯等特點。隨著人們對區塊鏈技術研究的不斷深入，區塊鏈也從最早的數字金融領域擴展到其他社會生活領域，如身份認證[1]、農產品溯源[2]、醫療衛生服務[3]等領域。區塊鏈技術為學籍管理提供了新思路，也為探索區塊鏈按技術在教育領域的應用提供了借鑒。

1傳統學籍管理系統存在的問題

1.1存在被黑客攻擊的風險

在中心服務器中，學籍信息一旦成為黑客的攻擊對象，數據則存在被篡改的巨大風險[4-5]。例如，求職者為了謀求高薪，學歷造假事件屢見不鮮，很多不法分子試圖入侵學信網數據庫偽造學生的學歷證書，一旦服務器遭到破壞則很難保證數據的真實性。區塊鏈的去中心化存儲便能夠很好地解決該問題，數據分布式存儲在多個節點中，即使一個節點中的數據遭到破壞，另外節點也可以提供數據的真實性證明。

1.2數據泄露現象嚴重

學生對自己的學籍數據沒有操作的權限，且數據存在被泄露的可能。如果高考生的檔案信息被非法泄露，很可能會給社會和考生本人帶來負面的影響。與去醫院看病類似，電子病歷存儲在醫院的服務器中，從而就存在泄露的巨大風險。區塊鏈的數據存儲方式使得個人可以管理自己的學籍信息成為可能，可追溯性也降低了隱私泄露的可能[6-10]。總體來說，中心化存儲暴露出來的一系列問題給人們帶來了巨大困擾，迫切需要一種更加安全、透明和可信的方法來有效管理學籍信息。區塊鏈的數據存儲不依賴中心節點，而是由所有的節點共同維護，節點之間無須相互信任，并且數據一經上鏈不可篡改，每一筆數據都可追溯。另外，區塊鏈學籍管理方便學校對學生的學籍信息進行有效管理，為國家機關、企事業單位招聘人才提供真實的數據，實現多方共贏。采用區塊鏈進行學籍信息管理有利于凈化就業市場的造假行為，從而構建健康的國家信用體系。

2基于區塊鏈的學籍管理系統實現

2.1系統運行架構

基于區塊鏈的學籍管理系統采用Hyperledgerfabric框架搭建底層區塊鏈環境，系統中的用戶有高校、學生、企業，可以將用戶劃分為兩個組織，一個是高校組織，另一個是企業組織。兩個組織同屬于一個channel，高校組織下包含很多學生節點和高校節點，企業組織下有很多企業節點，共同構成一個學籍管理的聯盟鏈。系統運行架構如圖1所示。APP代表客戶端，用來創建交易并向orderer節點（排序節點）提交交易請求；CA負責對網絡中的證書進行管理；MSP（成員服務提供者）為客戶端和Peer節點提供證書組件；Channel為通道，負責提供統一的通信信道；Orderer為排序節點，負責對交易請求進行排序，并生成區塊廣播給通道內的Peer；Peer為聯盟鏈中的所有節點。

2.2系統實現架構

本系統整體采用MVC架構，如圖2所示。MVC將應用程序劃分為3種組件，并明確定義了它們之間的相互作用[11-15]。模型（Model）：底層采用HyperledgerFabric框架構成區塊鏈底層分布式網絡，底部的最新交易消息是由couchDB存儲，歷史交易消息是由levelDB存儲，總體交易消息以文件形式存儲在服務器上。視圖（View）：與用戶交互，負責發送用戶請求并將執行結果返回給用戶，本文采用單頁面多選項卡表格的形式顯示學生、高校與企業的信息。控制器（Controller）：負責從view讀取數據，控制用戶輸入，并通過sdk調動智能合約向模型發送數據。

2.3系統功能實現的智能合約

基于區塊鏈的學籍管理系統對數據的查詢與更新操作均采用智能合約方式進行。智能合約以計算機程序為載體，數據由事先編寫的代碼進行控制，不需要人為參與，降低了數據誤操作的風險，提高了合約的準確度。

2.4借鑒中心化的管理思路

在完全去中心化的管理模式中，仍然存在個別多余的節點，針對該問題借鑒中心化管理思路對于有違規行為的系統用戶進行中心化管理，彌補去中心化管理存在的不足。基于區塊鏈的學籍管理系統的一個擴展功能就是建立用戶的信用體系，如果用戶存在違反智能合約或者非法操作數據的行為，在信用值下降到一個閾值時將會進入系統黑名單，系統管理員可以禁用進入黑名單的用戶賬號。

3系統測試結果及分析

本文對區塊鏈學籍管理系統的時間性能和功能健壯性進行測試，系統的測試環境如下：操作系統macos10.15、容器docker17.03.0、區塊鏈框架hyperledger1.4.2、智能合約語言golang1.12.1、CPUinteri5；Caliper版本0.1.0。Caliper是fabric區塊鏈性能測試框架，用戶可以在定義好測試集的情況下針對自己的區塊鏈網絡進行性能測試，獲取一系列的測試結果并生成測試報告，本實驗使用Caliper的區塊鏈網絡進行綜合性能測試。測試中分別調用查詢學生信息函數以及增加學生信息的函數作為讀和寫操作的測試用例，讀寫各執行10000次。得到的測試結果如下：①單機環境下的讀寫操作吞吐量分別為55.2tps和13.2tps，最大時延分別為5.12s和1.53s，最小時延分別為3.94s和0.11s，平均時延分別為4.11s和1.32s；②多機環境下讀寫操作的吞吐量分別為403.4tps和201.3tps，最大時延分別為3.23s和1.23s，最小時延分別為0.91s和0.14s，平均時延分別為2.21s和0.97s。對比需要花費大量算力資源的比特幣和以太坊系統，節約了大量的成本，同時該系統在寫入時可以達到213筆/s，查詢時達到550筆/s的吞吐量，并且時延也在1s左右，能夠滿足吞吐量和時延設計要求。另外，在系統健壯性測試方面，對用戶登錄、查詢、刪除、添加、修改和拉黑等功能進行測試，均順利通過，證明系統能夠滿足健壯性需求。

4結語

目前，區塊鏈在教育領域的應用尚處于初級階段，筆者對“區塊鏈+教育”進行了深入探討。從實際應用效果看，在教育行業中運用區塊鏈能很好地解決傳統中心化存儲中存在的問題，是大勢所趨，但如何進行大范圍推廣還面臨著很多問題，需要研究者進行深入研究。

作者：史十尹 鄧小鴻 單位：贛南科技學院