基于區塊鏈的學分信息上鏈模型及實現

陶昀翔　王鈞

摘要：學分銀行作為重要的學分數據信息平臺，應具有高度的權威性，學分銀行系統數據安全尤為重要。傳統的學分銀行系統無法避免人為的刪除、篡改等惡意操作，難以保證數據的安全性。區塊鏈作為去中心化系統，是天然的數據存儲平臺，其以鏈表結構將數據關聯，衍生了數據難以篡改特性。本文提出了基于區塊鏈的學分信息上鏈模型，制定了數據序列化方法，解離數據類型與數據元素，以“協議+數據”模式，設計協議鏈碼和批量上鏈的數據鏈碼，實現了基于區塊鏈的學分銀行系統并進行了上鏈實驗對比。實驗結果表明，本方案可以有效保障學分銀行系統數據的安全性，并且可以提升上鏈存證業務性能。

關鍵詞 區塊鏈；鏈碼；學分銀行；信息存證

中圖分類號：TP391.41文獻標志碼：A 文章編號：1001-2443（2024）01-0020-07

引言

以數字化為標志的知識經濟興起，學習、運用和創造知識的能力已成為推動經濟和社會發展的動力引擎。學分銀行制度是以學習成果為研究核心，以學分衡量其中的學習量和價值水平，將學生各種學習成果認證、積累及轉換的學習管理制度。搭建學分銀行，賦能教育信息化發展，體現在有效銜接正規和非正規學習成果，建立各區域各級教育溝通和學習者終身學習的“立交橋”。數字化改革背景下，基于區塊鏈、大數據等新技術破解數據非法篡改、認證不透明、學分轉換受阻等治理難題，是進一步推進學分銀行信息服務平臺建設的題中之義。

近年來國務院頒布了綜合教育改革試點任務，在五省市一校開展“開放大學試點”積極探索實踐學分銀行建設，在一定程度上完善了我國國家政策層面從學習成果認證、積累轉換制度、學分銀行制度建設研究。2010年，國務院《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中指出要建立繼續教育學分積累與轉換制度，實現不同類型學習成果的互認和銜接。2016年，教育部頒發的《關于推進高等教育學分認定和轉換工作的意見》提出探索建立學分銀行央行，鼓勵區域、聯盟學校建立學分認定、積累及轉換系統。2017年，國務院發布《關于印發國家教育事業發展“十三五”規劃的通知》，將繼續教育領域的學歷與非學歷互認作為學分銀行制度建設的關鍵環節 ［1］。

20世紀90年代初，歐盟成員國統一在歐洲經濟區域內近50個國家中高等院校開通歐洲學分轉換與累積系統，初步探索學分銀行助力教育一體化和教育競爭力，美國高等教育信息化協會于2017年春季發布了文章《區塊鏈變革與高等教育》，明確區塊鏈在高等教育中的重要地位，有助于改進高等院校之間及其與整個社會的關系。麻省理工學院等利用區塊鏈技術開展高校學位和證書存證溯源，提高學歷證書可信性［2］。國內研究者針對學分銀行現有的數據安全和信任問題，提出以區塊鏈為技術支撐，確保學分不可篡改和真實可溯。李青和張鑫認為基于區塊鏈搭建的去中心化學分銀行服務平臺能夠構建可信便捷的證書管理框架，從而降低人才雇傭成本 ［3］。黃慶平認為區塊鏈技術的核心特征能為學分銀行信息查詢與共享、數據分布式存儲、安全性管理和學習成果認證等方面的問題提供一攬子解決方案［4］。周繼平提出在線下學分聯盟組織基礎上建設基于區塊鏈的學分銀行系統，有助于解決聯盟內成員學分的信用問題，為確保學分不可篡改和真實可溯提出技術支撐［5］。

區塊鏈的數據可追溯、去中心化、開放性和自治性等主要特征，為當前各省學分銀行建設過程中出現的中心化治理難題提供了技術支撐［6］，同時，利用區塊鏈非對稱加密、共識機制等技術手段，可有效避免虛假信息存入學分銀行，杜絕了人為篡改數據的可能性，保證不同區域學分銀行數據安全可靠。在本文中，基于區塊鏈的學分信息上鏈模型，規定了數據序列化方法，解離數據類型與數據元素，以“協議+數據”模式，設計協議鏈碼和批量上鏈的數據鏈碼，不僅保障了學分銀行系統數據的安全性，而且很大程度提升了上鏈存證業務性能。

1 技術概述

1.1 區塊鏈分類

根據區塊鏈的中心化程度，通常將區塊鏈分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈，如圖1所示。

公有鏈的去中心化程度最高，所有節點都可以自由加入和退出系統；聯盟鏈中存在少量中心化節點，分散化程度降低，節點的加入和退出需要聯盟之間的協商；私有鏈依靠中心去中心化節點運行，去中心化程度最低，節點的加入和退出也受到私有鏈所有者的限制。根據節點的準入條件，區塊鏈也可分為許可鏈和非許可鏈，非許可鏈包含公有鏈，許可鏈包含聯盟鏈和私有鏈［7］。目前最具影響力的區塊鏈項目比特幣和以太坊均是公有鏈。比特幣就像一個貨幣體系，支持加密貨幣的鑄造、發行和流通。以太坊將區塊鏈和智能合約相結合，拓展了區塊鏈的功能，使其成為一個基于區塊鏈技術構建的去中心化應用平臺，允許任何人在這個平臺應用上構建和使用去中心化的應用。

1.2 超級賬本

Hyperledger Fabric就是一種具有代表性的聯盟鏈系統，不同于比特幣、以太坊的是，Hyperledger Fabric沒有代幣的概念，正因為其處于聯盟鏈的環境中，不需要通過代幣的方式維護區塊鏈系統的生態，亦不需要挖礦的公式激勵機制，這樣的設計也進一步提升了鏈上的性能表現、更降低了挖礦帶來的能源消耗。此外，Fabric提供了通道channel的概念，網絡中的參與者可以根據實際社會關系、企業地位生成多個通道，通道內的數據只有通道內部的成員才能看到［8］。當網絡中的一些參與者是競爭對手或者存在秘密內部共享的數據時，通道功能的設計可以大大增強聯盟鏈場景下的安全性。

從許可鏈和非許可鏈的范圍來看，Hyperledger Fabric可以歸類為許可鏈，即成員的加入和參與活動需要特定的授權和許可，而不是完全暴露在公網上的，許可鏈的機制有效的解決了分支問題，在公鏈中，區塊鏈有可能在共識中分支成多個分支，屆時短鏈將失效。這在企業級別的業務中是絕對不能接受的。Hyperledger Fabric的運行機制是一種不會導致鏈分叉的算法，可以使用傳統的拜占庭容錯（BFT）共識，也可以采用依賴權威組織背書的共識（PoA），這樣任意一筆進行的交易都會得到積極的確認。

1.3 智能合約和鏈碼

智能合約可以理解為是一個建立在區塊鏈上的分布式計算機系統，其革命性的創新點在于其可以實現圖靈完備的程序運行［9］，智能合約本身的含義是共同的，但每個不同的區塊鏈系統可能有不同的名稱。

智能合約的一個特點是，如果滿足條件，合同和交易就會執行。以自動售貨機的工作模式為例：在自動售貨機，購買飲料的交易需要兩個操作：支付足夠的貨幣，售貨機放出飲料。在人工商店中，上述流程應該通過售貨員完成，但在自動售貨機中，上述流程是自動化的。智能合約便是通過編程，在區塊鏈上運行來實現自動化，流程中的任何一環沒有完成，最終交易都不會成功，這也體現了智能合約的原子性特點。

在聯盟鏈的場景下，應用可以使用一種類似智能合約的程序，叫作鏈碼（ChainCode）來支持復雜業務邏輯需求，可以通過Java、Golang等語言編寫［10］。它支持模塊化可插拔共識協議，允許系統根據特定場景和信任模型進行定制共識規則，而不依賴于加密代幣。當區塊鏈被賦予了智能合約的功能后，便可以實現許多豐富多彩的鏈上應用，如去中心化金融Defi、拍賣、募捐、眾籌、NFT、代幣、二次擴容。

Fabric網絡中主要存在著兩種節點，分別是共識節點（Peer節點）和排序節點（Order 節點），上述的每一種節點都運行、保存著完整的區塊鏈數據，當用戶發起交易時，共識節點會從聯盟網絡上抓取交易，如果Peer節點的docker容器上安裝有鏈碼程序，可以在本地模擬執行，如果執行結果合法，Peer節點會用自己的私鑰為這個交易簽名背書，當交易收集到了足夠多的簽名后，Order節點將會把這筆交易收錄進待打包的交易池，最終完成上鏈。

2 方案設計

學分信息上鏈模型主要有以下三種角色：校方管理用戶、教師用戶、學生用戶。三種角色貫穿于學分銀行業務系統與區塊鏈底層之間，經過學生基本信息、學生學分信息、學生證書信息等數據收集；利用數據序列化方法，將上鏈協議與上鏈數據解耦，易于實現學分銀行場景下數據批量上鏈，提高數據上鏈性能；配合Hyperledger Fabric 2.2區塊鏈底層，將學生基本信息、學生證書信息、學生學分信息等數據上鏈操作下沉，利于開發者簡化鏈碼編寫。此外，基于區塊鏈的學分信息上鏈模型保證了學分等信息數據的難以篡改性和數據修改歷程可溯源性，維護了學分銀行系統的高可信度。

學分信息上鏈模型總體架構如圖2所示。學分銀行系統主要由教師端、學生端和校方端維護著學生基本信息、證書信息以及學分信息。底層區塊鏈系統采用Hyperledger Fabric 2.2版本。教師用戶、學生用戶和校方具有鏈上身份。學生基本信息、證書信息以及學分信息經過數據序列化后，由相應端/身份調用數據鏈碼進行上鏈存證。上鏈數據反序列化需要數據鏈碼對應的協議鏈碼。協議鏈碼定義了數據類型后上鏈。數據鏈碼與協議鏈碼關聯，當用戶獲取到數據后，調用協議鏈碼獲取對應的數據類型，完成數據反序列化后可視化展示。

2.1 數據收集

本方案中主要參與者有學生用戶、教師用戶以及校方。方案參與者皆為校園內部用戶，因此沒有系統注冊環節，所有參與者登錄名確定，初始登錄密碼統一固定為個人證件號某幾位。學生用戶其登錄名為學生學號，教師用戶和校方登錄名為工作工號。初始登錄時，操作平臺會為用戶生成一對公私鑰對，以形成鏈上身份。此后，學分銀行系統數據與區塊鏈存證數據的來源于三方參與者。

系統中學生基本信息主要從入學信息開始，由校方端輸入，同時為學生端提供可變動信息的修改功能。初始基本信息的上鏈存證操作由校方統一調用觸發。更改后的基本信息的上鏈存證操作由學生用戶觸發，校方審核。

系統中學生證書信息由校方輸入或者學生用戶輸入。對于校方為授予證書官方的相關證書，由校方統一輸入，觸發存證上鏈操作。對于其他官方授予的證書，由學生輸入證書相關信息后觸發存證上鏈操作，后由校方審核。

系統中學生學分信息由校方輸入或者教師用戶輸入。對于證書類的學分認定，完成學生證書信息審核后由校方統一輸入，觸發存證上鏈操作。對于課程成績類的學分認定，由教師用戶根據每位學生成績是否達到學分標準，確定達到標準給予學分后由教師用戶觸發存證上鏈操作，后由校方審核。

通過對數據收集的輸入審核，保證了系統中學生信息的真實性，同時確定了鏈上學生基本信息的有效性和鏈上學分數據和證書數據來源的可靠性。

2.2 數據序列化

數據序列化后，存在可讀性差、靈活性不強等弱點，但數據序列化后存儲容量小，尤其適于學生學分信息上鏈這類數據量較大的業務場景。因此對于學生學分信息等數據需要經過序列化處理后進行上鏈。本方案中設計的數據序列化方法如表1所示。

將各種數據類型根據編碼轉化方法，進行序列化處理成byte數組。對byte數組數據進行上鏈，提升區塊鏈節點數據存儲能力。

2.3 數據上鏈

數據序列化處理后，轉化為可讀性極差的byte數組格式。為了解決數據可讀性問題，設計了“協議+數據”模式。協議鏈碼模塊規定數據類型，數據鏈碼模塊為業務數據元素，兩者結合還原為可讀性強的數據格式。

協議鏈碼模塊中將協議定義成一個或者多個結構體的組合體。一個結構體由多條屬性組成。一條屬性由類型、名稱和該屬性的描述等組成。結構體名稱相當于協議的類型?？梢园凑諛I務劃分。協議對象序列化是將協議對象實例序列化為byte數組。協議相當于一個類，一個協議對象就是一個實例。根據既定的序列化方法將協議對象實例序列化為byte數組后，將其與屬性結合起來，完成協議對象的序列化。

協議鏈碼在Fabric節點上安裝完成部署完成后，會生成鏈碼id。協議對象序列化為byte數組后，通過調用協議鏈碼上鏈。該類協議對象定義的數據類型上鏈后返回協議id，唯一確定該類數據類型。同時，協議鏈碼模塊會生成協議文件SDK，便于業務端實現該類業務數據的序列化。協議上鏈流程如下圖3所示。

數據鏈碼模塊中利用協議文件SDK，學分銀行系統將對應的學生基本信息數據、學生證書信息以及學生學分信息傳入并生成byte數組，選擇對應的數據類型的上鏈協議id，調用該協議下的數據鏈碼中的方法進行上鏈。數據上鏈流程如圖4所示。

已上鏈的學分信息等數據解析展示方法，需要分別調用協議鏈碼和數據鏈碼，獲取鏈上學分信息等數據和協議信息。將byte數組類型數據按照反序列化方法順序解碼，得出可讀性強的原始數據。

2.4 鏈碼設計

鏈碼模塊主要涉及鏈上的協議鏈碼和數據鏈碼。協議鏈碼管理各類業務數據的協議，數據鏈碼根據對應協議生成。

協議鏈碼中需要提供生成協議對象的方法，輸入協議對象的byte數組，生成協議id且存入協議鏈碼中。生成協議對象方法偽代碼如下算法1所示：

考慮到學生數據量龐大，對于數據鏈碼的設計需要考慮批量上鏈方法，因此對應協議生成數據鏈碼時，其中需要生成批量上鏈方法。批量上鏈方法中需要輸入數據id以及數據序列化后的byte數組，將byte存入數據鏈碼中。批量上鏈方法偽代碼如下算法2所示：

當調用協議鏈碼中方法或者數據鏈碼中方法，交易經過共識后產生的交易哈希，即為上鏈數據的存證哈希，將其與方法返回值一并返回給學分銀行系統業務端。

3 方案實現與分析

3.1 方案實現

基于本文設計的基于區塊鏈的學分信息上鏈模型，部署了一條超級賬本聯盟鏈，并實現了學分銀行業務系統，包括學生用戶端、教師用戶端、校方管理端。

超級賬本聯盟鏈選用Hyperledger Fabric 2.2，其作為常用的聯盟鏈系統，穩定性較好，且具備較完善的配套SDK和瀏覽器，可以使用多種常用的語言進行智能合約，利用其搭建了一個具有2個Peer節點和1個Order節點的聯盟鏈。兩臺服務器配置一致，一臺服務器上啟動了Order節點和Peer1節點，另一臺服務器上部署了Peer2節點。服務器環境配置以及Fabric鏈環境配置如表2和表3所示：

學分銀行業務系統，包括學生用戶端、教師用戶端、校方端，采用MySql進行數據存儲，使用Redis作緩存處理，使用nginx進行反向代理，框架上采用Vue2+SpringBoot進行前后端開發。學生用戶端分別開發了Android系統和iOS系統，教師用戶端、校方端開發了Web端系統。

此外，使用了Fabric2.2提供的GO語言版本的高級鏈碼接口API：fabric-contract-api-go完成了協議鏈碼和數據鏈碼的開發。學分銀行基礎功能如下：

3.1.1學生基本信息存證 學生基本信息上鏈存證后返回交易存證哈希。學生基本信息存證記錄包含基本信息存證哈希、上鏈存證時間、學生姓名、手機號、院系專業、級數班級、學號、性別等信息。

3.1.2 學生證書信息存證 學生證書信息上鏈存證后返回交易存證哈希。點擊證書信息，可以查看到該賬戶在鏈上證書信息，包括證書類型、存證哈希以及上鏈時間等。

3.1.3 學生學分信息存證 學生學分信息由教師用戶和校方確認后，會觸發完成上鏈存證返回存證哈希。學生用戶可以查看個人的學分獲取的具體情況，包括學分信息，學分存證哈希、上鏈時間等。點擊具體的學分信息和課程信息，可以進一步查閱學生用戶的具體學習情況，如圖5所示。

3.1.4 校方端數據全覽 校方端系統的數據全覽主要統計學生及學生證書的相關數據?？刹榭吹臄祿椨凶C書總數、學生總數、區塊總數、證書分布的排行、學生分布情況、系統賬號列表、查詢次數以及學院學生情況。

3.2 方案分析

3.2.1 數據真實性 傳統的學分銀行系統，記錄學生基本信息、證書信息以及學分信息等。這些信息全由人工審核，沒有相關的數據證據做背書，使得操作人員容易操作數據庫數據進行信息造假，更甚至刪除系統操作日志，導致惡意操作完全不可查，產生學分信息數據可信度危機。本方案中，基于Fabric聯盟鏈底層，將學生基本信息、證書信息以及學分信息通過既定的鏈碼邏輯進行上鏈存證，學生基本信息、證書信息以及學分信息上鏈記錄或者修改記錄無法人為刪除，信息流全程可追溯。再者，涉及到證書的學分認定環節，證書信息上鏈后，鏈上可查證書數據真實有效，作為學分認定依據，明確學生學分信息來源，提高學分信息數據真實可靠度。

3.2.2 數據訪問權限 Fabric聯盟鏈中，鏈碼歸屬于通道。Fabric的通道配置中規定可加入通道中的排序節點、背書節點，規定了各賬戶身份權限，例如對通道中的交易或者區塊的讀操作、部署/調用通道中鏈碼的交易的寫操作、修改通道的配置信息等管理操作。這些策略嚴格規定了通道中數據、鏈碼數據的訪問權限，保證了學生學分信息等數據的隱私性。

4 性能分析

學分銀行系統各業務端通過Hyperledger Fabric官方提供的鏈碼軟件開發工具包，連接Peer節點客戶端，輸入待上鏈數據，調用已部署成功的數據鏈碼，向Peer節點提交交易提案，獲取模擬執行結果，最后提交簽名背書和模擬執行結果給Order節點，共識過程完成后，獲取交易哈希和區塊高度返回給學分銀行業務系統展示。Fabric節點所在服務器配置及Fabric通道配置如3.1章節，表2及表3所示。

單記錄上鏈速度

在上述環境下，開展了單條上鏈速率的分析實驗，分別從業務端開始調用數據鏈碼，將學分信息數據上鏈10次、100次、500次和1000次操作，并記錄了數據成功上鏈10次、100次、500次和1000次的耗時，如表4所示。

從表4可以看出，單條記錄上鏈場景下，從業務端調用鏈碼開始到獲取到鏈上成功返回的交易哈希的過程中，每條記錄/交易平均耗時為739ms，平均每秒的記錄數RPC（Record Per Second）為1.355。產生此現象的主要原因是每個區塊中只包含一條交易記錄。

批量上鏈速度

在同樣實驗環境下，調用2.4章節算法2開展了批量上鏈速率的分析實驗。從業務端開始調用數據鏈碼4次，分別上鏈學分數據10條、100條、500條和1000條，記錄耗時，結果如表5所示。

從上表中可以看出，批量記錄上鏈場景下，從業務端調用鏈碼開始到獲取到鏈上成功返回的交易哈希的過程中，每條記錄/交易平均耗時為41ms，平均每秒的記錄數RPC為182.378。產生此現象的主要原因是上鏈方案充分利用了區塊/交易空間，每個區塊中包含了多條數據記錄。

方案對比

基于表4和表5中實驗結果數據，從耗時對比和RPC對比兩方面繪制了如下方案對比圖，如圖6所示。

從圖中可以看出，單記錄上鏈方式耗時高于批量記錄上鏈耗時。批量記錄上鏈方式每秒能夠處理的記錄條數遠多于單記錄上鏈方式。本方案設計的數據序列化方法，解離了數據類型與數據元素，結合數據批量上鏈方法，充分考慮了Fabric鏈自身的特性，提高了數據上鏈的吞吐量，進而提升業務系統性能。

5 結語

區塊鏈技術正滲透在各行各業應用里，其防篡改等特性賦予了業務應用數據的真實可信度，解決了傳統行業里的業務應用數據被惡意操作修改的問題［11］。本文基于區塊鏈的學分信息上鏈方法將大數據量的學分信息等數據通過序列化方法處理，結合“協議＋數據”上鏈模式，保障了學分數據信息的安全，維護了學分銀行系統的權威性，同時進一步滿足了數據批量上鏈的需求，實現系統整體性能的提升。

但本方案仍有些不足之處，如學生學分信息數據的類型可能會更為復雜，比如文件類型等，目前的數據序列化方法還未包含。在下一步的優化設計中，需要考慮更多復雜數據類型，將本方案中的上鏈方法推廣到更多行業應用中。

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Blockchain-based Credit Information Uplink Model and Implementation

TAO Yun-xiang， WANG Jun

（Department of Information Construction and Management， Wuhu Institute of Technology，Wuhu， 241003，China）

Abstract：As an important credit data information platform， the credit bank should have a high degree of authority， and the data security of the credit bank system is particularly important. The traditional credit banking system cannot avoid malicious operations such as manual deletion and tampering， and it is difficult to ensure the security of data. As a decentralized system， blockchain is a natural data storage platform. It associates data with a linked list structure and derives the characteristics that data is difficult to tamper with. This paper proposes a blockchain based credit information uplink model， develops a data serialization method， separates data types and data elements， designs protocol chain codes and batch uplink data chain codes in the mode of "protocol+data"， realizes a blockchain based credit banking system， and conducts uplink experiment comparison. The experimental results show that this scheme can effectively guarantee the security of the credit banking system data， and can improve the performance of the online certificate storage business.

Key words：blockchain；chaincode；credit bank；information deposit

（責任編輯：馬乃玉）

收稿日期： 2023-01-12

基金項目：安徽省高校自然科學重點項目（2022AH052199）；安徽省高校自然科學重大項目（KJ2020ZD71）；安徽省職業與成人教育學會教育教學研究規劃課題（Azcj2022222）；安徽省高等學校質量工程項目（2020qkl44；2020qkl45；2020qkl46）；蕪湖職業技術學院自然科學研究重點項目（wzyzrzd202301）.

作者簡介：陶昀翔（1992—），男，安徽蕪湖市人，碩士，講師，主要從事信息理論及應用研究；王鈞（1979—），男，安徽蕪湖市人，碩士，高級工程師，主要從事信息理論及應用研究.

引用格式：陶昀翔，王鈞.基于區塊鏈的學分信息上鏈模型及實現［J］.安徽師范大學學報（自然科學版），2023，47（1）：20-26.