一种基于区块链的高校共识管理平台的设计

文｜骆霄 周义方 解永刚

文章通过对现有各类不同区块链技术的研究，将区块链技术与高校共识进行了一次结合，从而设计了一套基于区块链的高校共识管理平台，将高校事务各环节进行区块链信息保存维护，并对功能和运用场景进行了叙述，理论上提供了一种区块链在高校场景中的使用案例说明，为高校管理使用区块链技术提出了一种方案。

一、引言

近年来区块链的应用逐渐深入到了各个行业中，针对教育行业的研究也逐渐多样化起来。《中国教育现代化 2035》提出要建立数字教育资源共建共享机制，完善利益分配机制、知识产权保护制度和新型教育服务监管制度。区块链的功能在这样的背景下也就有了用武之地，随着区块链在各行各业中的应用逐渐增大，“区块链+”模型也成为现今主流的模型之一。随着区块链技术研究与应用的增多，2013年开始出现区块链技术与教育行业的融合。

二、区块链演化

区块链技术随着版本的迭代更新，从最初的1.0的数字货币应用，到区块链2.0就是对整个市场的去中心化，利用区块链技术来转换许多不同的资产。

而后区块链3.0是价值互联网的内核。区块链能够对于每一个互联网中代表价值的信息和字节进行产权确认、计量和存储，从而实现资产在区块链上可被追踪、控制和交易。

后期崛起的区块链4.0和5.0在概念上有了大幅的提升，各行各业融合区块链所蕴含的开放、共享、协同、互利等技术理念，在一定程度上实现了产业数据的集成与技术应用的创新。

三、区块链技术在高校管理中的应用

区块链技术在高校已经有了多样化的实施方案，最具代表性的是伍尔夫大学，2018年开始，该学校管理就进行了区块链改造。

清华大学于2018年6月成立清华x-lab区块链实验室，成为是国内首个依托高校服务区块链方向创业团队的加速计划；2018年7月，清华大学成立了“行业可信区块链应用技术联合研究中心”。

在国内区块链领域，浙江大学是能够与清华相抗衡的第二势力。各地方高校在此带领下，也进入一轮又一轮的区块链技术发展改造中。

四、基于区块链的高校共识管理平台的设计

一个高校的管理工作纷繁复杂，主要是为学生提供相关的教学服务和一些生活保障，服务主要是管理教学过程。这样的服务基本是通过学校这个逻辑结构，将教师和学生结合起来，让教师通过课程教学和其他学生行为管理工作，使学生达到学校培养目标这样一个特定结果的综合过程。在此过程当中，会产生各类信息内容，包括过程信息、个人档案信息、考评数据和一些数据需求方所需要的证明材料和证书。参与的角色逻辑上包含教师、学生和数据需求方。角色所产生的个体总量来看，相互间的关系是比较多样和复杂的。不同特定角色之间特殊的关系，可能会演化出多种服务模式，基础的模式如图1所示。

图1 高校基本信息服务链结构

基于对教师、学生之间的关系而产生的多种用例情况，可以分析出基本的系统需要的架构模型，这种模型基本可以分为三层，如图2所示。

图2 基于区块链的高校共识管理平台架构图

第一层为应用层，这一层作为网页和相关软件的人机交互使用，可以直接供参与者进行人机交互使用，开发逻辑分为Web版和终端版两个，Web版可以实现多区域管理，终端版则可以成为桌面应用程序而配置到整个终端的服务中，对相应的同步起到自动化的作用。

第二层属于业务层，这一层的功能对应用程序的支持服务、POST和REQUEST的页面处理、对相关业务逻辑的管理功能的支持，这一部分包含了招生信息管理、教师信息管理、课程信息管理、学分信息管理、成绩信息管理、过程信息管理、评价信息管理、证书信息管理、就业管理、学生信息管理和区块业务链接等功能，采用Django的架构模型，对综合服务数据库进行操作用于综合服务业务层的基础业务封装，把区块链的交互通过封装达成平衡。

第三层是共识数据层，这一层也是区块链的基础核心层，是对基本区块链数据库进行直接操作维护和更新的功能，也作为区块链合约生成的基础，产生共识区块相关同步数据块，并把相关数据链接上不同的区块化数据。

（一）模块设计

在各项不同管理业务中，区块链上链的逻辑基本是一致的，不同设计只是针对不同的操作过程，在此使用录入成绩这个功能模块的操作逻辑做一个说明，如图3所示。

图3 成绩录入模块区块链上链操作流程图

当进入到成绩录入管理模块时，先要确定登录账号是否被实名认证过，因为实名认证过的账户才可以分配到区块链账户信息和token，这样的分配使得用户在系统内可以用唯一的标识信息加签到其任意的操作和结果中。在录入成绩的时候，系统会按照基本逻辑验证录入成绩的结果和系统要求结果是否一致。特别是数据中的完整性和重复性的验证，完整性使得数据保证每一条都已经被确认过，重复性则使得数据内容不会再出现分叉叠加的错误。

当数据完成验证进入到下一步，就是在数据库里面进行更新操作。这个操作将基础核心数据库进行修改以后，会把最原始的权威数据进行锁定，而后可以正常选择上传至区块链结构进行数据区块化同步。在W e b或者是本地桌面应用中都可以进行同步的设置，而后区块发送至整个同步网络，账本会追踪区块链内所存储的知识和技能情况，区块链中所记载的数据会由于区块链自身的特性得以永久保存且难以被篡改。是否所有数据都需要进行区块链结构同步，其实是需要进行判断的，因为参与的数据越来越大和频率过高，同步效率会降低。

（二）核心共识机制PBFT

共识算法有很多种，比较有特色的算法有POW、POS、DPOS、PBFT、POP等，其中PBFT指Practical Byzantine Fault Tolerance，使用拜占庭容错算法。链上所有人参与投票，结果按照拜占庭共识算法来处理。学校的共识环境中，基于确定性和吞吐率的特殊需求，教育区块链一般采用基于投票的 PBFT 共识协议。

PBFT的算法机制如图4所示，其信息传递流程按以下的步骤进行：

图4 PBFT信息传递流程

PBFT 共识机制不争夺计算能力，减少了资源浪费，并且在整个网络中，只有一个主节点负责生成新的块，不会发生分叉。但是主节点的选举是随机的，一旦该节点出现故障将会触发视图转换，增加共识的复杂性以及成本。同时 PBFT 的容错率只有1/3，无法阻止所有的攻击，安全性有待提高。除此之外，PBFT 共识机制可扩展性低，当节点到达一定数量时，算法性能急剧下降。所以在前期运算过程中该算法可以基本达到要求，而长期同步率越发频繁的事务出现以后，可能面临着调整算法的问题。

也有很多人已经在研究PBFT的改进型算法研究。

（三） Django架构的使用和特色

系统开发基本使用Django架构，这个架构使用一种MVT的架构模式，和MVC类似，MVT的是Model（模型）、View（视图）和Template（模板），其中的Model和MVC中的Model功能基本一致，都是用于把使用模型进行封装的。而MVT中的View则是对接收请求等业务进行处理，和MVC中的Control类似，Template则是辅助把需要封装的页面显示构造内容进行重新编排，和MVC中的View功能类似。

使用Django的原因是本系统中的模型和操作要求在这个框架下都可以使用，并且Django的数据库访问组件是比较完整的，可以比较高效完成功能需求中对数据库的操作。

其次是Django的效率由于依赖的外部组件较少，所以在耦合过程中不容易出现太多的过程差错。其使用的模板系统也比较人性化，可以对多种第三方模板有较好的支撑作用。

最后就是由于同步需要的处理缓存等相关需求是比较高的，Django在缓存处理单元也有着较好的支持，可以提供多种有效的缓存响应模式。

比如在成绩录入的功能中，可以通过创建一个成绩类（Class Record）来存放基本成绩的创建和内容属性，这个类通过继承Django下models这个父类，从而达到把父类的属性继承下来的功能，并把功能封装进成绩类中，并且同时，成绩类可以通过装饰器对成绩类中的数据是否完全、内容是否重复进行自我引用，引用中进行检查。这个检查也就达到对整个类功能的完善。

（四）系统部署设计

高校区块链在部署中，各个不同功能实现节点属于逻辑上的不同同步节点，在实际的运用中，服务器，除了使用应用的各个角色都会在自己的功能下进行实时同步，各个服务和服务提供设备也会进行基于IPBFT的同步。他们逻辑上都是一个整体的区块链环境中，其他节点可以通过同步数据对整个数据进行同时同向地取得。见图5。

图5 基于区块链的高校共识管理平台系统部署图

五、总结与展望

结合我国教育背景，推动区块链技术在我国教育领域现状环境下发展是未来研究的方向。由于高校对信息和结果的使用权重是很重要的，比如一个人的学历和学位信息，这样重要的信息在都是采用国家认证机构来进行认证，但是由于属地直接管理的权限，高校还是一个信息最直接的管理方，就像出现争议等实际问题，作为数据来源方的高校仍然要进行最终的审核和事务说明，对于区块链技术在信息加工上所能达到的结果，可以让这样繁琐不可追溯的信息工作成为历史。这样的学习证书管理中心通过构建一套低成本、自动化、安全可信的证书认证系统，使学习证书认证、鉴定与管理更加有效、安全。让每一个参与者的每一个链条状的信息证据链可信度提高。

通过本文的论述，对现有的基于区块链的高校共识管理平台的设计进行了叙述，在今后的实际应用过程中，也会对实际的结果进行追踪分析，对系统进行改进，从而进一步让系统更加稳定地对高校进行服务。