区块链3.0 构建高校新生态系统设计与实现

2023-12-29李发英颜文燕李尚林通信作者

信息记录材料 2023年11期

肖娟，王嵩，李发英，颜文燕，李尚林（通信作者）

（湘南学院计算机与人工智能学院湖南郴州 423000）

0 引言

区块链3.0 是对区块链2.0 的改进和升级，其在架构设计、提高性能和扩展性、保护隐私、跨链互操作等方面引入新的技术和机制，使得区块链3.0 可以满足更复杂的业务需求和应用［1］。因此，区块链3.0 在教育领域的应用也将更加广泛。

“区块链+教育”最早应用于学历认证方面，例如：麻省理工学院的数字凭证项目使用区块链技术为学生提供了可验证的学历证书；日本索尼全球教育公司利用区块链技术开发了一套教育数据管理系统。国内“区块链+教育”领域的应用也有一定的成果，例如上海交通大学与知识产权交易所合作，利用区块链技术为学生提供学历认证服务等。

高校生态系统是一个复杂的教育生态子系统，其本身由内部要素和外部环境等较多的元素组成，且各元素间存在复杂的业务逻辑关系，不同于区块链技术在教育领域以往应用的单一性，本文将探索区块链3.0 对复杂高校生态系统的构建。将从高校生态系统内部业务逻辑分析出发，设计和实现高校新生态的区块链3.0 系统。

1 相关技术介绍

1.1 区块链技术架构

设计和开发区块链应用系统，需考虑以下主要组件：

（1）分布式网络：区块链是一个分布式系统，由多个节点组成，通过点对点网络连接在一起，共享数据和交易信息。

（2）区块链协议：定义节点之间的通信规则和数据交换方式，规定如何创建新的区块、验证交易、共识算法等。

（3）共识算法：是用于解决分布式系统中节点之间达成一致的算法，在区块链中的作用是确保所有参与节点在验证、添加新交易或区块时能够达成共识，以保证数据的一致性和安全性。

（4）数据结构：区块链使用链式数据结构来存储交易记录。每个区块都包含前一个区块的哈希值，形成了一个不可篡改的链条。

（5）加密算法：用于保护交易和数据的安全性，常包括哈希函数、数字签名、对称加密和非对称加密等。

（6）智能合约：在区块链上执行的可编程代码，定义了参与方之间的交易规则和条件，并自动执行这些规则。

（7）数据存储：区块链可使用不同的数据存储方式，包括分布式文件系统、数据库等。

（8）用户界面：提供用户与区块链进行交互的方式，可以是命令行接口、Web 界面或移动应用程序等。

1.2 区块链3.0 技术的应用特色

（1）扩展性能和性能的提升，通过开发新的共识机制、分片技术、侧链等提高区块链系统的吞吐量和效率。

（2）隐私和安全性的增强，隐私保护技术被引入以实现在区块链上进行私密交易和数据共享［2-3］。

（3）跨链的互操作性，不同的区块链系统能够相互通信和交换价值，而不仅仅局限于各自的封闭网络。

（4）去中心化应用的成熟，是基于区块链构建的应用程序，具有去中心化、透明、安全等特点。

2 区块链3.0 构建高校新生态系统分析

2.1 高校新生态系统内外部组成要素及关系分析

高校生态系统是从教育生态学的视角去看待高校及其生态环境，它是由内部组成要素和外部生态环境以及内外部之间的相互交流与作用形成的一个统一体。

2.1.1 高校生态系统内部要素

（1）高校机构

包括大学和学院，是高校生态系统的核心，为高校学生提供教育资源、学术指导、研究机会。同时承担培养人才、推动学术研究和知识创新的责任。

（2）高校学生

是高校生态系统的核心受益者和参与者，通过课堂学习、研究项目、实习和实践等方式来获得教育、知识、技能和学位。

（3）高校教职员工

通过教学、指导学生、开展研究和进行学术交流等方式来推动教育的质量和创新。

2.1.2 高校生态系统外部要素

（1）政府机构

制定教育政策、提供资金支持和监管，确保高校的质量和公平性，促进教育与就业市场的对接。

（2）行业合作伙伴

提供实践机会、实习项目、研究资助和就业机会，帮助学生将所学知识应用于实际工作之中。

（3）社会和社区

提供学生支持服务、校外实习机会、社会参与项目等，为学生提供全面的教育体验和发展机会。

高校生态系统组成示意图如图1 所示。

图1 高校生态系统组成

2.1.3 高校生态系统内外部要素关系

高校生态系统内部要素即高校机构下设职能部门和二级学院，作为学生和教职工的管理机构，学生从入学到毕业的全部学习活动和教职员工的教学、科研相关业务工作都归高校机构管理。教职员工对学生有授课、管理等职责，学生也是教职员工业务效果的评价者。

而高校生态系统的外部要素如政府机构、行业合作伙伴、社会和社区和高校生态系统内部要素之间也是息息相关的，政府机构是高校机构的直接领导和管理者，高校实施人才培养离不开行业合作伙伴和社会社区。高校生态系统内外部要素关系如图2 所示。

图2 高校生态系统业务逻辑

2.2 系统区块数据结构分析

应用区块链3.0 构建高校生态系统，以系统内部三要素为主体可设计三大区块数据：机构、学生和教职员工。每类区块数据的结构定义如下，示例如图3 所示。

图3 区块数据结构定义示例

（1）区块头（block header）：是区块的元数据，包含区块相关的信息和验证数据，一般包括：版本号、前一区块哈希、时间戳、Merkle 根、难度目标等。

（2）交易数据（transaction data）：是区块链中记录的重要内容，可包含多个交易，包括发送者、接收者、交易金额以及其他相关信息。本系统中三大主体根据各自信息需求有不同的交易数据，每次交易产生一个交易数据。一般包括：交易哈希值、发送方地址、接收方地址、交易金额、交易时间戳、交易签名等。

（3）区块哈希（block hash）：通过对区块头进行哈希计算得到唯一标识符，具有唯一性和不可篡改性，用于验证和链接区块。

3 区块链3.0 构建高校新生态系统设计

3.1 系统架构设计

根据区块链3.0 的层次架构［4］，构建高校新生态系统可分为5 个层次。

第一层：区块技术底层，包括网络拓扑，加密解密，区块数据结构、节点设置和计算方法。

第二层：区块核心层，包括共识机制、共识算法、区块数据操作规范和网络操作规范。

第三层：区块链3.0 智能合约运行和网络操作调用的支撑环境。

第四层：智能合约层，是整个计算技术架构的关键部分。

第五层：应用层，使用Web 应用开发与用户交互的前端。

3.2 系统模块设计

以高校生态系统内部三要素为主体，应用区块链3.0构建高校新生态系统，如图4 所示。

图4 区块链3.0 构建高校新生态系统模块

学生主体包括：

（1）学历认证和学生档案管理。建立去中心化的学历认证和档案管理系统，可减少学历造假、信息篡改的风险。

（2）学生数据管理。管理大量的学生信息、教学数据和行政数据。

教职员工主体包括：

（1）教职员工数据管理。管理教职员工作业绩、业务成果、年度测评等相关数据。

（2）学术研究和知识产权保护。保护学术研究的数据、成果和知识产权，可通过区块链进行跟踪和验证，确保其来源和完整性。

机构主体包括：

（1）教育资源共享。教师和学生可以在平台上共享教学材料、课程内容和研究成果，促进跨机构的合作和共享，提高教育资源的利用效率。

（2）数据隐私与保护。数据存储在区块链上，只有授权的人员才能访问［5］。

（3）智能合约服务。可以自动执行合约中定义的规则和条件，提高效率并减少人为错误。

4 区块链3.0 构建高校新生态系统的实现

4.1 构建区块链3.0 底层P2P 网络

区块链底层的网络是典型的P2P 对等网络，如用高级编程语言来实现基本网络通信，步骤如下：

（1）引入包括socket 和threading 模块用于网络通信和多线程处理。

代码：import socket

import threading

（2）定义了一个P2PNetwork 类，用于管理P2P 网络的连接和通信。

代码：

（3）定义start 方法用于启动P2P 网络。

代码：def start（self）：

（4）定义handle_client 方法用于处理单个客户端的消息。

代码：def handle_client（self， client_socket）：

（5）定义broadcast 方法用于将消息广播给所有连接的节点。

代码：def broadcast（self， message）：

4.2 开发系统智能合约

区块链3.0 构建高校新生态系统智能合约的设计非常复杂，可先按主体设计，再综合考虑。下面以学生主体为例，使用Solidity 语言编写一个智能合约如下：

（1）指定 Solidity 的版本，并声明一个名为CollegeEcosystem 的合约。

（2）在合约中，定义一个结构体Student，用于表示学生的信息。

（3）创建一个映射类型的变量students，用于存储学生信息。

（4）定义一个公共的studentCount 变量，用于记录学生数量。

（5）在构造函数中，将学生数量初始化为0。

（6）实现addStudent 函数，用于向合约中添加学生信息。传入学号、姓名、年龄和专业作为参数，创建一个新的学生结构体，并将其存储在students 映射中。然后，增加学生数量，并通过emit 关键字触发StudentAdded 事件。

（7）实现getStudent 函数，用于根据学号获取学生的信息。

（8）实现updateBalance 函数，用于更新学生的余额。

4.3 系统部署和运行

区块链3.0 高校新生态系统的实现最终需要部署和运行，其步骤如下：

（1）选择区块链平台，根据系统需求可选用以太坊这个平台部署本系统。

（2）编译智能合约，使用编译工具Solc 将编写好的智能合约编译成字节码。

（3）部署智能合约，选择合约部署工具Remix／Truffle，连接到区块链网络，并使用MetaMask 进行身份验证。

（4）与智能合约交互，通过发送事务，使用区块链平台接口工具与智能合约进行交互；通过调用合约函数，传递参数，执行合约中定义的操作。

（5）开发Web 端应用程序提供用户交互界面，通过Web 端与智能合约进行交互，用户在Web 端可进行相关操作。

（6）测试和优化，在部署运行中，需要进行充分的测试并优化，测试可确保智能合约的功能正确和安全，优化可提高系统性能和用户体验。

5 结语

综上所述，应用区块链3.0 构建高校新生态系统是“区块链+教育”方向的深入探索，也是技术引领教育改革的必经之路。应用区块链3.0 技术构建高校新生态系统的关键是利用区块链的去中心化、可验证和可追溯的特性，为高校提供更加安全、透明和高效的主体数据解决方案。本文给出了此系统的设计架构、实现步骤，考虑到高校生态系统本身的复杂性和主体数据的多样性，系统的可扩展性及数据冗余问题值得进一步探究。