基于區塊鏈和云技術的電子學籍檔案管理系統研究

孔樂佳

摘要：通過分析當前學籍檔案管理發現的問題，發現區塊鏈技術和云技術應用于電子學籍檔案管理的可行性和必要性，為了構建基于區塊鏈技術和云技術的新型學生學籍檔案系統，從學籍檔案管理的需求出發，分析了涉及的五種實體，構建了電子學籍檔案區塊鏈系統總體框架。為了實現學籍檔案數據的完整性、機密性和支持機密數據的共享，分析了采用聯盟鏈建立電子學籍檔案區塊鏈系統的必要性，并進一步開發了區塊鏈分層架構圖，構建了基于云技術的電子學籍檔案區塊鏈系統的體系結構。

關鍵詞：區塊鏈;云技術;電子學籍檔案

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）36-0070-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著社會的發展，原來傳統紙質的學籍檔案管理方式已經不能滿足新形勢下學校人才培養、用人單位招聘等對學籍檔案的需求，而且隨著繼續教育和開放式大學的蓬勃發展，對學籍檔案的管理已經提出新的要求。為了適應新形勢，越來越多學校檔案館選擇通過檔案數字化技術將原始紙質檔案數字化和構建遠程服務平臺來滿足更多的檔案利用需求。學籍檔案管理的新趨勢和新需求給教育機構檔案管理部門帶來了挑戰。國家檔案局在2017年提出了要在檔案管理方面圍繞區塊鏈技術展開研究，并將區塊鏈技術與檔案相關工作相結合，以解決當前檔案管理中存在的問題。

2 當前電子學籍檔案管理面臨的挑戰

當前電子學籍檔案面臨的挑戰，主要有三個方面：

1）電子學籍檔案共享利用不順暢。目前學校檔案管理大部分已實現信息化，但信息孤島現象嚴重。在電子學籍檔案的利用過程中，學校檔案移動平臺上的學籍專題檔案服務大部分只是公示學校檔案部門的聯系電話或郵箱等，查檔人需要通過郵箱、電話或微信等新型社交媒介等途徑上傳有效證件圖片提交查檔申請，檔案保管方是申請進行審核后將電子檔案復制件提供給查檔方，或通過郵箱等離線傳輸方式傳遞所需學籍檔案資料，這種查檔利用方式不夠便捷。

2）電子學籍檔案安全可靠性受到質疑。在電子學籍檔案的利用過程中，利用方離線傳輸或攜帶紙質件，但這也存在利用方對電子檔案復制件或紙質件存疑等問題。如用戶需要利用檔案館的電子檔案，但第三方對檔案館出具的電子檔案的原始性存疑，因此經常通過輸出紙質件或簽名方式來進行背書，這種利用方式比較煩瑣。

3）電子學籍檔案跨機構協同管理存在困難。隨著學生的學習進階過程，電子學籍檔案具有需要在不同教育機構間流轉的需求，但因為教育機構之間的信息系統都是獨立建設的，且不同教育機構之間沒有建立一個可信的環境，電子檔案一旦跨機構傳輸，就必須進行真實性驗證。由于缺乏可信的環境和電子學籍檔案的格式問題，電子學籍檔案跨機構協同管理幾乎無法進行。

面對以上問題，區塊鏈技術和云技術可以提供一個有效的解決方案。區塊鏈通過對分布式數據存儲、P2P傳輸、共識機制、加密算法和智能合約等傳統技術的應用，使區塊鏈具有去中心化、不可篡改、可溯源、多方維護、公開透明等特點。本文提出了一個基于區塊鏈技術的電子學籍檔案系統。

3 區塊鏈技術和云技術在檔案領域的相關研究進展

區塊鏈技術起源于開創性的文章“比特幣：點對點電子現金系統”。近年來，國內外都開始將區塊鏈技術應用于電子檔案系統。英國Archangel項目是全球首個專門針對檔案完整性管理問題所開展的區塊鏈應用項目，通過分布式賬本技術保障數字檔案長期可用及內容完整[1]。中國石化的文檔區塊鏈項目目標是運用區塊鏈技術來解決真實性保障問題和信任問題，較為詳細地分析了文檔管理過程中需要上鏈的環節以及上鏈的具體內容和字段，同時實現了基于云平臺實現電子檔案的存證驗證和通過BaaS的方式對外提供服務[2]。中國科學院深圳先進技術研究院的數據安通寶系統源自“基于區塊鏈的可信安全數字檔案系統構建研究”項目，通過構造基于區塊鏈的分布式、去中心化的數字檔案系統，提供不可篡改且能在任何時間點恢復的數據庫服務以有效應對突發應急事件[3]。北京互聯網法院“天平鏈”項目是為了保障電子合同、電子發票、電子文章、電子郵件等以文檔形式出現的電子證據的真實性，解決由于電子記錄易篡改，易變性等導致的存證難、取證難問題。

國內外將云技術應用在檔案工作中的學術研究很多，W.Serewicz指出云計算給電子文件、數字檔案資源的存儲空間帶來無限可能。Roger James提出云計算為檔案開放帶來機遇，將會推動機構重新考慮他們要保護的信息及開放的信息。周楓對云數字檔案館動力機制進行了系統研究，指出云計算將國家數字檔案資源虛擬為一個巨大的資源池，為用戶在龐大的數據庫中實現一站式查找與服務[4]。牛力等對云計算環境下檔案信息資源整合與服務模式進行了相關研究，建立了檔案信息資源“云服務”模型，通過“支撐云”，“業務云”和“公共云”平臺提供不同級別的檔案內容與資源服務[5]。李曉等強調云計算以網絡為中心、以服務為提供方式，強調資源的池化與透明化，并具有高擴展高可靠性。而數字檔案館具有數字檔案信息資源的海量與異構性、檔案信息傳遞的網絡化、數字檔案館之間的互聯性，可以說數字檔案館與云計算技術二者間存在天然的契合[6]。

4 基于區塊鏈技術和云技術的電子學籍檔案系統設計

4.1 總體框架

區塊鏈系統是一個去中心化的系統，本系統基于區塊鏈技術和云技術構建的電子學籍檔案，系統涉及五種實體：教育機構、學籍檔案利用者、學生、密鑰生成中心、云平臺，如圖1所示。

1）教育機構負責學籍檔案的上傳、修改等數據維護工作。當需要上傳或修改學籍數據時，教育機構將根據指定的訪問策略對學生的學籍檔案進行加密，并將具有教育機構簽名的加密數據提交到區塊鏈數據池。區塊鏈中的共識節點監控數據池，對捕獲加密數據（由教育機構提交）和授權信息（由學生提供）驗證相應的簽名以確保數據完整。然后，共識節點將執行一個共識協議來選擇一個簿記節點。簿記節點將加密數據提交給學籍檔案云平臺，并將數據描述和云中數據的地址寫入區塊鏈。

2）學籍檔案利用者主要指就業單位、下一階段教育機構等需要調閱學生學籍檔案的主體，數據使用者可以瀏覽區塊鏈的內容，并根據其要求獲取數據地址，共識節點將繼續監控數據池，捕獲利用需求（由檔案利用者提交）和授權信息（由學生提交），并驗證相應的簽名以確保數據的保密性，然后，數據使用者下載相應的加密數據，并運行解密算法，使用其私鑰解密加密數據。

3）學生在授權書上運行簽名算法，以說明其數據共享策略。學生向教育機構發送已簽名的授權書，以授權他們的數據共享政策。同時學生將授權書提交給區塊鏈系統的數據池，并等待共識節點收集該授權書。根據實際需要授權其學籍檔案訪問策略，并將簽署的授權書提交給區塊鏈數據池，等待共識節點處理，捕獲匹配的授權信息（由學生提交）和加密數據（由教育機構提交），并驗證相應的簽名以確保數據完整并由學生授權。

4）密鑰生成中心運行密鑰生成算法來生成用戶的私鑰。密鑰生成中心生成用于簽署數據生產者（教育機構）、數據授權者（學生）使用的IBS的標識密鑰，以及生成用來在數據消費者（學籍檔案利用者等）使用的ABE中解密的屬性密鑰。

5）云平臺。當區塊鏈網絡的連接越來越多，數據傳輸的增加就越來越多，當存儲在鏈上的數據相對較小時，網絡能夠輕松地處理事。一旦大量數據被放入鏈中，請求和事務量就會成倍增加，導致每個節點最終都必須存儲大量信息，網絡的帶寬會導致傳輸變得遲緩。我們希望能夠利用區塊鏈分散的數據公證，而不會堵塞每個節點并花費昂貴的費用來支付帶寬。與鏈共享的數據可以存儲在“離線”的位置，只有在需要時才能訪問。區塊鏈鏈外存儲是指存儲區位于區塊鏈鏈外，存儲區的控制權屬于區塊鏈網絡，單個節點用戶沒有權限對鏈外存儲區進行操作，需要整個區塊鏈網絡完成共識，才能授權對鏈外存儲區訪問和操作。在本系統中，為了減輕健康學校學籍檔案管理部門采用區塊鏈解決方案的工作量，筆者提出了基于云平臺的數據存儲的體系結構，所有學籍檔案存儲在云平臺上，數據存儲地址被寫入區塊鏈中，對這些云服務器數據庫中所有健康記錄的訪問都必須通過區塊鏈，區塊鏈會跟蹤所有查詢日志，如選擇、插入和刪除等。記錄的所有權和訪問權是除了日志之外還添加到鏈中的重要元數據。這樣，所有訪問的歷史記錄都存儲在區塊鏈上，該區塊鏈提供了發生在每個記錄上的所有事件的完整視圖，從而保證了數據的完整性，并防止濫用用戶的記錄。

4.2 區塊鏈平臺的體系構建和結構設計

為了實現學籍檔案數據的完整性、機密性和支持機密數據的共享，我們基于云技術的電子學籍檔案區塊鏈系統使用聯盟區塊鏈。

1）聯盟區塊鏈

按準入機制，區塊鏈可分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈三類。在公有鏈中，任何節點無須許可便可自由地加入或退出區塊鏈網絡，加入區塊鏈網絡的節點可以得到從創始區塊到當前區塊上的所有數據。在私有鏈中，寫入權限由某個組織或者機構全權控制，數據讀取權限受組織規定，要么對外開放、要么具有一定程度的訪問限制。由于參與節點具有嚴格限制且少，與公有鏈相比，私有鏈達成共識的時間相對較短、交易速度更快、效率更高、成本更低，更適合于特定機構內部使用。在聯盟鏈中，只允許某個群體的成員和有限的第三方參與，指定多個預選的節點為記賬人，每個塊的生成由所有的預選節點共同決定，其他第三方可以通過該區塊鏈開發的API進行限定查詢。電子學籍檔案區塊鏈平臺主要記賬人為教育機構，數據使用者只需要對學籍檔案進行查詢操作，所以采用聯盟鏈構建電子學籍檔案區塊鏈平臺更有優勢，體現在：一是可修改。公有鏈一旦形成了區塊鏈，因為節點很多，區塊數據一旦寫入，想要更改其中的數據是不可能的。而聯盟鏈中，只要區塊鏈節點大部分達成共識，就可以修改區塊數據。二是速度快。聯盟鏈的節點數量有限，很容易達成共識，所以交易速度也比較快。三是數據保密性高。不同于公有鏈的數據公開，在聯盟鏈中，只有聯盟內部機構及其用戶才有權限訪問數據，數據的保密性高。

2）體系結構設計

電子學籍檔案區塊鏈平臺的體系結構分為5層，分別是數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層，區塊鏈分層架構見圖2。

① 數據層。利用Merkle樹與鏈式結構保障數據不可篡改。

② 網絡層。使用P2P協議實現去中心化。

③ 中間協議層。包括三個重要機制，分別是共識機制、激勵機制和智能合約。

共識機制通過區塊產生確認機制以保障分布式賬本數據同步。本設計采用股份授權證明（DPoS）共識機制，股份授權證明機制（DPOS）是一種新的保障加密貨幣網絡安全的算法。它在嘗試解決比特幣采用的傳統工作量證明機制（POW）以及點點幣和NXT所采用的股份證明機制（POS）問題的同時，還能抵消中心化所帶來的負面效應。

激勵機制是制定記賬節點的“薪酬體系”，主要提供一定的激勵措施，鼓勵節點參與區塊鏈的安全驗證工作。在本設計中，提出了一種新的激勵機制，即引入了每個提供者的重要性概念。

智能合約是通過構建可編程的智能數字協議定義業務場景交易邏輯。本設計的智能合同主要有摘要合同和記錄關系合同，摘要合同保存提供者的參考列表，可以由提供者或策略指定訪問權限，以及記錄上次更新的時間戳。記錄關系合同存儲記錄的元數據，即所有權和權限、包括讀取和編輯的日志、狀態指示是否已將新日志添加到區塊鏈，以及提供程序的當前重要性值。

④ 應用層為用戶提供各種場景API（應用程序接口）以自定義、發起和執行智能合約。

5 總結

區塊鏈技術具有去中心化、不可篡改、可溯源、多方維護、公開透明等特點，將對改善當前學籍檔案管理的痛點具有巨大的潛力，可以克服諸如學籍檔案共享利用不順暢、安全可靠性質疑和跨機構協同管理困難等問題。本文重點構建了電子學籍檔案區塊鏈的體系結構和總體框架，未來的研究可以進一步涉及更深入地聯系實際的需求分析，并從經濟性等方面做出成本效益評估，此外還需要研究電子學籍檔案和紙質學籍檔案的共存問題以及教育機構和學生對新技術的接受度等問題。隨著新技術在各個社會領域的滲透，由于區塊鏈在改善現有檔案管理痛點上的潛力很大，區塊鏈技術在檔案領域的應用是勢在必行的，必將提高整個檔案管理行業的管理水平。

參考文獻：

[1] 楊茜茜.基于區塊鏈技術的電子檔案信任管理模式探析：英國ARCHANGEL項目的啟示[J].檔案學研究，2019（3）：135-140.

[2] 李春艷，喬超.區塊鏈技術在大型企業集團電子文件管理中的應用——以中國石化為例[J].檔案學通訊，2020（1）：13-20.

[3] 武瑛，王為久.區塊鏈技術在電子文件管理中的應用特點研究——國內外文檔區塊鏈項目比較分析[J].檔案管理，2021（2）：37-39.

[4] 周楓.云數字檔案館動力機制研究[J].浙江檔案，2013（10）：20-22.

[5] 牛力，韓小汀.云計算環境下的檔案信息資源整合與服務模式研究[J].檔案學研究，2013（5）：26-29.

[6] 李曉，蔣冠.國內數字檔案館研究綜述[J].北京檔案，2015（3）：20-23.

【通聯編輯：代影】