教育區塊鏈技術研究

三亞學院管理學院 李海軍 楊 月

信任危機是現行教育生態體系面臨的最嚴重問題。用區塊鏈技術來重構教育生態，既是解決信任危機的重要途徑，也是教育信息化的必然趨勢。

1 區塊鏈技術

區塊鏈主要采用以下技術來解決信任問題：

1.1 塊鏈式數據結構

區塊鏈中數據是以“記錄-區塊-鏈”的結構組織的。其中，記錄可以是一條交易記錄（如比特幣中的交易記錄），也可以是一條有證據含義的信息（或稱數據），比如一份會議記錄、一篇發表的文獻、一次事故記錄、一份體檢報告，當然可以是一份考試答卷及成績。記錄中有些要素不可或缺，如記錄的發生時間、登載記錄的人（或記錄的屬主）等。每個記錄數字簽名后都要分發給其他對等節點認證，達成共識的記錄才能被真正采用并記入當前區塊。每條認證后的記錄經過哈希算法處理得到一個本條記錄的哈希值連同記錄本身一同記入區塊中。把記錄按發生的時間順序記錄到特定大小的區塊后，所有記錄的哈希值的一種管理編碼值，即默克爾根。每個區塊除了包含一定數量的記錄外，還需要創建區塊頭部信息。這些頭部信息包括：前一區塊的哈希值（引用自上一個區塊的整體哈希值）、當前區塊的整體哈希值（本區塊所有內容經哈希算法處理后得到的哈希值，將被下一個區塊所引用）、由本區塊所有記錄產生的哈希值（默克爾根，保證記錄不被非法修改）、時間戳（區塊產生的時間）、隨機數、魔法數、區塊大小、區塊包含的記錄數、區塊版本號等。每個區塊的哈希值都被緊隨其后的后繼區塊所引用，以此類推不斷延續，所有區塊就將鏈接成一個前后關聯難以修改的鏈條。任何想在鏈條中間上任何區塊進行的修改，必須相應地將其后產生的所有區塊都做相應修改才能保證哈希值引用的相應變化。當然，新產生的區塊必須經過PeertoPeer（對等網，本文后續簡稱P2P）網絡中所有其他節點的認證，達成共識后才能順利加入鏈條。這種結構為那些惡意篡改區塊或記錄的行為設置了難以逾越的屏障。在教育領域，如果學習者學習過程的每個關鍵步驟和關鍵節點，特別是能體現其學習成就的能力指標，都通過哈希算法、數字加密和數字簽名技術來加以保護，并記錄到相應的區塊鏈中，日積月累，形成圍繞學習者的能力電子標簽或數據指紋，就可從根本上杜絕各種作弊造假行為。同時，由于這些特征值都被自動化記錄，方便了成績統計和素質特質的自動化抽象。這為用人單位鑒識合適的人才創造了數據基礎。

1.2 P2P網絡

P2P網絡是指網絡中的任意節點都具有同等地位和作用，既是資源、服務和內容的提供者，同時又是分享者。節點與節點之間可直接訪問而無需借由中央服務器節點的中介。P2P網絡可以按照Kademlia結構來組織，每個節點都擁有一份動態節點路由表。每個節點擁有的節點路由表中，始終趨于保存與自己距離（節點ID值的異或值）最近的節點ID值表。所有節點的ID值以二叉樹形式組織，可保證P2P網絡中任何兩個節點間快速定位并交互信息。每個節點都可以創建記錄，也可以將網絡中所有節點新產生的記錄按公認的時間順序組織成區塊。每個節點創建的記錄或區塊，都會盡快廣播到全網周知。每個節點收到相鄰節點發來的記錄或區塊信息，立即進行認證并轉發給自己已知的近鄰節點。這樣，區塊信息和記錄信息可在P2P網絡中快速廣播，迅速認證。獲得公認的記錄被添加到當前新區塊的記錄序列尾部。獲得公認的新區塊被添加到當前區塊鏈條的尾部，為全網所共識共有（這一過程被稱為挖礦）。在教育領域，處理的記錄往往體量較大，完全的P2P結構是難以實現的。因為每個節點的存儲容量有限、處理能力有限，不同節點所希望承擔的工作不盡相同。事實上，教育領域的應用也完全沒必要設計為完全的P2P網絡，很多參與節點只希望實現極少量的功能，能夠承擔全節點功能的節點，往往由公信力較高的機構所提供。所以，教育區塊鏈可考慮以P2P網絡為基本架構構建P2P骨干網，在骨干網外圍分層，不同層的節點完成不同的功能，每層內以P2P結構組織，層與層之間以高速可靠的認證網關接通。甚至記錄本身都可不真的加入到其已歸屬的區塊中，只將該記錄的哈希值等關鍵信息記入其所歸屬的區塊中，這樣有利于為區塊瘦身。大體量的記錄可存儲到云端特定的公共存儲池中，以備需要時下載使用。而全功能節點的負擔得以減輕。

1.3 去中心化存儲處理體系

教育領域應用以大記錄為特征（比如多媒體課件、音視頻素材等），其存儲體系應當采用分布式存儲體系，以減少巨量數據訪問和傳輸所帶來的帶寬壓力。P2P網絡中全功能節點既能生產記錄、生產區塊，也能驗證記錄、驗證區塊，當然也能將區塊追加到鏈尾。一個節點所產生的記錄或區塊，需要盡可能快地得到全網所有節點的驗證。如果記錄或者區塊過大，則必然帶來網絡帶寬壓力和處理時延問題。另外，普通節點的存儲空間和處理能力有限，隨著區塊全鏈越來越大，終將難負其重。教育領域的記錄不僅體量大，而且形式多樣，組成復雜，完全去中心化的對等網絡難竟其功。對于具體的獨立鏈體（比如單指主鏈單體，或子鏈、側鏈單體），可仿照以太坊的做法，將節點分層分類。比如，我們可以設計兩類節點：第一類節點設計為全鏈節點，提供區塊鏈的整鏈認證、存儲、備份、交換、分發等工作，即所謂的挖礦節點。第二類節點提供生產并認證記錄的功能。第一類節點應保持足夠大的數量，且擁有超強超高速的處理和傳輸能力。各類屬內的所有節點，具有完全相同的功能，并且形成P2P對等網絡。而類屬節點層之間，則建構高速的數據交換鏈路，并且形成分區分片的從屬關系。分區分片按照P2P網絡中節點間的ID異或距離劃分。我們可以把第一類節點，設計為公共基礎設施層，不僅植入規范的智能合約，而且以嚴格的法律法規加以約束，使其不至于形成中心化的權威專制機構。P2P網絡可提供公正自發的競評獎懲機制，優勝劣汰，將低能、劣質和惡性節點及時自動清理出網。教育區塊鏈設計中，可以考慮由有資質的教育主管部門和公共教育服務部門按照統一的規范構建第一類節點，提供骨干網，而各個教學單位作為第二類節點加入第二層節點網絡，提供記錄生產認證功能。兩類節點層之間以高速網關聯通。

1.4 智能合約

合約就是共同認可的約定，區塊鏈網絡中的合約被所有節點（或合約賬戶）所認可。智能合約是指將合約用計算機語言寫成能自動執行的代碼（也包括代碼所處理的代表合約狀態的數據），當滿足合約所約定的條件（合約數據狀態）時，合約就會被觸發并引導系統自動執行合約所規定的相應操作（即合約程序代碼所設計的操作）。當然，合約執行的結果也需要相關節點確認并達成認可共識。智能合約的這種特質，使得P2P網絡中的所有信息交換、數據儲存、狀態變化、記錄登記和分發都由既定程序自行推進，從而擺脫了人為操控所帶來的信任隱患。另外，智能合約所導致的P2P網絡中的每一步狀態變化，都以合約賬戶的私鑰簽名并哈希鏈鎖，以防止篡改和抵賴。教育領域的智能合約，開發任務繁重，發展應用空間廣闊。比如隨機智能組卷、主客觀試題智能判分、教學素材智能升級換代、學習者綜合素質智能評判、學習智能導引、文憑證書智能獲取、專長人才智能推薦等等。隨著這些智能合約的不斷開發和完善，教育領域將迎來一次革命性變革。

1.5 自生長生態系統

區塊鏈是一個可自組織自生長的生態系統。節點可以自由加入或退出，區塊鏈中的節點會根據網絡中節點的變化自動維護各自當前近鄰節點路由表。區塊鏈中設計了動態評分機制，具有惡意行為的節點會被及時清出網絡。對于具有區塊創建（挖礦）、記錄創建功能的節點，區塊鏈設計了獎勵機制，可有效激勵節點參與的積極性，同時維持網絡的活躍性和生長性。區塊鏈中的P2P結構，要求具有全功能的節點數必須維持在一定數量及比例之上，避免區塊鏈網絡向中心化演進，預防出現中心化的權威機構進而威脅到公開、公平和信任體系。教育區塊鏈從解決信任問題出發，自生長的生態系統，可避免人為操控所帶來的信任損失。因此，教育區塊鏈應當設計為一個安全可靠的自生長生態系統。

2 教育區塊鏈技術構型

教育區塊鏈與比特幣之類數字貨幣交易系統不同，它是一個復雜的信息管理應用生態系統。盡管也具有分布式記賬機制，但其所記賬的內容則非簡單的交易條目，而是單元化的多媒體信息。相對于比特幣的單鏈結構，教育區塊鏈更復雜，是前述多個鏈條的整合體，必須以多鏈形式來組織，多鏈之間還要保證高效可靠的信息交換和共享通道。教育區塊鏈中的記錄單元內容復雜且體量大，這給數據存儲和同步帶來巨大挑戰。完全對等的網絡架構顯然難以勝任這樣的應用。記錄（特別是教學素材）需要具備可修改和升級換代的特性，這對于塊鏈式的凝固態信息的管理機制提出了根本性挑戰。以太坊使用一種兩層對等網絡的組網架構來應對大體量交易條目的存儲和認證挑戰。阿希（Asch）項目提供了一種側鏈架構來解決可變性記錄的維護和管理。Metanet是一個商品分類賬，它采用比特幣技術分支BSV（Bitcoin Satoshi Vision）架構，所有對象都可被放到一個區塊鏈中。Metanet項目目前已經可用Twitter-to-Bitcoin機器人程序，自動抓取推文，并通過OP_return碼直接寫入到BSV鏈上。此項目致力于成為互聯網的替代品，或者讓互聯網成為它的一個側鏈。PlatOn項目則同時搭建主鏈與子鏈，子鏈是一種分層平行擴展方式，是在主鏈平臺上派生出來的、具有獨立功能的區塊鏈。子鏈不能單獨存在，它需要用到主鏈的全局共識機制，共用主鏈的智能合約。