基于區塊鏈的教育數據共享探索研究

李磊 陳靜 張志鴻

摘 要：教育數據共享是教育治理能力優化的重要途徑，但其普遍面臨數據存儲分散、數據安全風險、流程煩瑣、數據維度有限等問題，而新興的區塊鏈技術可以有效解決這些問題。本研究提出了一種基于區塊鏈的教育數據共享方案，能夠安全、公平、高效地實現教育數據共享，提升教育治理能力。

關鍵詞：區塊鏈;數據共享;教育數據

我國的互聯網規模龐大、發展迅速。中國互聯網絡信息中心發布的第48次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，截至2021年6月，我國網民規模超過10.1億，互聯網普及率達71.6%。在線上、線下平臺的交互中，各種數據的產生和使用都越來越多，大數據逐漸在各個領域得到應用。對相關數據進行采集、處理、挖掘和分析，可以起到改善工作環境、提高工作效率以及預測發展趨勢等作用。在教育領域，大數據的研究和應用也受到學者們的廣泛關注。

教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》提出實施“教育治理能力優化行動”，要求深化教育大數據應用，以“互聯互通、信息共享、業務協同”為目標，打破數據壁壘，完善教育數據標準規范，優化業務管理，提升公共服務，促進決策支持。可見，教育數據共享已成為我國推進教育治理現代化的重要途徑。

近年，快速發展的區塊鏈等新興信息技術為教育數據的大規模共享提供了重要技術支持。區塊鏈作為一種新興的分布式數據存儲技術，具有去中心化、防篡改、可追溯和高度信任等特征，已經在金融、醫療、農業等領域得到應用。習近平總書記在中共中央政治局第十八次集體學習時指出，要探索“區塊鏈+”在民生領域的運用，積極推動區塊鏈技術在教育、就業、養老、精準脫貧、醫療健康、商品防偽、食品安全、公益、社會救助等領域的應用。教育部印發的《高等學校區塊鏈技術創新行動計劃》也提出，針對教育管理與服務中面臨的版權確認、數據取信、隱私保障等問題，研究基于區塊鏈的教育資源共享、教育成果評價、學生綜合測評、教育檔案存證與追蹤、信息流通控制與隱私保護等技術，構建基于區塊鏈的教育管理與服務協同平臺。綜上所述，區塊鏈技術對于解決教育數據共享中面臨的數據安全和防控教育數據共享中存在的風險等問題，具有重要的實踐應用價值。

一、教育數據共享面臨的問題

課題組通過對鄭州大學教務處、信息工程學院、計算機與人工智能學院、厚山學堂等部門以及中原工學院等院校的調研發現，在教育數據共享中存在以下四個問題：

一是數據分散存儲，校際共享難。高校的教育數據具有數據量大、數據異構等特點，這些數據分散存儲在多個業務系統中，如教務系統、學生信息系統、檔案管理系統等。這些被不同高校的不同部門保存并管控的數據共享非常困難，信息孤島現象嚴重，迫切需要打通校際數據共享通道。

二是存在隱私泄露、數據篡改等數據安全風險。高校的教育數據涉及大量學生和教師的個人信息，但系統中的業務辦理人員、系統管理人員、數據庫管理人員等均有不同級別的數據訪問權限，存在多方串通篡改或泄露數據的風險。此外，采用傳統的數據存儲方式建立的數據共享平臺，被不法分子攻擊、獲取數據并濫用的風險也較大。

三是業務流程煩瑣。不同高校之間以及高校內不同部門之間在使用其他高校或部門的數據前，需要層層審批，成本較高。

四是數據維度有限。分散在業務系統中的大多是靜態和片面的業務數據，只包含有限的數據維度，這會導致高校在業務協同、決策支持等方面不能獲取完整有效的數據，無法滿足教育治理優化的需求。

二、區塊鏈的核心技術及其對教育數據共享的支撐

區塊鏈技術是以塊鏈結構作為數據存儲載體，以點對點網絡作為通信載體，依賴密碼學確定所有權和保障隱私，以分布式系統共識框架保障一致性，旨在構建價值交換系統的技術。區塊鏈的核心技術主要包括去中心化的共識協議、以塊鏈結構組織的數據庫、公平可信的智能合約。

（一）去中心化的共識協議

區塊鏈按照中心化程度可以分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈。公有鏈的去中心化程度最高，任何節點都可以加入并參與共識協議的運行;私有鏈的去中心化程度最低，一般由單一的組織進行維護;聯盟鏈的去中心化程度介于上述二者之間，只允許聯盟內部節點加入，節點必須經過授權后才能參與共識協議的運行。

區塊鏈中的共識協議保證了分布式系統中的數據一致性。目前，區塊鏈的共識協議主要包括三類：一是證明類共識協議。這類共識協議中，節點在每一輪共識過程中必須證明自己具有某種特定的資源或能力，在競爭中勝出的節點將獲得數據寫入權，如工作量證明（POW）和權益證明（POS）等。二是隨機類共識協議。這類共識協議是為解決證明類共識協議存在的算力浪費問題而提出的。節點根據某種隨機方式直接確定每一輪的數據寫入節點，如Algorand和所用時間證明（POET）等。三是拜占庭容錯（BFT）類共識協議。這類共識協議中，節點通過“投票選舉”的方式選出當前輪次的數據寫入節點，如實用拜占庭容錯（PBFT）和冗余拜占庭容錯（RBFT）等。

在這三類共識協議的基礎上，學者們還提出了許多優化的、組合的或分階段的共識協議。通過這些共識協議，在點對點網絡上的分布式節點可以達成數據一致，并將數據記錄到區塊鏈上。區塊鏈的共識協議為建立去中心化的、分布式的教育數據共享平臺提供了技術支撐，是解決校際教育數據分散存儲、難以共享問題的有效方法之一。

（二）以塊鏈結構組織的數據庫

區塊鏈的核心數據結構是一條由哈希指針鏈接而成的區塊鏈，每個區塊中包含多條數據記錄。根據不同的應用場景，數據記錄可以設計成不同的字段。基于密碼學原理設計的區塊結構，可以保證存儲在區塊中的數據的安全。

區塊由區塊頭和區塊體組成。數據記錄保存在區塊體中，組織成默克爾樹（Merkle Tree）的形式。默克爾樹是一種哈希樹，其葉子節點保存數據記錄，非葉子節點保存對應子節點數據的哈希值。數據記錄的任何改變都會體現在默克爾樹根的值上，因此默克爾樹可以驗證數據記錄是否被篡改過。此外，存儲在默克爾樹的葉子節點中的數據記錄是經過私鑰簽名的數據，基于非對稱密碼體制設計的數字簽名機制可以保障數據的所有權。

默克爾樹根的值保存在區塊頭中。區塊頭中還保存有前驅區塊的哈希指針、本區塊的生成證明以及時間戳等信息。前驅區塊的哈希指針用于鏈接各個區塊，并可以用來驗證前驅區塊的數據是否被篡改過;本區塊的生成證明用于說明生成區塊的節點的身份信息，該證明與共識協議有關，不同的共識協議需要提交不同的證明信息;時間戳用于記錄區塊生成時間。

區塊鏈的數據結構為鏈上的數據提供了防篡改、隱私保護、數據所有權保護等多種安全屬性，是解決教育數據共享中數據安全問題的有效方法。

（三）公平可信的智能合約

智能合約的概念最早由密碼學家尼克·薩博提出。智能合約可以看作一段能夠按照事先約定的規則自動執行的代碼。然而，智能合約提出時，由于缺少可信的執行環境而未得到應用。區塊鏈系統的出現為智能合約的應用提供了去中心化的可信環境，使得智能合約得以應用。

區塊鏈系統中，多方用戶對規則協商一致后創建合約代碼，然后將合約代碼作為數據記錄寫入區塊鏈，一旦滿足觸發條件，節點將執行合約代碼，并將執行后的合約狀態寫入區塊鏈。智能合約的執行過程和結果由區塊鏈共識協議保證一致性，因此區塊鏈上的智能合約是公平可信的。

智能合約為多方事務處理提供了公平可信的技術方案，是解決教育數據共享中流程煩瑣問題，提高數據共享效率的有效方法之一。此外，在區塊鏈基礎上，還可以利用數據聯邦、零知識證明、同態加密等技術賦予教育數據共享平臺更多的能力，滿足教育治理優化的需求。

三、基于區塊鏈的教育數據共享方案

在校際教育數據共享場景中，區塊鏈節點屬于多個高校以及各高校的多個部門，數據并未面向大眾完全公開，加入區塊鏈的節點需要經過主管部門的審核。因此，課題組提出的教育數據共享方案使用的是聯盟鏈。

由于高校內各部門之間的數據共享與高校間的校際數據共享具有不同的數據屬性、權限和安全需求，課題組提出了教育數據共享方案，在校內和校際分別建設聯盟鏈，最終構建多層聯盟鏈體系，以滿足校際教育數據共享中多樣化的需求。基于多層聯盟鏈的教育數據共享平臺框架如圖1所示。

基礎設施層包括云服務器、高性能存儲設施和高速網絡設施等，可以為教育數據共享平臺提供計算、存儲和網絡等基礎服務。基礎設施層可以直接利用教育科研網已有的信息基礎設施和網絡設施構建。

區塊鏈服務層是教育數據共享平臺的核心組成部分，包括各高校的校內區塊鏈、校際聯盟鏈以及智能合約模塊，可以提供統一安全的數據服務和公平高效的業務流程服務等。區塊鏈服務層中的校內區塊鏈在高校內部構建，采用聯盟鏈系統架構，高校內的教學和行政部門經過授權后，作為校內鏈節點參與校內鏈共識，提供教育數據。原始教育數據仍然保存在傳統數據庫服務器中，但教育數據的哈希值保存在校內鏈中。每個高校從校內鏈節點中選舉一個節點作為代表節點，與其他高校的代表節點共同構建校際聯盟鏈。代表節點需要經過授權才能參與校際聯盟鏈的共識，代表節點根據需求將校內教育數據的哈希值保存在校際聯盟鏈中。校內區塊鏈和校際聯盟鏈均采用實用拜占庭容錯協議作為共識協議。各高校的代表節點同時參與校內區塊鏈和校際聯盟鏈的共識，實現跨鏈訪問功能。在聯盟鏈之上，基于Solidity語言封裝智能合約模塊，為教育數據共享提供智能合約運行環境。根據需求設計并部署教育數據開放合約、查詢合約等，為上層應用提供統一的數據和流程服務。

增值服務層是在區塊鏈服務層的基礎上提供的擴展服務。在保障用戶隱私、保護數據所有權的前提下，提供數據整合、分析等服務，用以滿足教育治理中的各種數據需求。

應用層包括實現各種業務的應用程序，如學分銀行、教育評價和檔案存證等。應用程序可以進行擴展，以滿足用戶新增的業務需求。

推進教育治理能力優化，深化教育大數據應用都需要安全高效的教育數據共享平臺。區塊鏈技術能夠在網絡中建立點到點之間的信任，保障數據公平、高效、安全地共享，化解數據共享面臨的安全與效率矛盾，為教育數據共享提供了有效的技術手段。課題組提出的基于區塊鏈的教育數據共享方案，能夠從技術上解決教育數據共享面臨的問題，提高數據共享的效率，促進教育治理能力優化。

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責編：初 心