基于區塊鏈技術的校園教育管理系統設計

王珊珊

［摘 要］作為下一代價值互聯網基礎協議之一，區塊鏈技術給高校校園管理帶來了顛覆性和革命性的轉變，能夠為高校創造智慧化的教學管理環境、優質的共享教育資源和創新性的教學管理模式。文章基于區塊鏈技術對校園教育管理系統的設計進行深入研究，結合區塊鏈技術視域下校園教育管理系統的實際需求，從系統總體架構設計出發，對功能模塊、安全性分析算法等進行深入分析，以期為校園教育管理系統設計的高質量發展提供參考。

［關鍵詞］區塊鏈技術；校園教育管理系統；實際需求；設計

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2023.17.045

［中圖分類號］TP315 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2023）17-0162-05

0? ? ?引 言

近年來，“互聯網+”模式飛速發展，為學校教育管理提供了極大的便利，使得各類管理工作擺脫了時間和空間的束縛，各高校紛紛搭建起自己的校園管理系統，以方便師生、行政人員、后勤人員、游客等身份的用戶使用。然而隨著校園教育管理系統的廣泛應用，其設計中的不足也日益凸顯，線上系統的中心化管理和單點存儲模式很容易造成用戶信息的丟失或被篡改，尤其是對于師生來說，其賬戶安全關系到學分獲取、課程選取等專業學習安排，如果系統安全問題得不到解決，會造成用戶和系統之間缺乏信任，久而久之影響學校管理工作的順利進行。因此，各高校急需要構建一種信任方案，以保障校園教育系統的可信度，區塊鏈技術因為其不可篡改以及容易追溯源頭的特性，非常符合當下的設計需求，為此本文主要針對基于區塊鏈技術的校園教育管理系統設計展開探討［1］。

1? ? ?校園教育管理系統設計相關技術介紹

1.1? ?區塊鏈

區塊鏈在邏輯上是由區塊鏈接而成的鏈表，區塊主要分為區塊頭和區塊體，區塊頭包含前一個區塊的信息（哈希值、時間戳等），區塊體包含交易信息等，區塊加入到區塊鏈后，構成了有向無環圖，這種圖不存在中央節點，因此鏈上的信息不容易被篡改。區塊鏈技術是一種新型的應用模式，主要用于分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制和加密算法中。因為其本質上是一種去中心化的分布式賬本數據庫，所以廣泛應用于金融領域、物聯網和物流領域、公共服務領域、數字版權領域以及公益領域中。

區塊鏈的五個重要特征分別為去中心化、開放性、獨立性、安全性和匿名性。去中心化指的是區塊鏈技術不依賴額外的第三方管理機構或硬件設施，各個節點能夠實現信息自我驗證、傳遞和管理；開放性指的是區塊鏈技術的基礎是開源的，對所有人開放，整個系統信息高度透明；獨立性指的是區塊鏈技術有著協商一致的規范和協議，數據在驗證和交換過程中不需要其他人的干預；安全性指的是區塊鏈技術能夠避免人為的數據變更，只要行為人不掌控全部數據節點的51%以上即可；匿名性指的是區塊鏈技術的各節點不須公開或驗證，信息傳遞可以匿名進行。

比特幣是區塊鏈的第一個應用，因為其將區塊鏈技術作為底層技術并發展到極致，保證了價值一直處于高昂的狀態。而2013年，Eyal和Sirer提出了一種比特幣挖礦攻擊算法，使得區塊鏈受到了不小的攻擊。自私挖礦攻擊算法指的是當新的區塊被發現后，算法可以將其保持私有，作為私鏈，然后繼續自私挖礦，即使私鏈長度小于公鏈，惡意礦池也不會放棄私鏈。這種自私挖礦相比于誠實挖礦，在收益上有著明顯的提高。自私挖礦攻擊算法能夠對區塊鏈系統的穩定性造成極大的破壞。本文主要針對自私挖礦攻擊算法，選擇了一種能夠抵御該攻擊的區塊鏈框架FISCO BCOS框架，從而增強系統的外部抵抗力，并利用此區塊鏈搭建了教育管理系統，保障了用戶的信息安全、學分的可信和公開透明，保證了系統與用戶之間的信任。

1.2? ?區塊鏈框架

本文設計的基于區塊鏈技術的校園教育管理系統主要使用FISCO BCOS框架作為底層框架，這個框架是國內企業主導研發、安全可控的企業級聯盟區塊鏈框架環境，不同于公有鏈，聯盟鏈保證了加入其中的成員需要進行身份驗證，極大地加強了用戶的信息安全［2］；另一方面，由于聯盟鏈是有向無環圖，以此為基礎搭建的系統，在各項交易任務的處理速率上，得到了大大的提高。FISCO BCOS框架主要分為接口層、管理層、鏈核心層、互聯核心層和基礎層，具體架構情況如圖1所示。

1.3? ?Vue.js

Vue是一種構建可視化界面的漸進式JavaScript框架，在本文設計的系統中主要用于搭建前端頁面。Vue的特點是能夠構建交互式Web界面庫，實現視圖層和模型層之間的數據雙向綁定，使得開發代碼的維護難度能夠大幅度降低；另外，Vue.js可以利用其組件功能，封裝可重用的代碼，使得開發代碼工作量變得更加輕松，提高了代碼的重用率。

1.4? ?Django

Django是基于Python的開源Web應用程序框架，在本文設計的系統中主要用于搭建系統后臺。Django的特點是能夠快速搭建高性能的Web網站，開發時采用MTV三層模式，即模型（Model）、模板（Template）和視圖（View）。Model層主要處理數據事務（與數據庫直接溝通），Template層主要處理如何在頁面中可視化數據，View層主要處理前兩層之間的業務邏輯。

2? ? ?校園教育管理系統需求分析

2.1? ?系統總體業務描述

本文設計的基于區塊鏈技術的校園教育管理系統主要使用FISCO BCOS框架作為底層框架，在系統開發層面上，選擇Django框架作為系統后臺程序框架，選擇Vue.js作為系統的前端設計頁面。基于上述考慮，在系統總體業務方面，主要分為以下幾點：首先，超級管理員登錄后，能夠新建管理員賬號信息，管理員賬號主要用于子系統的管理（包括師生信息管理系統、政教管理系統、交互式教學平臺、后勤管理系統等），管理員主要負責系統信息的上鏈、賬號管理和信息審核等工作；其次，游客、校園合作方等校外人員可以在系統中注冊賬號，并體驗系統的部分功能，比如學校信息查詢、政務人員信息查詢、課程信息查詢等；最后，師生、行政人員、后勤人員等校內人員擁有游客的所有功能，并在各自的子系統中擁有屬于各自身份認證的功能，比如師生可以查看自己的課程、學分、考試信息等，可以在學習平臺中瀏覽資料，可以在后勤管理系統中申請借取工具［3］。

2.2? ?系統功能需求分析

基于總體業務描述，基于區塊鏈的校園教育管理系統應該具有以下功能：

（1）用戶管理：系統應該實現用戶的注冊、登錄管理功能。用戶在未注冊時，只能瀏覽、查看一些系統體驗項目，部分頁面游客不能打開。用戶注冊后，需要錄入自己的身份信息，并得到管理員分配的權限，不同的身份認證擁有不同的系統使用權限。用戶賬戶一旦注冊完畢，只有用戶自己和管理員擁有賬號的修改權限。

（2）信息查詢：每個用戶都能在各自的子系統中查看相關內容，不能跨系統查看權限之外的內容。

（3）信息保障：本文利用區塊鏈技術構建了去中心化的校園教育管理系統，利用區塊鏈技術的不可篡改性和信息公開透明的特點，保障了系統信息的可信性。

（4）其他功能：校園教育管理系統能夠對接其他子系統，在用戶管理方面取消了各系統的獨立建庫，減少了系統信息的冗余，方便了用戶的統一管理。各子系統擁有各自的功能，保證了校園教育各類事項的全面管理，具體的功能在此不做詳述。

2.3? ?系統非功能需求分析

除了校園教育管理系統的基本功能外，還需要探討以下非功能需求。

（1）安全性：安全性是校園教育管理系統使用區塊鏈技術作為底層框架的核心原因。保證用戶個人信息不丟失、不被篡改，對于系統來說是尤為重要的，若當前區塊鏈系統存在某些漏洞，則會造成不可預測的危害。因此，本文深入研究區塊鏈系統的安全性，并應用區塊鏈技術構建了良好的系統生態環境。

（2）可擴展性：校園教育管理系統是總系統平臺，其連接著各子系統，系統內的各個功能模塊時刻處于動態變化的過程中，因此系統需要具備可擴展性，從而能夠及時應對相關功能模塊的變化，并作出相應的調整。未來如果系統想要增加額外的功能，或引入更多的子系統，可擴展性都能夠保證開發工作的順利進行［4］。

（3）響應速率：引入區塊鏈技術作為系統的底層框架，以其有向無環圖的特點，保證了各類交易任務的處理速率都得到極大的提高，并且用戶的各種與數據庫相關的功能操作都能得到極快的反饋。

3? ? ?校園教育管理系統總體設計

3.1? ?系統總體架構設計

校園教育管理系統總體架構分為四層，包括用戶層、應用層、業務層和區塊鏈層（如圖2所示）。

用戶層主要考慮瀏覽系統的用戶身份，包括注冊和登錄。應用層是用戶在注冊并登錄后能夠使用的功能模塊，主要包括用戶信息查詢和修改、課程信息查詢和選取等。業務層主要為應用層的功能實現提供技術支持，主要包括哈希數據上鏈、哈希時間鎖合約、系統安全支持、表單服務支持和消息服務支持。其中，哈希數據上鏈保證系統信息的可信程度，時間鎖合約為資產原子跨鏈交換環境的構建提供支持，表單服務和消息服務實現了用戶和后臺的交互，系統安全支持技術讓校園教育管理系統時刻處于安全環境中，使其生態環境更加圓滿；區塊鏈層主要為FISCO BCOS框架、跨鏈框架WeCross和區塊鏈系統安全性分析算法［5］。

3.2? ?功能模塊設計

根據上文對校園教育管理系統的需求分析介紹可知，系統將功能模塊劃分為用戶管理、信息查詢、信息保障和其他功能四項。

（1）用戶管理功能。用戶以游客身份瀏覽系統平臺時，無法進行用戶管理，只有在注冊后，才能使用系統給予的完整用戶管理功能。用戶注冊登錄基本流程為：用戶在瀏覽器向服務器提出HTTP請求，提交相關身份信息；管理員核實并賦予相關權限，用戶信息存入數據庫，并返回注冊狀態；用戶注冊完畢，提交登錄信息；服務器響應，將登錄信息與數據庫比對，并返回登錄狀態；用戶登錄完畢后，可以在個人信息頁面管理自己的信息。在登錄狀態下，學生可以查看課程信息、選取課程、查看已修學分、查看考試成績、下載課程資料等；教師可以查看課程信息、查看學生考試信息、上傳課程資料、對學生課程學習情況進行評價和打分等。

（2）信息查詢功能。信息查詢主要包括個人信息查詢、課程信息查詢以及其他系統信息查詢。信息查詢的基本流程為：用戶在瀏覽器點擊響應按鈕，提交POST請求到后臺服務器；服務器通過關鍵字比對等算法，在數據庫中查詢相關內容，若內容不存在則提示用戶，若內容存在則返回相關信息。

（3）信任保障功能。信任保障功能主要利用區塊鏈的不可篡改和數據公開透明的特點，對相關數據進行存證。其中，本系統對數據采用哈希上鏈操作，使得鏈上的內存能得到謹慎使用，并且還能夠提高數據上傳的運算速度。數據哈希上鏈的基本流程為：用戶在瀏覽器上提交數據上傳請求，后臺服務器收到請求后，使用哈希運算，通過調用SDK、調用智能合約的方式，實現數據的哈希上鏈，最終數據會進入到區塊鏈中，保障了用戶和系統之間的信任。

（4）其他功能。本系統主要對接學校的各類子系統，因此用戶在上傳數據和瀏覽信息時可以經由區塊鏈系統獲得子系統的相關權限和功能操作權限，方便了用戶的統一管理，系統的后臺業務邏輯也免去了數據處理的冗余流程。各子系統的相關業務功能模塊這里不再一一舉例。

3.3? ?區塊鏈系統安全性分析算法

系統的安全性主要受到內部驅動力和外部抵抗力兩方面的影響。從內部驅動力角度來看，通過對上傳數據哈希上鏈，封裝智能合約函數，能夠實現數據的公開透明和自動化執行，避免了人為篡改；從外部抵抗力角度來看，本文采用的FISCO BCOS框架，能夠極好地抵抗自私挖礦攻擊算法對區塊鏈的攻擊，相較于公有鏈來說，聯盟鏈對想加入該區塊鏈網絡的用戶采取審核機制，只有經過許可才能加入，降低了自私礦工加入校園教育管理系統實施攻擊的可能性。此外，FISCO BCOS框架也不同于比特幣系統，采用PBFT維持了網絡的一致性，使得自私挖礦攻擊算法對其不再適用，從而保障了系統的外部安全。

主要參考文獻

［1］鄭旭東，楊現民.基于區塊鏈技術的學生綜合素質評價系統設計［J］.現代遠程教育研究，2020，32（1）：23-32.

［2］朱林，劉躍.基于區塊鏈技術的高校學生日常行為管理系統研究［J］.西南民族大學學報（自然科學版），2019，45（3）：290-295.

［3］王岳，陳晨，陳翀，等.高等教育領域區塊鏈技術應用現狀研究：基于38所高等教育機構的分析［J］.中國教育信息化，2021（15）：21-27.

［4］胡寧玉，趙青杉，馮麗萍，等.基于區塊鏈技術的高校學生檔案管理研究［J］.忻州師范學院學報，2021，37（2）：41-44.

［5］崔阿悅，朱聰惠，王星皓.基于區塊鏈的學生信息資源管理體系的研究［J］.網絡安全技術與應用，2019（1）：18-20.