區塊鏈技術3.0構建高校新生態系統架構的研究＊

肖娟，王嵩，顏文燕，李尚林

（湘南學院 計算機與人工智能學院，湖南 郴州 423000）

0 引言

區塊鏈技術從比特幣到以太坊再到金融領域的成功應用，吸引了各國政府、高新企業的高度關注，研究者們試圖應用此技術變革傳統領域的產業。區塊鏈技術在教育領域的應用研究也受到國內外眾多學者的關注和期待。國外最早在教育領域應用區塊鏈技術的是美國舊金山市的瀚伯特軟件工程學院，在瀚伯特學院獲得學位的每一位學生都能擁有一個帶有DCN（文件控制編號）的數字學位證書，這個編號可驗證證書的真實性和有效性。麻省理工學院最早于2014年研究區塊鏈技術，于2017年實現畢業生通過手機應用程序即可獲得區塊鏈應用的電子文憑［1］。此外，德國聯邦政府資助了一項基于區塊鏈技術的高等教育證書驗證項目［2］。國外對“區塊鏈技術+教育”的研究主要集中在學習證書的公平性和安全性上。國內學者對“區塊鏈技術+教育”的研究相對晚一些，最初的討論集中在介紹、學習國外的相關經驗。許濤［3］探索了區塊鏈成績單和學習賬本的應用；李青等［4］以具體的案例說明“區塊鏈技術+教育”的應用模式；郭昭君［5］討論“區塊鏈技術+高?！蹦Ｊ綄ε囵B我國大學生深度學習和批判思維能力的影響。2020年，“區塊鏈技術+教育”的應用更為具體、詳細，討論集中于區塊鏈相關教育教學系統的設計與應用、區塊鏈技術與某門課程和某類專業人才培養相結合的應用探析等。

區塊鏈技術在教育領域的應用具有廣闊的發展空間與前景。目前，區塊鏈技術在高校層面的研究主要集中在對高校單一主體的研究，例如學生學歷、學位證書等方面的應用研究。而高校生態系統是一個元素多樣、業務復雜、數據多元的系統，將區塊鏈技術應用于如此復雜系統的構建是區塊鏈技術在教育領域的創新應用，也是本研究的創新點。本文利用區塊鏈3.0技術構建高校生態系統的詳細層次架構，利用技術的力量重構高校生態系統，旨在維護高校教育的公平、公正，提高高校教育資源共建共享水平，促進高校生態系統良性循環和持續發展。

1 區塊鏈技術3.0

區塊鏈技術3.0是區塊鏈的第三個發展階段，是基于前兩代區塊鏈技術的改進版本，是區塊鏈技術的一次革命性飛躍，它將推動區塊鏈技術在經濟、社會、政治、教育等各領域的深入應用和變革。

1.1 區塊鏈技術3.0的特性

（1）分布式應用普適性?？梢灾С侄喾N分布式應用，包括數字貨幣、智能合約、分布式存儲、分布式投票、分布式社交等，實現更加豐富和深入的應用場景。

（2）互操作性［6］。提供標準化的接口和協議，使不同的區塊鏈系統可以進行跨鏈交互和數據共享，促進更廣泛的區塊鏈應用和生態系統的發展。不同的區塊鏈系統可以相互交互、協作，實現數據、資產、價值、服務等的流通和無縫轉換。

（3）可擴展性。采用各種技術和機制，提高網絡處理能力和吞吐量，從而支持更大規模的交易和應用。支持大規模并發、高效率、低延遲的交易處理和信息交換，滿足主流應用的需求，同時降低交易費用和能源消耗。

（4）安全性。具有更高級別的安全性，確保數據和資產的安全和完整。

（5）隱私性。實現對數據信息、資產價值的匿名化、加密化、分離化等隱私保護措施，保證用戶的交易和行為不被追蹤和曝光，提供更可靠的身份驗證和權限管理機制。

（6）可編程性和彈性。支持智能合約的編程能力。智能合約是一種自動執行合約的計算機程序，可以在區塊鏈上實現和執行各種業務邏輯和協議，支持更智能化、靈活化的應用開發和管理，實現更豐富和復雜的業務邏輯和協作機制。

（7）可持續發展和環境友好性。區塊鏈3.0提出一些節能、高效的共識機制，如權益證明（Proofof Stake，PoS）和權威證明（Proofof Authority，PoA），可以減少能源消耗和環境影響。

1.2 區塊鏈技術3.0的代表平臺

（1）EOS：一種基于區塊鏈的新型分布式應用平臺，具有高性能、高吞吐量、高靈活性、低延遲、低成本等優勢，旨在為開發者提供一個高效、穩定的支持環境，多種分布式應用可在此平臺上運行和交互，如游戲、社交、交易等。

（2）Cosmos：一種跨鏈分布式應用平臺，支持不同區塊鏈系統的互操作。

（3）Cardano：采用基于Haskell語言編寫的Ouroboros共識機制、Plutus智能合約語言和Marlowe金融合約語言等先進技術，實現高效、安全的分布式應用開發和管理。

（4）Polkadot：一種跨鏈分布式應用平臺，具有高度的可擴展性、靈活性和互操作性，可以讓不同的區塊鏈系統交互和協作，提供更加豐富的分布式應用場景和服務。

總之，區塊鏈3.0各種代表性項目的出現將推動區塊鏈技術在不同領域的廣泛應用和創新。

2 高校生態系統

生態系統是指由生物群落（由各種相互依賴的動物和植物組成，它們通過食物鏈相互聯系）和它們所處的非生物環境（包括土壤、水、空氣等，對物種的分布、生存和繁殖有重要影響）相互作用并形成的一個生態單元。高校生態系統是社會的子系統，從結構上來看，包括主體、分解者、環境、價值鏈或價值網［7］。

（1）高校生態系統的主體是高校機構，包括高校教師、高校學生、高校組織機構、軟硬件設備設施等。

（2）高校生態系統的分解者是政府和監管機構，負責制定政策、制度和法規，監管教育機構的質量和合規性，并提供資金和資源支持。

（3）高校生態系統的環境包括自然環境、社會環境、規范環境。對高校生態系統影響較大的是行業界和社會組織以及校友和捐贈者，還包括相關研究機構與實驗室等。

（4）高校生態系統的價值鏈是將高校內部與外部的能量流動和物質循環有機地組織起來形成一個鏈條網絡。

3 區塊鏈技術3.0構建高校新生態系統架構

3.1 區塊鏈的分層架構

區塊鏈的分層架構是一種將區塊鏈系統劃分為多個層次的架構模型，每個層次擔負不同的功能和責任，常見的分層架構如圖1所示［8］。其中，底3層是構建區塊鏈技術的必要元素，高3層并非每個區塊鏈系統都需要，可視具體應用而定。

圖1 區塊鏈的基礎架構模型

區塊鏈3.0的分層架構是基于區塊鏈3.0理念的系統架構，旨在實現更高級別的功能和擴展，以下是1種區塊鏈3.0的分層架構模型。

（1）基礎層?；A層是區塊鏈3.0的最底層，包括底層協議、共識算法和網絡層，主要負責提供安全、高效和可擴展的基礎設施，確保整個系統穩定運行。

（2）中間層。中間層是區塊鏈3.0架構的核心，負責實現高級功能和互操作性，包括分片、側鏈、跨鏈和狀態通道等技術，用于解決擴展性和互操作性的挑戰。分片技術將區塊鏈網絡劃分為多個片段，每個片段可以獨立處理一部分交易，提高整體的吞吐量；側鏈和跨鏈技術使不同的區塊鏈網絡能互相連接和通信，實現數據和資產的跨鏈交互；狀態通道提供一種在鏈外進行高頻交易的解決方案，以減輕區塊鏈的負擔。

（3）應用層。應用層是區塊鏈3.0架構的最高層，用于構建各種具體的應用和服務，包括數字貨幣、智能合約、供應鏈管理、身份驗證等各種應用場景。應用層可以利用中間層提供的功能和互操作性，構建更強大、高效和安全的區塊鏈應用。

（4）治理層。治理層是橫跨各個層次的層級，負責區塊鏈系統的治理和決策，包括參與者的治理機制、共識算法的升級和網絡規則的制定。治理層的設計旨在保證區塊鏈系統的穩定性、安全性和可持續性。

區塊鏈3.0的分層架構沒有統一的標準模型，不同的項目平臺和應用可能會有不同的架構設計。

3.2 區塊鏈技術3.0構建高校新生態系統架構分析

根據高校生態系統的特點，結合區塊鏈技術的工作原理和技術架構，分析高校生態系統架構在區塊鏈技術3.0下的實現方式。為實現去中心化，構建高校生態系統時需要明確主體類型，并遵循區塊鏈的運行原理和操作規范，對傳統高校生態系統進行主體分析和區塊鏈技術應用的可行性分析。

主體分析是把傳統高校生態系統的主體劃分為學生、教職人員和職能部門三大主體，每類主體根據區塊鏈3.0技術架構中的共識算法和職能合約設定管理數據內容。應用場景的可行性分析需滿足區塊鏈白皮書中對區塊鏈適用場景的4個判定條件：需要數據庫、需要多方寫入、寫入方不可信、不愿意信任第三方。現就高校生態系統3類主體應用場景滿足區塊鏈的判定條件逐一進行分析。

（1）數據庫條件判斷。高校生態系統中的各主體涉及的數據眾多，學生課程成績、學生綜合測評、教師教學評價、教師教學成果、教輔人員工作評價、教輔人員業績成果、職能部門成果績效等數據龐大且復雜，必須利用數據庫進行數據管理，因此滿足第一個條件。

（2）多方寫入判斷。高校生態系統包括三大主體，且三大主體之間存在不可分割的業務往來。學生的課程成績由授課教師給出，學生的綜合測評由教輔人員給出，學生的課外活動由職能部門參與；教師的測評由學生、教輔人員、管理人員、職能部門給出；職能部門評價由相關聯系主體給予。各主體數據的寫入都是多方的信息，因此滿足第二個條件。

（3）寫入方可信判斷。高校生態系統涉及眾多主體，出于各方利益考慮，在數據提交時不可能完全公正、公平，所以寫入方不一定可信，從而滿足第三個條件。

（4）第三方信任判斷。高校生態系統中的主體信息涉及一些個人的隱私信息和機要數據，不能完全信任第三方，滿足第四個條件。

綜上所述，區塊鏈技術3.0構建高校新生態系統主體分類合理，場景應用可行。

3.3 區塊鏈技術3.0構建高校新生態系統架構設計

根據高校生態系統中各類主體自身業務處理邏輯進行業務邏輯設計，即需要包括高校生態系統各主體內部業務邏輯和相關要素，還需在業務邏輯中考慮傳統高校生態系統中的分解者、環境及價值網等外部要素，設計出基于區塊鏈3.0技術的高校新生態系統。

根據區塊鏈技術3.0系統架構的特點，結合高校生態系統的邏輯結構，在現有各種區塊鏈參考架構基礎上，可將高校新生態系統的體系架構設計為5層，從下至上分別是基礎層、網絡層、共識層、合約層和應用層（如圖2所示）。

（1）第一層是數據層，主要存儲基礎的相關數據，包括區塊數據、鏈式結構、交易方式、時間戳、Merkle樹、非對稱加密算法等，屬于區塊鏈的底層核心技術；其主要功能是存儲高校新生態系統3類主體業務功能的相關數據。

（2）第二層是網絡層，包括網絡拓撲結構、傳播協議、驗證機制，主要作用是以點對點的對等網絡方式組織高校生態系統區塊鏈內各參與節點記錄和轉發的數據內容，提高數據的網絡傳播能力。

（3）第三層是共識層，由遠程過程調用、共識節點準入機制和委任權益證明等構成，其主要功能是分布式處理的分散節點在去中心化的區塊鏈中用已經取得共識的規則共同維護和更新數據，在不可信任的網絡環境下保證區塊鏈中數據存儲的一致性［9］。

（4）第四層是合約層，通過計算機語言和編程技術定義個性化的智能合約，利用智能合約技術將需要錄入系統中的數據及電子憑證的審核條件寫入合約，一旦符合審核條件則觸發合約，進行自動審核；如果條件不滿足則直接返回用戶進行數據補充，直到數據補充完整后再進行審核。通過智能合約，約束高校生態系統中的各主體數據遵照智能合約條款進行處理，保證應用場景的透明性和可靠性。

（5）第五層是應用層，主要封裝了高校生態系統的各種應用場景和子系統，可以包含Web端和App端2套學生、教職員工、職能部門的應用接口，以及3個與區塊鏈系統通信的用戶接口。

4 結論

區塊鏈3.0技術是一套解決問題的方法和機制，作為底層設施可改進原來的互聯網架構，為區塊鏈技術在教育領域的發展提供一種創新嘗試。將區塊鏈技術3.0引入高校新生態系統構建中并探索其創新應用，能為高校生態系統注入新的活力和發展動力。本文分析高校生態系統主體和應用場景的可行性，設計區塊鏈技術3.0構建高校新生態系統的詳細分層架構，為實現區塊鏈技術構建高校新生態系統提供了理論架構模型。對于具體實現區塊鏈技術3.0構建高校新生態系統的細節，包括各主體區塊數據結構的設計、交易數據的確定、智能合約的編寫等，是下一步工作的重點。