教育区块链技术研究

三亚学院管理学院 李海军 杨 月

信任危机是现行教育生态体系面临的最严重问题。用区块链技术来重构教育生态，既是解决信任危机的重要途径，也是教育信息化的必然趋势。

1 区块链技术

区块链主要采用以下技术来解决信任问题：

1.1 块链式数据结构

区块链中数据是以“记录-区块-链”的结构组织的。其中，记录可以是一条交易记录（如比特币中的交易记录），也可以是一条有证据含义的信息（或称数据），比如一份会议记录、一篇发表的文献、一次事故记录、一份体检报告，当然可以是一份考试答卷及成绩。记录中有些要素不可或缺，如记录的发生时间、登载记录的人（或记录的属主）等。每个记录数字签名后都要分发给其他对等节点认证，达成共识的记录才能被真正采用并记入当前区块。每条认证后的记录经过哈希算法处理得到一个本条记录的哈希值连同记录本身一同记入区块中。把记录按发生的时间顺序记录到特定大小的区块后，所有记录的哈希值的一种管理编码值，即默克尔根。每个区块除了包含一定数量的记录外，还需要创建区块头部信息。这些头部信息包括：前一区块的哈希值（引用自上一个区块的整体哈希值）、当前区块的整体哈希值（本区块所有内容经哈希算法处理后得到的哈希值，将被下一个区块所引用）、由本区块所有记录产生的哈希值（默克尔根，保证记录不被非法修改）、时间戳（区块产生的时间）、随机数、魔法数、区块大小、区块包含的记录数、区块版本号等。每个区块的哈希值都被紧随其后的后继区块所引用，以此类推不断延续，所有区块就将链接成一个前后关联难以修改的链条。任何想在链条中间上任何区块进行的修改，必须相应地将其后产生的所有区块都做相应修改才能保证哈希值引用的相应变化。当然，新产生的区块必须经过PeertoPeer（对等网，本文后续简称P2P）网络中所有其他节点的认证，达成共识后才能顺利加入链条。这种结构为那些恶意篡改区块或记录的行为设置了难以逾越的屏障。在教育领域，如果学习者学习过程的每个关键步骤和关键节点，特别是能体现其学习成就的能力指标，都通过哈希算法、数字加密和数字签名技术来加以保护，并记录到相应的区块链中，日积月累，形成围绕学习者的能力电子标签或数据指纹，就可从根本上杜绝各种作弊造假行为。同时，由于这些特征值都被自动化记录，方便了成绩统计和素质特质的自动化抽象。这为用人单位鉴识合适的人才创造了数据基础。

1.2 P2P网络

P2P网络是指网络中的任意节点都具有同等地位和作用，既是资源、服务和内容的提供者，同时又是分享者。节点与节点之间可直接访问而无需借由中央服务器节点的中介。P2P网络可以按照Kademlia结构来组织，每个节点都拥有一份动态节点路由表。每个节点拥有的节点路由表中，始终趋于保存与自己距离（节点ID值的异或值）最近的节点ID值表。所有节点的ID值以二叉树形式组织，可保证P2P网络中任何两个节点间快速定位并交互信息。每个节点都可以创建记录，也可以将网络中所有节点新产生的记录按公认的时间顺序组织成区块。每个节点创建的记录或区块，都会尽快广播到全网周知。每个节点收到相邻节点发来的记录或区块信息，立即进行认证并转发给自己已知的近邻节点。这样，区块信息和记录信息可在P2P网络中快速广播，迅速认证。获得公认的记录被添加到当前新区块的记录序列尾部。获得公认的新区块被添加到当前区块链条的尾部，为全网所共识共有（这一过程被称为挖矿）。在教育领域，处理的记录往往体量较大，完全的P2P结构是难以实现的。因为每个节点的存储容量有限、处理能力有限，不同节点所希望承担的工作不尽相同。事实上，教育领域的应用也完全没必要设计为完全的P2P网络，很多参与节点只希望实现极少量的功能，能够承担全节点功能的节点，往往由公信力较高的机构所提供。所以，教育区块链可考虑以P2P网络为基本架构构建P2P骨干网，在骨干网外围分层，不同层的节点完成不同的功能，每层内以P2P结构组织，层与层之间以高速可靠的认证网关接通。甚至记录本身都可不真的加入到其已归属的区块中，只将该记录的哈希值等关键信息记入其所归属的区块中，这样有利于为区块瘦身。大体量的记录可存储到云端特定的公共存储池中，以备需要时下载使用。而全功能节点的负担得以减轻。

1.3 去中心化存储处理体系

教育领域应用以大记录为特征（比如多媒体课件、音视频素材等），其存储体系应当采用分布式存储体系，以减少巨量数据访问和传输所带来的带宽压力。P2P网络中全功能节点既能生产记录、生产区块，也能验证记录、验证区块，当然也能将区块追加到链尾。一个节点所产生的记录或区块，需要尽可能快地得到全网所有节点的验证。如果记录或者区块过大，则必然带来网络带宽压力和处理时延问题。另外，普通节点的存储空间和处理能力有限，随着区块全链越来越大，终将难负其重。教育领域的记录不仅体量大，而且形式多样，组成复杂，完全去中心化的对等网络难竟其功。对于具体的独立链体（比如单指主链单体，或子链、侧链单体），可仿照以太坊的做法，将节点分层分类。比如，我们可以设计两类节点：第一类节点设计为全链节点，提供区块链的整链认证、存储、备份、交换、分发等工作，即所谓的挖矿节点。第二类节点提供生产并认证记录的功能。第一类节点应保持足够大的数量，且拥有超强超高速的处理和传输能力。各类属内的所有节点，具有完全相同的功能，并且形成P2P对等网络。而类属节点层之间，则建构高速的数据交换链路，并且形成分区分片的从属关系。分区分片按照P2P网络中节点间的ID异或距离划分。我们可以把第一类节点，设计为公共基础设施层，不仅植入规范的智能合约，而且以严格的法律法规加以约束，使其不至于形成中心化的权威专制机构。P2P网络可提供公正自发的竞评奖惩机制，优胜劣汰，将低能、劣质和恶性节点及时自动清理出网。教育区块链设计中，可以考虑由有资质的教育主管部门和公共教育服务部门按照统一的规范构建第一类节点，提供骨干网，而各个教学单位作为第二类节点加入第二层节点网络，提供记录生产认证功能。两类节点层之间以高速网关联通。

1.4 智能合约

合约就是共同认可的约定，区块链网络中的合约被所有节点（或合约账户）所认可。智能合约是指将合约用计算机语言写成能自动执行的代码（也包括代码所处理的代表合约状态的数据），当满足合约所约定的条件（合约数据状态）时，合约就会被触发并引导系统自动执行合约所规定的相应操作（即合约程序代码所设计的操作）。当然，合约执行的结果也需要相关节点确认并达成认可共识。智能合约的这种特质，使得P2P网络中的所有信息交换、数据储存、状态变化、记录登记和分发都由既定程序自行推进，从而摆脱了人为操控所带来的信任隐患。另外，智能合约所导致的P2P网络中的每一步状态变化，都以合约账户的私钥签名并哈希链锁，以防止篡改和抵赖。教育领域的智能合约，开发任务繁重，发展应用空间广阔。比如随机智能组卷、主客观试题智能判分、教学素材智能升级换代、学习者综合素质智能评判、学习智能导引、文凭证书智能获取、专长人才智能推荐等等。随着这些智能合约的不断开发和完善，教育领域将迎来一次革命性变革。

1.5 自生长生态系统

区块链是一个可自组织自生长的生态系统。节点可以自由加入或退出，区块链中的节点会根据网络中节点的变化自动维护各自当前近邻节点路由表。区块链中设计了动态评分机制，具有恶意行为的节点会被及时清出网络。对于具有区块创建（挖矿）、记录创建功能的节点，区块链设计了奖励机制，可有效激励节点参与的积极性，同时维持网络的活跃性和生长性。区块链中的P2P结构，要求具有全功能的节点数必须维持在一定数量及比例之上，避免区块链网络向中心化演进，预防出现中心化的权威机构进而威胁到公开、公平和信任体系。教育区块链从解决信任问题出发，自生长的生态系统，可避免人为操控所带来的信任损失。因此，教育区块链应当设计为一个安全可靠的自生长生态系统。

2 教育区块链技术构型

教育区块链与比特币之类数字货币交易系统不同，它是一个复杂的信息管理应用生态系统。尽管也具有分布式记账机制，但其所记账的内容则非简单的交易条目，而是单元化的多媒体信息。相对于比特币的单链结构，教育区块链更复杂，是前述多个链条的整合体，必须以多链形式来组织，多链之间还要保证高效可靠的信息交换和共享通道。教育区块链中的记录单元内容复杂且体量大，这给数据存储和同步带来巨大挑战。完全对等的网络架构显然难以胜任这样的应用。记录（特别是教学素材）需要具备可修改和升级换代的特性，这对于块链式的凝固态信息的管理机制提出了根本性挑战。以太坊使用一种两层对等网络的组网架构来应对大体量交易条目的存储和认证挑战。阿希（Asch）项目提供了一种侧链架构来解决可变性记录的维护和管理。Metanet是一个商品分类账，它采用比特币技术分支BSV（Bitcoin Satoshi Vision）架构，所有对象都可被放到一个区块链中。Metanet项目目前已经可用Twitter-to-Bitcoin机器人程序，自动抓取推文，并通过OP_return码直接写入到BSV链上。此项目致力于成为互联网的替代品，或者让互联网成为它的一个侧链。PlatOn项目则同时搭建主链与子链，子链是一种分层平行扩展方式，是在主链平台上派生出来的、具有独立功能的区块链。子链不能单独存在，它需要用到主链的全局共识机制，共用主链的智能合约。