朱 林，劉 躍

(1.西南民族大學(xué)馬克思主義學(xué)院， 四川 成都 610041；2.西南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 610041)

學(xué)生日常行為包含諸如上課遲到早退等出勤情況；使用違章電器和違反考場(chǎng)紀(jì)律等違反校紀(jì)校規(guī)行為；參加各種社團(tuán)活動(dòng)獎(jiǎng)勵(lì)、參加各種比賽獎(jiǎng)勵(lì)、獲得各項(xiàng)證書(shū)情況及考試成績(jī)等等，這些學(xué)生日常行為表現(xiàn)直接反應(yīng)了學(xué)生思想政治狀況、學(xué)習(xí)生活情況，為思想政治教育工作者在開(kāi)展評(píng)獎(jiǎng)評(píng)優(yōu)、入黨推薦等工作提供有價(jià)值的依據(jù)和參考. 重要的是，本班同學(xué)比輔導(dǎo)員老師更清楚同學(xué)間的日常行為信息，研究和設(shè)計(jì)安全且具有隱私保護(hù)特征的學(xué)生日常行為管理系統(tǒng)，學(xué)生日常行為同班同學(xué)都可以通過(guò)電子檔案形式記錄并存儲(chǔ)，將會(huì)加大學(xué)生違紀(jì)的成本并從很大程度上起到約束學(xué)生不良行為的作用，對(duì)提升學(xué)生思想道德素養(yǎng)，規(guī)范日常行為具有重要意義. 但目前少有這方面的管理系統(tǒng)，究其原因是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的管理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)困難、維護(hù)成本較高、數(shù)據(jù)容易遭受篡改導(dǎo)致威性不高.為了解決這一系列問(wèn)題，本文提出基于區(qū)塊鏈的高校日常行為管理系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析和設(shè)計(jì).

目前的管理系統(tǒng)多采用中心化管理模式并采用瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，前端以微軟的Microsoft Visual Studio 為開(kāi)發(fā)工具，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)多為開(kāi)源的MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù).這種中心化模式可以較好的管理和維護(hù)數(shù)據(jù)，但仍然面臨如下風(fēng)險(xiǎn):

1)系統(tǒng)健壯性不夠高:因?yàn)橹行姆?wù)器一旦奔潰，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行；

2)數(shù)據(jù)容易被篡改或丟失:當(dāng)中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)被外界攻擊或者中心服務(wù)器管理人員惡意修改數(shù)據(jù)將破壞數(shù)據(jù)真實(shí)性和權(quán)威性.更重要的是如果中心化服務(wù)器沒(méi)有做好數(shù)據(jù)備份，很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)全部丟失；

3)維護(hù)成本較高:中心化管理平臺(tái)需要專門(mén)的數(shù)據(jù)庫(kù)軟硬件平臺(tái)及專業(yè)維護(hù)人員，維護(hù)成本較高.

針對(duì)傳統(tǒng)管理系統(tǒng)存在的問(wèn)題和區(qū)塊鏈在信息系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)，本文提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的學(xué)生日常行為管理系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)信息系統(tǒng)面臨的問(wèn)題. 區(qū)塊鏈技術(shù)具有分布式、去中心化、信息不可篡改、公開(kāi)透明、數(shù)據(jù)集體維護(hù)、可靠數(shù)據(jù)管理、較低層本等特點(diǎn)為信息管理系統(tǒng)提供了新的技術(shù)和思路.針對(duì)思想政治工作面臨的具體問(wèn)題，研究和設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈的高校學(xué)生日常行為管理系統(tǒng)，為提高高校思想政治工作效率、透明和權(quán)威性提供有價(jià)值的參考.

目前將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于各大管理系統(tǒng)是信息系統(tǒng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，應(yīng)用最多的是檔案管理系統(tǒng)[1-3]，通過(guò)引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)為確保檔案的真實(shí)性和不可篡改性，為電子檔案建設(shè)和管理提供有價(jià)值的參考.其他研究包括孫韻秋所設(shè)計(jì)的高校學(xué)生管理系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)首次引入時(shí)間戳服務(wù)OriginStamp 提高數(shù)據(jù)安全性，但是具體如何部署卻較少涉及. 范吉立等人借助區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品共享交易服務(wù)系統(tǒng)[5]，并使用以太坊完成部署，提供了新的較好的實(shí)現(xiàn)方案.但涉及思政工作的區(qū)塊鏈相關(guān)研究還很少見(jiàn)，本文在孫韻秋和范吉立等人工作基礎(chǔ)上，提出新的基于以太坊的學(xué)生日常行為管理系統(tǒng)，為約束學(xué)生日常行為，提高思政工作的效率提供有價(jià)值的參考.

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 去中心化系統(tǒng)

區(qū)塊鏈技術(shù)本質(zhì)是一種數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，只是這種數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)采用去中心化的分布式記錄數(shù)據(jù).去中心化系統(tǒng)有三個(gè)部分組成:分布式傳輸、分布式記錄和分布式存儲(chǔ).

分布式傳輸:分布式傳輸?shù)湫痛砭褪荘2P 網(wǎng)絡(luò)[6]，區(qū)塊鏈的底層采用P2P 網(wǎng)絡(luò)，在P2P 網(wǎng)絡(luò)中的任何一臺(tái)電腦都處于對(duì)等位置，沒(méi)有特殊的中心節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用扁平式. P2P 網(wǎng)絡(luò)中的每一臺(tái)電腦既是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)者、數(shù)據(jù)的提供者也可以是數(shù)據(jù)的請(qǐng)求者.本文所設(shè)計(jì)的日常行為管理系統(tǒng)就可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在班級(jí)每個(gè)同學(xué)的電腦中.

分布式記錄:所謂分布式記錄是指每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都參與記錄信息，與此同時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)也需要驗(yàn)證其他節(jié)點(diǎn)的記錄是否正確.如果某項(xiàng)數(shù)據(jù)要寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈中，只有當(dāng)大多數(shù)節(jié)點(diǎn)(占比達(dá)51%)都驗(yàn)證通過(guò)時(shí)，該數(shù)據(jù)才能被寫(xiě)入?yún)^(qū)塊被大家承認(rèn).在本文所提系統(tǒng)中，如果某個(gè)同學(xué)獲獎(jiǎng)或者遭受處分，班上同學(xué)最清楚該事情的真實(shí)性，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)提高數(shù)據(jù)記錄的真實(shí)透明.

分布式存儲(chǔ):區(qū)塊鏈技術(shù)可以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)所有區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，這樣避免基于中心化系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失威脅.全節(jié)點(diǎn)需要存儲(chǔ)從創(chuàng)世區(qū)塊起產(chǎn)生的每一個(gè)區(qū)塊，而輕量級(jí)只需要保留部分區(qū)塊. 本文所提的就是全節(jié)點(diǎn)形式，記錄產(chǎn)生全部區(qū)塊.

1.2 區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介

區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個(gè)去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)且無(wú)人管理，最典型的應(yīng)用就是比特幣[7].廣義來(lái)講，區(qū)塊鏈技術(shù)是一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算方式，區(qū)塊鏈?zhǔn)紫刃枰鉀Q的是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題，它通過(guò)塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)；接著數(shù)據(jù)的修改和更新，區(qū)塊鏈利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法來(lái)完成數(shù)據(jù)生成和更新數(shù)據(jù)；接著區(qū)塊鏈需要保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性，區(qū)塊鏈利用經(jīng)典密碼學(xué)算法保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問(wèn)的安全，最后區(qū)塊鏈利用由自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約來(lái)編程完成上述操作的自動(dòng)化處理，體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Blockchain structure diagram

1.2.1 區(qū)塊鏈分類

區(qū)塊鏈可以分為共有鏈、私有鏈、聯(lián)盟鏈三類.公有鏈?zhǔn)侨魏稳硕伎梢詤⑴c信息管理和維護(hù)，比如比特幣；私有鏈只有授權(quán)的人才能使用，可以運(yùn)用于單位內(nèi)部管理，存在一定的中心化控制；聯(lián)盟鏈介于公有鏈和私有鏈之間，可以視為部分去中心化，也就是若干個(gè)組織合作維護(hù)帶有權(quán)限的訪問(wèn)，聯(lián)盟鏈不單交易速度非?？欤渲袛?shù)據(jù)也實(shí)現(xiàn)一定的隱私保護(hù).

1.2.2 區(qū)塊鏈核心技術(shù)

區(qū)塊鏈主要解決交易的信任和安全問(wèn)題，核心技術(shù)可以分為四個(gè)部分:

分布式賬本:所謂分布式賬本意思是每個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄完整的賬目，沒(méi)有任何節(jié)點(diǎn)可以單獨(dú)記錄數(shù)據(jù)，避免了單一節(jié)點(diǎn)被控制而記錄不真實(shí)數(shù)據(jù)，從技術(shù)上提高了數(shù)據(jù)的完整性和安全性.每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以參與監(jiān)督交易的合法性.區(qū)塊鏈的分布式存儲(chǔ)獨(dú)特性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:1)區(qū)塊鏈每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)完整的數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)備份，而傳統(tǒng)的分布式存儲(chǔ)將整體數(shù)據(jù)分成多個(gè)部分存儲(chǔ)；2)區(qū)塊鏈每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)是獨(dú)立的，地位相同.傳統(tǒng)的分布式存儲(chǔ)通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)往其他備份節(jié)點(diǎn)同步數(shù)據(jù).

非對(duì)稱加密和授權(quán)技術(shù):雖然區(qū)塊鏈中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是可以公開(kāi)的，但是信息擁有者對(duì)應(yīng)的賬戶身份信息是加密保護(hù)，因?yàn)楸仨毚_保數(shù)據(jù)和個(gè)人隱私安全.

共識(shí)機(jī)制:所謂共識(shí)機(jī)制就是記錄節(jié)點(diǎn)之間如何達(dá)成共識(shí)，去認(rèn)定記錄一個(gè)有效的信息. 共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈的靈魂，在P2P 系統(tǒng)中，互不信任的節(jié)點(diǎn)通過(guò)預(yù)設(shè)機(jī)制最終達(dá)到數(shù)據(jù)的一致性就是共識(shí).目前廣泛被認(rèn)可的共識(shí)機(jī)制有三種:1)工作量證明機(jī)制(proof of work， PoW)，這種機(jī)制是比特幣的鼻祖中本聰設(shè)計(jì)，各節(jié)點(diǎn)基于各自的計(jì)算機(jī)算力求解SHA -256 數(shù)學(xué)難題，最快求出的獲得區(qū)塊記賬權(quán)和比特幣獎(jiǎng)勵(lì)；2)權(quán)益證明機(jī)制(proof of stake，PoS)，由于PoW 計(jì)算數(shù)學(xué)難題需要消耗大量的算力，而且這種計(jì)算并無(wú)太大價(jià)值，造成資料浪費(fèi)； 3)授權(quán)股份證明機(jī)制(delegated proof of stake， DPoS):該思路類似于“董事會(huì)決策”，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將其持有的股份權(quán)益作為選票授予一個(gè)代碼，獲得票數(shù)最多且愿意成為代表的101 個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入“董事會(huì)”，按照時(shí)間表輪流對(duì)交易答辯產(chǎn)生新的區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊被簽署前都需要驗(yàn)證前一個(gè)區(qū)塊已經(jīng)被受信任節(jié)點(diǎn)簽署.與PoW 和PoS 不同的是，DPoS 共識(shí)機(jī)制中每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠決定其新人的授權(quán)節(jié)點(diǎn)并由這些節(jié)點(diǎn)輪流記賬產(chǎn)生新的區(qū)塊，減少參與驗(yàn)證和記賬的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)快速共識(shí)驗(yàn)證. 例如本文所提的系統(tǒng)可以使用DPoS 共識(shí)機(jī)制，全體同學(xué)將持有的權(quán)益交給信任的同學(xué)，權(quán)益排名前20%同學(xué)負(fù)責(zé)記賬，這樣便于在較少計(jì)算量的情況下實(shí)現(xiàn)快速共識(shí)驗(yàn)證.

1.3 以太坊簡(jiǎn)介

以太坊(Ethereum)是一個(gè)有智能合約功能的區(qū)塊鏈平臺(tái)[8].智能合約可以理解為一段程序，可以自動(dòng)化的執(zhí)行一些預(yù)先定義好的規(guī)則和條款. 以太坊可以理解為一個(gè)區(qū)塊鏈平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上人們可以根據(jù)自己需要方便快捷的構(gòu)建出符合自己需要的區(qū)塊鏈應(yīng)用.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文最主要研究基于以太坊技術(shù)的學(xué)生日常行為管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有三個(gè)部分組成:基于以太坊的數(shù)據(jù)層、由智能合約和Web3 組成的中間件層，為用戶提供新增和查詢的應(yīng)用層，具體如圖2 所示.

圖2 本文系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.2 The Proposed Architeture of Network

2.1 數(shù)據(jù)層

高校學(xué)生日常行為管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)層采用分布式P2P 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)境，使用開(kāi)源區(qū)塊鏈系統(tǒng)以太坊進(jìn)行搭建.以太坊是具有智能合約功能的公共區(qū)塊鏈平臺(tái)，可以通過(guò)該軟件搭建本系統(tǒng)[10-11].

2.2 中間件層

系統(tǒng)的中間件由智能合約和Web3 組成.智能合約規(guī)定了用戶操作規(guī)范，用戶的全部操作按照合約內(nèi)容嚴(yán)格執(zhí)行，本文智能合約可以采用Solidity[9]編寫(xiě).例如本系統(tǒng)的智能合約可以規(guī)定任何人都可以申請(qǐng)向區(qū)塊寫(xiě)入信息，但是需要超過(guò)總?cè)藬?shù)51%才能被寫(xiě)入?yún)^(qū)塊中.Web3 主要是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與以太坊和智能合約信息交互.

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層中，系統(tǒng)通過(guò)Web 顯示可視化界面，使用戶與智能合約交互和查看區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù).應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)可以基于JavaScipt 實(shí)現(xiàn)，具體可以基于Truffle 框架[12]進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該框架是以太坊中使用最普遍框架，可實(shí)現(xiàn)智能合約編譯、部署到發(fā)布.

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用分層架構(gòu)，具體可以分為應(yīng)用交互層和區(qū)塊鏈層，如圖3 所示. 上層的應(yīng)用層通過(guò)Web 界面顯示各項(xiàng)操作按鈕，通過(guò)這些操作可以完成用戶與區(qū)塊鏈之間的數(shù)據(jù)交換，區(qū)塊鏈將學(xué)生提交信息封裝為虛擬資產(chǎn)或交易，然后提交給各個(gè)節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)(例如班上同學(xué)51%同學(xué)認(rèn)可后)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上.同時(shí)應(yīng)用層也給學(xué)生提供查詢功能，通過(guò)查詢接口獲取數(shù)據(jù)并在瀏覽器上顯示.

底層區(qū)塊鏈包括兩個(gè)部分，首先是組成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的P2P 網(wǎng)絡(luò)，該部分維持系統(tǒng)運(yùn)行和處理各項(xiàng)查詢和存儲(chǔ)功能，另一部分是區(qū)塊鏈用于存儲(chǔ)已經(jīng)生效的記錄鏈.

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.3. The Arichitecture of The Proposed Scheme

3.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 角色注冊(cè)模塊

本系統(tǒng)的角色可以分為學(xué)校管理員、輔導(dǎo)員、學(xué)生三個(gè)部分.學(xué)生通過(guò)系統(tǒng)并輸入學(xué)生姓名、學(xué)號(hào)、身份證號(hào)、所在學(xué)院和班級(jí)信息，并生成公私鑰對(duì).為了便于學(xué)校驗(yàn)證學(xué)生合法性，學(xué)生注冊(cè)完后需要生成一個(gè)虛擬資產(chǎn)提交給學(xué)校，具體流程如圖4 所示. 教師注冊(cè)過(guò)程與學(xué)生類似，學(xué)校不需要注冊(cè)，具有審批權(quán)限.

3.2.2 信息寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈

如何將有效信息寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈中實(shí)現(xiàn)永久存儲(chǔ)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，具體流程如圖5 所示. 為了安全可控和隱私保護(hù)，系統(tǒng)將學(xué)生操作和信息閱讀范圍都限制在本班級(jí)中，其他人并不知道發(fā)起記錄的人是誰(shuí). 如果某個(gè)學(xué)生需要將信息記錄到區(qū)塊鏈中，他需要向系統(tǒng)提交信息，并交由全班投票，如果投票通過(guò)，才能將信息記錄到區(qū)塊鏈中. 老師跟學(xué)生操作類似，但是老師可以查看和記錄本學(xué)院的所有同學(xué)信息.

3.3 信息查詢

學(xué)生可以通過(guò)瀏覽器查看本班級(jí)的信息記錄，學(xué)生需要提供自己私鑰來(lái)進(jìn)行查詢信息，這些信息只能查看都不允許修改.

圖4 學(xué)生注冊(cè)流程圖Fig.4 The flow chart of student registration

圖5 信息寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈流程Fig.5 The Writing information Process of Blockchain

4 總結(jié)

本文提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的學(xué)生行為管理系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)中心化結(jié)構(gòu)的信息系統(tǒng)面臨的安全問(wèn)題.本文所提基于區(qū)塊鏈的學(xué)生行為管理系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生行為由學(xué)生自己管理、監(jiān)督和維護(hù)，同時(shí)可以保證數(shù)據(jù)公開(kāi)透明且不可篡改.通過(guò)借用新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)切實(shí)提高思想政治工作的效率和公開(kāi)透明，對(duì)促進(jìn)學(xué)生發(fā)展和提高學(xué)生思想政治水平具有積極意義.